高密度立交出入口車輛縱向運行特性

徐同, 張雪榆, 張杰, 矯成武, 徐進*

(1.重慶交通大學交通運輸學院, 重慶 400074; 2.重慶長安汽車股份有限公司, 重慶 400020; 3.中信科智聯科技有限公司, 重慶 404100; 4.交通運輸部公路科學研究院, 北京 100088)

互通式立體交叉(簡稱互通立交或者立交)是車輛得以實現在不同路線之間相互轉換的空間立體構造物。中國經濟持續高速發展,汽車保有量隨之不斷增大。為緩解交通壓力,路網密度不斷增加,承擔著轉換不同方向車流的互通立交也相繼地被建設到路網中,相鄰互通之間的間距不斷減小,高密度互通立交隨之產生。車輛在高密度互通立交的出入口以及連接段的行駛中,要求駕駛人進行更頻繁的加減速操作(縱向)、轉向操作(橫向),以保證車輛能夠安全地匯入、駛離主線并進行分合流操作,導致此區域的駕駛任務更復雜、車輛操縱難度更大,更容易產生交通擁堵甚至交通事故,并成為交通瓶頸。而在互通立交處車輛運行速度直接影響行車安全,所以需要對高密度互通立交處車輛運行速度特性進行研究。

國外對于互通立交的研究開展較早,尤其是美國,現較為成熟。而且其中絕大多數成果被收錄于HighwayCapacityManual,在2010年深入研究了高速公路出入口的立交。胡江碧等[1]將互通立交安全性評價理論概括為三種,即人因工程理論、交通沖突理論和運行速度協調理論。而現在基于運行速度的研究,也就屬于第三大理論派系,即基于運行速度協調理論來進行交通安全評價,反過來指導道路線形的合理設計。Perco等[2]在環形立交進出口,使用雷達測速槍采集車輛運行速度,建立了相應的運行速度模型。Ahammed等[3]依據立交合流點處數據,構建了速度、加速度以及加速距離模型。Fang等[4]使用三種交通仿真軟件參數,標定立交區內車流其運行狀態,并通過對比給出模型中參數的參考取值。Xia等[5]采集各車型速度數據,分別構建小客車與大貨車在分流鼻、出口匝道圓曲線中點處的運行速度模型,建立車輛速度與出口匝道圓曲線半徑、超高、縱坡之間的關系。徐進等[6-9]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。馬向南[10]采集了互通立交入口處車輛運行速度數據,運用SPSS軟件進行統計分析,并通過carsim仿真分析縱向加速度,將高速公路立交出入口分為漸變段、減速段及三角區段、加速換道段。張智勇等[11]采集14條匝道上實際車輛運行速度數據,依據車輛運行速度特征將車輛在匝道的運行階段分為三階段。楊俊儒等[12]使用Trucksim和Carsim進行仿真試驗,探究各因素對安全車速的影響程度。張馳等[13]通過分析小客車在立交出口匝道的速度分布,建立小客車在不同位置的運行速度模型。張玉等[14]基于實車試驗對互通立交迂回式匝道縱向加速特性進行了研究并進行了舒適性評價。陳正歡等[15]基于實車路試對迂回式立交匝道小客車運行速度特征進行了研究,明確了其速度特征。

而基于人因工程和交通沖突理論方面,對立交區段的研究也有很多。程學慶等[16]基于交通沖突技術,通過計算機仿真軟件對隧道與互通立交安全間距進行定量分析并建立安全間距計算模型。Bared等[17]從行車安全角度分析立交加、減速車道事故數據,評價立交加減速車道長度,結論是加減速車道長度與交通事故率呈反比。Montella[18]基于實車駕駛試驗分析環形立交各交通要素對行車安全的影響。鄭展驥等[19]建立互通立交分流區交通沖突預測模型,評價分流區交通安全。黃治爐[20]建立服務區出入口匝道各部分長度計算模型。顏停博[21]對立交出口匝道事故原因進行分析,并運用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)對幾種因素進行了權重賦值,建立了高速公路互通式立交出口匝道的安全性評價模型。張衛華等[22]運用TTC模型判斷追尾沖突、PET模型判斷換道沖突,對數據分析,擬合出可預測交通沖突的二分類Logistic回歸模型。王思棋等[23]根據事故調查數據研究了高速公路苜蓿葉型立交環形匝道的事故致因并給出了防治建議。

