干線公路穿越城鎮(zhèn)段交通特性的研究

郭風(fēng)俊　吳艷霞　張恒

摘要 為了提高干線公路穿越城鎮(zhèn)路段的行車安全性，探究車輛在干線公路穿越城鎮(zhèn)路段上的行駛特性，通過實地調(diào)研車輛的速度、加速度及駕駛員操作次數(shù)的變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，以交通工程學(xué)和人因工程學(xué)為基礎(chǔ)，對干線公路穿越城鎮(zhèn)路段上的交通特性進行了研究。根據(jù)干線公路穿越城鎮(zhèn)路段的道路環(huán)境特點，界定了公路段與城鎮(zhèn)段之間的適應(yīng)段;分析車輛實際運行速度與設(shè)計速度之間的一致性和相鄰路段的速度協(xié)調(diào)性，確定在交叉口、中央分隔帶開口、曲線路段的安全隱患較大并且從公路至城鎮(zhèn)方向運行速度呈遞減狀態(tài);分析公路段、適應(yīng)段和城鎮(zhèn)段相同長度路段上車輛的變速次數(shù)和加速度標(biāo)準(zhǔn)，為交通控制措施的制定和道路線形設(shè)計的優(yōu)化提供參考。

關(guān) 鍵 詞 干線公路;穿越城鎮(zhèn);適應(yīng)段;速度;安全

中圖分類號 U492.8? ? ?文獻標(biāo)志碼 A

Traffic characteristics of main road crossing urban section

GUO Fengjun1， WU Yanxia2， ZHANG Heng2

（ 1. Shanxi Province Expressway Group Limited Liability Company， Taiyuan 030031， Shanxi， China; 2. School of Civil and Transportation Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract In order to improve the driving safety of the main road crossing the urban road section， and explore the driving characteristics of the vehicle in the process of crossing the town through the road， we investigated the changes of the speed， acceleration and the number of driver operations. Based on traffic engineering and human factors engineering， we studied the traffic characteristics of the main road crossing the urban section. According to the characteristics of the road environment of the main road crossing the urban road section， the adaptation section between the road section and the urban section is defined; the consistency between the actual running speed of the vehicle and the design speed and the speed coordination of the adjacent road sections are analyzed， and the intersection is determined. The safety risk of the opening of the mouth， the central separation zone and the curved section is large and the running speed from the road to the town is decreasing. The speed and acceleration standard of the vehicle on the same length of the road section， the adaptation section as well as the urban section are analyzed to provide reference for the development of measures and the optimization of road alignment design.

Key words main road; crossing the town; adaptation section; speed; safety

隨著我國城鎮(zhèn)化比例的不斷加大，公路穿越城鎮(zhèn)的現(xiàn)象頻繁的出現(xiàn)。城鎮(zhèn)道路與公路路側(cè)環(huán)境和交通特性差異較大，駕駛員在干線公路上駕駛車輛穿越城鎮(zhèn)時會受到環(huán)境變化影響而改變行車速度，而良好的速度一致性和協(xié)調(diào)性是路段行車安全的重要保障。

對于公路與城鎮(zhèn)道路之間連接路段的研究，早期Hakkert和Dillon分別研究了城鎮(zhèn)道路與公路各自的交通流特點[1-2]，近幾年Srinivasan和Williamson等人對城鎮(zhèn)道路和干線公路的接入口管理技術(shù)和銜接技術(shù)進行了分析[3-4]。國內(nèi)自2000年陳培建提出了穿城鎮(zhèn)干線公路合理布局原則和應(yīng)當(dāng)注意的問題后[5]，公路與城鎮(zhèn)道路連接處的安全問題日益受到重視[6-10]。車輛行駛速度的變化是駕駛員對道路環(huán)境變化感受的直觀反饋，研究不同道路環(huán)境下的車輛行駛速度特性可以為交通控制措施的制定提供參考[11]。通過對速度的研究可以改善道路設(shè)計的合理性并提高不同類型車輛通行的安全性[12-15]。

可見，研究學(xué)者們已經(jīng)開始重視公路穿越城鎮(zhèn)路段的安全隱患，并且提出了中間應(yīng)該設(shè)置漸變段。所以本文首先界定公路穿越城鎮(zhèn)適應(yīng)段的概念，并且對公路段、適應(yīng)段和城鎮(zhèn)段的車輛運行特性進行深入的對比分析，以此來探究干線公路穿越城鎮(zhèn)段的交通特性。

1 公路穿越城鎮(zhèn)路段

1.1 干線公路穿越城鎮(zhèn)路段特點

干線公路在穿越城鎮(zhèn)的過程中，道路本身的條件和路側(cè)的環(huán)境是在不斷變化的，調(diào)查試驗道路的實際情況之后，發(fā)現(xiàn)干線公路穿越城鎮(zhèn)路段有以下的特點：

