基于車速離散度的機(jī)場高速公路風(fēng)險識別研究

胡立偉，孟 玲，何越人，羅振武 HU Liwei,MENG Ling,HE Yueren,LUO Zhenwu

（昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

隨著各大型機(jī)場旅客吞吐量的快速增長，乘坐小汽車成為當(dāng)前旅客進(jìn)出場的重要交通方式，由此增加了機(jī)場路網(wǎng)的交通安全問題。機(jī)場高速公路車輛行駛相較于普通高速公路車輛行駛目的性更專一，但同樣具有普通高速公路的行車速度快、交通流量大等特性。目前，國內(nèi)外對于機(jī)場高速公路車輛行駛安全的研究較少，國內(nèi)廖文周[1]通過研究廣州機(jī)場高速公路在節(jié)假日及平常日的交通現(xiàn)狀，分析了機(jī)場高速產(chǎn)生交通擁堵的原因。滕麗萍[2]利用成都機(jī)場高速公路數(shù)據(jù)分析得到高速公路道路交通事故原因，并提出高速公路道路交通事故相應(yīng)預(yù)防措施。本文對機(jī)場高速公路進(jìn)行風(fēng)險識別，可以有效提高機(jī)場高速行車效率，保證行車安全，對于機(jī)場高速公路的研究有重要意義。

在高速公路風(fēng)險研究中，國外通過車速對車輛運行風(fēng)險進(jìn)行研究開始較早。1991年，F(xiàn)ldes[3]通過對司機(jī)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高速運行的車輛比低速運行的車輛更容易發(fā)生交通事故；1993年，Monash[4]對車速和平均車速的差值與事故率之間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究，得出車速與平均車速的差值越大事故率越高的結(jié)論。

我國學(xué)者也通過分析車速、交通事故等對高速公路進(jìn)行深入研究。2003年，裴玉龍[5]教授用回歸分析的方法建立了車速離散性與交通事故的關(guān)系模型，并根據(jù)模型給出了高速公路合理的車速限制建議值；2010年，徐亮，程國柱[6]基于車速離散性約束和以油耗量最小為目標(biāo)，提出了高速公路最低車速限制方法；2012年，徐鋮鋮、王煒[7]等人研究了高速公路交通安全實時評價指標(biāo)與交通事故風(fēng)險之間的定量關(guān)系，并用于交通事故實時預(yù)測；2014年，吳彪、宋成舉[8]等人建立了高速公路施工區(qū)合流沖突風(fēng)險計算模型，確定了高速公路施工區(qū)不同安全狀態(tài)的合流沖突風(fēng)險閾值，并進(jìn)一步運用灰色理論建立了高速公路施工區(qū)合流沖突預(yù)測的GM 1,（）1模型；2016年，賈洪飛、桑珩[9]等利用模糊綜合評判法對高速公路進(jìn)行潛在事故風(fēng)險點（段）識別；2018年，馬艷麗、祁首銘[10]等建立了基于PET算法的匝道合流區(qū)交通沖突識別模型，有效識別匝道合流區(qū)的潛在沖突，提高匝道合流區(qū)行車安全。

上述方法均在普通高速公路中有較好的驗證與應(yīng)用，本文欲參考高速公路已有的研究方法，引入機(jī)場高速公路車輛行駛的目的專一性更強(qiáng)這一特性，對機(jī)場高速公路車輛往返風(fēng)險運行區(qū)間進(jìn)行初步判定；速度是車輛行駛是否安全的一個重要指標(biāo)，本文采用車速離散度進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險區(qū)間的界定，豐富機(jī)場高速公路車輛行駛安全理論，為改善機(jī)場高速公路安全設(shè)施的布設(shè)及車輛控制策略提供了理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.1 試驗路段的選取

為保證研究路段具有路況良好、數(shù)據(jù)量充足等特性，本文選取昆明機(jī)場高速收費站“A”—長水機(jī)場“B”路段作為研究路段，此路段總計5 760m。

1.2 試驗時間段的選取及實驗儀器

為研究機(jī)場高速公路車輛運行風(fēng)險特征，在2017年5月23日9:00～12:00高峰小時內(nèi)，對試驗車F的車速以及行車距離等進(jìn)行記錄，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。試驗儀器選用GPS、行車記錄儀、非接觸式五輪儀，試驗車F車型為豐田普拉多。

