基于灰色聚類評價(jià)的收費(fèi)站分流區(qū)交通安全評價(jià)

滕明智

(吉林省高速公路集團(tuán)有限公司,吉林 長春 130000)

截至2021年末,全國收費(fèi)公路里程18.76萬km,占公路總里程528.07萬km的3.55%。其中高速公路16.12萬km,占比為85.9%。全國收費(fèi)公路共有主線收費(fèi)站972個,其中高速公路收費(fèi)站488個。高速公路收費(fèi)站是連接普通道路和高速公路的重要節(jié)點(diǎn)。不同于在主線道路上行駛,車輛在收費(fèi)站分流區(qū)內(nèi)的運(yùn)動不受車道劃線限制,可以任意轉(zhuǎn)向和跨越區(qū)間。車輛進(jìn)入分流區(qū)后可以自由減速、轉(zhuǎn)向等分流行為,并選擇任意一條收費(fèi)通道。在這種無約束運(yùn)動情況下,車輛之間可能發(fā)生追尾沖突、側(cè)向沖突甚至對向沖突,導(dǎo)致交通沖突無序,交通狀況更加復(fù)雜。

在收費(fèi)站分流區(qū)交通安全評價(jià)方面,方瑜琪[1]歸納了主線收費(fèi)站在布局形式設(shè)計(jì)、車輛仿真、布局模型和評價(jià)指標(biāo)方面的研究,采用微觀仿真方法,并根據(jù)真實(shí)調(diào)查數(shù)據(jù)對駕駛模型參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定,利用仿真模型得到車輛的平均延誤時間。崔洪軍等[2]基于Paramics軟件對收費(fèi)站的通行效率進(jìn)行研究。黨娜[3]基于交通流理論計(jì)算并規(guī)范了匝道收費(fèi)站安全間距。

1 收費(fèi)站分流區(qū)交通沖突數(shù)據(jù)獲取

以收費(fèi)站分流區(qū)作為研究區(qū)域,旨在獲取收費(fèi)站分流區(qū)幾何構(gòu)造,收費(fèi)站分流區(qū)交通現(xiàn)狀,并對調(diào)查視頻進(jìn)行處理,獲得交通沖突數(shù)據(jù),用于后續(xù)收費(fèi)站分流區(qū)交通安全評價(jià)。

1.1 收費(fèi)站分流區(qū)定義

本節(jié)主要定義收費(fèi)站分流區(qū)的構(gòu)造,如圖1所示。研究的區(qū)域主要由有車道標(biāo)線分流區(qū)、無車道標(biāo)線分流區(qū)、收費(fèi)區(qū)域組成。車輛進(jìn)入收費(fèi)站前,會受到收費(fèi)站標(biāo)志標(biāo)識牌的提醒,提前準(zhǔn)備進(jìn)入有車道標(biāo)線分流區(qū),之后進(jìn)入無車道標(biāo)線分流區(qū),車輛在此減速觀察車道排隊(duì)狀況并選擇合適的收費(fèi)車道,因此此段又可稱為減速漸變區(qū)域,最后車輛在收費(fèi)區(qū)域繳費(fèi)后駛出收費(fèi)站分流區(qū)。車輛在無車道標(biāo)線分流區(qū)會選擇車道,由此會產(chǎn)生大量的換道行為,從而易造成交通沖突,甚至發(fā)生交通事故。

圖1 收費(fèi)站分流區(qū)示意圖

1.2 調(diào)查方法

在以往的交通調(diào)查中,速度調(diào)查多使用雷達(dá)測速儀測量,會影響駕駛員行駛;大多數(shù)調(diào)查視頻由路側(cè)攝影機(jī)拍攝或者直接調(diào)用收費(fèi)站監(jiān)控錄像,由以上視頻調(diào)查的交通流數(shù)據(jù)和交通沖突數(shù)據(jù)提取時由于拍攝角度和拍攝畸變,存在許多誤差。而無人機(jī)調(diào)查的優(yōu)點(diǎn)主要有拍攝范圍廣、對駕駛員影響小,因此本文采用無人機(jī)航拍的方式進(jìn)行交通調(diào)查。調(diào)查地點(diǎn)為長春收費(fèi)站(G1京哈高速出口)。選取不同時間段共進(jìn)行9次調(diào)查,每次調(diào)查拍攝1 h。在正式拍攝前調(diào)整無人機(jī)高度及角度,使拍攝畫面覆蓋研究區(qū)域,每次正式拍攝時無人機(jī)均保持大致相同的高度及角度。

