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(1. 齊魯交通發(fā)展集團有限公司青臨分公司， 山東 濰坊 262517； 2. 濟南大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 山東 濟南 250022； 3. 山東交通學(xué)院 濟南北方交通工程咨詢監(jiān)理有限公司， 山東 濟南 250023)

受鉸接列車逐漸成為公路運輸主流車型的影響，高速公路交通流的超車行為也不斷發(fā)生變化。超車是指后方車輛為了達到預(yù)期的行駛速度，在滿足超車條件的情況下通過快速車道進行左側(cè)超車的過程，后車應(yīng)安全可靠地完成跟馳、車道變換、加速和并道等操作[1]。在超車的過程中， 存在側(cè)向刮擦和追尾碰撞等風(fēng)險，國外有研究[2]表明，60%以上的交通事故與超車有關(guān)，因此，針對超車過程開展深入研究具有重要的理論和實踐意義。

換道的主要目的是超車，分析超車過程中駕駛?cè)说牟僮魈匦砸约败囕v運動狀態(tài)，能夠為駕駛?cè)顺嚹Ｐ偷木_控制提供參考[3]。相關(guān)研究主要集中在用理論分析、仿真軟件等手段建立超車模型[4-6]。關(guān)于超車過程中的換道模型，如國外學(xué)者提出了吉普斯跟車換道模型(GIPPS)、麻省理工仿真模型(MITSIM)、斯塔斯跟車換道模型(SITRAS)和通道交通仿真模型(CORISM)等經(jīng)典換道模型[7]，國內(nèi)學(xué)者研究了換道時的安全距離[8]、超車過程的車頭間距[9-10]及利用駕駛模擬器對超車過程分析[11]和安全評估[12]等。此外，文獻[13]中利用高速公路全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)數(shù)據(jù)分析識別駕駛行為，對超車開始時的行駛速度分布頻率、超車時長、超車距離進行了分析。在超車過程中，駕駛?cè)送ǔ岣哕囁伲峭铀俣炔淮?，且低速時換道的隨意性大。目前，相關(guān)的研究都較少對超車過程的速度變化進行深入分析，缺乏定量化描述，不利于降低超車過程的風(fēng)險及提高行車舒適性[14]。

從全國公路貨運發(fā)展趨勢來看，公路貨運車輛向重型化方向發(fā)展趨勢明顯[15]，2017年底，牽引車和半掛車保有量占全國載貨汽車總量的30.6%。牽引車和半掛車組合而成的鉸接列車逐漸成為公路貨運的主流車型之一。鉸接列車的外廓尺寸、載重量相對較大，而其動力性能和制動性能[16-17]則偏弱。這種公路交通組成的變化也對交通流中超車行為產(chǎn)生重要影響。

本文中以當(dāng)前安全問題相對突出的六軸鉸接列車為被超車型，對小客車超車過程的速度變化規(guī)律進行研究。鑒于鉸接列車的動力性能普遍較弱且遠差于小客車，因此假定在小客車超越鉸接列車的過程中，小客車能夠與鉸接列車保持穩(wěn)定的速度差，超車時機的選擇和超車時長不受鉸接列車行駛速度的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)計

1)駕駛?cè)说倪x擇。駕駛?cè)说男詣e、經(jīng)驗及性格等個人心、生理因素通常會影響駕駛行為。為了減小該影響，本試驗的駕駛?cè)斯?人，均為男性，具有5年以上實際駕齡，年齡為30～40周歲，且具有長期在高速公路行車的經(jīng)驗。

2)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的選擇。試驗數(shù)據(jù)的采集采用VBOX III數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，外接GPS、視頻記錄儀、超車行為記錄儀等。數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz。

3)實驗路段的選擇。選取G25高速公路青臨段，路段全長203 km，整體線形條件較好。交通組成中，六軸鉸接列車占有較大的比例。

4)實驗車型的選擇。實驗車型為普通小客車。實驗過程中，實驗車按照高速公路標(biāo)志、標(biāo)線等的要求行駛，駕駛?cè)烁鶕?jù)交通流情況、行駛車速等正常選擇超車時機，不施加任何人工干預(yù)。

1.2 試驗方法

以六軸鉸接列車為被超車輛，其中包括罐車、廂式貨車和普通欄板貨車等。根據(jù)GB 1589—2016《汽車、 掛車及汽車列車外廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值》要求， 鉸接列車的最大長度限值為17.1 m， 最大寬度限值為2.55 m。 常見鉸接列車長度一般為16.8 m，寬度為2.5 m，其外廓尺寸一般遠大于普通貨車或小客車，會對超車過程產(chǎn)生較大的影響。

超車過程按換道—超車—駛回原車道的程序進行。其中，超車開始時刻按左轉(zhuǎn)燈點亮并車輛開始左轉(zhuǎn)計，超車結(jié)束時刻按右轉(zhuǎn)燈熄滅并車輛開始在原車道正常行駛計。以超車過程中無其他車輛干擾，單次超越1輛六軸鉸接列車的情景作為一次有效的超車行為，一次超越多輛汽車或超車后未及時返回原行駛車道等的情景不在本文的研究范圍之內(nèi)。本試驗共得到小客車超越六軸鉸接列車的有效超車樣本27個。

