呂能超，杜子君，吳超仲，王玉剛

(武漢理工大學(xué)，智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢430063)

0 引言

高速公路出口區(qū)域作為連接匝道和高速公路主線的路段，是高速公路產(chǎn)生換道行為最為頻繁的區(qū)域之一，尤其是車道數(shù)較多的高速公路，內(nèi)側(cè)車道需要經(jīng)歷更多次換道才能駛出高速公路，進(jìn)一步增加車輛在出口影響區(qū)橫向操作的需求。在車輛換道的過程中，內(nèi)側(cè)車道車輛會與外側(cè)車道車輛產(chǎn)生行駛空間的重疊，容易形成行駛軌跡重合沖突。行駛軌跡重合，一方面會導(dǎo)致車輛發(fā)生碰撞事故；另一方面會影響直行車輛的通行效率。因此，頻繁的發(fā)生換道行為既可能產(chǎn)生交通沖突，增加事故發(fā)生的可能性，也會在一定程度上降低主線的通行效率[1-2]。

近年，國內(nèi)外眾多學(xué)者對影響合流區(qū)行車安全性的影響因素進(jìn)行相關(guān)分析。一些學(xué)者分析車輛換道的匯入概率，基于可接受間隙理論建模，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相鄰車道流量以及車輛行駛距離的長度對于車輛換道匯入相鄰車道的概率有顯著影響[3-5]。此外，大量學(xué)者通過實(shí)車實(shí)驗(yàn)、駕駛模擬試驗(yàn)或者事故資料統(tǒng)計(jì)對高速公路出口影響區(qū)事故風(fēng)險進(jìn)行研究，結(jié)果表明，換道空間、主線車道數(shù)量、主線限速值、主線交通量、車型比例、天氣環(huán)境、駕駛?cè)诵詣e等因素對車輛駛出高速公路過程中的行車安全產(chǎn)生影響[6-10]。比較分析研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車輛換道空間[11]以及減速車道設(shè)置是造成出口路段發(fā)生交通事故的重要因素。

目前，8 車道高速公路在一定程度上已經(jīng)不能滿足通行需求，為增加道路通行能力，除新建高速公路之外，最常用的手段就是增加高速公路的車道數(shù)。國內(nèi)對于車道數(shù)超過8 車道的高速公路沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，本文主要研究多車道高速公路(雙向10 車道及以上高速公路)。傳統(tǒng)的客貨混行式高速公路由于車輛行駛的車道不受限制，車輛可以隨意換道，導(dǎo)致高速公路整體行駛速度降低，在一定程度上影響道路通行效率[12-13]。而多車道高速公路由于車道數(shù)更多，出口位置的車輛行駛更加復(fù)雜，因此，傳統(tǒng)客貨混行式布設(shè)方式不再適用于多車道高速公路。為增加車輛換道空間，減少換道時與相鄰車道之間的車速差過大，同時增加高速公路通行效率，國內(nèi)多車道高速公路均使用標(biāo)線對車道進(jìn)行隔離或采用分離式斷面設(shè)計(jì)，降低行車風(fēng)險、增加通行效率。無論哪種設(shè)計(jì)方式，對出口區(qū)域都需要設(shè)置相應(yīng)的開口段供內(nèi)側(cè)車輛駛?cè)胪鈧?cè)車道，而對于開口長度的設(shè)置國內(nèi)沒有相關(guān)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

部分學(xué)者對開口長度的設(shè)置進(jìn)行相關(guān)研究。楊少偉等[14]研究高速公路最小公用段，運(yùn)用交通流理論分析交織區(qū)長度和安全換道距離，建立計(jì)算高速公路最小公用段的長度模型。張可等[15]依托京港澳高速公路信陽段改擴(kuò)建工程單側(cè)整體式加寬施工項(xiàng)目，計(jì)算高速公路同分帶的轉(zhuǎn)換長度值，建議同分帶轉(zhuǎn)換長度設(shè)置為1700 m。潘兵宏等[16]基于圓曲線換道模型對同向分隔帶轉(zhuǎn)換長度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為120 km·h-1時，同向分隔帶供車輛轉(zhuǎn)換的總長度建議值為620 m。WANG 等[17]、LU 等[18]通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)分別分析800，1200，1700 m這3種不同分離式斷面開口長度對行車安全性的影響，結(jié)果表明，較短的開口長度會產(chǎn)生較大的行車風(fēng)險，不利于行車安全性。此外，對于安全性分析，除了采用駕駛模擬實(shí)驗(yàn)評價行車安全性之外，還采用微觀沖突評價風(fēng)險水平，杜子君等[19]通過VISSIM結(jié)合微觀仿真沖突技術(shù)分析同分帶轉(zhuǎn)換段的行車風(fēng)險，得出同分帶路段中不同開口段長度及流量下的交通沖突次數(shù)及沖突位置，為改善措施提供一定的幫助。ZHOU等[20]研究高速公路出入路段虛線和實(shí)線的應(yīng)用，通過將部分位置車道之間的虛線進(jìn)行實(shí)線化來改變地面標(biāo)線，限制車輛的換道行為，改變車輛換道位置，結(jié)果表明，通過改變地面標(biāo)線的方式能夠在一定程度上降低出口路段的碰撞風(fēng)險?？傊?，目前針對高速公路出口開口段的研究很少采用駕駛行為量化方法，也鮮有對高速公路出口影響區(qū)卡口相關(guān)的規(guī)范。

