陳而越，陳金山，郭建鋼，李 林，師文磊

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福州 350002)

為滿足居民日益增長(zhǎng)的出行需求，緩解城市內(nèi)的交通擁堵情況，許多大中型城市積極建設(shè)快速路作為城市道路交通網(wǎng)絡(luò)的重要支撐，是城市道路交通能否實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)行的重要保障[1- 3].而快速路合流區(qū)作為匝道車流與主線車流相互作用的重要結(jié)合部，影響著整個(gè)快速路的通行能力及效率[4].其中由于匝道車輛必須匯入主線車流而引起的大量換道行為，導(dǎo)致合流區(qū)時(shí)常出現(xiàn)交通流紊亂、車輛行駛速度降低、交通流密度增大等問(wèn)題，甚至可能造成嚴(yán)重的“鼻端事故”[5].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)快速路合流區(qū)的運(yùn)行特性方面開(kāi)展大量研究[6-8]，取得一定的成果，但仍存在以下問(wèn)題：1)換道模型大多從宏觀交通流三要素入手，缺少?gòu)奈⒂^角度分析車輛換道行為.禹偉等以入口匝道車輛換道為例，得到不同車流速度與車頭時(shí)距概率下一輛匯入車換道導(dǎo)致交通擁堵的概率[9].孫劍等基于視頻資料，采用離散選擇模型篩選出5個(gè)影響換道行為顯著的變量[10].Calvi等通過(guò)駕駛模擬器獲取匝道車輛換道時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，分析得到不同主線流量條件下六種加速車道結(jié)構(gòu)對(duì)駕駛行為的影響[11].2)模型參數(shù)值沿用國(guó)外，缺少對(duì)國(guó)內(nèi)快速路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，適用性不高.Ahammed等用實(shí)測(cè)的換道速度和換道位置數(shù)據(jù)對(duì)換道行為進(jìn)行建模[12].曲昭偉等采用間隙接受理論推導(dǎo)合流區(qū)基本通行能力模型，模型對(duì)道路幾何條件做出了理想化假設(shè)，無(wú)法真實(shí)反映匝道車輛換道行為[13].3)視頻數(shù)據(jù)精度不高.Marczak等用拍攝得到的軌跡數(shù)據(jù)來(lái)分析換道行為，結(jié)果表明匝道車輛與主路跟隨車的間隙大小影響換道選擇[14].Chu等分析換道行為，提出加速車道長(zhǎng)度越長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致匯入位置越遠(yuǎn)[15].因此，本文采用無(wú)人機(jī)拍攝快速路合流區(qū)包括加速車道在內(nèi)的四條車道車輛從駛?cè)氲今偝龊狭鲄^(qū)的整個(gè)行駛過(guò)程的視頻資料，分析快速路合流區(qū)車輛的換道特性，提出車輛換道的最小安全距離，并界定換道車輛的適宜加速度.本研究成果為車輛換道特性方面的研究提供了基礎(chǔ)的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

城市快速路匝道合流區(qū)是匝道與主線的連接路段，包含匝道、加速車道及與之相連的主線部分.快速路合流區(qū)的加速車道包括平行式加速車道和直接式加速車道，其中平行式加速車道適用于匯入車輛相對(duì)較大的情況，在大中城市被廣泛采用.因此，本文選取福州市三環(huán)快速建新互通入口匝道合流區(qū)作為研究對(duì)象，車道組成及尺寸示意圖，見(jiàn)圖1.根據(jù)相關(guān)資料及實(shí)地調(diào)研驗(yàn)證，該合流區(qū)具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的所有組成部分及安全設(shè)施，處于平坦路段，無(wú)特殊線形和坡度特征，車道功能劃分明確，交通流運(yùn)行順暢，受周圍環(huán)境因素影響小，滿足本次試驗(yàn)要求.

