許耀根，郭建鋼，李 林，羅文婷

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基于行駛區(qū)間的快速路入口小型車VSP分布特征分析

許耀根，*郭建鋼，李 林，羅文婷

（福建農(nóng)林大學(xué)交通工程研究所，福建，福州 350002）

為了研究快速路主輔路入口宏觀小型車交通流的比功率（VSP）分布特性，在晚高峰時(shí)段用無(wú)人機(jī)拍攝快速路入口段小型車匯入的視頻資料。把車輛匯入的行駛路段均分成10個(gè)行駛區(qū)間，通過(guò)Tracker軟件獲取視頻中小型車的逐秒速度和逐秒加速度，計(jì)算各個(gè)行駛區(qū)間內(nèi)所有駛過(guò)機(jī)動(dòng)車的逐秒VSP。應(yīng)用聚類分析法將所有逐秒VSP劃分成12個(gè)VSP Bin，并計(jì)算和分析在各行駛區(qū)間內(nèi)的VSP分布。結(jié)果表明：小型車流匯入過(guò)程中，在第1~8行駛區(qū)間內(nèi)的VSP分布呈正態(tài)分布；同時(shí)，各行駛區(qū)間內(nèi)VSP分布在正值范圍的比重均比負(fù)值范圍的大，且分布在0~5 kw·t-1所占分比重最大，其中在第3行駛區(qū)間所占比重達(dá)41.46%，但是在第8、第9行駛區(qū)間內(nèi)，VSP分布在負(fù)區(qū)間的比重明顯大于其他行駛區(qū)間，分別為42.86%和33.90%。

交通能耗；比功率；聚類分析；快速路；匯入車流；小型車

0 引言

1999年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Palaeio首次提出機(jī)動(dòng)車比功率（Vehicle Specific Power，VSP）的概念，是表示機(jī)動(dòng)車在某一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自身移動(dòng)單位質(zhì)量時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸出功率，單位為kw·t-1[1]。相比于速度和加速度，采用VSP聚類分析更能反映機(jī)動(dòng)車油耗與交通運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系[2]。

VSP聚類分析的關(guān)鍵在于VSP值的獲取、分布域以及VSP Bin的劃分。在VSP值獲取的方法上，運(yùn)用較廣泛的是利用浮動(dòng)車來(lái)采集數(shù)據(jù)，先將GPS安裝在單輛公交車或出租車上，然后在設(shè)定好的路線上行駛并實(shí)時(shí)獲取浮動(dòng)車逐秒的速度、加速度等運(yùn)行數(shù)據(jù)以此來(lái)計(jì)算VSP值[3-6]。雖然GPS的單車跟蹤能更真實(shí)反映出車輛實(shí)時(shí)工況，但由于測(cè)試車輛、運(yùn)行路線單一，難以體現(xiàn)出樣本數(shù)據(jù)的普遍性且對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的要求較高。另外，對(duì)于VSP分布域的劃分，在現(xiàn)有的研究中主要可以歸為三種劃分方式：按照不同平均行程速度劃分、按照同速度區(qū)間內(nèi)不同跟馳模型劃分以及按照不同行駛路段、不同平均行程速度劃分[7-10]。然而按照不同平均行程速度區(qū)間來(lái)劃分分布域以研究VSP分布的方法適用于行駛過(guò)程中機(jī)動(dòng)車速度變化幅度大的路段，且難以體現(xiàn)機(jī)動(dòng)車在某個(gè)區(qū)域的VSP分布情況。而大多數(shù)學(xué)者在VSP Bin的劃分方式上大同小異，基本是以1-5 kw·t-1不等的步長(zhǎng)來(lái)劃分。上述既有的研究中，均是在道路或公路上的常規(guī)路段上進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，此時(shí)車輛的工況變化較為平緩。在快速路入口上行駛的車輛由于受到視線、車道隔離、車流匯入等因素的影響，行駛過(guò)程中工況變化頻繁，必將導(dǎo)致車輛油耗變化[11]。為此，以駛?cè)肟焖俾啡肟诤狭鲄^(qū)加速車道上的小型車為研究對(duì)象，采用無(wú)人機(jī)航拍逐秒獲取交通流運(yùn)行數(shù)據(jù)，鑒于車流匯入過(guò)程中速度變化幅度小的特點(diǎn)采用行駛區(qū)間來(lái)劃分分布域，分析快速路入口交通流匯入過(guò)程中在各個(gè)行駛區(qū)間的VSP分布特性，旨在為進(jìn)一步完善快速路交通能耗的研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 VSP數(shù)據(jù)獲取

