基于多因素融合的高速公路養護作業區動態限速模型研究

張慧穎 鄭燕軍 關田

摘 要：高速公路作為各城市與各地區之間的連接紐帶，帶動了我國運輸業與物流業的發展，從而促進了國民經濟繁榮發展。2018年底，我國高速公路總里程就已突破14萬公里，里程規模居世界第一，然而在高速公路的快速發展中也暴露出一些問題，比如通行能力低，交通組織混亂等，這些問題在養護作業區中更加突出。養護作業區交通特性極其復雜，表現為車流分布不均衡，行車速度分布不均衡，車輛分流、合流易產生沖突，養護作業區成為一個事故多發地。為了提高高速公路養護作業區的行車安全性及通過能力，首要目標就是對養護作業區上游瓶頸區的車輛進行有效的限速控制。傳統的固定限速的方法有很大的局限性，本文采用基于多因素融合的高速公路養護作業區動態限速模型進行研究，在盡可能減小養護作業區事故發生率的前提下提升道路通行能力。

關鍵詞：高速公路;養護作業區;動態限速

中圖分類號：U491 文獻標識碼：A

1 高速公路養護作業區安全性影響因素分析

高速公路車輛行駛系統是由駕駛員、車輛、交通環境、天氣、道路條件共同組成的，各種因素在系統內部相互作用、相互制約[1]。任何一個交通事故都不是單因素所能決定的，因此，在高速公路動態限速的研究中心，應考慮多個因素的影響。下面分別從交通因素、天氣因素、道路因素等方面分析對高速公路動態限速的影響。

1.1 交通因素

1.1.1 交通量

交通量是高速公路交通狀態最直觀的影響因素，從駕駛員的角度來說最容易在心理和實際行車過程中造成影響。當交通量過大，駕駛員會產生緊張感直接造成對駕駛行為及技術的影響，并且交通量越大交通密度也越大，平均運行車速會降低。此時行駛速度過高勢必容易引發事故。由格林希爾茲模型導出的速度—流量關系為：

根據公式我們可以得知，速度與交通流量呈拋物線的關系，速度隨著交通流量增加而下降，達到最大交通流量后，速度和交通流量同時下降。

1.1.2 交通組成

交通組成是指交通流中各類車輛所占的比例。高速公路上行駛車輛種類多、交通組成復雜，不同的車輛具有不同的行駛特性，影響著道路的通行能力和服務水平，一般來說，小汽車車速明顯高于大型車;而且大型車比例過大時，小型車容易進入大型車駕駛員視野盲區，在相互超車過程中容易引發事故，安全隱患較大。因此當大型車比例增加時，限速值應有所調整，以適應實際行車需求，保證駕駛員及行車環境的安全。高速公路上的主要車輛為大型車和小型車，中型車和其他車輛所占比例較少，在研究時，通常用大車率代表交通組成的影響，假設只有大車與小汽車，其中大車所占比例即為大車率。

1.2 天氣因素

不良天氣會對安全行車帶來負面影響，主要是通過能見度及路面摩擦系數體現的。

1.2.1 能見度

能見度低時，駕駛員視線條件變差，對路線走向的感知判斷能力減弱;駕駛員在低能見度條件下行駛時，周圍的環境條件不清晰，影響駕駛員心理，使駕駛員壓力增大，操縱車輛時易偏離車道中心線，研究表明，能見度在125m時，駕駛員能保持在車道中心線附近[2]。對大霧引起高速公路低能見度進行劃分見表1。

1.2.2 路面摩擦系數

在雨、雪、道路結冰等惡劣天氣，路面摩擦系數降低，會使車輛行駛更加困難，車輛制動性能下降，容易造成側滑、追尾等交通事故。根據實際摩擦系數可分為五級摩擦指數，見表2。

1.3 道路因素

高速公路道路因素所涉及的方面很多，比如道路等級、線形特征、道路表面特征、交通設施等，線形特征主要包括平面、縱斷面、橫斷面、視距、匝道出入口等的設計及布置。道路因素在高速公路動態限速中可視為靜態因素[3]，但也是在設計中不可缺少的因素。

綜上所述，選取動態因素——交通量、交通組成、能見度、摩擦系數作為高速公路養護作業區動態限速模型研究的重點建立模型。

2 VISSIM建模分析

利用VISSIM對高速公路養護作業區的車流進行仿真模擬，引用沖突率[4]這一概念，其定義為在仿真過程中單位小時內的沖突次數與施工區的交通量和施工區長度之比，計算公式如下：

f——沖突率（次/pcu/km）;

TC——仿真一小時時間內發生沖突的次數;

Q——仿真斷面單位時間內通過的車輛數（veh/h）;

L——施工區長度（km）。

由于VISSIM中不能直接設定路面摩擦系數，而路面摩擦系數又與路面坡度有關，故在VISSIM仿真中使用路面坡度作為變量。

控制變量法對各變量進行分析，方案見表3：

各因素對事故率的擬合結果見圖1、圖2、圖3、圖4。

（1）交通量——事故率模型：

（2）大車率——事故率模型：

（3）能見度——事故率模型：

（4）路面坡度——事故率模型：

3 總結

（1）本文以高速公路養護作業區為研究對象，分析了影響高速公路養護作業區事故率的各個因素，主要包括交通因素、天氣因素、道路因素。

（2）針對影響因素中的動態因素——交通因素、天氣因素進一步分析，通過VISSIM建模，分析其中每一個因素對事故率的影響效果并繪制了擬合圖。

（3）因VISSIM中無法直接表達路面摩擦因數，選用坡度來代替路面摩擦因數，導致路面坡度——事故率模型的擬合效果并不好，有待進一步研究。

參考文獻：

[1]沙愛敏.高速公路交通事故分析及預防對策研究[D].東南大學，2006.

[2]張馳，賀亞龍，黃星，等.霧天不同能見度條件下高速公路限速建議值研究[J].交通信息與安全，2018，36（05）：25-33.

[3]王玥.基于多元因素預判的高速公路可變限速研究[D].吉林大學，2017.

[4]趙一飛.高速公路交通安全若干問題研究[D].西安：長安大學，2009.