基于實車路試的迂回式立交匝道小客車行駛速度特征研究

陳正歡，劉俊，張河山，林偉，徐進,4*

(1.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074；2.重慶軌道交通(集團)有限公司，重慶 401120；3.重慶城市交通開發投資(集團)有限公司，重慶 404100；4.重慶交通大學山區復雜道路環境“人-車-路”協同與安全重慶市重點實驗室，重慶 400074)

立交匝道是不同方向的車流在互通式立體交叉實現路徑轉換的設施載體，受制于地形條件、占地規模和工程造價等因素，立交匝道具有技術標準低、曲線半徑小的特點，導致匝道線形指標與主線不一致，在運行過程中經常出現駕駛人駛入匝道之后由于速度過快導致的車輛側翻/側滑事故。迂回式匝道通過延長展線來減緩坡度，能在有限空間內實現大高差相交道路之間的相互轉換，是城市立交和公路立交的常用匝道形式之一。車輛在迂回式匝道上行駛的過程中，行駛速度直接影響行車安全。然而，不同的駕駛行為將會影響匝道內車輛的行駛速度以及匝道整體的通行狀況。所以需要對迂回式匝道速度特性進行探究。

目前，眾多學者圍繞互通立交的運營安全開展了大量研究，如出口匝道安全性分析[1]、交通流特性以及速度預測[2]等。徐一崗等[3]通過建立模型計算小客車行駛速度，并用于評價匝道設計的一致性與協調性。臧曉冬[4-5]根據匝道半徑、超高確定環形匝道自由流速度，建立了立交交織區與非交織區的速度預測模型。張馳等[6]利用自由流狀態下匝道出口特征點的速度，建立了小客車在漸變段起點、分流點、小鼻點3個特征點處的速度預測模型。袁愈鋒等[7]使用雷達測速儀采集的數據，分析了苜蓿葉立交集散車道車輛運行速度特性。孫平等[8]以“佳榆高速互通立交”為例，通過對比分析設計速度與運行速度，探討了車輛的安全性問題。徐進等[9-12]通過實車試驗，分析了苜蓿葉形立交進、出口區域的縱向駕駛行為特征以及匝道內部的運行特征；研究了螺旋匝道范圍內小汽車的速度變化模式、幅值特性以及影響因素。張曉波等[13]基于自然駕駛數據分析了環形立交匝道上汽車的橫向加速度特征，得到了橫向加速度的7種變化模式。Ahammed等[14]基于立交合流點速度和交通數據，建立了速度、加速度以及加速距離模型。Perco等[15]使用雷達測速槍測量行駛速度，對環形立交進出口建立了速度模型。

綜上所述，目前中外學者對立交匝道的研究內容涉及苜蓿葉形、環形立交的運行特征以及速度預測等方面，但尚未見針對迂回式立交匝道內車輛運行特征以及影響因素等方面的相關研究，以至于現有研究無法為迂回式匝道的安全性設計提供理論支撐。為此，通過開展實車自然駕駛試驗，基于自然駕駛數據研究小客車在迂回式匝道內的行駛速度特性，分析駕駛員性別以及駕駛風格對行駛速度產生的影響，研究成果可以為迂回式匝道的幾何線形設計和交通運行管理提供科學依據。

1 試驗設計

1.1 試驗對象

本次試驗選擇重慶市南岸區江南立交與南山立交的4條迂回式匝道，其中江南立交A、B匝道連接海峽路與向黃路，為單向雙車道；南山立交C、D匝道連接內環快速路與南山茶園片區道路，為單向單車道，圖1為試驗立交匝道以及周邊路網情況。表1為4條匝道的主要技術參數和限速值情況。

圖1 江南立交和南山立交匝道平面圖

表1 試驗對象主要技術參數

1.2 試驗儀器和車輛

本次試驗采用Mobileye630(前向碰撞預警系統)連續采集車輛行駛速度。Mobileye通過CAN總線讀取車輛速度、車道線-車輪橫向距離、障礙物信息等數據，采樣頻率為10 Hz。為便于后期試驗數據處理與分析，在試驗車輛前后擋風玻璃各安裝一臺高清數字行車記錄儀，對實車試驗進行全程錄像。試驗車輛為北京現代全新勝達車型，試驗儀器和車輛如圖2所示。

