吳 彪，宋成舉，徐慧智，王君祥

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江工程學(xué)院 數(shù)學(xué)系，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于車輛運(yùn)行特性的高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)分析

吳 彪1，宋成舉1，徐慧智2，王君祥3

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江工程學(xué)院 數(shù)學(xué)系，黑龍江 哈爾濱 150050)

施工區(qū)造成高速公路行車環(huán)境突變，嚴(yán)重影響行車安全?？紤]行車環(huán)境的復(fù)雜性和車輛運(yùn)行的特殊性，分析高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛合流、跟馳及分流行駛狀態(tài)；根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析這些過程中的強(qiáng)制變換車道風(fēng)險(xiǎn)和跟馳風(fēng)險(xiǎn)；確定高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)避免沖突風(fēng)險(xiǎn)的約束條件，為降低養(yǎng)護(hù)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

高速公路；施工區(qū)；強(qiáng)制變換車道；跟馳；行車風(fēng)險(xiǎn)

隨著我國高速公路通車?yán)锍滩粩嘣黾雍徒煌靠焖僭鲩L(zhǎng)，高速公路養(yǎng)護(hù)、升級(jí)改造和拓容擴(kuò)建工程日益繁重。在高速公路養(yǎng)護(hù)施工過程中，一般情況下，交通并未中斷，因此，養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)引起嚴(yán)重“腸梗阻”，對(duì)高速公路交通效率和行車安全產(chǎn)生影響[1-2]。高速公路養(yǎng)護(hù)施工路段因車道封閉通行車道數(shù)減少，施工區(qū)通過車輛可分為合流、跟馳、分流等行駛狀態(tài)[3]，存在強(qiáng)制性變換車道風(fēng)險(xiǎn)和跟馳風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。因此，研究高速公路施工區(qū)車輛運(yùn)行特性和行車風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文以雙向四車道高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)為例，在其交通控制區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，分析高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛合流、跟馳、分流運(yùn)行狀況及潛在的交通沖突，提出高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛避免沖突風(fēng)險(xiǎn)的約束條件，為高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)控制與管理提供依據(jù)。

1 高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)交通控制區(qū)劃分

施工區(qū)是為工程施工、施工人員安全作業(yè)、設(shè)備材料儲(chǔ)存而預(yù)留的區(qū)域，是介于第一個(gè)提前警告標(biāo)志到施工區(qū)結(jié)束處不再影響交通流最后一點(diǎn)之間的整個(gè)區(qū)域范圍[6]。典型的雙向四車道高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)交通控制區(qū)劃分為六大區(qū)域，如圖1所示。

圖1 養(yǎng)護(hù)施工區(qū)交通控制區(qū)劃分

其中，提前警告區(qū)是指養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)區(qū)第一個(gè)警告標(biāo)志到上游過渡區(qū)之間的路段，用以提前告知駕駛員前方是養(yǎng)護(hù)施工區(qū)域，提示駕駛員按交通標(biāo)志對(duì)行車狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整；上游過渡區(qū)是在施工作業(yè)區(qū)域前使交通流轉(zhuǎn)移出原來正常的行駛路徑，引導(dǎo)交通流駛?cè)肱R時(shí)通行道路上的一段漸變段區(qū)域；緩沖區(qū)介于上游過渡區(qū)和工作區(qū)之間分離交通流和施工人員的一段區(qū)域；工作區(qū)是為養(yǎng)護(hù)施工人員、養(yǎng)護(hù)施工設(shè)備、材料預(yù)留及養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)的一段區(qū)域；下游過渡區(qū)是為讓交通流恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)的一段錐形過渡區(qū)域；終止區(qū)是使駕駛員通過工作區(qū)后返回正常行駛狀態(tài)的一段過渡區(qū)域。

2 高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛運(yùn)行特性

受養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)的影響，高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)因一側(cè)車道封閉而無法行車。通過高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)路段的車輛存在合流、跟馳、分流、加減速等復(fù)雜的行駛狀態(tài)[7]，高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛運(yùn)行軌跡如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛運(yùn)行軌跡