1.3 試驗過程

試驗車中有2名成員，1位駕駛員，1人控制GPS與非接觸式五輪儀設(shè)備對路段位置與車速進(jìn)行記錄。對車輛在機(jī)場高速公路往返程的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，其中車速有效數(shù)據(jù)共計720個。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采集試驗車F實車行駛的實時數(shù)據(jù)，通過GPS和非接觸式五輪儀對路段位置與車速進(jìn)行記錄，在對路段位置與車速進(jìn)行記錄時，皆為1s統(tǒng)計1次數(shù)據(jù)。對機(jī)場高速往返路段的不同路段位置的速度的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)方差進(jìn)行計算，運用matlab軟件分析出試驗車F在機(jī)場高速公路研究路段的車輛往返速度的相關(guān)數(shù)據(jù)。機(jī)場高速公路車輛往返行駛速度相關(guān)特征值匯總于表1。

表1 試驗車F在A～B研究路段往返行駛速度相關(guān)特征值

2 車速運行規(guī)律分析

2.1 行駛速度分析

在研究路段試驗車F先后從昆明機(jī)場高速收費站往返于長水機(jī)場，其行駛速度如圖1、圖2所示。

圖1 試驗車F在A～B路段行駛速度

圖2 試驗車F在B～A路段行駛速度

（1）A～B方向速度特性分析。由圖1可得，在A～B方向行駛路段（除加減速段），試驗車F的車速均高于最低限速60km/h，均低于最高限速120km/h。試驗車F由A～B行駛進(jìn)入可觀測點時的速度為39.34km/h，并由此到路段位置880m處時行駛速度一直處于上升趨勢，到達(dá)路段880m處的行駛速度為84.88km/h。

（2）B～A方向速度特性分析。由圖2可看出，在B～A方向行駛路段（除加減速段），試驗車F車速均高于最低限速60 km/h，均低于最高限速120km/h。試驗車F由B～A行駛進(jìn)入可觀測點時的速度為57.60km/h，并由此到路段位置832m處時一直處于上升趨勢，到達(dá)路段832m處的行駛速度為76.80km/h。

2.2 行駛速度擬合

根據(jù)試驗車F行駛速度與路段位置的數(shù)據(jù)，建立行駛速度與路段位置的擬合函數(shù)。經(jīng)過多次嘗試，擬合軟件擬合出的正弦曲線逼近函數(shù)，較好地擬合出行駛速度與路段位置的變化關(guān)系。

表2 機(jī)場高速公路車輛速度與路段位置的擬合函數(shù)

試驗車F的往返行駛速度與路段位置的正弦曲線逼近函數(shù)擬合圖像如圖3、圖4所示。

圖3 A～B行駛速度的正弦曲線逼近擬合圖像

在圖3擬合函數(shù)圖像中，試驗車F在昆明機(jī)場高速收費站—長水機(jī)場路段行駛時，到達(dá)路段0～640m、2 400～4 800m、4 800～5 760m（A～B方向為正方向）時，行駛速度均達(dá)到各段速度峰值，且在路段位置4 480m時達(dá)到昆明機(jī)場高速收費站—長水機(jī)場路段最大行駛速度。由此分析試驗車F在昆明機(jī)場高速收費站—長水機(jī)場行駛時，在路段0～640m、2 400～4 800m、4 800～5 760m處均產(chǎn)生車輛運行風(fēng)險。

圖4 B～A行駛速度的正弦曲線逼近擬合圖像

在圖4擬合函數(shù)圖像中，試驗車F在長水機(jī)場—昆明機(jī)場高速收費站路段行駛時，車輛到達(dá)路段0～800m、1 600～4 960m、4 960～5 760m（B～A為正方向）時，行駛速度均達(dá)到各段速度峰值，且在路段2 400m處達(dá)到長水機(jī)場—昆明機(jī)場高速收費站路段最大行駛速度。由此分析試驗車F在昆明機(jī)場高速收費站—長水機(jī)場行駛時，路段0～800m、1 600～4 960m、4 960～5 760m處均產(chǎn)生車輛運行風(fēng)險。

2.3 風(fēng)險交織區(qū)初步識別

運用類比分析的方法，分析試驗車F在機(jī)場高速公路的往返速度，初步識別出機(jī)場高速公路風(fēng)險交織區(qū)，主要包括收費站與高速公路銜接段、高速公路車輛行駛速度波動較大路段、車輛出入停車樓的加減速路段。如圖5所示。