圖1 建新互通入口匝道合流區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)獲取

本試驗(yàn)使用無(wú)人機(jī)高空懸停的方法，拍攝建新互通入口匝道合流區(qū)的交通流視頻.為了提高視頻數(shù)據(jù)的精度，在拍攝范圍內(nèi)放置一個(gè)90 cm×65 cm的紅色矩形校正板，用于調(diào)整在后期數(shù)據(jù)獲取時(shí)產(chǎn)生的誤差.本文重點(diǎn)分析合流區(qū)250 m內(nèi)的車輛換道特性，由中央分隔帶至道路邊緣的四個(gè)車道分別為內(nèi)側(cè)車道、中間車道、外側(cè)車道及加速車道，提取該區(qū)域內(nèi)自由流狀態(tài)下車輛行駛數(shù)據(jù)，以保證車輛行駛不受周圍環(huán)境的影響.

將視頻導(dǎo)入Tracker物理跟蹤軟件，規(guī)定沿著車輛行駛的方向，以合流鼻端頭作為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿加速車道與外側(cè)車道的分界線均勻延長(zhǎng)至合流區(qū)末端，以此形成合流區(qū)斷面坐標(biāo)橫軸；以車輛左前引擎蓋與路面的垂直點(diǎn)為數(shù)據(jù)讀取點(diǎn)，讀取點(diǎn)與坐標(biāo)橫軸的垂直距離為行駛軌跡值，讀取點(diǎn)在內(nèi)側(cè)車道、中間車道以及外側(cè)車道時(shí)數(shù)值為正，在加速車道時(shí)數(shù)值為負(fù)，以此形成車道橫斷面縱軸.現(xiàn)場(chǎng)拍攝畫(huà)面及斷面坐標(biāo)橫軸與車道橫斷面縱軸組成合流區(qū)坐標(biāo)系，見(jiàn)圖2.如圖2所示，使用Tracker軟件中質(zhì)點(diǎn)追蹤模塊捕捉車輛左前引擎蓋的軌跡，根據(jù)車輛行駛軌跡圖和坐標(biāo)系化的合流區(qū)，每10幀(0.4 s)讀取一個(gè)行駛軌跡值，確定與之對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(x,y).

圖2 現(xiàn)場(chǎng)拍攝畫(huà)面及合流區(qū)平面坐標(biāo)系圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的視頻數(shù)據(jù)資料，加以人工計(jì)數(shù)的方法，得到合流區(qū)各車道小時(shí)交通量：加速車道為591 puc/h、外側(cè)車道為873 pcu/h、中間車道為1 210 pcu/h及內(nèi)側(cè)車道為1 476 pcu/h.由統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，從采集的無(wú)人機(jī)航拍交通流視頻中提取合流區(qū)內(nèi)連續(xù)600條車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)，其中內(nèi)側(cè)車道車輛行駛軌跡217條，中間車道車輛行駛軌跡172條，外側(cè)車道車輛行駛軌跡124條，加速車道車輛行駛軌跡87條.

2 合流區(qū)車輛換道特性

匝道匯入車流從進(jìn)入加速車道開(kāi)始，就試圖在外側(cè)車道上找尋主線車流中合適的間隙以便變更車道完成匯入行為.匝道車輛的匯入為強(qiáng)制變換車道行為，其匯入導(dǎo)致主線外側(cè)車道車輛減速讓行或向內(nèi)換道至中間及內(nèi)側(cè)車道，使合流區(qū)短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的車輛換道行為.

2.1 車輛行駛軌跡

在提取的連續(xù)600條車輛行駛軌跡中，共有207條存在強(qiáng)制換道或自由換道的情況.其中，加速車道上的車輛因必須匯入主線而換道，車輛換道率為100%；外側(cè)車道上換道車輛為43輛，換道率為34.7%；中間車道上換道車輛為41輛，換道率為23.8%；內(nèi)側(cè)車道上的換道車輛為36輛，換道率為16.6%.繪制各車道車輛行駛軌跡，見(jiàn)圖3.

