張 玉, 劉 俊, 林 偉, 徐 進(jìn),4*

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院， 重慶 400074； 2.重慶軌道交通(集團(tuán))有限公司， 重慶 400000； 3.重慶城市交通開(kāi)發(fā)投資(集團(tuán))有限公司， 重慶 401121； 4.重慶交通大學(xué)山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車(chē)-路”協(xié)同與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074)

互通式立交是高速公路網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠連接不同方向的道路，減少了平面交叉中的沖突點(diǎn)，保證交通的安全的同時(shí)，提高道路的通行能力。縱向加速度是車(chē)輛在行駛方向上的加速度分量，主要控制車(chē)輛的加速行駛和減速制動(dòng)，直接反映了車(chē)輛的動(dòng)力性能。車(chē)輛在互通立交區(qū)域行駛的過(guò)程中，匝道平面線(xiàn)形會(huì)影響其橫向和縱向加速度，若匝道平面線(xiàn)形不合理，會(huì)影響駕駛員的判斷與正常駕駛，駕駛員頻繁的采取變速操作，直接影響了車(chē)輛的行駛安全性和行車(chē)舒適性，導(dǎo)致交通安全事故的發(fā)生。而現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范多是強(qiáng)調(diào)車(chē)輛運(yùn)行速度或設(shè)計(jì)速度，較少考慮汽車(chē)縱向加速度，所以需要對(duì)立交匝道上車(chē)輛行駛的縱向加速度進(jìn)行研究。

學(xué)者們開(kāi)展了對(duì)山路、高速公路等道路的縱向加速度的相關(guān)研究工作。Wang等[1]提出駕駛員在停車(chē)狀態(tài)下的直線(xiàn)和轉(zhuǎn)彎動(dòng)作的加速度關(guān)系模型。Da等[2]發(fā)現(xiàn)了車(chē)輛的縱向與橫向加速度均與車(chē)輛速度有關(guān)，縱向加速度隨速度的變化主要有兩個(gè)階段，首先是縱向加速度與速度保持穩(wěn)定，然后縱向加速度隨著速度的增加而減小。Mahapatra等[3]得到橫向加速度和縱向加減速度分別與速度呈二項(xiàng)指數(shù)和線(xiàn)性關(guān)系的結(jié)論。徐進(jìn)等[4-5]將環(huán)形匝道劃分為5個(gè)階段，析了立交進(jìn)/出口區(qū)域的縱向駕駛行為特征，確定了加速長(zhǎng)度和減速長(zhǎng)度的起/止點(diǎn)分布，還提出車(chē)輛在匝道運(yùn)行過(guò)程中的加速度變化模式、駕駛員的車(chē)道使用特性等。趙曉翠等[6]提出駕駛員在進(jìn)入立交減速車(chē)道前的分流區(qū)就已經(jīng)有了減速的行為，且將駕駛員的駕駛行為分為三類(lèi)。胡江碧等[7]從人車(chē)路與環(huán)境的互動(dòng)關(guān)系角度，分析高速公路立交區(qū)車(chē)輛的行駛速度、行駛軌跡以及駕駛員的眼動(dòng)特性。還有很多學(xué)者對(duì)互通立交的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究。劉軍等[8]、史靜等[9]、馬香娟等[10]、余曉東[11]、林雨等[12]分別從設(shè)計(jì)規(guī)范、行車(chē)安全理論、駕駛行為、運(yùn)行特性、效益成本等研究了立交匝道變速車(chē)道長(zhǎng)度問(wèn)題。王海君等[13]分析了減速車(chē)道長(zhǎng)度取值的合理性，并對(duì)不同匝道設(shè)計(jì)速度的減速車(chē)道長(zhǎng)度給出建議值。吳國(guó)雄等[14]通過(guò)對(duì)高速公路車(chē)輛行駛各軸向加速度的峰值累積頻率曲線(xiàn)、特征分位值和均方根值進(jìn)行分析，提出道路和車(chē)況條件會(huì)導(dǎo)致軸向加(減)速度出現(xiàn)差別，即縱向行駛舒適性會(huì)受到影響。喬建剛等[15]通過(guò)模擬駕駛實(shí)驗(yàn)得到高速公路雙車(chē)道匝道出口處小客車(chē)運(yùn)行速度、橫縱向加速度與出口匝道里程關(guān)系。