采用標(biāo)線對車道進(jìn)行隔離或采用分離式斷面設(shè)計(jì)是降低高速公路出口影響區(qū)行車風(fēng)險和提升通行效率的方式之一，但是目前對開口長度設(shè)計(jì)的研究較少，僅有研究大多是針對入口路段中開口長度的設(shè)計(jì)；同時，實(shí)際工程案例不多，缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。因此，本文的目的是通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)研究不同開口長度以及不同設(shè)計(jì)方案對駕駛?cè)笋{駛行為以及行車風(fēng)險的影響，對安全性進(jìn)行評價，為整體式斷面的標(biāo)線設(shè)置長度以及分離式斷面中開口長度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 多車道高速公路出口影響區(qū)斷面設(shè)計(jì)方案

多車道高速公路斷面布置形式主要分為整體式和分離式，中國采用的基本為整體式斷面形式，美國等國家除整體式斷面形式之外，部分高速公路采用分離式斷面形式。其中，整體式斷面形式一般依靠標(biāo)志進(jìn)行車道功能劃分和分車道限速，這種方式不能強(qiáng)制車輛按照規(guī)定車道行駛，車輛在不同車道之間可以隨意換道；分離式斷面則是依靠護(hù)欄對內(nèi)外車道進(jìn)行強(qiáng)制分隔，保證不同類型車輛分開行駛，內(nèi)、外側(cè)車道之間的車輛不能進(jìn)行換道。兩種斷面布置形式如圖1所示。

圖1 整體式和分離式斷面實(shí)例Fig.1 Examples of integral and separated sections

對于整體式斷面形式，除了標(biāo)志之外很難區(qū)分車道功能，因此，考慮使用雙黃線進(jìn)行車道功能的嚴(yán)格劃分。結(jié)合中國已有的多車道高速公路實(shí)際工程，大部分車道數(shù)大于10的高速公路均采用雙黃線劃分車道功能，一般設(shè)置在第2和第3 車道之間，結(jié)合中國實(shí)際狀況，采用雙黃線對整體式高速公路劃分車道功能。針對出口區(qū)域部分設(shè)置虛實(shí)線，僅供內(nèi)側(cè)車道換道至外側(cè)車道，而限制外側(cè)車道的車輛進(jìn)入內(nèi)側(cè)車道，具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 整體式布設(shè)示意Fig.2 Schematic diagram of overall layout

對于分離式斷面形式，由護(hù)欄對車道進(jìn)行嚴(yán)格劃分，將車道分為內(nèi)、外兩部分，一般內(nèi)側(cè)車道供小車通行，外側(cè)車道供大車及短途車輛通行。本文對于分離式車道的研究采用內(nèi)側(cè)3 車道、外側(cè)2 車道的車道劃分方式。針對出口區(qū)域提前設(shè)置開口，僅供內(nèi)側(cè)車道換道至外側(cè)車道，此外，開口段限制外側(cè)車道車輛進(jìn)入內(nèi)側(cè)車道，具體設(shè)置如圖3所示。

圖3 分離式斷面布設(shè)示意Fig.3 Schematic diagram of separated section layout

2 模擬駕駛實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

高速公路出口是交通事故頻發(fā)路段，為提升高速公路出口行車安全性和通行效率，通過設(shè)置相應(yīng)的隔離設(shè)施保證通行安全。但是，隔離設(shè)施設(shè)計(jì)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，尤其是針對開口長度的設(shè)計(jì)。因此，為探究道路交通流量和開口段長度對駕駛行為特性的影響，本文通過設(shè)置不同的開口長度以及流量開展模擬駕駛實(shí)驗(yàn)，以研究不同斷面中不同交通量環(huán)境下不同開口長度對駕駛行為的影響效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案及場景設(shè)計(jì)

