高密度立交出入口车辆纵向运行特性

徐同, 张雪榆, 张杰, 矫成武, 徐进*

(1.重庆交通大学交通运输学院, 重庆 400074; 2.重庆长安汽车股份有限公司, 重庆 400020; 3.中信科智联科技有限公司, 重庆 404100; 4.交通运输部公路科学研究院, 北京 100088)

互通式立体交叉(简称互通立交或者立交)是车辆得以实现在不同路线之间相互转换的空间立体构造物。中国经济持续高速发展,汽车保有量随之不断增大。为缓解交通压力,路网密度不断增加,承担着转换不同方向车流的互通立交也相继地被建设到路网中,相邻互通之间的间距不断减小,高密度互通立交随之产生。车辆在高密度互通立交的出入口以及连接段的行驶中,要求驾驶人进行更频繁的加减速操作(纵向)、转向操作(横向),以保证车辆能够安全地汇入、驶离主线并进行分合流操作,导致此区域的驾驶任务更复杂、车辆操纵难度更大,更容易产生交通拥堵甚至交通事故,并成为交通瓶颈。而在互通立交处车辆运行速度直接影响行车安全,所以需要对高密度互通立交处车辆运行速度特性进行研究。

国外对于互通立交的研究开展较早,尤其是美国,现较为成熟。而且其中绝大多数成果被收录于HighwayCapacityManual,在2010年深入研究了高速公路出入口的立交。胡江碧等[1]将互通立交安全性评价理论概括为三种,即人因工程理论、交通冲突理论和运行速度协调理论。而现在基于运行速度的研究,也就属于第三大理论派系,即基于运行速度协调理论来进行交通安全评价,反过来指导道路线形的合理设计。Perco等[2]在环形立交进出口,使用雷达测速枪采集车辆运行速度,建立了相应的运行速度模型。Ahammed等[3]依据立交合流点处数据,构建了速度、加速度以及加速距离模型。Fang等[4]使用三种交通仿真软件参数,标定立交区内车流其运行状态,并通过对比给出模型中参数的参考取值。Xia等[5]采集各车型速度数据,分别构建小客车与大货车在分流鼻、出口匝道圆曲线中点处的运行速度模型,建立车辆速度与出口匝道圆曲线半径、超高、纵坡之间的关系。徐进等[6-9]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。马向南[10]采集了互通立交入口处车辆运行速度数据,运用SPSS软件进行统计分析,并通过carsim仿真分析纵向加速度,将高速公路立交出入口分为渐变段、减速段及三角区段、加速换道段。张智勇等[11]采集14条匝道上实际车辆运行速度数据,依据车辆运行速度特征将车辆在匝道的运行阶段分为三阶段。杨俊儒等[12]使用Trucksim和Carsim进行仿真试验,探究各因素对安全车速的影响程度。张驰等[13]通过分析小客车在立交出口匝道的速度分布,建立小客车在不同位置的运行速度模型。张玉等[14]基于实车试验对互通立交迂回式匝道纵向加速特性进行了研究并进行了舒适性评价。陈正欢等[15]基于实车路试对迂回式立交匝道小客车运行速度特征进行了研究,明确了其速度特征。

而基于人因工程和交通冲突理论方面,对立交区段的研究也有很多。程学庆等[16]基于交通冲突技术,通过计算机仿真软件对隧道与互通立交安全间距进行定量分析并建立安全间距计算模型。Bared等[17]从行车安全角度分析立交加、减速车道事故数据,评价立交加减速车道长度,结论是加减速车道长度与交通事故率呈反比。Montella[18]基于实车驾驶试验分析环形立交各交通要素对行车安全的影响。郑展骥等[19]建立互通立交分流区交通冲突预测模型,评价分流区交通安全。黄治炉[20]建立服务区出入口匝道各部分长度计算模型。颜停博[21]对立交出口匝道事故原因进行分析,并运用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)对几种因素进行了权重赋值,建立了高速公路互通式立交出口匝道的安全性评价模型。张卫华等[22]运用TTC模型判断追尾冲突、PET模型判断换道冲突,对数据分析,拟合出可预测交通冲突的二分类Logistic回归模型。王思棋等[23]根据事故调查数据研究了高速公路苜蓿叶型立交环形匝道的事故致因并给出了防治建议。