圖5為試驗車F在研究路段往返車速風(fēng)險交織區(qū)初步識別圖像，更簡單直觀地表示出試驗車F在研究路段的往返行駛速度隨路段位置的變化，進(jìn)而判斷出車輛運行風(fēng)險的交集路段。在風(fēng)險交織區(qū)初步識別圖像中易看出在研究路段的車輛往返行駛速度變化趨勢，且A～B車輛行駛速度明顯高于B～A車輛行駛速度，這表明試驗車F在機(jī)場高速公路行駛時，由于往返目的不同而引起車輛往返行駛速度產(chǎn)生較大差異。試驗車F在研究路段的往返行駛速度達(dá)到峰值的路段位置相近，經(jīng)初步類比分析得到風(fēng)險交織區(qū)的大致為路段0～640m、2 400～4 160m、4 960～5 760m（A～B方向為正方向）。路段0～640m為機(jī)場高速公路收費站交通沖突路段，車輛從收費站加速駛出或者減速進(jìn)入收費站，同時駕駛員也面臨著選擇服務(wù)車道的問題，從而不同程度上造成車輛速度的波動，增加了此路段的交通復(fù)雜性，進(jìn)而增加了此路段的運行風(fēng)險。路段4 960～5 760m為機(jī)場高速車輛進(jìn)出機(jī)場停車樓的加減速路段，車輛受到達(dá)目的地的距離、道路線形、交通狀況等產(chǎn)生速度的波動，從而增加了此路段的車輛運行風(fēng)險。

圖5 風(fēng)險交織區(qū)初步識別圖像

3 基于車速離散度的機(jī)場高速公路風(fēng)險區(qū)間評定模型

3.1 車速離散度的界定

車速離散是影響行車通行效率與安全的重要因素之一，車輛的車速與平均車速的差值越大，即車速分布越離散。采用試驗車F的行駛車速與平均車速計算車速離散度，即車速波動情況，因此車輛在運行區(qū)間的任意速度可監(jiān)測點車速離散度表達(dá)式為：

式中：σ—車速離散度；vi—車輛行駛速度；—車輛平均速度；i—車輛在運行區(qū)間內(nèi)的任意速度可監(jiān)測點；n—所取速度樣本個數(shù)。經(jīng)處理，車速離散度如圖6所示。

圖6 A～B路段往返車速離散度

3.2 基于車速離散度的機(jī)場高速公路行車風(fēng)險模型構(gòu)建

以車速離散度為基礎(chǔ)，提出車輛運行區(qū)間風(fēng)險概率及風(fēng)險系數(shù)，作為機(jī)場高速公路風(fēng)險區(qū)間評價指標(biāo)。通過定義風(fēng)險概率來對機(jī)場高速公路進(jìn)行安全評定，并對機(jī)場高速公路風(fēng)險運行區(qū)間進(jìn)行界定。將A～B路段、B～A路段的風(fēng)險概率分別表達(dá)為：

式中：i,h為車輛運行區(qū)間內(nèi)任意行駛速度可監(jiān)測點，且h＞i；σi、σi+1…σh分別為i、i+1…h(huán)點的車速離散度。

風(fēng)險概率反映了車輛在運行區(qū)間發(fā)生危險的可能性，當(dāng)車輛在某段區(qū)間內(nèi)的車速離散度大于車輛在總區(qū)間內(nèi)的車速離散度，風(fēng)險概率大于1則表明這段區(qū)間內(nèi)車輛運行處于風(fēng)險狀態(tài)，即此區(qū)間為風(fēng)險運行區(qū)間。

裴玉龍教授在對高速公路的速度標(biāo)準(zhǔn)差和億車公里事故率分析中，指出隨著車速離散程度的提高，事故率將以指數(shù)增長率增長[5]。車速離散度與事故率的具體關(guān)系模型為：

在風(fēng)險概率可知的基礎(chǔ)上，從駕駛員駕駛車輛的目的出發(fā)，駕駛員更關(guān)注的是在機(jī)場高速公路行駛時駕駛車輛的時間長短。因此，在考慮車輛行駛時間的基礎(chǔ)上，建立區(qū)間風(fēng)險系數(shù)指標(biāo)，其計算公式如下：

式中：S為風(fēng)險系數(shù)；AR為事故率；t*為風(fēng)險區(qū)間內(nèi)車輛運行時間權(quán)重。

由式（5）可知，風(fēng)險系數(shù)由σ和t*所決定，σ表示在風(fēng)險區(qū)間內(nèi)的車速離散度大小，t*表示運行車輛在風(fēng)險區(qū)間中的行駛時間。風(fēng)險系數(shù)S的引入一方面反映σ越大，意味著車輛速度波動越大，車輛行駛越不穩(wěn)定；另一方面行駛時間越短，意味著可以更快駛離風(fēng)險區(qū)，根據(jù)每個風(fēng)險區(qū)間的行駛時間確定各風(fēng)險區(qū)間的時間權(quán)重。

3.3 風(fēng)險系數(shù)計算及風(fēng)險交織區(qū)標(biāo)定

根據(jù)式（2）、式（3）、式（5）計算研究路段往返的風(fēng)險概率以及風(fēng)險系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 機(jī)場高速公路A～B路段風(fēng)險概率和風(fēng)險系數(shù)特征值匯總

