李松齡向濤濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 150090)

冰雪條件下城市快速路限速研究

李松齡▲向濤濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 150090)

為了提高冰雪條件下城市快速路車輛行駛的安全性,通過視頻錄像和人工調(diào)查等方式獲得哈爾濱市部分快速路在不同冰雪條件下的交通流基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分析車流量、大小車型、車道位置等因素對運行速度的影響,并基于車輛追尾時的臨界條件以及車輛的跟馳特性,建立與道路附著系數(shù)、交通量等參數(shù)相關(guān)的安全限速模型,并利用不同冰雪路面附著系數(shù)對模型中的路面參數(shù)進行標定,重點研究了冰雪環(huán)境對城市快速路車輛限速的影響,提出按交通量分級限速管理的方法。研究表明:冰雪條件下模型確定的限速值可以滿足快速路上車輛的行駛安全;車輛在松雪、冰雪、冰膜路面上的限速值依次降低,在除雪作業(yè)后,限速值可以提高10～20 km/h;城市快速路在冰雪條件下的限速值需分車道分車型進行設(shè)置,相鄰車道大、小型車限速值相差5～10 km/h;冰雪條件下的限速應(yīng)根據(jù)交通量小于800 pcu/h、800～1 500 pcu/h、大于1 500 pcu/h采用分級限速管理措施,以提高快速路的運輸效率。

交通安全;限速模型;跟馳特性;城市快速路;冰雪條件

0 引 言

城市快速路是指設(shè)有中央分隔帶,采用立體交叉與控制出入方式,供車輛以較高速度行駛的道路。根據(jù)我國城市快速路的設(shè)計規(guī)范,快速路限速值在60～100 km/h之間,通常是在天氣良好時,綜合考慮設(shè)計車速、車流特性、線形變化、交通設(shè)施等因素對車輛運行速度的影響,取路段特征點上測定的第85%位車速作為最高限速值[1-4],并沒有考慮冰雪條件對快速路限速值的影響,所以按照傳統(tǒng)方法和交通管理經(jīng)驗確定的車輛限速值很難適應(yīng)復(fù)雜多變的冰雪環(huán)境[5]。

在冰雪天氣條件下,各等級道路的運行環(huán)境極度惡化,給行車安全帶來顯著的影響。研究表明,天氣條件和道路事故風(fēng)險在總體水平和季節(jié)性上存在顯著關(guān)聯(lián)性[6],冰雪條件下的交通事故率大約是正常條件下的5倍,且事故形態(tài)多為追尾和刮擦事故[7],其主要原因是道路附著系數(shù)不同程度降低,駕駛員普遍心理緊張,導(dǎo)致制動距離延長。國內(nèi)外針對冰雪天氣下車輛行駛安全的研究主要集中于交通流特性、車輛特性、駕駛員特性、交通管理系統(tǒng)等方面,并取得了許多研究成果。Perrin[8],Knapp[9],Veneziano[10]等通過實地調(diào)查和視頻錄像等方法,研究了冰雪條件下的車輛速度、飽和流率、啟動損失時間等參數(shù)特性,發(fā)現(xiàn)冰雪條件下的車流行駛速度、平均車速、飽和流率將會顯著降低。在駕駛員特性方面,國內(nèi)學(xué)者從駕駛員動態(tài)視野可靠度、對速度和距離的感知能力[11]等方面進行了研究。

另外,部分學(xué)者從降雨量、能見度、風(fēng)速等方面對車輛限速進行了相關(guān)研究[12],或者是通過實時交通數(shù)據(jù)對車輛進行動態(tài)限速研究[13],等等。這些研究方法和成果均有借鑒意義,筆者在以上研究基礎(chǔ)上,針對冰雪條件下城市快速路限速展開研究,對冰雪環(huán)境中的快速路車輛行駛安全具有重要意義。

1 冰雪條件下快速路行車特性分析

1.1 冰雪條件下快速路車流量和行車速度分析

冰雪狀態(tài)下路面環(huán)境極度惡化,導(dǎo)致道路上交通流特性發(fā)生明顯變化。筆者調(diào)查了哈爾濱市部分快速路在冰雪和正常天氣情況下的交通調(diào)查數(shù)據(jù),對比分析快速路車流量和速度變化,見表1。

