基于實(shí)車駕駛試驗(yàn)的螺旋匝道小客車縱向駕駛行為研究*

于志剛，徐 進(jìn),2，王從明，蔣 艷

(1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，四川 成都 610218；2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車-路”協(xié)同與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074；3.四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000)

0 引言

在各種展線方式中，螺旋展線可在狹促空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)路線快速升高/降低，被廣泛運(yùn)用于山區(qū)和城市道路、橋梁、互通立交、倉(cāng)儲(chǔ)物流通道和停車設(shè)施設(shè)計(jì)。根據(jù)交通轉(zhuǎn)換特征，采用螺旋線的路段可分為螺旋匝道和螺旋橋2種，即匝道型和橋型。匝道型常見(jiàn)于橋頭立交，比如上海南浦大橋、涪陵長(zhǎng)江一橋、涪陵烏江二橋等跨江大橋的橋頭立交匝道，車輛從主線上分流進(jìn)入螺旋匝道；橋型多見(jiàn)于1條道路的跨高差部分，比如重慶融僑大道螺旋橋，太原天龍山旅游公路螺旋橋和日本的Nanadaru螺旋橋，螺旋橋與前后銜接的路段都屬于同一條道路，不存在交通轉(zhuǎn)換。

關(guān)于互通立交匝道的駕駛行為和交通運(yùn)行特性，現(xiàn)有研究主要集中在互通進(jìn)出口區(qū)域的車輛運(yùn)行特征，包括不同類型車輛在進(jìn)出口變速車道上的加速和減速特性、軌跡特征、駕駛?cè)搜蹌?dòng)特性和注意力分配，匝道匯入信號(hào)控制以及交織區(qū)或集散車道上的車輛運(yùn)行特性和安全性，匝道減速標(biāo)線對(duì)速度選擇行為的影響[1-9]。

學(xué)者還針對(duì)匝道線本身的運(yùn)行特性進(jìn)行研究分析：文獻(xiàn)[10]通過(guò)用智能手機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)大型車在苜蓿葉型互通立交環(huán)形匝道上的側(cè)向穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[11]采用仿真手段分析匝道坡度對(duì)大型車行駛速度的影響；文獻(xiàn)[12]分析視頻圖像得到車輛在苜蓿葉型立交和喇叭口立交匝道上的行駛速度特征。部分學(xué)者基于事故數(shù)據(jù)分析立交構(gòu)型和設(shè)計(jì)參數(shù)(比如匝道半徑和長(zhǎng)度、路肩寬度、變速車道長(zhǎng)度等)對(duì)事故頻次的影響[13]:文獻(xiàn)[14]從駕駛?cè)艘暯墙⒁詭缀我貫樽宰兞康牧⒔粡?fù)雜度模型;徐進(jìn)等[15]在螺旋橋上開(kāi)展自然駕駛試驗(yàn)，分析螺旋匝道的橫向駕駛行為，包括橫向加速度的幅值分布、橫向加速度與匝道半徑之間的相關(guān)性以及螺旋匝道上的車道使用特性。

綜上，現(xiàn)有研究主要集中于常規(guī)形式互通立交及其匝道，鮮有文獻(xiàn)涉及螺旋立交匝道和螺旋橋。而螺旋匝道和螺旋橋具有恒定半徑、單一坡度、轉(zhuǎn)角值大(多為720°以上，即連續(xù)盤旋2圈以上)、橋面架空高等特點(diǎn)，共同構(gòu)成螺旋橋獨(dú)具特色的運(yùn)行環(huán)境。此類行駛環(huán)境下的交通運(yùn)行特征和駕駛行為，比常規(guī)互通立交匝道或一般曲線橋具有顯著差異。

基于此，本文開(kāi)展實(shí)車駕駛試驗(yàn)，采集立交螺旋匝道(螺旋橋)的車輛運(yùn)行參數(shù)和駕駛操縱量的連續(xù)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)自然駕駛數(shù)據(jù)進(jìn)行特征指標(biāo)提取、聚類以及統(tǒng)計(jì)分析，明確螺旋匝道范圍內(nèi)以及前后銜接段的縱向駕駛行為特征和車輛運(yùn)行狀態(tài)，為螺旋匝道(螺旋橋)的速度管理、幾何設(shè)計(jì)以及后評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 研究方案