在上述学者的研究中,大多利用模拟仿真对互通立交的运行速度特征进行研究,结果与互通立交的实际运行情况存在较大的偏差;采用路侧观测的手段又对驾驶行为有较大的干扰,也降低了所建立模型的可靠性。相比之下,运用实车驾驶试验去研究立交段车辆纵向运行特征的较少。而且专对高密度互通立交出入口运行特征进行的研究没有,而随着高速路/快速路路网密度的增大,互通立交越来越多,其平均间距会持续变小,所以研究高密度互通立交出入口的运行速度特征对出入口的安全性设计和限速管理等具有重大意义。现基于实车驾驶实验收集车辆在高密度互通立交出入口的运行速度数据,画出其运行速度曲线图,分析车辆速度变化趋势,分别总结出出入口及连接段车辆速度变化,得以揭示高密度互通立交出入口及连接段的车辆纵向运行特征。研究成果可为高密度互通立交段出入口及其连接段的设计与交通管理提供科学依据。

1 实验设计

1.1 实验地点

在既有技术标准和规范以及相关立交文献的基础上结合本文试验路段设计速度,将城市快速路高密度互通立交标准定义为:①相邻的互通立交出、入口间距不足1 020 m;②10 km连续路段内有3座以上立交。

实验地点为重庆主城区内五座立交(图1):五童立交,五桂立交,寸滩立交,东环立交,人和立交,满足高密度立交要求。其中,东环立交和五童立交之间的净距600 m, 实验立交标线完整清晰,红绿灯较少,能满足实验地点要求。前4座立交位于内环快速路,主线设计速度为100 km/h,根据既有技术标准的相关规定,立交最小间距应≥1 km。但实际东环立交、五童立交、五桂立交这三座立交,并不满足最小间距要求,所以这三座立交是典型的小间距立交。其中前4座立交位于重庆内环快速路,内环快速路单向4车道,最高限速为100 km/h,最低限速为60 km/h。寸滩立交位于海尔路,海尔路单向3车道,限速60 km/h。五座立交主要技术指标如表1所示。

图1 实验立交Fig.1 Experimental interchange

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

1.2 车载设备和实验车辆

实验采用 Mobileye 630 (前向碰撞预警系统),连续采集车道线-车轮横向距离、障碍物信息等数据,并通过CAN总线读取车辆速度,采样频率为10 Hz。在实验车辆前后挡风玻璃处,各装一台高清数字行车记录仪,摄录前后方运行环境。采用Speedbox非接触式车速传感器,对整车速度与车辆经纬度数据实时采集,与Mobileye 630配合使用,互为补充,提高数据可靠性。实验用车是别克GL8七座商务车,实验车辆及设备如图2所示。

图2 实验车辆及实验仪器Fig.2 Test vehicle and test instrument

1.3 实验驾驶员

本次实验从社会招募47位驾驶人,其中男性驾驶员35名,女性驾驶员12名,男女比例为3∶1。滤掉异常数据,能用于分析的数据有40位的数据。实验前,驾驶人如实填写驾驶人信息表及驾驶风格类型分类量表。经统计驾驶人驾龄范围为5～25年,平均驾龄为12.1年;年龄范围为26～51岁,平均年龄为38.3岁。实验车辆均为同一辆车,尽量保证车内环境相同。

1.4 实验方法和流程

实验在3月份开展,天气适宜,避免了高温对驾驶人的影响;避开雨雪雾等极端天气,避免影响驾驶人驾驶以及对设备的干扰,从而提高数据的可靠性。实验时段为09:30—18:30,避免早晚高峰,共持续12 d。测试前告知试验驾驶员行车路线,每人重复在实验路线上行驶3次或4次。实验过程中让驾驶员按照自己的驾驶习惯行车,不对驾驶员的操作进行任何干预与提示,严格尊重驾驶员的驾驶独立性。

1.5 数据处理

通过Speedbox获得车辆实时所在地点的经纬度和运行速度,并通过Mobileye采集路面线性曲率和“车辆形心-车道线”横向距离,且Mobileye还能经控制器局域网总线(controller area network, CAN)读取车辆实时速度,为speedbox数据做补充。在两种来源数据匹配方面,首先将Speedbox与Mobileye所采集的运行速度数据以速度峰点行为特征点进行匹配,形成实验数据表格后,插值滤波,得到以1 m为间隔的车辆纵向运行特性数据,包含立交出入口及连接段速度、纵向加速度等。

实车实验中因为卫星信号波动、障碍物干扰以及仪器自身系统噪声,可能会使GPS信号缺失或部分数据失真。需要将数据滤波来削弱数据扰动并消除异常数据,采用MATLAB处理数据,滤波前后对比如图3所示。