圖3 合流區(qū)各車道車輛行駛軌跡圖

從圖3可知，加速車道上的車輛在加速車道結(jié)束之前全部換道至主線的三個(gè)車道，其中絕大部分的車輛換至緊鄰的外側(cè)車道，小部分車輛通過(guò)兩次換道至中間車道，個(gè)別車輛加速換至內(nèi)側(cè)車道以追求更快的行駛速度；外側(cè)車道由于接收了絕大部分匯入車輛導(dǎo)致自身車道的通行效率開(kāi)始下降，因此一部分車輛換道至中間車道，而存在小部分車輛利用加速車道交通流斷流間隙借道超車后回到外側(cè)車道；中間車道由于在主路中部位置，可利用的行駛空間最大，因而換道選擇也更多，一部分因?yàn)榻邮樟思铀偌巴鈧?cè)車道的車輛而換至內(nèi)側(cè)車道，另一部分則換至外側(cè)車道加速超車；內(nèi)側(cè)車道的車輛本身行駛速度較快，一部分為了尋求更短的行程時(shí)間，換至中間車道進(jìn)行超車.

對(duì)比分析合流區(qū)各車道車輛行駛軌跡得到：加速車道上的車輛需要全部換至主線的三個(gè)車道，為強(qiáng)制性變換車道；而由于接收了加速車道換道來(lái)的車輛，主線的三個(gè)車道也不同程度的采取換道行為，緊鄰加速車道的外側(cè)車道受影響最大，車輛換道率最高，中間車道次之，對(duì)內(nèi)側(cè)車道的影響最小.

2.2 車輛換道起點(diǎn)分布

在車輛換道起點(diǎn)的傳統(tǒng)識(shí)別方法中，以車輛開(kāi)啟轉(zhuǎn)向燈為換道起點(diǎn)，這樣的方法簡(jiǎn)單直觀.但快速路合流區(qū)范圍大，在視頻拍攝采集數(shù)據(jù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，車輛行駛速度快，光線強(qiáng)弱等因素都會(huì)對(duì)識(shí)別轉(zhuǎn)向燈是否開(kāi)啟造成干擾.另外，一些車輛雖然開(kāi)啟轉(zhuǎn)向燈，但由于目標(biāo)車道車輛的橫向干擾未能及時(shí)換道，導(dǎo)致車輛騎線行駛一段時(shí)間才完成換道.因此，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向燈開(kāi)啟等識(shí)別換道起點(diǎn)的方法并不合理，本文將以車輛的左前引擎蓋垂直地面點(diǎn)接觸車道線的位置作為換道起點(diǎn)，車輛從駛過(guò)車道線到車輛完全遠(yuǎn)離車道線作為換道終點(diǎn).

分別從各車道車輛行駛軌跡中提取換道起點(diǎn)，即換道時(shí)的斷面坐標(biāo)值.將不同車道及換道斷面坐標(biāo)值二者統(tǒng)一形成網(wǎng)格坐標(biāo)系.將全長(zhǎng)250 m的合流區(qū)斷面坐標(biāo)以10 m為間隔分組，共分為25組，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的換道頻數(shù)，繪制換道頻數(shù)熱力圖，見(jiàn)圖4.為更好的橫向?qū)Ρ雀鬈嚨赖膿Q道起點(diǎn)分布情況，繪制換道頻率熱力圖，見(jiàn)圖5.

圖4 換道頻數(shù)熱力圖

圖5 換道頻率熱力圖

如圖4所示，加速車道上87輛車的換道起點(diǎn)分布在合流區(qū)30～210 m范圍內(nèi)，0～30 m區(qū)間沒(méi)有車輛換道行為是由于匝道匯入車輛在匯入主線車道前需要有充足的時(shí)間觀察主線車道上的交通流情況，采取在加速車道上繼續(xù)向前行駛，尋找到合適的間隙換道，在30～210 m范圍內(nèi)分布頻數(shù)較多較高的是40～80 m及140～170 m兩個(gè)區(qū)間；外側(cè)車道上43輛車的換道起點(diǎn)分布在0～230 m范圍內(nèi)，其中分布頻數(shù)較多的是60～80 m及140～180 m兩個(gè)區(qū)間；中間車道上41輛車的換道起點(diǎn)分布在10～220 m范圍內(nèi)，其中換道頻數(shù)較多的是80～120 m及170～190 m兩個(gè)區(qū)間；內(nèi)側(cè)車道上36輛車的換道起點(diǎn)在整個(gè)合流區(qū)范圍內(nèi)都有分布，而換道行為較為頻繁的有三個(gè)區(qū)間，分別為20～40 m、90～140 m及210～220 m.

