基于行駛軌跡的道路出入口標線精細化設計

張 敏,賈志絢

(太原科技大學 交通與物流學院,太原 030024)

道路交通標線作為道路基礎設施的重要部分,在規范車輛的導向、行車路線和交通出行方面發揮著不可替代的作用。其中道路出入口標線用于引導駛入或駛出車輛的運行軌跡,提供安全交匯,減少與突出緣石碰撞的可能,一般由出入口的縱向標線和三角地帶標線組成[1],其正確合理的設計不僅可提高道路使用者的通行速度和出行效率,同時可降低違章和交通事故的發生率,進而提高道路通行水平和行駛安全性,維護良好的交通秩序。

在道路出入口標線設計研究方面,MACE[2]等測試了交通標志和標線在不同速度下的可視性和駕駛人的識別能力。秦兵杰[3]從出入口道長度、出入口路緣石轉彎半徑、加減速車道以及交通視距、標志牌設置等多個角度,提出了主干道機動車出入口幾何設計方法以提高出入口的交通安全服務水平。朱彤[4]等提出車輛提前變道和提前減速對于提高交通安全水平極為重要,基于實驗結論提出快速路渠化設計和安全設施設置原則。

在車輛換道行為研究方面,HEDRICK[5]等證明了梯形加速度法在換道時間和變量控制方面比傳統的正弦法、圓弧法、多項式法具有明顯優勢。OLSEN[6]等基于美國自然駕駛數據對駕駛人變道頻率、變道時長、可接受間距及注視特征等變道行為進行了全面的研究。王雪松[7]等基于上海自然駕駛試驗數據,發現駕駛人變道頻率偏高且變道前極少查看盲區,在不同道路上的變道行為存在差異。徐慧智[8]等通過分析大量的觀測數據,揭示了車道變換行為與運行速度的相關性,構建車道變換行為對速度的影響模型,進行量化分析。孫劍[9]等從分析擁擠狀況的交織區運行行為特性出發,在傳統的強制性車道變換模型中引入換道“協作”機制、換道沖突“協商”機制,建立了相應的仿真模型 TESS.

道路出入口標線設計與車輛行駛軌跡相結合的研究文獻尚不多見,本文以太原市玉門河南沿岸近西中環出入口為研究對象,通過實地調查,利用Matlab建立車輛行駛軌跡模型,對該出入口標線進行精細化設計。

1 調研數據

1.1 調研地點現狀

玉門河南沿岸近西中環出入口常有車輛換道碾壓實線的違章現象,這與標線設計不合理有一定關系。該出入口參數見圖1.構筑物之間的總長度為80 m.主路為準快速路,車道寬度為3.25 m,輔路車道寬度為3.3 m,構筑物寬度為1.82 m.圖中①車道是主路入輔路的主要換道車道,②車道是輔路入主路的主要換道車道,輔路設置有機非分隔護欄,無非機動車干擾。

圖1 調研地點現狀

1.2 最小樣本量確定

最小樣本量按式(1)計算[10]:

(1)

式中:n為最小樣本量;E為允許誤差,取值范圍≤8 km/h;σ為估計母體的標準差,建議取σ=8 km/h;t為決定于置信水平和自由度的t分布統計量;ν為常數。

取置信度水平為95%,t=1.96,σ=8 km/h,v=1.04,E=2 km/h得n=93.43.至少應觀測94輛車,實際樣本量取150輛。

1.3 數據采集

利用激光測距儀、秒表等儀器進行調研地點的數據采集。車輛換道運行數據調查人員布點情況見圖2.其中速度調查時應用了表1中的推薦行程長度[10]。觀測時段天氣均為晴朗,且觀測路段無施工、路面障礙物和臨時?？寇囕v的影響。該道路隧道較多,行駛車輛基本為中小型汽車。

表1 地點車速調查推薦行程長度

圖2 車輛換道運行數據調查人員布點

2 數據處理分析

換道速度和時間均是反映車輛換道行駛軌跡的重要指標。根據所調查不同時段的換道速度和時間,繪制換道速度分布和換道時間分布箱形圖,如圖3、圖4所示。

圖3 換道速度分布箱形圖

圖4 換道時間分布箱形圖

統計所調查不同時段的換道速度和換道時間,表中數據取眾數,見表2.

表2 不同時段換道速度和時間統計結果

數據分析可得,工作日平峰時段的換道速度要高于高峰時段,這是由于高峰時段交通量較平峰時段高,車間干擾所致。周六、日換道速度無明顯差別。

3 車輛換道軌跡確定

3.1 車輛換道起點確定

通過觀測測量確定換道起終點區間。以車頭為基準,主路入輔路的換道起點距出口起點[3,7]m,終點距出口起點[31,36]m.輔路入主路的換道起點距出口起點[47,50]m,終點距出口起點[73,78]m.

