雙車道公路超車危險(xiǎn)因素辨識(shí)

張文會(huì)，馬俊，塔建

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

雙車道公路超車危險(xiǎn)因素辨識(shí)

張文會(huì)，馬俊，塔建

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

為了減少超車風(fēng)險(xiǎn)，建立較為完善的超車模型，本文對(duì)超車危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，形成超車因素風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。應(yīng)用系統(tǒng)工程的理論對(duì)雙車道公路超車危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，建立超車過程風(fēng)險(xiǎn)因素5級(jí)多層遞階解釋模型結(jié)構(gòu)，通過分析雙車道公路超車風(fēng)險(xiǎn)因素之間的結(jié)構(gòu)和層級(jí)關(guān)系，得出結(jié)構(gòu)模型和解釋結(jié)構(gòu)模型圖，找出影響雙車道公路超車的直接因素、間接因素。研究表明，多層遞階ISM方法能有效的建立雙車道超車風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)結(jié)構(gòu)模型，直觀的反映出各個(gè)影響因素之間的層級(jí)關(guān)系，操作簡便，實(shí)際可行。

雙車道公路；超車；解釋結(jié)構(gòu)模型；風(fēng)險(xiǎn)因素

0 引言

超車是駕駛過程中不可避免的行為，也是最常見的駕駛行為之一。實(shí)施超車時(shí)，駕駛員需要兼顧當(dāng)前車速、車輛間距、道路交通設(shè)施以及車流狀況等信息，綜合處理實(shí)時(shí)調(diào)整駕駛策略以完成超車行為。這是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，該過程包括了超車環(huán)境信息的收集與處理、超車時(shí)機(jī)判斷、超車軌跡生成以及超車過程突發(fā)狀況處理等。如此復(fù)雜的過程全憑駕駛員自己完成，這使得駕駛員在超車過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率一直居高不下，而因?yàn)槌囘^程中操作不當(dāng)所引發(fā)的交通事故也是道路交通事故的主要組成部分。因此，如何提高超車過程的安全性成為一個(gè)亟待解決的交通安全問題。

對(duì)于超車問題國內(nèi)外學(xué)者也做了大量研究。Afshin根據(jù)伊朗事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了超車過程中發(fā)生事故的人類工效學(xué)特征[1]。Yue Yu建立了智能車輛超車仿真模型，模型中考慮了道路幾何特征和風(fēng)力等交通環(huán)境因素[2]。Eleni I分析了年輕男性和女性駕駛?cè)嗽陔p車道公路的超車持續(xù)時(shí)間，同時(shí)還建立了考慮司機(jī)性別、車速的超車時(shí)間模型[3]。劉江通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)量在雙車道公路上超車時(shí)兩車的最小車頭時(shí)距，即可超車車頭時(shí)距以及超車過程中需要從對(duì)向車道回到本車道時(shí)與前車的最小車頭時(shí)距，即可回頭車頭時(shí)距，研究結(jié)果為研究雙車道公路通行能力、駕駛員超車行為、設(shè)計(jì)超車視距以及構(gòu)建智能交通系統(tǒng)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)[4]。學(xué)者在研究超車時(shí)大都側(cè)重于超車模型的設(shè)計(jì)研究，沒有專門針對(duì)超車過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，而超車過程的安全因素辨識(shí)是研究超車過程的前提，因此對(duì)超車危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析劃分是具有重要意義的。本文對(duì)超車過程進(jìn)行分段，分析每階段的超車風(fēng)險(xiǎn)因素，并用ISM方法對(duì)這些因素進(jìn)行分層劃分，得出影響雙車道公路超車安全的直接原因、間接原因，對(duì)于以后研究超車安全模型規(guī)避超車風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

1 超車風(fēng)險(xiǎn)因素集

超車過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，在分析中不但要考慮超越車輛自身的因素，目標(biāo)車輛以及對(duì)向車輛、對(duì)向來車均會(huì)對(duì)超車過程產(chǎn)生影響，因此，在分析過程中應(yīng)該進(jìn)行全面的考慮。在實(shí)際的分析過程中，可以將超車過程分為3個(gè)階段[5]：超車準(zhǔn)備階段，超車實(shí)施階段，超車完成階段。