图3 滤波前后对比Fig.3 Comparison before and after filtering

2 入口段车辆运行速度特征分析

当车辆由匝道驶入主线时,由于要进行安全的换道汇入,在此处驾驶人会有一定的加速行为来保证车辆安全汇入车速较高的主线。截取立交入口范围内,每位驾驶人、每次行驶的速度数据,进行插值滤波处理,得到每个间隔距离为1 m的速度数据,再将每个入口段(主线入口)行驶速度曲线叠加在对应入口坐标系内,得到不同入口运行速度图。

2.1 入口段运行速度总体分布

将4处入口采集到的所有驾驶员数据按入口分别整理并分别绘出相应运行速度曲线,如图4所示,从图4可以看出:入口处车辆整体运行速度趋势分为两类,一类呈上升-平稳的态势[图4(a)和图4(b)],一类是“持续上升”的态势[图4(c)和图4(d)],驾驶人在由匝道驶入主线的前期过程中,其车辆速度升高趋势较明显,中间过程速度平稳变化,后期车辆速度略有平缓上升,所以,速度整体上是有一定的增加。变速车道是匝道起终点的一部分;变速车道分为两类:平行式和直接式。并基于这两种入口形式分别对车辆在两种入口的速度进行描述。

Ra、Rb为平行式入口;Rc、Rd为直接式入口

由图5可以看出,车辆在平行式入口前期的速度增大幅值较显著,这是因为平行入口其加速车道划分明确且长度较长,使驾驶人拥有足够的加速反应操作时间,驾驶人由匝道进入主线的前期便完成速度调整,以便有更多精力来评估主线车道交通状况,安全顺利与主线车辆合流。在直接式入口速度持续上升,且后期速度会有一定波动,原因是直接式加速车道与主线的连接特征,车辆经由匝道直接汇入主线时,要求驾驶员快速完成横向的车道变换还有运行速度的调整,使驾驶人操作繁忙,速度变化波动较大,此时驾驶人驾驶负荷大,对行车安全存在隐患。

统计两类入口的速度均值、标准差,由表2能够看出平行式与直接式的速度分布具有差异性:在均值方面,平行式大于直接式;而在速度标准差方面,平行式小于直接式。这是因为平行式加速车道划分明确且加速距离足够长为车辆提供了充分的加速距离,驾驶人能够有充足的加速距离和反应操纵时间以达到合流的目标车速,再汇入主线车流。而直接式入口在有限的加速距离中还要完成纵向加速、横向调整、合流汇入等操作,使速度波动较大,且在此情况下每个驾驶员速度选择差异性也较大。

表2 平行式与直接式入口速度统计Table 2 Parallel and direct inlet velocity statistics

2.2 入口段速度变化特征点分析

由车辆在入口处速度数据,提取出加速起点、加速终点,示意图如图6所示。便于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,并计算加速长度。由表3能够看出,在平行式和直接式入口处加速起点分布表现趋于一致,超过90%的驾驶人均会选择在合流点前开始加速。而两种入口在加速终点的分布上存在明显差异,在加速终点位于合流点前这种情况,直接式是平行式的两倍,原因可能是直接式入口没有足够的加速距离,所以大多数驾驶人会趋于提前完成加速,以便更安全地汇入主线。

图6 加速特征点提取示意图Fig.6 Sketch map of accelerated feature point extraction

表3 平行式与直接式入口加速起终点统计Table 3 Statistics of starting and ending points of parallel and direct inlet acceleration

通过加速起终点,得到入口加速长度,以20 m为一个间隔分组统计并得到每组占比。由表4可以看到,平行式加速长度区间集中在60～100 m,尤其80～100 m占比最大,而直接式加速长度则集中在40～80 m,说明不同类型入口对加速长度具有一定影响。

表4 平行式与直接式入口加速长度统计Table 4 Statistics of line type and direct type entrance acceleration length

2.3 入口段加速度特征分析

驾驶人的加减速操作均可通过加速度变化来体现。计算入口处平均加速度和加速度最大值,按不同入口类型分别汇总并绘制各自对应的纵向加速度累计频率分布图,如图7所示。

图7 入口纵向加速度累计频率分布图Fig.7 Cumulative frequency distribution of entrance longitudinal acceleration

在纵向加速度最大值上,平行式与直接式累计频率情况相差不大;但在纵向加速度均值上,平行式较直接式更低,这是因为平行式入口提供了足够的加速距离使驾驶人可以均匀加速不需出现较大的加速度值。