由圖5可知，顏色較深網(wǎng)格即為換道頻率較高區(qū)間，橫向?qū)Ρ雀鬈嚨儡囕v的換道頻率，發(fā)現(xiàn)從加速車道→外側(cè)車道→中間車道→內(nèi)側(cè)車道的深色網(wǎng)格區(qū)域，相鄰兩車道中，靠近路邊緣一側(cè)的車道出現(xiàn)深色網(wǎng)格區(qū)域，緊跟著靠近中央分隔帶一側(cè)的車道下游也會(huì)出現(xiàn)深色網(wǎng)格區(qū)域，例如加速車道出現(xiàn)深色網(wǎng)格區(qū)域的是40～80 m及140～170 m，緊跟著外側(cè)車道出現(xiàn)深色區(qū)域的是60～80 m及140～180 m.同樣，中間車道較外側(cè)車道及內(nèi)側(cè)車道較中間車道也會(huì)出現(xiàn)類似的情況，即距離路邊緣越遠(yuǎn)的車道上車輛的換道頻率較高的區(qū)域，總體看來(lái)是出現(xiàn)的越晚，四條車道的車輛換道存在一定的橫向延遲擴(kuò)散，具有明顯的遲滯性.

3 車輛換道最小安全距離

對(duì)于行駛在加速車道的車輛，為了達(dá)到匯入主線車流的目的，變換車道是必須完成的操作，且換道方向一致.車輛換道行為是一個(gè)連續(xù)且復(fù)雜的過(guò)程，一旦把握不好與目標(biāo)車道車輛的安全距離，就會(huì)使車輛處于潛在的碰撞危險(xiǎn)之中，常見(jiàn)的事故形態(tài)有側(cè)向刮擦及斜向碰撞等.由采集的視頻資料可以看到，換道車輛存在與周圍其他車輛的交互行為，本文以加速車道上的換道車輛與外側(cè)車道上的跟隨車為例，建立最小安全距離模型.

建立一個(gè)簡(jiǎn)單的車輛換道環(huán)境，見(jiàn)圖6，設(shè)加速車道上的換道車為A車外側(cè)車道上的跟隨車為B車，當(dāng)A車發(fā)起換道行為并換至外側(cè)車道后，如果A車與B車之間的縱向(行車方向)距離不滿足最小安全距離的要求，則兩車會(huì)發(fā)生事故.以此為基礎(chǔ)，做出以下兩個(gè)個(gè)合理假設(shè)：主線車流均為高速行駛的穩(wěn)定車流，故假設(shè)B車始終在外側(cè)車道上行駛，橫向、縱向加速度均為0且速度高于A車；A車以恒定加速度aA進(jìn)行換道.

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)茶葉生長(zhǎng)環(huán)境信息（如CO2濃度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、空氣溫濕度等）的穩(wěn)定監(jiān)測(cè)與收集，RFID電子標(biāo)簽與二維碼配套使用，使商品具有一定程度的防偽性。應(yīng)用該系統(tǒng)，能幫助園主更加方便的種植管理茶葉，提高茶葉優(yōu)產(chǎn)率；讓消費(fèi)者便捷獲知商品信息，保障消費(fèi)者知情權(quán)，以購(gòu)買到優(yōu)質(zhì)正品茶葉，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)產(chǎn)優(yōu)購(gòu)”。

圖6 A車加速換道示意圖

為保證A車換道時(shí)不與B車發(fā)生碰撞，則兩車初始時(shí)刻的縱向距離S(0)應(yīng)滿足條件：

S(0)≥SB-SA+L+Wsinθ

(1)

