互通立交迂回式匝道纵向加速度特性

张 玉, 刘 俊, 林 伟, 徐 进,4*

(1.重庆交通大学交通运输学院， 重庆 400074； 2.重庆轨道交通(集团)有限公司， 重庆 400000； 3.重庆城市交通开发投资(集团)有限公司， 重庆 401121； 4.重庆交通大学山区复杂道路环境“人-车-路”协同与安全重庆市重点实验室， 重庆 400074)

互通式立交是高速公路网系统中的重要组成部分，能够连接不同方向的道路，减少了平面交叉中的冲突点，保证交通的安全的同时，提高道路的通行能力。纵向加速度是车辆在行驶方向上的加速度分量，主要控制车辆的加速行驶和减速制动，直接反映了车辆的动力性能。车辆在互通立交区域行驶的过程中，匝道平面线形会影响其横向和纵向加速度，若匝道平面线形不合理，会影响驾驶员的判断与正常驾驶，驾驶员频繁的采取变速操作，直接影响了车辆的行驶安全性和行车舒适性，导致交通安全事故的发生。而现有设计规范多是强调车辆运行速度或设计速度，较少考虑汽车纵向加速度，所以需要对立交匝道上车辆行驶的纵向加速度进行研究。

学者们开展了对山路、高速公路等道路的纵向加速度的相关研究工作。Wang等[1]提出驾驶员在停车状态下的直线和转弯动作的加速度关系模型。Da等[2]发现了车辆的纵向与横向加速度均与车辆速度有关，纵向加速度随速度的变化主要有两个阶段，首先是纵向加速度与速度保持稳定，然后纵向加速度随着速度的增加而减小。Mahapatra等[3]得到横向加速度和纵向加减速度分别与速度呈二项指数和线性关系的结论。徐进等[4-5]将环形匝道划分为5个阶段，析了立交进/出口区域的纵向驾驶行为特征，确定了加速长度和减速长度的起/止点分布，还提出车辆在匝道运行过程中的加速度变化模式、驾驶员的车道使用特性等。赵晓翠等[6]提出驾驶员在进入立交减速车道前的分流区就已经有了减速的行为，且将驾驶员的驾驶行为分为三类。胡江碧等[7]从人车路与环境的互动关系角度，分析高速公路立交区车辆的行驶速度、行驶轨迹以及驾驶员的眼动特性。还有很多学者对互通立交的结构进行了深入的研究。刘军等[8]、史静等[9]、马香娟等[10]、余晓东[11]、林雨等[12]分别从设计规范、行车安全理论、驾驶行为、运行特性、效益成本等研究了立交匝道变速车道长度问题。王海君等[13]分析了减速车道长度取值的合理性，并对不同匝道设计速度的减速车道长度给出建议值。吴国雄等[14]通过对高速公路车辆行驶各轴向加速度的峰值累积频率曲线、特征分位值和均方根值进行分析，提出道路和车况条件会导致轴向加(减)速度出现差别，即纵向行驶舒适性会受到影响。乔建刚等[15]通过模拟驾驶实验得到高速公路双车道匝道出口处小客车运行速度、横纵向加速度与出口匝道里程关系。

现有的汽车纵向加速度研究主要是对山区和高速公路行驶过程中的车辆进行研究，在实车试验过程中大多没有对驾驶员进行分类，较少分析不同驾驶员的驾驶行为对汽车纵向加速度的影响。基于此，现将驾驶员进行分类，具体为冒险型驾驶员、焦虑型驾驶员和愤怒型驾驶员，并加以性格区分。试验结果可明确驾驶员个体差异与纵向加速度之间的关系，以期为不同驾驶风格下的行车安全提供理论支持。

1 试验设计

1.1 试验立交

对重庆市南山立交和江南立交进行研究，分别采集了4条迂回式匝道上车辆行驶的速度和加速度值。以上两条立交的道路线型图如图1所示，图1中标示出了迂回式匝道L1～L4，以上匝道均为城市快速路和城市道路的交叉。其中南山立交的匝道L1、L2内环快速路与南山茶园片区道路的连接，江南立交匝道L3、L4为海峡路与向黄路连接，4条匝道的主要技术特性如表1所示。

图1 试验立交示意图Fig.1 Schematic diagram of test interchange

表1 试验匝道的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of experimental ramps

