A 型喇叭口立交左转半直连匝道的事故形成机制研究*

蒋 刚 杜乐兵 蒋 燕 李诗佳 徐 进,3▲

（1.四川南渝高速公路有限公司 四川 南充637000；2.重庆交通大学交通运输学院 重庆400041；3.重庆交通大学山区复杂道路环境“人-车-路”协同与安全重庆市重点实验室 重庆400074）

0 引 言

对于高速公路而言，互通立交由于存在路线识别与确认、分合流、减速/加速等驾驶任务，驾驶负荷远高于主线路段，通车运营之后很多互通立交都逐渐发展成了所属高速公路的事故高发路段，因此互通立交及其影响区段的交通事故在全路段事故总数中占重要比重[1-3]。

高速公路互通立交的交通事故主要分布在出入口、匝道线和收费区等3个区段；枢纽互通由于没有收费区域，事故则主要发生在出入口和匝道线上。收费区域的事故多为货车撞击挡车杆，总体而言事故后果较轻（位于长下坡的收费站除外）；相比之下，出入口和匝道线的事故后果更严重，车辆撞击护栏三角端头、撞击护栏板、撞击隔离墩、侧翻等事故频繁发生，给道路用户和高速公路运营公司均造成了严重的损失。为有效防止事故发生，除了要求道路使用者遵守交通法规、提高安全意识外，针对此类事故多发路段还应从道路线形和交安设施本身着手进行分析和优化，提高互通立交的行车安全性。

在各类样式的立交中，喇叭口立交是高速公路连接地方道路的互通主导形式，因此高速公路的事故多发立交主要是指喇叭口立交。国内的设计工程师和研究人员和针对喇叭口互通立交的安全性做了一些分析和讨论，比如B 型喇叭口立交的设计安全性评价方法以及安全保障措施[4-6]，喇叭口立交右转直连式匝道的事故原因分析与安全改善[7]，基于运行速度的B 型喇叭口立交出口环圈匝道线的参数控制与优化设计[8]，以及线形组合设计[9-10],通过仿真试验对B 型喇叭型立交驾驶安全性、舒适性分析[11]。由于B 型喇叭口主线出口匝道为环圈匝道，曲线半径小、转角值大，从线形来讲似乎对行车更为不利，因此目前更受关注；相比较，A 型喇叭口立交研究受关注较少，主要集中在线形优化[12]及安全性评价[13]等方面；但浙江省高速公路42 个月的事故历史数据表明[14-15]，在全省97座安全隐患较大的喇叭口立交中，A型喇叭口为72座占比74%，B型喇叭口仅为25座，即A型喇叭口更容易形成事故多发路段。

相比之下国外的类似研究要更深入，Farah 等人[16]通过高空摄像设备采集了不同样式互通立交的车辆行驶视频，运用图像提取技术获取了车辆在匝道上的连续行驶轨迹，并建立不同车型的匝道速度预测模型。Kim等[17]使用泊松负二项分布建立了喇叭口立交S型曲线的事故预测模型。Bennett等[18]针对B型喇叭口内圈环道开发了一套路侧车速采集和超速警示装置，用来提醒超速行驶的大货车驾驶人在进入环圈匝道时减速。

综上，喇叭口立交是高速公路互通立交的主要立交样式，现有的研究主要关注的是B 型喇叭口立交匝道的安全性和线形优化，而事故统计表明A 型喇叭口立交匝道的安全问题更严重。在近2年开展的高速公路运营阶段安全评价中，A 型喇叭口左转半直连式互通存在事故频发的问题，并且事故形态难以用一般的认知来解释，为此，运用人-车-路系统性思维，综合驾驶操纵和视觉认知等多个层面，解释了该类事故的发生机制，并提出了安全改进措施，为提升高速公路互通立交安全运营水平提供理论和方法支撑。