由于本實(shí)驗(yàn)基于兩種不同道路斷面進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中為減少道路環(huán)境對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，參考國內(nèi)多車道高速公路推薦參數(shù)，設(shè)計(jì)不同斷面形式下多車道出口影響區(qū)模擬道路場景，其平縱線性符合《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，路拱橫坡度為2%。此外，將整體式斷面的外側(cè)2 車道依次編號為1、2 車道，最高限速為110 km·h-1，內(nèi)側(cè)3車道依次編號為3、4、5 車道，最高限速為120 km·h-1，虛實(shí)線結(jié)束位置為出口匝道起始點(diǎn)；將分離式斷面的外側(cè)2 車道依次編號為1、2 車道，最高限速為110 km·h-1，轉(zhuǎn)換段設(shè)為第3車道，內(nèi)側(cè)3 車道依次編號為4、5、6 車道，最高限速為120 km·h-1，開口段末端距離出口匝道1500 m。

此外，在標(biāo)志設(shè)置方面，整體式斷面設(shè)置4 級出口預(yù)告標(biāo)志，第1次出現(xiàn)出口預(yù)告標(biāo)志距離出口匝道3000 m；分離式斷面在開口段前500 m設(shè)置地名預(yù)告標(biāo)志，在開口段設(shè)置開口段終點(diǎn)預(yù)告標(biāo)志，在外側(cè)車道設(shè)置4級出口預(yù)告標(biāo)志。

本實(shí)驗(yàn)依據(jù)開口長度需求，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1000，1500，2000 m 共3 組不同的開口長度，其中，對于分離式斷面，開口長度為轉(zhuǎn)換段的凈長度，不包含轉(zhuǎn)換段起點(diǎn)和終點(diǎn)位置250 m的過渡段，布設(shè)如圖4所示。此外，為考慮流量對車輛換道行為的影響，在實(shí)驗(yàn)變量中分別設(shè)置5700，3800，2200 pcu·h-1共3種流量。5700 pcu·h-1流量設(shè)置中，內(nèi)側(cè)3 車道為1500 pcu·h-1，均為小車，外側(cè)2 車道設(shè)置為600 pcu·h-1，以大車為主，包含極少數(shù)小車；3800 pcu·h-1的流量設(shè)置中，內(nèi)側(cè)3車道為1000 pcu·h-1，均為小車，外側(cè)2 車道設(shè)置為400 pcu·h-1，以大車為主，包含極少數(shù)小車；2200 pcu·h-1流量設(shè)置中，內(nèi)側(cè)3車道為600 pcu·h-1，均為小車，外側(cè)2 車道設(shè)置為200 pcu·h-1，以大車為主，包含極少數(shù)小車，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1所示。

圖4 不同斷面場景設(shè)計(jì)示意Fig.4 Schematic diagram of different cross-section scene design

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表Table 1 Experimental plan design table

整體式斷面和分離式斷面為兩種不同的斷面形式，且駕駛?cè)嗽趦煞N斷面形式下的駕駛行為會因出口設(shè)置形式不同產(chǎn)生一定的差異。雖然本實(shí)驗(yàn)采用3 種不同變量，但每種變量設(shè)置水平最多為3組，最終得出實(shí)驗(yàn)組數(shù)為18組，沒有超過可接受范圍；同時為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完整性，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中采用析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法，而不是實(shí)驗(yàn)組數(shù)更少的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用課題組集成研發(fā)的駕駛模擬器，由5 通道投影機(jī)、3 個后視鏡、3 個自由度運(yùn)動平臺及融合設(shè)備所組成的8通道駕駛模擬平臺，為提高模擬駕駛真實(shí)度，駕駛艙由1 臺真實(shí)車輛進(jìn)行模擬，如圖5所示。