1.3 交通沖突數(shù)據(jù)處理

(1)交通沖突度量計(jì)算。

為了計(jì)算的準(zhǔn)確性以及方便性,選用時間和空間為度量單位,選擇距離碰撞時間(TTC)以及后侵入時間(PET)作為交通沖突主要度量。

距離碰撞時間TTC經(jīng)常被用于計(jì)算追尾沖突。TTC定義為兩輛車保持現(xiàn)行速度及車道固定時,兩輛車發(fā)生碰撞所需的時間,其前提是后車的速度大于前車,如公式(1)所示。

(1)

式中:TTC為距離碰撞時間,s;D為發(fā)生沖突時刻兩車車頭間距,m;Lf為前車車輛長度,m;VA為發(fā)生沖突時刻前車的瞬時車速,m/s;VB為發(fā)生沖突時刻后車的瞬時車速,m/s。

后侵入時間PET定義為兩輛車通過潛在碰撞區(qū)域的時間差值,如圖2所示,可以計(jì)算出該沖突的后侵入時間為t2-t1。

圖2 換道沖突計(jì)算示意圖

9次交通調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 沖突嚴(yán)重程度劃分區(qū)間

(2)交通沖突閾值確定。

根據(jù)上述過程對航拍視頻進(jìn)行處理,提取追尾沖突TTC和換道側(cè)擊沖突PET數(shù)據(jù)。基于所提取追尾沖突TTC與換道側(cè)擊沖突PET,用來標(biāo)定不同交通沖突的嚴(yán)重程度閾值。最后基于統(tǒng)計(jì)學(xué)判定法劃分沖突嚴(yán)重程度,利用不同的累計(jì)頻率分布值處理交通沖突閾值。

將調(diào)查獲取的追尾交通沖突的TTC值按0.8 s的時間間隔,后侵入時間PET值按0.5 s的時間間隔繪制交通沖突累計(jì)百分頻率曲線,根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)判定法以及實(shí)際調(diào)查情況,將20%累計(jì)頻率對應(yīng)的值定為嚴(yán)重沖突閾值,85%累計(jì)頻率對應(yīng)的值定為交通沖突發(fā)生的閾值,如圖3和圖4所示。

圖3 換道沖突PET分布圖

圖4 追尾沖突TTC分布圖

各類型沖突嚴(yán)重程度劃分區(qū)間見表2。

表2 沖突嚴(yán)重程度劃分區(qū)間

2 收費(fèi)站分流區(qū)安全評價(jià)

2.1 評價(jià)指標(biāo)選取

選擇引入交通沖突率對收費(fèi)站分流區(qū)交通安全進(jìn)行評價(jià)。在交通調(diào)查中,將沖突分為嚴(yán)重追尾沖突、一般追尾沖突、嚴(yán)重?fù)Q道沖突、一般換道沖突四種沖突類型,因此一共有四種交通沖突率參與評價(jià)。各類型交通沖突率為

(2)

式中:Ki為交通沖突率;i為沖突類型;Ni為交通沖突個數(shù);Qi為交通量。

2.2 灰色聚類評價(jià)法

采用灰色聚類評價(jià)模型,以一般追尾沖突、嚴(yán)重追尾沖突、一般換道沖突和嚴(yán)重?fù)Q道沖突的沖突率對收費(fèi)站分流區(qū)交通安全狀況進(jìn)行評價(jià)。