在上述學者的研究中,大多利用模擬仿真對互通立交的運行速度特征進行研究,結果與互通立交的實際運行情況存在較大的偏差;采用路側觀測的手段又對駕駛行為有較大的干擾,也降低了所建立模型的可靠性。相比之下,運用實車駕駛試驗去研究立交段車輛縱向運行特征的較少。而且專對高密度互通立交出入口運行特征進行的研究沒有,而隨著高速路/快速路路網密度的增大,互通立交越來越多,其平均間距會持續變小,所以研究高密度互通立交出入口的運行速度特征對出入口的安全性設計和限速管理等具有重大意義?，F基于實車駕駛實驗收集車輛在高密度互通立交出入口的運行速度數據,畫出其運行速度曲線圖,分析車輛速度變化趨勢,分別總結出出入口及連接段車輛速度變化,得以揭示高密度互通立交出入口及連接段的車輛縱向運行特征。研究成果可為高密度互通立交段出入口及其連接段的設計與交通管理提供科學依據。

1 實驗設計

1.1 實驗地點

在既有技術標準和規范以及相關立交文獻的基礎上結合本文試驗路段設計速度,將城市快速路高密度互通立交標準定義為:①相鄰的互通立交出、入口間距不足1 020 m;②10 km連續路段內有3座以上立交。

實驗地點為重慶主城區內五座立交(圖1):五童立交,五桂立交,寸灘立交,東環立交,人和立交,滿足高密度立交要求。其中,東環立交和五童立交之間的凈距600 m, 實驗立交標線完整清晰,紅綠燈較少,能滿足實驗地點要求。前4座立交位于內環快速路,主線設計速度為100 km/h,根據既有技術標準的相關規定,立交最小間距應≥1 km。但實際東環立交、五童立交、五桂立交這三座立交,并不滿足最小間距要求,所以這三座立交是典型的小間距立交。其中前4座立交位于重慶內環快速路,內環快速路單向4車道,最高限速為100 km/h,最低限速為60 km/h。寸灘立交位于海爾路,海爾路單向3車道,限速60 km/h。五座立交主要技術指標如表1所示。

圖1 實驗立交Fig.1 Experimental interchange

表1 出入口信息Table 1 Exit and entrance information

1.2 車載設備和實驗車輛

實驗采用 Mobileye 630 (前向碰撞預警系統),連續采集車道線-車輪橫向距離、障礙物信息等數據,并通過CAN總線讀取車輛速度,采樣頻率為10 Hz。在實驗車輛前后擋風玻璃處,各裝一臺高清數字行車記錄儀,攝錄前后方運行環境。采用Speedbox非接觸式車速傳感器,對整車速度與車輛經緯度數據實時采集,與Mobileye 630配合使用,互為補充,提高數據可靠性。實驗用車是別克GL8七座商務車,實驗車輛及設備如圖2所示。

圖2 實驗車輛及實驗儀器Fig.2 Test vehicle and test instrument

1.3 實驗駕駛員

本次實驗從社會招募47位駕駛人,其中男性駕駛員35名,女性駕駛員12名,男女比例為3∶1。濾掉異常數據,能用于分析的數據有40位的數據。實驗前,駕駛人如實填寫駕駛人信息表及駕駛風格類型分類量表。經統計駕駛人駕齡范圍為5～25年,平均駕齡為12.1年;年齡范圍為26～51歲,平均年齡為38.3歲。實驗車輛均為同一輛車,盡量保證車內環境相同。

