基于車軸圖譜的城市道路汽車運(yùn)行軌跡特性分析*

孫 超 寇 越 田 林

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院 煙臺(tái) 264005)

城市道路交通安全及通行能力受人、車、路、環(huán)境多種因素影響，其中汽車運(yùn)行速度及汽車運(yùn)行軌跡將直接影響城市道路交通安全及通行能力。車輛運(yùn)行速度和行車軌跡是行車安全性和舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前道路安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以運(yùn)行車速一致性檢驗(yàn)為主流，評(píng)價(jià)指標(biāo)單一。當(dāng)前城市道路主要通過限制車輛運(yùn)行速度來提高交通安全水平，行車軌跡對(duì)城市道路交通安全及通行能力影響研究較少，因此，分析和研究汽車運(yùn)行軌跡特性，針對(duì)汽車運(yùn)行軌跡特性設(shè)置相應(yīng)的交通安全設(shè)施，對(duì)提高城市道路交通安全及通行能力具有重要意義。

Y．Pan和H.R.Kerali[1]通過對(duì)自行車對(duì)機(jī)動(dòng)車速度的影響的研究，建立了機(jī)動(dòng)車速度預(yù)測模型。Glennon等[2]采用攝影測量技術(shù)采集車輛的行車軌跡。研究發(fā)現(xiàn)行車軌跡線是1條復(fù)雜的曲線，即使在平面線形設(shè)計(jì)良好的曲線上車輛也不會(huì)嚴(yán)格按照行車道中心線行駛。良好的行車軌跡取決于駛?cè)肭€前的車輛初始位置和車輛駛?cè)肭€的速度。Garcia等[3]采用圖像識(shí)別技術(shù)采集車輛行車軌跡。根據(jù)行車軌跡的側(cè)向偏移量、車速、曲率及橫向力系數(shù)，定義了反應(yīng)行車軌跡行為的變量。研究發(fā)現(xiàn)不同駕駛員的行車軌跡，包括曲率和平曲線設(shè)計(jì)曲率存在很大的差異。楊少偉等[4]根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，通過對(duì)公路直線段不同速度、不同車道、不同車型的輪跡分布規(guī)律進(jìn)行研究，認(rèn)為運(yùn)行速度直接影響車輛的行駛軌跡。葛樹玲[5]考慮汽車性能對(duì)行車軌跡的影響，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立了動(dòng)力學(xué)仿真模型，得出道路線形對(duì)行車軌跡影響明顯的結(jié)論。陶鵬飛[6]通過對(duì)駕駛行為中側(cè)向車跟馳行為的研究，建立了模型。熊竹[7]通過研究干線公路交通安全影響因素，道路和環(huán)境雙重因素，結(jié)合AHP法確立各指標(biāo)的權(quán)重，優(yōu)化各指標(biāo)的賦值方法，分別以灰色聚類評(píng)價(jià)和模糊綜合評(píng)價(jià)2種方法建立安全評(píng)價(jià)模型。李晨[8]運(yùn)用駕駛模擬技術(shù)，研究車速和彎道曲率變化率對(duì)行車軌跡的影響，建立了行車軌跡最大側(cè)向偏移量模型，劃定彎道沖突區(qū)域的安全車速閾值。王曉原等[9]運(yùn)用沖突點(diǎn)法，分析在自行車影響作用下機(jī)動(dòng)車駕駛員的行為變化，從車輛跟馳和車道變換2個(gè)角度論述沖突模型，根據(jù)駕駛員在干擾作用下的行為進(jìn)行驗(yàn)證。高振海等[10]研究了道路和交通系統(tǒng)中多因素干擾對(duì)駕駛員的影響，基于模糊決策理論建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括駕駛安全性、合法性和輕便性3種，通過仿真計(jì)算，得出駕駛時(shí)行車軌跡符合駕駛員的預(yù)期動(dòng)態(tài)決策的結(jié)論。羅良鑫等[11]基于人機(jī)工程學(xué)，分析駕駛員信息處理過程，提出了道路限速設(shè)置方法。孫靜怡等[12]通過分析快速路上的主線車速及進(jìn)出口匝道車速特性，提出基于安全性主線車速的約束條件。

