基于车辆运行特性的高速公路养护施工区行车风险分析

吴 彪，宋成举，徐慧智，王君祥

(1.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.黑龙江工程学院 数学系，黑龙江 哈尔滨 150050)

基于车辆运行特性的高速公路养护施工区行车风险分析

吴 彪1，宋成举1，徐慧智2，王君祥3

(1.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.黑龙江工程学院 数学系，黑龙江 哈尔滨 150050)

施工区造成高速公路行车环境突变，严重影响行车安全。考虑行车环境的复杂性和车辆运行的特殊性，分析高速公路养护施工区车辆合流、跟驰及分流行驶状态；根据车辆运动规律，分析这些过程中的强制变换车道风险和跟驰风险；确定高速公路养护施工区避免冲突风险的约束条件，为降低养护施工区行车风险提供依据。

高速公路；施工区；强制变换车道；跟驰；行车风险

随着我国高速公路通车里程不断增加和交通量快速增长，高速公路养护、升级改造和拓容扩建工程日益繁重。在高速公路养护施工过程中，一般情况下，交通并未中断，因此，养护施工作业引起严重“肠梗阻”，对高速公路交通效率和行车安全产生影响[1-2]。高速公路养护施工路段因车道封闭通行车道数减少，施工区通过车辆可分为合流、跟驰、分流等行驶状态[3]，存在强制性变换车道风险和跟驰风险[4-5]。因此，研究高速公路施工区车辆运行特性和行车风险具有重要的现实意义和实际应用价值。

本文以双向四车道高速公路养护施工区为例，在其交通控制区划分的基础上，分析高速公路养护施工区车辆合流、跟驰、分流运行状况及潜在的交通冲突，提出高速公路养护施工区车辆避免冲突风险的约束条件，为高速公路养护施工区行车风险控制与管理提供依据。

1 高速公路养护施工区交通控制区划分

施工区是为工程施工、施工人员安全作业、设备材料储存而预留的区域，是介于第一个提前警告标志到施工区结束处不再影响交通流最后一点之间的整个区域范围[6]。典型的双向四车道高速公路养护施工区交通控制区划分为六大区域，如图1所示。

图1 养护施工区交通控制区划分

其中，提前警告区是指养护施工作业区第一个警告标志到上游过渡区之间的路段，用以提前告知驾驶员前方是养护施工区域，提示驾驶员按交通标志对行车状态进行调整；上游过渡区是在施工作业区域前使交通流转移出原来正常的行驶路径，引导交通流驶入临时通行道路上的一段渐变段区域；缓冲区介于上游过渡区和工作区之间分离交通流和施工人员的一段区域；工作区是为养护施工人员、养护施工设备、材料预留及养护施工作业的一段区域；下游过渡区是为让交通流恢复到正常行驶状态的一段锥形过渡区域；终止区是使驾驶员通过工作区后返回正常行驶状态的一段过渡区域。

2 高速公路养护施工区车辆运行特性

受养护施工作业的影响，高速公路养护施工区因一侧车道封闭而无法行车。通过高速公路养护施工区路段的车辆存在合流、跟驰、分流、加减速等复杂的行驶状态[7]，高速公路养护施工区车辆运行轨迹如图2所示。

图2 养护施工区车辆运行轨迹

2.1 合流行为特性

在高速公路养护施工区合流区域(提前警告区、上游过渡区)，驾驶员依据限速标准逐次减速行驶，在第2车道上行驶的车辆还需不断调整加速度以便在养护施工作业区第一处警告标志与上游过渡区顶端之间的路段内寻找可接受间隙完成车道变换，形成强制性合流[8-9]，与第1车道上的直行车辆在同一通行车道上行驶，直至通过养护施工作业区；不然，车辆极有可能会出现排队现象。在强制性合流过程中，驾驶员感知、判断决策、反应操作等环节的复杂性显著增加，增加了车辆之间的交通冲突，从而引起交通不安全行为。高速公路养护施工区车辆为避免冲突风险，第1车道上的后车不得不制动减速，跟驰行驶。

2.2 跟驰行为特性

在高速公路养护施工区跟驰区域(缓冲区、工作区)，通行车道数减少并实行渠化交通管理，第2车道上车辆变换车道,进入第1车道后，驾驶员通常根据前车速度、本车速度、加速度以及前后车辆间距大小，选择相应的驾驶行为。由于无法超车，驾驶员只好紧随前车跟驰行驶。

2.3 分流行为特性

在高速公路施工区分流区域(下游过渡区、终止区)，根据养护施工区实际情况，驾驶员可选择加速行驶以提高车辆运行速度，必然再次变换车道，由第1车道进入第2车道(已经恢复正常)继续行驶。

3 高速公路养护施工区行车风险

3.1 车辆强制变换车道风险

在高速公路养护施工区合流区域(提前警告区、上游过渡区)，第2车道上的车辆为完成正常行驶目的需变换车道与强制合流，会诱发与第1车道上的行驶车辆产生交通冲突[10]；在高速公路养护施工区分流区域(下游过渡区、终止区)，驾驶员为达到期望运行速度，也必须变换车道加速行驶；若第1车道上的车辆变换车道进入第2车道，也将诱发与第2车道上的通行车辆产生交通冲突。上述分析表明：在高速公路养护施工区合分流过程中，车道变换行为均会导致交通冲突事件发生，如图3所示。

