寒地高速公路事故應(yīng)急交通組織方法研究*

巴興強 王曉輝 荊 超

(東北林業(yè)大學交通學院1) 哈爾濱 150040) (黑龍江省交通信息中心2) 哈爾濱 150040)

0 引 言

在高寒地區(qū)，因地理條件和氣候條件的特殊性，更容易引發(fā)交通事故.針對高速公路交通安全問題，相關(guān)部門和機構(gòu)出臺了多項高速公路應(yīng)急預案，交通組織管理工作也納入了體系，然而這些方案多重視總體體制和體系的建立，尚未形成詳細的、具有地區(qū)針對性的應(yīng)急交通組織方法.由于交通事故具有偶發(fā)性、突然性和復雜多變性等特點，人工決策結(jié)果容易片面，并且決策的時間長，不能達到高效救援、快速疏散擁擠車流的目標.為盡可能降低交通事故對寒地區(qū)域高速公路造成的影響，有必要對寒地高速公路事故交通組織進行研究.

1 寒地高速公路交通事故影響因素分析

寒冷地區(qū)的高速公路交通事故與其他地方交通事故相比，有著很多的共性，但是也存在著不同，主要體現(xiàn)在該區(qū)域的氣候分布有較大差異，其冬季漫長，低溫和冰雪天氣較多，對道路、駕駛員、車輛都有著較大的影響[1].

1.1 道路條件

道路結(jié)冰和積雪是影響道路交通安全的一大因素，尤其是寒冷地區(qū)，這一現(xiàn)象更加嚴重.在雪天容易出現(xiàn)積雪時間長，積雪不易溶化，繼而被車輛壓實變成“玻璃路面”，氣溫回升之后積雪溶化會形成冰雪混合路面；在雨天的情況下，潮濕的道路表面在低冷氣溫的作用下容易形成冰晶，這些對道路的附著系數(shù)會產(chǎn)生較大影響，致使路面摩擦系數(shù)減小，剎車距離增大，從而增加了不安全因素.

1.2 駕駛員

寒冷地區(qū)的氣候和駕駛環(huán)境對駕駛員的生理和心理都會產(chǎn)生一定的影響，首先，低溫會使人的肢體僵硬，這直接影響了駕駛員的反應(yīng)能力；其次，由于天氣寒冷，大多數(shù)駕駛員會選擇開啟車內(nèi)空調(diào)，這樣在密閉的環(huán)境中，空調(diào)會使人昏昏欲睡，在高速公路這種長時間的行駛過程中，更容易發(fā)生事故.

1.3 車輛

制動性能是影響車輛安全性能的一大安全因素，而寒冷地區(qū)的環(huán)境對車輛的制動性能影響最大，潮濕結(jié)冰和積雪路面降低了路面的附著系數(shù)，這也就增大了車輛的剎車距離，造成車輛在緊急情況下不能有效剎車，增大了事故發(fā)生的幾率.另外，車輛在行駛的過程中容易出現(xiàn)管線爆裂等意外情況，影響車輛的安全行駛.

2 事故持續(xù)時間預測

根據(jù)交通事故的演化過程，將交通事故持續(xù)時間分為發(fā)現(xiàn)、響應(yīng)、處理和交通恢復四個階段，其中，事故發(fā)現(xiàn)時間采用經(jīng)驗值法，交通恢復階段根據(jù)事故發(fā)生時的交通量及道路的通行能力來進行計算，事故響應(yīng)和處理階段構(gòu)建決策樹預測模型，并在此基礎(chǔ)之上，以雙重熵平均決策樹算法對該模型進行改進，預測交通事故影響持續(xù)時間[2]，為后續(xù)的交通組織提供決策基礎(chǔ).

2.1 基于貝葉斯的決策樹模型

決策樹是數(shù)據(jù)挖掘中生成分類器的一個特別有效的分類方法，它從一組無次序、無規(guī)則的事件中，推理出決策樹表示形式的分類規(guī)則,見圖1.決策樹分類方法采用自頂向下的遞歸方式，在決策樹的內(nèi)部節(jié)點比較屬性值，并根據(jù)不同的屬性值判斷從該節(jié)點向下的分支，在決策樹的葉節(jié)點得到結(jié)論[3-4].

圖1 貝葉斯決策樹模型

設(shè)S是s個采集樣本數(shù)據(jù)的集合，設(shè)定類標號屬性有m個不同值，定義m個不同類Ci(i=1,2,…，m)；設(shè)Si是Ci的樣本數(shù)量，給出既定的樣本分類的期望值為

(1)

式中：pi為任意樣本屬于Ci的概率，可用Si/s估計.屬性A具有V個不同值{ai，a2，…，av}；以屬性A將S劃分為V個子集{s1，s2，…，sv}.si包含s中的樣本，這些樣本包含A中的aj，假設(shè)A為測試屬性，那么這些子集與集合S中的節(jié)點生長出來的分支相對應(yīng).設(shè)sij為子集sj中類ci的樣本數(shù)量，依據(jù)A劃分成子集的熵為

(2)

要想子集劃分的純度較高，熵值需盡量小，根據(jù)上式的期望計算，子集sj的期望為

(3)

式中：pij為sj|中的樣本屬性類ci的概率.