表1中快速路流量,以及平均速度的正常值是在干燥瀝青路面且沒有降雪的情況下測得,大雪和中雪天氣下的路面主要是松雪路面,小雪天氣下主要選擇除雪路面和冰雪路面,并在非高峰出行時期進行交通調(diào)查。由表可知降雪干擾是影響雪天快速路平均速度的主要因素,在小雪、中雪、大雪中,快速路通行能力分別下降了5%, 10%,20%,平均車速下降了15%,22%,38%。在不同的環(huán)境下,車速差別較大,在不同的環(huán)境下,車速差別較大,在冰雪路面上條件下,當快速路上車流量和車速都較高時,由于不同駕駛員對道路環(huán)境的適應(yīng)能力差別很大,且這種復(fù)雜的交通環(huán)境下,謹慎類型駕駛員更容易感到緊張,這種緊張會在駕駛員對車間距離、相對車速、反應(yīng)時間的判斷和采取的措施上表現(xiàn)出來。

表1 雪天和正常天氣通行能力及平均車速Tab.1 Snow and normal weather capacity and average speed

1.2 冰雪條件對路面影響

冰雪條件對路面的影響主要體現(xiàn)在道路附著系數(shù)上。降雪之后,受溫度和車輛碾壓的作用,路面上形成松雪路面、冰雪路面、冰板路面等多種不同的形態(tài),即使在除雪作業(yè)之后,道路附著系數(shù)依然較低。路面類型不同,路面附著系數(shù)也不同,對于不同車型而言,即使是同一類型的冰雪路面,由于輪胎的材料和結(jié)構(gòu)不同,輪胎與地面之間的附著系數(shù)也存在著明顯差異,見表2[14]。

表2 冰雪條件下不同路面附著系數(shù)Tab.2 The different road adhesion coefficient under the condition of ice and snow

由表2可見,與除雪路面相比,冰雪路面的附著系數(shù)降低30%～70%,而車輛的制動距離將會是正常路面上的3～4倍。受冰雪路面影響,車輛在制動時會出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象,使制動不穩(wěn)定,此時駕駛員必須通過制動器和方向盤調(diào)節(jié)汽車行駛方向,這將會加重駕駛員的疲勞,不利行車安全。

1.3 車道位置、大型車比例對車速分布影響

選取哈爾濱市大慶路在松雪路面下的交通調(diào)查資料對快速路速度分布特性進行分析。該快速路設(shè)計速度為80 km/h,但在實際道路中,各車道的車速分布不一樣,根據(jù)Video Trace視頻檢測系統(tǒng)處理的交通流信息,參考《公路工程技術(shù)標準》(JTGB01－2003)中的車輛外廓設(shè)計尺寸,將車長小于6 m的車輛劃分為小型車,長度大于6 m的車輛劃分為大型車。并將道路中線向路側(cè)的車道分別為編號為1,2,3。對大慶路06:00～12:00時的車速數(shù)據(jù)進行分析,得到該快速路85%位車速的統(tǒng)計結(jié)果,見表3。

表3 快速路85%位車速及大型車比例Tab.3 The expressway 85%speed and the proportion of large vehicles

由表1可見,不同車道位置上的85%位車速有明顯影響,車道1位于車道內(nèi)側(cè),受到的干擾小,且大型車比例較低,其85%位車速最高,車道2中大型車比例偏高,85%位車速均值為53.5 km/h,雖然車道3中大型車比例比車道2低,但是85%位車速卻僅為46 km/h,與2車道相差9 km/h,與設(shè)計車速的差值大于20 km/h,不符合安全性要求。分析認為主要是由于匝道進出口車流等因素對外側(cè)車道的通行能力和車流速度造成了極大干擾,尤其是在冰雪條件下,車流中速度的離散程度加劇,造成交通安全隱患。

該快速路上大型車比例在0.58～0.87之間,屬于以大型車為主的城市快速路。該快速路上車輛運行速度隨大型車比例增大而減少,但是大型車比例對車速影響程度并不高,這與以小汽車為主的城市道路在大型車對交通運行的影響方面存在差異。在實際限速管理中,在對大型車為主的道路,大型車相當于“標準車型”,對運行速度影響較小,但是對于以小型車為主的道路限速時,則需要對限速指標進行相應(yīng)折減,折減系數(shù)可由大型車比例對應(yīng)的運行速度與設(shè)計車速的比值確定。

2 冰雪條件下車輛限速模型

冰雪路面上,交通事故以車輛追尾居多。通過車輛追尾分析,得到保證車輛安全的車間距條件,并根據(jù)車輛在車流中行駛時的跟馳特性,分析快速路車流量與安全車間距的關(guān)系,最終得到車流量影響下的車輛限速模型。

