基于行驶轨迹的道路出入口标线精细化设计

张 敏,贾志绚

(太原科技大学 交通与物流学院,太原 030024)

道路交通标线作为道路基础设施的重要部分,在规范车辆的导向、行车路线和交通出行方面发挥着不可替代的作用。其中道路出入口标线用于引导驶入或驶出车辆的运行轨迹,提供安全交汇,减少与突出缘石碰撞的可能,一般由出入口的纵向标线和三角地带标线组成[1],其正确合理的设计不仅可提高道路使用者的通行速度和出行效率,同时可降低违章和交通事故的发生率,进而提高道路通行水平和行驶安全性,维护良好的交通秩序。

在道路出入口标线设计研究方面,MACE[2]等测试了交通标志和标线在不同速度下的可视性和驾驶人的识别能力。秦兵杰[3]从出入口道长度、出入口路缘石转弯半径、加减速车道以及交通视距、标志牌设置等多个角度,提出了主干道机动车出入口几何设计方法以提高出入口的交通安全服务水平。朱彤[4]等提出车辆提前变道和提前减速对于提高交通安全水平极为重要,基于实验结论提出快速路渠化设计和安全设施设置原则。

在车辆换道行为研究方面,HEDRICK[5]等证明了梯形加速度法在换道时间和变量控制方面比传统的正弦法、圆弧法、多项式法具有明显优势。OLSEN[6]等基于美国自然驾驶数据对驾驶人变道频率、变道时长、可接受间距及注视特征等变道行为进行了全面的研究。王雪松[7]等基于上海自然驾驶试验数据,发现驾驶人变道频率偏高且变道前极少查看盲区,在不同道路上的变道行为存在差异。徐慧智[8]等通过分析大量的观测数据,揭示了车道变换行为与运行速度的相关性,构建车道变换行为对速度的影响模型,进行量化分析。孙剑[9]等从分析拥挤状况的交织区运行行为特性出发,在传统的强制性车道变换模型中引入换道“协作”机制、换道冲突“协商”机制,建立了相应的仿真模型 TESS.

道路出入口标线设计与车辆行驶轨迹相结合的研究文献尚不多见,本文以太原市玉门河南沿岸近西中环出入口为研究对象,通过实地调查,利用Matlab建立车辆行驶轨迹模型,对该出入口标线进行精细化设计。

1 调研数据

1.1 调研地点现状

玉门河南沿岸近西中环出入口常有车辆换道碾压实线的违章现象,这与标线设计不合理有一定关系。该出入口参数见图1.构筑物之间的总长度为80 m.主路为准快速路,车道宽度为3.25 m,辅路车道宽度为3.3 m,构筑物宽度为1.82 m.图中①车道是主路入辅路的主要换道车道,②车道是辅路入主路的主要换道车道,辅路设置有机非分隔护栏,无非机动车干扰。

图1 调研地点现状

1.2 最小样本量确定

最小样本量按式(1)计算[10]:

(1)

式中:n为最小样本量;E为允许误差,取值范围≤8 km/h;σ为估计母体的标准差,建议取σ=8 km/h;t为决定于置信水平和自由度的t分布统计量;ν为常数。

取置信度水平为95%,t=1.96,σ=8 km/h,v=1.04,E=2 km/h得n=93.43.至少应观测94辆车,实际样本量取150辆。

1.3 数据采集

利用激光测距仪、秒表等仪器进行调研地点的数据采集。车辆换道运行数据调查人员布点情况见图2.其中速度调查时应用了表1中的推荐行程长度[10]。观测时段天气均为晴朗,且观测路段无施工、路面障碍物和临时停靠车辆的影响。该道路隧道较多,行驶车辆基本为中小型汽车。

表1 地点车速调查推荐行程长度

图2 车辆换道运行数据调查人员布点

2 数据处理分析

换道速度和时间均是反映车辆换道行驶轨迹的重要指标。根据所调查不同时段的换道速度和时间,绘制换道速度分布和换道时间分布箱形图,如图3、图4所示。

图3 换道速度分布箱形图

图4 换道时间分布箱形图

统计所调查不同时段的换道速度和换道时间,表中数据取众数,见表2.

表2 不同时段换道速度和时间统计结果

数据分析可得,工作日平峰时段的换道速度要高于高峰时段,这是由于高峰时段交通量较平峰时段高,车间干扰所致。周六、日换道速度无明显差别。

3 车辆换道轨迹确定

3.1 车辆换道起点确定

通过观测测量确定换道起终点区间。以车头为基准,主路入辅路的换道起点距出口起点[3,7]m,终点距出口起点[31,36]m.辅路入主路的换道起点距出口起点[47,50]m,终点距出口起点[73,78]m.