1）干線公路大多是通過設(shè)置中央分隔帶對道路進行分隔，交叉口密度較小且不設(shè)置信號燈，設(shè)計速度也較城鎮(zhèn)路段高;而城鎮(zhèn)道路對雙向道路進行分隔時一般是設(shè)置護欄或者直接劃線分隔，交叉口密度較大并且基本都設(shè)置信號燈;干線公路穿越城鎮(zhèn)時，存在橫斷面的變化，如圖1a）所示，而在此前后，道路上的交通量、車速、交通組成也有明顯差別。

2）公路上農(nóng)用車出現(xiàn)的比例較高，如圖1b）所示，而在城鎮(zhèn)路段上，非機動車出行是交通組成中很重要的一部分。

3）道路的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置也各不相同，公路上的交通標(biāo)志標(biāo)線等安全設(shè)施有時并不完善，部分路段出現(xiàn)護欄缺失、缺少照明設(shè)備的現(xiàn)象;而城鎮(zhèn)段交通標(biāo)志較為復(fù)雜，有時略顯混亂，容易對駕駛員產(chǎn)生困擾。

4）公路路側(cè)會出現(xiàn)牛、羊、鳥類等動物對行車產(chǎn)生干擾，見圖1c）。而城鎮(zhèn)路段路側(cè)的主要問題是道路街道化嚴(yán)重，見圖1d），且路側(cè)廣告多，干擾信息量大。

5）環(huán)境方面公路的路側(cè)植被面積大，城鎮(zhèn)道路路側(cè)綠化相對較差。

1.2 適應(yīng)段的界定

由于城鎮(zhèn)和公路之間的交通組成是有差異的，再加上地形的限制，通常公路在穿越城鎮(zhèn)的過程中，城鎮(zhèn)道路與公路之間會出現(xiàn)短暫的不連續(xù)，此時駕駛員的心理就需要一個逐漸的適應(yīng)過程，所以將駕駛員心理逐漸適應(yīng)的路段稱為適應(yīng)段，因此適應(yīng)段分為公路至城鎮(zhèn)方向適應(yīng)段和城鎮(zhèn)至公路方向適應(yīng)段。劃分穿城鎮(zhèn)路段如圖2，圖中黑色圓點是指橫斷面變化處。以實際地圖為例，定義公路接近城鎮(zhèn)過程中的最后一處橫斷面變化處至城鎮(zhèn)中第一個交叉口之間的路段為公路至城鎮(zhèn)適應(yīng)段[L0]，定義城鎮(zhèn)接近公路的最后一處橫斷面變化處至公路上的第一個交叉路口之間的路段為城鎮(zhèn)至公路適應(yīng)段[L1]。鑒于公路一般為雙向多車道并且考慮到道路在建設(shè)和使用過程中的整體性，兩路段合并稱為適應(yīng)段。

2 試驗設(shè)計

2.1 實驗方案

為了研究干線公路穿越城鎮(zhèn)時在適應(yīng)段的車輛運行特點，招募具有熟練駕駛經(jīng)驗的男性駕駛?cè)?5人，選擇途徑北京-河北-天津的G103作為試驗路段。實驗儀器采用Vbox II行車信息采集器，數(shù)據(jù)調(diào)查時間為八月中旬天氣晴朗的工作日，調(diào)查時間段在早6∶00至晚18∶00進行。

2.2 試驗路段概況

分析京津冀地區(qū)的干線公路，發(fā)現(xiàn)北京、天津2個直轄市與河北省際交界處路況相對較差，個別地點道路寬度無法滿足通行需求，擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重。沿103國道從武清城區(qū)出發(fā)到北京通州區(qū)，途經(jīng)城鎮(zhèn)34個，有6處橫穿城市道路，上行方向有60個公路接入口，穿越25個城市內(nèi)部交叉口，下行方向有54個接入口，共經(jīng)過25個城市內(nèi)交叉口。有20處道路橫斷面變化，其中有12次變化是在城鎮(zhèn)和公路銜接的區(qū)域處，圖3即為公路與城鎮(zhèn)銜接處的橫斷面變化。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 車輛速度一致性分析

行車速度是影響事故發(fā)生的重要因素，基于速度差可以對路段線型進行安全評價。基于運行速度一致性評價道路線型的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

車輛在實際道路上行駛時，駕駛員會隨著路況、道路線形、周邊環(huán)境等因素的變化不斷調(diào)整行車速度，如圖4所示，即為實測公路段上的車輛運行速度與路段的設(shè)計速度進行對比，發(fā)現(xiàn)實際運行速度不是一成不變的，行車速度不斷波動，個別地點會出現(xiàn)較大的變化。圖中a、b、c、d區(qū)域分別對應(yīng)著匝道、交叉口、中分帶開口處、曲線段。