圖5 模擬駕駛平臺Fig.5 Simulation driving platform

道路場景再現(xiàn)是通過安裝在天花板上的5 個投影儀實(shí)現(xiàn)的，投影儀將場景投射在1個環(huán)形屏幕上，屏幕角度超過210°。3個后視鏡由顯示器取代，可以完美重現(xiàn)后視鏡狀態(tài)。聲音由1 個多聲道音頻系統(tǒng)產(chǎn)生，能夠再現(xiàn)車輛和環(huán)境噪聲。該模擬器以每秒20次的頻率記錄車輛駕駛?cè)说膭幼骱兔枋鲕囕v運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)。駕駛模擬器可以收集各種數(shù)據(jù)，包括：速度、加速度、橫向位置、油門及剎車的開合度等主要車輛數(shù)據(jù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)被試

為減少隨機(jī)效應(yīng)，本次實(shí)驗(yàn)共招募30 名健康司機(jī)參與駕駛模擬器研究。被試通過公告招募，每人均持有中國駕照；年齡在22～34 歲；駕駛經(jīng)驗(yàn)(以持有駕照時間計(jì)算)在2～12年，具體信息如表2所示。所有被試在參與實(shí)驗(yàn)前均提供一份書面的知情同意書。完成駕駛?cè)蝿?wù)后，每位被試獲得150～200元現(xiàn)金獎勵酬勞。

表2 駕駛?cè)诵畔⒔y(tǒng)計(jì)Table 2 Driver information statistics

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

每名被試均按照以下流程開展模擬駕駛實(shí)驗(yàn)。

(1)被試簽署承諾書及告知函，實(shí)驗(yàn)助理向被試強(qiáng)調(diào)需按照真實(shí)意愿行駛，實(shí)驗(yàn)中每發(fā)生1次事故(撞車、撞欄桿)均會扣除一定酬勞，同時被試調(diào)整座椅及后視鏡等。

(2)實(shí)驗(yàn)助理講解本次實(shí)驗(yàn)的駕駛?cè)蝿?wù)和基本要求。為研究最不利情況下，不同場景對駕駛?cè)笋{駛行為的影響，本實(shí)驗(yàn)過程中要求每名被試由高速公路主線最內(nèi)側(cè)車道開始實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)次換道，由匝道駛出高速，換道時需要觀察后視鏡，避免撞車。行駛過程中所有駕駛決策均由被試自主產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)助理僅提供目的地名稱。

(3)被試進(jìn)行5～10 min 預(yù)實(shí)驗(yàn)，以完全適應(yīng)駕駛模擬器。

(4)正式開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)助理保存記錄數(shù)據(jù)。

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，支付被試酬勞。

整個實(shí)驗(yàn)過程中，操作員坐在汽車前排乘客座位上，記錄被試整個實(shí)驗(yàn)過程，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用。為避免所有被試按照統(tǒng)一順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)造成實(shí)驗(yàn)因素影響性的不平衡性，同時減少組內(nèi)學(xué)習(xí)效應(yīng)對駕駛?cè)说挠绊?，本?shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)開始前設(shè)計(jì)30張實(shí)驗(yàn)場景隨機(jī)分配表，每張表格由Matlab隨機(jī)產(chǎn)生以保證每個場景出現(xiàn)的隨機(jī)性，每名駕駛?cè)嗽趯?shí)驗(yàn)開始前選取1張實(shí)驗(yàn)表格，按照實(shí)驗(yàn)表格上的場景順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每個場景的駕駛持續(xù)時間為3～5 min，每個場景之間允許駕駛?cè)诵菹?～2 min，整個駕駛實(shí)驗(yàn)持續(xù)約60 min。實(shí)驗(yàn)過程中，被試如果出現(xiàn)眩暈、惡心等癥狀，應(yīng)要求暫停實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，在數(shù)據(jù)合格后對被試者發(fā)放相應(yīng)的報酬。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 行車軌跡數(shù)據(jù)

駕駛?cè)嗽隈偝龈咚俟非靶枰M(jìn)行多次換道，在多車道高速公路出口，駕駛?cè)藢τ趽Q道位置的選擇不僅取決于交通標(biāo)志信息，更受到不同斷面開口長度的影響。通過對駕駛軌跡及換道點(diǎn)分析，能夠確定不同斷面形式對駕駛?cè)诵熊嚨挠绊?。本文通過提取實(shí)驗(yàn)車輛的縱向位置及車道偏移量獲取車輛行駛軌跡，通過車輛穿過車道線時的縱向位置點(diǎn)確定換道的縱向位置，獲取車輛每次換道的行為決策點(diǎn)，判斷斷面形式下不同流量及開口長度對駕駛行為的影響。行駛軌跡如圖6所示。

圖6 不同斷面場景行駛軌跡示意Fig.6 Schematic diagram of driving trajectory in different cross-section scenes

