高速公路復雜樞紐互通全天候交通風險管控方法

■楊增權

（寧德沙埕灣跨海高速公路有限責任公司，寧德 352000）

在我國高速公路持續擴大里程規模的過程中，新建高速公路常與現有高速公路以樞紐互通形式銜接。 樞紐互通的復雜交通流組織易造成交通擁堵頻發；受條件限制，部分互通存在車道數不平衡現象，易引發駕駛員頻繁換道；繁多的交通標志也增加了駕駛員行車方向選擇錯誤的風險。 交通擁堵風險、交通安全風險和行車方向選擇錯誤風險等三類交通風險耦合疊加，對高速公路復雜樞紐互通全天候交通風險管控提出了挑戰。 研究交通擁堵的理論主要有三相交通流理論[1]和交通波理論[2]等。 在交通擁堵機理研究中，常用交通流狀態描述模型為傳統的基于流體力學的連續交通流參數模型，這類模型在描述交通流處于穩定狀態下的流量-速度-密度關系時具有其合理性[3-5]。 近年來，研究者基于K-最近鄰域[6]、支持向量機[7]等數據挖掘算法，構建識別交通狀態是否擁堵的分類模型。 在交通安全風險研究中，根據評估對象、判別指標不同，風險評估主要分為基于替代指標的交通安全風險評估方法[8-10]、基于綜合指標的交通安全風險評估方法[11]。 在方法建立基礎上，常通過統計分析路段、地點、區域內實際發生的交通事故數據，驗證交通安全風險評估方法的有效性[12-13]。 關于方向選擇錯誤風險的研究，主要分為樞紐設計與交通導向標志設計2 個方面。 車道數不平衡的樞紐設計研究指出，通過合理的車道平衡設計[14-15]、變速車道的設計[16]可以緩解車道不平衡樞紐中的方向選擇錯誤風險；在交通導向標志研究中，常采用認知心理學[17]、駕駛模擬實驗[17]等方法優化交通標志的設計方案，研究表明通過可變信息標志[18]、可變限速標志[19]可以引導駕駛員選擇合適的車道，從而緩解方向選擇錯誤風險。 目前高速公路交通風險評估尚未深入開展復雜樞紐互通的三類交通風險耦合疊加的風險評估和管控方法，本文在辨析高速公路復雜樞紐互通多類型交通風險的基礎上，提出交通擁堵、交通安全和行車方向選擇錯誤等復雜樞紐互通交通風險辨識、 評估與管控方法，并選取坑門里樞紐互通展開實證分析。

1 交通風險管控方法

高速公路復雜樞紐互通交通風險管控方法主要分為風險辨識、風險評估和分級風險管控3 個階段。 風險辨識即指針對復雜樞紐互通不同風險種類及特點，識別其存在的危險。 風險評估即對復雜樞紐互通風險事件造成的影響和損失進行量化評估。風險管控即采取各種措施和方法，減少復雜樞紐互通風險事件發生的可能性或損失。 復雜樞紐互通風險管控方法具體流程如圖1 所示。

圖1 交通風險管控方法流程

1.1 風險辨識

高速公路復雜樞紐互通涉及交通擁堵、交通安全、方向選擇錯誤等多類別風險，三類交通風險耦合疊加，其形成機理復雜，需一一辨識。

（1）交通擁堵風險辨識

交通擁擠風險是指在復雜樞紐互通道路交通運輸系統運行出現（大范圍、長時間）路網交通擁擠或路網交通癱瘓等現象的可能性及后果。高速公路復雜樞紐互通主要起連接作用，其暢通與否對控制和梳理不同目的和方向車流有重要意義。高速公路復雜樞紐互通道路風險要素多，宜采用路段和節點的擁堵風險量化模型，因此擬采用集成模型進行計算，即采用統一量化指標來評價擁堵概率和后果。集成模型是交通擁擠風險的一種量化方式，具體為把擁擠概率與擁擠后果集成考慮，即根據實測或理論計算分析損失后果（如延誤、出行時間）的分布變化，得到集成了概率信息的后果值，比如期望值、風險值和條件風險值等。具體數據處理和模型建立過程如圖2 所示。

圖2 交通擁堵風險量化集成模型流程

（2）交通安全風險辨識

高速公路復雜樞紐互通系統是一個由人-車-路-環境組成的動態系統，車速是駕駛員在道路、環境等多因素組成的綜合情境下做出的反應，能夠表征各要素對于實際行車的影響。 在高速公路復雜樞紐互通行車過程中，可以通過主觀“預期車速”與客觀“建議車速”2 個概念來表征駕駛員對行車環境的主觀判斷與客觀行車環境[20-21]。 建議車速是指在特定的道路、環境、交通狀況組成的綜合情境下，駕駛員受到道路條件、車輛穩定性、駕駛員處理能力等因素對車速的限制，能夠保持安全行駛所允許的最大車速。 預期車速是指駕駛員在心理上認為的安全行駛車速，而非道路交通意義上的真正安全行駛車速[20-21]。 高速公路交通安全風險源于駕駛員對道路環境的主觀認知與客觀環境安全供給的差異，這種差異可用車速指標來表示，如式（1）。