根據(jù)期望值和熵值可以確定對應(yīng)的信息增益值，A的分支信息增益為

G(A)=I(s1,s2,…,sm)-E(A)

(4)

2.2 決策樹改進

為了提高決策樹的性能和精確度，在計算子集熵的時候，提出一種雙重熵平均決策樹改進的方法，以樣本集S中的每一個分類的屬性子集Ci首先計算這一屬性的樣子子集熵，對其進行平均化處理，以平均值為閾值，將所有子集熵進行排序，分為大于該值部分和小于該值部分，然后取前m項值，進行對應(yīng)合并，以該合并的不同熵值計算信息增益值，從而達到平衡整體決策分支最優(yōu)的目標.

2.3 數(shù)據(jù)獲取與模型建立

以京哈高速近3年的事故數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)源，選擇事故屬性相近的439起交通事故進行標定，標定數(shù)據(jù)信息見表1.

表1 標定數(shù)據(jù)信息表

通過對439組數(shù)據(jù)的分析，選擇以下影響因素:①事故類型;②涉事車輛類型及數(shù)量;③影響車道數(shù);④傷亡人數(shù);⑤事故日期;⑥事故時間段;⑦天氣;⑧是否有交警處置;⑨是否有救援車輛;⑩是否有拋撒物.各個影響因素的增益值，見表2.

表2 影響因素增益值

將各個影響因素的增益值進行排序，確定各類屬性的重要程度，即可得到?jīng)Q策樹.圖2為決策樹頂層設(shè)計結(jié)構(gòu)圖.

圖2 決策樹頂層結(jié)構(gòu)

3 寒地高速公路應(yīng)急交通組織方法

對高速公路交通事故進行分類，針對交通事故的影響范圍將交通事故影響區(qū)劃分為保護區(qū)、控制區(qū)和緩沖區(qū)，并將交通事故持續(xù)時間劃分為不同的時間區(qū)段，制定有針對性的緊急交通組織方案[5].同時，分析各種交通控制策略，確定適合于事故后緊急交通組織的具體控制策略.

3.1 交通事故等級劃分

為了制定合理的解決對策，應(yīng)采取合理的分級方法對交通事故進行分級，按照交通事故的特性及影響區(qū)域，本文對高速公路交通事故進行了分級[6]，見表3.

表3 事故等級劃分

3.2 保護區(qū)交通組織

保護區(qū)：高速公路交通事故發(fā)生的區(qū)域和對車輛導向進入交通事故區(qū)域.保護區(qū)分為事故發(fā)生現(xiàn)場區(qū)域和過度區(qū)域兩個部分，其長度為

(5)

或L=0.625Wv+S(v>60 km/h)

(6)

式中：L為保護區(qū)長度，m；v為車輛速度，km/h；W為車道寬度,m；S為事故發(fā)生場地占用的道路長度,m.

保護區(qū)的交通組織以現(xiàn)場警戒和過渡區(qū)管制為主.

1) 現(xiàn)場警戒 由交警部門設(shè)置現(xiàn)場保護和隔離設(shè)施，并進行有效的交通疏導.利用警戒線、隔離樁等交通設(shè)施將現(xiàn)場區(qū)域與交通流進行分離，防止出現(xiàn)二次事故.

2) 過渡區(qū)管制 對于過渡區(qū)，主要以提示和警告為主，在過渡區(qū)的起點位置安放錐形桶、電子提示板等交通安全設(shè)施，及時給予路過車輛提示信息，避免車輛進入事發(fā)區(qū)域.

3.3 控制區(qū)交通組織

控制區(qū)：高速公路交通發(fā)生地點到其上游可以進行交通流分流的區(qū)域.交通分流點主要為高速公路出入匝道、立交以及高速公路的中央分隔帶開口等[7].根據(jù)事故的類型和影響的大小，控制區(qū)的交通組織有以下方式:

1) 車速控制和車距控制 高速公路的通行車輛速度一般較高，為避免交通事故給高速公路的通行能力和行車安全帶來影響，需要對通行車輛進行車速和行車間距的有效控制.通過設(shè)置可變情報板和可變限速標志，提醒現(xiàn)場附近司機采取措施，還可通過車輛網(wǎng)技術(shù)，將信息及時傳送給較遠處的駕駛者，從而達到安全快速行車的目的.

2) 利用對向車道 當本方向車流不能順利通過事故地段，事故路段上游附近又有可以利用的中央分隔帶開口，且利用對向車道不會給對向車流帶來較大的影響時，可考慮利用對向車道疏散交通流.因利用對向車道會造成較大的交通沖突，引發(fā)安全問題，所以在利用對向車道時，需要設(shè)置完善的導向設(shè)施，包括線路誘導標志、限速標志、臨時車道隔離設(shè)施等[8].

