田毕江 胡澄宇 杨文臣 苏宇

云南省交通规划设计研究院有限公司 陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室

摘 要：为了提高山区高速公路行车安全性和速度连续性，提出了山区高速公路桥隧群区路段的限速值优化方法。首先通过选择在建的山区高速公路桥隧群区段为研究对象，构建了该路段的三维仿真场景。然后根据隧道路段设计速度采用标准，分别确定了“设计速度±20 km/h”和“设计速度”等3种限速方案，开展了3种限速方案下的驾驶模拟实验。最后从运行安全性、行车舒适性和效率性出发，选取了横向偏移值、相邻路段运行速度差、纵向加速度和速度统计指标，分析了不同限速方案下驾驶响应特性。结果表明：较低限速方案下，车辆横向偏移量最小，限速提高使得车辆更难以保持轨迹一致性，增加了行车安全风险，但合适的限速条件下，车辆运行速度变化和纵向加速度控制更平顺，有利于行车安全性和舒适性；采用线形累加法进行综合评价，认为采用设计速度的限速条件能较好均衡桥隧群区的安全性、舒适性和通行效率。

关键词：交通工程;桥隧群区;限速技术;驾驶模拟;交通行为;山区高速公路;

基金：云南省交通运输厅科技项目，项目编号2019303;云南省基础研究项目，项目编号2019FB072;公司自立项目，项目编号ZL-2017-04;

截止2019年底，我国高速公路通车里程14.95万km, 隧道通车19 067处，共1 896.66万m[1]。桥隧群区路段作为山区高速公路的重点节点路段，具有结构特殊、空间封闭、行驶条件变化等特征，其交通事故严重程度和事故率高于一般路段，交通事故率约为普通路段的1.69倍，隧道路段的安全形势严峻[2,3]。据统计，隧道内超速行驶诱发交通事故占比达28%[4],合理的速度控制是提高隧群区段安全服务能力与通行效率的关键。

长期以来，交通管理者和出行者对高速公路桥隧群区路段限速管理的认识存在分歧。交通管理者结合云南省严峻的交通安全形势，致力于提升隧道内安全行车，隧道路段多采用小车80 km/h和大车60 km/h的限速值，局部事故多发隧道路段采用60 km/h统一限速，甚至一度出现最低40 km/h的限速情况[5]。出行者对行驶速度的要求较高，普遍反映隧道路段限速值偏低，无法满足当前人们“快节奏”的行车期望，“高速不快”的社会舆论长期存在。研究高速公路速度控制技术，合理设置隧道路段限速值并定量分析限速有效性，已成为隧群区段运营管理亟待解决的重要问题。

境内外常用的限速方法是基于运行速度和交通仿真等方法来确定限速值。Bella利用驾驶模拟技术，研究了横断面对运行速度的影响，构建双车道公路运行速度预测模型，并用实测数据进行验证[6]。Victor和Francesc均采用实证研究方法建立了限速与运行速度、交通流的关系，发现各分位车速和车道占有率均与限速有很高相关性[7,8]。Stefan建立速度选择的经济均衡模型，分析了大多数欧洲国家在燃油税的推动下，限制最高速度仍是必需的[9]。Saidi等发现绝大多数人遵循最低限速，多数人无视最高限速，最大和最小限速差较大路段的撞车次数反而较少，认为需要重点关注最低限速及对安全性的影响[10]。我国《公路限速标志设置标准》(JTG/T 3381-02—2020)提出根据设计标准[11],结合公路的运行特征、路侧干扰和沿线环境情况，可初定基本限速值。《公路项目安全性评价规范》(JTG B05-2015)根据多等级公路实测数据[12],建立了隧道路段大小型车的运行速度模型，可为隧道限速提供依据。杨文臣等以现场观测的19个断面交通流数据为基础，采用了多元线形回归建模方法，建立了山区高速公路隧道段运行速度预测模型[3]。周广振采用实测数据建立了以车速方差最小为目标的限速模型，并采用Vissim仿真验证限速模型的有效性[13]。方仲权以历史事故和车速数据分析为基础，建立了桥隧群区限速值计算模型，采用Vissim仿真进行评估并在洛栾高速得到应用[14]。目前，国内的研究大多数采用实证研究方法建立限速模型，利用统计回归、非线性回归等模型建立限速值与道路条件、运行速度之间的关系，但实证研究方法需要采集大量的实测数据，海量数据采集难度大，且随着数据量增加，数据处理和建模难度大，模型的预测精度难以得到保证。而且，既有研究对象多以常规路段为主，针对桥隧密集区等特殊路段的研究成果较少，较少文献研究提供高速公路桥隧群限速值确定方法。