當Δv 為負時，建議車速＞預期車速，安全風險較小；當Δv 為正時，建議車速＜預期車速，安全風險較大。

（3）方向選擇錯誤風險辨識

復雜樞紐互通提供交通轉換功能，具有多岔路口，易發生方向選擇錯誤。 駕駛員駕駛車輛在高速公路樞紐互通上行駛，遇到交通標志時，需要依靠視覺在短時間內讀取標志信息；信息經大腦處理形成短時記憶，駕駛員理解標志信息的內容，進而做出判斷和駕駛的操作。 交通標志的設計不僅要滿足《道路交通標志和標線》（GB 5768-2009）、《公路交通標志和標線設置規范》（JTG D82-2009）等國標和地方標準的要求，還要根據高速公路樞紐互通實際情況進行科學合理地設計。 標志信息的信息量和設置位置都會影響駕駛員對標志信息的讀取和處理。駕駛員是有主觀意識、有思維能力的個體，可以自發地做出判斷，變換駕駛行為；而駕駛員進行判斷的主要依據是環境，交通標志即是道路環境的主要組成部分。 交通標志的設計要符合駕駛員生理和心理的認知水平，使駕駛員能夠在行車過程中清楚地讀取交通標志內容，理解交通標志含義，并在合理的反應時間內做出正確的操作，這樣才能盡可能避免方向選擇錯誤的發生。

1.2 風險評估

（1）交通擁堵風險評估

利用擁堵指數對高速公路復雜樞紐互通擁堵程度進行定量評價。 擁堵指數計算所需參數為路段的自由流車速和平均行程車速。 將復雜樞紐互通劃分成若干子路段，根據歷史數據，計算出每個子路段的平均自由流車速、每個子路段的平均行程車速（即路程÷行程時間）。 擁堵指數計算如式（2）所示[22]：

其中：Vizy為子路段i 自由流狀態下的平均速度，Vixc為子路段i 平均行程車速，TSIi為子路段的擁堵指數。

評估出子路段的擁堵指數后，根據其結果可以進一步求得各線路的擁堵指數。 以子路段的車道數和子路段的長度為權重，對子路段的擁堵指數進行加權計算，計算公式為：

其中：ki為各個子路段i 車道數，li為各個子路段i 長度，TSIi為子路段i 的擁堵指數，TSI 為路段擁堵指數。 接著對擁堵程度進行分級， 標準如表1所示[23]。依據表1 的擁堵分級，評價得出各個子路段及各條線路的擁堵等級。

表1 擁堵指數TSI 分級

（2）交通安全風險評估

圖3 為高速公路復雜樞紐互通交通安全風險評估流程，通過確定分段單位，計算各路段的建議車速、預期車速，以及速度差值。 速度差值越大，表明該復雜樞紐互通路段的交通安全風險越大。

圖3 復雜樞紐互通交通安全風險評估流程

交通安全風險分級多采用基于頻率分布的方法進行。 頻率分布法是將每個評價指標值經過無量綱處理或不經過無量綱處理后，借鑒氣象四級預警防范， 選用40%、70%、90%的類別累積百分頻率對應點4、10、19 來確定指標分級點[24]。

在建議車速-預期車速風險評估模型中涉及多項動、靜態的影響因素，為了反映多種因素對風險的影響情況，基于既有樣本數據，采用BP 神經網絡開展交通安全風險預測。 首先，針對建議車速，結合復雜樞紐互通道路線形設計、 道路附屬設施、 交通流量、能見度等不同氣象指標建立建議車速模型。建議車速模型是將駕駛員在不同情境下選擇的建議車速定義為情境車速， 以駕駛員選擇的標準車速為自變量， 以選擇該標準車速的駕駛員在此種情境中車速的平均值為因變量，對其進行回歸分析。其中標準車速是在對駕駛員的調查問卷中設置不同場景所得。其次，選取交通流量、大車混入率、能見度等不同氣象指標作為預測輸入參數，采用BP 神經網絡訓練出下一時刻預期車速。 最后，就某一路段，計算同一時刻的預期車速與建議車速差值， 對照表2 間接得到交通安全風險值。 預測流程如圖4 所示[20]。