在立交,车辆进入主线是由匝道进入的,匝道设计速度较低,所以车辆进入主线前速度较低,驾驶人会选择加速操作使车辆达到主线速度,便于车辆安全汇入。而在与主线车流合流时,驾驶人出于对安全的考虑进行减速调整。在直接式入口,驾驶人要在有限距离内完成加速、变道、合流的任务,所以在直接式入口速度的波动性较平行式的大。

3 出口段车辆运行速度特征分析

立交主线出口的作用是衔接主线与匝道,主线车辆经出口由主线驶入匝道,以转换方向或驶离高速。由于匝道通常采用较小的平曲线半径,并且需要完成路径辨认、换道等操作,需要采取减速操作才能顺利通过出口,因此主线出口需设置减速车道,按减速车道类型分为平行式出口与直接式出口两类。出口C1为平行式,C2、C3、C4三个出口均为直接式。

3.1 出口段运行速度总体分布

整理各出口速度数据,并计算在每一距离点的平均速度,绘制各个出口车辆纵向运行速度分布图。由图8能够看到,虽然各出口运行速度变化有一定区别,但曲线整体是“平稳下降”的。速度总体分布上,两种类型出口并未呈现较大的差异。

图8 出口运行速度总体分布Fig.8 Overall distribution of outlet operating speed

为明确出口类型对运行速度的影响,计算两类出口的速度均值及标准差,并进行显著性分析,如表5所示。结果证明,车辆在不同类型出口的运行速度具有显著性差异。平行式的运行速度均值低于直接式,但速度标准差却更高,是因为车辆在平行式减速道上减速距离充分,导致速度波动较大。两种出口段形式及对应段速度变化如图9所示。由图9可知,理论上平行式出口更优,较于直接式出口能保障车辆有足够的减速距离减到期望速度,提高行车安全性;但实际运行情况是驾驶人认知有足够的空间减速,导致驾驶人并不急于减速,而在减速车道的后半段才开始减速,反而危险性更高。所以平行式出口应该在减速段开始点设置减速标志,指示驾驶员开始减速,确保平行式出口的优势。

图9 不同类型出口速度变化趋势Fig.9 Change trend of exit speed of different types

表5 平行式与直接式出口速度统计Table 5 Parallel and direct exit speed statistics

3.2 出口段速度变化特征点分析

提取立交主线出口减速变化特征点,包括减速起点和减速终点,如图10所示。由表6可以看出,平行式减速起点位于分流点前的占比稍大于直接式,驾驶人大都在分流点前就开始减速,原因在于出口相较于入口而言,不仅要考虑匝道行车环境,还要考虑到与主线直行车辆的相互干扰。所以驾驶人需要提前进行减速操作,以保证安全顺利驶出主线并驶入匝道。在减速终点方面,平行式出口的减速终点位于分流点后的占比远超直接式出口的20%,两者间具有一定差异性,但总体来看,出口速度变化特征点所体现的驾驶人在主线出口减速偏好性大致一致。基于表6的减速起终点位置,计算每位实验者的减速长度,以20 m为一个区间作分组统计。由表7可以看到,平行式的减速长度集中40～80 m,而直接式集中在0～80 m,不同类型出口的减速操作存在差异。整体而言,大部分车辆减速长度位于0～80 m,即大部分驾驶人偏向于在该范围内采取减速操作。

图10 减速特征点提取示意图Fig.10 Sketch map of deceleration feature point extraction

表6 平行式与直接式出口减速起终点统计Table 6 Statistics of starting and ending points of parallel and direct exit deceleration

表7 平行式与直接式出口减速长度统计Table 7 Statistics of parallel and direct exit deceleration length

3.3 出口段加速度特征分析

车辆从出口驶离主线、驶入匝道,因匝道设计速度低于主线,所以驾驶人要进行减速操作使车辆安全进入匝道。于是出口加速度主要为负值,也就是要研究减速度。计算出减速度均值以及减速度最大值,并绘出减速度累计频率分布,如图11所示。

图11 出口纵向加速度累计频率分布图Fig.11 Cumulative frequency distribution diagram of outlet longitudinal acceleration

由图11可以看出,无论是在减速度均值还是减速度最大值方面,平行式出口都比直接式出口大,当有足够减速距离时,驾驶人的减速度也会有一定升高。对两类出口加速度进行差异性分析,如表8所示。不同类型出口的减速度最大值与平均值均存在显著差异性。平行式出口提供了足够的减速距离,驾驶人有足够的时间和空间对车速进行调整,因此平行式减速度最大值与均值均大于直接式。直接式的标准差要大于平行式,结合运行车速总体分布进行分析可以看出,平行式车速基本平缓下降,而直接式速度具有一定波动,即减速度而言,直接式减速度变化更为频繁。