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和對(duì)象

本文實(shí)車駕駛試驗(yàn)對(duì)象為涪陵長(zhǎng)江一橋南橋頭立交螺旋匝道、烏江二橋西橋頭立交螺旋匝道、金凱裝飾城環(huán)形高架和融僑大道螺旋橋，如圖1所示。前2座螺旋匝道均是為了克服大橋引橋和濱江路的高差所設(shè)置，其中烏江二橋引橋與濱江路之間的高差為34 m，長(zhǎng)江一橋與濱江路的高差為61 m；融僑大道螺旋橋的地形最大高差為56.66 m。4處試驗(yàn)對(duì)象的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)對(duì)象路面狀況良好，標(biāo)線清晰，路側(cè)設(shè)施齊備。

圖1 2座螺旋橋和2座螺旋匝道示意Fig.1 Schematic diagrams of two helical bridges and two helical ramps

表1 試驗(yàn)對(duì)象主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of test sites

駕駛試驗(yàn)的時(shí)間段為10∶00～17∶00，避開(kāi)早晚高峰，為自由流行駛，但偶有被前方慢行車輛阻滯的情況。試驗(yàn)期間沒(méi)有大風(fēng)、雷電、暴雨等極端天氣。

1.2 被試(駕駛員)

招募16位駕駛員有償參與本文實(shí)車駕駛試驗(yàn)，駕駛員年齡為23～57歲，平均年齡38歲。駕駛試驗(yàn)前告知駕駛員按照其平時(shí)駕駛習(xí)慣操作車輛，有駕駛?cè)瞬皇煜ぴ囼?yàn)車輛時(shí)，在正式記錄數(shù)據(jù)之前讓其在試驗(yàn)路段以外的路線上駕駛一定時(shí)間，對(duì)于大多數(shù)駕駛?cè)硕裕?0 min的預(yù)熱便可熟悉車輛操作。

1.3 試驗(yàn)車輛和儀器

試驗(yàn)首先使用車載航姿測(cè)量系統(tǒng)(GPS和貫導(dǎo)IMU的組合)采集汽車行駛速度。但在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，汽車行駛在地面層和地上1層時(shí)，由于衛(wèi)星信號(hào)被上層橋面板遮擋，車載GPS在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于信號(hào)丟失狀態(tài)，貫導(dǎo)有效補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間段有限，導(dǎo)致螺旋匝道范圍內(nèi)的部分速度數(shù)據(jù)失真。因此在后續(xù)試驗(yàn)選用非接觸式測(cè)速儀采集行駛速度，該測(cè)速儀使用激光多普勒原理測(cè)量車輛相對(duì)于路面的移動(dòng)速度，不受多層橋面板影響。用2個(gè)行車記錄儀分別攝錄車輛前后行駛環(huán)境和路面狀況信息，用踏板力傳感器采集駕駛員施加在加速踏板和剎車踏板上的作用力。試驗(yàn)車輛為7座商務(wù)車，試驗(yàn)車輛和車載儀器示意如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)車輛和車載儀器Fig.2 Experimental vehicles and on-board instruments

1.4 試驗(yàn)流程和數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象所處路網(wǎng)條件、道路設(shè)施和交通組織模式，選擇合適的數(shù)據(jù)記錄起始點(diǎn)和車輛調(diào)頭位置。車輛在起始點(diǎn)啟動(dòng)后開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，途經(jīng)螺旋匝道后繼續(xù)向前行駛至調(diào)頭位置調(diào)轉(zhuǎn)車輛，在返回起始點(diǎn)的過(guò)程中完成相反坡向的螺旋匝道行駛，實(shí)現(xiàn)螺旋匝道上行和下行的1次完整遍歷。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中將速度異常數(shù)據(jù)剔除。

2 行駛速度特征

圖3(a)～(b)給出涪陵長(zhǎng)江一橋南橋頭立交的實(shí)測(cè)速度曲線，圖中同時(shí)標(biāo)注第15，85百分位速度值、速度均值以及限速值。其中，圖3(a)是上行方向行駛速度曲線，由于需要停車等待，左轉(zhuǎn)信號(hào)綠燈亮起之后才能從濱江路左轉(zhuǎn)進(jìn)入螺旋匝道(見(jiàn)圖1(a))，行駛速度在初始位置為0或非常低；圖3(b)是下行方向全部駕駛?cè)说男旭偹偾€；圖3(c)是行駛路線的平面線位情況。從圖3中可以觀察到以下4種現(xiàn)象：