2.1 追尾臨界條件

快速路上交通量較大,車流呈車隊形式前進,駕駛員根據(jù)與前車的相對速度和車間距離來判斷是否采取制動措施。由于冰雪路面的道路附著系數(shù)很低,習(xí)慣在好路面上行駛的駕駛員,往往低估車輛之間的安全距離,當前車緊急停車時,如果后車避讓不及,就會發(fā)生追尾事故,見圖1。

圖1 車輛追尾示意圖Fig.1 Schematic diagram of vehicle rear-end

考慮到安全停車間距(一般取3～10 m),保證后車有足夠的制動距離,不與前車發(fā)生追尾事故時應(yīng)滿足如下關(guān)系式。

式中:l1為安全停車距離,m;L1為駕駛員制動反應(yīng)時間內(nèi)后車駛過的距離,m;L為后車制動距離,m;L2為制動過程中前車駛過的距離,m;S為車輛間距,m。

對于跟隨車輛,在冰雪路面上行駛時,最危險的情況是前車突然制動或是后車遇到障礙物,此時L2＝0,后車制動過程大致可以簡化為4個階段:駕駛員反應(yīng)階段、制動力增長階段、制動力持續(xù)階段和制動力解除階段。假設(shè)駕駛員在反應(yīng)時間內(nèi)做勻速運動,而在汽車制動過程中的減速度是都是線性變化的,則:

式中:v0為汽車初速度;S1為汽車制動力增長階段行駛的距離,m;S2為汽車制動力持續(xù)階段行駛的距離,m;S3為汽車制動力解除階段內(nèi)行駛的距離,m;amax為汽車達到的最大減速度,m/s2;T為反應(yīng)時間,取2.5 s;t01為制動力增長時間,取值0.26 s;t23為制動力解除時間,取值0.6 s。

2.2 車輛間距

受冰雪路面影響,駕駛員會在車隊中小心行駛,并按照前車提供的信息控制速度,在這種跟馳狀態(tài)下,車輛不能超車,后車以安全車間距跟隨前車行駛,根據(jù)車輛跟馳模型[15]:

在冰雪環(huán)境中駕駛?cè)艘曈X感知車速下降4%～15%[11],這將引起車速被低估,導(dǎo)致實際車速大于感知車速,使駕駛員對安全跟車間距判斷失誤。通過車輛追尾時的車輛運動特性可以推導(dǎo)出上述跟馳模型,這種狀態(tài)下車流處于線性跟馳狀態(tài),即m＝0、l＝0,求解得到車輛間距為

根據(jù)Greenshields模型可得交通流車速-流量關(guān)系如下。

車流中交通量、車頭時距和車輛間距的關(guān)系:

整理式(5)～式(7)可得

在平直線路段中最大減速度amax＝－gμ,代入式(9),換算單位并化簡,可以推出基于附著系數(shù)和交通量的限速模型。

式(6)～(8)中:l0為車身長度,m;v為車速,m/s; Q為交通量,pcu/h;ht為車頭時距,s;Kj為道路的阻塞密度,輛/km;vf為道路暢行車速,km/h; Qm為道路最大通行能力,pcu/h,其他符號意義同前。

2.3 冰雪條件下限速模型

將式(2)、(3)、(8)帶入到制動約束條件式(1)中,整理:

3 模型參數(shù)確定及仿真

3.1 模型參數(shù)確定

根據(jù)冰雪條件下的快速路限速模型,需確定最大流量、車流密度、跟隨車速、道路附著系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)我國《城市道路設(shè)計規(guī)范》中快速路基本路段服務(wù)水平分級依據(jù),不同設(shè)計車速的對應(yīng)的道路最大服務(wù)交通量見表4。

表4 快速路基本路段服務(wù)水平分級表Tab.4 Basic expressway segment service level

1)由于哈爾濱市大慶路的設(shè)計車速為80 km/h,根據(jù)該快速路車流量和速度分布,模型中最大交通量和車流密度參照表4中一級服務(wù)水平進行取值。根據(jù)上文研究,在小雪、中雪、大雪中,快速路的車流量分別下降了5%,10%,20%,冰雪條件下進行限速研究時,根據(jù)不同冰雪條件下的流量下降比例,對表4中的最大交通量進行折減,將折減后的數(shù)值當作冰雪條件下的道路交通量。

2)限速模型中跟隨車輛的速度值則根據(jù)表2中85%位速度均值分車道取值,考慮到冰雪環(huán)境中駕駛員視覺感知速度能力下降,按10%對表中速度值進行修正。

