基于实车路试的迂回式立交匝道小客车行驶速度特征研究

陈正欢，刘俊，张河山，林伟，徐进,4*

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074；2.重庆轨道交通(集团)有限公司，重庆 401120；3.重庆城市交通开发投资(集团)有限公司，重庆 404100；4.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)

立交匝道是不同方向的车流在互通式立体交叉实现路径转换的设施载体，受制于地形条件、占地规模和工程造价等因素，立交匝道具有技术标准低、曲线半径小的特点，导致匝道线形指标与主线不一致，在运行过程中经常出现驾驶人驶入匝道之后由于速度过快导致的车辆侧翻/侧滑事故。迂回式匝道通过延长展线来减缓坡度，能在有限空间内实现大高差相交道路之间的相互转换，是城市立交和公路立交的常用匝道形式之一。车辆在迂回式匝道上行驶的过程中，行驶速度直接影响行车安全。然而，不同的驾驶行为将会影响匝道内车辆的行驶速度以及匝道整体的通行状况。所以需要对迂回式匝道速度特性进行探究。

目前，众多学者围绕互通立交的运营安全开展了大量研究，如出口匝道安全性分析[1]、交通流特性以及速度预测[2]等。徐一岗等[3]通过建立模型计算小客车行驶速度，并用于评价匝道设计的一致性与协调性。臧晓冬[4-5]根据匝道半径、超高确定环形匝道自由流速度，建立了立交交织区与非交织区的速度预测模型。张驰等[6]利用自由流状态下匝道出口特征点的速度，建立了小客车在渐变段起点、分流点、小鼻点3个特征点处的速度预测模型。袁愈锋等[7]使用雷达测速仪采集的数据，分析了苜蓿叶立交集散车道车辆运行速度特性。孙平等[8]以“佳榆高速互通立交”为例，通过对比分析设计速度与运行速度，探讨了车辆的安全性问题。徐进等[9-12]通过实车试验，分析了苜蓿叶形立交进、出口区域的纵向驾驶行为特征以及匝道内部的运行特征；研究了螺旋匝道范围内小汽车的速度变化模式、幅值特性以及影响因素。张晓波等[13]基于自然驾驶数据分析了环形立交匝道上汽车的横向加速度特征，得到了横向加速度的7种变化模式。Ahammed等[14]基于立交合流点速度和交通数据，建立了速度、加速度以及加速距离模型。Perco等[15]使用雷达测速枪测量行驶速度，对环形立交进出口建立了速度模型。

综上所述，目前中外学者对立交匝道的研究内容涉及苜蓿叶形、环形立交的运行特征以及速度预测等方面，但尚未见针对迂回式立交匝道内车辆运行特征以及影响因素等方面的相关研究，以至于现有研究无法为迂回式匝道的安全性设计提供理论支撑。为此，通过开展实车自然驾驶试验，基于自然驾驶数据研究小客车在迂回式匝道内的行驶速度特性，分析驾驶员性别以及驾驶风格对行驶速度产生的影响，研究成果可以为迂回式匝道的几何线形设计和交通运行管理提供科学依据。

1 试验设计

1.1 试验对象

本次试验选择重庆市南岸区江南立交与南山立交的4条迂回式匝道，其中江南立交A、B匝道连接海峡路与向黄路，为单向双车道；南山立交C、D匝道连接内环快速路与南山茶园片区道路，为单向单车道，图1为试验立交匝道以及周边路网情况。表1为4条匝道的主要技术参数和限速值情况。

图1 江南立交和南山立交匝道平面图

表1 试验对象主要技术参数

1.2 试验仪器和车辆

本次试验采用Mobileye630(前向碰撞预警系统)连续采集车辆行驶速度。Mobileye通过CAN总线读取车辆速度、车道线-车轮横向距离、障碍物信息等数据，采样频率为10 Hz。为便于后期试验数据处理与分析，在试验车辆前后挡风玻璃各安装一台高清数字行车记录仪，对实车试验进行全程录像。试验车辆为北京现代全新胜达车型，试验仪器和车辆如图2所示。

