基于交通沖突技術(shù)的城市快速路合流區(qū)交通安全評價

張 鑫，張衛(wèi)華，馮忠祥，陳 乾

(合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長和城市化的快速發(fā)展，城市快速路作為城市道路的“主心骨”，承載著城市內(nèi)的大部分交通量，而作為快速路的重要組成部分之一的合流區(qū)，既是普通道路與快速路連接的主要節(jié)點(diǎn)之一，又是普通道路上車輛進(jìn)入快速路的唯一通道，交通狀況較為復(fù)雜，容易形成瓶頸造成交通擁堵，甚至引發(fā)交通事故。頻發(fā)的交通事故使得城市交通安全形勢日益嚴(yán)峻，一方面人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅，另一方面快速路性能受到限制，極大地影響了其通行效率和安全性[1-2]。為此，對城市快速路合流區(qū)交通安全進(jìn)行評價意義重大。

目前國內(nèi)外學(xué)者對城市道路交通安全評價已有一些研究。在早期，學(xué)者們針對城市道路交通安全評價的方法主要是通過統(tǒng)計(jì)分析大量的交通事故數(shù)據(jù)并定性分析影響交通安全的因素，再利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法對交通事故數(shù)據(jù)與各影響因素間的關(guān)系進(jìn)行建模，從而得出相應(yīng)的交通安全等級[3-8]。但該評價方法存在一些不足之處：①所需交通事故數(shù)據(jù)量大；②數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作量大且繁瑣；③評價周期較長且由于交通事故的發(fā)生具有隨機(jī)性，評價結(jié)果的可信度不高[9]。由于具有周期短、信度高等優(yōu)點(diǎn)，交通沖突技術(shù)已逐步成為交通安全領(lǐng)域中一種重要的交通安全評價技術(shù)，深受國內(nèi)外學(xué)者的青睞[10-12]。相關(guān)研究[13-16]表明，基于交通沖突技術(shù)的城市道路交通安全評價方法能夠較好地改善交通事故安全評價方法的不足，可以替代交通事故安全評價法對城市道路交通安全進(jìn)行有效的評價。如Chin等[14]研究了交通沖突技術(shù)在交通安全評價方面的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)的事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法在交通安全方面的應(yīng)用進(jìn)行了對比，歸納總結(jié)出交通沖突技術(shù)可以有效替換基于事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的傳統(tǒng)城市道路交通安全評價方法；常玉林等[17]采用交通沖突技術(shù)對鎮(zhèn)江市鎮(zhèn)大公路上8個交叉口的交通安全進(jìn)行了評價，評價結(jié)果符合實(shí)際情況；李金花等[18]以通行效率、交通沖突數(shù)作為評價指標(biāo)，對城市道路交叉口的交通安全進(jìn)行了評價。

目前已有的研究都是整體分析城市某段快速路的交通安全，對于不同交通需求下的交通安全狀況缺乏考慮，而城市快速路合流區(qū)交通狀況復(fù)雜，不同交通需求下的交通安全狀況不同，采用整體分析結(jié)果來評價城市快速路合流區(qū)的交通安全就顯得不夠全面。綜上考慮，本文按工作日和非工作日的高峰(早、晚高峰)、平峰進(jìn)行劃分，共6種情形，通過VISSIM軟件對城市快速路合流區(qū)交通狀況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并采用SSAM軟件從仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取交通沖突數(shù)據(jù)，再利用以交通沖突率為指標(biāo)的模糊評價法對城市快速路合流區(qū)的交通安全進(jìn)行評價，以期對快速路交通安全保障具有一定的指導(dǎo)意義。

1 合流區(qū)交通流數(shù)據(jù)采集與分析

1.1 數(shù)據(jù)的采集與處理

采用四旋翼飛行器(即無人機(jī))采集城市快速路交通流數(shù)據(jù)，無人機(jī)中搭載高清相機(jī)和高精準(zhǔn)三軸穩(wěn)定云臺，以保證在高空飛行的情況下拍出平穩(wěn)的交通流視頻。經(jīng)過對合肥市多條快速路進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，選擇南二環(huán)某立交的南側(cè)合流區(qū)為交通流數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)，利用無人機(jī)分別采集了平峰和高峰(早、晚高峰)時段交通流視頻，該合流區(qū)具體幾何特征見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集實(shí)際路段示意圖Fig.1 Schematic diagram of the actual road section for data acquisition