2 速度特性分析

2.1 整體特性分析

對數(shù)據(jù)樣本中小客車超車行為開始時刻的初速度和超車平均速度進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出：超車初速度主要分布在70～110 km/h，其中占比最大的是速度為90～100 km/h，共有8次超車行為，占所有超車樣本的29.6%；其次，在速度為80～90、100～110 km/h時，分別有7次超車行為發(fā)生。

從超車平均速度的分布來看，有進一步向80～100 km/h范圍的區(qū)段集中的趨勢。其中平均速度在80 ～<90 km/h共發(fā)生8次超車行為，90～100 km/h段共發(fā)生10次超車行為，因此，分段統(tǒng)計得到的小客車超車初速度與超車平均速度均呈現(xiàn)一定的正態(tài)分布特征，符合交通流理論中速度分布的基本特性，相關(guān)樣本對描述小客車的超車行為具有一定的代表性。

圖1 小客車超車時的初速度和超車平均速度的分布

小客車超車初速度與超車平均速度的關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看出，樣本中共有17次超車行為的超車平均速度大于超車初速度，占樣本總量的63%，與文獻[3]中對超車過程中車輛行駛速度通常增大，但加速度不大的論述具有一致性。

圖2 超車初速度與超車平均速度的關(guān)系

對17次超車行為進行單獨提取，得到各次超車在各超車時刻的速度變化情況，如圖3所示。圖中各條速度曲線右側(cè)的數(shù)字表示實驗中該次超車行為對應(yīng)的編號。其中，9、53、52、34號等超車過程中，小客車的行駛速度持續(xù)增大，其他超車過程小客車的行駛速度基本上保持先增大、后有一定程度減小的變化規(guī)律。

圖中數(shù)字為樣本編號。圖3 超車過程中小客車速度的變化

2.2 超車速度變化規(guī)律

為了進一步研究超車過程的速度分布特征，以超車初速度為0對樣本小客車的超車速度進行歸集化處理，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，超車過程中小客車速度整體上呈現(xiàn)先增大后減小的波峰式的變化趨勢。

圖中數(shù)字為樣本編號。圖4 歸集化處理后的超車過程速度分布

提取各超車時刻小客車的速度樣本構(gòu)建小客車行駛速度集。分析該速度集，統(tǒng)計各超車時刻小客車的速度均值，得到各時刻小客車速度均值的分布散點圖，如圖5所示。從圖中可以看出：小客車的超車初速度一般快于超車完成后返回原車道繼續(xù)行駛的速度(即超車完成速度)；同時，隨著超車時間的延長，超車完成速度的降低也越加明顯，但是相應(yīng)的樣本量也越少，超車時長大于25 s的樣本僅占總樣本的18.5%。

圖5 各超車時刻速度均值的變化趨勢

對各超車時刻速度均值的變化趨勢進行曲線擬合，并考慮超車初速度v0，得到小客車超越六軸鉸接列車時超車時刻t與超車速度v之間的函數(shù)關(guān)系，

v=v0-0.002t3+0.047 8t2-0.111 3t+0.459 5，

(1)

式中：v0為超車開始時的初速度，km/h；t為超車時刻，以開始超車時刻為0，s；v為某超車時刻t對應(yīng)的小客車可能的實時速度，km/h。

該模型相關(guān)系數(shù)的平方R2為0.936 5，表明各超車時刻t與樣本對應(yīng)時刻的速度數(shù)據(jù)均值存在較強的相關(guān)性，可以在一定程度上預(yù)測超車時刻t時小客車的實時速度。

3 超車速度模型的驗證

為了進一步驗證式(1)的可靠性，以建模數(shù)據(jù)樣本所在的高速公路為例，在相同的試驗設(shè)備和道路環(huán)境條件下再次對小客車超越鉸接列車過程的速度進行實測，取小客車超越鉸接列車前5個有效樣本為模型驗證的實例，其速度變化如圖6所示。

圖中數(shù)字為樣本編號。圖6 驗證試驗中前5個超車樣本的速度分布

樣本中共有2次超車行為的超車平均速度大于超車初速度，符合式(1)的適用條件，模型計算結(jié)果與實測速度對比如圖7所示。

圖中數(shù)字為樣本編號。圖7 模型計算結(jié)果與實測速度對比

利用相對誤差指標(biāo)對驗證樣本的式(1)計算值與實測值進行評估，結(jié)果見圖8。從圖中可以看出，驗證樣本的模型計算值最大相對誤差為4.5%，能夠滿足小客車行車速度估算的要求。

圖中數(shù)字為樣本編號。圖8 模型計算值與實測值的誤差分析

4 結(jié)論

鉸接列車已經(jīng)成為高速公路貨物運輸?shù)闹髁鬈囆椭?。本文中通過研究小客車超越六軸鉸接列車過程的速度變化特征，建立了超車時刻與小客車實時速度的函數(shù)關(guān)系，基本實現(xiàn)了超越鉸接列車過程的小客車速度的定量化描述，可以為高速公路其他超車過程研究提供參考。通過對超車過程的定量分析，能夠為超車過程的風(fēng)險評估提供決策支持。