圖3 長(zhǎng)江一橋螺旋匝道的行駛速度曲線以及特征點(diǎn)Fig.3 Driving speed curves and feature points on helical ramp of Yangtze River First Bridge

1)速度在上行匝道范圍內(nèi)有比較輕微的上揚(yáng)趨勢(shì)，說(shuō)明上行匝道的連續(xù)升坡并不會(huì)降低小客車的行駛速度；而在下行匝道范圍內(nèi)，速度有輕度下降，即下行匝道的連續(xù)降坡未導(dǎo)致小客車速度出現(xiàn)趨勢(shì)性升高。

2)不同駕駛?cè)说乃俣确翟谠训纼?nèi)(以上行匝道為例，包括螺旋匝道和螺旋匝道之后的曲線匝道)有一定的離散性，但與橋梁主線路段相比其分布更加集中。表明匝道行駛環(huán)境對(duì)駕駛行為更具有約束性。

3)該匝道設(shè)計(jì)速度20 km/h，限速值也是20 km/h，但實(shí)際行駛速度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)速度和限制行駛速度，上行和下行的第85百分位速度值是設(shè)計(jì)速度的2倍，第15百分位速度超出設(shè)計(jì)速度的1/2，表明駕駛?cè)嗽谠训郎细兄降膶?shí)際行駛環(huán)境與設(shè)計(jì)預(yù)期不一致。

4)上行方向車輛行駛至P1點(diǎn)時(shí)(見(jiàn)圖3(c)中的標(biāo)注)，其余2條匝道以及匝道上的車流進(jìn)入駕駛?cè)艘曇埃{駛?cè)碎_(kāi)始減速，并在合流點(diǎn)結(jié)束減速行為，之后駕駛?cè)碎_(kāi)始加速并將加速行為向前持續(xù)至大橋。下行時(shí)駕駛?cè)嗽跇蛄褐骶€上開(kāi)始減速，經(jīng)過(guò)分流點(diǎn)后繼續(xù)減速行駛，速度最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)U型彎的中點(diǎn)位置，表明線形困難條件下，駕駛?cè)说乃俣冗x擇行為受到線形要素的決定性影響。

圖4(a)是烏江二橋的連續(xù)速度曲線，行駛方向?yàn)閺臉蛄褐骶€駛向西橋頭立交，再?gòu)穆菪训老滦旭偝觯旭偹俣茸兓?guī)律與長(zhǎng)江一橋南橋頭螺旋匝道基本一致。圖4(b)是融僑螺旋橋下行方向的速度實(shí)測(cè)曲線，在螺旋線范圍內(nèi)行駛速度雖有小幅波動(dòng)，但總體趨勢(shì)恒定。

圖4 烏江二橋橋頭立交和融僑螺旋橋的連續(xù)行駛速度曲線Fig.4 Curves of continuous driving speed on bridge head interchange of Wujiang Second Bridge and Rongqiao helical bridge

對(duì)于互通立交而言，環(huán)形匝道也是1類常見(jiàn)的匝道形式，廣泛運(yùn)用于高速公路(或快速路)苜蓿葉形立交和喇叭口立交。重慶市涪陵區(qū)鵝頸關(guān)互通立交2條環(huán)形匝道的速度曲線如圖5所示。對(duì)比環(huán)形匝道和螺旋匝道發(fā)現(xiàn)，2者行駛速度具有顯著差異性：汽車進(jìn)入環(huán)形匝道時(shí)，駕駛?cè)藭?huì)將減速行為持續(xù)至環(huán)形匝道范圍內(nèi)，并在環(huán)形匝道中點(diǎn)之前結(jié)束減速行為，在經(jīng)歷速度最低點(diǎn)之后速度開(kāi)始上升，達(dá)到某個(gè)值之后維持穩(wěn)定(A匝道)或持續(xù)上升(B匝道)，即汽車在環(huán)形匝道范圍內(nèi)有加減速行為，不會(huì)經(jīng)歷螺旋匝道的恒速行駛過(guò)程。

圖5 苜蓿葉形立交環(huán)形匝道的連續(xù)行駛速度曲線Fig.5 Curves of continuous driving speed on loop ramps of cloverleaf interchange