因此，为明晰复杂山区高速公路特殊桥隧群区段的交通行为特性，以云南高速公路的桥隧群区为研究对象，采用驾驶模拟仿真技术，从驾驶人和交通行为角度研究高速公路限速设置方法，选取不同参数表征的安全性和舒适性等作为评价指标，分析不同限速值下桥隧群区段的车辆运行状态，可为复杂山区高速公路速度控制技术提供参考。

1 驾驶模拟实验设计

1.1驾驶模拟实验平台

采用自主研发的6自由度驾驶模拟平台开展驾驶模拟实验，通过FIAT汽车搭建真实驾驶座舱，6台1 080×760分辨率的工业投影仪将交通场景投射在360°、3.8 m的环形屏幕，提供沉浸式环形全视景的模拟效果，平台控制软件具有场景设计与运行模拟能力，可无缝衔接纬地设计文件，支持实时采集驾驶行为、道路线形、驾驶操作等数据，采样率为5 Hz。如图1。

图1 驾驶模拟仿真平台

1.2实验场景及方案设计

选取云南高速公路的复杂桥隧群区右幅道路作为实验对象，制定3种桥隧群区限速值方案(设计速度80 km/h的限速方案，设计速度±20 km/h的限速方案),分析3种限速方案下驾驶行为响应特性。

所选取的桥隧群区右幅由5座隧道和5座桥梁组成，如图2,全长为6.6 km, 其中，隧道长度分别为1 175 m+700 m+2 135 m+645 m+270 m, 隧道间距最大仅为260 m。本项目桥隧群区设计速度80 km/h, 横断面形式为0.75 m左侧检修道、0.5 m左侧路缘带、3.75 m×2行车道、0.75 m右侧路缘带、0.75 m左侧检修道。

图2 桥隧群区路段仿真场景

本研究隧道采用单洞门形式，场景设计中照明条件均做到反光率最优，模拟真实照明条件。试验场景设计为白天，天气晴朗，路面干燥，能见度好。隧道外可以自由换道行驶，隧道内双实线，不允许换道行驶。

当前，该桥隧群区的设计速度为80 km/h, 根据云南省最新高速公路提速方案，该桥隧群区限速提升为100 km/h。为定量分析不同限速值下桥隧群区段驾驶行为和车辆行驶特性的差异，研究分别构建60 km/h、80 km/h、100 km/h等3个限速值下的交通场景。实验场景路段设计范围包括桥隧群区入口前600 m和出口后600 m, 但考虑起点和终点的车辆启停过渡阶段，研究取桥隧群区入口前200 m至出口后200 m的实验数据作为有效驾驶模拟数据。

1.3驾驶模拟安全评价流程

驾驶模拟仿真技术通过构建沉浸式的高速公路三维模型和交通运行场景，采用实体车辆对真实场景下驾驶行为、操作及车辆行驶过程进行微观模拟和分析，系统评价“人-车-路-环境”耦合作用下驾驶人行为特性及安全。

