城市地下道路分合流區變速車道長度研究

王 萌，毛 琰，狄勝德，張巍漢

(交通運輸部公路科學研究院 公路交通安全技術交通行業重點實驗室，北京 100088)

0 引言

隨著我國城市居民車輛保有量的提升，城市路面交通逐漸面臨發展極限，現有的城市平面道路交通已不能滿足居民的基本出行需求。受土地使用面積的限制，城市道路建設逐漸向立體發展，越來越多的城市地下道路開始被建設并投入使用，隨之產生的地下道路交通運行安全問題也越來越受到重視[1-2]。其中，城市地下道路的分合流區路段由于沖突點增加、車輛間速度差擴大常常成為安全事故多發路段，在地下道路設計階段，分合流區的變速車道長度是設計者必須考慮的重要指標，合理的變速車道長度設計，對維持駕駛人在分合流區內速度的平穩過渡、保障城市地下道路車輛通行安全具有重要意義。

目前對于地下道路分合流區變速車道長度，國內外的研究相對較少[3-4]，挪威地下道路設計手冊[5]將地下道路分合流區劃分為變速段、過渡段和變速車道3個部分，并根據不同的地下道路主線設計速度提出了3種路段相應的推薦設計長度。我國2015年11月開始實施的《城市地下道路工程設計規范》(CJJ 221—2015)[6]中，針對4種主線設計速度，給出了地下道路變速車道的最小設計長度(不包含漸變段)。李素艷[7]等將地下道路合流區分為加速段、等待合流段和過渡段，將分流區劃分為過渡段和減速段，并根據駕駛人在不同路段上的行駛規律提出各個路段長度的計算公式，最終給出地下道路變速車道設計長度的建議值。

上述研究通常是通過假定駕駛人在變速車道上的行駛規律，并依據假定的行駛規律提出相應的變速車道長度計算模型，進而給出變速車道長度的推薦值。但通過類比高速公路分合流區駕駛行為的研究結果[8-11]不難發現，駕駛人實際的駕駛行為通常與標準假定的行車規律存在出入，而地下道路由于空間密閉、視野受限等特點[12-13]，駕駛人的駕駛行為較地上道路更為復雜[14-17]，因此依靠理論假定的方法確定地下道路變速車道長度存在一定的局限性。近年來飛速發展的駕駛模擬技術為交通從業者提供了新的研究方式，研究者通過駕駛模擬器，將駕駛人置于同真實道路環境高度仿真的行車場景中，同時采集車輛運行數據及駕駛人操作數據并進行分析，研究結論基于真實客觀的駕駛行為數據，更加具有實用意義。

本次研究依托國內先進的8自由度駕駛模擬平臺搭建地下道路分合流區的三維仿真場景，通過開展駕駛模擬試驗，采集駕駛人的真實駕駛行為數據，并根據數據分析結果總結駕駛人在地下道路分合流區的行車特性，進而給出地下道路變速車道長度的推薦值。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

研究采用的是交通運輸部公路科學研究院所搭建的八自由度研究型交通安全駕駛模擬平臺，該系統包括運動平臺、球體模擬艙、投影系統、車輛仿真系統、場景生成系統、控制平臺、數據記錄系統、供電系統、音響系統和相關輔助系統。見圖1。

圖1 八自由度駕駛模擬平臺Fig.1 8 DOF driving simulation platform

其中運動平臺由六自由度運動平臺(6DOF)、長行程單元(X-Table)、系統轉臺(Yaw-Table)和振動臺(Vibration)共同組成八自由度運動系統，為駕駛人提供真實的駕乘感受；模擬艙使用的是直徑約4 m，高約3.5 m的密閉球體，內置模擬車輛，并提供大小車(雅閣實車和簡易貨車車頭)的更換功能；駕駛艙上方裝有8臺Sim5W型專業投影儀，提供上下40°、水平360°的全景投影；車輛仿真系統通過專業車輛性能仿真軟件CarSim和TruckSim可模擬各種車輛的性能；場景生成和控制系統在Forum8公司Uc-winRoad軟件基礎上開發，可根據設計文件，在3D地球中真實構建道路模型，并可通過天氣、溫度、路面摩擦、邊坡處理、交通流設置以及相關紋理、模型的修改來模擬各種情境下的道路環境；數據記錄系統將駕駛人在模擬駕駛中方向盤、離合器、車輛速度、加速度、車道位置等近百項數據實時傳輸保存，并可同步FaceLab眼動儀等心生理設備采集的數據，供研究人員分析使用。