3 螺旋匝道踏板操作特征

3.1 踏板力幅值特性以及模式

本文4處螺旋匝道的平曲線半徑最大值僅為55 m，是1類特殊的“急陡彎”路段，如圖6所示。由圖6可知，汽車駕駛?cè)蝿?wù)復(fù)雜性與操縱難度與一般路段相比較大。螺旋匝道下行時(shí)，汽車行駛阻力主要包括空氣阻力、輪胎滾動(dòng)阻力、機(jī)械摩擦阻力以及汽車旋轉(zhuǎn)時(shí)(螺旋匝道行駛時(shí)汽車車身旋轉(zhuǎn))的加速阻力，車身重力加上發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力與阻力相平衡之后，將形成1個(gè)穩(wěn)定速度。

圖6 螺旋匝道的彎坡組合特征Fig.6 Curve-slope combination characteristics of helical ramps

以涪陵長(zhǎng)江一橋下行螺旋匝道為例，繪制部分駕駛員踏板力連續(xù)曲線，如圖7所示。包括制動(dòng)踏板力和油門踏板力，圖中Di為駕駛員編號(hào)。從圖7可知，不同駕駛?cè)说奶ぐ辶η€在幅值、波動(dòng)頻度上有明顯差別。根據(jù)踏板的使用頻度和踏板力幅值，該螺旋匝道的踏板操縱模式可以分為3類：

圖7 涪陵長(zhǎng)江一橋下行螺旋匝道的踏板力曲線Fig.7 Curves of pedal force on downward helical ramp of Fuling Yangtze River First Bridge

1)大量使用制動(dòng)踏板來(lái)控制汽車速度。如駕駛員D6和D7，駕駛員期望速度較低(低于螺旋匝道下坡方向的穩(wěn)定行駛速度)，需要采取制動(dòng)行為降低行駛速度。

2)駕駛員在下坡時(shí)頻繁使用油門踏板對(duì)車輛進(jìn)行動(dòng)力供給。根據(jù)駕駛員反饋，下坡行駛時(shí)如果不使用油門踏板，車輛的瞬時(shí)速度會(huì)減慢，并一直降到期望速度之下，因此會(huì)踩踏油門踏板將行駛速度維持在期望速度附近。

3)駕駛員在下坡時(shí)對(duì)油門和制動(dòng)踏板使用較少，以D13為例，制動(dòng)和油門踏板力在很多時(shí)刻幅值為0，表明駕駛?cè)讼缕滦旭倳r(shí)是在溜滑車輛。

在圖7中，不同駕駛?cè)说奶ぐ辶η€形態(tài)存在顯著差異性。根據(jù)踏板力曲線的波動(dòng)頻數(shù)、間隔、周期、以及波峰/波谷值等因素，對(duì)制動(dòng)踏板力曲線形態(tài)進(jìn)行區(qū)分。提取全部被試的油門踏板力曲線得到典型曲線形態(tài)，以及踏板使用模式，如圖8所示。由圖8可知，部分踏板力曲線呈較規(guī)律的周期性波動(dòng)，如形態(tài)Ⅰ～Ⅱ，表明駕駛?cè)四_底動(dòng)作是頻繁的“踩下-抬腳”；部分曲線波動(dòng)頻次減少且間隔不固定，如形態(tài)Ⅲ～Ⅳ，駕駛的腳底踩踏頻次減少；形態(tài)Ⅴ～Ⅵ的曲線幅值在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)維持相對(duì)穩(wěn)定，表明駕駛?cè)四_底一直在踩踏油門踏板；形態(tài)Ⅶ的特征是踏板力幅值在后半段持續(xù)減??；形態(tài)Ⅷ的曲線幅值是周期性降低。

圖8 踏板力曲線部分典型形態(tài)Fig.8 Partial typical forms of pedal force curves

3.2 踏板操作頻度特性

在圖8中，形態(tài)Ⅱ～Ⅵ的曲線均來(lái)自長(zhǎng)江一橋螺旋匝道，結(jié)合圖3中速度曲線可知，不同駕駛?cè)思词贡憩F(xiàn)出相同的速度變化趨勢(shì)(比如在圖3(b)中)，不同駕駛員在螺旋匝道下行時(shí)的實(shí)測(cè)速度曲線均呈輕微平穩(wěn)下降趨勢(shì)，但在微觀駕駛操縱層面，其踏板操作的幅頻特征存在差異化。即對(duì)于某一種行駛環(huán)境，不同駕駛員會(huì)選擇自身習(xí)慣的踏板使用模式來(lái)操控車輛，但在車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)層面會(huì)表現(xiàn)出相同的速度變化趨勢(shì)。