(1)建立聚類樣本矩陣。

評價(jià)矩陣是由不同評價(jià)對象及其不同評價(jià)指標(biāo)取值組成。設(shè)有n個評價(jià)對象,每個評價(jià)對象有m個評價(jià)指標(biāo),第i個聚類對象對應(yīng)第j個聚類指標(biāo)的樣本值為為dij,評價(jià)指標(biāo)矩陣為D。

(3)

(2)確定灰類和白化值。

(3)建立收費(fèi)站分流區(qū)灰類的白化權(quán)函數(shù)。

(4)確定聚類權(quán)重。

采用模糊一致矩陣法確定各評價(jià)指標(biāo)的聚類權(quán)重。

(4)

因此,關(guān)于聚類對象的灰色變權(quán)聚類系數(shù)矩陣為

(5)

2.3 收費(fèi)站分流區(qū)灰色聚類分析

由前文交通調(diào)查以及公式(2)、公式(3)構(gòu)建評價(jià)矩陣D

(6)

然后確定灰類和白化函數(shù)值,綜合前文實(shí)際調(diào)查交通數(shù)據(jù)以及參考國內(nèi)相關(guān)研究,將收費(fèi)站分流區(qū)的交通狀況分為四個等級:A(非常安全)、B(安全)、C(臨界安全)、D(不安全),通過累計(jì)百分頻率點(diǎn)所對應(yīng)的15%、40%、60%和85%為不同灰類白化函數(shù)值。各評價(jià)指標(biāo)不同灰類特征值如表3所示。

表3 各評價(jià)指標(biāo)不同灰類特征值

各灰類等級對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)圖像如圖5所示。

圖5 不同灰類等級對應(yīng)白化權(quán)函數(shù)

由此可以得到一般換道交通沖突各項(xiàng)的函數(shù)矩陣

同理可以計(jì)算出嚴(yán)重?fù)Q道交通沖突、一般追尾交通沖突、嚴(yán)重追尾交通沖突各項(xiàng)的函數(shù)矩陣D2、D3、D4。

然后計(jì)算模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣,在交通沖突的研究中一般認(rèn)為嚴(yán)重交通沖突對一般交通沖突的權(quán)重較大,而對于相同程度的交通沖突,記為相同的權(quán)重等級,可得聚類權(quán)重

(7)

通過D1、D2、D3、D4和公式(7)計(jì)算相同評價(jià)對象的不同灰類的聚類系數(shù)值為

σ1=[0.174 0.326 0.174 0.326]

(8)

[0.326 0.674 0]

同理可以計(jì)算出完整的聚類系數(shù)為

(9)

最后根據(jù)聚類系數(shù)對交通安全等級進(jìn)行分級。對于第k級灰類,滿足公式(10)。

σik=max{σi1,σi2,…,σik}

(10)

由此確定分流區(qū)不同指標(biāo)對應(yīng)的安全等級,如表4所示。

表4 各安全等級閾值

下面確定各合流區(qū)交通安全評價(jià)等級,結(jié)果見表5。

表5 各個起落次交通安全評價(jià)等級

3 結(jié) 論

評價(jià)結(jié)果顯示,隨著收費(fèi)站分流區(qū)交通量變大,收費(fèi)站的交通安全等級將會變差。由此,提出交通安全改善建議如下。

(1)大力推行ETC設(shè)備辦理。

ETC收費(fèi)車道的服務(wù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MTC收費(fèi)車道和混合收費(fèi)車輛,因此,如果車輛都選擇ETC收費(fèi)通道,會提升收費(fèi)站的通行效率,減少收費(fèi)站的交通沖突。

(2)提升收費(fèi)站交通服務(wù)能力。

完善收費(fèi)站標(biāo)識標(biāo)志可以提前告訴駕駛員收費(fèi)車道布置方式,從而讓駕駛員可以提前變道選擇合適的車道,減少在漸變段變道次數(shù)。此外,升級收費(fèi)電子系統(tǒng)可以提升收費(fèi)站服務(wù)水平,減少因電子系統(tǒng)故障造成的交通延誤。