1.4 實驗方法和流程

實驗在3月份開展,天氣適宜,避免了高溫對駕駛人的影響;避開雨雪霧等極端天氣,避免影響駕駛人駕駛以及對設備的干擾,從而提高數據的可靠性。實驗時段為09:30—18:30,避免早晚高峰,共持續12 d。測試前告知試驗駕駛員行車路線,每人重復在實驗路線上行駛3次或4次。實驗過程中讓駕駛員按照自己的駕駛習慣行車,不對駕駛員的操作進行任何干預與提示,嚴格尊重駕駛員的駕駛獨立性。

1.5 數據處理

通過Speedbox獲得車輛實時所在地點的經緯度和運行速度,并通過Mobileye采集路面線性曲率和“車輛形心-車道線”橫向距離,且Mobileye還能經控制器局域網總線(controller area network, CAN)讀取車輛實時速度,為speedbox數據做補充。在兩種來源數據匹配方面,首先將Speedbox與Mobileye所采集的運行速度數據以速度峰點行為特征點進行匹配,形成實驗數據表格后,插值濾波,得到以1 m為間隔的車輛縱向運行特性數據,包含立交出入口及連接段速度、縱向加速度等。

實車實驗中因為衛星信號波動、障礙物干擾以及儀器自身系統噪聲,可能會使GPS信號缺失或部分數據失真。需要將數據濾波來削弱數據擾動并消除異常數據,采用MATLAB處理數據,濾波前后對比如圖3所示。

圖3 濾波前后對比Fig.3 Comparison before and after filtering

2 入口段車輛運行速度特征分析

當車輛由匝道駛入主線時,由于要進行安全的換道匯入,在此處駕駛人會有一定的加速行為來保證車輛安全匯入車速較高的主線。截取立交入口范圍內,每位駕駛人、每次行駛的速度數據,進行插值濾波處理,得到每個間隔距離為1 m的速度數據,再將每個入口段(主線入口)行駛速度曲線疊加在對應入口坐標系內,得到不同入口運行速度圖。

2.1 入口段運行速度總體分布

將4處入口采集到的所有駕駛員數據按入口分別整理并分別繪出相應運行速度曲線,如圖4所示,從圖4可以看出:入口處車輛整體運行速度趨勢分為兩類,一類呈上升-平穩的態勢[圖4(a)和圖4(b)],一類是“持續上升”的態勢[圖4(c)和圖4(d)],駕駛人在由匝道駛入主線的前期過程中,其車輛速度升高趨勢較明顯,中間過程速度平穩變化,后期車輛速度略有平緩上升,所以,速度整體上是有一定的增加。變速車道是匝道起終點的一部分;變速車道分為兩類:平行式和直接式。并基于這兩種入口形式分別對車輛在兩種入口的速度進行描述。

Ra、Rb為平行式入口;Rc、Rd為直接式入口

由圖5可以看出,車輛在平行式入口前期的速度增大幅值較顯著,這是因為平行入口其加速車道劃分明確且長度較長,使駕駛人擁有足夠的加速反應操作時間,駕駛人由匝道進入主線的前期便完成速度調整,以便有更多精力來評估主線車道交通狀況,安全順利與主線車輛合流。在直接式入口速度持續上升,且后期速度會有一定波動,原因是直接式加速車道與主線的連接特征,車輛經由匝道直接匯入主線時,要求駕駛員快速完成橫向的車道變換還有運行速度的調整,使駕駛人操作繁忙,速度變化波動較大,此時駕駛人駕駛負荷大,對行車安全存在隱患。