現(xiàn)有的汽車(chē)縱向加速度研究主要是對(duì)山區(qū)和高速公路行駛過(guò)程中的車(chē)輛進(jìn)行研究，在實(shí)車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中大多沒(méi)有對(duì)駕駛員進(jìn)行分類(lèi)，較少分析不同駕駛員的駕駛行為對(duì)汽車(chē)縱向加速度的影響?；诖?，現(xiàn)將駕駛員進(jìn)行分類(lèi)，具體為冒險(xiǎn)型駕駛員、焦慮型駕駛員和憤怒型駕駛員，并加以性格區(qū)分。試驗(yàn)結(jié)果可明確駕駛員個(gè)體差異與縱向加速度之間的關(guān)系，以期為不同駕駛風(fēng)格下的行車(chē)安全提供理論支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)立交

對(duì)重慶市南山立交和江南立交進(jìn)行研究，分別采集了4條迂回式匝道上車(chē)輛行駛的速度和加速度值。以上兩條立交的道路線(xiàn)型圖如圖1所示，圖1中標(biāo)示出了迂回式匝道L1～L4，以上匝道均為城市快速路和城市道路的交叉。其中南山立交的匝道L1、L2內(nèi)環(huán)快速路與南山茶園片區(qū)道路的連接，江南立交匝道L3、L4為海峽路與向黃路連接，4條匝道的主要技術(shù)特性如表1所示。

圖1 試驗(yàn)立交示意圖Fig.1 Schematic diagram of test interchange

表1 試驗(yàn)匝道的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of experimental ramps

由圖1可以看出，南山立交的L1由匝道進(jìn)入主線(xiàn)一端的出彎距離較短，且離開(kāi)匝道L1后進(jìn)入一段交織區(qū)，即在很短一段路程有輕微加速后開(kāi)始減速。這導(dǎo)致出彎加速階段不明顯，所以在出彎加速段縱向加速度的研究中不對(duì)匝道L1進(jìn)行討論。

1.2 試驗(yàn)駕駛員與車(chē)輛

本次試驗(yàn)駕駛員共有33人，其中男性駕駛員17名，女性駕駛員16名，表2為本試驗(yàn)駕駛員的特征數(shù)據(jù)。本次選取的車(chē)輛為北京現(xiàn)代全新勝達(dá)車(chē)型。

表2 駕駛員特性Table 2 Driver characteristics

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與數(shù)據(jù)處理

采用Speedbox車(chē)載測(cè)試系統(tǒng)、Mobileye駕駛輔助系統(tǒng)和行車(chē)記錄儀。Speedbox可以輸出速度、三軸加速度及經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)， Mobileye駕駛輔助系統(tǒng)可輸出車(chē)輛速度、車(chē)道線(xiàn)位置、障礙物信息等數(shù)據(jù)；行車(chē)記錄儀可以對(duì)實(shí)車(chē)試驗(yàn)全程錄像，為后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。前兩套儀器可以采集車(chē)輛速度和加速度等數(shù)據(jù)，能夠有效避免單一儀器缺陷導(dǎo)致數(shù)據(jù)的缺失或失真，還可以在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中將對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行相互對(duì)比驗(yàn)證，選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)。對(duì)儀器采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)截取和濾波等處理后，得到不同駕駛風(fēng)格及不同性格駕駛員的加速度數(shù)據(jù)。

2 迂回式匝道縱向加速度特性

所研究的4條迂回式匝道分別是南山立交的L1、L2匝道和江南立交的L3、L4匝道。經(jīng)過(guò)對(duì)4條匝道的速度曲線(xiàn)進(jìn)行分析可見(jiàn)，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛在迂回式匝道的行駛過(guò)程分為三個(gè)階段，分別為入彎減速階段(階段Ⅰ)、穩(wěn)定行駛階段(階段Ⅱ)和出彎加速階段(階段Ⅲ)，以江南立交匝道L4為例，如圖2、圖3所示。

圖2 匝道行駛過(guò)程分段示意圖Fig.2 Section diagram of ramp driving process

圖3 匝道L4車(chē)輛行駛速度圖Fig.3 Speed chart of vehicles on ramp L4

階段Ⅰ：入彎減速階段指的是車(chē)輛經(jīng)由直線(xiàn)段過(guò)渡到曲線(xiàn)段的減速行駛過(guò)程；階段Ⅱ：穩(wěn)定行駛階段指的是車(chē)輛減速駛?cè)雸A曲線(xiàn)后保持一種相對(duì)恒定的行駛狀態(tài)，車(chē)輛行駛速度維持穩(wěn)定；階段Ⅲ：出彎加速階段指的是在將要完成圓曲線(xiàn)行駛時(shí)，駕駛員會(huì)采取加速的操作來(lái)駛出彎道，恢復(fù)直線(xiàn)行駛的狀態(tài)。由于行駛速度三個(gè)階段中穩(wěn)定行駛階段加速度特征不明顯，因此對(duì)縱向加速度的特征分析只考慮階段Ⅰ、Ⅲ。