為了從無人機(jī)拍攝的視頻中獲得相關(guān)的交通流數(shù)據(jù)，以便于統(tǒng)計(jì)分析，需要對視頻做進(jìn)一步的處理。歸納起來，整個視頻處理過程分為兩步：①利用Matlab程序?qū)⒁曨l按每幀轉(zhuǎn)化為一張圖片，保存到相應(yīng)的文件夾中；②利用圖像捕捉技術(shù)，從轉(zhuǎn)化的圖片中捕捉車輛的軌跡坐標(biāo)(時空坐標(biāo))，再按照幀數(shù)與實(shí)際時間的關(guān)系(30幀/s)，獲得相應(yīng)的速度、交通量等數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

為了更好地分析城市快速路合流區(qū)的交通狀況，首先通過統(tǒng)計(jì)和篩選提取到的數(shù)據(jù)，分別獲得了該快速路合流區(qū)主線和入口匝道每5 min的交通量數(shù)據(jù)以及合流區(qū)主線斷面速度和合流區(qū)主線車道速度的數(shù)據(jù)，然后依次對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相應(yīng)的分析結(jié)果見圖2、圖3和表1。其中，圖2中橫坐標(biāo)時間間隔數(shù)0～12表示平峰時段，13～24表示高峰時段；圖3中的合流區(qū)主線斷面速度是指將全長280 m的合流區(qū)以10 m為單位劃分為28個小路段，計(jì)算車輛通過每個小路段的平均速度，以平均速度作為合流區(qū)主線斷面速度；表1中的合流區(qū)主線車道速度是指車輛從合流區(qū)起點(diǎn)駛?cè)胂鄳?yīng)車道到駛出合流區(qū)(此時車輛不一定還行駛在原車道)的平均速度。

表1 快速路合流區(qū)主線車道速度標(biāo)準(zhǔn)差Table 1 Standard deviation of vehicle speed in main lane of the confluence area of expressway

圖3 快速路合流區(qū)主線斷面速度分布Fig.3 Section speed distribution of main line of the confluence area of expressway

圖2 快速路合流區(qū)主線和入口匝道每5 min的交通量Fig.2 Traffic flow per 5 minutes between the main line and on-ramp of the confluence area of expressway

由圖2可見，無論在平峰期還是在高峰期，該快速路合流區(qū)主線與入口匝道交通量的變化趨勢基本相同，即入口匝道交通量的增多使得合流區(qū)交通量大幅度增長，表明從入口匝道駛?cè)胫骶€的車輛會對合流區(qū)主線車輛造成影響，是導(dǎo)致合流區(qū)交通擁堵的一個主要因素。

由圖3可見，無論在平峰期還是在高峰期，隨著入口匝道車輛逐漸駛?cè)牒狭鲄^(qū)，為避免發(fā)生碰撞，主線車輛需要減速，因而車輛通過每個小斷面的速度會不斷降低；相對平峰期來說，早、晚高峰期車流量較大，車輛前后跟弛密集，因而通過合流區(qū)主線斷面速度的變化幅度較小；但總的來說，該快速路合流區(qū)主線斷面速度的變化幅度不大，表明在已有的限速條件下，駕駛員會較好地調(diào)整車速在一個較為安全的水平，因而此時車速對行車安全的影響較小。

由表1可知，無論在平峰期還是在高峰期，車道2與車道3的速度標(biāo)準(zhǔn)差相差不大，而車道1的速度標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于前兩車道的速度標(biāo)準(zhǔn)差，表明車輛合流對第一車道車輛行駛速度的影響較大，其主要原因是第一車道離入口匝道和合流加速車道最近，車輛經(jīng)入口匝道匯入合流區(qū)主線時，首先要駛?cè)胫骶€第一車道，因此會較大地影響第一車道車輛的行駛速度。

綜上分析，車輛合流很大程度上會影響到快速路主線，不利于行車安全，因此對快速路合流區(qū)進(jìn)行交通安全評價是有必要的。

2 合流區(qū)交通沖突仿真實(shí)驗(yàn)

基于以上分析，不難發(fā)現(xiàn)交通流是影響城市快速路合流區(qū)交通安全的主要因素，但由于實(shí)際交通沖突數(shù)據(jù)不易采集，為了更好地評價城市快速路合流區(qū)交通安全狀況，基于采集到的實(shí)際交通流數(shù)據(jù)，采用VISSIM軟件對城市快速路合流區(qū)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再結(jié)合SSAM軟件提取合流區(qū)交通沖突數(shù)據(jù)。