1.1 超車準(zhǔn)備階段的超車影響因素

駕駛員在駕駛過程中都希望保持自己的期望車速，但由于駕駛員本身年齡、性別的差別，期望車速會(huì)有所不同。當(dāng)期望車速較快的車輛位于期望車速較慢的車輛后方時(shí)，就產(chǎn)生了超車需求，超車需求的產(chǎn)生是超車行為發(fā)生的前提。但在后方車輛具備超車需求的情況下并不一定會(huì)產(chǎn)生超車行為，只有在同時(shí)具備超車需求并且滿足超車條件的情況下才會(huì)產(chǎn)生超車行為。超車條件主要是超車視距是否滿足超車需求，而超車視距由超越車的速度，被超車的速度，對(duì)向車輛的速度以及天氣、能見度等多種因素決定。因此，這些因素都需要被考慮。

圖1 雙車道公路超車示意圖Fig.1 Schematic diagram of overtaking of two lane highway

1.2 超車實(shí)施階段的超車影響因素

由于雙車道公里超車行為的復(fù)雜性，即使已經(jīng)開始實(shí)施超車行為也有可能由于各種因素使得駕駛?cè)藛T放棄超車或者調(diào)整超車模式。如圖1所示，超車實(shí)施階段又可以分為換道、超越、并道3部分，無論在那一部分，超越車必須保證和目標(biāo)車輛以及對(duì)向來車的距離大于最小安全距離。在換道階段，根據(jù)GIPPS[6]提出的換道模型中的換道最小安全距離公式：

MSS=Max{(∫0t∫0λan(τ)-a(n+1)(τ)dτdλ(Vn(0) -V(n+1)(0))t) ,0}

式中：an,a(n+1)為車輛n，n+1的加速度；Vn,V(n+1)為車輛n，n+1的速度。

如公式中可以看出，在換道階段，影響超車的主要因素是車輛的加速度和速度，因此在這一階段主要的超車影響因素是超車車輛的性能以及車速。

1.3 超車完成階段的超車影響因素

車輛n完成超越回到本車道，處于目標(biāo)車輛n+1的前面，目標(biāo)車輛前方車輛n+2的后面，考慮到行駛過程中車輛之間需要保持安全間距，此時(shí)影響安全間距的主要因素是前方車輛n+2的車速。

1.4 雙車道超車風(fēng)險(xiǎn)因素集

以上按照超車過程詳細(xì)的對(duì)超車準(zhǔn)備階段、超車實(shí)施階段、超車完成階段對(duì)超車過程的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析。道路交通是一個(gè)人車路環(huán)境的統(tǒng)一體，在此按照人、車、路、環(huán)境這幾個(gè)方面對(duì)超車過程的風(fēng)險(xiǎn)因素集進(jìn)行總結(jié)整理，見表1。

表1 超車風(fēng)險(xiǎn)因素集Tab.1 Overtaking Risk Factors

2 解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)因素分析

2.1ISM方法

ISM(InterpretiveStructuralModelingMethod)方法是解釋結(jié)構(gòu)模型的簡稱[7]。ISM方法可以把復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個(gè)簡單的子系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)里各個(gè)元素之間相互影響關(guān)系的辨識(shí)，將原本復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為若干個(gè)遞階結(jié)構(gòu)形式[8]。由于ISM的特性，它可以將原本模糊的思想轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)明了、關(guān)系清晰的模型[9]，因此，在實(shí)際研究過程中，ISM常常用于變量眾多且變量間關(guān)系復(fù)雜結(jié)構(gòu)混亂的系統(tǒng)分析。ISM的技術(shù)研究步驟[10]如下：

步驟一：提出問題，建立知識(shí)模型。采用專家研討等方法搜集和整理系統(tǒng)的構(gòu)成要素，得到系統(tǒng)要素集S。記為

(1)