图2 试验仪器和车辆

1.3 被试人员

共有33位驾驶员参与本次试验，其中男性17名，女性16名。年龄分布为28～51岁，平均年龄38.4岁；驾龄分布为4～24年，平均驾龄为10.6年。被试人员均熟悉车辆状况和驾驶操作。试验前告知所有被试人员本次试验无任何驾驶要求以及注意事项，试验过程中对被试不做任何暗示，最大程度维持驾驶员的自然驾驶习惯。所有被试人员在试验之前，填写一份关于驾驶风格的问卷，参照中文修订版多维度驾驶风格量表(MDSI-C)[16]，将被试人员分为愤怒型、冒险型、焦虑型三种风格，其中愤怒型驾驶员有7人，冒险型驾驶员有19人，焦虑型驾驶员有7人。被试人员基本信息如表2所示。

表2 被试人员基本信息

1.4 试验流程和数据处理

在试验开始前设定好行驶路线，包括记录数据的起止点位置、车辆掉头地点等，确保数据采集的准确性。在试验中，每位被试按照试验路线行驶2～3次，避免单次行驶因突发情况导致该被试行驶数据无法采集的情况。本次试验时间段为9：00—18：00，避免早晚高峰对被试产生的驾驶影响，同时避开浓雾、雷雨等极端天气。

在将收集到的原始数据使用MATLAB软件中的Smooth函数进行滤波处理后，针对每位被试人员，对照行车记录仪的影像，按照数据截取起止点，截取迂回式匝道内的连续行驶数据，截取有效数据之后每次行驶对应一条速度曲线。数据截取起止点如图1所示。

2 迂回式匝道整体速度特征

2.1 迂回式匝道的速度模式

将各条匝道的速度实测数据叠加到一起，并分别提取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)，如图3所示。图3中标注了出现速度异常的位置，各处速度异常的原因。

从图3可以看出，4条匝道的实测速度均呈现出两端较高中间较低的现象，表明汽车在迂回式匝道上的行驶过程会经过入弯减速、稳定行驶、出弯加速3个阶段。在图3(a)中，驾驶员进入A匝道后的加速现象是因为A匝道为下行匝道，为确保驾驶员行驶安全，在A匝道起点前设置了减速带，驾驶员通过减速带后的加速操作持续到A匝道的直线段，以达到期望速度。在图3(c)中，驾驶员驶出C匝道弯道后的加速阶段极短是因为C匝道曲线段后紧接着进入交织区，驾驶员选择降低速度以确保安全汇入车流。

从图3中4条匝道的特征分位速度值曲线可以看出，小客车在迂回式匝道圆曲线稳定行驶阶段的变化特征可以分为3类。第1类是入弯减速持续到圆曲线内，在圆曲线内经历一个近似恒速行驶后，并在未到达圆曲线末端就开始加速驶出匝道，如图3(a)中50th、75th、85th、95th速度曲线和图3(b)中85th、95th速度曲线。入弯时速度越大，恒速行驶的距离越短。第2类是小客车的速度在圆曲线段内持续增加，如图3(c)中50th、75th、85th、95th速度曲线。第3类是小客车的速度在圆曲线范围内保持恒定，如图3(d)中25th、50th、75th速度曲线。

综上，迂回式匝道的车辆行驶速度呈现出两端高、中间低的“U”形特征，将车辆在迂回式匝道上行驶的过程分为入弯减速、稳定行驶、出弯加速3个阶段，具体如下。

阶段Ⅰ入弯减速，此阶段是车辆由直线路段行驶至曲线阶段的减速过程，驾驶员进入匝道弯道前需进行减速操作，使汽车速度逐渐减小至圆曲线弯道行驶的安全速度。

阶段Ⅱ稳定行驶，此阶段是车辆减速行驶到圆曲线弯道后保持相对恒定的状态，行驶速度在一定范围内基本保持稳定，在此范围内的速度变化特征分为3类，一是先减速，再匀速，后加速；二是速度持续增加；三是速度保持恒定。

阶段Ⅲ出弯加速，此阶段是车辆由曲线弯道行驶至直线路段的加速过程，在驶出弯道时，随着驾驶员视线以及行车条件都逐渐变好，驾驶员会采取加速操作尽快驶出弯道，恢复直线行驶状态。

2.2 行驶速度离散性

运行速度的离散性可以反映各线形路段条件对驾驶行为的约束性，离散性越低，表明道路条件对驾驶员行为的约束性越强。采用速度分布带宽值刻画运行速度的离散性，计算公式为

dv95-5=v95-v5

(1)

dv85-15=v85-v15

(2)

