第 卷 第 期 年 月 * 科 学 技 术 与 工 程!"#$ % & " ' "! " & "'" 交通运输 山地城市长上坡路段小客车行驶速度的模式特征 徐 进 林 伟 刘炫兵 黄业闪 刘桐宾 交通运输工程重庆市重点实验室 重庆 重庆交通大学交通运输学院 重庆 摘 要 与平原城市相比 山地城市道路具有弯道多 坡度陡 曲率变化大 交叉口间距长 路侧干扰少等特点 车辆的运行状态存在特殊性 关于小客车在上坡路段的速度变化特征此前一直存在不同推测 为明确山地城市长上坡路段小客车的行驶速度特性 在重庆市主城区内选择多条具有代表性的上坡路段为对象 采集多个测试断面的行驶速度 得到了小客车在夜间和日间的速度变化趋势和影响因素 以及大型车与小客车之间的速度差异 以及路段环境和昼夜因素对速度的影响 结果表明 小客车在山地城市上坡路段的速度变化趋势呈典型的多样性特征 比如持续递减 维持不变 持续升高 以及不同类型的波动 共确定了 种变化模式 面包车在上坡路段的速度均值最低 三厢 两厢轿车居中 / 速度最高 / 与面包车的平均速度相差约 <+ 在日间 道路坡度对小客车速度无明显影响 受路侧 交通量和信号灯影响更大 夜间小客车在上坡路段的行驶速度会出现衰减 在直坡路段 小客车的夜间行驶速度高于日间 并且速度在各观测断面的分布比较离散 而对于弯坡组合路段 速度在各断面的分布比较集中 且速度幅值低于日间 关键词 山地城市道路 上坡路段 纵坡路段 大型车 小客车 行驶速度 驾驶行为中图法分类号 / / 文献标志码 道路的几何线形特征在很大程度上取决于地形条件 在微观层面 平原城市道路除了沿河路段之外几乎都为平直路段 因此道路网结构可以看做是由众多平直节段连接而成的拓扑网络 汽车在城市街道上的行驶速度是由最高限速和交通流决定 而与道路线形的相关性不大 相比之下 山地城市道路为了契合沟谷交错的起伏地形 为自由式路网格局 频繁出现弯道 陡坡和弯坡组合路段 且交叉口间距大 汽车行驶状态与道路线形之间的关系非常密切 另一方面 由于是城市道路 行驶速度仍会受到交通流的影响 与此同时 车型也是影响行驶速度的重要因素 对于山地城市上坡路段 不同车型的比功率存在明显差异 因此上坡时的速度衰减幅度不同 大型车和小客车之间的速度差会使交通处于不稳定的运行状态 还容易引发刮蹭 碰撞和追尾事故 目前关于城市道路交通运行状态的研究多以路段的行程速度 区间速度 平均速度为指标 用以分 年 月 日收到重庆市科技计划项目 # 和交通运输部应用基础研究项目 * 资助第一作者简介 徐 进 * 男 吉林四平人 工学博士 博士后 副教授 研究方向 公路路线设计理论与方法 人 车 路 环境 系统 交通环境影响以及驾驶行为 &+$! #!K**** - + 析交通流状态和衡量拥堵水平 由于平直路段条件下 速度特性往往取决于交通量和信号配时 因此鲜有行驶速度特性与城市道路几何线形相关性的研究报道 相比之下 在公路领域国内外研究者开展了大量的关于纵坡路段汽车运行速度的实测和仿真分析 并建立了众多的预测模型 包括小客车 中型货车和大型货车等代表性车型 还有不少学者以山区高速公路为对象 研究了公路最大纵坡及坡长限制与汽车性能之间的关系 明确了爬坡车道的设置条件 * 徐进等分析了地形环境 车道数量 驾驶行为 车型等因素对汽车连续行驶速度的影响 分析了行驶速度与公路设计速度之间的偏差及其致因 以及导致行驶速度波动的干扰因素 基于速度实测结果 还建立了面向山区复杂线形公路的多车型三维运行速度预测模型和解算方法 综上 现有关于汽车行驶速度特性的研究主要针对平原城市道路和山区公路 而山地城市道路具有较强的特殊性 既具有山区公路的线形特征比如急弯 陡坡和危险的路侧环境 以重庆市为例 一些道路的坡度比山区公路还要大 行驶条件比山区公路还要困难 与此同时 又兼备平原城市道路的一些特点 比如一些主干路密集的交通流 以及交叉口 由于这种特殊性 现有关于山区公路和平原城市道路车辆行驶特性的研究成果 对于山区城市道路都
