高速公路單向雙車道車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度量研究

容 穎，溫惠英，趙 勝

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路以其同向性、快捷性以及舒適性等優(yōu)勢(shì)，在我國的交通運(yùn)輸系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。然而，由于車輛高速運(yùn)行、駕駛員疲勞駕駛以及路況復(fù)雜等眾多因素，使得高速公路在給人們帶來快捷舒適的同時(shí)卻伴隨著交通事故頻發(fā)等問題威脅著人們及社會(huì)的安全。半個(gè)多世紀(jì)以來，許多學(xué)者及相關(guān)工作人員為我國高速公路車輛的行車安全問題一直努力著，其中包括以交通事故歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)分析方法[1,2]，以及近些年來不斷發(fā)展及受到重視的以原理分析、提前預(yù)防等為核心理論的事故替代分析方法[3-5]。在國內(nèi)外的研究中，J. C. HAYWARD[6]和C. YDéN[7]分別提出了碰撞時(shí)間函數(shù)TTC(time-to-collision)及后侵入時(shí)間PET(post encroachment time)的概念，為微觀模型計(jì)算交通沖突風(fēng)險(xiǎn)提供了新的思路；鄭來[8]引入“車組”的概念，在PET的基礎(chǔ)上結(jié)合極值理論，對(duì)交通沖突進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析研究；徐漢清[9]基于TTC模型利用仿真技術(shù)對(duì)高度公路安全特性進(jìn)行了研究；胡三根[10]從駕駛員個(gè)性差異出發(fā)，研究了車輛輔助駕駛的行車安全預(yù)警系統(tǒng)；溫惠英等[11]利用可變限速控制方法研究了高速公路雨天環(huán)境下的行車安全；在雙車道方面，游錦明等[12]利用單個(gè)檢測(cè)器的數(shù)據(jù)，對(duì)高速公路追尾實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)；馬兆有等[13]應(yīng)用關(guān)聯(lián)規(guī)則分析了雙車道高速公路事故特征的關(guān)聯(lián)性，給出了各影響因素之間的規(guī)律；楊瀾等[14]在車路協(xié)同環(huán)境下分析車輛發(fā)生碰撞的事故類型并給出了預(yù)警模型；楊柳等[15]從交通流的角度出發(fā)，利用元胞自動(dòng)機(jī)模型研究了不同換道規(guī)則對(duì)高速公路單向雙車道交通流的影響，從而分析其對(duì)減少交通沖突的作用。

筆者以高速公路單向雙車道基本路段為主要研究對(duì)象，從車輛群的角度出發(fā)，結(jié)合交通沖突技術(shù)探討高速公路單向雙車道車輛行駛的沖突風(fēng)險(xiǎn)。首先給出了車輛群范圍的確定方法，繼而分析車輛群內(nèi)可能出現(xiàn)的沖突類型及合理地選取各類型沖突的風(fēng)險(xiǎn)度量指標(biāo)，并根據(jù)所選取的指標(biāo)給出車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度量模型；最后運(yùn)用VISSIM仿真進(jìn)行案例分析對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。筆者研究提出的車輛群劃分方法及車輛群風(fēng)險(xiǎn)度量模型可以有效縮小道路上潛在危險(xiǎn)區(qū)域的排查范圍，提高高速公路行車風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別效率。

1 雙車道車輛群范圍確定

在時(shí)空演化過程中，由于不同區(qū)域、不同狀態(tài)下的條件以及表現(xiàn)形式不盡相同，因此，同一交通流系統(tǒng)中，不同區(qū)域的沖突特點(diǎn)也不同，使得各個(gè)地點(diǎn)、各個(gè)時(shí)刻形成的沖突風(fēng)險(xiǎn)并非全都是互相關(guān)聯(lián)的。為了方便合理地研究高速公路車輛行車過程中的沖突風(fēng)險(xiǎn)以及有效地防止交通事故的發(fā)生，筆者從車輛群的角度出發(fā)，首先定義車輛群為高速公路單向雙車道連續(xù)車輛流中由于行駛空間緊密而對(duì)行駛過程中隨機(jī)干擾因素具有明顯群體響應(yīng)現(xiàn)象的一組車輛。由于車輛群內(nèi)同車道車輛間的跟馳空間距離較小，使得不僅同車道車輛之間相互影響，而且群內(nèi)相鄰車道的車輛在采取換道行為時(shí)對(duì)群內(nèi)其他車輛也有明顯的影響，如圖1。