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

4条迂回式匝道的速度带宽值随行驶里程的变化曲线如图4所示，车辆在迂回式匝道圆曲线路段的dv85-15值与dv95-5值低于两端缓和曲线与直线段，达到最低值。在匝道圆曲线段，匝道A(半径R=100 m)的dv85-15值分布范围为11.30～15.8 km/h，匝道B(R=50 m)的分布范围为6.51～9.52 km/h，匝道C(R=78 m)的分布范围为7.95～14.91 km/h，匝道D(R=40 m)的分布范围为5.73～11.41 km/h。由此可见，道路曲率半径是影响驾驶人速度控制行为的主要因素，曲率半径越大，行驶速度的离散性越大，道路条件对驾驶员行为的约束性越弱。

图4 速度分布带宽曲线

3 迂回式匝道的加减速行为

根据车辆在迂回式匝道上的运行速度数据，可以对应提取被试在匝道上的减速起点、减速终点(加速起点)、加速终点以及减/加速距离等信息，从而分析车辆运行速度特征点的位置分布、特征位置的行驶速度区间分布等特性,以及减速距离长度与减速终点关系。减速起止点、加速终点提取示意图如图5所示。

图5 特征点提取示意图

3.1 变速起、终点分布

图6给出了4条迂回式匝道的线形参数，并绘制了匝道上减速起点、减速终点、加速终点的分布路段。可以看出，除匝道C以外，其他3条匝道的减速终点分布在匝道的整个圆曲线段。匝道C在圆曲线前半段的线形变化较大，转弯时路旁树木遮挡严重，驾驶员视野较差，行驶速度更低，故减速终点集中出现在此路段。

图6 特征点位置分布

3.2 最低速度特征分析

根据4条匝道的车辆运行状况，将车辆在缓和曲线和圆曲线行驶过程中的车辆运行速度最小值作为关键位置特征参数，绘制驾驶员在关键位置车辆运行速度最小值的累计频率分布曲线，如图7所示，并将特征分位值进行统计(表3)，以此研究典型百分位速度的分布情况。可以看出，匝道半径越大，最低速度值越大。小半径匝道B和匝道D上的最低速度分布高度重合。曲线在15th和85th存在突变点，突变点的速度分布较为集中，75th～85th运行速度差仅为0.7～1.7 km/h。

图7 最低速度累计频率

表3 迂回式匝道减速终点典型分位运行速度

3.3 车辆减速长度模型

由于驾驶员个体的差异性，驾驶员在匝道上会产生不同的驾驶行为，导致进入匝道时的减速起点与减速终点分布在一定路段区间内。为进一步明确减速行为，建立减速长度关于减速终点位置坐标的函数关系。

将每条匝道的减速终点所在区域以10 m为间隔进行分组，取中间值作为本组的样本值，统计330条速度曲线数据的车辆减速长度和减速终点位置坐标，各条匝道上的减速长度与减速终点坐标的散点曲线如图8所示。采用线性函数对实测数据进行拟合，得到4条匝道的减速长度模型(图8)，4个模型的R2分别为0.916 2、0.966 3、0.926 7、0.749 2，拟合效果较好。结合上述分析可知，随着驾驶员减速操作的持续，减速终点距离越远，减速长度越长，减速长度与减速终点距离存在明显的正相关关系，该结果可以为匝道半径设计提供依据。

y为减速长度；x为减速终点距离坐标

4 行驶速度的影响因素分析

4.1 驾驶人性别的影响

对各条匝道圆曲线路段的每条速度曲线数据取均值，每位驾驶员每次行驶得到速度均值Vai(i=1，2，…，N)，其中，N为每位被试的行驶次数，N取2～3，33位驾驶员最终得到M个均值。将各条匝道上平均速度按照驾驶员性别分开统计，得到图9。图9中散点从下到上依次为最小值、25th、75th、最大值。由图9可知，男性驾驶员的行驶速度大于女性驾驶员。

图9 不同性别驾驶员均值速度分布

将行驶速度按照驾驶员性别进行分组后，以行驶速度作为检验变量进行方差分析，结果如表4所示。由表4可知，虽然4条匝道上男性驾驶员行驶速度略大于女性驾驶员，但不同性别驾驶员的行驶速度在A匝道和C匝道上没有显著性差异(P>0.05)，在D匝道上有显著性差异(0.01