2.1 縱向加速度累計(jì)頻率特性

對(duì)每一位駕駛員縱向加速度ax數(shù)據(jù)濾波去掉毛刺后，提取每條縱向加速度曲線(xiàn)各波形的最大值和最小值，得到峰值縱向加速度和峰值縱向減速度，按降序排列后得到加速度累計(jì)頻率圖。原始數(shù)據(jù)濾波處理如圖4所示，不同駕駛風(fēng)格和不同性別駕駛員在迂回式匝道上駕駛的縱向加速度累計(jì)頻率如圖5和圖6所示，當(dāng)車(chē)輛加速時(shí)縱向加速度ax>0，車(chē)輛制動(dòng)時(shí)ax<0。

圖4 原始數(shù)據(jù)濾波圖Fig.4 Raw data filter graph

圖5 不同駕駛風(fēng)格縱向加速度累計(jì)頻率分布Fig.5 Cumulative frequency distribution of longitudinal acceleration in different driving styles

圖6 不同性別縱向加速度累計(jì)頻率分布Fig.6 Cumulative frequency distribution of longitudinal acceleration in different genders

圖5中可以看出同一個(gè)匝道上三種類(lèi)型駕駛員的累計(jì)頻率曲線(xiàn)重合度較高，這表明同一匝道上不同駕駛風(fēng)格駕駛員的駕駛行為有較高的趨同性。另外匝道L1、L3減速度分布區(qū)間比加速度分布區(qū)間占比大，而匝道L2、L4的減速度分布區(qū)間比加速度分布區(qū)間占比小。這是由于匝道L1、L3為下行匝道，駕駛員為了維持穩(wěn)定的行駛速度會(huì)采取制動(dòng)措施；匝道L2、L4匝道為上行匝道，所以駕駛員會(huì)采取加速措施。迂回式匝道上兩種截然不同的加速度分布反映了兩種不同的縱向運(yùn)行狀態(tài)，這說(shuō)明了駕駛員在匝道行駛過(guò)程中，采取加速/制動(dòng)措施受匝道線(xiàn)形影響較大。

圖6中可以看出男性駕駛員在上行匝道的加速幅值略高于女性駕駛員，下行匝道兩者的制動(dòng)減速度之間的差異更為顯著。這是由于女性駕駛員比男性駕駛員謹(jǐn)慎，在行駛過(guò)程中其行駛速度往往低于男性駕駛員，在相同限速要求下，女性駕駛員的變速過(guò)程沒(méi)有男性駕駛員激烈。

2.2 入彎減速段縱向加速度特征分析

圖7為入彎減速階段(階段Ⅰ)示意圖，從圖7中可以看出，駕駛員在駛?cè)霃澋赖倪^(guò)程中速度逐漸降低，過(guò)了階段Ⅰ后速度相對(duì)穩(wěn)定，然后加速駛出彎道。提取匝道階段Ⅰ內(nèi)的縱向加速度數(shù)據(jù)，將不同匝道及不同駕駛風(fēng)格駕駛員分別歸類(lèi)統(tǒng)計(jì)， 階段Ⅰ中不同匝道、性別與駕駛風(fēng)格的駕駛員減速度累計(jì)頻率曲線(xiàn)圖與典型百分位縱向加速度，以及汽車(chē)行駛的減速度特征分位值[16]，如圖8和表3所示。

圖7 迂回式匝道入彎減速度階段Fig.7 Roundabout ramp deceleration stage at enter the curve

圖8 不同匝道、性別與駕駛風(fēng)格(階段Ⅰ)減速度累計(jì)頻率曲線(xiàn)圖Fig.8 Cumulative deceleration frequency curve of different ramp, gender and driving style (stage I)

表3 不同匝道、性別與駕駛風(fēng)格(階段Ⅰ)典型百分位縱向減速度Table 3 Typical percentile longitudinal deceleration values for different ramps, genders and driving styles (stage I)