選取福州市三環(huán)快速路洪塘互通具有代表性的主輔路入口及其平行式加速車道作為視頻數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)。采用無(wú)人機(jī)對(duì)該帶狀區(qū)域進(jìn)行連續(xù)30分鐘全覆蓋拍攝，獲得每秒30幀的超高清視頻。攝像時(shí)段為晚高峰時(shí)段（17:30-18:00）?？焖俾分鬏o路入口示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 快速路主輔路入口示意圖

利用自動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度和加速度進(jìn)行覆蓋跟蹤的Tracker軟件，將無(wú)人機(jī)拍攝的視頻導(dǎo)入并設(shè)置視頻播放幀數(shù)為30幀（即每1.001 s更新一次播放界面），以達(dá)到逐秒獲取數(shù)據(jù)的效果[12]。設(shè)置加速車道起點(diǎn)的截面中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用質(zhì)點(diǎn)跟蹤功能對(duì)所有從快速路輔路進(jìn)入加速車道的小型車選取一個(gè)固定特征點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，直到被跟蹤車輛駛出加速車道終點(diǎn)所在的截面停止跟蹤。

車輛在視頻畫面中每被跟蹤一次，其特征點(diǎn)在時(shí)刻就會(huì)對(duì)應(yīng)有唯一的坐標(biāo)點(diǎn)（），根據(jù)坐標(biāo)值不難得出該車輛的速度、加速度值。假設(shè)某車輛依次行駛過(guò)（1，1），（2，2），（3，3）…（x，y），（x，y），（x，y）…，相鄰兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)間的行駛時(shí)間均為=1.001s，則在相鄰兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)間車輛的速度、加速度計(jì)算方法，見(jiàn)式（1）~（3）。

車輛的速度（即逐秒速度）v，v為：

1）車輛的速度（即逐秒速度）v，v為：

2）車輛的加速度（即逐秒加速度）a為：

車輛在實(shí)際行駛當(dāng)中，由于受到道路線形、車流等實(shí)際交通環(huán)境的影響，車輛自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如速度、加速度等）會(huì)產(chǎn)生變化，進(jìn)而引起該過(guò)程中車輛運(yùn)動(dòng)所需的功發(fā)生變化。Palaeios研究的小型車單車比功率模型見(jiàn)式（4）。

式中，為機(jī)動(dòng)車逐秒比功率（kw·t-1）；為機(jī)動(dòng)車逐秒速度（m·s-1）；為機(jī)動(dòng)車逐秒加速度（m·s-2）；為坡度（%），在本研究中G取0。

1.2 分布域與VSP區(qū)間劃分

1.2.1 分布域劃分

在前期的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，車流匯入過(guò)程中路徑較短且速度整體變化幅度小。為了讓匯入車流的VSP分布情況更好地體現(xiàn)在合流區(qū)上的不同位置，采用行駛區(qū)間來(lái)劃分分布域。在保證能獲取到逐秒速度及加速度的前提下，以盡量小行駛區(qū)間長(zhǎng)度（30 m）劃分行駛區(qū)間，沿著軸正方向，將合流區(qū)分成10個(gè)行駛區(qū)間，依次編號(hào)1，2，…，10，見(jiàn)圖2。

圖2 快速路入口合流區(qū)行駛區(qū)間劃分示意圖

2.2.2 VSP區(qū)間劃分

美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的MOVES模型將VSP區(qū)間的劃分包含了車輛的各個(gè)行駛工況（加速、減速、怠速、勻速）[13]。即當(dāng)>0，<0時(shí)，減速或下坡?tīng)顟B(tài)；當(dāng)>0，>0時(shí)，加速或勻速狀態(tài)；=0，=0時(shí)，怠速狀態(tài)。車輛在快速路入口匯入的過(guò)程中，均為>0。