2.1 基于VISSIM的交通沖突仿真分析

VISSIM軟件是由德國PTV集團(tuán)開發(fā)的基于時間間隔(以1/10 s為時間步長)和駕駛行為的微觀交通仿真軟件，該軟件中將駕駛員分為保守型和激進(jìn)型兩類，仿真實(shí)驗(yàn)中由于兩類駕駛員在跟車行駛過程中的表現(xiàn)會不一樣，其結(jié)果也會不一樣。周俊昌等[12]對VISSSIM軟件中跟弛模型的選擇做了較為詳細(xì)的分析，最終采用Widemann99跟車模型，該跟車模型可以很好地體現(xiàn)車輛行駛過程。因此，本次仿真試驗(yàn)中也采用VISSSIM軟件中的Widemann99跟車模型。

SSAM軟件是美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)基于交通安全替代評價模型開發(fā)的一種新的交通安全評價軟件[19]，該軟件通過處理VISSIM軟件導(dǎo)出的trj格式文件來提取交通沖突數(shù)據(jù)，其中兩個主要參數(shù)或指標(biāo)分別是距離碰撞時間(Time-To-Colli-sion，TTC)和后侵占時間(Post-Encroachment Time，PET)，依據(jù)這兩個指標(biāo)可以判斷車輛間是否發(fā)生沖突，并依據(jù)沖突角將交通沖突劃分為正向沖突、變道沖突和追尾沖突3類，具體的SSAM軟件工作原理見圖4。

圖4 SSAM軟件工作原理Fig.4 Working principle of SSAM software

基于交通沖突技術(shù)的交通安全評價方法所采用的評價指標(biāo)為交通沖突率，而城市快速路合流區(qū)交通沖突的評價指標(biāo)不僅包含交通沖突數(shù)，還要考慮合流區(qū)長度和交通量，為了較為客觀地評價城市快速路合流區(qū)交通安全水平，綜合考慮交通沖突數(shù)、合流區(qū)長度和交通量，并結(jié)合相關(guān)研究[12]結(jié)果，定義城市快速路合流區(qū)交通沖突率為交通沖突數(shù)與合流區(qū)長度和交通量乘積的比值，具體表達(dá)式如下：

(1)

式中：f為城市快速路合流區(qū)交通沖突率[次/(pcu·km)]；FTC為有效仿真時間內(nèi)的交通沖突數(shù)(次)；q為城市快速路合流區(qū)小時交通量(pcu)；l為城市快速路合流區(qū)長度(km)。

2.2 基于實(shí)際案例的仿真實(shí)驗(yàn)

在工作日期間，由于外出工作的需要，出行人數(shù)較多，導(dǎo)致城市道路交通量較大;相比之下，在非工作日期間，出行人數(shù)相對較少，城市道路交通量相對較小，但這不能說明交通沖突數(shù)與出行人數(shù)之間會呈線性關(guān)系。為了較為客觀、真實(shí)地評價城市快速路合流區(qū)的交通安全水平，按照工作日和非工作日的早、晚高峰及平峰設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)方案，共設(shè)計(jì)6種方案，以合肥南二環(huán)與徽州大道南側(cè)某段快速路合流區(qū)為例，按照仿真實(shí)驗(yàn)方案以及前述交通流數(shù)據(jù)采集方法來采集實(shí)際道路交通流數(shù)據(jù)，并采用實(shí)際道路交通流數(shù)據(jù)對VISSIM軟件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，具體仿真實(shí)驗(yàn)方案和參數(shù)的標(biāo)定值見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)方案和參數(shù)值的標(biāo)定Table 2 Test scheme and parameter calibration

按照實(shí)際道路交通流數(shù)據(jù)和跟車模型對VISSIM軟件的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后，先進(jìn)行預(yù)仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)試，待調(diào)試結(jié)束后，進(jìn)行正式仿真實(shí)驗(yàn)，依次獲取6組情形下的仿真交通沖突數(shù)據(jù)文件，再利用SSAM軟件提取出相應(yīng)的交通沖突數(shù)。對于SSAM軟件中距離碰撞時間TTC和后侵占用時間PET這兩個主要參數(shù)值的選取，本文采用已有相關(guān)文獻(xiàn)[20-21]給出的結(jié)果，依次為1.5 s和5.0 s，而對于劃分交通沖突類型的沖突角，則選擇該軟件的默認(rèn)值。

3 合流區(qū)交通安全綜合評價

3.1 模糊綜合評價法

本文采用模糊綜合評價法對城市快速路合流區(qū)交通安全進(jìn)行綜合評價。該評價方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。其具體實(shí)施步驟如下：

(2) 確定評語等級論域。取C={c1,c2,…,cm}為根據(jù)評估對象做出評估結(jié)果所組成的集合，其中cm表示第m個評價等級，且每個評價等級與相應(yīng)的模糊子集一一對應(yīng)。