基于驾驶模拟的隧群区限速方案评价流程如图3所示。(1)收集项目基础资料，确定安全性分析评价目标、内容及范围；(2)设计驾驶模拟实验，构建虚拟的三维道路仿真模型，招募实验人员并开展驾驶模拟实验，采集多源交通行为的基础数据；(3)构建安全性分析评价指标，分析不同道路交通条件下车辆实际运行特征和驾驶员表现的分布特征，采用基于交通行为的安全性分析评价方法，评价限速方案的安全性；(4)从“人因工程”角度，比较分析交通事故风险的驾驶行为成因、道路条件成因、车辆性能成因和交通环境成因等，针对性提出最佳推荐方案或安全风险防控的对策建议。

实验分为正式实验和数据采集阶段，以及实验后的驾驶主观感受问卷和数据有效性分析阶段。在正式实验阶段，每个驾驶员按照60 km/h、80 km/h和100 km/h等3个限速方案进行桥隧群区路段的驾驶试验，实时采集实车驾驶模拟过程中每个采样时刻对应的公路里程、道路平纵指标，实时速度、纵向加速度、横向加速度、横向偏移值，以及刹车、油门和方向盘转向等。在桥隧群区试验路段的起始，车辆默认位于内侧车道，被试驾驶员可在起点位置进行换道行驶，但需保证从进入桥隧群区路段之后保持车道行驶，每次实验按照指定限速要求进行驾驶，每次实验间隔体息时间10 min, 依次完成3种限速方案的驾驶模拟。

1.4驾驶员招募

本试验共选择了16名驾驶员。考虑样本代表性，分别选择了不同性别比例和不同驾驶经验驾驶员。其中，男性驾驶员12名，女性驾驶员4名；驾龄小于3年的新手驾驶员3名，驾龄介于3年～8年间的经验丰富驾驶员9名，以及驾龄大于8年的熟练驾驶员4名。如表1。

图3 基于驾驶模拟的桥隧群区限速方案分析评价流程

表1 驾驶员特性

2 驾驶模拟评价体系建立

2.1评价指标体系

基于驾驶员在不同限速值下的车辆运行特征，从安全性、舒适性和效率性等3个方面构建评价指标，客观评价不同限速方案的有效性及交通运行潜在的安全问题。如表2。

表2 限速有效性的评价指标

(1)安全性指标：

横向偏移值受路段平纵线形、交通环境和行车速度等影响，据统计，全球约有44%的机动车事故与车辆偏离有关[15],采用横向偏移值P评价行车轨迹与车道中心线保持的一致性。连续断面的运行速度差是表征道路几何线形一致性、行驶条件一致性的关键指标，本研究规定相邻路段运行速度差值越小，行驶一致性越好。

(2)舒适性指标：

纵向加速度ay是驾驶员进行加减速操作的外在表现，纵向加速度变化大，速度变化频繁，线形及行车条件不连续，乘车舒适性差。

(3)效率性指标：

国内外交通事故成因分析结果表明，与车速相关的事故仅次于人为因素，约占事故总数1/3。车速越高，通行效率好，但发生事故的风险也越大，本研究采用速度统计指标表征交通系统人-车-路环境要素综合作用下的交通行为外在表现。

2.2综合评价方法

常用的定量交通安全评价方法包括层次分析法、模糊综合评价法、熵权法、线性累加(积)法等，层次分析法主观性较强，而模糊综合评价法、熵权法等方法有较复杂的计算过程。因此，本研究根据工程项目评价的可操作性要求，采用简单的线性累加法。首先，根据不同道路及交通条件下，驾驶行为“安全性、舒适性、效率性”等指标分布特性，将评价对象的安全性划分为“好、中、差”三级，各指标依次评分为“1、0.5、0”,并列结果的指标评分为排序评分。通过累加各特征指标的分项评分结果，作为该路段的安全性总得分，进而对路段的安全性进行整体评价。多指标综合得分评价法数学表达为：

ScoreAll=∑i=1N∑j=1MiScorei,j         (1)ScoreAll=∑i=1Ν∑j=1ΜiScorei,j         (1)