由图1可以看出，南山立交的L1由匝道进入主线一端的出弯距离较短，且离开匝道L1后进入一段交织区，即在很短一段路程有轻微加速后开始减速。这导致出弯加速阶段不明显，所以在出弯加速段纵向加速度的研究中不对匝道L1进行讨论。

1.2 试验驾驶员与车辆

本次试验驾驶员共有33人，其中男性驾驶员17名，女性驾驶员16名，表2为本试验驾驶员的特征数据。本次选取的车辆为北京现代全新胜达车型。

表2 驾驶员特性Table 2 Driver characteristics

1.3 实验仪器与数据处理

采用Speedbox车载测试系统、Mobileye驾驶辅助系统和行车记录仪。Speedbox可以输出速度、三轴加速度及经纬度等数据， Mobileye驾驶辅助系统可输出车辆速度、车道线位置、障碍物信息等数据；行车记录仪可以对实车试验全程录像，为后续试验数据分析提供依据。前两套仪器可以采集车辆速度和加速度等数据，能够有效避免单一仪器缺陷导致数据的缺失或失真，还可以在后续的数据处理过程中将对不同的数据进行相互对比验证，选择最优数据。对仪器采集到的原始数据进行有效数据截取和滤波等处理后，得到不同驾驶风格及不同性格驾驶员的加速度数据。

2 迂回式匝道纵向加速度特性

所研究的4条迂回式匝道分别是南山立交的L1、L2匝道和江南立交的L3、L4匝道。经过对4条匝道的速度曲线进行分析可见，发现车辆在迂回式匝道的行驶过程分为三个阶段，分别为入弯减速阶段(阶段Ⅰ)、稳定行驶阶段(阶段Ⅱ)和出弯加速阶段(阶段Ⅲ)，以江南立交匝道L4为例，如图2、图3所示。

图2 匝道行驶过程分段示意图Fig.2 Section diagram of ramp driving process

图3 匝道L4车辆行驶速度图Fig.3 Speed chart of vehicles on ramp L4

阶段Ⅰ：入弯减速阶段指的是车辆经由直线段过渡到曲线段的减速行驶过程；阶段Ⅱ：稳定行驶阶段指的是车辆减速驶入圆曲线后保持一种相对恒定的行驶状态，车辆行驶速度维持稳定；阶段Ⅲ：出弯加速阶段指的是在将要完成圆曲线行驶时，驾驶员会采取加速的操作来驶出弯道，恢复直线行驶的状态。由于行驶速度三个阶段中稳定行驶阶段加速度特征不明显，因此对纵向加速度的特征分析只考虑阶段Ⅰ、Ⅲ。

2.1 纵向加速度累计频率特性

对每一位驾驶员纵向加速度ax数据滤波去掉毛刺后，提取每条纵向加速度曲线各波形的最大值和最小值，得到峰值纵向加速度和峰值纵向减速度，按降序排列后得到加速度累计频率图。原始数据滤波处理如图4所示，不同驾驶风格和不同性别驾驶员在迂回式匝道上驾驶的纵向加速度累计频率如图5和图6所示，当车辆加速时纵向加速度ax>0，车辆制动时ax<0。

图4 原始数据滤波图Fig.4 Raw data filter graph

图5 不同驾驶风格纵向加速度累计频率分布Fig.5 Cumulative frequency distribution of longitudinal acceleration in different driving styles

图6 不同性别纵向加速度累计频率分布Fig.6 Cumulative frequency distribution of longitudinal acceleration in different genders

图5中可以看出同一个匝道上三种类型驾驶员的累计频率曲线重合度较高，这表明同一匝道上不同驾驶风格驾驶员的驾驶行为有较高的趋同性。另外匝道L1、L3减速度分布区间比加速度分布区间占比大，而匝道L2、L4的减速度分布区间比加速度分布区间占比小。这是由于匝道L1、L3为下行匝道，驾驶员为了维持稳定的行驶速度会采取制动措施；匝道L2、L4匝道为上行匝道，所以驾驶员会采取加速措施。迂回式匝道上两种截然不同的加速度分布反映了两种不同的纵向运行状态，这说明了驾驶员在匝道行驶过程中，采取加速/制动措施受匝道线形影响较大。

图6中可以看出男性驾驶员在上行匝道的加速幅值略高于女性驾驶员，下行匝道两者的制动减速度之间的差异更为显著。这是由于女性驾驶员比男性驾驶员谨慎，在行驶过程中其行驶速度往往低于男性驾驶员，在相同限速要求下，女性驾驶员的变速过程没有男性驾驶员激烈。