為研究不同斷面形式及開口長度對駕駛?cè)藫Q道位置的影響，本文對內(nèi)、外側(cè)車道的換道點(diǎn)分別進(jìn)行分析。為增加研究結(jié)果的可靠性，選取道路場景中第1 個標(biāo)志前500 m 作為行車數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)起點(diǎn)。在整體式斷面下，車輛需要經(jīng)歷4 次換道；在分離式斷面下，需要經(jīng)歷5 次換道。為便于研究，將分離式斷面中車輛由第5車道換道至第4車道以及第4 車道換道至第3 車道統(tǒng)稱為第2 次換道。對于內(nèi)側(cè)車道而言，在兩種斷面形式下均研究車輛第2次換道的位置，即車輛換道至開口段左側(cè)第1條車道的位置，即兩種斷面形式下的第2 次換道，將其距離起始位置的距離定義為D1；對于外側(cè)車道而言，研究車輛經(jīng)由開口段換道至外側(cè)第2車道的位置，即整體式斷面中的第3 次換道和分離式斷面中的第3 次換道，將其距離起始位置的距離定義為D2。各換道點(diǎn)位置的統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 車輛換道點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of vehicle lane changing points

由表3可知，在整體式斷面中，D1值集中在1500 m 左右，換道位置的方差分析表明，流量與開口長度對D1均沒有顯著影響，且相互之間沒有明顯的交互效應(yīng)，表明在整體式斷面中駕駛?cè)藫Q道至第3車道上的位置受開口長度及流量影響較小，在一定程度上由駕駛?cè)俗陨眈{駛習(xí)慣決定。D2長度的單因素方差分析表明，不同流量條件下車輛第2次換道位置無顯著性差異，但第3 次換道的位置(F=107.34，p=0.000)均存在顯著性差異，兩者之間不存在明顯的交互效應(yīng)。在不同開口長度下，虛實(shí)線開口越長，D2值越大。此外，對換道位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 整體式斷面第3次換道位置分布Fig.7 Distribution of third lane change position of integral section

由圖7可知，當(dāng)開口長度為1000 m 時，駕駛?cè)税l(fā)現(xiàn)可以換道時會立即換道，換道點(diǎn)位置較為集中；當(dāng)開口長度為1500 m和2000 m時，駕駛?cè)送ǔ^續(xù)跟車以尋找最優(yōu)換道位置，換道點(diǎn)位置分布更加離散，這兩種情況下，絕大多數(shù)車輛換道點(diǎn)選擇距離出口匝道大于1000 m，均值均小于1500 m，表明1500 m的開口長度可以滿足一般情況下的換道需求。

由表3可知，在分離式斷面中，流量對于車輛第2 次和第3 次換道的位置均無顯著性影響，表明流量不是影響駕駛?cè)藳Q策的關(guān)鍵因素。對不同開口長度下駕駛?cè)藫Q道位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。由表3和圖8可知，開口長度對駕駛?cè)说? 次換道位置有顯著影響，開口長度越長，換道位置越遠(yuǎn)，表明駕駛?cè)嗽谥篱_口段終點(diǎn)位置后會對換道位置進(jìn)行選擇，開口越長，駕駛?cè)说倪x擇空間越大，便會選擇更加合適的位置進(jìn)行換道，換道距離便越遠(yuǎn)，在一定程度上增加駕駛?cè)说男熊嚢踩裕粚τ诘? 次換道，開口長度同樣存在顯著性影響，且影響程度更大，當(dāng)開口長度增加時，換道位置會明顯后移，且變得更加分散，表明開口長度增加時，駕駛?cè)说倪x擇空間增加，駕駛?cè)藭x擇更合理的換道位置。此外，由圖8可知，當(dāng)開口長度為1000 m時，換道位置集中在距離開口終點(diǎn)500 m的位置，表明在這種長度下，駕駛?cè)藫Q道在一定程度上屬于被迫性換道，駕駛?cè)说倪x擇空間變小，容易使行車風(fēng)險增加；開口長度為1500 m和2000 m時，換道點(diǎn)的位置分布較為相似，大多分布在距離開口段起點(diǎn)位置1000～1500 m 內(nèi)，距離開口段終點(diǎn)有足夠長度，表明1500 m的凈開口長度在一定程度上可以滿足絕大多數(shù)駕駛?cè)说膿Q道需求。