針對(duì)討論的問題設(shè)定要素間的二元關(guān)系，形成知識(shí)模型。

步驟二：判斷要素集中兩兩元素的二元關(guān)系，從而構(gòu)建鄰接矩陣A=(aij)MXN。其中鄰接矩陣A的元素aij定義為：

(2)

步驟三：根據(jù)推移率特性計(jì)算可達(dá)矩陣R，計(jì)算公式為：

(A+1)≠(A+1)2…≠(A+1)k≠(A+1)k+1

(k≤n-1)。

(3)

則M=(A+1)k。

(4)

公式(3)(4)滿足布爾代數(shù)運(yùn)算法則[11]，其中I為單位矩陣。其運(yùn)算本質(zhì)是A加上I后進(jìn)行自乘，直到某一次冪后前一次乘積與后一次乘積相等就停止計(jì)算，而可達(dá)矩陣就是這相等乘積的矩陣[12]。

步驟四：主要是對(duì)可達(dá)矩陣R的應(yīng)用，采用下述方法分別求得可達(dá)集R(Si)、前因集A(Si)和共同集R(Si)∩A(Si)，有：

R(Si)={Si|Mij=1；}，表示從因素Ni出發(fā)，可以到達(dá)全部因素的集合，可以通過矩陣M的第i行上數(shù)字為1的列對(duì)應(yīng)的因素來求。

A(Si)={Si|Mij=1；}，表示可以到達(dá)因素Ni的全部因素的集合，可以通過可達(dá)矩陣M的第i列上數(shù)字為1的行對(duì)應(yīng)的因素來求。

R(Si)∩A(Si)表示R(Si)和A(Si)的交集，也是最高因素集，當(dāng)R(Si)∩A(Si)= R(Si)時(shí)，如其他因素能達(dá)到該因素，而該因素不能到達(dá)其它因素，則該因素為最高級(jí)因素。

步驟五：根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行劃分并且建立結(jié)構(gòu)模型，這就包括了區(qū)域劃分、等級(jí)劃分以及ISM模型的建立。

步驟六：根據(jù)系統(tǒng)工程的理論知識(shí)[13]以及雙車道超車的實(shí)際情況，根據(jù)模型對(duì)系統(tǒng)要素進(jìn)行層次分析。

2.2 雙車道公路危險(xiǎn)因素的ISM模型

(1)根據(jù)表1的超車風(fēng)險(xiǎn)要素集，采用Delphi法確定兩兩影響因素之間的關(guān)系[14]，建立雙車道公路超車危險(xiǎn)因素的直接影響矩陣A，矩陣A 中，1表示行因素對(duì)列因素有影響，0表示行因素對(duì)列因素?zé)o影響或者影響可以忽略不計(jì)。鄰接矩陣A 如下：

(2)根據(jù)公式(2)，(3)利用MATLAB編程可計(jì)算得出k=4，計(jì)算得出可達(dá)舉證M如下：

(3)對(duì)可達(dá)矩陣M中各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行區(qū)域劃分[15]，并且判斷因素間的相互連通影響關(guān)系[16]。根據(jù)步驟四中的計(jì)算方法分別求出可達(dá)集R(Si)、先行集A(Si)，最后得出最高因素集L1：R(Si)∩A(Si)= R(Si)。根據(jù)可達(dá)舉證M對(duì)雙車道公路超車風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行劃分，通過第一次計(jì)算可以獲得可達(dá)集R(Si)、先行集A(Si)和最高因素集R(Si)∩A(Si)=R(Si)，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2通過調(diào)整整理可以確定第一級(jí)因素集合L1，其中包括S4，S9、S11、S13、S14、S15共6個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素；重復(fù)上述計(jì)算步驟，最終將20個(gè)雙車道公路超車風(fēng)險(xiǎn)因素分配在5個(gè)級(jí)別里。由于計(jì)算方法相同，且篇幅有限，本文只列出了上述第一級(jí)因素集合L1的計(jì)算過程，L2、L3、L4、L5采用類似的計(jì)算方法，不再累述。最終確定的因素級(jí)位劃分結(jié)果如下：