為探究城市道路行車軌跡與路側(cè)之間的橫向距離對(duì)車輛運(yùn)行的影響，需先研究城市道路行車軌跡的特征，筆者在煙臺(tái)市濱海東路進(jìn)行行車軌跡樣本采集試驗(yàn)，采用AxleLight RLU11 系列路側(cè)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)路段不同車道的汽車運(yùn)行軌跡、汽車車型、車頭時(shí)距、運(yùn)行速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，分析城市道路不同行車道汽車運(yùn)行軌跡特性。基于試驗(yàn)路段內(nèi)外2條車道車輛橫向距離和運(yùn)行軌跡特性，將為城市道路交通安全設(shè)施的設(shè)置提供理論依據(jù)，以期提高城市道路交通運(yùn)行安全。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究城市道路汽車運(yùn)行軌跡特征，在煙臺(tái)市濱海路進(jìn)行汽車運(yùn)行軌跡樣本采集試驗(yàn)，采用AxleLight RLU11 系列路側(cè)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)路段內(nèi)外2個(gè)車道的汽車運(yùn)行軌跡、汽車車型、車頭時(shí)距、運(yùn)行速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)天氣狀況良好，試驗(yàn)路段交通狀況和交通環(huán)境正常，試驗(yàn)路段線形為大半徑圓曲線路段，采集的數(shù)據(jù)包括試驗(yàn)路段2個(gè)行車道的汽車運(yùn)行位置樣本，采集的數(shù)據(jù)來計(jì)算橫向距離D85，D85為汽車運(yùn)行軌跡距離路側(cè)邊緣的距離，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

注：車道類別中車道1表示雙車道中的內(nèi)側(cè)車道，車道2表示雙車道中的外側(cè)車道；位置指汽車軌跡中心線與路側(cè)的距離；車型中4為大型客車，7為小客車。

圖1為AxleLight RLU11 系列路側(cè)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)得到的不同車道的車軸圖譜。其中，豎線為不同車道不同車輛運(yùn)行軌跡與路側(cè)的橫向距離，通過SPSS處理這些數(shù)據(jù)，研究城市道路汽車運(yùn)行軌跡特征。

圖1 不同車道車軸圖譜分析

1.2 不同車道汽車運(yùn)行軌跡與路側(cè)的橫向距離D85計(jì)算

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)采集的運(yùn)行軌跡樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，繪制了試驗(yàn)路段內(nèi)外2個(gè)行車道的運(yùn)行軌跡橫向距離累積頻率曲線，從而得到試驗(yàn)路段不同行車道的汽車橫向距離D85。

試驗(yàn)路段行車道及外行車道汽車橫向距離累積頻率曲線見圖2，累計(jì)頻率為85%百分位對(duì)應(yīng)的內(nèi)外行車道汽車橫向距離D85分別為7.9 m和4.5 m。

圖2 橫向距離累積頻率曲線

2 試驗(yàn)路段汽車運(yùn)行軌跡特性分析

2.1 汽車運(yùn)行軌跡位置分析

通過SPSS繪制了車輪軌跡位置與路側(cè)橫向距離位置直方圖[13-14]，見圖3。試驗(yàn)路段采集試驗(yàn)車輛樣本量為498輛，由橫向距離直方圖得到，內(nèi)車道車輛數(shù)量大于外車道，說明大多數(shù)駕駛員選擇在內(nèi)車道行駛。外側(cè)行車道汽車橫向距離大多數(shù)分布于4～5 m(單側(cè)車輪與路側(cè)之間的距離)，內(nèi)側(cè)行車道汽車橫向距離大多數(shù)分布于7～8 m。將此數(shù)據(jù)與車輛寬度數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)汽車軌跡線居于車道中心線范圍內(nèi)，說明大多數(shù)駕駛員選擇沿行車道中心線軌跡行駛。