結(jié)合表3和圖8(a)可以看出在50%分位前駕駛員在匝道L3的制動(dòng)減速度高于其他三條匝道，50%分位后匝道L1的制動(dòng)減速度高于其余匝道。這是由于匝道L3連接的兩條路線(xiàn)高程相差較大，駕駛員在入彎減速階段制動(dòng)減速操作更為頻繁，且匝道L1連接內(nèi)環(huán)快速路主線(xiàn)，部分車(chē)輛駛?cè)朐训繪1時(shí)車(chē)速仍較快，為保證安全入彎駕駛員會(huì)采取更激烈的制動(dòng)措施。另外，在15%分位后匝道L2、L4的百分位制動(dòng)減速度值小于匝道L1、L3，且匝道L2、L4最大制動(dòng)減速度值小于1 m/s。這是由于匝道L2、L4為上行匝道，而匝道L1、L3為下行匝道，在下行匝道中車(chē)輛自身重力做功會(huì)促進(jìn)速度的增加，所以需要采取更大的減速度才能減到期望速度。

從圖8(b)可以看出，男性駕駛員在迂回式匝道入彎減速段制動(dòng)的激烈程度高于女性駕駛員，男女性駕駛員制動(dòng)減速度差距在10～65th百分位之間逐漸加大，65%分位后兩者差距逐漸減小。圖8(c)可以看出，三種駕駛風(fēng)格的駕駛員在第10%分位前累計(jì)頻率曲線(xiàn)相互重疊，第10%分位后冒險(xiǎn)型駕駛員制動(dòng)速度更高；還能看出憤怒型與焦慮型駕駛員的典型百分位縱向加速度差距均小于0.2 m/s，冒險(xiǎn)型駕駛員在迂回式匝道階段Ⅰ制動(dòng)激烈程度高于憤怒型和焦慮型駕駛員。

2.3 出彎加速段縱向加速度特征分析

圖9為出彎加速階段(階段Ⅲ)示意圖，提取匝道階段Ⅲ內(nèi)的縱向加速度數(shù)據(jù)，將不同匝道及不同駕駛風(fēng)格駕駛員分別歸類(lèi)統(tǒng)計(jì)，文獻(xiàn)[16]的加速度特征分位值，以及迂回式匝道階段Ⅲ中不同匝道、性別與駕駛風(fēng)格的駕駛員減速度累計(jì)頻率曲線(xiàn)圖與典型百分位縱向加速度如圖10和表4所示。

圖9 迂回式匝道出彎加速度階段Fig.9 Roundabout ramp deceleration stageat out of the curve

圖10 不同匝道、性別與駕駛風(fēng)格(階段Ⅲ)加速度累計(jì)頻率曲線(xiàn)圖Fig.10 Acceleration cumulative frequency curve of different ramp, gender and driving style (stage III)

表4 不同匝道、性別與駕駛風(fēng)格(階段Ⅲ)典型百分位縱向加速度Table 4 Typical percentile longitudinal acceleration values for different ramps, genders and driving styles (stage III)

由圖10(a)可以看出，匝道L3車(chē)輛加速度累計(jì)頻率曲線(xiàn)與匝道L2、L4差距較大，其中匝道L3行車(chē)加速度均小于1 m/s，這是由于匝道L3為下行匝道，出彎行駛過(guò)程中車(chē)輛自身重力做功會(huì)促進(jìn)速度的增加，從而導(dǎo)致其出彎段加速幅度較小。匝道L2、L4累計(jì)頻率曲線(xiàn)變化相似，且典型百分位加速度之差小于0.2 m/s，累計(jì)頻率曲線(xiàn)在第35%分位處交叉，35%分位之后匝道L4加速度略高于匝道L2。

從圖10還可以看出，不同性別駕駛員累計(jì)頻率曲線(xiàn)變化相似，且其典型百分位值差異不大；不同駕駛風(fēng)格駕駛員的累計(jì)頻率曲線(xiàn)變化也相似，但冒險(xiǎn)型駕駛員的典型百分位加速度值略高于憤怒型與焦慮型駕駛員，三種類(lèi)型駕駛員的縱向加速度在第15%分位后加速度均高于1 m/s。

中國(guó)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B05—2015)[17]中推薦的縱向加速度取值范圍是0.15 ～ 0.5 m/s，但該規(guī)范并沒(méi)有對(duì)加速度和減速度進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)本文研究的結(jié)果，4條匝道的入彎減速段的縱向減速度值在第85%分位值的分布范圍是0.75～1.425 m/s，出彎加速段的縱向加速度值在85%分位值的分布范圍是0.557～1.597 m/s，遠(yuǎn)大于規(guī)范推薦的縱向加速度取值范圍，根據(jù)本文研究的結(jié)果，取整后的第85%分位加、減速度值應(yīng)分別為1.5、1.6 m/s。文獻(xiàn)[16]分別對(duì)7條山區(qū)公路進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)后得到的結(jié)果為第85%分位的加、減速度值應(yīng)該分別為0.6、0.85 m/s。經(jīng)分析可知，文獻(xiàn)[16]與本文研究中進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)后縱向加速度值范圍相差較大的原因?yàn)楸敬卧囼?yàn)道路為高速公路匝道，且以上匝道與城市快速路相連，所以行車(chē)速度相對(duì)山區(qū)道路行車(chē)速度快，所以加/減速度的幅值都更大。