圖2 試驗儀器和車輛

1.3 被試人員

共有33位駕駛員參與本次試驗，其中男性17名，女性16名。年齡分布為28～51歲，平均年齡38.4歲；駕齡分布為4～24年，平均駕齡為10.6年。被試人員均熟悉車輛狀況和駕駛操作。試驗前告知所有被試人員本次試驗無任何駕駛要求以及注意事項，試驗過程中對被試不做任何暗示，最大程度維持駕駛員的自然駕駛習慣。所有被試人員在試驗之前，填寫一份關于駕駛風格的問卷，參照中文修訂版多維度駕駛風格量表(MDSI-C)[16]，將被試人員分為憤怒型、冒險型、焦慮型三種風格，其中憤怒型駕駛員有7人，冒險型駕駛員有19人，焦慮型駕駛員有7人。被試人員基本信息如表2所示。

表2 被試人員基本信息

1.4 試驗流程和數據處理

在試驗開始前設定好行駛路線，包括記錄數據的起止點位置、車輛掉頭地點等，確保數據采集的準確性。在試驗中，每位被試按照試驗路線行駛2～3次，避免單次行駛因突發情況導致該被試行駛數據無法采集的情況。本次試驗時間段為9：00—18：00，避免早晚高峰對被試產生的駕駛影響，同時避開濃霧、雷雨等極端天氣。

在將收集到的原始數據使用MATLAB軟件中的Smooth函數進行濾波處理后，針對每位被試人員，對照行車記錄儀的影像，按照數據截取起止點，截取迂回式匝道內的連續行駛數據，截取有效數據之后每次行駛對應一條速度曲線。數據截取起止點如圖1所示。

2 迂回式匝道整體速度特征

2.1 迂回式匝道的速度模式

將各條匝道的速度實測數據疊加到一起，并分別提取5th、15th、25th、50th、75th、85th、95th的速度值(th表示分位值的意思，如5th表示第5百分位)，如圖3所示。圖3中標注了出現速度異常的位置，各處速度異常的原因。

從圖3可以看出，4條匝道的實測速度均呈現出兩端較高中間較低的現象，表明汽車在迂回式匝道上的行駛過程會經過入彎減速、穩定行駛、出彎加速3個階段。在圖3(a)中，駕駛員進入A匝道后的加速現象是因為A匝道為下行匝道，為確保駕駛員行駛安全，在A匝道起點前設置了減速帶，駕駛員通過減速帶后的加速操作持續到A匝道的直線段，以達到期望速度。在圖3(c)中，駕駛員駛出C匝道彎道后的加速階段極短是因為C匝道曲線段后緊接著進入交織區，駕駛員選擇降低速度以確保安全匯入車流。

從圖3中4條匝道的特征分位速度值曲線可以看出，小客車在迂回式匝道圓曲線穩定行駛階段的變化特征可以分為3類。第1類是入彎減速持續到圓曲線內，在圓曲線內經歷一個近似恒速行駛后，并在未到達圓曲線末端就開始加速駛出匝道，如圖3(a)中50th、75th、85th、95th速度曲線和圖3(b)中85th、95th速度曲線。入彎時速度越大，恒速行駛的距離越短。第2類是小客車的速度在圓曲線段內持續增加，如圖3(c)中50th、75th、85th、95th速度曲線。第3類是小客車的速度在圓曲線范圍內保持恒定，如圖3(d)中25th、50th、75th速度曲線。

綜上，迂回式匝道的車輛行駛速度呈現出兩端高、中間低的“U”形特征，將車輛在迂回式匝道上行駛的過程分為入彎減速、穩定行駛、出彎加速3個階段，具體如下。

階段Ⅰ入彎減速，此階段是車輛由直線路段行駛至曲線階段的減速過程，駕駛員進入匝道彎道前需進行減速操作，使汽車速度逐漸減小至圓曲線彎道行駛的安全速度。

階段Ⅱ穩定行駛，此階段是車輛減速行駛到圓曲線彎道后保持相對恒定的狀態，行駛速度在一定范圍內基本保持穩定，在此范圍內的速度變化特征分為3類，一是先減速，再勻速，后加速；二是速度持續增加；三是速度保持恒定。

階段Ⅲ出彎加速，此階段是車輛由曲線彎道行駛至直線路段的加速過程，在駛出彎道時，隨著駕駛員視線以及行車條件都逐漸變好，駕駛員會采取加速操作盡快駛出彎道，恢復直線行駛狀態。

2.2 行駛速度離散性

運行速度的離散性可以反映各線形路段條件對駕駛行為的約束性，離散性越低，表明道路條件對駕駛員行為的約束性越強。采用速度分布帶寬值刻畫運行速度的離散性，計算公式為

dv95-5=v95-v5

(1)

dv85-15=v85-v15

(2)

