“二十四道拐”盤山公路車輛行駛軌跡研究

陳柳曉, 唐伯明, 張 勃, 向 浩

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 馬蒂亞斯國際設計學院，重慶 400074)

“二十四道拐”盤山公路憑借其特殊的時代背景及巧奪天工的線形設計享譽國內外。二戰時其與滇緬公路、中印公路及“駝峰航線”共同組成了中國抗戰的交通運輸生命線。學者們通過對“二十四道拐”盤山公路的歷史底蘊、文化內涵、人文情懷進行研究[1-9]，賦予了這條抗戰公路以鮮明的形象。其別具一格的展線方式及確保車輛行駛安全的能力同樣值得學界深入研究。

筆者基于對“二十四道拐”盤山公路線形數據勘察和研究的背景，應用UC-win/Road仿真軟件模擬了“二十四道拐”盤山公路真實場景。通過駕駛模擬分析車輛在“二十四道拐”盤山公路彎道路段的行車軌跡變化規律和行駛沖突區域，以驗證“二十四道拐”盤山公路的行車安全性。

1 行駛軌跡對行車安全影響

車輛行駛軌跡是探究行車安全性的重要參數，該參數可用于表征車輛行駛過程中的駕駛行為和運行狀態[10-12]。行駛過程中，駕駛員根據不同道路條件、交通狀況、身體特性及車體性能，采取不同的行駛路線。在各類因素的綜合作用下，可能會導致實際行駛軌跡與公路設計者所期望的線形軌跡不協調等情況出現。因此，駕駛員通常采用減速或者占據對向車道行駛以彌補車輛在轉彎過程中產生的離心加速度，達到將車輛調整至駕駛員所期望的軌跡。

“二十四道拐”盤山公路受地形地質等因素限制，各彎道線形指標采用極限值甚至超出極限值情況，全線存在多處急彎陡坡、視距受限等安全隱患。我國公路線形設計指標是根據設計速度計算而得。針對盤山公路這一特殊案例，當超限指標若無法滿足行車安全性，或駕駛員期望行駛特征無法與公路線形相一致時，容易誘發車輛碰撞、側翻、翻落懸崖等惡性交通事故[13-14]。因此，筆者分析了“二十四道拐”盤山公路線形設計能否滿足駕駛員所期望的行駛軌跡展線，連續彎坡組合能否有效引導車輛通行，這是評價“二十四道拐”行車安全性重要的依據。

2 實驗設計

2.1 UC-win/Road軟件

UC-win/Road是一款實時虛擬顯示軟件。通過電腦操作，能制作出如同身臨其境的虛擬現實場景(Virtual-Real)，從而為工程設計、施工和道路安全評估提供有力的技術支持[15]。

UC-win/Road的基本功能是利用簡單操作生成公路、隧道、橋梁、河流、海洋、飛行路徑等多種現實交通場景。通過輸入道路平面線形、縱斷面線形、定義斷面形式、設置挖填方及材質、設置交通流及天氣、模擬信號燈及道路障礙物等操作，可有效地實現道路仿真。

筆者利用UC-win/Road中的“LogPlugin.bpl”插件獲得仿真數據。該插件主要功能是將駕駛車輛、駕駛車輛前方車輛和其他移動對象的信息通過csv文件、UDP流文件形式輸出LOG數據表。LOG輸出的開始和結束可手動或與場景同步，在完成駕駛模擬后，LOG數據表自動保存至安裝文件夾，所得文件可以通過Excel表格打開。

2.2 GMC十輪大卡

“二戰”時期，“二十四道拐”盤山公路上運輸援華戰略物資的載重貨車為美式GMC十輪大卡(圖1)。GMC十輪大卡基本參數為：GMC軍方編號為CCKW-353，長度為6.93 m，寬度為2.32 m，高度為2.24～2.80 m，驅動引擎采用GMC270型4.4 L 6缸汽油發動機，輸出功率最大為76.5 kW，最高行駛速度可達71 km/h，最大行駛里程為385 km。該車型爬坡性能良好，載重標準為2.5 t，即使托載兩倍載重能力的大炮和8 t重炮彈時，仍能飛馳向前。