由圖4可知，車輛在不同路段的運行速度是不同的，在實驗路段上絕大部分時間的實際行車速度都低于設(shè)計速度要求，出現(xiàn)超速的情況較少。明顯的，在交叉口、中央分隔帶開口、曲線路段的實際運行速度出現(xiàn)凹變化，速度從高位降至一定范圍，在通過這些區(qū)域后速度又有大幅提升，所以在這些路段是存在明顯的安全隱患的。

3.2 車輛速度協(xié)調(diào)性分析

車輛在道路上行駛時速度的波動越大，車輛發(fā)生事故的概率會越大，相鄰路段之間的運行速度是否協(xié)調(diào)體現(xiàn)在相鄰路段之間車輛運行速度的差值，相鄰路段之間速度變化微小且緩和表明路線的協(xié)調(diào)性良好，而速度變化越大則表明相鄰路段的路線協(xié)調(diào)性越差。其中速度差的數(shù)學(xué)公式如下式：

|Δv|=|v-v|? ， （1）

式中：|Δ|表示相鄰兩路段的85%位車速的差值;|v|表示調(diào)查斷面i上的85%位車速;|v|表示連續(xù)路段上斷面i的前一斷面的85%位車速。

文獻[16]規(guī)定當(dāng)|Δ|>20 km/h時，可以認(rèn)為運行速度協(xié)調(diào)性不良，因此車輛行駛速度作為評價道路安全性的重要標(biāo)準(zhǔn)，運行速度差值必須小于或等于20 km/h才能滿足安全行車的要求。車輛在干線公路上行駛，在穿越城鎮(zhèn)的過程中速度變化明顯，圖5為車輛從公路駛向城鎮(zhèn)路段時的運行速度變化示意圖。

可見，車輛從公路駛向城鎮(zhèn)道路的過程中，由于道路環(huán)境在不斷的發(fā)生變化，駕駛員依據(jù)道路周圍環(huán)境及路線標(biāo)志來對駕駛狀態(tài)進行調(diào)整，逐漸降低車速，在到達城鎮(zhèn)路段的時候把速度降低至城市道路的要求。

統(tǒng)計分析實車試驗的數(shù)據(jù)，繪制公路段、適應(yīng)段、城鎮(zhèn)段的車速累積頻率及對應(yīng)速度如圖6。由圖6可知，試驗路段上實際行駛過程中，在公路段上的第85位車速為68.57 km/h，在城鎮(zhèn)段上第85位車速為39.54 km/h，在適應(yīng)段上第85位車速為51.46 km/h，確定車輛在從公路至城鎮(zhèn)方向行駛時，行駛速度是逐漸減小的，適應(yīng)段的行車速度介于公路段和城鎮(zhèn)段之間。規(guī)范對于公路路段和城鎮(zhèn)路段有明確的設(shè)計速度的規(guī)定，并且兩者是不同的，在適應(yīng)段沒有特別的速度要求，而這里的速度差別表明車輛在適應(yīng)段行駛時速度與前后路段有明顯的區(qū)別。

3.3 各路段速度變化分析

分析駕駛員車速變化次數(shù)和加速度，繪制駕駛員在與適應(yīng)段長度相同的相鄰公路段與城鎮(zhèn)段車速變化次數(shù)和加速度，如圖7。其中變速操作次數(shù)反應(yīng)駕駛員改變駕駛狀態(tài)的頻繁程度，加速度標(biāo)準(zhǔn)差則表示車速調(diào)整的幅度大小。

根據(jù)圖7，對于駕駛員變速操作次數(shù)受到路段類型影響的顯著性進行F檢驗。單因素方差分析P < 0.05，表明在95%置信水平上路段類型能顯著影響駕駛員變速操作次數(shù)。同時發(fā)現(xiàn)不同路段類型對加速度標(biāo)準(zhǔn)差也有顯著影響，并且顯著水平P < 0.05。

路段長度相同時，駕駛員變速的次數(shù)依次是城鎮(zhèn)段 > 適應(yīng)段 > 公路段。在公路上駕駛員變速次數(shù)為18.32次，為3種路段中變速次數(shù)的最低值，可見在公路段上行車受到的干擾較少，車輛速度相對穩(wěn)定;城鎮(zhèn)段上變速次數(shù)為27.4次，為3種路段中的最高值，意味著城鎮(zhèn)段路側(cè)環(huán)境最復(fù)雜，路側(cè)干擾更多;在適應(yīng)段變速次數(shù)為24.35次，介于公路段與城鎮(zhèn)段之間。