圖8 分離式斷面兩次換道位置分布圖Fig.8 Distribution of two lane changes in separate section

此外，對比兩種斷面形式下第2次換道點(diǎn)的位置D1值，發(fā)現(xiàn)整體式斷面下的D1值無論在哪種條件下都大于分離式斷面的D1值，表明分離式斷面中開口段的出現(xiàn)屬于道路斷面形式出現(xiàn)了明顯的變化，對于駕駛?cè)藫Q道決策行為的影響遠(yuǎn)大于標(biāo)志對于駕駛?cè)藫Q道決策的影響。這表明，分離式斷面在一定程度上對于駕駛的駕駛行為會產(chǎn)生較大影響，這種影響可能會增加駕駛?cè)说男熊囷L(fēng)險。

3.2 換道間隙選擇

分流車輛在駛出高速公路過程中需要經(jīng)過多次換道，在每次換道前駕駛?cè)藭ㄟ^調(diào)整自身車速尋找外側(cè)車流中的可插入間隙。當(dāng)外側(cè)車道出現(xiàn)合適的可插入間隙時，駕駛?cè)藭x擇換道；未出現(xiàn)合適的可插入間隙時，駕駛?cè)死^續(xù)保持在當(dāng)前車道行駛，直到出現(xiàn)合適的可插入間隙[21]。大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料和研究表明，可插入間隙服從正態(tài)分布，小型車可插入間隙在3～4 s[22]，本文選擇臨界可插入間隙為4 s，當(dāng)車輛選擇換道間隙小于4 s時，認(rèn)為該次換道行為存在一定風(fēng)險。

統(tǒng)計(jì)不同場景各斷面形式下風(fēng)險換道間隙出現(xiàn)頻次，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，隨著流量增加，各場景下出現(xiàn)風(fēng)險換道的頻次明顯增加，這是由于流量增加，主線車流中車輛間隙減小導(dǎo)致的；隨著開口長度增加，各場景中出現(xiàn)風(fēng)險換道間隙的頻次會略微下降，這是由于開口長度增加使車輛選擇空間增加，駕駛?cè)藫碛懈嗟臅r間選擇合適的換道間隙，因此，風(fēng)險換道間隙隨之減少。

圖9 風(fēng)險換道頻次Fig.9 Frequency chart of risk lane chang

此外，通過方差分析發(fā)現(xiàn)，僅在分離式斷面下流量對于風(fēng)險間隙出現(xiàn)頻次有顯著影響，其余情況中流量及開口長度對于風(fēng)險換道間隙出現(xiàn)頻次均無顯著影響。在整體式斷面中，流量會對駕駛?cè)藫Q道間隙選擇產(chǎn)生一定影響，但因駕駛?cè)肆?xí)慣于整體式斷面布設(shè)形式，故影響并不明顯；在分離式斷面下，由于駕駛?cè)嗽谵D(zhuǎn)換段上行駛時對斷面形式不了解，斷面形式的變化對駕駛?cè)说鸟{駛行為產(chǎn)生一定影響，尤其是在高流量情況下，特殊的斷面形式導(dǎo)致駕駛?cè)思庇趽Q道至外側(cè)車道，使風(fēng)險換道間隙出現(xiàn)的頻率增加。

為進(jìn)一步研究不同斷面形式及開口長度對換道間隙選擇的影響，分析車輛換道選擇間隙值，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，換道間隙集中在5～6 s，與交通流量設(shè)置相關(guān)。此外，整體式端面下，流量及開口長度對車輛換道間隙無顯著性影響，這與道路斷面布設(shè)形式屬于常規(guī)形式有關(guān)；分離式斷面下，流量及開口長度對車輛換道間隙的選擇均存在顯著性影響，流量影響是因流量增加，主線車流間距減小導(dǎo)致的，而開口長度增加則會使車輛的選擇空間增加，使得駕駛?cè)诉x擇更加合適的換道間隙，這也解釋了駕駛?cè)说? 次換道行駛距離隨開口長度增加而增加的現(xiàn)象。