L1={ S4，S9、S11、S13、S14、S15}；

L2={ S2、S16、S5、S6、S7、S8、S10、S12}；

L3={ S1、S3、S20}；

L4={ S17、S19}；

L5={ S18}；

因此，雙車道公路超車危險(xiǎn)因素ISM模型如圖2所示。

表2 一級(jí)因素劃分?jǐn)?shù)據(jù)表Tab.2 Division of data for primary factors

圖2 ISM結(jié)構(gòu)模型Fig.2 ISM structure model

由圖2可知雙車道公路超車危險(xiǎn)因素具有多層遞階結(jié)構(gòu)的特征[17]，共5個(gè)層次。第一層級(jí)是影響雙車道公路超車的直接原因，第二、三、四、五層級(jí)對(duì)第一層級(jí)有直接影響，是影響雙車道公路超車安全的間接因。

第一層因素是影響雙車道超車安全的直接原因，超車過程能否順利進(jìn)行很大程度上都取決于第一層因素，因此這些因素也是在后續(xù)超車模型研究中不可忽視的研究因素。

第二、三、四、五層因素是影響雙車道公路超車的間接因素，這些因素通過直接因素的影響，也會(huì)對(duì)超車過程產(chǎn)生一定的影響，只是在超車過程由于影響因素眾多，在取舍過程中這些因素可以適當(dāng)考慮，但不應(yīng)該作為著重研究對(duì)象。

根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)提取影響雙車道公路超車危險(xiǎn)因素最直接的因素，考慮超車過程存在的區(qū)域特性、時(shí)間特性以及辨識(shí)的誤差，通過分析和專家意見，最終將駕駛員的駕駛里程、性別、超越車輛n的速度Vn、被超車輛的速度Vn+1、超越車輛n與目標(biāo)車輛n+1之間的距離、超越車輛n與對(duì)向來車m之間的距離6個(gè)因素作為雙車道公路超車危險(xiǎn)因素辨識(shí)的主要因素[18]。

3 結(jié)論

雙車道公路超車需要借用對(duì)向車道，因此在超車過程中的安全隱患大于在其它道路條件下得超車過程。本文深入分析雙車道公路的超車危險(xiǎn)因素，分析各因素之間的關(guān)系，建立雙車道公路超車危險(xiǎn)因素的ISM模型，探討各個(gè)因素之間的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系。通過分析，得到了一個(gè)層次關(guān)系清楚、脈絡(luò)清晰的結(jié)構(gòu)化模型，劃分出了影響雙車道公路超車安全的間接原因和直接原因。但在本文的研究中也存在一定的不足之處，本文研究側(cè)重于定性研究，在后續(xù)的實(shí)際模型確定的過程中還需要進(jìn)一步的進(jìn)行定量分析，以增加超車模型的精確程度。

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The Identification of Overtaking Risk Factors On Two Lane Highways

Zhang Wenhui，Ma Jun，Ta Jian

(School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to reduce the risk of overtaking and establish a relatively perfect overtaking model，this paper analyzes the overtaking risk factors and forms a risk factor index system.Based on the system engineering theory，the overtaking risk factors of two-lane highway are analyzed and a five level hierarchical interpretative structural modeling is formed.By analyzing the structure and hierarchy among risk factors，the structure model and interpretative structural model are obtained and the direct and indirect factors that affect the two lane highway overtaking can be achieved.Research shows that the hierarchical ISM can effectively build a two lane highway overtaking risk factors identification model which can reflect the hierarchy among factors directly.The system has the advantages of easy operating and practicality.

Two lane highways；overtaking；interpretative structural modeling；risk factors

2017-03-22

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2572015CB13);黑龍江哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目((4B015)

張文會(huì)，博士，副教授。研究方向：交通運(yùn)輸安全。Email：55065469@qq.com

張文會(huì)，馬俊，塔建.雙車道公路超車危險(xiǎn)因素辨識(shí)[J].森林工程，2017，33(3)：89-93.

U 412.3

A

1001-005X(2017)03-0089-05