表8 两种类型出口加速度差异性分析Table 8 Analysis on the difference of two types of exit accelerations

4 相邻出入口连接段的车辆速度特征

本文探讨的立交连接段指立交相邻主线出口与入口之间的连接段,示意图如图12所示。入口合流鼻端到出口分流鼻端的距离可以看作其长度。在立交连接段,有从入口刚进入想要汇入主线的车流,有提前变道想要驶离主线驶入出口的车流,有保持主线行驶的车流,所以在此会有车辆的交织。此路段要求驾驶人不仅要关注本车道前后方车流运行状态,还要及时判断进入目标车道的安全时机。

图12 相邻出入口连接段示意图Fig.12 Schematic diagram of connecting section

4.1 连接段的车辆行驶速度变化

一般来说,出入口间连接段的长度越短,车辆间发生干扰冲突的概率也就越大。在较短的驾驶距离内,驾驶员需要完成多次的换道分合流操作以及与其他车辆的交织,所以导致驾驶人的操作极其紧迫,给驾驶人产生较大的驾驶负荷,严重危害行车安全。随着连接段距离增加,为驾驶人提供了充分的反应操作时间与空间,车辆进出主线对主线车流所造成的影响也会降低。提取立交连接段的运行速度数据,并绘制连接段车辆运行速度分布图(图13)。各连接段长度情况:连接段1,长360 m;连接段2,长200 m;连接段3,长350 m;连接段4,长750 m;连接段5,长700 m;连接段6,长800 m。

图13 不同长度连接段车辆运行速度分布图Fig.13 Distribution diagram of vehicle running speed at connecting sections with different lengths

从图13可以看出,不同长度的连接段速度变化情况不同。距离较短的三个连接段1、2、3,其速度变化较平缓且较为聚集,而距离较长的连接段4、5、6与短连接段相比,速度波动幅度较大且车速离散性较大。计算连接段的速度均值及标准差,得到图14。由图14分析可知,在速度均值方面,连接段长度越长,速度均值也随之增大,但在700 m后,速度均值有所下降。在速度标准差方面,连接段长度越短,其速度标准差越小,即离散性越小,速度变化越集中。立交连接段较短时,对驾驶人的约束性较大,即驾驶人需要在较短的空间里完成换道交织,车辆间干扰较大,所以车辆速度较为集中。而当连接段较长时,车辆有足够的空间采取操作,车与车之间较分散,干扰性也会降低,甚至距离很长时都会失去交织特性,此时连接段接近于普通路段的形式特征,所以速度分布较分散。

图14 不同长度连接段速度均值及标准差分布Fig.14 Distribution of mean and standard deviation of speed in connection sections with different lengths

4.2 连接段车辆加速度特征分析

根据上文分析,在速度变化方面,长距离连接段比短距离连接段更明显,速度变化幅度较大并分布分散,因此,接下来对加速度进行分析。计算连接段的加速度均值及标准差,得到图15。均值先是随连接段长度的增加在增大,当长度700 m时,加速度均值出现最大值且为正值。之后连接段长度再增加,加速度均值随之下降。

图15 不同长度连接段加速度均值及标准差分布Fig.15 Distribution of mean and standard deviation of acceleration in connection sections with different lengths

5 结论

基于实车驾驶实验收集立交主线出入口车辆运行速度、加速度,然后绘图并分析,总结出高密度立交出入口纵向运行特征。得出如下结论。

(1)入口处速度分布整体趋势有两类:一类是平行式入口呈上升—平稳趋势;另一类是直接式入口呈持续上升的趋势。在入口速度均值方面,平行式入口高于直接式入口,而在速度标准差方面,平行式小于直接式。出口处速度分布整体呈平稳下降趋势,平行式的运行速度均值低于直接式,但速度标准差却更高。

(2)不同类型入口对驾驶人的加速操作选择具有一定影响,即对加速起终点选择有影响;平行式入口在纵向加速度均值上较直接式入口低。

(3)出口速度变化特征点与出口设置类型关系不大,更受驾驶人在主线出口减速偏好性影响;平行式出口减速度最大值与均值均大于直接式。

(4)相邻立交净距较短时,连接段的速度变化较为平缓,并且不同驾驶人的速度幅值比较接近;而常规净距的相邻立交,连接段的速度波动性大且离散;在实验的几个选段中,连接段长度为700 m时,加速度均值出现最大值且为正值。