1.2 被試

共計30名駕駛人參與試驗，其中男性28人，女性2人，年齡26～58歲(平均年齡38歲)，駕齡1～27 a(平均駕齡12.4 a)。試驗樣本中新手駕駛人(駕齡≤3 a)8人，熟練駕駛人(駕齡>3 a)22人。

1.3 試驗場景

試驗所用場景的道路平面線形如圖2所示，主線總長3 km，采用雙向六車道、車道寬度3.5 m的橫斷面結構，主線上依次設置出口和入口，并通過單車道匝道將出口和入口連接。出口漸變段起點設置在距主線起點850 m處，以保證被試在到達漸變段前有足夠的距離將速度調整至穩定狀態，入口設置在距主線起點2 km處，出入口變速車道均采用平行式。

圖2 試驗場景Fig.2 Experiment scenario

1.4 方案設計及試驗流程

本次試驗選取了4種主線設計速度，作為地下道路變速車道長度研究的試驗條件，并針對分流區和合流區設計了不同的試驗方案。對于出口分流區，試驗針對不同的主線速度預先設置了相應的減速車道預設長度，具體設計指標如表1所示；對于入口合流區，試驗不設置漸變段和加速車道，入口后的主線一直保持四車道的形式(見圖2)，為了模擬加速車道的功能，試驗時要求被試進入主線后，將車速提升至主線設計速度后向內變換一個車道。本次試驗場景中減速車道漸變段長度統一采用50 m，匝道設計速度統一采用20 km/h。

表1 4種主線設計速度對應的減速車道預設長度

根據試驗設計方案，場景內搭建了4組試驗道路，各試驗道路除減速車道長度不同外，其他線形指標均保持一致。試驗時，試驗員隨機為被試加載4種道路場景，并告知被試當前道路場景指定的主線速度及匝道速度，被試開始以主線設計速度在最外側車道行駛，并通過減速車道進入匝道，被試由匝道再次駛入主線時，需加速到當前主線設計速度后，向內側變換一個車道然后停車。

1.5 數據分析方法

駕駛人在通過出入口分合流區時，其駕駛行為可以分解為車輛行駛方向上的速度調整行為和垂直行駛方向的車道變換行為，對于速度調整行為，本研究重點關注駕駛人在分合流區的變速特征點和變速區間，對于車道變換行為，則重點關注駕駛人的換道特征點和換道區間。上述特征點和區間可通過綜合分析駕駛人的速度、加速度、車輛運行軌跡、方向盤轉動程度4項指標獲取，圖3以某被試通過出口減速車道時上述4項指標的變化曲線為例，闡述兩種行為特征點及行為區間的獲取方法。

圖3 數據提取方法Fig.3 Method of data collection

(1)變速特征點和變速區間

變速特征點包括開始變速位置和結束變速位置兩項，如圖3所示，本研究將加速度值出現顯著變化的起點位置定義為開始變速位置，將加速度值趨于零且速度趨于穩定值的位置定義為結束變速位置，兩變速位置之間的距離即為駕駛人完成速度調整所需的最小距離區間，定義為變速區間。

(2)換道特征點和換道區間

換道特征點包括開始換道位置、結束換道位置和通過分界線位置3項，本研究將方向盤發生顯著變化的起點位置定義為開始換道位置，將車輛完全進入變速車道后方向盤趨于穩定的終點位置定義為結束換道位置，將車道分界線的縱坐標與軌跡重合的位置定義為通過分界線位置，開始和結束換道位置之間的距離即為駕駛人完成車道變換所需的最小距離區間，定義為換道區間。