圖1 GMC十輪大卡Fig. 1 GMC truck

筆者在仿真模擬時，依據GMC十輪大卡的性能參數設計了仿真車輛，用以還原“二戰”時期援華物資在“二十四道拐”盤山公路上的行駛場景，如圖2。

圖2 GMC十輪大卡仿真車型Fig. 2 Simulation model of GMC truck

2.3 仿真場景建立

筆者多次前往貴州晴隆縣對“二十四道拐”盤山公路線形參數及所處地形地貌進行勘察，并獲得全線近4km的線形數據，共克服高差265 m，包括24個回頭曲線，最小圓曲線半徑8.125 m(第11拐)、最大縱坡14.7%(第6拐)。將獲得的“二十四道拐”盤山公路基本線形參數輸入到UC-win/Road中，并在對應位置處設立擋土墻、涵洞、排水溝、路標及道路附屬物，最終建立的仿真場景如圖3。

圖3 “二十四道拐”盤山公路仿真效果Fig. 3 Simulation renderings of “24-zigs” mountain road

2.4 實驗方案

利用UC-win/Road實現“二十四道拐”盤山公路3D建模后，筆者通過交通系統仿真研究了GMC十輪大卡在“二十四道拐”上的行駛特性。車型選用重貨車，并設置其在“二十四道拐”盤山公路上的交通流情況。本實驗所用樣本容量為60，即共記錄60組車輛行駛數據，每組數據分為上、下行兩部分，完成60輛仿真車輛上行方向模擬駕駛后，進行下行方向模擬駕駛。具體實驗流程如圖4。

圖4 仿真實驗流程Fig. 4 Simulation experiment process

為較好地描述整條公路彎道路段行駛軌跡特性，實驗數據采用斷面觀測法，即在完成所有實驗車輛駕駛模擬后所得的LOG報告中篩選出每個彎道特定位置的觀測斷面。觀測斷面所截的行駛軌跡點與道路中心線橫向距離反應該特征點的空間位置。因“二十四道拐”盤山公路修筑時并沒有緩和曲線概念，因此選擇斷面不包含傳統的ZH(直緩)、HY(緩圓)等點。為便于實驗研究，筆者結合“二十四道拐”盤山公路實際情況在各個彎道上選取7個橫斷面數據，分別定義為A點(位于直線段駛入圓曲線前)、ZY點(直線段與圓曲線相接處)、B點(ZY與QZ的中點)、QZ點(圓曲線中點)、C點(AQ與YZ的中點)、YZ點(圓曲線與直線段相接處)、D點(位于圓曲線駛出后所接直線段上)，將道路中心線定為基準線，各觀測點間距相同，具體觀測斷面布置如 圖5。

圖5 觀測斷面布置Fig. 5 Observation cross-section layout

為簡化數據與分析，筆者作如下說明：① 車輛在行車方向右側車道上行駛，分別對上、下行的觀測斷面進行編號，其順序與行駛方向相一致，如圖6；② 行車軌跡由車輛行駛過程中重心位置連接所得的線形軌跡表征，并觀測重心線形軌跡與基準線(道路中心線)間的偏移情況；③ 無論上、下行方向，車輛向道路中心線左側偏移時，偏移量記為“負值”，向右側偏移時，記為量取“正值”；④ 借鑒道路設計一致性評價中應用85%位車速作為特征值這一措施[16]，選取第85%位行駛軌跡偏移量作為特征值，以分析上、下行方向各彎道路段不同觀測點的行車軌跡分布規律；⑤ 考慮總體數據量較大，筆者僅選取半徑為12 m以下的彎道(第7～19拐)進行數據分析，并將上、下行方向數據再分為左轉彎和右轉彎兩類。

