基于实证的农村高速公路上车与自行车相互作用的建模研究：超车时两车之间的横向距离与车速关系

《Accident Analysis & Prevention》：Empirical modeling of vehicle-bicycle interactions on high-speed rural roads: passing lateral distance and speed

研究采集了1991次乡村道路骑行通过事件数据，分析了对向交通和车队对横向距离、车速及空气动力学力的影响。结果显示对向交通平均减少横向距离61厘米、车速3.7公里/小时，车队中随从车辆变道更近更慢。所建联合概率密度函数可用于驾驶模拟器校准和自动驾驶模型开发。

　　

Boris Claros|Madhav Chitturi|Andrea Bill|David A. Noyce

摘要

在农村道路上，驾驶员的行为以及与自行车手的互动尚未得到充分的量化和建模。本研究收集了1,991次超车事件的自然主义骑行数据，这些数据来自一条双车道农村道路（限速55英里/小时，即88公里/小时），旨在量化对面来车和车辆编队对超车横向距离、速度和空气动力的影响。研究结果表明，对面来车平均使超车横向距离减少了2.0英尺（61厘米），速度降低了2.3英里/小时（3.7公里/小时）。车辆编队现象导致后续车辆的超车距离和速度进一步减小。这些减少现象反映了当有对面来车时，自行车手可用的空间有限，风险增加。据估计，由乘用车产生的空气动力横向力远低于自行车手可承受的安全限值。若要超过这一安全限值，乘用车必须在0.9英尺（27厘米）的横向距离内以55英里/小时（88公里/小时）的速度超车。研究发现，在分解层面，横向距离和速度是相互独立的。领先车辆的横向距离遵循对数正态分布，而速度遵循韦伯分布。研究人员为有对面来车和无对面来车的情况分别建立了领先车辆和后续车辆的联合概率密度函数。领先车辆与后续车辆之间的差异具有相似性，接近正态分布。这些联合概率密度函数可用于驾驶模拟器的校准和验证，或用于自动驾驶和人工智能驾驶模型的开发。研究结果有助于制定更安全的道路设计指南和风险缓解策略，以保障自行车手的安全。

引言

对于没有公共交通或家庭机动车的用户来说，自行车可能是农村地区唯一的交通方式。农村道路也可能吸引那些为了娱乐或训练目的而骑行较长距离的自行车手。在COVID-19疫情期间，自行车使用量的增加导致自行车交通量增长了12-16%，从而扩展了自行车手在公共道路上的出行目的、能力和经验范围（Buehler和Pucher 2021）。2023年，美国1,166起自行车手在车辆事故中的死亡事件中有19%发生在农村地区（NHTSA 2025）。根据欧盟委员会（2025年的数据），2023年共有1,918起自行车手死亡事件，其中约43%发生在农村道路。由于农村道路上的车辆间距较近且相对速度较高，自行车手面临更大的碰撞风险，可能导致更严重的伤害和死亡。

现有大量文献专注于研究自行车与车辆之间的互动、道路设计特征对自行车安全的影响以及城市地区的自行车安全问题。在缺乏路肩或专用自行车基础设施的农村道路上，驾驶员的超车行为是决定自行车手安全的关键因素。农村道路上的较高限速以及与自行车碰撞时传递的更大动能会显著增加事故的严重性。然而，关于驾驶员在高速农村道路上超车行为及其与自行车手互动的实证研究非常有限。由于农村道路上的自行车数据更为稀缺，因此研究驾驶行为或自行车手的安全性十分困难。因此，有必要深入了解农村车辆与自行车之间的互动，以建模和量化道路几何形状和设计对安全的影响，从而为提高农村道路上自行车手的安全性提供指导并制定风险缓解策略。为此，我们在威斯康星州的一条高速农村公路上收集了自然主义骑行数据，记录了1,991次车辆与自行车之间的互动。

本研究通过建模微观层面的车辆与自行车互动来探讨农村道路上自行车手的安全问题。我们分析了超车事件，重点关注了横向距离和车辆速度。我们还研究了对面来车和车辆编队位置对横向距离和速度的影响，并基于实证观察结果建立了联合概率密度函数。最后，我们利用这些自然主义数据估算了农村道路上作用在自行车手身上的空气动力。

文献综述

评估机动车驾驶员与自行车手之间的互动可以为评估道路设计和运行提供有价值的信息。现有文献主要关注超车时的横向距离、速度和空气动力。

方法论

方法论部分详细介绍了自行车传感器的使用、数据收集方法、数据整合过程、车辆速度估算、数据分析和建模方法。本研究是Claros等人（2024年）研究的延续；我们对仅涉及乘用车的观测数据进行了额外的变量提取和分析。图1展示了本研究的方法论框架。

结果

本研究提供了车辆速度估算的验证结果、对面来车的影响、车辆在编队中的位置对结果的影响、推导出的横向距离和速度联合概率密度函数，以及对空气动力效应的评估。

讨论

本研究全面量化了高速农村道路上驾驶员与自行车手之间的互动。研究结果强调了基于道路几何形状、限速、教育、最小超车距离、风险感知以及车辆和自行车暴露程度的工程和政策措施的重要性。首先，研究表明，对面来车对超车时的横向距离和速度影响最为显著。

结论

对面来车的存在显著限制了驾驶员的行为，平均使横向距离减少了2.0英尺（61厘米），平均超车速度降低了2.3英里/小时（3.7公里/小时）。这些减少现象反映了当有对面来车时，自行车手可用的空间有限，风险增加。在车辆编队中，根据车辆在编队中的位置，后续车辆提供的横向距离逐渐缩短，超车距离也随之减小。

作者贡献声明

Boris Claros：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构思。Madhav Chitturi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、资源协调、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。Andrea Bill：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹集。David A.

资金支持

本研究得到了威斯康星大学麦迪逊分校David Noyce的Arthur F. Hawnn教授职位的支持。本文所述工作由作者本人负责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢威斯康星大学麦迪逊分校TOPS实验室的Kelvin Santiago在距离传感器开发方面所提供的支持。