分析加速度的標(biāo)準(zhǔn)差，城鎮(zhèn)段0.89 m/s2 > 適應(yīng)段0.74 m/s2 > 公路段0.46 m/s2，原因是城鎮(zhèn)段行車環(huán)境復(fù)雜，受到干擾時容易出現(xiàn)突然減速或爭搶車道時突然加速使得加速度標(biāo)準(zhǔn)差較大;而公路的環(huán)境相對簡單，在車速較高的正常駕駛情況下變速幅度也較小，所以加速度標(biāo)準(zhǔn)差也是最小;適應(yīng)段的加速度標(biāo)準(zhǔn)差介于兩者之間，并且與城鎮(zhèn)段和公路段有明顯的差別。可見駕駛員在干線公路上駕駛車輛穿越城鎮(zhèn)時，行車速度有明顯的漸進的變化，駕駛員需要一個逐漸適應(yīng)的過程。

4 結(jié)論

1）干線公路穿越城鎮(zhèn)時，路上車輛的行駛環(huán)境經(jīng)歷簡單—復(fù)雜—簡單的變化過程，此時駕駛員需要一定長度的路段來適應(yīng)這種變化，以保證行車安全。

2）在交叉口、中央分隔帶開口、曲線路段實際運行速度出現(xiàn)凹變化，速度從高位降至一定范圍，在通過這些區(qū)域后速度又有大幅提升，所以這些路段的安全隱患較大。

3）公路段與城鎮(zhèn)段之間的速度差是大于20 km/h的，適應(yīng)段的設(shè)置使得相鄰路段的速度差減小，保證了行駛的安全性。

4）相同長度路段上的變速次數(shù)依次是城鎮(zhèn)段27.4次 > 適應(yīng)段24.35次 > 公路段18.32次;加速度的標(biāo)準(zhǔn)差為城鎮(zhèn)段0.89 m/s2 > 適應(yīng)段0.74 m/s2 > 公路段0.46 m/s2。可見車輛行駛狀態(tài)在公路與城鎮(zhèn)之間路段有明顯的漸進的過程，反應(yīng)在駕駛員身上就是干線公路上行駛車輛駛?cè)爰榜偝龀擎?zhèn)時，需要一個逐漸的適應(yīng)的過程。

參考文獻：

[1]? ? HAKKERT A S，GITELMAN V，COHEN A，et al. The evaluation of effects on driver behavior and accidents of concentrated general enforcement on interurban roads in Israel[J]. Accident Analysis & Prevention，2001，33（1）：43-63.

[2]? ? DILLON R. Designing urban space for psychological comfort：the Kentish town road project[J]. Journal of Public Mental Health，2005，4（4）：10-20.

[3]? ? CARTER D，SRINIVASAN R，BAEK J，et al. Evaluation of safety strategies at signalized intersections[M]. Washington D C ：National Academies Press，2011. DOI：10. 17226/14573.

[4]? ? WILLIAMSON M，JALAYER M，ZHOU H G，et al. A sensitivity analysis of crash modification factors of access management techniques in highway safety manual[C]//Access Management Theories and Practices，September 25-27，2014，Shanghai，China. Reston，VA，USA：American Society of Civil Engineers，2014.

[5]? ? 陳培健. 城市發(fā)展與對外公路交通合理布局的研究[J]. 公路交通科技，2000，17（3）：36-39.

[6]? ? 賀玉龍，趙明，劉小明，等. 城鄉(xiāng)一體化發(fā)展進程中公路交通安全對策[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報，2005，3（3）：44-50.

[7]? ? 賀其誠. 城郊公路交通安全研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

[8]? ? 涂圣文，過秀成，劉海強. 干線公路城市過境方案決策的灰色格序方法[J]. 公路交通科技，2013，30（7）：119-125.

[9]? ? 喬建剛，陳羅剛，周彤，等. 基于最大熵的城郊公路接入口安全間距研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2015，25（10）：97-101.

[10]? 王雪松，袁景輝. 城郊公路路網(wǎng)特征交通安全影響研究[J]. 中國公路學(xué)報，2017，30（4）：106-114.

[11]? 李長城，劉小明，榮建. 降雨條件下高速公路車輛行駛速度特性[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，41（3）：412-418.

[12]? 馮星宇，周晨靜，榮建. 基于速度特性的城市快速路常發(fā)性交通擁堵研究[J]. 交通信息與安全，2014，32（1）：29-33.

[13]? 許金良，雷斌，李諾. 高速公路上坡路段載重車輛運行速度特性[J]. 交通運輸工程學(xué)報，2013，13（6）：14-19，35.

[14]? 周繼彪，董升，陳紅，等. 行人交通流基本特性研究現(xiàn)狀與展望[J]. 交通信息與安全，2015，33（6）：9-18.

[15]? 趙瑩瑩，曲昭偉，江晟，等. 基于視頻的行人過街速度特性[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2013，43（2）：298-303.

[16]? 喬建剛. 駕駛行為與交通安全[M]. 北京：兵器工業(yè)出版社，2006：42-48.

[責(zé)任編輯 楊 屹]