圖6 觀測斷面編號示意Fig. 6 Numbering indication of observation cross-sections

3 彎道路段車輛行駛軌跡變化規律

3.1 上行方向行駛軌跡變化

仿真車輛行駛軌跡變化規律見圖7，行駛軌跡在各彎道第85%位橫向偏移量見表1。

圖7 上行車輛行駛軌跡第85%位橫向偏移量Fig. 7 85% lateral deviation of upstream vehicle driving trajectory

由圖7可見：試驗車輛上行過程中經過各彎道時，行駛軌跡橫向偏移情況基本呈現同一趨勢。車輛左轉彎時，入彎至出彎過程呈現“左偏-右偏”，即車輛駛入圓曲線路段后產生橫向偏移，在圓曲線路段內由“偏向對向車道”轉為“偏向自身車道”，出彎時保持一定橫向偏移，上行車輛左轉彎過程中總體偏移量較小，均可在自身車道內完成轉向；車輛右轉彎時，入彎至出彎過程呈現“右偏-左偏”，入彎段橫向偏移量較小，在圓曲線路段內大幅度偏向左側(對向車道)，其中在第7、9、11、13拐處橫向偏移量較大，駛出彎道后同樣有較大橫向偏移量。

上行車輛轉彎過程動態行駛過程總體呈現為由向彎道內側偏移轉為向外側偏移。橫向偏移量與半徑值呈反比，圖7(a)中第11拐橫向偏移幅度顯著大于其余彎道路段，觀測斷面4～5的橫向偏移量差值達172.29 cm。該處彎道半徑為全線最小值(8.125 m)，最大縱坡可達13.64%。極限彎坡組合導致駕駛員在轉彎過程中離心力加大，需時刻保持警惕和低速。

3.2 下行方向行駛軌跡變化

仿真車輛行駛軌跡變化規律見圖8，行駛軌跡在各彎道第85%位橫向偏移量見表2。

圖8 下行車輛行駛軌跡第85%位橫向偏移量Fig. 8 85% lateral deviation of downstream vehicle driving trajectory

由圖8可見：試驗車輛下行過程中經過各彎道時，行駛軌跡橫向偏移情況基本呈現同一趨勢。車輛左轉彎時，入彎至出彎過程呈現“向左偏移”的趨勢，入彎時橫向偏移量較小，但出彎時橫向偏移量發生突變，由“在自身車道內行駛”轉為“偏向對向車道”，第8、10拐出彎時該現象顯著；車輛右轉彎時，入彎至出彎過程呈現“左偏-右偏”，即車輛駛入圓曲線路段后由左偏轉為右偏，出彎時保持一定的橫向偏移，總體偏移量較小，車輛均可在自身車道內完成轉向。

下行車輛轉彎過程的動態行駛過程總體呈現為由向彎道外側向內側偏移。車輛在第10拐處出彎時橫向偏移幅度顯著大于其余彎道，觀測斷面4～6的橫向偏移量差值達157.07 cm。該處彎道半徑為10.40 m，最大縱坡達13.17%。此外，這一彎道與其垂直方向對應彎道(第13拐)高差為8.44 m，車輛行駛過程中需通過減速減小離心力、爬坡及上方彎道影響。

4 彎道路段行車沖突區域分析

“二十四道拐”盤山公路因位處埡口地段，受地形限制存在轉彎半徑、行車視距與路段的運行速度不匹配情況?；谏鲜鰧Α岸牡拦铡北P山公路行車特性分析可知：車輛通過小半徑彎道路段時，會采取占用對向車道實現轉彎，由此保證其行車安全和較高運行效率。這一行為將導致雙向車道內行駛軌跡出現相交區域，亦即行駛軌跡沖突區域[17]。對向車輛行駛軌跡相交易誘發車輛刮擦、碰撞甚至翻車等嚴重事故。

4.1 上、下行方向行駛軌跡對比

通過分析車輛上、下行過程中各觀測斷面的行駛軌跡規律，獲得各彎道行車沖突區域。為表征最不利行車沖突情況，提取各觀測斷面最大偏移值進行分析，下行方向各斷面編號轉與上行方向對應，以下分析過程中斷面編號以上行方向為主。