科 学 技 术 与 工 程 卷 不再适用 小客车是城市道路上比例最大的一种车型 之前由于缺乏实测数据支撑 关于小客车在山地城市道路上坡路段的速度特性存在不同的推测 有的认为小客车比功率高 速度不会受到坡度阻力影响 有的则认为小客车速度也会像大型车一样出现衰减 但衰减多少 怎么衰减 又有不同的看法 而本文将试图明确这一问题 基于此 在重庆主城区内选择有代表性的道路 通过现场调查小客车在不同观测断面上的速度值 得到了其沿坡向长度的变化趋势 同时 还采集了大型车的行驶速度值 用于和小客车进行对比 以找出山地城市长上坡道路段小客车行驶速度的变化特征及其影响因素 为山地城市道路设计 安全性评价 车辆结构和动力系统设计提供科学的数据支撑 实验方案 实验道路在重庆市城区内共选择了 * 条具有代表性的长上坡路段 选择实验道路考虑的主要因素有道路类型 车道数 坡度 坡长 交通量 以及平面线形组合等 如表 所示 图 是道路的平面线位以及观测位置 横断面 基本涵盖了重庆市的主要道路类型 并能充分反映出山地城市道路的特点 表 实验道路情况 / % '!%!! " 序号 道路名称 车道数量 中央分隔带 道路类型 白市驿路段 双车道 无 支路 南岸区学府大道二塘段 双向六车道 有 主干路 广黔路 双车道 无 支路 南岸区烟雨路 双向四车道 无 支路 兰花路 双向四车道 无 次干路 江南大道 双向八车道 有 主干路 南区公园路 双车道 无 支路 建新南路 双向车道 有 快速路 * 海峡路 双向车道 有 快速路 实验车型为照顾城市道路的典型车型 实验所调查的车辆类型主要是小客车 包括三厢和两厢轿车 面包车 / 含一部分四驱越野车 为了与大型车的速度特性进行对比分析 同时还测量大型车的速度数据 包括大货车 大客车 公交车和一部分中型货车 实验仪器和观测方法实验用到了 种仪器 分别为雷达测速仪 红外 图 试验道路的线位图 " $! " + '$% 测距仪 数显水平尺 对讲机和照相机 其中雷达测速仪用于记录通过各个观测断面的汽车行驶速度 对讲机用于不同观测断面记录人员之间的语音通讯 照相机用于记录实验道路情况 数显水平尺用于测量各个观测断面的坡度值 红外测距仪用于测量各观测断面之间的距离 观测方法 不计车牌 只区分车型 该方法主要针对小客车 由于小客车的比例大 速度快 实测时在短时间内难以准确描述其外观特征 难以实现不同观测断面的跟踪观测 连续跟踪单个车辆 即第一观测断面的实验员在记录速度的同时 报告观测车辆的外形和结构特征 后续观测断面等待该车辆驶进观测区域时进行速度记录 该方法也用于大型车的速度观测 观测断面和观测时间依据道路实际情况 每条实验路段设置 8 个
期 徐 进 等 山地城市长上坡路段小客车行驶速度的模式特征 观测断面 坡顶和坡底设置一个 中间设置 或 个 断面序号按沿着上坡方向依次编号 如图 所示 本次实验的测量时间为四月中下旬开始到五月中旬结束 测量时避开了暴雨 雷电等极端天气 测速人员在测量时应隐蔽在驾驶员不易发现的位置 减少对行车造成的影响 由于本文是以探寻道路参数与行驶速度之间的关系为目的 为了排除交通拥堵对行驶速度的干扰 开展行驶速度数据采集的时间段避开了 8 * 和 8* 这两个上下班高峰时段 具体的观测时间为日间 8 夜间 8 其中大货车的速度采集是在夜间完成 因为日间大货车不允许进入重庆主城 图 观测断面划分 " : '$ ' 小客车行驶速度的模式特征 图 为夜间小客车在上坡路段的行驶速度测试结果 能看到在南区公园路的 个观测断面的速度分布比较集中 且幅值较低 这是由于观测断面的前方具有小半径弯道 急弯就成了影响小客车行驶速度的主要因素 动力性再好的车辆 由于弯道的限制 动力性能将没法完全发挥 相比之下 其余 个上坡路段的测试结果在每个断面上的分布均比较离散 根据小客车速度均值在各个测试断面上的变化 可以明确夜间行驶时小客车速度变化的基本模式 模式一 速度随着坡长的延伸逐渐降低 但临近 坡顶时 最后两个断面之间的区段 速度提高 即加速驶出上坡路段 如图 $ 所示 模式二 速度沿上坡方向一直衰减 但衰减的幅度和趋势比较轻微 如图 : 图 所示 并且发现 这种持续下降趋势同时存在于两种速度环境 比如海峡路的均值速度很高 是 <+ 左右 而广黔路的均值速度很低 <+ 左右 模式三 速度保持恒定 即小客车上坡行驶时速度并不发生衰减 如图 % 8 图 所示 综合比较图中的 个路段 除了南区公园路 弯坡组合路段 之外 发现其他 个测试路段的小客车速度均发生不同程度的衰减 由于夜间行驶时路侧干扰程度低 车流量小 驾驶行为主要受道路条件影响 因此 可以认为夜间行驶条件下山地城市道路上坡路段会导致小客车的速度出现不同程度的衰减 图 