圖1 高速公路車輛群示意Fig. 1 Schematic diagram of highway vehicle group

1.1 單一車道l上車輛群的劃分

1.2 整個(gè)路段雙車道上車輛群的劃分

通過以上各車輛進(jìn)行循環(huán)篩選，可將雙車道車輛群劃分為Q={Q1,Q2,…,Qp}，p為雙車道車輛流進(jìn)行劃分后的車輛群個(gè)數(shù)。

此范圍確定方法保證了在同一個(gè)雙車道連續(xù)交通流系統(tǒng)中，不僅車輛群內(nèi)車輛與車輛之間的間隔明顯小于該車輛群的頭車或者尾車與不是該車輛群內(nèi)最鄰近車輛的間隔，并且步驟3保證了群內(nèi)車輛有著群體一致性的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。同時(shí)，在車輛群內(nèi)，當(dāng)相鄰車道上的車輛進(jìn)行換道時(shí)，步驟5～步驟7中設(shè)置的條件保證了換道車輛與群內(nèi)其他車輛具有相互影響關(guān)系。在確定了各個(gè)車輛群的范圍之后，將同一個(gè)車輛群內(nèi)各輛車的沖突風(fēng)險(xiǎn)視為互相影響及關(guān)聯(lián)的。

2 車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度量模型

2.1 車輛群內(nèi)交通沖突類型分析

道路上車輛的沖突類型隨著車輛行駛狀態(tài)的不同而有所不同。在對(duì)高速公路上的車輛進(jìn)行車輛群劃分之后，其內(nèi)部的車輛主要處于同車道跟馳狀態(tài)或者群體內(nèi)換道狀態(tài)，使得車輛群的沖突風(fēng)險(xiǎn)主要來源于群內(nèi)車輛的同車道跟馳行駛及車道變換的過程。跟馳行駛引起的沖突主要是指車輛處于跟馳行駛狀態(tài)下由于前后兩車的行駛間隔小于一定距離而引起的交通沖突，表現(xiàn)為同車道車輛的追尾沖突；而車道變換所引起的沖突是指車輛在進(jìn)行車道變換過程中所造成的交通沖突，其他車輛發(fā)生側(cè)向碰撞、側(cè)面刮擦、追尾碰撞等。

筆者主要研究車輛群的行車風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)道路上的車輛進(jìn)行車輛群的劃分后，沖突風(fēng)險(xiǎn)主要出現(xiàn)在車輛群的內(nèi)部。由于車輛群內(nèi)部的車輛空間間隔相對(duì)較小，因此，筆者主要考慮車輛群內(nèi)同車道的車輛追尾沖突以及由車輛進(jìn)行車道變換所引起的側(cè)向碰撞沖突、側(cè)向刮擦沖突和換道追尾沖突等4種沖突類型，如圖2。

圖2 高速公路車輛群沖突類型示意Fig. 2 Conflict types for highway vehicle group

1)同車道追尾碰撞即車輛在正常行駛過程中由于前后距離或者相對(duì)速度預(yù)估不足而造成的行駛車輛與前車發(fā)生正面追尾碰撞的事故，此時(shí)，碰撞點(diǎn)在行駛車輛的車頭與前車的車位接觸部位，如圖2(a)。

2)換道追尾碰撞即車輛在換道過程中由于駕駛員對(duì)換道縱向間距預(yù)估不足而造成的換道車輛與目標(biāo)車道上前車發(fā)生正面追尾碰撞的事故，此時(shí)，碰撞點(diǎn)在換道車輛的車頭與目標(biāo)車道上前車的車尾接觸部位，如圖2(b)。

3)側(cè)向刮擦即車輛在換道過程中由于駕駛員對(duì)換道縱向和橫向間距預(yù)估均不足而造成的換道車輛與目標(biāo)車道上前車發(fā)生側(cè)向刮擦的事故，此時(shí)，碰撞點(diǎn)在換道車輛的車頭側(cè)邊與目標(biāo)車道上前車的車尾側(cè)邊接觸部位，如圖2(c)。

