雙車道二級公路直曲銜接段車輛運行速度變化研究
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陳賢策 韓洪澤 凌建明
(1．同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室上海201814；
2．山西省公路管理局 太原030000)
摘要 在道路線形設(shè)計中，路段間運行速度差是作為評價道路線形與行車安全的重要指標(biāo)之一，準(zhǔn)確地獲取路段間運行速度變化十分重要。文中通過測取車輛在二級公路直曲銜接段上連續(xù)運行速度，研究車輛在二級公路中彎道處的駕駛行為，得出車輛在彎道處的速度變化規(guī)律，進而建立加速度與減速度預(yù)測模型；對比分析直曲銜接段單獨車輛的速度變化85%統(tǒng)計值(A8s V)與直曲兩路段間85%速度統(tǒng)計值的差值(AV。。)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)AV8s存在低估車速變化的情況，從而為線形設(shè)計評價方法的改進提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞 雙車道二級公路 直曲銜接段 行車速度變化
研究表明，如果道路線形條件不能滿足駕駛員駕駛期望，即車輛駕駛行為與實際道路交通條件所允許的運行速度存在偏差，行車安全就會存在較大的隱患。由于二級公路道路線形指標(biāo)的限制，在由直線段進入彎道路段行駛過程中，車輛運行速度變化較大，導(dǎo)致存在較大的事故風(fēng)險，而且隨著道路環(huán)境和駕駛員個體差異，這種事故風(fēng)險也是不同的。因此，有必要研究二級公路直線段與曲線段銜接路段上車輛運行速度變化規(guī)律，為行車安全分析提供理論基礎(chǔ)。
受限于早期研究手段的不足，F(xiàn)itzpatrick等的研究中，均假設(shè)車輛在曲線段的速度是恒定的，所有的加減速行為均發(fā)生在相鄰的直線段上。但由Nie等的現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)研究表明這種曲線段速度恒定的假設(shè)是不成立的。Perez等在研究直線與曲線段過渡時，利用裝載GPS設(shè)備的實驗車輛測得連續(xù)運行速度，提出45%的減速發(fā)生在進入曲線段前的直線段上，55%的加速發(fā)生在曲線段上。王強等的研究表明，車輛在平曲線上運行速度變化情況與平曲線半徑存在明顯相關(guān)性。
目前國內(nèi)外對于行車速度的研究方法主要分為3類：測速槍測速、駕駛模擬器模擬和GPS實驗車法。但考慮到實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，上述3種方法都會造成對駕駛員的影響作用，導(dǎo)致測得的數(shù)據(jù)與正常行駛狀態(tài)下的駕駛行為存在偏差。
本文通過測取雙車道二級公路上自然狀態(tài)下連續(xù)行駛車輛的運行速度，研究車輛在彎道處的速度變化規(guī)律，依靠獲取的車輛在直線段與平曲線段銜接處連續(xù)運行速度，對比分析單獨車輛的速度變化85%統(tǒng)計值(A85 V)與直曲兩路段間85%速度統(tǒng)計值的差值(AV85)間的差異，據(jù)此可為道路線形設(shè)計評價技術(shù)改進，以及道路改擴建工程中彎道處線形和斷面改善提供理論依據(jù)。
1現(xiàn)場實驗
1.1 速度數(shù)據(jù)采集方案
本次速度采集選取內(nèi)置1 Hz頻率，米級定位精度GPS的佳明行車記錄儀(GDR45)作為本次調(diào)研的主要儀器。為了降低調(diào)研工作對駕駛員的干擾，獲取最準(zhǔn)確的車速數(shù)據(jù)，本次測定車輛運行速度依據(jù)Perez提出的方法進行。