3)道路附著系數(shù)參照表3在不同路面類型下分車型取值,以研究不同車型在快速路上的限速特征。

4)小型車安全停車距離取l1＝3 m,大型車則取l1＝10 m。

3.2 限速模型仿真

由于車道1和2中的車流速度無顯著差別,因此將其放在一起進行研究,利用Matlab仿真軟件得到不同類型冰雪路面的仿真結(jié)果見圖2。

圖2 不同冰雪條件下車輛限速曲線圖Fig.2 Vehicle speed curve in different ice and snow conditions

冰雪條件下車輛的限速值與道路的附著系數(shù)、交通量以及車流速度密切相關(guān)。根據(jù)圖2,從交通量的角度進行分析可知:①當?shù)缆方煌枯^低,小于800 pcu/h時,限速曲線較陡,此時流量對限速模型的影響最為嚴重,且不同路面類型中的限速值差異很大,這表明駕駛員對車速的選擇更加自由,而在實際冰雪天氣中,路面情況將會更加復(fù)雜,當駕駛員行駛在不同類型的路面上時更加危險,而且3車道與相鄰車道限速值相差較大,容易造成車流的不穩(wěn)定;②當交通量處于800～1 500 pcu/h時,可以看出不同道路附著系數(shù)下的限速曲線變化趨勢漸緩,車輛行駛自由度降低,處于跟馳狀態(tài),超車的機會越來越少,3車道與1,2車道限速值之差在5～10 km/h之間,并隨交通量增大而減小,車流較為穩(wěn)定,但是當受到外界因素干擾,很容易造成交通擁堵;③當車流量大于1 500 pcu/h時,道路接近阻塞狀態(tài),車流速度迅速下降,且車輛間距較小,道路的限速值較低,由于冰雪條件下汽車的制動性能和操作穩(wěn)定性下降,車輛極容易發(fā)生碰撞和摩擦。此時除了進行道路限速管理外,還要加強道路交通量的控制,利用匝道出入口控制,平衡路網(wǎng)車流,緩解道路交通壓力。從道路附著系數(shù)分析,不同冰雪路面類型的附著系數(shù)不同,冰雪路面類型對車輛安全限速值影響較大,冰雪路面的附著系數(shù)越低,其對限速安全性的要求越高,因此除雪路面的限速值最高,冰板路面的限速值最低,所以除了對道路進行限速管理外,還應(yīng)及時清除路面積雪,提高行車安全。

傳統(tǒng)方法一般根據(jù)速度累積曲線上第85%位速度作為限速最大值,見表3。當冰雪條件下快速路的交通量為881 pcu/h時,小型車限速為60 km/h,大型車限速為64 km/h,兩者差值為4 km/h;交通量為1 602 pcu/h時,小型車限速為54 km/h,大型車限速為45 km/h,兩者差值為9 km/h。可見大、小型車的限速值隨交通量的增加而減小,并且兩者限速差值不斷增加,易造成車流的不穩(wěn)定,當交通量較大時,不同車型混行會對行車安全造成嚴重影響,所以有必要進行分車道、分車型的限速管理。根據(jù)圖2中限速曲線確定安全限速值,交通量為900 pcu/h時,1、2車道上小型車限速為54 km/h,大型車限速為46 km/h;交通量為1 600 pcu/h時,1,2車道上小型車限速為34 km/h,大型車限速為32 km/h。比較2種方法可知,冰雪條件下車輛安全限速模型確定的限速值比傳統(tǒng)方法確定的限速值要小,取值相對保守,也更有利于行車安全。并且從限速曲線圖中可以看出,大、小型車的限速差值隨著交通量的增大而減小,所以根據(jù)冰雪條件下安全限速模型進行限速取值,更有利于車流的穩(wěn)定性。

另外從圖2中車流速度曲線,可以看出當交通量較低時,在冰板、雪板路面的小型車限速模型中,預(yù)測的限速值要高于相應(yīng)狀態(tài)的車流速度。雖然從限速模型的角度可以判斷該值是安全的,但是與車流速度差異性較大,容易誘導(dǎo)駕駛員的超車行為,破壞跟馳車流的穩(wěn)定性,導(dǎo)致追尾事故的概率增大,不利于道路安全,所以在實際中要考慮道路交通流速度特性進行合理的限速管理。