4)側(cè)向碰撞即車輛在換道過程中由于駕駛員對(duì)換道縱向和橫向間距預(yù)估均嚴(yán)重不足而造成的換道車輛與目標(biāo)車道上前車發(fā)生側(cè)向碰撞的事故，此時(shí)，碰撞點(diǎn)在換道車輛的車頭側(cè)角與目標(biāo)車道上前車的車身中部側(cè)邊(或換道車輛的車身中部側(cè)邊與目標(biāo)車道上后車的車頭側(cè)角)接觸部位，如圖2(d)。

2.2 模型的建立

交通沖突度量指標(biāo)在交通沖突技術(shù)中有著關(guān)鍵的作用。隨著交通沖突技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，現(xiàn)階段較為廣泛應(yīng)用的2個(gè)指標(biāo)主要是距離碰撞時(shí)間TTC和后侵入時(shí)間PET。TTC的定義為從某時(shí)刻t開始，前后兩車不采取任何措施直至發(fā)生追尾碰撞所需要的時(shí)間為距離碰撞時(shí)間TTC[6]，它所涉及到的道路使用者具有相同的運(yùn)行軌跡；而PET則是指后車進(jìn)入潛在沖突區(qū)域的時(shí)刻與前車離開該區(qū)域的時(shí)刻之差，它在適用條件上與TTC不同，所涉及到的道路使用者具有相交的運(yùn)行軌跡，并且至少有一輛車為進(jìn)行車道變換的車輛。因此，結(jié)合對(duì)車輛群內(nèi)沖突類型的分析，最終選用TTC作為車輛群內(nèi)同車道追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)度量指標(biāo)，而選用PET作為車輛進(jìn)行車道變換所引起的其它三類沖突風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)度量指標(biāo)。

2.2.1 同車道追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)度量

根據(jù)TTC的定義，對(duì)于車道j(j=1, 2)上正常行駛車輛i及其前車i-1， TTC是指第i輛車從不斷靠近至碰撞前方第i-1輛車的過程中所經(jīng)歷的時(shí)間。對(duì)高速公路單向雙車道連續(xù)交通流進(jìn)行車輛群劃分之后，在確定的某一個(gè)車輛群Qn內(nèi)(其中，1≤n≤p，p為雙車道車輛流進(jìn)行劃分后的車輛群個(gè)數(shù))，車輛i(i∈Qn)都是處于不斷靠近或者維持較小距離進(jìn)行行駛的狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)后車車速微小于前車車速時(shí)，兩輛車在下一時(shí)刻依然會(huì)存在發(fā)生碰撞的可能。故文獻(xiàn)[6]中此種情況下的計(jì)算方法并不完全適用于本文車輛群內(nèi)車輛的情況，筆者對(duì)此種情形進(jìn)行了改進(jìn)。

假設(shè)兩輛車即將發(fā)生碰撞，那么后車在下一時(shí)刻的速度將大于前車的速度，同時(shí)在該時(shí)間段內(nèi)行駛的距離將包含t時(shí)刻兩輛車之間原有的間隔距離。因此，筆者提出車輛群內(nèi)同車道上各車輛的碰撞時(shí)間函數(shù)的計(jì)算公式：

(1)

2.2.2 車道變換沖突風(fēng)險(xiǎn)度量

對(duì)于車道l1(l1=1,2對(duì)應(yīng)l2=2,1)上即將進(jìn)行換道行為的車輛i及目標(biāo)車道上的前車i-1，根據(jù)PET的定義[7,8]，車輛進(jìn)行車道變換過程中的后侵入時(shí)間是指車輛i頭部到達(dá)侵入線的時(shí)刻與前車i-1的尾部離開侵入線的時(shí)刻之差值。侵入線是一條虛擬的直線，它是垂直于車道分界標(biāo)線并且經(jīng)過車道分界標(biāo)線與變道軌跡交點(diǎn)的直線。據(jù)此定義，設(shè)前車i-1尾部離開侵入線的時(shí)刻為t，可得t時(shí)刻變道車輛i的后侵入時(shí)間計(jì)算公式：

(2)

2.2.3 車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度量

(3)

式中：RQn為車輛群Qn行車沖突風(fēng)險(xiǎn)度；NQn為車輛群Qn內(nèi)總車輛數(shù)，輛。

由式(3)可知，RQn(t)∈[0,1]。當(dāng)RQn(t)=0時(shí)，可以認(rèn)為在t時(shí)刻車輛群Qn是處于相對(duì)安全狀態(tài)的，可以暫時(shí)將其忽略；而當(dāng)RQn(t)>0時(shí)，車輛群i是存在沖突風(fēng)險(xiǎn)的，并且RQn(t)的值越大越應(yīng)首先對(duì)該車輛群內(nèi)車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行排查、干預(yù)及控制以避免連環(huán)交通事故的發(fā)生。