根據(jù)獲取的逐秒速度、逐秒加速度按照小型車的VSP計(jì)算公式（4）分別計(jì)算逐秒的VSP。計(jì)算得到的逐秒VSP主要集中在-19 kw·t-1~38 kw·t-1之間，以5 kw·t-1為步長(zhǎng)將所有逐秒VSP劃分成12個(gè)VSP Bin，并對(duì)其進(jìn)行聚類分析。VSP區(qū)間劃分，見(jiàn)表1。

表1 VSP區(qū)間劃分

Table.1 VSP interval division

2 VSP分布特性分析

通常情況下，VSP 分布是指單輛機(jī)動(dòng)車在各VSP Bin下的行駛時(shí)間占總行駛時(shí)間的比重[14]。但是，研究宏觀交通流在各行駛區(qū)間的VSP分布時(shí)，由于行駛區(qū)間的長(zhǎng)度劃分得較短，絕大多數(shù)車輛在各行駛區(qū)間的行程時(shí)間為2~3 s，因此某行駛區(qū)間內(nèi)的VSP分布為車流經(jīng)過(guò)該行駛區(qū)間時(shí)某VSP Bin下的逐秒VSP數(shù)量與該行駛區(qū)間內(nèi)所有逐秒VSP數(shù)量的比例。即行駛區(qū)間內(nèi)所有在各VSP Bin下的車輛行駛秒數(shù)總和占該行駛區(qū)間內(nèi)所有車輛行程秒數(shù)總和的比重。

根據(jù)上述計(jì)算方法，對(duì)獲取到的所有逐秒VSP進(jìn)行聚類整理和計(jì)算，并以VSP Bin為橫坐標(biāo)，分布率為縱坐標(biāo)，最終得到各行駛區(qū)間內(nèi)的VSP分布，見(jiàn)圖3。

從計(jì)算得到的各行駛區(qū)間的逐秒VSP、VSP Bin分布率中，取VSP分布特性的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（VSP均值、正負(fù)區(qū)間比重、最高分布率的VSP區(qū)間和最高分布率）進(jìn)行匯總，見(jiàn)表2。并繪出各行駛區(qū)間內(nèi)VSP正區(qū)間的比重變化曲線圖（見(jiàn)圖4）和VSP均值變化曲線圖（見(jiàn)圖5）。

表2 各行駛區(qū)間內(nèi)的VSP分布特性匯總

圖4 VSP正區(qū)間的比重變化

圖5 VSP均值變化

結(jié)合圖3、圖4和表2，可以容易看出各行駛區(qū)間內(nèi)的VSP分布特征如下：

1）從第1行駛區(qū)間至第8行駛區(qū)間，各區(qū)間基本呈正態(tài)分布，在第7行駛區(qū)間其正態(tài)性最顯著。

2）在所有的行駛區(qū)間內(nèi)，VSP分布在正區(qū)間的比重均大于正區(qū)間。在整個(gè)匯入過(guò)程中，正區(qū)間比重的變化是從第1行駛區(qū)間到第3行駛區(qū)間先是緩慢增大，從第3行駛區(qū)間到第5行駛區(qū)間趨于平穩(wěn)，在第6行駛區(qū)間比重最大達(dá)89.04%，然后急劇下降在第8行駛區(qū)間比重最小為57.14%，隨后繼續(xù)增加在第10行駛區(qū)間趨于初始水平。

3）各行駛區(qū)間內(nèi)，最高分布率所在的區(qū)間基本為0~5 kw·t-1區(qū)間，在第3行駛區(qū)間VSP在0~5 kw·t-1區(qū)間的分布率最大達(dá)41.46%；而在第5行駛區(qū)間、第7行駛區(qū)間最高分布率所在區(qū)間為5~10 kw·t-1，在第6行駛區(qū)間最高分布率所在區(qū)間為10~15 kw·t-1。