1 事故高发匝道的特征

事故数据来源于G5515张南高速公路南充—大竹—梁平段（简称南大梁高速）和G93成渝环线高宜宾至泸州段（简称宜泸高速），这2 条高速公路与地方道路连接的互通均是采用喇叭口样式，自通车运营后，有多座喇叭口立交的事故率显著高于全路段互通立交的平均水平。分别是位于南大梁高速的蓬安互通和营山互通，位于宜泸高速的凤凰湖互通，见图1（a）～（c）。其中蓬安互通自2014 年1 月通车至2019年5月期间内累积发生交通事故85起，其中发生在匝道线上的事故66起，占比78%；营山互通累计发生事故60起，其中30起发生在匝道范围内；下长互通自2012年12月底至2019年10月期间内左转匝道路段发生交通事故30起；凤凰湖互通左转外环匝道自2015 年起发生事故15 起。具体的事故信息见表1。

图1 事故多发的喇叭口立交平面图以及事故匝道Fig.1 Horizontal alignments of accident prone trumpet interchanges and accident concentrated ramps

表1 事故高发的型喇叭口立交左转匝道以及事故特征Tab.1 Accident-prone left turn ramps of trumpet interchange and their accident characteristic

在图1 中，左转半直连匝道的平面线形组合都是S 型曲线，其中蓬安互通、营山互通和凤凰湖互通，S型曲线中的外环匝道是包含2个圆曲线的卵形线，见图1（d)，其半径值为表1中的R2和R3。在表1中，事故多发匝道都是下坡，即下穿主线之后与另外的匝道线汇集在收费站。

下长互通匝道的事故形态包含车辆撞击中间隔离护栏和撞击弯道外侧护栏2种；而蓬安互通、营山互通以及凤凰湖互通匝道的事故形态几乎都是小客车在左转匝道上撞击中间分隔带穿管护栏和隔离墩，即撞击行车道左侧（也是弯道内侧）护栏，而非弯道外侧护栏，见图2，这与通常认为的曲线路段事故形态截然相反，因为根据常识汽车行驶在平曲线上时由于离心力的作用，车辆失控时必然是冲向弯道外侧继而撞击外侧护栏。因此，若要提出靶向性高的安全改善对策，必须从机理上揭示车辆撞击弯道内侧护栏的本质原因，方能实现精准有效的事故防治。

图2 左转半直连匝道的事故多发区段Fig.2 Accident prone section of left turn semi direct connected ramp

2 事故匝道虚拟行驶实验方法

使用汽车动力学分析软件Carsim来完成事故匝道的运行过程仿真，从仿真结果中提取汽车运动学响应和汽车操纵量，确定安全通过事故匝道的转向需求。

2.1 整车动力学模型

根据事故记录数据，小客车在事故车型中占主要比例，因此在CarSim 软件中选择SUV 小客车作为仿真车型，见图3。该模型主要包含7个部分，分别是车身系统、动力传送系统、制动系统、转向系统、前后悬架系统、轮胎及空气动力学系统。主要技术参数见表2。发动机模型的发动力额定功率为150 kW，最大转速为6 700 转/min，最大扭矩为310 n·m。在变速器模型中，设置了7 档变速系统。主减速器传动比为4.1，其中传动比效率为0.99，惰轮效率为0.99。上述基本参数可实现对小货车模型基本的动力传送系统的设置。

图3 整车动力学模型Fig.3 Vehicle dynamics model

表2 仿真车型的基本参数Tab.2 Basic parameters of simulated vehicle

2.2 喇叭口立交模型

将立交CAD 模型中的主线与匝道三维数据通过txt文本提取出来，然后按照Carsim的格式要求进行排列，导入Carsim 软件中，实现道路立交模型的生成。由于要导入多个路段，须使用Carsim 软件中的generic links界面来实现，把不同界面创建的道路模型、换道模式以及跟随路径模型，放在同一界面上。在此界面中，还需要设置地面摩擦系数与摩擦系数利用率，根据课题组在现场使用摆式摩擦仪的测试结果，干燥情况下的沥青路面的摩擦系数设置为0.60，利用系数设为1。

将立交主线及各条匝道数据分别导入generic links界面中，并分别对其进行ID标号，以实现对各路段的有效调用。当想调用某条匝道的道路中线作为目标路径时，使用path_id_dm功能来实现；当想调用某条匝道作为行驶道路时，通过current_road_id功能来实现；通过这2种功能的组合使用来完成车辆在不同匝道的路径转换。将所有道路数据导入之后，Carsim软件根据内部算法生成仿真道路模型，见图4。