如圖1所示，事先選好調(diào)研路段，在每個調(diào)研路段的兩端分別設(shè)置測定起終點，每點設(shè)置2名隊員，當(dāng)一個方向來車時，攔下車輛，說明調(diào)研情況，在征得駕駛員同意后，1位隊員在車上安裝行車記錄儀，同時另1位隊員負(fù)責(zé)詢問一些關(guān)于駕駛員的個人信息，如駕駛員年齡、駕齡以及其對路段的熟悉程度等。為避免駕駛員受到干擾，提前告知調(diào)研終點，并讓其按照自己駕駛習(xí)慣行駛至路段終點，然后終點處2位隊員負(fù)責(zé)拆卸行車記錄儀并詢問駕駛員受干擾情況。反向來車時情況一樣。
1.2調(diào)研路段及樣本量
本次現(xiàn)場試驗選取山西省典型雙車道二級公路(S319，S3 31，S203，S313)各10 km的特征路段作為現(xiàn)場調(diào)研對象，選取出的53個道路標(biāo)線完整的直曲銜接段用于試驗分析。對象路段路面寬度變化幅度為8～11 m;設(shè)計車速為40～80 km／h;彎道半徑變化幅度為63～644 m;彎道轉(zhuǎn)角變化為15�！�1106；平曲線段長度為53～375 m;相鄰直線段長度為50～1 000 m;且各路段的縱坡坡度均不超出±3%，可視為平原路段。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要求每個路段每個方向至少測取40輛小客車的運行速度，且要求每輛車的車頭視距至少為6s，據(jù)此最終選用312輛小客車數(shù)據(jù)用于分析。
2平曲線段速度變化規(guī)律
基于GPS設(shè)備測得的車輛在進入彎道前后的連續(xù)運行速度數(shù)據(jù)，能夠?qū)囕v在直曲銜接段范圍內(nèi)的運行狀態(tài)進行研究。對于常見的相鄰路段均為直線段的曲線段而言，車輛行駛的規(guī)律多是先減速后加速的過程，接近曲線時為減速過程，離開曲線時為加速過程，中間可能存在勻速過程。因此可以在直曲銜接路段上取速度變化特征點：開始減速位置、停止減速位置，以及開始加速位置。
為明確特征點位置，根據(jù)距離將平曲線段（緩和曲線與圓曲線）由前至后等分為4部分，結(jié)合兩端直線段，將直曲銜接段分為6個部分。圖2～圖4中，列出了車輛通過不同半徑的彎道時各特征點的分布情況。
由圖2可見，車輛的減速行為并不是完全發(fā)生在直線段；其中，駕駛員在面臨小半徑曲線(R≤100 m)時，會更多地選擇在看見前方彎道后，于直線段上就開始減速，從而避免進入彎道后的急劇降速；當(dāng)彎道半徑增大后(R>100 m)，彎道對駕駛員選擇減速位置的影響降低，車輛減速位置也開始接近曲線段，具體駕駛行為更多地依賴駕駛員的駕駛經(jīng)驗。
圖3中顯示平曲線的1／4圓和2／4圓部分占據(jù)了60%以上比例，表明整體上車輛彎道結(jié)束減速位置主要分布在平曲線的前半部分（1／4圓+2/4圓）。
圖4中2/4圓和3/4圓占據(jù)了大部分的比重，即開始加速位置主要分布在平曲線的中間部分（2/4圓+3/4圓），同時結(jié)合圖3與圖4中信息可以得出結(jié)論，車輛達到最低速度的位置通常出現(xiàn)在2/4曲線處。
3 加速度與減速度模型
二級公路中事故發(fā)生較多的一個特征位置就是直曲銜接段，車輛在直線段容易達到較高的行車速度，進入小半徑曲線段時，由于地形的限制，需要短時間內(nèi)降低速度，才能順利通過。因而直曲銜接段，車輛加速度的選取就顯得尤為重要。加速度過大，車輛行駛?cè)菀壮霈F(xiàn)不穩(wěn)；加速度過小，車輛來不及降速，存在沖出車道的可能。車輛的加速度與減速度通常利用式(1)獲得：
式中：di，ai為加速度與減速度的絕對值，m/s2；V．。，為車輛開始加速或開始減速處的運行速度，m/s；V．。+，，為車輛停止加速或停止減速處的運行速度，m/s;S為車輛完成加速或減速所用路段長度，m。