表4 車輛換道間隙選擇Table 4 Vehicle lane change gap selection

對比整體式斷面和分離式斷面內(nèi)、外側(cè)車道換道間隙的選擇，如圖10所示。結(jié)果表明，在車輛換道至內(nèi)側(cè)最外側(cè)車道的2次換道過程中，整體式斷面駕駛?cè)顺霈F(xiàn)風(fēng)險換道的次數(shù)明顯低于分離式斷面出現(xiàn)風(fēng)險換道的次數(shù)；駕駛?cè)私?jīng)由開口段駛?cè)胪鈧?cè)車道后的2次換道過程中，分離式斷面駕駛?cè)顺霈F(xiàn)風(fēng)險換道的次數(shù)明顯低于整體式斷面出現(xiàn)風(fēng)險換道的次數(shù)。表明在車輛駛出高速公路的過程中，整體式斷面有利于降低前期換道風(fēng)險，但是由于開口設(shè)置以及駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣等原因，導(dǎo)致后續(xù)換道風(fēng)險增加；相較于整體式斷面，分離式斷面下由于標(biāo)志設(shè)置以及斷面設(shè)置等原因，其前期換道風(fēng)險更大，但是由于開口設(shè)置位置，使得駕駛?cè)擞凶銐虻目臻g進(jìn)行后續(xù)換道行為，因此，后續(xù)換道風(fēng)險會更低。此外，車輛換道點(diǎn)的選擇也可以明顯看出,在前2 次換道中，整體式斷面的換道距離明顯更長，而在開口段后的2次換道中，分離式斷面中車輛距離出口匝道的距離則明顯高于整體式斷面，從另一方面解釋了風(fēng)險換道出現(xiàn)頻次的不一致。

圖10 內(nèi)、外側(cè)風(fēng)險換道間隙頻次Fig.10 Frequency of lane-changing gap between internal and external risks

3.3 最大減速度分析

車輛減速度體現(xiàn)了車輛在道路上的穩(wěn)定性和舒適性，急促減速(較大的制動減速度)在一定程度上體現(xiàn)了行車風(fēng)險。頻繁加、減速使駕駛過程中駕駛?cè)顺惺芸v向力，造成縱向的不舒適[23-24]。此外，緊急制動操作往往和跟車或換道過程中回避碰撞行為有關(guān)，緊急制動操作通過車輛的減速度值來衡量，當(dāng)車輛減速度超出正常范圍時，可以認(rèn)定為危險事件，用減速度分布前1%分位值表示緊急制動操作[25]。本文通過統(tǒng)計(jì)分析不同場景對車輛縱向減速度的影響，分析其對駕駛?cè)诵熊嚢踩缘挠绊憽?/p>

剔除出口路段的減速度，只分析主線路段的減速度，提取主線路段前1%的減速度，結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，兩種斷面形式下，流量及開口長度對車輛最大減速度均無顯著性影響，兩者之間不存在顯著的交互效應(yīng)，這與駕駛?cè)藢囕v的操縱習(xí)慣受自身駕駛風(fēng)格影響較大，外界環(huán)境對駕駛?cè)笋{駛行為影響較小有關(guān)。對比兩種斷面形式下最大減速度發(fā)現(xiàn)，分離式斷面中最大減速度均大于整體式斷面的最大減速度，車輛減速研究在一定程度上反映了駕駛?cè)说鸟{駛工作負(fù)荷[26-27]，表明分離斷面形式由于其斷面形式的特殊性，會對駕駛?cè)嗽斐筛蟮鸟{駛負(fù)荷。

表5 車輛最大減速度Table 5 Maximum vehicle deceleration

進(jìn)一步分析最大減速度的分布位置，如圖11所示。結(jié)果表明，整體式斷面下最大減速度的分布位置比較零散，分離式斷面下最大減速度大都集中于開口段起點(diǎn)位置附近，進(jìn)一步說明分離式斷面中斷面形式的改變對駕駛?cè)嗽斐奢^大的駕駛負(fù)荷，在一定程度上增加駕駛?cè)说男熊囷L(fēng)險。分離式斷面中，開口長度的增加會使最大減速度的位置后移，這是由于開口段起點(diǎn)處的開口終點(diǎn)預(yù)告標(biāo)志使駕駛?cè)瞬辉偌庇趽Q道至開口段上，說明對于開口長度及位置的預(yù)告能夠降低駕駛?cè)说男熊囷L(fēng)險。

圖11 最大減速度分布Fig.11 Maximum deceleration distribution

3.4 安全替代指標(biāo)分析

碰撞時間(Time to Collision,TTC)表示本車與前方車輛的相對速度和相對距離。TTC 是兩車均保持當(dāng)前車速行駛時，從當(dāng)前時刻到碰撞發(fā)生時刻所需的時間。當(dāng)后車速度大于前車時，兩車就有可能發(fā)生碰撞，采用TTC 表示前、后兩車之間的速度差和相對距離的關(guān)系，TTC 越小，發(fā)生碰撞的可能性就越大。因此，采用最小TTC判別行車過程中的沖突[28-29]，衡量車輛行駛的安全性[30-31]。