2.1 合流行為特性

在高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合流區(qū)域(提前警告區(qū)、上游過渡區(qū))，駕駛員依據(jù)限速標(biāo)準(zhǔn)逐次減速行駛，在第2車道上行駛的車輛還需不斷調(diào)整加速度以便在養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)區(qū)第一處警告標(biāo)志與上游過渡區(qū)頂端之間的路段內(nèi)尋找可接受間隙完成車道變換，形成強(qiáng)制性合流[8-9]，與第1車道上的直行車輛在同一通行車道上行駛，直至通過養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)區(qū)；不然，車輛極有可能會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象。在強(qiáng)制性合流過程中，駕駛員感知、判斷決策、反應(yīng)操作等環(huán)節(jié)的復(fù)雜性顯著增加，增加了車輛之間的交通沖突，從而引起交通不安全行為。高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛為避免沖突風(fēng)險(xiǎn)，第1車道上的后車不得不制動(dòng)減速，跟馳行駛。

2.2 跟馳行為特性

在高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)跟馳區(qū)域(緩沖區(qū)、工作區(qū))，通行車道數(shù)減少并實(shí)行渠化交通管理，第2車道上車輛變換車道,進(jìn)入第1車道后，駕駛員通常根據(jù)前車速度、本車速度、加速度以及前后車輛間距大小，選擇相應(yīng)的駕駛行為。由于無法超車，駕駛員只好緊隨前車跟馳行駛。

2.3 分流行為特性

在高速公路施工區(qū)分流區(qū)域(下游過渡區(qū)、終止區(qū))，根據(jù)養(yǎng)護(hù)施工區(qū)實(shí)際情況，駕駛員可選擇加速行駛以提高車輛運(yùn)行速度，必然再次變換車道，由第1車道進(jìn)入第2車道(已經(jīng)恢復(fù)正常)繼續(xù)行駛。

3 高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)

3.1 車輛強(qiáng)制變換車道風(fēng)險(xiǎn)

在高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合流區(qū)域(提前警告區(qū)、上游過渡區(qū))，第2車道上的車輛為完成正常行駛目的需變換車道與強(qiáng)制合流，會(huì)誘發(fā)與第1車道上的行駛車輛產(chǎn)生交通沖突[10]；在高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)分流區(qū)域(下游過渡區(qū)、終止區(qū))，駕駛員為達(dá)到期望運(yùn)行速度，也必須變換車道加速行駛；若第1車道上的車輛變換車道進(jìn)入第2車道，也將誘發(fā)與第2車道上的通行車輛產(chǎn)生交通沖突。上述分析表明：在高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合分流過程中，車道變換行為均會(huì)導(dǎo)致交通沖突事件發(fā)生，如圖3所示。

圖3 養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合分流交通沖突

現(xiàn)以高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合流區(qū)域(提前警告區(qū)、上游過渡區(qū))為例，分析其潛在的交通沖突風(fēng)險(xiǎn)。在施工區(qū)合流區(qū)域(提前警告區(qū)、上游過渡區(qū))，駕駛員需要經(jīng)過尋找第1車道上的可接受間隙、調(diào)整車輛運(yùn)行速度和執(zhí)行車道變換等3個(gè)過程[11-12]，才能順利完成合流，如圖4所示。

圖4 養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合流區(qū)域車輛運(yùn)行狀況

通過分析養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合流區(qū)域車輛運(yùn)行狀況可知：車輛在強(qiáng)制變換車道過程中，存在3種潛在的行車風(fēng)險(xiǎn)[11-13]。由于轉(zhuǎn)向不及時(shí)或加速度過大，變換車道車輛與第2車道上的前車(2L)發(fā)生追尾沖突；由于不能準(zhǔn)確判斷第1車道上的后車(1F)車速，導(dǎo)致變換車道車輛進(jìn)入第1車道的時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)，而與第1車道上的后車(1F)發(fā)生沖突；進(jìn)入第1車道后，變換車道車輛與第1車道上的前車(1L)發(fā)生追尾沖突。

假設(shè)車輛在變換車道過程中，橫向完成一個(gè)行車道寬度的變換車道時(shí)間為Δt，且在第2車道的行駛時(shí)間與第1車道的相同；車輛的安全距離為L(zhǎng)safe。在前Δt/2時(shí)間內(nèi)，車輛所受沖突風(fēng)險(xiǎn)約束較大；在后Δt/2時(shí)間內(nèi)，車輛需要調(diào)整車速，以適應(yīng)第1車道車輛避免沖突風(fēng)險(xiǎn)的約束條件。

第2車道上變換車道的車輛(2F)與前車(2L)避免發(fā)生追尾沖突的約束條件為

(1)

第2車道上變換車道的車輛(2F)與第1車道上的后車(1F)避免發(fā)生沖突的約束條件為

(2)