變速特征點和換道特征點能夠反映出駕駛人在變速車道上的加減速時機和換道時機，是研究地下道路出入口變速車道長度的重要參考指標，合理的出入口變速車道長度應能夠同時滿足駕駛人調整速度及變換車道的需要。本研究通過綜合分析駕駛人的兩種行為特征點和行為區間在變速車道上的分布特點，總結其分布規律，最終提出4種速度水平下，能夠同時滿足駕駛人速度及換道需求的地下道路出入口變速車道適宜長度。

2 出口分流區

對主線出口分流區的駕駛行為進行分析時，由出口漸變段起點向上游取150 m作為研究起點，向下游取200 m作為研究終點，研究范圍包含了主線普通段、主線漸變段、減速車道段及匝道段，涵蓋了駕駛人由主線通過分流區駛入匝道的全部過程。

采用1.5節介紹的數據提取方法得到各被試在分流區內的減速區間及換道區間，為了統計減速/換道區間的分布特征，在研究范圍內，每隔10 m統計一次當前正在進行減速/換道的被試人數，并換算為頻率值，如圖4和圖5所示。駕駛人在分流區內的減速特征及換道特征分析如下。

2.1 減速特征

表2統計了4種速度水平下30名駕駛人的減速特征點的平均值，圖4為30名駕駛人在出口分流區的減速區間分布圖及相應的減速頻率圖。圖中統一將主線出口漸變段的起點定義為橫軸的0點，頻率圖中縱軸表示的是當前正在執行減速的人數占總被試人數(30人)的比值，圖中深色柱形區表示減速頻率值最高的區間。

結合表2和圖4可以看出：

圖4 分流區內駕駛人減速區間分布及減速頻率Fig.4 Distribution of drivers’ deceleration zones and deceleration frequencies in diverging area

(1)駕駛人在通過主線分流區時，減速區間的分布較為離散，主線設計速度較小時，駕駛人完成減速所需的減速區間明顯較短，隨著設計速度增加，駕駛人需要的減速區間越來越長。

(2)無論主線采用何種設計速度，大部分駕駛人均在減速車道漸變段前即開始減速，主線設計速度越高，駕駛人開始減速的位置越早，甚至有駕駛人在漸變段前已結束減速。

表2 分流區內駕駛人各減速特征點的平均值

注：漸變段起點坐標為0，括號內數值表示減速車道終點坐標值。

(3)對減速頻率最高的區間進行分析后得出，主線設計速度為40 km/h時，駕駛人減速頻率最高的位置在漸變段終點，而當主線設計速度大于50 km/h時，駕駛人減速頻率最高的位置均出現在漸變段起點，這也表明隨著設計速度的增加，駕駛人提前減速的概率越大。

(4)表3分別統計了新手駕駛人和熟練駕駛人在分流區內的減速區間平均值，可以看出各速度水平下，新手駕駛人的平均減速區間長度普遍低于熟練駕駛人，新手駕駛人在主線分流區采取了更為激烈的減速措施。

表3 新手駕駛人與熟練駕駛人在分流區內的平均減速區間長度Tab.3 Average deceleration zone lengths of novice drivers and skilled drivers in diverging area

2.2 換道特征

4種速度水平下30名駕駛人的換道特征點的平均值如表4所示，出口分流區內的換道區間分布圖及相應的換道頻率圖如圖5所示。

表4 分流區內駕駛人各換道特征點的平均值

注：漸變段起點坐標為0。

(1)表4數據顯示，在匝道設計速度固定的情況下，主線設計速度越高，駕駛人越早開始換道，同時越晚結束換道，主線速度較高時駕駛人換道所需要的距離長度遠高于主線速度低時駕駛人需要的換道區間長度，但4種速度水平下駕駛人換道時通過車道分界線的位置沒有太大差別。

(2)圖5顯示，駕駛人在通過主線分流區時，換道區間的分布較為集中，4種速度水平下，各個駕駛人均在減速車道漸變段起點之前開始換道，在進入減速車道后結束換道。

圖5 分流區內駕駛人換道區間分布及換道頻率Fig.5 Distribution of drivers’ lane changing zones and lane changing frequencies in diverging area