3.2 车辆换道速度和换道时间确定

因此路交通量较小,工作日平峰时段的车速基本为自由流车速,高峰时段车流介于自由流与稳定流之间,故选取工作日早高峰时段的相关数据用于车辆换道轨迹的确定。该时段的车速累计频率分布如图5所示。

图5 车速累计频率分布

根据图5的车速累计频率分布曲线,得到车辆15%位、85%位换道车速和相应换道时间,见表3.

表3 车辆换道15%位车速、85%位车速和相应换道时间

根据表3数据得,主路入辅路车辆换道速度v=[36,46]km/h,相应换道时间t=[2.28,2.77]s.辅路入主路车辆换道速度v=[36,47]km/h,相应换道时间t=[2.02,2.84]s.

3.3 车辆换道轨迹确定

车辆换道过程中行驶轨迹示意图如图6所示。

图6 车辆换道行驶轨迹示意图(单位:m)

假设车辆的速度为v,车辆换道所需的时间为t1.行驶轨迹[9]如下所示:

(2)

(3)

式中:yd为车辆换道完成后的纵坐标值,m;x0为车辆换道前的初始横坐标值,m;y0为车辆换道前的初始纵坐标值,m;v为车辆运行速度,km/h;t为仿真时间步长,s;t1为换道时间,s;θ为车辆换道角度,一般为10°.

4 标线精细化设计

4.1 现状车辆运行仿真

观测发现,车辆由主路入辅路,压线车轮多为左后轮;而由辅路入主路,压线车轮多为左前轮,因此实际计算仿真中,可将车辆的简化质点分别对应为左后轮和左前轮。仿真时应做相应换算,换算后主路入辅路的换道起点距出口为[-2,2]m,辅路入主路的换道起点坐标不变。

利用Matlab[11]进行现状仿真。取yd=车道宽度+构筑物宽度=5.1 m.主路换道至辅路的行驶轨迹,取x0=[-2,2]m,v=[36,46]km/h,t1=[2.28,2.77]s,辅路换道至主路的行驶轨迹,取x0=[47,50]m,v=[36,47]km/h,t1=[2.02,2.84]s.导出现状标线下车辆换道轨迹图,如图7所示。

图7 现状车辆换道轨迹图

由图7可得,现状标线下仿真由主路换道至辅路的车辆换道起点在距出口起点[-2,2]m,换道终点在距出口起点[25.7,31.13]m,与观测吻合,部分车辆存在碾压实线现象。

由辅路换道至主路的车辆换道起点在距出口起点[47,50]m,换道终点在距出口起点[73.37,78.4]m,绝大多数车辆均存在碾压实线现象,这是由于驾驶员的视觉错觉造成,对纵向距离的判断产生小于实际距离的判断性视觉误差,驾驶员会为避免碰撞前方构筑物,增大方向盘转角幅度而造成风险性换道,因此一般驾驶员会采取提前换道的措施来保证安全性。

4.2 标线精细化设计

考虑车辆的实际运行车速-行驶轨迹,对观测地点的标线进行精细化设计。将主路入辅路的标线设置为虚线长32 m,实线长48 m,将辅路入主路的标线设置为虚线长33 m,实线长47 m.如图8所示。

图8 精细化设计后的标线(单位:m)

标线精细化设计后利用Matlab和VISSIM[12]分别进行车辆运行仿真。

4.3 标线精细化设计后车辆运行仿真

4.3.1 Matlab仿真

利用Matlab仿真车辆运行。依旧将车辆的简化质点分别对应为左后轮和左前轮,即主路换道至辅路的行驶轨迹,取x0=[-2,2]m,v=[36,46]km/h,t1=[2.28,2.77]s;辅路换道至主路的行驶轨迹,取x0=[47,50]m,v=[36,47]km/h,t1=[2.02,2.84]s.导出标线精细化设计后车辆换道轨迹图,如图9所示。

图9 标线精细化设计后车辆换道轨迹图

由图9可看出,标线精细化设计后仿真中车辆换道并未碾压实线,车流运行稳定,该标线设计较设计前合理。

4.3.2 VISSIM仿真

VISSIM仿真路网如图10所示,车辆运行图见图11.

图10 调研地点路网图

图11 VISSIM仿真车辆运行

仿真表明,标线精细化设计后,车辆换道不会碾压实线,避免了压线违章、风险性换道所致的交通通事故的发生。

5 结论

通过对太原市玉门河南沿岸近西中环出入口的实地调查获取的基础数据和车辆行驶轨迹的运行数据进行分析,得:

(1)标线设计应在标准规范的指导下结合道路的实际物理结构、运行车速、车辆行驶轨迹等进行,具体问题具体分析。

(2)考虑运行车速-车辆行驶轨迹的标线设计更符合车辆的实际运行情况,可减少因设计不合理而造成车辆碾压实线的违章现象。

(3)为提高安全性水平,在进行道路出入口物理设计时,构筑物间出入口应保证足够距离,确保交织段(出入口间的双实线段)具有一定长度,具体的合理长度值有待后续进行深入研究。