3) 等候通行和車隊模塊化通行 當事故發(fā)生區(qū)域?qū)υ摿飨虻能嚵饔绊戄^大，致使通行能力驟減，車流不能順利安全通過時，需要對車輛采取排隊等候措施，或者在警車的引導下將排隊車輛進行模塊劃分，有序通過，減少延誤和排隊等候時間.

3.4 緩沖區(qū)和路網(wǎng)交通組織

緩沖區(qū)：包括控制區(qū)以及事故路段上游能夠使車輛分流的路網(wǎng)，其主要影響范圍為事故路段上游、交通事故路段附近的路網(wǎng)以及重要的節(jié)點[9].

事故路段交通量Q和通行能力C是決定緩沖區(qū)交通組織的關(guān)鍵因素.當Q>C時采誘導和控制組織方案.

1) 誘導 主線誘導：在事故發(fā)生的高速公路上游各個出入口與及重要節(jié)點，利用可變情報板、車聯(lián)網(wǎng)、手機信息通訊等向駕駛員發(fā)布事故信息，提醒駕駛員進行繞行.

路網(wǎng)誘導：當事故路段的交通需求遠大于道路通行能力時，需對進入路網(wǎng)的交通流進行交通誘導，在更大的范圍內(nèi)，通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)盡早的將信息傳遞給駕駛員，并未駕駛提供可供選擇的繞行路網(wǎng)信息.

2) 交通控制 車輛控制：包括限制一些型號的車輛通過，限制車流量等[10-11].主線控制：在采用誘導措施無法將車流分離的情況下，需要在事故路段上游進行強制分流，采用人工的方法將現(xiàn)有交通量分流到其他的道路上，從而確保主線上的交通流能夠安全通過[12-13].

路網(wǎng)控制：路網(wǎng)控制主要是利用入口匝道或者立交進行控制，在上游節(jié)點車輛匯入處進行控制，對事發(fā)道路進行限流和截流[14].

4 案例分析

4.1 背景分析

黑龍江省位于我國東北部，是我國緯度最高、氣溫最低的邊疆省份，全省年平均氣溫多在-5～5 ℃，冬季漫長寒冷，夏季短促.G1京哈高速(拉林河—瓦盆窯段),全長70 km，雙向4車道，路面寬度23.5 m，與G102國道并行，與G102，S301，S302，G1211，G1202，G202組成交通網(wǎng)，見圖3.

圖3 京哈高速區(qū)位圖

4.2 仿真平臺搭建

選用vissim4.3作為仿真分析軟件，選取事故路段上游的車輛平均延誤以及排隊長度作為評價指標.假定G1京哈高速(拉林河—瓦盆窯段)中段發(fā)生追尾事故，采用G102進行分流，同時事故保護區(qū)封閉一條車道，車輛排隊通行的交通組織策略進行仿真.通過決策樹預測事故影響時間為29 min.

4.3 仿真結(jié)果分析

首先在不同交通量的情況下，仿真車輛的平均延誤，以確定不同的交通量對交通組織的影響，然后以相同的交通量進行仿真，確定各種交通措施下交通組織的效果，見圖4～5.

圖4 不同交通量的車輛平均延誤

由圖4可知，事故發(fā)生后，在車流量1 000 veh/h的情況下基本上對交通流影響非常小，車輛能夠順利通過，當車流量達到2 000 veh/h時，車輛延誤隨著時間持續(xù)增加，在事故處理結(jié)束時達到峰值，事故處理完畢后，由于交通流消散速度與集結(jié)相當，車輛延誤逐漸減?。划斳嚵髁窟_到3 000 veh/h時，超過了道路的通行能力，事故發(fā)生后車輛平均延誤快速上升，事故處理結(jié)束后，由于交通流消散速度小于集結(jié)速度，車輛延誤仍呈現(xiàn)上升趨勢，需要做分流處理.

圖5 不同交通組織方式下車輛平均延誤

由圖5可知，在交通量為2 000 veh/h限速可以減少8%的車輛平均延誤，匝道控制可以減少11%的車輛平均延誤，而實行限速+匝道控制的策略，可以減少31%的延誤.當車流量大于2 000 veh/h后，需要采取分流策略，借助周邊路網(wǎng)進行分流，可有效減少交通擁堵.

5 結(jié) 束 語

交通安全問題一直是交通行業(yè)的重點研究目標，本文通過對寒地高速公路事故應(yīng)急交通組織方法進行的研究，證明了雙重熵改進的決策樹模型可應(yīng)用于高速公路交通事故持續(xù)事假的預測，用vissim仿真對現(xiàn)實案例進行仿真的結(jié)果也表明，通過合理的交通組織，能夠有效的減少高速公路交通事故對高速公路運行造成的影響.