为日间小客车行驶速度的实测结果 能看到小客车在各路段观测断面 坡顶位置 的速度值比前几个断面要更加分散 其原因主要是此断面位置临近坡顶 驾驶员不同的驾驶习惯 比如某些驾驶员在坡顶时换档 有的则在坡顶前就换挡 还有一些驾驶员偏爱冲坡 导致了不同的速度幅值 根据图中 个测试路段的小客车速度均值在不同观测断面上的变化特征 可以对速度模式进行定义和划分 模式四 速度先逐渐升高 再逐渐降低 最后再升高 即速度波动呈 形变化 如图 $ 图 : 中的情况 模式五 速度先下降 然后持平 最后再升高 即坡低时下降 坡中时恒定 临近坡顶时加速 如图 模式六 速度持续升高 如图 另外 图 图 % 中的速度变化特征则属于本节前面定义的模式二 将同一路段日间和夜间的数据进行对比 能看到日间和夜间是两种不同的变化趋势 如广黔路 夜间是单调下降 即模式二 而日间是 形变化 模式四 再如兰花路 夜间行驶速度也是单调衰减 即模式二 而日间是模式五 日间和夜间速度变化趋势不一致的原因为 夜间汽车行驶时的路侧干扰更小 且行人过街信号灯在夜间是黄灯闪烁 汽车在没有行人是可直接通过 而日间汽车在临近人行横道且红灯启亮时需减速 因此夜间行驶速度的影响因素更单一 与夜间相比 日间小客车的速度变化类型要更丰富 根据对现场情况的分析 发现除了道路坡度之外 路口复杂的行驶环境对小客车速度也有明显影
$'$ 科#学#技#术#与#工#程!" 卷 图 *#夜间小客车行驶速度特性 O *#h Q 7/ 1 1 图 A#日间小客车行驶速度特性 O A#h Q 7/ 17 C 响$由于有路口存在$就会出现行人横穿和交通信号 控制等复杂行驶因素$ 导致驾驶员在路口前方采取 减速措施' 同时$日间的路侧干扰也比夜间更大' 综上$ 小客车在山地城市上坡路段的速度变化 趋势呈典型的多样性特征$ 囊括了之前我们所猜测 的各种变化模式$ 比如持续递减( 维持不变( 持续升 高(以及 * 类型的波动模式' %"不同类型小客车的行驶速度差异性 根据试 验 道 路 上 的 交 通 结 构 组 成$ 对 小 客 车 两厢小轿车( 面包 " 小客车# 进行细分$ 分别为三厢 n 车和 +G:三个车型' 图 ( 是兰花路(建新南路和学
$$ 期 徐#进$等&山地城市长上坡路段小客车行驶速度的模式特征 府大道等 * 个试验路段的分车型速度均值变化$ 从 中可以看到& "!# 三种不同车型的平均速度之间存在比较明 显的差异$其中面包车的平均速度相比其他两种车 型在各断面上都要低$ 这是由于面包车的比功率在 三种车型中最低' "$# 相同路段$+G:的速度在 * 种车型中最高$ 这是由于 +G:车型比其他两种车型具有更优良的 爬坡性能和加速性能' 其他试验路段比如建新南路 和学府大道小客车的速度特性与所列举的 * 个路段 相似$不再详述' "*# 总的来看$ 速度最低的面包车与速度最高 1 左右$ 是非常显著的 的 +G:$均值速度相差 ( `Cn 差异' $'* &"昼夜环境以及车型对速度的影响 在图 " 中可以观察到昼夜和车型对汽车行驶速 度的影响$ 箱型图的从上至下分别表示最大值('( 百分位值((% 百分位值($( 百分位值和最小值' 其 # 是不区分车型的结果显示$能看到学府大 中图 "" 道和兰花路的夜间行驶速度的各个特征值均大于日 间$但南区公园的汽车行驶状况却和前 * 条道路相 反$不管是速度分布区间还是均值都是夜间小于日 间$这是由于该道路是典型的弯坡组合路段$技术标 准比较低$弯道半径小角度大$且是双车道$对撞(驶 离路面和侧翻的风险均比较大$ 夜间行驶由于光照 和视距不好$驾驶员出于安全的考虑会选择一个较 低的行驶速度$并且存在行为上的趋同性' 图 "#夜间和日间的汽车速度比较 O "#+Q 7 CQ / X [ / 7 C /7 1 图 (#不同类型小客车的行驶速度均值差异 O (#K / Q 7 C > Q Q 图 "" X# 是小客车的结果显示$ 从中能看到$ 广 黔路与南区公园路类似$ 也是夜间的行驶速度低于 日间$但行驶速度的分布范围与日间差别不大$原因 是广黔路的道路等级也比较低$ 并且与南区公园路 一样同是属于弯坡组合路段$ 夜间行驶时驾驶员由 于视线不足不得不选择较低速度' 由此可知$ 在山 地城市长上坡路段$直线路段 " 直坡 # 的夜间汽车的 行驶速度普遍高于日间$但弯坡组合路段则正相反'