第2車道上變換車道的車輛(2F)與第1車道上的前車(1L)避免發(fā)生追尾沖突的約束條件為

(3)

(4)

再者，高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)合分流行為也增加了車輛與交通控制和安全保障設(shè)施發(fā)生正面碰撞的概率，如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛與養(yǎng)護(hù)安全設(shè)施發(fā)生碰撞

3.2 車輛跟馳風(fēng)險(xiǎn)

在高速公路養(yǎng)護(hù)施工區(qū)跟馳區(qū)域(緩沖區(qū)、工作區(qū))，第1車道上的后車(1F)跟隨前車(1L)行駛，當(dāng)前車(1L)遇到緊急狀況制動(dòng)減速甚至需要停車時(shí)，由于缺少避險(xiǎn)空間，后車(1F)不能及時(shí)制動(dòng)減速停車而產(chǎn)生追尾沖突，如圖6所示；緊急制動(dòng)下后車(1F)的行駛狀態(tài)變化情況如圖7所示。

圖6 養(yǎng)護(hù)施工區(qū)車輛跟馳行駛的交通沖突

圖7 養(yǎng)護(hù)施工區(qū)第1車道車輛跟馳行駛狀況

假設(shè)第1車道上的前車(1L)在t時(shí)刻緊急制動(dòng)，在X1L(t+Δt)處停車，其計(jì)算式為

(5)

第1車道上的后車(1F)駕駛員直至t+τ時(shí)刻才發(fā)生反應(yīng)，在X1F(t+T)處停車，其計(jì)算式為

(6)

考慮到車輛安全運(yùn)行，第1車道上的后車(1F)需滿足式

X1F(t+T)≤X1L(t+Δt)-Lsafe.

(7)

駕駛員在對(duì)第1車道上前車(1L)的行駛狀態(tài)變化做出反應(yīng)之前，應(yīng)考慮富余延誤時(shí)間θ；且此期間，為使第1車道上后車(1F)駕駛員有充足的緩沖空間，后車(1F)的運(yùn)行速度保持不變。則避免跟馳沖突風(fēng)險(xiǎn)的約束條件應(yīng)滿足

(8)

式中:θ表示駕駛員富余延誤時(shí)間；τ+θ表示駕駛員安全反應(yīng)時(shí)間。

4 結(jié)束語

施工區(qū)造成高速公路行車環(huán)境突變，復(fù)雜的行車環(huán)境加重了駕駛員工作負(fù)荷，嚴(yán)重影響行車安全。因車道封閉通行車道數(shù)減少，高速公路施工區(qū)路段車輛合流、車輛跟馳、車輛分流行為復(fù)雜，存在強(qiáng)制變換車道風(fēng)險(xiǎn)和跟馳風(fēng)險(xiǎn)。通過分析車輛強(qiáng)制變換車道和跟馳行駛過程中潛在的交通沖突，提出高速公路施工區(qū)車輛安全運(yùn)行的約束條件。分析高速公路施工區(qū)車輛強(qiáng)制變換車道和跟馳微觀動(dòng)態(tài)安全，有助于高速公路交通管理部門根據(jù)施工區(qū)路段車輛運(yùn)行特征，合理設(shè)置交通控制和安全保障設(shè)施進(jìn)行施工區(qū)安全管理，改善施工區(qū)行車環(huán)境，提高施工區(qū)行車安全水平。

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《黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)》自2014年起變更為雙月刊

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本刊編輯部

Analysis of freeway work zone driving risk based on vehicle operating characteristics

WU Biao1, SONG Cheng-ju1, XU Hui-zhi2, WANG Jun-xiang3

(1.College of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China;2.College of Traffic, North East Forestry University, Harbin 150040, China;3. Dept. of Mathematics, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

The road traffic environment mutation caused by work zone affects seriously the traffic efficiency and driving safety. Taking into the consideration of traffic environment complexity and vehicle driving characteristics, the vehicle travel behaviors including merging operation, car-following operation and diverging operation are analyzed at freeway work zone. According to the theory of vehicle dynamics, the risk of mandatory lane-changing and car-following are analyzed, and the restrictions by which vehicle could run safely are put forward during the course of merging, car-following and diverging at freeway work zone. A theoretic base is provided for the improvement of traffic safety of freeway work zone.

freeway；work zone；mandatory lane-changing；car-following；driving risk

2013-11-29

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511451)

吳 彪(1978-)，男，副教授，工學(xué)博士，研究方向:交通安全.

U491

A

1671-4679(2014)01-0010-05

郝麗英]