式中：dv95-5為5th～95th的速度差;dv85-15為15th～85th的速度差；vi為第i百分位的速度值。

4條迂回式匝道的速度帶寬值隨行駛里程的變化曲線如圖4所示，車輛在迂回式匝道圓曲線路段的dv85-15值與dv95-5值低于兩端緩和曲線與直線段，達到最低值。在匝道圓曲線段，匝道A(半徑R=100 m)的dv85-15值分布范圍為11.30～15.8 km/h，匝道B(R=50 m)的分布范圍為6.51～9.52 km/h，匝道C(R=78 m)的分布范圍為7.95～14.91 km/h，匝道D(R=40 m)的分布范圍為5.73～11.41 km/h。由此可見，道路曲率半徑是影響駕駛人速度控制行為的主要因素，曲率半徑越大，行駛速度的離散性越大，道路條件對駕駛員行為的約束性越弱。

圖4 速度分布帶寬曲線

3 迂回式匝道的加減速行為

根據車輛在迂回式匝道上的運行速度數據，可以對應提取被試在匝道上的減速起點、減速終點(加速起點)、加速終點以及減/加速距離等信息，從而分析車輛運行速度特征點的位置分布、特征位置的行駛速度區間分布等特性,以及減速距離長度與減速終點關系。減速起止點、加速終點提取示意圖如圖5所示。

圖5 特征點提取示意圖

3.1 變速起、終點分布

圖6給出了4條迂回式匝道的線形參數，并繪制了匝道上減速起點、減速終點、加速終點的分布路段。可以看出，除匝道C以外，其他3條匝道的減速終點分布在匝道的整個圓曲線段。匝道C在圓曲線前半段的線形變化較大，轉彎時路旁樹木遮擋嚴重，駕駛員視野較差，行駛速度更低，故減速終點集中出現在此路段。

圖6 特征點位置分布

3.2 最低速度特征分析

根據4條匝道的車輛運行狀況，將車輛在緩和曲線和圓曲線行駛過程中的車輛運行速度最小值作為關鍵位置特征參數，繪制駕駛員在關鍵位置車輛運行速度最小值的累計頻率分布曲線，如圖7所示，并將特征分位值進行統計(表3)，以此研究典型百分位速度的分布情況。可以看出，匝道半徑越大，最低速度值越大。小半徑匝道B和匝道D上的最低速度分布高度重合。曲線在15th和85th存在突變點，突變點的速度分布較為集中，75th～85th運行速度差僅為0.7～1.7 km/h。

圖7 最低速度累計頻率

表3 迂回式匝道減速終點典型分位運行速度

3.3 車輛減速長度模型

由于駕駛員個體的差異性，駕駛員在匝道上會產生不同的駕駛行為，導致進入匝道時的減速起點與減速終點分布在一定路段區間內。為進一步明確減速行為，建立減速長度關于減速終點位置坐標的函數關系。

將每條匝道的減速終點所在區域以10 m為間隔進行分組，取中間值作為本組的樣本值，統計330條速度曲線數據的車輛減速長度和減速終點位置坐標，各條匝道上的減速長度與減速終點坐標的散點曲線如圖8所示。采用線性函數對實測數據進行擬合，得到4條匝道的減速長度模型(圖8)，4個模型的R2分別為0.916 2、0.966 3、0.926 7、0.749 2，擬合效果較好。結合上述分析可知，隨著駕駛員減速操作的持續，減速終點距離越遠，減速長度越長，減速長度與減速終點距離存在明顯的正相關關系，該結果可以為匝道半徑設計提供依據。

y為減速長度；x為減速終點距離坐標

4 行駛速度的影響因素分析

4.1 駕駛人性別的影響

對各條匝道圓曲線路段的每條速度曲線數據取均值，每位駕駛員每次行駛得到速度均值Vai(i=1，2，…，N)，其中，N為每位被試的行駛次數，N取2～3，33位駕駛員最終得到M個均值。將各條匝道上平均速度按照駕駛員性別分開統計，得到圖9。圖9中散點從下到上依次為最小值、25th、75th、最大值。由圖9可知，男性駕駛員的行駛速度大于女性駕駛員。

圖9 不同性別駕駛員均值速度分布

將行駛速度按照駕駛員性別進行分組后，以行駛速度作為檢驗變量進行方差分析，結果如表4所示。由表4可知，雖然4條匝道上男性駕駛員行駛速度略大于女性駕駛員，但不同性別駕駛員的行駛速度在A匝道和C匝道上沒有顯著性差異(P>0.05)，在D匝道上有顯著性差異(0.01