3.2 車輛換道速度和換道時間確定

因此路交通量較小,工作日平峰時段的車速基本為自由流車速,高峰時段車流介于自由流與穩定流之間,故選取工作日早高峰時段的相關數據用于車輛換道軌跡的確定。該時段的車速累計頻率分布如圖5所示。

圖5 車速累計頻率分布

根據圖5的車速累計頻率分布曲線,得到車輛15%位、85%位換道車速和相應換道時間,見表3.

表3 車輛換道15%位車速、85%位車速和相應換道時間

根據表3數據得,主路入輔路車輛換道速度v=[36,46]km/h,相應換道時間t=[2.28,2.77]s.輔路入主路車輛換道速度v=[36,47]km/h,相應換道時間t=[2.02,2.84]s.

3.3 車輛換道軌跡確定

車輛換道過程中行駛軌跡示意圖如圖6所示。

圖6 車輛換道行駛軌跡示意圖(單位:m)

假設車輛的速度為v,車輛換道所需的時間為t1.行駛軌跡[9]如下所示:

(2)

(3)

式中:yd為車輛換道完成后的縱坐標值,m;x0為車輛換道前的初始橫坐標值,m;y0為車輛換道前的初始縱坐標值,m;v為車輛運行速度,km/h;t為仿真時間步長,s;t1為換道時間,s;θ為車輛換道角度,一般為10°.

4 標線精細化設計

4.1 現狀車輛運行仿真

觀測發現,車輛由主路入輔路,壓線車輪多為左后輪;而由輔路入主路,壓線車輪多為左前輪,因此實際計算仿真中,可將車輛的簡化質點分別對應為左后輪和左前輪。仿真時應做相應換算,換算后主路入輔路的換道起點距出口為[-2,2]m,輔路入主路的換道起點坐標不變。

利用Matlab[11]進行現狀仿真。取yd=車道寬度+構筑物寬度=5.1 m.主路換道至輔路的行駛軌跡,取x0=[-2,2]m,v=[36,46]km/h,t1=[2.28,2.77]s,輔路換道至主路的行駛軌跡,取x0=[47,50]m,v=[36,47]km/h,t1=[2.02,2.84]s.導出現狀標線下車輛換道軌跡圖,如圖7所示。

圖7 現狀車輛換道軌跡圖

由圖7可得,現狀標線下仿真由主路換道至輔路的車輛換道起點在距出口起點[-2,2]m,換道終點在距出口起點[25.7,31.13]m,與觀測吻合,部分車輛存在碾壓實線現象。

由輔路換道至主路的車輛換道起點在距出口起點[47,50]m,換道終點在距出口起點[73.37,78.4]m,絕大多數車輛均存在碾壓實線現象,這是由于駕駛員的視覺錯覺造成,對縱向距離的判斷產生小于實際距離的判斷性視覺誤差,駕駛員會為避免碰撞前方構筑物,增大方向盤轉角幅度而造成風險性換道,因此一般駕駛員會采取提前換道的措施來保證安全性。

4.2 標線精細化設計

考慮車輛的實際運行車速-行駛軌跡,對觀測地點的標線進行精細化設計。將主路入輔路的標線設置為虛線長32 m,實線長48 m,將輔路入主路的標線設置為虛線長33 m,實線長47 m.如圖8所示。

圖8 精細化設計后的標線(單位:m)

標線精細化設計后利用Matlab和VISSIM[12]分別進行車輛運行仿真。

4.3 標線精細化設計后車輛運行仿真

4.3.1 Matlab仿真

利用Matlab仿真車輛運行。依舊將車輛的簡化質點分別對應為左后輪和左前輪,即主路換道至輔路的行駛軌跡,取x0=[-2,2]m,v=[36,46]km/h,t1=[2.28,2.77]s;輔路換道至主路的行駛軌跡,取x0=[47,50]m,v=[36,47]km/h,t1=[2.02,2.84]s.導出標線精細化設計后車輛換道軌跡圖,如圖9所示。

圖9 標線精細化設計后車輛換道軌跡圖

由圖9可看出,標線精細化設計后仿真中車輛換道并未碾壓實線,車流運行穩定,該標線設計較設計前合理。

4.3.2 VISSIM仿真

VISSIM仿真路網如圖10所示,車輛運行圖見圖11.

圖10 調研地點路網圖

圖11 VISSIM仿真車輛運行

仿真表明,標線精細化設計后,車輛換道不會碾壓實線,避免了壓線違章、風險性換道所致的交通通事故的發生。

5 結論

通過對太原市玉門河南沿岸近西中環出入口的實地調查獲取的基礎數據和車輛行駛軌跡的運行數據進行分析,得:

(1)標線設計應在標準規范的指導下結合道路的實際物理結構、運行車速、車輛行駛軌跡等進行,具體問題具體分析。

(2)考慮運行車速-車輛行駛軌跡的標線設計更符合車輛的實際運行情況,可減少因設計不合理而造成車輛碾壓實線的違章現象。

(3)為提高安全性水平,在進行道路出入口物理設計時,構筑物間出入口應保證足夠距離,確保交織段(出入口間的雙實線段)具有一定長度,具體的合理長度值有待后續進行深入研究。