表4 方差分析结果

为更好地分析在小半径匝道上不同性别驾驶员之间行驶速度的差异性，以江南立交B匝道为例，选取驶入圆曲线断面(+110 m)、圆曲线中点断面(+160 m)、驶出圆曲线断面(+210 m)处的速度，断面选取位置如图10所示。通过Origin软件获得以行驶距离为横坐标，以行驶速度为纵坐标的箱型图(图11)。在驶入圆曲线及圆曲线中点处，男性驾驶员的最低车速、25th车速、50th车速、75th车速以及最高车速均大于女性驾驶员，在驶出圆曲线处男性驾驶员的50th车速、75th车速均大于女性驾驶员，结果表明男性驾驶员更倾向以较高的速度通过匝道。

图10 断面位置示意图

图11 不同性别驾驶人的行驶速度差异性

4.2 驾驶风格的影响

图12为4条匝道不同驾驶风格驾驶员运行速度分布图，并标注出每条匝道上各类驾驶风格驾驶员的超速率。可以看出，只有冒险型驾驶员在4条匝道上都出现超速行为，每条匝道的最大速度均来自于冒险型驾驶员。与愤怒型以及焦虑型驾驶员相比，冒险型驾驶员的超速率最高，在匝道C上的超速率已高达97.30%。

图12 不同驾驶风格的运行速度分布

将行驶速度按照驾驶风格进行分组后，以行驶速度作为检验变量进行方差分析，结果如表5所示。在此次试验中，虽然四条匝道上冒险型驾驶员行驶速度略大于愤怒型以及焦虑型驾驶员，但不同风格驾驶员的行驶速度在C匝道和D匝道上没有显著性差异(P>0.05)，在A匝道和B匝道上有显著性差异(P<0.05)。不同驾驶风格驾驶员之间行驶速度的差异性受到匝道线形设置的影响，在线形较为标准(包含“直线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线-直线”线形组合)的迂回式匝道表现明显。

表5 方差分析结果

4.3 行驶速度与匝道半径相关性

通过Origin软件分析得到每条迂回式匝道速度均值点的箱型图，同时，根据徐进等[12]对环形匝道中段速度的研究成果，在图13中标注出不同半径环形匝道的中位行驶速度值。除匝道B以外，其他3条匝道行驶均值速度的幅值随着匝道半径的增大而增加，此结果说明匝道半径越大，驾驶员的驾驶条件更好，选择的速度范围越大。匝道B的半径大于匝道D，行驶速度幅值却略小于匝道D，通过观察行车记录仪发现，匝道B入口处有一处测速点(图14)，且两侧树木较为茂盛，严重影响了驾驶员视线，导致驾驶员选择低速行驶。

图13 行驶速度与匝道半径

图14 匝道B入口处测速点

通过对比相同半径的环形匝道以及迂回式匝道中位行驶速度值发现，迂回式匝道圆曲线段的中位速度值略大于环形匝道，结果表明环形匝道线形对驾驶员的约束性更强，驾驶员在环形匝道上行驶更为谨慎。

5 结论

基于小客车在迂回式匝道上的自然驾驶数据，研究了行驶速度的特性，分析了驾驶员性别、驾驶风格对行驶速度的影响，并探讨了行驶速度与匝道半径的相关性，得出如下结论。

(1)在迂回式匝道上，汽车以迂回绕行的方式完成转弯的过程中会经过入弯减速、稳定行驶、出弯加速三个阶段，行驶速度曲线呈现“U”形。匝道曲线半径越小，行驶速度的离散性越小，道路条件对驾驶行为的约束性越强。

(2)在迂回式匝道上，减速终点分布在圆曲线路段，减速长度随着减速终点距离的增加而增加。

(3)在圆曲线路段，男性驾驶员的行驶速度高于女性，不同性别驾驶员的行驶速度差异性与匝道半径的大小相关，在小半径迂回式匝道表现显著。

(4)与愤怒型以及焦虑型驾驶员相比，冒险型驾驶员倾向于以更高的速度通过匝道。不同驾驶风格驾驶员的行驶速度差异性受到迂回式匝道线形设置的影响，在线形较为标准的迂回式匝道上表现显著。

(5)驾驶员的行驶速度值随着匝道半径的增大而增加。与环形匝道相比，驾驶员在相同半径条件下的迂回式匝道圆曲线路段的行驶速度更大。