(3) 建立模糊評價矩陣。為了評價各個因素對所評價對象的影響，需要對各個影響因素進(jìn)行量化，即根據(jù)前兩步分析的結(jié)果，確定單個影響因素對應(yīng)的模糊子集的隸屬度(R|xi)，從而構(gòu)建相應(yīng)的模糊評價矩陣R:

(2)

式中：rij表示第xi個評價對象因素與之對應(yīng)的第cj個評價等級模糊子集在單方面的隸屬度。

(4) 合成模糊綜合評價結(jié)果向量。利用合適的算子將P與各被評事物的R進(jìn)行合成，得到各被評事物的模糊綜合評價結(jié)果向量E:

E=P·R

=(e1,e2,…,em)

(3)

式中：ej表示第xi個評價對象因素與之對應(yīng)的第cj個評價等級模糊子集在整體上的隸屬度。

3.2 快速路合流區(qū)交通安全綜合評價

模糊綜合評價方法的應(yīng)用較廣泛，尤其在安全評價方面的應(yīng)用較多，如何衍興等[22]利用模糊綜合評價法對建筑施工現(xiàn)場的安全性進(jìn)行了綜合評價；周俊昌等[12]利用交通沖突技術(shù)，并結(jié)合模糊綜合評價法對高速公路的安全狀況進(jìn)行了評價；朱博雅等[23]通過使用模糊綜合評價法，從交通服務(wù)水平、交通危險控制和施工對周邊環(huán)境的影響三個方面對高速公路改擴(kuò)建工程作業(yè)區(qū)域的交通安全進(jìn)行了評價；朱小紅等[24]利用模糊評價數(shù)學(xué)模型對城市道路交通安全進(jìn)行了評價；楊建超[25]基于以往研究，重新選擇評價指標(biāo)，構(gòu)建了新的模糊評價體系，并結(jié)合實(shí)際案例對該評價方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文利用模糊綜合評價法對快速路合流區(qū)交通安全進(jìn)行綜合評價。根據(jù)模糊綜合評價法的具體步驟，首先確定評價對象的影響因素為交通沖突率f，即將交通沖突率f作為唯一的評價指標(biāo)；然后進(jìn)一步確定具體評價因素的權(quán)向量，再結(jié)合文獻(xiàn)[12]給出的確定交通安全水平分類標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)造隸屬度函數(shù)的方法，可以確定交通安全評語等級集合和隸屬度函數(shù)，具體如下：

交通安全評語等級集合為

C={相當(dāng)安全，較為安全，臨界安全，危險}={0.15,0.28,0.57,1.15}

(4)

交通安全評語向量為

E=max(e1,e2,e3,e4)

(5)

隸屬度函數(shù)為

(6)

(7)

(8)

(9)

最后通過實(shí)驗(yàn)獲取的交通沖突數(shù)，利用公式(1)求出交通沖突率，并依次將交通沖突率對照劃分區(qū)間代入到隸屬度函數(shù)公式(6)～(9)中，求出工作日和非工作日各自早、晚高峰及平峰下的隸屬度，再由公式(5)求出相應(yīng)的交通安全評語向量，由公式(4)確定相應(yīng)的交通安全評價等級，具體評價結(jié)果見表3。

表3 城市快速路合流區(qū)交通安全評價結(jié)果Table 3 Evaluation result of traffic safety in the confluence area of expressway

4 結(jié) 論

通過對采集的城市快速路合流區(qū)交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，車輛合流對合流區(qū)交通安全的影響較大，但反映安全程度的實(shí)際交通沖突數(shù)據(jù)難以獲取。鑒于該調(diào)查數(shù)據(jù)的不足，為了獲得所需的交通沖突分析特征，首先利用采集的實(shí)際交通流數(shù)據(jù)標(biāo)定VISSIM仿真模型；然后通過交通仿真實(shí)驗(yàn)獲取交通流特征數(shù)據(jù)，進(jìn)而運(yùn)用SSAM軟件從交通流特征數(shù)據(jù)中提取交通沖突數(shù)據(jù)，并進(jìn)行交通沖突分析；最后，結(jié)合實(shí)際案例，運(yùn)用模糊綜合評價方法分析了城市某段快速路合流區(qū)在不同交通需求下的交通沖突特征，并確定了相應(yīng)的交通安全等級。

案例分析結(jié)果表明：①城市快速路合流區(qū)的交通安全評價等級與該區(qū)域的實(shí)際交通需求存在著密切關(guān)系；②上述方法能夠較為準(zhǔn)確地評價城市快速路合流區(qū)在不同交通流狀態(tài)下的交通安全狀況，可為后續(xù)的實(shí)際工程應(yīng)用提供了一定的方法借鑒。