4 限速建議值及管理措施

根據(jù)仿真結(jié)果,得出設(shè)計車速為80 km/h的城市快速路在不同冰雪路面的限速建議值,見表5,在除雪作業(yè)后,大、小型車的限速值提高了10～20 km/h。在實際限速管理時,建議在交通擁堵時段,內(nèi)側(cè)車道大型車限行,其他車道在限速管理時,大、小車限速差值為5 km/h[16]。

表5 冰雪條件下快速路限速建議值(設(shè)計車速80km/h)Tab.5 The expressway speed limit recommended value in the ice and snow conditions(design speed 80km/h)

冰雪條件中,快速路車輛限速值除了考慮路面情況,還應(yīng)綜合考慮設(shè)計速度、運行速度、交通量、車流構(gòu)成特征等因素的影響,基于本文對各個限速因素的研究,認為:①寒冷地區(qū)的城市,應(yīng)建立冰雪天氣下的道路應(yīng)急系統(tǒng),加強路面信息監(jiān)測,及時清除道路上的積雪浮冰;②根據(jù)冰雪路面類型,以電子顯示牌的形式,提醒駕駛員最高行駛車速;③在冰雪環(huán)境下,車流量大的城市快速路容易在匝道口處形成交通阻塞,在滿足交通安全暢行的前提下,可以通過控制車流量,降低道路擁擠程度,以提高車輛運行速度和快速路的運輸效率。

5 結(jié) 論

1)受冰雪條件影響,快速路車流量降低5%～20%,平均車速降低15%～40%,道路附著系數(shù)降低30%～70%,因此冰雪條件下快速路限速研究需要充分考慮行車環(huán)境變化對限速模型的影響。

2)冰雪條件下快速路限速值隨流量的增加而降低,在松雪、冰雪、冰板路面上的限速值也是逐漸降低,在進行路面除雪作業(yè)后,車輛的制動性能隨道路附著系數(shù)增加而提高,車輛限速值提高10～20 km/h。

3)冰雪條件下,不同交通量水平對限速的影響程度不同,應(yīng)對交通量進行分級限速;在相同的交通量水平下,大型車限速值比小型車低5～10 km/h,由于冰雪條件下大小車型的制動性能和限速特征不同,因此可以通到對不同車型分車道限速,提高快速路的運輸效率。

根據(jù)研究結(jié)果,提出了不同交通量等級的限速值以及限速管理建議,以提高道路交通的安全和運行效率。限速模型中主要考慮道路交通量、運行速度、設(shè)計速度對車輛限速的影響,沒有考慮道路線形等因素對限速的影響,適用于平直線路段。由于筆者只研究了設(shè)計速度為80 km/h的快速路限速取值,在確定其他等級的快速路限速值時,需要根據(jù)實際冰雪條件下的車流量及速度對模型中的參數(shù)進行標定。

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A study of the Speed Limits under the Ice and Snow Conditions for Urban Expressways

LI Songling▲XIANG Taotao
(School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin,China)

In order to improve traffic safety on urban expressways under the ice and snow,the effects of traffic volumes,vehicle types and lane positions on vehicle speed are investigated,where traffic flow data is collected from video recording and manual investigation in expressways in Harbin.Based on the characteristics of the critical condition of vehicle rear-end collision and vehicle-following,a speed limit model is developed,including variables of the road friction coefficients and traffic volume,etc.The parameters of this model are calibrated using the surface friction coefficients under different conditions of ice and snow,and the focus is to study the effects of ice and snow on the speed limit of urban expressways.Finally,a method for optimizing speed limits by traffic volume levels is proposed.The study results showed that the speed limits determined by the proposed model could meet the requirements of vehicle safety on urban expressways under the condition of ice and snow.The speed limit is getting lower in a descending order of snow,ice,and ice film,but it can be increased by 10～20 km/h after the snow is cleaned.The speed limits for individual lanes and different types of vehicles should be set up differently on urban expressways under the ice and snow conditions,and the differences of speed limits between adjacent lanes should be within 5～10 km/h as well as between small and large vehicles.The speed limits should be set up according to different levels of traffic volumes under ice and snow conditions,including less than 800 pcu/h,800～1 500 pcu/h,and more than 1 500 pcu/h,which will increase the efficiency of transportation systems.

traffic safety;speed limit model;vehicle-following characteristics;urban expressways;ice and snow conditions

U491.4

A

10.3963/j.issn 1674-4861.2015.05.009

2015-06-04

2015-09-15

▲第一作者(通信作者)簡介:李松齡(1963－),博士,副教授.研究方向:交通安全.E-mail:lisongling＠hit.edu.cn