為分析不同場景對車輛碰撞風(fēng)險的影響，統(tǒng)計(jì)不同斷面形式下的最小TTC 值，結(jié)果如表6所示。由表6可知，兩種斷面形式下最小TTC值隨著流量的增加而減少，這是由于隨著流量增加，車流之間的間隙減少，導(dǎo)致跟車距離降低，但是其不存在顯著性影響；開口長度對于最小TTC的值無顯著性影響；流量及開口長度之間不存在明顯的交互效應(yīng)。這表明，駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中碰撞風(fēng)險與開口長度設(shè)置無關(guān)，更長的開口長度并不會降低駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中的碰撞風(fēng)險。對比不同斷面形式下最小TTC值發(fā)現(xiàn)，整體式斷面下的最小TTC值普遍低于分離式斷面下的最小TTC 值，表明，相較于整體式斷面，分離式斷面在一定程度上能夠降低駕駛?cè)说男熊囷L(fēng)險，這是由于在分離式斷面下，駕駛?cè)说膿Q道點(diǎn)更加分散，車輛有更大的選擇空間，駕駛?cè)丝梢赃x擇更加安全的行車方式。

表6 最小TTC值Table 6 Minimum TTC value

為進(jìn)一步研究行車風(fēng)險較大的位置分布，統(tǒng)計(jì)分析各場景下最小TTC 分布位置。為結(jié)合車輛換道點(diǎn)分布，將換道點(diǎn)前、后1 s認(rèn)為是換道過程的一部分[33]，對比最小TTC 位置與換道過程，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，在不同斷面形式下，駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中出現(xiàn)最小TTC的位置與車輛換道點(diǎn)位置相近的比例分別為80.0%和83.3%，表明換道行為是導(dǎo)致行車風(fēng)險提高的主要因素之一；整體式斷面中內(nèi)側(cè)車道出現(xiàn)最小TTC的概率更低，分離式斷面外側(cè)車道中出現(xiàn)最小TTC的概率更低，表明當(dāng)車輛的換道選擇空間更大時，產(chǎn)生碰撞風(fēng)險的概率更低，分離式斷面有利于降低外側(cè)車道中的行車風(fēng)險，但在一定程度上增加了內(nèi)側(cè)車道的行車風(fēng)險。此外，對于第2 次換道過程，分離式斷面相較于整體式斷面更容易出現(xiàn)較大的碰撞風(fēng)險，表明分離式斷面中開口段的出現(xiàn)更容易誘導(dǎo)駕駛?cè)思铀贀Q道過程，導(dǎo)致行車風(fēng)險增加。

圖12 最小TTC分布位置概率分布Fig.12 Probability distribution of minimum TTC distribution location

4 結(jié)論

本文研究不同斷面形式的多車道高速公路開口長度設(shè)置，使用駕駛模擬器對開口長度場景進(jìn)行建模，通過對車輛行駛軌跡、換道間隙選擇、減速度、TTC 等駕駛行為指標(biāo)進(jìn)行分析，得出不同斷面形式下多車道高速公路不同流量及開口長度對行車安全性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)開口長度的設(shè)置是影響駕駛?cè)诵熊囷L(fēng)險的重要因素，開口長度越長，駕駛?cè)诵熊嚢踩詴兴嵘?，但行車風(fēng)險降低的程度會隨著開口長度的增加而減小，因此當(dāng)開口長度增加到一定程度后駕駛?cè)说男熊囷L(fēng)險不隨再隨之降低。

(2)對于多車道高速公路出口影響區(qū)，駕駛?cè)嗽诓煌嚨郎闲熊囷L(fēng)險的大小會隨著斷面形式的不同產(chǎn)生差異，不同斷面形式下內(nèi)外側(cè)車道上的行車風(fēng)險有所不同，因此兩種斷面形式都存在各自的優(yōu)點(diǎn)和確定，并不能明確得出更有利于提升駕駛?cè)诵熊嚢踩缘臄嗝娌荚O(shè)形式。

本文基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)對車道高速公路出口影響區(qū)不同斷面布設(shè)形式和開口長度對駕駛?cè)说男熊嚢踩赃M(jìn)行了研究，研究結(jié)論為實(shí)際工程中斷面形式和開口長度的選擇提供了一定的理論依據(jù)。