由表3風(fēng)險概率和風(fēng)險系數(shù)計算值對研究路段進(jìn)行標(biāo)定，如圖7。

圖7 機(jī)場高速公路車輛往返路段風(fēng)險區(qū)間

機(jī)場高速往返路段的風(fēng)險區(qū)間分別標(biāo)定如圖7，在距離A、B兩個點的區(qū)間均為高風(fēng)險區(qū)間。車輛在行駛過程中部分路段出現(xiàn)駕駛風(fēng)險，進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險交織區(qū)的標(biāo)定，如圖8所示。

圖8 機(jī)場高速公路風(fēng)險交織區(qū)

在圖8中，2段機(jī)場高速公路高風(fēng)險交織區(qū)的長度分別為640m、800m，在這兩段區(qū)間中，車輛加減速以及車道變換等是產(chǎn)生運行風(fēng)險的重要原因。機(jī)場高速公路低風(fēng)險交織區(qū)長度為1 760m，此路段車輛運行風(fēng)險較低，一旦出現(xiàn)隱患而引起的后果難以掌控，因此低風(fēng)險交織區(qū)的確定對于機(jī)場高速公路風(fēng)險管控有重要意義。

4 機(jī)場高速公路風(fēng)險運行區(qū)間對策研究

（1）機(jī)場高速公路加減速高風(fēng)險區(qū)間對策。從機(jī)場高速公路A～B路段風(fēng)險系數(shù)匯總表可以明顯看出，在機(jī)場高速公路加減速路段風(fēng)險系數(shù)較高，此路段行車風(fēng)險較高。

在靠近A處加減速路段為駛出駛進(jìn)收費站路段，在A～B方向為駛出收費站路段，設(shè)置車道變換以及高速路段限速值警示牌；在B～A方向為駛進(jìn)收費站路段，設(shè)置車輛提前換道提示牌以及減速警示牌，合理引導(dǎo)車流進(jìn)入收費站。

靠近B處加減速路段為駛進(jìn)駛出機(jī)場停車樓路段，在A～B方向為駛進(jìn)機(jī)場停車樓路段，在距停車樓500m處設(shè)置機(jī)場停車樓引導(dǎo)牌，提醒駕駛員進(jìn)行提前換道以及車輛減速操作；在B～A方向為駛出機(jī)場停車樓路段，設(shè)置車道變換以及高速路段限速值警示牌，以防車速過快或視野不佳導(dǎo)致合流路段發(fā)生危險。

（2）機(jī)場高速公路低風(fēng)險區(qū)間對策。在A～B方向機(jī)場高速公路低風(fēng)險區(qū)間長度為2 400m，且位置靠近目的地；在B～A方向機(jī)場高速公路低風(fēng)險區(qū)間長度為3 360m，且位置靠近目的地，其風(fēng)險交織區(qū)長度為1 760m，位置大約在研究路段的中間部分。機(jī)場高速公路低風(fēng)險區(qū)間風(fēng)險系數(shù)較高風(fēng)險區(qū)間風(fēng)險系數(shù)小，但此風(fēng)險交織區(qū)路段位置特殊，位于研究路段的中間部分，一旦發(fā)生事故而引起的損失無法估量。在風(fēng)險交織區(qū)路段，采用安全性能更高的隔離護(hù)欄，并在A～B往返兩車加設(shè)高風(fēng)險區(qū)監(jiān)控等。

5 結(jié)束語

本文研究機(jī)場高速公路車輛運行風(fēng)險識別問題，結(jié)合提取到的車輛行車信息，建立基于車速離散度的機(jī)場高速公路風(fēng)險區(qū)間評定模型。研究結(jié)論如下：（1）機(jī)場高速公路車輛運行的目的性較普通高速公路更強(qiáng)，主要表現(xiàn)為車輛在機(jī)場往返行駛過程中行駛速度差異較大。（2）通過引入機(jī)場高速公路車輛運行的目的專一性更顯著這一特性，對機(jī)場高速公路車輛運行風(fēng)險區(qū)間范圍進(jìn)行初步界定，并得到車輛往返路段的風(fēng)險交織區(qū)。（3）駕駛員在機(jī)場高速公路駕駛車輛的目的性不同的情況下，車輛運行的時間不同，由此建立基于車速離散度的機(jī)場高速公路風(fēng)險區(qū)間評定模型，通過風(fēng)險概率及風(fēng)險系數(shù)對機(jī)場高速公路進(jìn)行風(fēng)險區(qū)間等級標(biāo)定，并進(jìn)一步得到風(fēng)險交織區(qū)。（4）對機(jī)場高速公路高、低風(fēng)險區(qū)間進(jìn)行設(shè)施布設(shè)，對存在安全隱患路段進(jìn)行安全管控，為改善機(jī)場高速公路安全設(shè)施布設(shè)及車輛控制策略提供了理論基礎(chǔ)。