(3)對換道頻率最高的區間(深色柱形圖)進行分析后發現，4種速度水平下，駕駛人換道頻率最高的區間起點均出現在漸變段起點位置，隨著主線速度增加，駕駛人換道頻率最高的區間范圍略有延長，但幅度不大，可認為4種速度水平下駕駛人換道頻率值最高的區間分布基本相同，均集中在減速車道的漸變段上。

(4)表5分別統計了新手駕駛人和熟練駕駛人在分流區內換道時通過車道分界線的位置，可以看出在各速度水平下兩類駕駛人通過車道分界線的位置沒有太大差別，均分布在漸變段終點附近。

2.3 減速車道長度

對主線出口分流區內減速區間和換道區間的分布特征進行分析后發現，駕駛人在駛出主線時，減速行為和換道行為的先后順序并無明顯規律，大部分駕駛人兩種操作行為相互穿插進行，表現為駕駛人的減速區間與換道區間在部分路段上相互重合、甚至出現兩區間相互包含的情況。合理的減速車道設計長度(含漸變段)應該至少滿足減速區間或換道區間的最大值所需的距離。

表5 新手駕駛人與熟練駕駛人在分流區內通過車道分界線的平均位置

注：漸變段起點坐標為0。

對4種主線速度條件下駕駛人的平均減速區間和平均換道區間進行統計，并取兩區間中的最大值對應的整數值作為減速車道長度(含漸變段)的推薦值，結果如表6所示。將推薦的減速車道長度與公路及城市道路出入口減速車道規范長度進行對比，結果如表7所示，由表中數據可以看出，本研究推薦的減速車道長度滿足公路相關標準規范的規定值，略高于城市地下道路的標準規定值。

表6 各主線速度對應的減速車道推薦長度(含漸變段)

表7 減速車道推薦長度與相關規范值對比

3 入口合流區

對主線入口合流區的駕駛行為進行分析時，選取主線入口前100 m作為研究起點，主線入口后600 m 作為研究終點。研究范圍包含了駕駛人由匝道通過合流區進入主線的全部過程。同樣對駕駛人在各速度水平下的駕駛行為指標進行分析，得到駕駛人在入口合流區內的變速區間及換道區間，并每隔10 m統計一次駕駛人的加速頻率及換道頻率。

3.1 加速特征

統計30名駕駛人在各個速度水平下加速特征點的平均值，結果如表8所示。同時繪制駕駛人在入口合流區內的加速區間分布圖及相應的加速頻率圖如圖6所示。圖中統一將主線入口位置定義為橫坐標軸的0點，頻率圖中縱軸表示的是加速人數占總被試人數(30人)的比值，圖中深色柱形區表示加速頻率值最高的區間。駕駛人加速特征點與加速區間的分布規律如下：

(1)由于試驗要求駕駛人進入主線后開始加速，因此各速度水平下駕駛人的開始加速位置沒有太大差別，結束加速位置主要取決于駕駛人需要達到的主線速度。結合圖6與表8可知，在匝道設計速度固定的情況下，主線設計速度越高，駕駛人越晚結束加速，駕駛人所需的加速區間越長。

(2)對加速頻率最高的區間進行分析后發現，在距主線入口50 m左右，駕駛人的加速頻率達到最大值，且隨著主線設計速度的增加，加速頻率最高的區間范圍越長。

(3)表9分別統計了新手駕駛人和熟練駕駛人在合流區內的加速區間的平均值，可以看出各速度水平下，新手駕駛人所需的加速區間長度普遍高于熟練駕駛人，新手駕駛人在主線合流區并線時加速操作更為謹慎。

圖6 合流區內駕駛人加速區間分布及加速頻率Fig.6 Distribution of drivers’ acceleration zones and acceleration frequencies in merging area

表8 合流區內駕駛人各加速特征點的平均值

注：主線入口位置坐標為0。

表9 新手駕駛人與熟練駕駛人在合流區內的平均加速區間長度

3.2 換道特征

4種速度水平下30名駕駛人的換道特征點的平均值如表10所示，入口合流區內的換道區間分布圖及相應的換道頻率圖如圖7所示。駕駛人在合流區內換道特征點與換道區間的分布規律如下：