2.2 入弯减速段纵向加速度特征分析

图7为入弯减速阶段(阶段Ⅰ)示意图，从图7中可以看出，驾驶员在驶入弯道的过程中速度逐渐降低，过了阶段Ⅰ后速度相对稳定，然后加速驶出弯道。提取匝道阶段Ⅰ内的纵向加速度数据，将不同匝道及不同驾驶风格驾驶员分别归类统计， 阶段Ⅰ中不同匝道、性别与驾驶风格的驾驶员减速度累计频率曲线图与典型百分位纵向加速度，以及汽车行驶的减速度特征分位值[16]，如图8和表3所示。

图7 迂回式匝道入弯减速度阶段Fig.7 Roundabout ramp deceleration stage at enter the curve

图8 不同匝道、性别与驾驶风格(阶段Ⅰ)减速度累计频率曲线图Fig.8 Cumulative deceleration frequency curve of different ramp, gender and driving style (stage I)

表3 不同匝道、性别与驾驶风格(阶段Ⅰ)典型百分位纵向减速度Table 3 Typical percentile longitudinal deceleration values for different ramps, genders and driving styles (stage I)

结合表3和图8(a)可以看出在50%分位前驾驶员在匝道L3的制动减速度高于其他三条匝道，50%分位后匝道L1的制动减速度高于其余匝道。这是由于匝道L3连接的两条路线高程相差较大，驾驶员在入弯减速阶段制动减速操作更为频繁，且匝道L1连接内环快速路主线，部分车辆驶入匝道L1时车速仍较快，为保证安全入弯驾驶员会采取更激烈的制动措施。另外，在15%分位后匝道L2、L4的百分位制动减速度值小于匝道L1、L3，且匝道L2、L4最大制动减速度值小于1 m/s。这是由于匝道L2、L4为上行匝道，而匝道L1、L3为下行匝道，在下行匝道中车辆自身重力做功会促进速度的增加，所以需要采取更大的减速度才能减到期望速度。

从图8(b)可以看出，男性驾驶员在迂回式匝道入弯减速段制动的激烈程度高于女性驾驶员，男女性驾驶员制动减速度差距在10～65th百分位之间逐渐加大，65%分位后两者差距逐渐减小。图8(c)可以看出，三种驾驶风格的驾驶员在第10%分位前累计频率曲线相互重叠，第10%分位后冒险型驾驶员制动速度更高；还能看出愤怒型与焦虑型驾驶员的典型百分位纵向加速度差距均小于0.2 m/s，冒险型驾驶员在迂回式匝道阶段Ⅰ制动激烈程度高于愤怒型和焦虑型驾驶员。

2.3 出弯加速段纵向加速度特征分析

图9为出弯加速阶段(阶段Ⅲ)示意图，提取匝道阶段Ⅲ内的纵向加速度数据，将不同匝道及不同驾驶风格驾驶员分别归类统计，文献[16]的加速度特征分位值，以及迂回式匝道阶段Ⅲ中不同匝道、性别与驾驶风格的驾驶员减速度累计频率曲线图与典型百分位纵向加速度如图10和表4所示。

图9 迂回式匝道出弯加速度阶段Fig.9 Roundabout ramp deceleration stageat out of the curve

图10 不同匝道、性别与驾驶风格(阶段Ⅲ)加速度累计频率曲线图Fig.10 Acceleration cumulative frequency curve of different ramp, gender and driving style (stage III)

表4 不同匝道、性别与驾驶风格(阶段Ⅲ)典型百分位纵向加速度Table 4 Typical percentile longitudinal acceleration values for different ramps, genders and driving styles (stage III)

由图10(a)可以看出，匝道L3车辆加速度累计频率曲线与匝道L2、L4差距较大，其中匝道L3行车加速度均小于1 m/s，这是由于匝道L3为下行匝道，出弯行驶过程中车辆自身重力做功会促进速度的增加，从而导致其出弯段加速幅度较小。匝道L2、L4累计频率曲线变化相似，且典型百分位加速度之差小于0.2 m/s，累计频率曲线在第35%分位处交叉，35%分位之后匝道L4加速度略高于匝道L2。

从图10还可以看出，不同性别驾驶员累计频率曲线变化相似，且其典型百分位值差异不大；不同驾驶风格驾驶员的累计频率曲线变化也相似，但冒险型驾驶员的典型百分位加速度值略高于愤怒型与焦虑型驾驶员，三种类型驾驶员的纵向加速度在第15%分位后加速度均高于1 m/s。