式中：安全性评价准则数量为N;每个评价准则包含特征指标的数量为Mi;Scorei,j为第i个评价指标第j个影响因素的评分值。

3 限速方案指标评价

3.1安全性指标

(1)横向偏移。

3种限速方案下车辆横向偏移与曲率关系如图4所示。整体而言，由于实验车宽1.8 m, 在60、80和100 km/h限速下车辆的横向偏移均保持在同一车道内(0±3.75/2 m),车道保持良好。限速60 km/h时，车辆横向偏移值多为正值，车辆行驶更倾向靠近车道左侧行驶；限速80 km/h和限速100 km/h时，车辆行驶更倾向靠近车道右侧车道行驶，且车辆行驶的横向偏移与曲线转向表现出相反关系，即对左转曲线，车辆向右偏移，而对右转曲线，车辆向左偏移，车辆横向位移幅度与曲率呈正相关关系，这也表明车辆在高速行驶过程中很难保持轨迹一致性，行车安全风险随之增加。

图4 3种限速方案车辆横向偏移与曲率关系(左偏曲线的曲率为负值)

3种限速方案下车辆横向偏移指标计算结果如表3所示。限速60 km/h下车辆横向偏移均值和标准差均最小，车道保持表现和车辆操控状态最好；限速80 km/h和100 km/h时车辆横向偏移指标相近，此时不同驾驶员操作行为的不确定性增大，车辆横向位置波动更显著。

(2)相邻路段运行速度差。

以100 m单元作为分段依据，统计了全线58个路段单元的不同限速下85%分位行车速度，以此作为车辆运行速度指标，得到3种限速方案下相邻路段运行速度差值与隧道分布如图5所示。整体而言，在各限速条件下，车辆在进出隧道洞口均表现出与其他研究一致的情况：车辆出隧道表现为加速，车辆进隧道表现为减速，但隧道内速度变化情况各有不同。限速80 km/h条件下，车辆运行速度波动较平稳；在限速60 km/h和100 km/h条件下，车辆运行速度均出现了不同程度的频繁波动，隧道内运行速度状态不平稳，表现出限速条件与驾驶速度期望不一致的行为，行车安全风险增加。

表3 3种限速方案下车辆横向偏移指标

图5 3种限速方案相邻路段运行速度差值与隧道分布关系

3种限速方案下车辆相邻路段运行速度指标计算结果如表4所示。限速80 km/h条件下的相邻路段运行速度差值和标准差指标均最好，车辆运行状态较为平稳；限速60 km/h和100 km/h条件下相邻运行速度差值和标准差指标相近，存在相邻路段运行速度差值较大的路段，运行速度波动不均匀，车辆运行状态不平稳，不利于行车安全。

表4 3种限速方案下相邻路段运行速度差值指标

3.2舒适性指标

3种限速方案下桥隧群区纵向加速度分布如图6所示。整体而言，纵向加速度是行车速度的不同表现形式，两者变化规律总体一致，其中，在80 km/h限速下车辆的纵向加速度较为平顺稳定，行车舒适性更好；在60 km/h和100 km/h限速下，驾驶员的行车速度与限速值的符合性较差，驾驶员表现出明显的隧道出口加减和隧道进口减速的频繁操作过程，尤以60 km/h限速下驾驶员在隧道间短连接段上的纵向加速度的变化幅度最大，随着隧道线形和环境条件的变化，驾驶员需频繁操作并不断调整行驶速度，将导致行车舒适性降低。相较于运行速度等集计指标，纵向加速度可准确捕捉微观个体车辆的行驶特性和安全水平。

3种限速方案下车辆纵向加速度指标计算结果如表5所示。限速80 km/h条件下的纵向加速度均值和标准差指标较好，车辆运行状态较为平稳，行车舒适性较好；限速60 km/h和100 km/h条件下纵向加速度均值和标准差指标相近，均出现车辆运行不平稳，车辆频繁加减速的情况，不利于行车安全性和舒适性。