(1)由于試驗要求駕駛人進入主線后需要加速至主線速度后再開始換道，根據3.1節分析結果可知，主線速度越高，加速區間越長，因此駕駛人開始換道的位置隨著主線速度的增加距離入口越來越遠，結合圖7和表10明顯可見，主線速度較高時駕駛人完成換道需要的區間長度大于主線速度低時的區間長度，因此駕駛人結束換道的位置隨著主線速度的增加也越來越遠。

(2)結合加速特征點數據分析后發現，雖然試驗要求駕駛人加速至主線速度后再進行換道，但試驗中駕駛人均在即將完成加速時即開始換道，各級速度水平下的開始換道位置均早于結束加速位置。

(3)表11分別統計了新手駕駛人和熟練駕駛人在合流區內換道時通過車道分界線的位置，可以看出在各速度水平下新手駕駛人的平均換道位置普遍晚于熟練駕駛人，結合兩類駕駛人在合流區內的平均加速區間分布規律，可知新手駕駛人需要更長的距離以尋找合適的車輛間隙匯入主線車流。

3.3 加速車道長度

主線入口合流區內加速區間和換道區間的分布特征顯示，駕駛人在通過入口合流區時的動作順序為：開始加速→開始換道→結束加速→通過車道分界線→結束換道。入口合流區加速車道的長度至少應該滿足自駕駛人開始加速至其通過車道分界線的距離。本次試驗中，駕駛人開始加速的位置統一設置在主線入口處，因此合流區加速車道長度的研究即轉化為研究駕駛人通過車道分界線位置的分布規律。

圖7 合流區內駕駛人換道區間分布及換道頻率Fig.7 Distribution of drivers’ lane changing zones and lane changing frequencies in merging area

表10 合流區內駕駛人各換道特征點的平均值

注：主線入口位置坐標為0。

對4種主線速度條件下駕駛人通過合流區車道分界線的位置進行統計，結果顯示該特征點數據在各個速度條件下符合正態分布，因此繪制各個速度水平下駕駛人通過車道分界線位置的累積頻率曲線，如圖8所示。在各個曲線上取頻率為90%時對應的位置作為加速車道推薦長度(含漸變段)，該長度能夠滿足90%的駕駛人的加速及需要，并將推薦長度與公路及城市道路入口合流區加速車道規范長度進行對比，結果如表12所示。

表11 新手駕駛人與熟練駕駛人在合流區內通過車道

注：主線入口位置坐標為0。

圖8 合流區內駕駛人通過車道分界位置的累積頻率曲線Fig.8 Cumulative frequency curve of position of driver passing through lane dividing line in merging area

表中數據顯示，推薦的加速車道長度(含漸變段)均高于相關標準規范的規定值，原因是試驗中匝道運行速度統一取值為20 km/h，該值小于設計規范規范中使用的匝道設計速度。這說明主線與匝道速度差異對加速車道長度有重要影響，當工程中匝道與主線速度差異過大時，最好進行針對性驗證工作。

表12 各主線速度對應的加速車道推薦長度

4 結論

本研究利用國內先進的駕駛模擬試驗平臺開展駕模試驗，對4種主線速度水平下，駕駛人在地下道路分合流區內的速度調整行為和車道變換行為進行研究。結果顯示：在分流區內，駕駛人調整速度和變換車道通常交叉進行，減速區間和換道區間往往部分重合甚至相互包含；而在合流區內，駕駛人通常在結束加速操作前開始變換車道。與熟練駕駛人相比，新手駕駛人在分流區內采取了更為激烈的減速措施，而在合流區內新手駕駛人通常需要更長的加速距離以尋找合適的匯入間隙。

結合分合流區內變速區間和換道區間的分布特征，本研究相應提出了地下道路分合流區變速車道長度的計算方法，同時給出了4種主線速度水平下地下道路分合流區變速車道長度的推薦值。推薦值與當前公路及城市地下道路變速車道規范長度相比，略高于規范值。

由于試驗條件所限，本研究僅針對匝道設計速度為20 km/h時，4種主線設計水平下的地下道路變速車道長度進行研究，未來將考慮針對更多主線-匝道速度組合條件下的地下道路變速車道長度進行進一步研究。