統計兩類入口的速度均值、標準差,由表2能夠看出平行式與直接式的速度分布具有差異性:在均值方面,平行式大于直接式;而在速度標準差方面,平行式小于直接式。這是因為平行式加速車道劃分明確且加速距離足夠長為車輛提供了充分的加速距離,駕駛人能夠有充足的加速距離和反應操縱時間以達到合流的目標車速,再匯入主線車流。而直接式入口在有限的加速距離中還要完成縱向加速、橫向調整、合流匯入等操作,使速度波動較大,且在此情況下每個駕駛員速度選擇差異性也較大。

表2 平行式與直接式入口速度統計Table 2 Parallel and direct inlet velocity statistics

2.2 入口段速度變化特征點分析

由車輛在入口處速度數據,提取出加速起點、加速終點,示意圖如圖6所示。便于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,并計算加速長度。由表3能夠看出,在平行式和直接式入口處加速起點分布表現趨于一致,超過90%的駕駛人均會選擇在合流點前開始加速。而兩種入口在加速終點的分布上存在明顯差異,在加速終點位于合流點前這種情況,直接式是平行式的兩倍,原因可能是直接式入口沒有足夠的加速距離,所以大多數駕駛人會趨于提前完成加速,以便更安全地匯入主線。

圖6 加速特征點提取示意圖Fig.6 Sketch map of accelerated feature point extraction

表3 平行式與直接式入口加速起終點統計Table 3 Statistics of starting and ending points of parallel and direct inlet acceleration

通過加速起終點,得到入口加速長度,以20 m為一個間隔分組統計并得到每組占比。由表4可以看到,平行式加速長度區間集中在60～100 m,尤其80～100 m占比最大,而直接式加速長度則集中在40～80 m,說明不同類型入口對加速長度具有一定影響。

表4 平行式與直接式入口加速長度統計Table 4 Statistics of line type and direct type entrance acceleration length

2.3 入口段加速度特征分析

駕駛人的加減速操作均可通過加速度變化來體現。計算入口處平均加速度和加速度最大值,按不同入口類型分別匯總并繪制各自對應的縱向加速度累計頻率分布圖,如圖7所示。

圖7 入口縱向加速度累計頻率分布圖Fig.7 Cumulative frequency distribution of entrance longitudinal acceleration

在縱向加速度最大值上,平行式與直接式累計頻率情況相差不大;但在縱向加速度均值上,平行式較直接式更低,這是因為平行式入口提供了足夠的加速距離使駕駛人可以均勻加速不需出現較大的加速度值。

在立交,車輛進入主線是由匝道進入的,匝道設計速度較低,所以車輛進入主線前速度較低,駕駛人會選擇加速操作使車輛達到主線速度,便于車輛安全匯入。而在與主線車流合流時,駕駛人出于對安全的考慮進行減速調整。在直接式入口,駕駛人要在有限距離內完成加速、變道、合流的任務,所以在直接式入口速度的波動性較平行式的大。

3 出口段車輛運行速度特征分析

立交主線出口的作用是銜接主線與匝道,主線車輛經出口由主線駛入匝道,以轉換方向或駛離高速。由于匝道通常采用較小的平曲線半徑,并且需要完成路徑辨認、換道等操作,需要采取減速操作才能順利通過出口,因此主線出口需設置減速車道,按減速車道類型分為平行式出口與直接式出口兩類。出口C1為平行式,C2、C3、C4三個出口均為直接式。

3.1 出口段運行速度總體分布

整理各出口速度數據,并計算在每一距離點的平均速度,繪制各個出口車輛縱向運行速度分布圖。由圖8能夠看到,雖然各出口運行速度變化有一定區別,但曲線整體是“平穩下降”的。速度總體分布上,兩種類型出口并未呈現較大的差異。