其中：設(shè)tA為A車完成加速換道的時(shí)間；SA為A車在tA內(nèi)駛過(guò)的縱向距離；SB為B車在tA內(nèi)駛過(guò)的縱向距離；L為車長(zhǎng)；W為車寬；θ為A車換道與車道線的夾角.在加速車道上采集的87輛換道車輛中，小型車占比90%以上，因此L、W取值按照標(biāo)準(zhǔn)小型車分別取值5 m及1.8 m；為保證車輛行駛的平穩(wěn)性，車輛換道時(shí)不會(huì)采取大角度換道，因此θ取值3～5°.

在tA內(nèi)，A車駛過(guò)的縱向距離SA：

(2)

其中：vA、vB分別為A車、B車的起始速度.

在tA內(nèi)，B車駛過(guò)的縱向距離SB：

SB=vBtA

(3)

聯(lián)立式(1)、(2)及(3)得兩車初始時(shí)刻的最小縱向距離S(0)min為：

(4)

根據(jù)加速車道車輛行駛軌跡值的讀取點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)，對(duì)速度值進(jìn)行求解，見(jiàn)式(5)，同時(shí)得到加速度值，見(jiàn)式(6).

(5)

其中：v為A車速度值；(x,y)為行駛軌跡坐標(biāo)值；(xt-0.4,yt-0.4)為上一讀取點(diǎn)的行駛軌跡坐標(biāo)值.

(6)

其中：a為A車加速度；vA′為A車換道終點(diǎn)速度.

將計(jì)算得到的87個(gè)a值按0.2 m/s2為間隔，取組中值繪制加速度頻率分布直方圖，見(jiàn)圖7.

圖7 A車換道加速度頻率分布直方圖

從圖7可知，為了保證換道的舒適性及平穩(wěn)性，A車換道時(shí)的加速度不大，集中在0.5～1.5 m/s2范圍內(nèi)，峰值出現(xiàn)在 0.7 m/s2.分別取aA=0.5 m/s2、aA=1.0 m/s2、aA=1.5 m/s2及aA=2.0 m/s2，模擬A和B之間的最小縱向安全距離與兩輛車之間的速度差之間的關(guān)系，并獲得A和B之間的安全距離區(qū)域，見(jiàn)圖8.

圖8 A車與B車之間的安全距離區(qū)域圖

從圖8可以看出，A車在換道時(shí)的加速度越大，換道的安全區(qū)域越大，相應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)域越小，也就是說(shuō)，A車和B車之間發(fā)生碰撞的可能性越小.因此，加速車道車輛適當(dāng)提高加速度進(jìn)行換道是有必要.但在快速路合流區(qū)路段，路段車輛本身行駛速度較快，加速車道車輛加速換道過(guò)程中，為保證車輛橫向波動(dòng)較小，加速度建議控制在1.0～1.5 m/s2范圍內(nèi)為宜.

4 結(jié) 論

通過(guò)研究福州市三環(huán)快速建新互通入口匝道合流區(qū)的行駛軌跡、換道起點(diǎn)分布情況及換道最小安全距離，得到以下主要結(jié)論：

1)加速車道車輛因必須匯入主線車流而采取換道行為，對(duì)主線三個(gè)車道帶來(lái)影響，影響程度為：外側(cè)車道>中間車道>內(nèi)側(cè)車道.

2)各車道車輛換道行為存在明顯的橫向延遲擴(kuò)散現(xiàn)象，從加速車道開(kāi)始，至內(nèi)側(cè)車道為止，換道頻率較高區(qū)域較前一個(gè)車道出現(xiàn)的晚.

限于儀器設(shè)備及試驗(yàn)水平，本次試驗(yàn)僅選取帶有平行式加速車道的合流區(qū)為研究對(duì)象，后續(xù)可增加對(duì)帶有直接式加速車道的合流區(qū)的研究，同時(shí)可將研究區(qū)域向上游及下游路段適當(dāng)擴(kuò)大.