3.3效率性指标

统计了各限速条件下，平均车速和运行速度情况，3种限速方案下车辆的速度统计指标如表6所示。随着限速的增加，车辆平均速度和运行速度均增加，其中车辆平均速度均接近限速值，分段最大运行速度高于限速值。由此可知，行车效率性随着限速值增大而增加。

3.4多指标综合得分评价

综合上述评价指标的安全性分析，3种限速方案下各评价指标的打分如表7所示。

由表7可知，连续桥隧群区路段在限速80 km/h条件下的综合得分最高，是均衡了安全性、舒适性和效率性的最佳方案。而为了安全富裕度而将限速值确定为60 km/h或更低值却不一定真正安全，此条件下桥隧群间短连接段上大幅加减速和隧道内速度频繁变化可能会带来不可预计的安全隐患；一味追求通行效率而提高限速值至100 km/h或更高值将显著恶化轨迹一致性、行驶舒适性，“三急一快”的危险驾驶行为增多，安全风险明显增加。

图6 3种方案纵向加速度与隧道分布关系

表5 3种限速方案下桥隧群区纵向加速度单因素方差检验

表6 3种限速方案车辆速度统计指标

表7 3种限速方案多指标综合分评价

4 结语

(1)选取横向偏移、相邻路段运行速度差、纵向加速度和速度统计指标分别表征安全性、舒适性和效率性。较低限速方案下，车辆横向偏移量最小，限速提高使得车辆更难以保持轨迹一致性，增加了行车安全风险，在合适的限速条件下，车辆运行速度变化和纵向加速度控制更平顺，有利于行车安全性和舒适性。

(2)采用各指标评价结果累加积分，对限速方案进行综合评价可知，限速80 km/h的综合得分最高，认为限速80 km/h条件能较好均衡桥隧群区的安全性、舒适性和通行效率。

(3)本文基于驾驶模拟技术，提出了山区高速公路桥隧群区限速值优化方法，该方法可为高速公路设计阶段重点路段的限速提供决策支持。但虚拟环境和真实条件不可避免地存在差异，后续将进一步研究设备平台的相对有效性。

参考文献

[1] 交通运输部.2019年交通运输行业发展统计公报[J].中国水运(上半月),2020,(5):40-43.

[2] 丁浩.公路隧道运维安全保障关键技术研究及应用[R].重庆，2017.

[3] 杨文臣，田毕江，胡澄宇，苏宇.山区高速公路隧道路段运行速度分析与预测[J].中外公路，2018,38(6):308-313.

[4] 胡顺峰.山区高速公路桥隧群区交通事故特征及致因机理分析[J].公路，2016,61(5):134-138.

[5] 新浪新闻.云南高速路限速从40至120都有最低限速40公里最高限速120公里[EB/OL].http://news.sina.com.cn/c/2007-08-09/102412356249s.shtml,2007-08-09.

[6] Bella F.Operating speed predicting models on two-lane rural roads from driving simulation[C]// The 84th Annual Meeting Transportation Research Board,Washington D.C.,2005.

[7] Victor K L.The 70 MPH speed limit:Speed adaptation,spillover and surrogate measures of safety[D].Iowa State University,2007.

[8] Francesc S,Irene M,Marcel S,et al.Effects of low speed limits on freeway traffic flow[J].Transportation Research Part C,2017,77.

[9] Stefan T.Why are highway speed limits really justified?An equilibrium speed choice analysis[J].Transportation Research Part B,2020,138.

[10] Siuhi S,Hasan M M M,Mwakalonge J.The significance of the posted minimum speed limits along interstate highways in South Carolina on traffic operation and safety[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition),2021(prepublish).

[11] JTG/T 3381-02—2020 公路限速标志设置标准[S].

[12] JTG B05-2015 公路项目安全性评价规范[S].

[13] 周广振.高速公路隧道限速研究[D].重庆交通大学，2008.

[14] 方仲权.山区高速公路桥隧群区路段限速技术研究[D].长安大学，2017.

[15] 陈亦新，王雪松.山区高速公路组合线形路段车道偏移行为[J].中国公路学报，2018,31(4):98-104.