圖8 出口運行速度總體分布Fig.8 Overall distribution of outlet operating speed

為明確出口類型對運行速度的影響,計算兩類出口的速度均值及標準差,并進行顯著性分析,如表5所示。結果證明,車輛在不同類型出口的運行速度具有顯著性差異。平行式的運行速度均值低于直接式,但速度標準差卻更高,是因為車輛在平行式減速道上減速距離充分,導致速度波動較大。兩種出口段形式及對應段速度變化如圖9所示。由圖9可知,理論上平行式出口更優,較于直接式出口能保障車輛有足夠的減速距離減到期望速度,提高行車安全性;但實際運行情況是駕駛人認知有足夠的空間減速,導致駕駛人并不急于減速,而在減速車道的后半段才開始減速,反而危險性更高。所以平行式出口應該在減速段開始點設置減速標志,指示駕駛員開始減速,確保平行式出口的優勢。

圖9 不同類型出口速度變化趨勢Fig.9 Change trend of exit speed of different types

表5 平行式與直接式出口速度統計Table 5 Parallel and direct exit speed statistics

3.2 出口段速度變化特征點分析

提取立交主線出口減速變化特征點,包括減速起點和減速終點,如圖10所示。由表6可以看出,平行式減速起點位于分流點前的占比稍大于直接式,駕駛人大都在分流點前就開始減速,原因在于出口相較于入口而言,不僅要考慮匝道行車環境,還要考慮到與主線直行車輛的相互干擾。所以駕駛人需要提前進行減速操作,以保證安全順利駛出主線并駛入匝道。在減速終點方面,平行式出口的減速終點位于分流點后的占比遠超直接式出口的20%,兩者間具有一定差異性,但總體來看,出口速度變化特征點所體現的駕駛人在主線出口減速偏好性大致一致?；诒?的減速起終點位置,計算每位實驗者的減速長度,以20 m為一個區間作分組統計。由表7可以看到,平行式的減速長度集中40～80 m,而直接式集中在0～80 m,不同類型出口的減速操作存在差異。整體而言,大部分車輛減速長度位于0～80 m,即大部分駕駛人偏向于在該范圍內采取減速操作。

圖10 減速特征點提取示意圖Fig.10 Sketch map of deceleration feature point extraction

表6 平行式與直接式出口減速起終點統計Table 6 Statistics of starting and ending points of parallel and direct exit deceleration

表7 平行式與直接式出口減速長度統計Table 7 Statistics of parallel and direct exit deceleration length

3.3 出口段加速度特征分析

車輛從出口駛離主線、駛入匝道,因匝道設計速度低于主線,所以駕駛人要進行減速操作使車輛安全進入匝道。于是出口加速度主要為負值,也就是要研究減速度。計算出減速度均值以及減速度最大值,并繪出減速度累計頻率分布,如圖11所示。

圖11 出口縱向加速度累計頻率分布圖Fig.11 Cumulative frequency distribution diagram of outlet longitudinal acceleration

由圖11可以看出,無論是在減速度均值還是減速度最大值方面,平行式出口都比直接式出口大,當有足夠減速距離時,駕駛人的減速度也會有一定升高。對兩類出口加速度進行差異性分析,如表8所示。不同類型出口的減速度最大值與平均值均存在顯著差異性。平行式出口提供了足夠的減速距離,駕駛人有足夠的時間和空間對車速進行調整,因此平行式減速度最大值與均值均大于直接式。直接式的標準差要大于平行式,結合運行車速總體分布進行分析可以看出,平行式車速基本平緩下降,而直接式速度具有一定波動,即減速度而言,直接式減速度變化更為頻繁。

表8 兩種類型出口加速度差異性分析Table 8 Analysis on the difference of two types of exit accelerations

4 相鄰出入口連接段的車輛速度特征

本文探討的立交連接段指立交相鄰主線出口與入口之間的連接段,示意圖如圖12所示。入口合流鼻端到出口分流鼻端的距離可以看作其長度。在立交連接段,有從入口剛進入想要匯入主線的車流,有提前變道想要駛離主線駛入出口的車流,有保持主線行駛的車流,所以在此會有車輛的交織。此路段要求駕駛人不僅要關注本車道前后方車流運行狀態,還要及時判斷進入目標車道的安全時機。