科#学#技#术#与#工#程 $'A 对于弯坡组合路段$ 影响夜间驾驶员速度选择行为 的主要因素是道路线形(道路等级以及道路照明' # 和图 '" X# 分别日间和夜间给出了小客 图 '" 车和公交车" 含少量大客车 # 的行驶速度均值对比$ 每个柱状体的高度表示该车型在全部观测断面上的 速度均值' 从中能看到$在山地城市长上坡路段$无 论是在夜间还是日间$小客车的速度均大于公交车 n 大客车$这是由于小客车具有较高的比功率值$并且 小客车的行驶阻力远远小于公交车$ 因而造成小客 车的上坡行驶速度明显大于大型车' 小客车和大型 车的速度差均值维持在!$ `Cn 1$并且$夜间大型车 和小客车的速度差与日间比并未见明显不同'!" 卷 "!# 小客车在山地城市上坡路段的速度变化趋 势呈典型的多样性特征$ 囊括了之前我们所猜测的 各种变化模式$比如持续递减(维持不变(持续升高( 以及不同类型的波动$通过进行归类$确定了 " 种变 化模式' "$# 在 +G:(面包车和三厢 n 两厢轿车这 * 种车 两 型中$ 面包车在上坡路段的速度均值最低( 三厢 n 厢轿车居中$+G:速度最高$ 并且$+G:与面包车的 平均速度相差约 ( `Cn 1' "*# 在日间$山地城市道路的坡度对小客车速 度没有明显的影响$ 而受路侧( 交通量( 和信号灯影 响较大%而在夜间$小客车在上坡路段的行驶速度会 出现不同程度的衰减' "A# 在直坡路段$ 小客车的夜间行驶速度观测 值高于日间$并且速度在各观测断面的分布比较离 散%而对于弯坡组合路段$ 由于夜间视距较差$ 驾驶 员为了保证车辆横向稳定性$ 速度在各断面的分布 比较集中$且速度幅值较低" 比日间更低# ' "(# 不管是日间还是夜间$ 小客车的行驶速度 幅值明显高于大型车$ 二者之间的行驶速度差均值 约为!$ `Cn 1%此外$夜间大型车和小客车的速度差 相比于日间并未见明显不同' 参 考 文 献!#K / dc jq Q 7 Q 7 / / > > [ /1 1[ / < X 0 / Q / d 1 F 7 1 $ $%%!%""# & "'!'( < / = 7 C $ #K / dc +Q 7 Q 7 / [ / > 1 1 [ h>x QC / $ /7 0 1/ 0> / / <j BB!'! d 1$ K O X /` a 1[ d 1 J / $ $%%% * # =C / = / + a 1[ 0 / Q / j " ==+a0j# = Q / C 7 / 1 1[ /7 " / X #^ 1 / KJ& ==+a0j$ $%%! A#@ 1-h$ a / \@ 7 Q Q 7 /7 Q 7 7 / $ $%%(%!*! / [ / > 7 0 / Q / d 1 < [ 图 '#大型车和小客车的行驶速度均值对比 O '#= Q 7 CQ / X [ / 1 /7 Q ""# & A%&!A!B (#徐#进$ 邵毅明$ 赵#军$等 山区道路弯坡组合路段重载车辆 行驶速度模型 长安 大 学学 报 " 自 然 科学 版# $%!(% *( "$ # & "'!'A '"结论 山地城市道路由于弯道多(坡度值大(坡道长等 特点$对汽车行驶速度以及驾驶人的速度选择行为 产生了明显的影响' 为了明确上坡路段的小客车速 度变化特征和影响因素$ 本文在重庆市主城区选择 了多条不同类型的长大上坡路段$ 分别在日间和夜 间采集了多个测试断面的行驶速度值$ 得到了如下 结论' _> c /$ +1 \-@ $ I1 c >/$ 7 8: +Q 7 Q 7 / C 7 1 > 7 / > 7 C /[ 1 Q C >/ / > > + / 87 /# $ 1 1[ c > / J1 m / G/ " < $%!(% *("$# & "'!'A "#交通部公路科学研究所 公路纵坡坡度和坡长的限制标准研究 报告 北京& 交通部公路科学研究所$ $%%$ d 1Z / > a 1[ @/ 0 / Q + >7 Q / & d 1 1[ >7/ 7 / /7 7 1 C F D 1Z / > a 1[ @/ 0 / Q $ $%%$ '#徐#进$ 赵#军$ 罗#庆$等 基于轨迹 速度耦合策略的复杂道 路汽车行驶速度决策 西南交通大学学报$ $%!(% (%"A# & (''!