3 仿真案例

3.1 行車風(fēng)險(xiǎn)分析

由于在1 808.0～1 811.6 s這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，仿真路段上的換道車輛數(shù)是整個(gè)仿真過程中路段上存在換道行為最多的(1 186～1 241s共56輛車；為敘述方便，該編號(hào)為按縱向位移對(duì)兩車道上的車輛進(jìn)行編取)，因此取該時(shí)間段內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行分析。

為了進(jìn)一步分析車輛群的變化，以1 s為分析時(shí)間步長，分別取1 808 s(設(shè)為計(jì)算的初始時(shí)刻t1)、1 809 s(設(shè)為時(shí)刻t2)、1 810 s(設(shè)為時(shí)刻t3)這3個(gè)時(shí)刻的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1、表2。為了解換道的影響，同時(shí)按式(3)的思想給出由換道引起的車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度。

由表1、表2可知：

表1 車輛群劃分結(jié)果Table 1 Classification results of vehicle group

注:*表示該車輛群內(nèi)所包含的車道1上的車輛數(shù)；**表示所包含的車道2上的車輛數(shù)。

表2 雙車道車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度Table 2 Driving conflict risk-degree of two-lane vehicle group

綜上，在t2時(shí)刻，該路段上前3個(gè)車輛群是處于相對(duì)安全狀態(tài)的，車輛群Q4出現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)警告；在t3時(shí)刻，該路段上前2個(gè)車輛群是處于相對(duì)安全狀態(tài)的，車輛群Q3和Q4出現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)警告。因此，為了道路通行安全，降低車輛事故的概率，有必要對(duì)Q3和Q4其進(jìn)行干預(yù)及控制以避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

3.2 車輛速度分析

車輛速度的計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可見，在t2及t3時(shí)刻，各車輛群內(nèi)車輛的速度期望相差不大，且均在100 km/h以上，但各車輛群內(nèi)車輛速度的偏差程度卻有著明顯的差別，其中t2時(shí)刻的車輛群Q4、t3時(shí)刻的車輛群Q3及Q4內(nèi)車輛速度分布的方差明顯大于其他車輛群，分別為40.301、27.840和67.745 km2/h2。

表3 各車輛群內(nèi)車輛速度的期望與方差Table 3 Expectation and variance of velocity in each vehicle group

案例分析表明，筆者所提出的高速公路車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度量方法能夠用于高速公路車輛運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并且通過對(duì)道路上的車輛流進(jìn)行車輛群的劃分后再評(píng)估車輛的行車風(fēng)險(xiǎn)，可以縮小道路上潛在危險(xiǎn)區(qū)域的排查范圍，提高高速公路行車風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別效率。

4 結(jié) 語

從我國高速公路車輛間交通事故頻發(fā)的實(shí)際情況出發(fā)，從“車輛群”的視角，對(duì)高速公路車輛群行車沖突風(fēng)險(xiǎn)度量進(jìn)行了研究。首先，給出了高速公路單向雙車道車輛群的定義以及其范圍的確定方法；然后，結(jié)合交通沖突技術(shù)提出了高速公路車輛群行車沖突風(fēng)險(xiǎn)度量模型，給出了車輛群行車風(fēng)險(xiǎn)度的計(jì)算方法；最后，基于VISSIM仿真進(jìn)行案例分析。仿真結(jié)果表明：由于車輛換道等影響，雙車道車輛群并不僅僅是兩個(gè)單車道相鄰車輛的對(duì)應(yīng)合并；對(duì)道路上的車輛流進(jìn)行車輛群的劃分后再評(píng)估車輛的行車風(fēng)險(xiǎn)，可以縮小道路上潛在危險(xiǎn)區(qū)域的排查范圍，提高高速公路行車風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別效率；根據(jù)對(duì)車輛速度的分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)沖突風(fēng)險(xiǎn)警告的車輛群內(nèi)車輛速度的偏差程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的車輛群，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出方法的可行性。

研究豐富了交通安全分析理論，為道路交通安全分析與評(píng)價(jià)研究提供了一個(gè)新的思路與方法。