圖12 相鄰出入口連接段示意圖Fig.12 Schematic diagram of connecting section

4.1 連接段的車輛行駛速度變化

一般來說,出入口間連接段的長度越短,車輛間發生干擾沖突的概率也就越大。在較短的駕駛距離內,駕駛員需要完成多次的換道分合流操作以及與其他車輛的交織,所以導致駕駛人的操作極其緊迫,給駕駛人產生較大的駕駛負荷,嚴重危害行車安全。隨著連接段距離增加,為駕駛人提供了充分的反應操作時間與空間,車輛進出主線對主線車流所造成的影響也會降低。提取立交連接段的運行速度數據,并繪制連接段車輛運行速度分布圖(圖13)。各連接段長度情況:連接段1,長360 m;連接段2,長200 m;連接段3,長350 m;連接段4,長750 m;連接段5,長700 m;連接段6,長800 m。

圖13 不同長度連接段車輛運行速度分布圖Fig.13 Distribution diagram of vehicle running speed at connecting sections with different lengths

從圖13可以看出,不同長度的連接段速度變化情況不同。距離較短的三個連接段1、2、3,其速度變化較平緩且較為聚集,而距離較長的連接段4、5、6與短連接段相比,速度波動幅度較大且車速離散性較大。計算連接段的速度均值及標準差,得到圖14。由圖14分析可知,在速度均值方面,連接段長度越長,速度均值也隨之增大,但在700 m后,速度均值有所下降。在速度標準差方面,連接段長度越短,其速度標準差越小,即離散性越小,速度變化越集中。立交連接段較短時,對駕駛人的約束性較大,即駕駛人需要在較短的空間里完成換道交織,車輛間干擾較大,所以車輛速度較為集中。而當連接段較長時,車輛有足夠的空間采取操作,車與車之間較分散,干擾性也會降低,甚至距離很長時都會失去交織特性,此時連接段接近于普通路段的形式特征,所以速度分布較分散。

圖14 不同長度連接段速度均值及標準差分布Fig.14 Distribution of mean and standard deviation of speed in connection sections with different lengths

4.2 連接段車輛加速度特征分析

根據上文分析,在速度變化方面,長距離連接段比短距離連接段更明顯,速度變化幅度較大并分布分散,因此,接下來對加速度進行分析。計算連接段的加速度均值及標準差,得到圖15。均值先是隨連接段長度的增加在增大,當長度700 m時,加速度均值出現最大值且為正值。之后連接段長度再增加,加速度均值隨之下降。

圖15 不同長度連接段加速度均值及標準差分布Fig.15 Distribution of mean and standard deviation of acceleration in connection sections with different lengths

5 結論

基于實車駕駛實驗收集立交主線出入口車輛運行速度、加速度,然后繪圖并分析,總結出高密度立交出入口縱向運行特征。得出如下結論。

(1)入口處速度分布整體趨勢有兩類:一類是平行式入口呈上升—平穩趨勢;另一類是直接式入口呈持續上升的趨勢。在入口速度均值方面,平行式入口高于直接式入口,而在速度標準差方面,平行式小于直接式。出口處速度分布整體呈平穩下降趨勢,平行式的運行速度均值低于直接式,但速度標準差卻更高。

(2)不同類型入口對駕駛人的加速操作選擇具有一定影響,即對加速起終點選擇有影響;平行式入口在縱向加速度均值上較直接式入口低。

(3)出口速度變化特征點與出口設置類型關系不大,更受駕駛人在主線出口減速偏好性影響;平行式出口減速度最大值與均值均大于直接式。

(4)相鄰立交凈距較短時,連接段的速度變化較為平緩,并且不同駕駛人的速度幅值比較接近;而常規凈距的相鄰立交,連接段的速度波動性大且離散;在實驗的幾個選段中,連接段長度為700 m時,加速度均值出現最大值且為正值。