寒地高速公路事故應急交通組織方法研究*

巴興強 王曉輝 荊 超

(東北林業大學交通學院1) 哈爾濱 150040) (黑龍江省交通信息中心2) 哈爾濱 150040)

0 引 言

在高寒地區，因地理條件和氣候條件的特殊性，更容易引發交通事故.針對高速公路交通安全問題，相關部門和機構出臺了多項高速公路應急預案，交通組織管理工作也納入了體系，然而這些方案多重視總體體制和體系的建立，尚未形成詳細的、具有地區針對性的應急交通組織方法.由于交通事故具有偶發性、突然性和復雜多變性等特點，人工決策結果容易片面，并且決策的時間長，不能達到高效救援、快速疏散擁擠車流的目標.為盡可能降低交通事故對寒地區域高速公路造成的影響，有必要對寒地高速公路事故交通組織進行研究.

1 寒地高速公路交通事故影響因素分析

寒冷地區的高速公路交通事故與其他地方交通事故相比，有著很多的共性，但是也存在著不同，主要體現在該區域的氣候分布有較大差異，其冬季漫長，低溫和冰雪天氣較多，對道路、駕駛員、車輛都有著較大的影響[1].

1.1 道路條件

道路結冰和積雪是影響道路交通安全的一大因素，尤其是寒冷地區，這一現象更加嚴重.在雪天容易出現積雪時間長，積雪不易溶化，繼而被車輛壓實變成“玻璃路面”，氣溫回升之后積雪溶化會形成冰雪混合路面；在雨天的情況下，潮濕的道路表面在低冷氣溫的作用下容易形成冰晶，這些對道路的附著系數會產生較大影響，致使路面摩擦系數減小，剎車距離增大，從而增加了不安全因素.

1.2 駕駛員

寒冷地區的氣候和駕駛環境對駕駛員的生理和心理都會產生一定的影響，首先，低溫會使人的肢體僵硬，這直接影響了駕駛員的反應能力；其次，由于天氣寒冷，大多數駕駛員會選擇開啟車內空調，這樣在密閉的環境中，空調會使人昏昏欲睡，在高速公路這種長時間的行駛過程中，更容易發生事故.

1.3 車輛

制動性能是影響車輛安全性能的一大安全因素，而寒冷地區的環境對車輛的制動性能影響最大，潮濕結冰和積雪路面降低了路面的附著系數，這也就增大了車輛的剎車距離，造成車輛在緊急情況下不能有效剎車，增大了事故發生的幾率.另外，車輛在行駛的過程中容易出現管線爆裂等意外情況，影響車輛的安全行駛.

2 事故持續時間預測

根據交通事故的演化過程，將交通事故持續時間分為發現、響應、處理和交通恢復四個階段，其中，事故發現時間采用經驗值法，交通恢復階段根據事故發生時的交通量及道路的通行能力來進行計算，事故響應和處理階段構建決策樹預測模型，并在此基礎之上，以雙重熵平均決策樹算法對該模型進行改進，預測交通事故影響持續時間[2]，為后續的交通組織提供決策基礎.

2.1 基于貝葉斯的決策樹模型

決策樹是數據挖掘中生成分類器的一個特別有效的分類方法，它從一組無次序、無規則的事件中，推理出決策樹表示形式的分類規則,見圖1.決策樹分類方法采用自頂向下的遞歸方式，在決策樹的內部節點比較屬性值，并根據不同的屬性值判斷從該節點向下的分支，在決策樹的葉節點得到結論[3-4].

圖1 貝葉斯決策樹模型

設S是s個采集樣本數據的集合，設定類標號屬性有m個不同值，定義m個不同類Ci(i=1,2,…，m)；設Si是Ci的樣本數量，給出既定的樣本分類的期望值為

(1)

式中：pi為任意樣本屬于Ci的概率，可用Si/s估計.屬性A具有V個不同值{ai，a2，…，av}；以屬性A將S劃分為V個子集{s1，s2，…，sv}.si包含s中的樣本，這些樣本包含A中的aj，假設A為測試屬性，那么這些子集與集合S中的節點生長出來的分支相對應.設sij為子集sj中類ci的樣本數量，依據A劃分成子集的熵為

(2)

要想子集劃分的純度較高，熵值需盡量小，根據上式的期望計算，子集sj的期望為

(3)

式中：pij為sj|中的樣本屬性類ci的概率.