图4 在CarSIM软件中建立的互通立交模型Fig.4 Interchange model created in Carsim software

2.3 驾驶员模型

驾驶员模型的功能是模拟真实世界中驾驶员对车辆运动学行为的控制，Carsim 软件中的驾驶员模型控制包括速度控制和转向控制，其中速度控制又包括制动控制、换挡控制及开始结束条件控制，每项控制都包含着开环控制系统和闭环控制系统。

1）转向控制。车辆在行驶过程中跟踪目标路径，行驶轨迹与目标路径之间的横向偏移值大于容许值时对轨迹进行修正。主线行驶时目标路径为右侧行车道的中心线，匝道行驶时目标路径为匝道行车道中心线。转向控制模型中的参数包含驾驶员反应时间与车辆性能2 个方面，具体的参数设置见表3。

表3 转向控制参数Tab.3 Steering control parameters

2）速度控制。速度控制模型根据对目标速度与当前速度之间的差值，计算出目标加速度，得到每个时刻的响应状况。速度控制模型主要包含了4个部分，分别为路径预瞄设置、最大速度限制、速度模型的加速度极限值和闭环控制模型系数设置。其中最大速度限制用于设定仿真过程中可以达到的最大速度极限。最大加速度用于限定行驶过程中车辆加速、制动和转弯时在前后左右方向能够达到的最大加速度极限，使用节气门开度来调节纵向加速度，使用节气门开度和制动系统共同调节纵向制动减速度，左转和右转横向加速度限值用于限定曲线路段的行驶速度，4个方向的合成加速度为1个摩擦圆。

2.4 仿真条件设置

1）仿真车型。根据西南地区高速公路交通组成现场观测、事故数据记录以及不利原则等因素，选取SUV作为仿真车型。

2）目标速度。本文4 座喇叭口立交匝道的限速值均为40 km/h，但根据课题组在2条高速公路近20 座喇叭口立交匝道的速度观测结果，驾驶员驶出主线进入匝道之后普遍有超速行为，为此将匝道区段的目标速度分别设置为65 km/h，60 km/h，55 km/h，50 km/h，45 km/h，40 km/h，分析速度幅值对行驶稳定性的影响。

3）目标路径。以匝道中心线为车辆行驶的目标路径。

4）汽车运行参数提取。仿真结束后，分别提取汽车在蓬安互通事故匝道上的行驶里程、车辆横向加速度、纵向加速度、车辆速度、转向盘角度输入以及转向盘转角等参数。

3 事故匝道的运行参数与驾驶操纵

仿真试验开展了4 座互通立交的行车过程模拟，由于篇幅所限，以蓬安互通为例阐释汽车在匝道上的运行过程以及驾驶操纵行为，见图5。图5（a）为匝道行驶过程中汽车质心位置的横向加速度曲线，从中能看出横向加速度的幅值主要经历了3 次变化，对应左转半直连匝道包含的3 个圆曲线半径值。速度为65 km/h 时圆曲线R2 范围内的横向加速度为3.6 m/s2。蓬安互通事故匝道有30起事故发生在雨天，约占50%。该匝道是下坡匝道，排水顺畅，根据现场测试结果，南大梁高速公路沥青路面附着系数在路面湿润的情况下也在0.5 以上。即使大雨时匝道路面偶有积水，可能诱发车辆侧滑，那么在离心力的作用下车辆也是滑向曲线路段外侧，撞击右侧路肩上的坡梁护栏，而非撞击曲线路段内侧护栏（中间分隔带护栏）。并且，事故区段是分布在缓和曲线范围内，如果是离心力引发的侧滑，显然是离心力越大侧滑可能性越高，即更应该未分布在R2=90 m的小半径圆曲线范围内。基于此，可以排除掉曲线路段路面湿滑引起车辆侧滑这一致因。

图5 蓬安互通事故多发匝道的小客车转向盘角输入Fig.5 Steering wheel angle input of passenger car on accident-prone ramp in Peng'an interchange