表4 方差分析結果

為更好地分析在小半徑匝道上不同性別駕駛員之間行駛速度的差異性，以江南立交B匝道為例，選取駛入圓曲線斷面(+110 m)、圓曲線中點斷面(+160 m)、駛出圓曲線斷面(+210 m)處的速度，斷面選取位置如圖10所示。通過Origin軟件獲得以行駛距離為橫坐標，以行駛速度為縱坐標的箱型圖(圖11)。在駛入圓曲線及圓曲線中點處，男性駕駛員的最低車速、25th車速、50th車速、75th車速以及最高車速均大于女性駕駛員，在駛出圓曲線處男性駕駛員的50th車速、75th車速均大于女性駕駛員，結果表明男性駕駛員更傾向以較高的速度通過匝道。

圖10 斷面位置示意圖

圖11 不同性別駕駛人的行駛速度差異性

4.2 駕駛風格的影響

圖12為4條匝道不同駕駛風格駕駛員運行速度分布圖，并標注出每條匝道上各類駕駛風格駕駛員的超速率。可以看出，只有冒險型駕駛員在4條匝道上都出現超速行為，每條匝道的最大速度均來自于冒險型駕駛員。與憤怒型以及焦慮型駕駛員相比，冒險型駕駛員的超速率最高，在匝道C上的超速率已高達97.30%。

圖12 不同駕駛風格的運行速度分布

將行駛速度按照駕駛風格進行分組后，以行駛速度作為檢驗變量進行方差分析，結果如表5所示。在此次試驗中，雖然四條匝道上冒險型駕駛員行駛速度略大于憤怒型以及焦慮型駕駛員，但不同風格駕駛員的行駛速度在C匝道和D匝道上沒有顯著性差異(P>0.05)，在A匝道和B匝道上有顯著性差異(P<0.05)。不同駕駛風格駕駛員之間行駛速度的差異性受到匝道線形設置的影響，在線形較為標準(包含“直線-緩和曲線-圓曲線-緩和曲線-直線”線形組合)的迂回式匝道表現明顯。

表5 方差分析結果

4.3 行駛速度與匝道半徑相關性

通過Origin軟件分析得到每條迂回式匝道速度均值點的箱型圖，同時，根據徐進等[12]對環形匝道中段速度的研究成果，在圖13中標注出不同半徑環形匝道的中位行駛速度值。除匝道B以外，其他3條匝道行駛均值速度的幅值隨著匝道半徑的增大而增加，此結果說明匝道半徑越大，駕駛員的駕駛條件更好，選擇的速度范圍越大。匝道B的半徑大于匝道D，行駛速度幅值卻略小于匝道D，通過觀察行車記錄儀發現，匝道B入口處有一處測速點(圖14)，且兩側樹木較為茂盛，嚴重影響了駕駛員視線，導致駕駛員選擇低速行駛。

圖13 行駛速度與匝道半徑

圖14 匝道B入口處測速點

通過對比相同半徑的環形匝道以及迂回式匝道中位行駛速度值發現，迂回式匝道圓曲線段的中位速度值略大于環形匝道，結果表明環形匝道線形對駕駛員的約束性更強，駕駛員在環形匝道上行駛更為謹慎。

5 結論

基于小客車在迂回式匝道上的自然駕駛數據，研究了行駛速度的特性，分析了駕駛員性別、駕駛風格對行駛速度的影響，并探討了行駛速度與匝道半徑的相關性，得出如下結論。

(1)在迂回式匝道上，汽車以迂回繞行的方式完成轉彎的過程中會經過入彎減速、穩定行駛、出彎加速三個階段，行駛速度曲線呈現“U”形。匝道曲線半徑越小，行駛速度的離散性越小，道路條件對駕駛行為的約束性越強。

(2)在迂回式匝道上，減速終點分布在圓曲線路段，減速長度隨著減速終點距離的增加而增加。

(3)在圓曲線路段，男性駕駛員的行駛速度高于女性，不同性別駕駛員的行駛速度差異性與匝道半徑的大小相關，在小半徑迂回式匝道表現顯著。

(4)與憤怒型以及焦慮型駕駛員相比，冒險型駕駛員傾向于以更高的速度通過匝道。不同駕駛風格駕駛員的行駛速度差異性受到迂回式匝道線形設置的影響，在線形較為標準的迂回式匝道上表現顯著。

(5)駕駛員的行駛速度值隨著匝道半徑的增大而增加。與環形匝道相比，駕駛員在相同半徑條件下的迂回式匝道圓曲線路段的行駛速度更大。