為進(jìn)一步分析駕駛員在螺旋匝道上行和下行時(shí)的踏板使用強(qiáng)度，包括使用頻度和踏板力幅值，本文設(shè)計(jì)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)(Fpa,Npm)來(lái)抽象表示踏板力連續(xù)曲線的幅頻特征，進(jìn)而在二維空間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行聚類，得到典型的踏板操作模式。從1條踏板力的連續(xù)時(shí)變曲線到最終提取出(Fpa,Npm)的處理流程，如圖9所示。圖9中Np為曲線峰值點(diǎn)的個(gè)數(shù)即曲線波動(dòng)的次數(shù)，等同于駕駛?cè)瞬忍び烷T/制動(dòng)踏板的次數(shù)；Fpa為踏板力曲線各次峰值Fpi的均值，Npm是駕駛?cè)嗣糠昼姴扔烷T/制動(dòng)踏板的次數(shù)，即Npm= 60 × (Np/th)，th為螺旋匝道行駛時(shí)間。經(jīng)過(guò)處理之后，每條踏板力曲線提取1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)(Fpa,Npm)。

圖9 踏板力曲線特征點(diǎn)提取方法Fig.9 Extraction method of feature points on pedal force curves

對(duì)4處試驗(yàn)對(duì)象的全部(Fpa,Npm)數(shù)據(jù)點(diǎn)按上行油門踏板、下行油門踏板和下行制動(dòng)踏板進(jìn)行分類匯總，結(jié)果見(jiàn)圖10。圖10中根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)橫軸的密集度，標(biāo)注“簇”以及簇參數(shù)，包括簇中心值、左邊界和右邊界值。每個(gè)簇表示踏板踩踏頻次比較集中的分布區(qū)段。根據(jù)圖10(a)～(b)，上行方向的油門踩踏頻次高于下行，這是由于上坡行駛時(shí)，為克服坡度阻力需要持續(xù)踩踏或者高頻度反復(fù)踩踏油門踏板；而下坡行駛時(shí)，坡向分力與行進(jìn)方向相同，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的需求減少，油門踩踏頻次降低。

圖10 螺旋匝道的踏板力特征點(diǎn)(Fpa,Npm)分布Fig.10 Feature points (Fpa,Npm) distribution of pedal force on helical ramps

根據(jù)圖10(c)，下坡行駛時(shí)，制動(dòng)踏板的踩踏頻次主要分布在20次/min以下；而頻次超過(guò)40次/min的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之中，有3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是來(lái)自于同一位被試。整體上，下坡螺旋匝道行駛時(shí)，油門踏板和制動(dòng)踏板的踩踏頻次非常接近,在踏板力幅值上，低頻度(低于10次/min)的踏板力顯著低于較高頻度(10次/min以上)的踏板力，表明輕踩制動(dòng)踏板的駕駛員其踩踏力也比較小。

4 結(jié)論

1)螺旋線范圍內(nèi)的實(shí)測(cè)行駛速度基本維持穩(wěn)定，螺旋匝道的坡向和坡度值對(duì)小客車行駛速度無(wú)明顯影響，小客車實(shí)際行駛速度明顯高于設(shè)計(jì)速度。

2)與橋梁主線相比，螺旋線對(duì)駕駛行為的約束作用較強(qiáng)，但螺旋匝道內(nèi)不同駕駛?cè)说男旭偹俣热源嬖陔x散性；此外，汽車在駛離螺旋匝道時(shí)，在合流點(diǎn)之前有明顯的減速行為。

3)螺旋匝道下行時(shí)的踏板操縱行為有多種模式，部分駕駛?cè)艘允褂糜烷T踏板為主，部分駕駛?cè)擞烷T踏板和制動(dòng)踏板交替并用，還有駕駛?cè)肆锲隆?/p>

4) 螺旋匝道上行時(shí)油門踏板踩踏頻次最高，下坡行駛時(shí)油門踏板和制動(dòng)踏板的踩踏頻次接近；螺旋匝道上行時(shí)踏板力幅值最高，其次是下行的油門踏板力，最后是下行的制動(dòng)踏板力。不同駕駛?cè)说奶ぐ辶η€在幅值和波動(dòng)頻次上有顯著差別。