图5（b）为匝道行驶过程中的方向盘角输入值曲线，图中同时标注了事故高发区域的位置。从C 匝道驶入A匝道之后，由于行驶方向发生偏转，需要朝反方向转动转向盘。出于安全角度考虑，普通车辆的转向操纵机构被设计成略带转向不足的特性，速度增加时，转向不足会被放大，需要额外的转向角度补偿越高。所以行驶速度增加时，转向盘角输入随之增加。在图5（b）中，车辆从圆曲线R2驶向圆曲线R3 时，转向盘在2 段圆曲线之间的中插回旋线上完成角度调整（2 段同向圆曲线构成了复曲线，即卵形线）。根据图中的曲线值，通过回扳方向盘30 度左右来实现行驶轨迹的调整，使车辆保持在行车道范围之内。图5（c）为A 匝道小半径圆曲线路段（R2=90 m）转向盘角度与通过速度之间的关系。

汽车行驶速度越快，方向盘角度调整时的旋转速度越高，见图5（d）。驾驶操纵包含手操纵和脚操纵，手操纵主要是指转向盘操纵，脚操纵是指踏板操纵（油门和刹车）。曲线行驶时需要根据前方道路线形旋转方向盘来调整汽车行驶轨迹，手操纵是主要的驾驶任务和工作负荷。基于此，可以认为曲线路段驾驶负荷主要集中在与圆曲线两端衔接的回旋线范围内，而非圆曲线路段本身。

4 事故发生机制分析

在曲线路段行驶时，驾驶人根据经验判断前方曲线路段的缓急程度，并旋转方向盘来调整车辆行驶轨迹。基于此，前方道路的视觉信息以及驾驶人的主观判断对于行车安全至关重要。在实际行驶过程中，驾驶人并不知晓前方道路曲率的精确值，对前方道路平面曲率的大致估计是其调整转向盘角度的主要依据——如果观察到道路曲率在增加或者减小，驾驶人会根据自己的感受和经验来调整转向盘角度，进而实现轨迹横向位置的调转。图6 是试验车在蓬安互通事故匝道行驶时的行驶过程画面截屏，根据图6，驾驶人在圆曲线R2 入口、驶入圆曲线R2、圆曲线出口、驶入缓和曲线，映入驾驶人眼帘中的前方道路环境信息（前6 帧），尤其是基于道路轮廓线（两侧标线+护栏）道路曲率，没有明显的差异。

图6 匝道行驶过程中的前方道路环境Fig.6 The road environment in front of the vehicle when driving on the ramp

驾驶人在驶入圆曲线R2 之前会调整转向盘转角以使轨迹与行车道相适应，然后在圆曲线范围内维持转向盘转角不变。根据图5(a)，驾驶人应该在圆曲线R2出口位置开始回扳转向盘，然后在缓和曲线范围内完成30度的转向盘角度调整，以顺利驶入前方的圆曲线（R3）。但在图6 第4 帧中，驾驶人即将驶出圆曲线时，前方路段的曲率与前几帧相比并没有显著变化，即看起来差异不大。驶入缓和曲线之后（第5～6帧），也是如此。基于此，导致很多驾驶人在圆曲线出口时还是会维持转向盘位置不变，即没有回扳转向盘。

图7 是从行驶视频截图中提取的道路轮廓线，包括道路左侧的中间分隔带钢管护栏，右侧波梁护栏以及路边线，这些线条共同勾勒出了匝道的轮廓，映入驾驶人视线之后，经过大脑处理之后提供了一个道路曲率的估计值。从图7中能看到，4个不同的行驶位置的道路轮廓信息差异不明显。

图7 匝道行驶过程中的前方道路轮廓Fig.7 The contour of the road ahead in the process of ramp riving

图8 是安全通过和发生事故2 种情况下的匝道行驶轨迹，其中图8（a）是驾驶人采取正确方向盘操作时的行驶轨迹，即安全轨迹，图8（b）是驾驶人在圆曲线R2 出口维持方向盘位置不变，即采取了错误转向操作动作的轨迹线，即危险轨迹线，图8（c）是危险轨迹的局部放大。在图8（b）中，驾驶人由于维持转向盘角度不变，因此汽车的行驶轨迹是一段圆弧，即恒定半径。而行车道中心线平面曲率在圆曲线R2 的YH 点（圆缓点，圆曲线和缓和曲线的衔接点）之后开始逐渐变缓，直至调整至下一个圆曲线的曲率半径R3=350 m。因此，危险轨迹与行车道中心线之间必然存在偏移，导致轨迹在缓和曲线范围内偏离了行车道，见图8（c），进而产生一个严重的后果——车辆撞击左侧钢管护栏（也即中间分隔带护栏）。至此，A型喇叭口立交左转半直连匝道车辆频繁撞击中间分隔带护栏的事故机理解释完毕。