圖3 橫向距離位置直方圖

2.2 汽車運(yùn)行軌跡位置與運(yùn)行速度關(guān)系模型

內(nèi)側(cè)車道橫向距離位置與運(yùn)行速度曲線見圖4，通過回歸分析得內(nèi)側(cè)車道運(yùn)行軌跡位置與路側(cè)橫向距離D與運(yùn)行速度v存在一定的相關(guān)性，見表2。

圖4 內(nèi)側(cè)車道橫向距離位置與運(yùn)行速度曲線

表2 內(nèi)側(cè)車道汽車行車軌跡位置與運(yùn)行速度v相關(guān)性分析表

通過數(shù)學(xué)建模得到運(yùn)行軌跡位置與路側(cè)橫向距離D與運(yùn)行速度v關(guān)系模型，內(nèi)側(cè)車道橫向距離D與運(yùn)行速度v關(guān)系模型見式(1)。

D=-2×10-5v3+0.002 4v2-0.107 1v+8.900 6

(1)

式中：D為運(yùn)行軌跡位置與路側(cè)橫向距離，m；v為汽車運(yùn)行速度，km/h。

圖5 外側(cè)車道橫向距離位置與運(yùn)行速度曲線

外側(cè)車道橫向距離位置與運(yùn)行速度曲線如圖5，通過回歸分析得外側(cè)車道運(yùn)行軌跡位置與路側(cè)橫向距離D與運(yùn)行速度v存在一定的相關(guān)性，見表3。

表3 外側(cè)車道汽車行車軌跡位置與運(yùn)行速度v相關(guān)性分析表

通過數(shù)學(xué)建模得到外側(cè)車道運(yùn)行軌跡位置與路側(cè)橫向距離D與運(yùn)行速度v關(guān)系模型，如式(2)。

D=-6×10-6v3+0.000 2v2+0.070 1v+1.042 3

(2)

式中：D為運(yùn)行軌跡位置與路側(cè)橫向距離，m；v為汽車運(yùn)行速度，km/h。

通過對(duì)內(nèi)外車道汽車運(yùn)行軌跡與運(yùn)行速度回歸分析和數(shù)學(xué)模型的建立，汽車運(yùn)行軌跡隨著運(yùn)行速度的增加逐漸靠近內(nèi)行車道中心線。內(nèi)側(cè)車道中心線處汽車運(yùn)行速度集中區(qū)間為55～80 km/h，運(yùn)行速度較快；外側(cè)車道中心線處汽車運(yùn)行速度集中區(qū)間為50～70 km/h，運(yùn)行速度較內(nèi)側(cè)車道較慢。

3 結(jié)語

采用AxleLight RLU11 系列路側(cè)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分車道采集試驗(yàn)路段汽車運(yùn)行軌跡樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同車道的汽車橫向距離D85，通過分析顯示，內(nèi)側(cè)車道行駛速度快，駕駛員大多數(shù)偏向選擇在內(nèi)側(cè)車道運(yùn)行。基于試驗(yàn)路段內(nèi)外2條車道車輛橫向距離和運(yùn)行軌跡，可得內(nèi)側(cè)行車道受非機(jī)動(dòng)車道和路肩上的行人和非機(jī)動(dòng)車影響比外行車道小，駕駛員偏向選擇在內(nèi)側(cè)車道中心線行駛，以期望較高的運(yùn)行速度及安全性?；谠囼?yàn)路段內(nèi)外2條車道車輛橫向距離和運(yùn)行軌跡特性，可為城市道路交通安全設(shè)施的設(shè)置提供理論依據(jù)，以提高城市道路交通運(yùn)行安全。