4）在第8、第9行駛區(qū)間內(nèi)，VSP分布在負(fù)區(qū)間的比重明顯大于其他行駛區(qū)間，分別為42.86%和33.90%。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

對(duì)上述的VSP分布特征進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)第1行駛區(qū)間至第8行駛區(qū)間的VSP分布基本呈正態(tài)分布，對(duì)上述的VSP分布特征進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)第1行駛區(qū)間至第8行駛區(qū)間的VSP分布基本呈正態(tài)分布，這與現(xiàn)有的按平均速度劃分區(qū)間的研究基本一致[15]。同時(shí)，在分析了其他特征后，可以做出如下判斷：

1）從第1行駛區(qū)間到第6行駛區(qū)間車流總體在加速，且速度的增長(zhǎng)趨勢(shì)在變大；但第1、第2行駛區(qū)間較其它4個(gè)行駛區(qū)間有更多的車輛在減速。

2）從第7行駛區(qū)間到第9行駛區(qū)間負(fù)區(qū)間分布率增加，意味著多數(shù)匯入車流中受干擾存在減速行為，即在這幾個(gè)行駛區(qū)間內(nèi)匯入車流與主車流交織。

3.2 討論

本文通過(guò)劃分行駛區(qū)間，分析了快速路主輔路入口宏觀小型車流在各行駛區(qū)間內(nèi)的VSP分布特征，旨在為今后研究匯入車流的能耗情況奠定基礎(chǔ)，但仍存在問(wèn)題需要進(jìn)一步探討。

1）僅僅對(duì)小型車進(jìn)行研究，后續(xù)需對(duì)其他車型的匯入特性進(jìn)行研究；

2）對(duì)第7行駛區(qū)間到第10行駛區(qū)間的VSP分布分析較為簡(jiǎn)單，后續(xù)將結(jié)合交通流理論進(jìn)一步研究主路交通流對(duì)匯入車流VSP分布的影響。

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DRIVING SEGMENTS BASED VSP DISTRIBUTION FEATURE ANALYSIS FOR SMALL-SIZED VEHICLES AT THE EXPRESSWAY ENTRANCE

XU Yao-gen,*GUO Jian-gang, LI Lin, LUO Wen-ting

(Traffic Engineering Research Institute of Fujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China)

To investigate VSP distribution characteristics of small-sized vehicles at expressway entrance, the video data at converging section of expressway entrance were collected using UAV during the evening peak hours. The converging section of traffic flow was equally divided into tendriving segments. The velocity and acceleration of the small-sized vehicles were obtained with tracker software. Subsequently, and VSP per second or VSP/s within driving segments was calculated, and per second based VSP was divided into 12 VSP bins using clustering analysis, and the VSP distribution features for each driving segment were obtained. Results indicated that the VSP distribution for driving segments from 1 to 8belong to normal distribution. The positive range takes a greater proportion than the negative range for the VSP distribution at each driving segment, and the largest proportion is located at the range of0~5 kw·t-1. Moreover, the proportion of positive ranges up to 41.46%at the 3rd driving segment. However, the negative ranges of VSP distribution for the 8th and 9th driving segments occupy a larger proportion than other driving segments, with a percentage of42.86% and 33.90% respectively.

traffic energy consumption; VSP; clustering analysis; expressway; converging traffic flow; small-sized vehicles

1674-8085(2018)03-0068-06

U491.1+12

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.03.014

2017-12-13；

2018-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51608123）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2017J01682）.

許耀根(1992-)，男，福建廈門人，碩士生，主要從事交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理研究(E-mail:xuyaogenemail@126.com);

*郭建鋼(1962-), 男，浙江諸暨人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事道路交通安全工程研究(E-mail:fafugjg@163.com);

李 林(1984-)，男，河南周口人，講師，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事道路路面安全性能檢測(cè)研究(E-mail:147925726@qq.com);

羅文婷(1983-)，女，湖南郴州人，講師，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事道路路面安全性能檢測(cè)研究(E-mail:luowentign531@gmail.com).