期 徐 进 等 山地城市长上坡路段小客车行驶速度的模式特征 *? 1$? A > " %&' ' " % % +$< " +! " $#:$ % '$ "# '$ '# %! "? ' $!? $ "/ ' # * 石飞荣 杨少伟 赵永平 等 山区高速公路车辆上坡最大纵坡及坡长限制 长安大学学报 自然科学版 ' " $ " $ 1$ " " %&' ($ + +! " % $!! $ %! " + $ ' $#! %' "? ' $! $ " $ / ' # $ '$! &% * 许金良 雷 斌 李 诺 高速公路上坡路段载重车辆运行速度特性 交通运输工程学报?! $ " A A '$ " % $'$ ' $#! ' $#!? ' $! '$ $ % '$ '$ & " ' " 孟宪强 边成友 李一微 等 高速公路纵坡上的中型车自由流运行速度模型 长江大学学报 自然版 ( " $ $ " $ "# A %&' + %!'! '$ % + % % #' < " $#"'$%? ' $! $ " / ' # $ &% 钟小明 刘小明 荣 建 等 基于高速公路路线设计一致性的中型卡车运行速度模型研究 公路交通科技 ** 1 " $+ " A $+ " @ "? $ %&' @ $' '$ " % + %! '! "' < '$! " + % " # ' $#? ' $! = " $#$ % '$ '$ @ $' $ %!+ ** 钟小明 元海英 荣 建 等 用于线路设计的小客车速度模型研究 北京工业大学学报 1 " $+ " $ =$ # " @ "? $ %&' @ $' '$ " % + %! '! "$ " ' $''$! " + % " " $#? ' $! "D!# / ' # 徐 进 邵毅明 彭其渊 等 大客车和小客车在各种类型公路上的连续行驶速度工况分析 交通科学与工程? $ + " D "> # $ %&' ' " % "$ "! $' ': % ' # " $#? ' $! '$ ' $ % & " ' "!! + &" & %!% *! % %!!! /? A A / $ : " =/ 0 $ A / ": " "C #A$: '$'# '$ '$ & " ' " " " D @ $! " '$ $ % '$ '$ " "? $ "/ ' # " " D @ $ /!! +$' %!$ + $ #' $ + ' ' '! '!# $ " % '$ ' $ "! " ' $ %! ' ' '+'$% % ' ' '$ $! $$'!$' # '$ " ' $' $% :!$ % ' : "% ' $'$ ' % $ "!!$' # % $'$ ' $ " ' $' + $ #' $! "! $ +: ' ' ' $! ' " "+$ ':$ $' $ %' " % $! % ' ' ' %$ % $ '$ " % $ " ' $'$ "$ % %$#$' :$ % $! $ % % ' :!$'"! $ % $ " ' $' $ % '$% ' + $ % ' $% $ $ ' % '! % $ % $ " $ " ' $'! + $ # $# $! % ' # $ ' $ %! $ " % ' $ %!$! # % ' # + % ' % $ " ' % %! $ $! $ '$" % %$ $ :$ < / $ " % % ' $ '$" % : / $ % + $ $: <+! $% " $ $ " ' $' % %$# : '$% % '$! + $ % '$! "$ $"' $ ' +$ $ " ' $' % ' $ "+$!$ " ' $' % $ $!! '$ " $ " ' $'%' "$ "$ '$ % ' " %$# $ % % % ' : + ' % ' $ : '$ : ' ' %! % % ' : + ' '$ % $ : '$ $ %! #$+! %! '$ % ' " %$# 0 1 " + $ #'!! $#' <$ " ' $' % %' ': $ '