由彎道路段車輛行駛軌跡變化規律可知：車輛在第7、8、9、10、11、13拐處上下行駛時存在較大偏移量。筆者統計這6拐處的各觀測斷面最大偏移量如表3，通過對比這6拐處上、下行方向各個斷面行駛軌跡偏移量，得到各拐處上、下行方向的最大偏移量變化曲線如圖9，從而分析行駛軌跡沖突區域。

表3 各彎道最大橫向偏移量 Table 3 The largest lateral deviation of each curve cm

圖9 各彎道最大橫向偏移量Fig. 9 The largest lateral deviation of each curve

由圖9(a)、(b)可看出：小半徑彎道中，車輛左轉彎時位于入彎路段的沖突較大，從觀測斷面1開始，對向行駛的車流逐漸相交，通過斷面3后兩車流再次回到自身車道，其中斷面2處上、下行方向車流沖突最大。由圖9(c)～(f)可知：車輛右轉彎時位于出彎路段沖突較大，由斷面4起，雙向車流逐漸相交，通過斷面6后兩車流再次回到自身車道，其中第7、9、11拐斷面5處上、下行方向車流沖突最大，第13拐觀測斷面6處上行方向與下行方向車輛存在的沖突較大。

4.2 “二十四道拐”盤山公路行車沖突區域分析

基于對“二十四道拐”盤山公路各彎道路段行車軌跡規律分析，當雙向行駛車輛在同一斷面產生橫向偏移時，第10、11拐兩彎對向車流交織情況最為不利。因此，選取第10、11拐橫向偏移數據繪制上、下行方向車輛行駛軌跡線，如圖10。

圖10 彎道路段車輛行駛軌跡示意Fig. 10 Driving trajectory indication of vehicle in curved section

通過雙向車輛行駛軌跡示意，可獲得對向交通流沖突區域(圖11)。

圖11 彎道行車沖突區域示意Fig. 11 Indication of conflict zones on curved roads

根據圖11可知：上、下行方向對應的行車沖突區域存在差異。以左轉彎為例，上行方向對向車輛的主要沖突區域位于斷面1、2，即車輛初始入彎道時容易與對向車輛產生軌跡交叉；下行方向對向車輛的主要沖突區域位于斷面2、3，即部分車輛駛入圓曲線時，占用對向車道完成轉向。而大部分車輛基本能在自身行駛車道內完成轉彎。

“二十四道拐”盤山公路修筑于“二戰”時期，修路過程存在勘測手段有限、筑路器械匱乏、爆破火藥短缺、人力資源不足等問題；再加之該路地處晴隆山與磨盤山之間的埡口地帶，地形復雜且展線困難。因此，就地選線“二十四道拐”是當時最為妥善的方案。在諸多不利因素作用下，該公路線形設計與車輛行駛軌跡實現最大程度契合，盡可能地為確保戰時物資及時運至前線，為抗戰勝利爭取了寶貴的時間。

5 結 論

1)采用UC-win/Road模擬駕駛行為，分析了車輛在“二十四道拐”盤山公路上的行駛軌跡特性。全線大部分彎道能實現車輛在自身車道內完成轉彎。第7～11、13拐處其橫向偏移量相對較大。其中，第10、11拐線形指標超出設計規范極限值，其側向位移分別達172.29、157.07 cm。

2)由行駛軌跡特性可明確各彎道路段行車沖突區域。上行行車入彎直線段，下行行車出彎圓曲線段，對向車輛發生沖突可能性較大。駕駛員在通過這兩處彎道時，需時刻保持警惕，注意對向來車并控制自身行駛速度。

3)筆者結合前期對“二十四道拐”盤山公路線形設計一致性分析及事故預測，證明了當線形設計采用極限指標及超限指標時，“二十四道拐”盤山公路能較好保證戰時援華物資運輸車輛的行車安全，能為現階段山區高速公路修筑提供設計啟示和技術借鑒。