图8 蓬安互通事故匝道的行驶轨迹Fig.8 The track on accident-prone ramp Peng'an interchange

5 事故高发匝道的安全改善措施

蓬安互通事故匝道撞击钢管护栏的60 余起事故记录中，事故原因明确记录有“超速”的占40 起，即占事故总数的2/3。根据图5，匝道通过速度越大，对转向盘角输入的需求越大，同时在缓和曲线路段需要回扳转向盘的角度也越大。基于此，降低匝道范围内的行驶速度是提高驾驶人操作准确性，减少驾驶失误的有效途径之一；此外，降低行驶速度还会起到减小轨迹偏移、增加反应处理时间的作用。现场调研的喇叭口互通左转出口匝道均设置了2 级限速标志，其中减速段限速60 km/h，匝道限速40 km/h。但根据现场采集结果，匝道行驶速度大都在50 km/h以上，甚至达到60～70 km/h，即远高于40 km/h 的限速值，说表明驾驶人对限速标志的遵守度非常低。

基于事故高发匝道的车辆碰撞形态、事故发生机制以及匝道实际行驶速度，课题组向高速公路运营公司提出了以下安全改善措施。

1）事故匝道的中间分隔带护栏为穿管式护栏，迎撞面不连续，对失控车辆伤害较大，为此，将事故匝道的中间分隔带护栏，由钢管护栏更换为双面防护式的钢筋混凝土护栏或者地形梁护栏，建议防撞等级为Am级，见图9。

2）在左侧车道线外侧设置导流线，同时在车道线内增加减速标线，缩窄行车道宽度，以降低匝道范围内行驶速度，驾驶人发现自己错误转向操作时，能够有一定的时间对轨迹进行矫正；同时在左侧车道线外侧安装反光道钉，增加夜间道路轮廓的可视认性。

3）在事故匝道S型曲线的公切点位置，在匝道右侧护栏外侧和中间带护栏上增设限速40 km/标志（即道路两侧分别设置），加强对驾驶人的提示，提醒驾驶人合理选择行驶速度，设置位置见图10。

4）在匝道线形设计方面，建议将外环匝道的线形组合，由卵形线（圆曲线R2+回旋线+圆曲线R3）改为单圆曲线，避免视错觉并降低驾驶人的操作难度，降低车辆撞击中分带护栏的事故。

图9 匝道中间分隔带护栏的建议形式Fig.9 Suggested type of guardrail for the median of ramp

图10 匝道范围内的限速标志设置位置Fig.10 Setting position of speed limit sign within the scope of ramp

6 结 语

喇叭口型互通立交是高速公路连接地方道路的主要立交样式，承担了高速公路主线交通与途径城镇之间交通转换和集散功能，调查中发现一些A 型喇叭口左转半直连匝道的事故率显著高于平均水平，汽车频繁撞击位于曲线内侧的中间分隔带护栏，用常规的知识以及经验难以解释其事故发生机制。

运用“人-车-路”闭环仿真的方法模拟了正常驾驶人在匝道上的行驶过程，得到了安全通过事故匝道的转向需求，然后结合实车驾驶过程中的前方道路环境的三维视觉影像以及基于道路轮廓的曲率估计得到了事故的发生机制：从卵形线的小圆驶向大圆时，卵形线的中插回旋线以及前方的大圆在视觉上会误导驾驶人高估道路曲率，导致驾驶人采取了维持转向盘不动的错误操作，进而使行驶轨迹朝曲线内侧偏离了行车道，进而与中间分隔带护栏发生碰撞。根据事故的发生机制，提出了靶向性的安全改善对策，课题组将持续跟踪改善效果。

经视觉判断错误导致驾驶员不当操作，使车辆在A 型喇叭立交行驶时撞击中间分隔带护栏，其本质还是由于A型喇叭立交左转半直连式匝道线形组合不适；因此，在下一步研究中，可以利用车辆运行速度或仿真试验等方法对匝道线形参数及匝道组合线形进行改进、优化；减少道路线形引起的安全隐患。