双车道二级公路直曲衔接段车辆运行速度变化研究

 陈贤策  韩洪泽  凌建明

(1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201814；

2．山西省公路管理局  太原030000)

摘要  在道路线形设计中，路段间运行速度差是作为评价道路线形与行车安全的重要指标之一，准确地获取路段间运行速度变化十分重要。文中通过测取车辆在二级公路直曲衔接段上连续运行速度，研究车辆在二级公路中弯道处的驾驶行为，得出车辆在弯道处的速度变化规律，进而建立加速度与减速度预测模型；对比分析直曲衔接段单独车辆的速度变化85%统计值(A8s V)与直曲两路段间85%速度统计值的差值(AV。。)间的关系，发现AV8s存在低估车速变化的情况，从而为线形设计评价方法的改进提供依据。

关键词  双车道二级公路  直曲衔接段  行车速度变化

 研究表明，如果道路线形条件不能满足驾驶员驾驶期望，即车辆驾驶行为与实际道路交通条件所允许的运行速度存在偏差，行车安全就会存在较大的隐患。由于二级公路道路线形指标的限制，在由直线段进入弯道路段行驶过程中，车辆运行速度变化较大，导致存在较大的事故风险，而且随着道路环境和驾驶员个体差异，这种事故风险也是不同的。因此，有必要研究二级公路直线段与曲线段衔接路段上车辆运行速度变化规律，为行车安全分析提供理论基础。

 受限于早期研究手段的不足，Fitzpatrick等的研究中，均假设车辆在曲线段的速度是恒定的，所有的加减速行为均发生在相邻的直线段上。但由Nie等的现场调研数据研究表明这种曲线段速度恒定的假设是不成立的。Perez等在研究直线与曲线段过渡时，利用装载GPS设备的实验车辆测得连续运行速度，提出45%的减速发生在进入曲线段前的直线段上，55%的加速发生在曲线段上。王强等的研究表明，车辆在平曲线上运行速度变化情况与平曲线半径存在明显相关性。

 目前国内外对于行车速度的研究方法主要分为3类：测速枪测速、驾驶模拟器模拟和GPS实验车法。但考虑到实验数据的准确性，上述3种方法都会造成对驾驶员的影响作用，导致测得的数据与正常行驶状态下的驾驶行为存在偏差。

 本文通过测取双车道二级公路上自然状态下连续行驶车辆的运行速度，研究车辆在弯道处的速度变化规律，依靠获取的车辆在直线段与平曲线段衔接处连续运行速度，对比分析单独车辆的速度变化85%统计值(A85 V)与直曲两路段间85%速度统计值的差值(AV85)间的差异，据此可为道路线形设计评价技术改进，以及道路改扩建工程中弯道处线形和断面改善提供理论依据。

1现场实验

1.1  速度数据采集方案

 本次速度采集选取内置1 Hz频率，米级定位精度GPS的佳明行车记录仪(GDR45)作为本次调研的主要仪器。为了降低调研工作对驾驶员的干扰，获取最准确的车速数据，本次测定车辆运行速度依据Perez提出的方法进行。

如图1所示，事先选好调研路段，在每个调研路段的两端分别设置测定起终点，每点设置2名队员，当一个方向来车时，拦下车辆，说明调研情况，在征得驾驶员同意后，1位队员在车上安装行车记录仪，同时另1位队员负责询问一些关于驾驶员的个人信息，如驾驶员年龄、驾龄以及其对路段的熟悉程度等。为避免驾驶员受到干扰，提前告知调研终点，并让其按照自己驾驶习惯行驶至路段终点，然后终点处2位队员负责拆卸行车记录仪并询问驾驶员受干扰情况。反向来车时情况一样。

1.2调研路段及样本量

 本次现场试验选取山西省典型双车道二级公路(S319，S3 31，S203，S313)各10 km的特征路段作为现场调研对象，选取出的53个道路标线完整的直曲衔接段用于试验分析。对象路段路面宽度变化幅度为8～11 m;设计车速为40～80 km／h;弯道半径变化幅度为63～644 m;弯道转角变化为15。～1106；平曲线段长度为53～375 m;相邻直线段长度为50～1  000 m;且各路段的纵坡坡度均不超出±3%，可视为平原路段。为保证数据的准确性，要求每个路段每个方向至少测取40辆小客车的运行速度，且要求每辆车的车头视距至少为6s，据此最终选用312辆小客车数据用于分析。

2平曲线段速度变化规律

 基于GPS设备测得的车辆在进入弯道前后的连续运行速度数据，能够对车辆在直曲衔接段范围内的运行状态进行研究。对于常见的相邻路段均为直线段的曲线段而言，车辆行驶的规律多是先减速后加速的过程，接近曲线时为减速过程，离开曲线时为加速过程，中间可能存在匀速过程。因此可以在直曲衔接路段上取速度变化特征点：开始减速位置、停止减速位置，以及开始加速位置。

为明确特征点位置，根据距离将平曲线段（缓和曲线与圆曲线）由前至后等分为4部分，结合两端直线段，将直曲衔接段分为6个部分。图2～图4中，列出了车辆通过不同半径的弯道时各特征点的分布情况。