中国《公路项目安全性评价规范》(JTG B05—2015)[17]中推荐的纵向加速度取值范围是0.15 ～ 0.5 m/s，但该规范并没有对加速度和减速度进行区分。根据本文研究的结果，4条匝道的入弯减速段的纵向减速度值在第85%分位值的分布范围是0.75～1.425 m/s，出弯加速段的纵向加速度值在85%分位值的分布范围是0.557～1.597 m/s，远大于规范推荐的纵向加速度取值范围，根据本文研究的结果，取整后的第85%分位加、减速度值应分别为1.5、1.6 m/s。文献[16]分别对7条山区公路进行实车试验后得到的结果为第85%分位的加、减速度值应该分别为0.6、0.85 m/s。经分析可知，文献[16]与本文研究中进行实车试验后纵向加速度值范围相差较大的原因为本次试验道路为高速公路匝道，且以上匝道与城市快速路相连，所以行车速度相对山区道路行车速度快，所以加/减速度的幅值都更大。

3 纵向行驶舒适性

乘坐车辆时感到不适会导致乘客和司机的出行体验，加剧司机的疲劳，增加交通意外的风险。所以需要对匝道的行驶舒适性进行分析。表5为文献[16]中修订的纵向加速度阈值的具体范围。为统计匝道各阶段对应舒适性阈值所在百分位表7为区分驾驶员性别和驾驶风格等因素后迂回式匝道纵向加速度的行驶舒适阈值百分位。

表5 纵向加速度舒适性评价阈值Table 5 Comfort evaluation threshold of longitudinal acceleration

表6中匝道L1的出弯加速阶段受匝道线形的限制，出弯加速度特征不明显所以不做统计。匝道L1的入弯减速阶段行驶舒适性较差。原因是匝道L1连接的道路为内环快速路主线，车辆从主线驶入匝道时，速度往往较快，所以会采取更加激烈的制动措施，导致舒适感较差；匝道L3出弯加速阶段的行车加速度舒适性优于匝道L2和匝道L4，原因是匝道L3为下行匝道，行车视距更好，所以出弯加速度的幅值较低；总体来说，匝道L1、L3整体行驶舒适性较好，匝道L2、L4出现了行驶不舒适的现象。

表6 不同匝道行驶舒适性阈值百分位Table 6 Percentile of comfort threshold for different ramps

从表7可以看出，女性驾驶员行驶舒适性略高于男性驾驶员；入弯减速段行驶舒适性优于出弯加速段，出弯加速阶段行驶条件的改善并未带来良好的行车体验，原因是出弯加速阶段行驶条件改善会给驾驶员更大的空间发挥，更开放的驾驶行为导致了行驶舒适性的下降；冒险型和焦虑型驾驶员在出弯加速阶段行驶不舒适占比接近50%，原因是两种类型驾驶员在加速出弯阶段表现出更强的加速欲望从而导致了行驶舒适性的下降。

表7 不同类型驾驶员匝道行驶舒适度Table 7 Driving comfort of different types of drivers

4 结论

(1)驾驶员在匝道行驶的入弯减速过程中，下行匝道的制动减速度高于上行匝道的制动减速度；其中男性驾驶员制动减速激烈程度高于女性驾驶员，冒险型驾驶员制动减速的激烈程度高于其他类型的驾驶员。

(2)下行匝道纵向加速度较小，不同类型驾驶员的出弯加速度累计频率曲线相似，其中冒险型驾驶员的加速幅度略高于愤怒型与焦虑型驾驶员。

(3)对于匝道行驶舒适性，下行匝道的行驶舒适性大于上行匝道的行驶舒适性，女性驾驶员行驶舒适性略高于男性驾驶员，入弯减速段行驶舒适性优于出弯加速段，冒险型和焦虑型驾驶员出弯加速阶段行驶不舒适占比接近50%。

(4)根据本试验的结果，江南立交和南山立交四条匝道入弯减速段的纵向减速度在第85%分位值的分布范围是0.75～1.425 m/s2，出弯加速段的纵向减速度在第85%分位值的分布范围是0.557～1.597 m/s2，远大于《公路项目安全性评价规范》中推荐的0.15～0.5 m/s2，所以江南立交和南山立交匝道的行驶舒适性有待提高。