3 縱向行駛舒適性

乘坐車(chē)輛時(shí)感到不適會(huì)導(dǎo)致乘客和司機(jī)的出行體驗(yàn)，加劇司機(jī)的疲勞，增加交通意外的風(fēng)險(xiǎn)。所以需要對(duì)匝道的行駛舒適性進(jìn)行分析。表5為文獻(xiàn)[16]中修訂的縱向加速度閾值的具體范圍。為統(tǒng)計(jì)匝道各階段對(duì)應(yīng)舒適性閾值所在百分位表7為區(qū)分駕駛員性別和駕駛風(fēng)格等因素后迂回式匝道縱向加速度的行駛舒適閾值百分位。

表5 縱向加速度舒適性評(píng)價(jià)閾值Table 5 Comfort evaluation threshold of longitudinal acceleration

表6中匝道L1的出彎加速階段受匝道線(xiàn)形的限制，出彎加速度特征不明顯所以不做統(tǒng)計(jì)。匝道L1的入彎減速階段行駛舒適性較差。原因是匝道L1連接的道路為內(nèi)環(huán)快速路主線(xiàn)，車(chē)輛從主線(xiàn)駛?cè)朐训罆r(shí)，速度往往較快，所以會(huì)采取更加激烈的制動(dòng)措施，導(dǎo)致舒適感較差；匝道L3出彎加速階段的行車(chē)加速度舒適性?xún)?yōu)于匝道L2和匝道L4，原因是匝道L3為下行匝道，行車(chē)視距更好，所以出彎加速度的幅值較低；總體來(lái)說(shuō)，匝道L1、L3整體行駛舒適性較好，匝道L2、L4出現(xiàn)了行駛不舒適的現(xiàn)象。

表6 不同匝道行駛舒適性閾值百分位Table 6 Percentile of comfort threshold for different ramps

從表7可以看出，女性駕駛員行駛舒適性略高于男性駕駛員；入彎減速段行駛舒適性?xún)?yōu)于出彎加速段，出彎加速階段行駛條件的改善并未帶來(lái)良好的行車(chē)體驗(yàn)，原因是出彎加速階段行駛條件改善會(huì)給駕駛員更大的空間發(fā)揮，更開(kāi)放的駕駛行為導(dǎo)致了行駛舒適性的下降；冒險(xiǎn)型和焦慮型駕駛員在出彎加速階段行駛不舒適占比接近50%，原因是兩種類(lèi)型駕駛員在加速出彎階段表現(xiàn)出更強(qiáng)的加速欲望從而導(dǎo)致了行駛舒適性的下降。

表7 不同類(lèi)型駕駛員匝道行駛舒適度Table 7 Driving comfort of different types of drivers

4 結(jié)論

(1)駕駛員在匝道行駛的入彎減速過(guò)程中，下行匝道的制動(dòng)減速度高于上行匝道的制動(dòng)減速度；其中男性駕駛員制動(dòng)減速激烈程度高于女性駕駛員，冒險(xiǎn)型駕駛員制動(dòng)減速的激烈程度高于其他類(lèi)型的駕駛員。

(2)下行匝道縱向加速度較小，不同類(lèi)型駕駛員的出彎加速度累計(jì)頻率曲線(xiàn)相似，其中冒險(xiǎn)型駕駛員的加速幅度略高于憤怒型與焦慮型駕駛員。

(3)對(duì)于匝道行駛舒適性，下行匝道的行駛舒適性大于上行匝道的行駛舒適性，女性駕駛員行駛舒適性略高于男性駕駛員，入彎減速段行駛舒適性?xún)?yōu)于出彎加速段，冒險(xiǎn)型和焦慮型駕駛員出彎加速階段行駛不舒適占比接近50%。

(4)根據(jù)本試驗(yàn)的結(jié)果，江南立交和南山立交四條匝道入彎減速段的縱向減速度在第85%分位值的分布范圍是0.75～1.425 m/s2，出彎加速段的縱向減速度在第85%分位值的分布范圍是0.557～1.597 m/s2，遠(yuǎn)大于《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》中推薦的0.15～0.5 m/s2，所以江南立交和南山立交匝道的行駛舒適性有待提高。