根據期望值和熵值可以確定對應的信息增益值，A的分支信息增益為

G(A)=I(s1,s2,…,sm)-E(A)

(4)

2.2 決策樹改進

為了提高決策樹的性能和精確度，在計算子集熵的時候，提出一種雙重熵平均決策樹改進的方法，以樣本集S中的每一個分類的屬性子集Ci首先計算這一屬性的樣子子集熵，對其進行平均化處理，以平均值為閾值，將所有子集熵進行排序，分為大于該值部分和小于該值部分，然后取前m項值，進行對應合并，以該合并的不同熵值計算信息增益值，從而達到平衡整體決策分支最優的目標.

2.3 數據獲取與模型建立

以京哈高速近3年的事故數據作為分析數據源，選擇事故屬性相近的439起交通事故進行標定，標定數據信息見表1.

表1 標定數據信息表

通過對439組數據的分析，選擇以下影響因素:①事故類型;②涉事車輛類型及數量;③影響車道數;④傷亡人數;⑤事故日期;⑥事故時間段;⑦天氣;⑧是否有交警處置;⑨是否有救援車輛;⑩是否有拋撒物.各個影響因素的增益值，見表2.

表2 影響因素增益值

將各個影響因素的增益值進行排序，確定各類屬性的重要程度，即可得到決策樹.圖2為決策樹頂層設計結構圖.

圖2 決策樹頂層結構

3 寒地高速公路應急交通組織方法

對高速公路交通事故進行分類，針對交通事故的影響范圍將交通事故影響區劃分為保護區、控制區和緩沖區，并將交通事故持續時間劃分為不同的時間區段，制定有針對性的緊急交通組織方案[5].同時，分析各種交通控制策略，確定適合于事故后緊急交通組織的具體控制策略.

3.1 交通事故等級劃分

為了制定合理的解決對策，應采取合理的分級方法對交通事故進行分級，按照交通事故的特性及影響區域，本文對高速公路交通事故進行了分級[6]，見表3.

表3 事故等級劃分

3.2 保護區交通組織

保護區：高速公路交通事故發生的區域和對車輛導向進入交通事故區域.保護區分為事故發生現場區域和過度區域兩個部分，其長度為

(5)

或L=0.625Wv+S(v>60 km/h)

(6)

式中：L為保護區長度，m；v為車輛速度，km/h；W為車道寬度,m；S為事故發生場地占用的道路長度,m.

保護區的交通組織以現場警戒和過渡區管制為主.

1) 現場警戒 由交警部門設置現場保護和隔離設施，并進行有效的交通疏導.利用警戒線、隔離樁等交通設施將現場區域與交通流進行分離，防止出現二次事故.

2) 過渡區管制 對于過渡區，主要以提示和警告為主，在過渡區的起點位置安放錐形桶、電子提示板等交通安全設施，及時給予路過車輛提示信息，避免車輛進入事發區域.

3.3 控制區交通組織

控制區：高速公路交通發生地點到其上游可以進行交通流分流的區域.交通分流點主要為高速公路出入匝道、立交以及高速公路的中央分隔帶開口等[7].根據事故的類型和影響的大小，控制區的交通組織有以下方式:

1) 車速控制和車距控制 高速公路的通行車輛速度一般較高，為避免交通事故給高速公路的通行能力和行車安全帶來影響，需要對通行車輛進行車速和行車間距的有效控制.通過設置可變情報板和可變限速標志，提醒現場附近司機采取措施，還可通過車輛網技術，將信息及時傳送給較遠處的駕駛者，從而達到安全快速行車的目的.

2) 利用對向車道 當本方向車流不能順利通過事故地段，事故路段上游附近又有可以利用的中央分隔帶開口，且利用對向車道不會給對向車流帶來較大的影響時，可考慮利用對向車道疏散交通流.因利用對向車道會造成較大的交通沖突，引發安全問題，所以在利用對向車道時，需要設置完善的導向設施，包括線路誘導標志、限速標志、臨時車道隔離設施等[8].