图3 养护施工区合分流交通冲突

现以高速公路养护施工区合流区域(提前警告区、上游过渡区)为例，分析其潜在的交通冲突风险。在施工区合流区域(提前警告区、上游过渡区)，驾驶员需要经过寻找第1车道上的可接受间隙、调整车辆运行速度和执行车道变换等3个过程[11-12]，才能顺利完成合流，如图4所示。

图4 养护施工区合流区域车辆运行状况

通过分析养护施工区合流区域车辆运行状况可知：车辆在强制变换车道过程中，存在3种潜在的行车风险[11-13]。由于转向不及时或加速度过大，变换车道车辆与第2车道上的前车(2L)发生追尾冲突；由于不能准确判断第1车道上的后车(1F)车速，导致变换车道车辆进入第1车道的时机选择不当，而与第1车道上的后车(1F)发生冲突；进入第1车道后，变换车道车辆与第1车道上的前车(1L)发生追尾冲突。

假设车辆在变换车道过程中，横向完成一个行车道宽度的变换车道时间为Δt，且在第2车道的行驶时间与第1车道的相同；车辆的安全距离为Lsafe。在前Δt/2时间内，车辆所受冲突风险约束较大；在后Δt/2时间内，车辆需要调整车速，以适应第1车道车辆避免冲突风险的约束条件。

第2车道上变换车道的车辆(2F)与前车(2L)避免发生追尾冲突的约束条件为

(1)

第2车道上变换车道的车辆(2F)与第1车道上的后车(1F)避免发生冲突的约束条件为

(2)

第2车道上变换车道的车辆(2F)与第1车道上的前车(1L)避免发生追尾冲突的约束条件为

(3)

(4)

再者，高速公路养护施工区合分流行为也增加了车辆与交通控制和安全保障设施发生正面碰撞的概率，如图5所示。

图5 养护施工区车辆与养护安全设施发生碰撞

3.2 车辆跟驰风险

在高速公路养护施工区跟驰区域(缓冲区、工作区)，第1车道上的后车(1F)跟随前车(1L)行驶，当前车(1L)遇到紧急状况制动减速甚至需要停车时，由于缺少避险空间，后车(1F)不能及时制动减速停车而产生追尾冲突，如图6所示；紧急制动下后车(1F)的行驶状态变化情况如图7所示。

图6 养护施工区车辆跟驰行驶的交通冲突

图7 养护施工区第1车道车辆跟驰行驶状况

假设第1车道上的前车(1L)在t时刻紧急制动，在X1L(t+Δt)处停车，其计算式为

(5)

第1车道上的后车(1F)驾驶员直至t+τ时刻才发生反应，在X1F(t+T)处停车，其计算式为

(6)

考虑到车辆安全运行，第1车道上的后车(1F)需满足式

X1F(t+T)≤X1L(t+Δt)-Lsafe.

(7)

驾驶员在对第1车道上前车(1L)的行驶状态变化做出反应之前，应考虑富余延误时间θ；且此期间，为使第1车道上后车(1F)驾驶员有充足的缓冲空间，后车(1F)的运行速度保持不变。则避免跟驰冲突风险的约束条件应满足

(8)

式中:θ表示驾驶员富余延误时间；τ+θ表示驾驶员安全反应时间。

4 结束语

施工区造成高速公路行车环境突变，复杂的行车环境加重了驾驶员工作负荷，严重影响行车安全。因车道封闭通行车道数减少，高速公路施工区路段车辆合流、车辆跟驰、车辆分流行为复杂，存在强制变换车道风险和跟驰风险。通过分析车辆强制变换车道和跟驰行驶过程中潜在的交通冲突，提出高速公路施工区车辆安全运行的约束条件。分析高速公路施工区车辆强制变换车道和跟驰微观动态安全，有助于高速公路交通管理部门根据施工区路段车辆运行特征，合理设置交通控制和安全保障设施进行施工区安全管理，改善施工区行车环境，提高施工区行车安全水平。

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《黑龙江工程学院学报》自2014年起变更为双月刊

为了缩短刊物的出版时滞，提高刊发论文的时效性，扩大期刊的学术影响力，应广大作者和读者的要求，经黑龙江省新闻出版局批准，《黑龙江工程学院学报》刊期于2014年由季刊变更为双月刊，逢双月25日出版。本刊将一如既往地以严谨的学术作风和深厚的编辑素养，秉承“及时、高效、规范”的办刊理念，恪守“质量第一、学术至上”的办刊思想，走内涵式发展之路，做读者的良师益友。

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本刊编辑部

Analysis of freeway work zone driving risk based on vehicle operating characteristics

WU Biao1, SONG Cheng-ju1, XU Hui-zhi2, WANG Jun-xiang3

(1.College of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China;2.College of Traffic, North East Forestry University, Harbin 150040, China;3. Dept. of Mathematics, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

The road traffic environment mutation caused by work zone affects seriously the traffic efficiency and driving safety. Taking into the consideration of traffic environment complexity and vehicle driving characteristics, the vehicle travel behaviors including merging operation, car-following operation and diverging operation are analyzed at freeway work zone. According to the theory of vehicle dynamics, the risk of mandatory lane-changing and car-following are analyzed, and the restrictions by which vehicle could run safely are put forward during the course of merging, car-following and diverging at freeway work zone. A theoretic base is provided for the improvement of traffic safety of freeway work zone.

freeway；work zone；mandatory lane-changing；car-following；driving risk

2013-11-29

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12511451)

吴 彪(1978-)，男，副教授，工学博士，研究方向:交通安全.

U491

A

1671-4679(2014)01-0010-05

郝丽英]