 由图2可见，车辆的减速行为并不是完全发生在直线段；其中，驾驶员在面临小半径曲线(R≤100 m)时，会更多地选择在看见前方弯道后，于直线段上就开始减速，从而避免进入弯道后的急剧降速；当弯道半径增大后(R>100 m)，弯道对驾驶员选择减速位置的影响降低，车辆减速位置也开始接近曲线段，具体驾驶行为更多地依赖驾驶员的驾驶经验。

 图3中显示平曲线的1／4圆和2／4圆部分占据了60%以上比例，表明整体上车辆弯道结束减速位置主要分布在平曲线的前半部分（1／4圆+2/4圆）。

 图4中2/4圆和3/4圆占据了大部分的比重，即开始加速位置主要分布在平曲线的中间部分（2/4圆+3/4圆），同时结合图3与图4中信息可以得出结论，车辆达到最低速度的位置通常出现在2/4曲线处。

3  加速度与减速度模型

二级公路中事故发生较多的一个特征位置就是直曲衔接段，车辆在直线段容易达到较高的行车速度，进入小半径曲线段时，由于地形的限制，需要短时间内降低速度，才能顺利通过。因而直曲衔接段，车辆加速度的选取就显得尤为重要。加速度过大，车辆行驶容易出现不稳；加速度过小，车辆来不及降速，存在冲出车道的可能。车辆的加速度与减速度通常利用式(1)获得：

式中：di，ai为加速度与减速度的绝对值，m/s2；V．。，为车辆开始加速或开始减速处的运行速度，m/s；V．。+，，为车辆停止加速或停止减速处的运行速度，m/s;S为车辆完成加速或减速所用路段长度，m。

由于直接利用统计得到的直线段与曲线段特征点处运行速度计算得到的加（减）速度存在误差，得益于采用GPS测得的每一单独车辆连续运行速度，每一车辆在直曲衔接段内每一位置的速度变化都能够准确地获得，因此利用计算得到的单独车辆在弯道处加（减）速度统计得到车辆在直曲衔接处85%位的加速度与减速度。关于车辆加减速起始状态的判定，采用d．(n：)》0.2 m/s2的原则，即车辆的减速度达到0.2 1n／S2及以上并持续减速时视为减速状态，加速度大于等于0.2m／S2时视为加速状态。加（减）速度相关影响因素分析中发现，弯道半径与两者都存在较强的相关性；并且车辆运行速度对加（减）速度也有一定影响，其中，车辆减速度受进入弯道前的运行速度影响较大，加速度与离开弯道后的车辆速度相关。因此根据进入车速的不同，利用现场数据，通过数据分析软件SPSS回归分析，得到直曲衔接段的加减速模型如下。

式中：V．。，Vout为车辆进入和离开弯道前后的运行速度，km／h，通常定义为直线段速度；d85为直线段进入曲线段减速度，m／s2；a85为曲线段进入直线段加速度，m／s2；R为曲线段半径，km。

 因此，对于指标符合规范要求的双车道二级公路上小客车的连续运行速度曲线构建，均可依据上述车辆速度变化规律及加减速模型进行。

4直曲衔接段速度变化

 直线段与曲线段相连路段上常常会发生急剧的速度变化，导致事故率的增大，因此两路段间的速度差值常常被用于路段安全评估。由于前期速度模型均是依靠测定直曲衔接段上特征点的运行速度构建的，模型精确度存在误差的同时更不能保证特征点即为速度变化转折点。因此，由预测得到的相应直线段与曲线段的运行速度相减获得的指标AV85逐渐被研究者们所否定，多项研究表明指标AV85会低估单独车辆在直曲衔接段的速度变化。为避免由于统计方法导致的误差，研究者们提出了一个新的指标：A85V，定义为单独车辆在直曲衔接段产生的速度变化值的85%位统计值。

 依靠GPS获取直曲衔接段连续速度变化数据，本次研究也探索了车辆在直曲衔接段的速度变化规律。通过定义AV为每辆车在直曲衔接段的最大速度差，统计所有样本数据得到A85V。图5展示了AV85与A85V之间的关系分布，可以看出，几乎所有路段速度差结果均位于对称线以上，说明A85V是普遍大于AV85的，验证了AV8s会低估车速变化的结论，从而A85V更适合用于线形设计一致性评价。

依据图中的趋势线，利用线性回归分析，可以得到更为准确的A85V预测方法：

5结语

 通过利用GPS设备测取双车道二级公路上车辆自然行驶状态下的运行速度，验证了车辆在弯道处行驶速度并不恒定的结论，并且关于车速变化特征点分布的统计显示：弯道半径越小车辆开始减速位置离弯道中心越远，同时车辆结束减速位置主要分布在平曲线前半部分，开始加速位置主要分布在平曲线的中间部分，而车辆匀速运行阶段最可能出现在2/4曲线处。根据车辆进入弯道前速度的不同，建立了车辆在直曲衔接处的加速度与减速度预测模型。关于路段间运行速度差，对比单独车辆的速度变化85%统计值(A85 V)与直曲两路段间85%速度统计值的差值(AV85)，验证了△。5V是普遍大于AV8。，AV8。会低估车速变化的结论，并建立了相应预测模型。以上研究结果均适用于规范二级公路上小客车运行规律研究，可为道路线形设计评价技术改进及道路弯道处线形和断面改善提供理论依据，而实验方法可供类似研究方向借鉴。