3) 等候通行和車隊模塊化通行 當事故發生區域對該流向的車流影響較大，致使通行能力驟減，車流不能順利安全通過時，需要對車輛采取排隊等候措施，或者在警車的引導下將排隊車輛進行模塊劃分，有序通過，減少延誤和排隊等候時間.

3.4 緩沖區和路網交通組織

緩沖區：包括控制區以及事故路段上游能夠使車輛分流的路網，其主要影響范圍為事故路段上游、交通事故路段附近的路網以及重要的節點[9].

事故路段交通量Q和通行能力C是決定緩沖區交通組織的關鍵因素.當Q>C時采誘導和控制組織方案.

1) 誘導 主線誘導：在事故發生的高速公路上游各個出入口與及重要節點，利用可變情報板、車聯網、手機信息通訊等向駕駛員發布事故信息，提醒駕駛員進行繞行.

路網誘導：當事故路段的交通需求遠大于道路通行能力時，需對進入路網的交通流進行交通誘導，在更大的范圍內，通過車聯網技術盡早的將信息傳遞給駕駛員，并未駕駛提供可供選擇的繞行路網信息.

2) 交通控制 車輛控制：包括限制一些型號的車輛通過，限制車流量等[10-11].主線控制：在采用誘導措施無法將車流分離的情況下，需要在事故路段上游進行強制分流，采用人工的方法將現有交通量分流到其他的道路上，從而確保主線上的交通流能夠安全通過[12-13].

路網控制：路網控制主要是利用入口匝道或者立交進行控制，在上游節點車輛匯入處進行控制，對事發道路進行限流和截流[14].

4 案例分析

4.1 背景分析

黑龍江省位于我國東北部，是我國緯度最高、氣溫最低的邊疆省份，全省年平均氣溫多在-5～5 ℃，冬季漫長寒冷，夏季短促.G1京哈高速(拉林河—瓦盆窯段),全長70 km，雙向4車道，路面寬度23.5 m，與G102國道并行，與G102，S301，S302，G1211，G1202，G202組成交通網，見圖3.

圖3 京哈高速區位圖

4.2 仿真平臺搭建

選用vissim4.3作為仿真分析軟件，選取事故路段上游的車輛平均延誤以及排隊長度作為評價指標.假定G1京哈高速(拉林河—瓦盆窯段)中段發生追尾事故，采用G102進行分流，同時事故保護區封閉一條車道，車輛排隊通行的交通組織策略進行仿真.通過決策樹預測事故影響時間為29 min.

4.3 仿真結果分析

首先在不同交通量的情況下，仿真車輛的平均延誤，以確定不同的交通量對交通組織的影響，然后以相同的交通量進行仿真，確定各種交通措施下交通組織的效果，見圖4～5.

圖4 不同交通量的車輛平均延誤

由圖4可知，事故發生后，在車流量1 000 veh/h的情況下基本上對交通流影響非常小，車輛能夠順利通過，當車流量達到2 000 veh/h時，車輛延誤隨著時間持續增加，在事故處理結束時達到峰值，事故處理完畢后，由于交通流消散速度與集結相當，車輛延誤逐漸減小；當車流量達到3 000 veh/h時，超過了道路的通行能力，事故發生后車輛平均延誤快速上升，事故處理結束后，由于交通流消散速度小于集結速度，車輛延誤仍呈現上升趨勢，需要做分流處理.

圖5 不同交通組織方式下車輛平均延誤

由圖5可知，在交通量為2 000 veh/h限速可以減少8%的車輛平均延誤，匝道控制可以減少11%的車輛平均延誤，而實行限速+匝道控制的策略，可以減少31%的延誤.當車流量大于2 000 veh/h后，需要采取分流策略，借助周邊路網進行分流，可有效減少交通擁堵.

5 結 束 語

交通安全問題一直是交通行業的重點研究目標，本文通過對寒地高速公路事故應急交通組織方法進行的研究，證明了雙重熵改進的決策樹模型可應用于高速公路交通事故持續事假的預測，用vissim仿真對現實案例進行仿真的結果也表明，通過合理的交通組織，能夠有效的減少高速公路交通事故對高速公路運行造成的影響.