圖4 基于建議車速-預期車速的復雜樞紐互通交通安全風險預測流程

表2 基于建議車速-預期車速的安全風險等級劃分

（3）方向選擇錯誤風險評估

駕駛員從看到交通標志到做出操作，分為讀取信息、理解信息、做出判斷、做出駕駛操作4 個步驟。 方向選擇錯誤在這4 個步驟中均有可能會發生，復雜樞紐互通風險評估也可以根據這4 個步驟進行：①讀取信息：在讀取信息階段，駕駛員能否成功讀取標志的文字， 與駕駛員相關的因素有視力、工作負荷、文化水平、行駛速度等；外在客觀因素有氣候條件、標志的信息量、標志是否有遮擋、標志的前置距離等；②理解信息：在理解信息階段，駕駛員能否理解標志的內容，與駕駛員相關的因素有文化水平、年齡、反應速度、對路段的熟悉程度等；外在客觀因素有標志內容是否清晰合理； ③做出判斷：在駕駛員讀取并理解信息后，需做出判斷，是否遵守標志信息的內容， 與之相關的因素有受教育程度、駕駛經驗等；對于指路標志、指示標志、警告標志、禁令標志等不同類型的交通標志，駕駛員做出是否遵守的判斷也不盡相同；④做出操作：最后一步是駕駛員基于對信息的讀取、理解、判斷后進行操作，主要影響因素是駕駛員的主觀因素，如駕駛經驗、疲勞程度、個人偏好等。

1.3 風險管控

高速公路復雜樞紐互通借助預警設施開展三類交通風險的管控。預警設施包括傳統預警設施、智能預警設施，其功能及特點如表3 所示。傳統預警設施主要指警示牌、高穿透性LED 動態顯示屏、爆閃燈、反光膜、自發光輪廓標等。智能預警設施主要指自發光道釘、智慧路貼、車道級可變信息標志VMS。

表3 高速公路復雜樞紐互通各類交通預警設施功能及特點

不同級別的風險所對應的預警管控措施如表4所示，例如：當擁堵指數達到三級和四級，安全風險為一級、二級、三級、四級；存在方向選擇錯誤風險時，高速公路復雜樞紐互通需啟用預警設施進行交通誘導，以達到風險管控的目的。

表4 高速公路復雜樞紐互通各類風險預警管控措施

2 實證分析

坑門里樞紐互通主線起于福建省福鼎市佳陽鄉雙華村（浙閩界），與寧波-東莞國家高速公路浙江段甬臺溫復線銜接。 坑門里樞紐互通受既有沈海高速雙向四車道設施條件約束，合流和分流區的車道數變化頻繁且車道數不平衡，并與沈海高速2 個隧道耦合，帶來交通流在有限時空資源上復雜交織問題。 車道數不平衡與隧道耦合下的復雜坑門里樞紐互通交通擁堵風險、交通安全風險、方向選擇錯誤風險等三類交通風險積聚突顯。 針對坑門里樞紐互通的交通風險管控，首先對坑門里樞紐互通進行場景劃分。 道路基礎屬性包括合流區、分流區、曲線段、隧道、直線段5 種類型。 合流區4 條路段包括H1、H2、H3、H4；分流區3 條路段包括F1、F2、F3；曲線段僅有1 條路段Q； 隧道4 條路段包括S1、S2、S3、S4； 直線段11 條路段包括Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11，一共23 種場景。 按行車方向劃分，坑門里樞紐一共有7 條主要線路：支線1-支線2；支線1-支線3；支線2-支線1；支線2-支線3；支線3-支線1；支線3-支線2；高速入口-合流區H3-支線3。 坑門里樞紐互通場景與線路劃分示意如圖5 所示。

圖5 坑門里樞紐場景與線路劃分示意

基于檢測的氣象和速度等交通流數據，結合本文提出的三類交通風險模型，評估得出坑門里樞紐互通23 種場景在晴朗、暴雨、霧霾等不同氣象條件和直線、曲線等不同道路線形組合條件下的建議車速，如圖6 所示[20-21]。

圖6 坑門里樞紐分場景建議車速

3 結論與展望

本文闡述了高速公路復雜樞紐互通的擁堵、安全、方向選擇風險，提出了對復雜樞紐互通風險進行辨識、評估和管控的方法，構建了高速公路復雜樞紐互通的全天候交通風險管控方法。 在擁堵風險方面，先將復雜樞紐互通根據道路交通狀況進行場景解析和劃分，再建立實際路段擁堵指數的擁堵評估模型，劃分擁堵風險等級，最后根據擁堵風險指標值制定擁堵風險防控策略。 在安全風險方面，基于建議車速-預期車速模型，利用“預期車速與建議車速之間的差值”評估復雜樞紐典型場景路段安全水平，最終通過交通預測方法實現對交通安全風險的動態評估。 在方向選擇錯誤風險方面，解析了風險產生機理，梳理了復雜樞紐互通風險要素及評估指標，提出了相應防控措施。 研究成果在坑門里樞紐互通規劃設計中得到了應用和驗證，為有效防控高速公路樞紐互通安全風險提供了技術支撐；后續可收集更多交通數據，進一步驗證方法和模型的有效性。