由于直接利用統(tǒng)計得到的直線段與曲線段特征點處運行速度計算得到的加（減）速度存在誤差，得益于采用GPS測得的每一單獨車輛連續(xù)運行速度，每一車輛在直曲銜接段內(nèi)每一位置的速度變化都能夠準(zhǔn)確地獲得，因此利用計算得到的單獨車輛在彎道處加（減）速度統(tǒng)計得到車輛在直曲銜接處85%位的加速度與減速度。關(guān)于車輛加減速起始狀態(tài)的判定，采用d．(n：)》0.2 m/s2的原則，即車輛的減速度達到0.2 1n／S2及以上并持續(xù)減速時視為減速狀態(tài)，加速度大于等于0.2m／S2時視為加速狀態(tài)。加（減）速度相關(guān)影響因素分析中發(fā)現(xiàn)，彎道半徑與兩者都存在較強的相關(guān)性；并且車輛運行速度對加（減）速度也有一定影響，其中，車輛減速度受進入彎道前的運行速度影響較大，加速度與離開彎道后的車輛速度相關(guān)。因此根據(jù)進入車速的不同，利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析軟件SPSS回歸分析，得到直曲銜接段的加減速模型如下。
式中：V．。，Vout為車輛進入和離開彎道前后的運行速度，km／h，通常定義為直線段速度；d85為直線段進入曲線段減速度，m／s2；a85為曲線段進入直線段加速度，m／s2；R為曲線段半徑，km。
因此，對于指標(biāo)符合規(guī)范要求的雙車道二級公路上小客車的連續(xù)運行速度曲線構(gòu)建，均可依據(jù)上述車輛速度變化規(guī)律及加減速模型進行。
4直曲銜接段速度變化
直線段與曲線段相連路段上常常會發(fā)生急劇的速度變化，導(dǎo)致事故率的增大，因此兩路段間的速度差值常常被用于路段安全評估。由于前期速度模型均是依靠測定直曲銜接段上特征點的運行速度構(gòu)建的，模型精確度存在誤差的同時更不能保證特征點即為速度變化轉(zhuǎn)折點。因此，由預(yù)測得到的相應(yīng)直線段與曲線段的運行速度相減獲得的指標(biāo)AV85逐漸被研究者們所否定，多項研究表明指標(biāo)AV85會低估單獨車輛在直曲銜接段的速度變化。為避免由于統(tǒng)計方法導(dǎo)致的誤差，研究者們提出了一個新的指標(biāo)：A85V，定義為單獨車輛在直曲銜接段產(chǎn)生的速度變化值的85%位統(tǒng)計值。
依靠GPS獲取直曲銜接段連續(xù)速度變化數(shù)據(jù)，本次研究也探索了車輛在直曲銜接段的速度變化規(guī)律。通過定義AV為每輛車在直曲銜接段的最大速度差，統(tǒng)計所有樣本數(shù)據(jù)得到A85V。圖5展示了AV85與A85V之間的關(guān)系分布，可以看出，幾乎所有路段速度差結(jié)果均位于對稱線以上，說明A85V是普遍大于AV85的，驗證了AV8s會低估車速變化的結(jié)論，從而A85V更適合用于線形設(shè)計一致性評價。
依據(jù)圖中的趨勢線，利用線性回歸分析，可以得到更為準(zhǔn)確的A85V預(yù)測方法：
5結(jié)語
通過利用GPS設(shè)備測取雙車道二級公路上車輛自然行駛狀態(tài)下的運行速度，驗證了車輛在彎道處行駛速度并不恒定的結(jié)論，并且關(guān)于車速變化特征點分布的統(tǒng)計顯示：彎道半徑越小車輛開始減速位置離彎道中心越遠，同時車輛結(jié)束減速位置主要分布在平曲線前半部分，開始加速位置主要分布在平曲線的中間部分，而車輛勻速運行階段最可能出現(xiàn)在2/4曲線處。根據(jù)車輛進入彎道前速度的不同，建立了車輛在直曲銜接處的加速度與減速度預(yù)測模型。關(guān)于路段間運行速度差，對比單獨車輛的速度變化85%統(tǒng)計值(A85 V)與直曲兩路段間85%速度統(tǒng)計值的差值(AV85)，驗證了△。5V是普遍大于AV8。，AV8。會低估車速變化的結(jié)論，并建立了相應(yīng)預(yù)測模型。以上研究結(jié)果均適用于規(guī)范二級公路上小客車運行規(guī)律研究，可為道路線形設(shè)計評價技術(shù)改進及道路彎道處線形和斷面改善提供理論依據(jù)，而實驗方法可供類似研究方向借鑒。
