穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾關(guān)鍵因素識別*

趙 磊 張志清 劉 豪 賀成林

(北京工業(yè)大學(xué)交通工程重點實驗室 北京 100124)

0 引 言

在我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的背景下，穿村鎮(zhèn)公路里程數(shù)有了明顯的增長，但同時穿村鎮(zhèn)路上交通事故率也在顯著提高[1]，其中影響穿村鎮(zhèn)公路安全的最關(guān)鍵因素為橫向干擾[2].

目前，已有學(xué)者對橫向干擾進(jìn)行了相關(guān)的研究.Pan等[3]研究了非機(jī)動車對機(jī)動車速度的影響，并建立了速度預(yù)測模型.Hossai等[4]研究了自行車在混合交通流中所占比例與機(jī)動車速度之間的關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn)，自行車比例越高，對機(jī)動車速度影響越大.任剛等[5]以單幅路為研究對象，在大量實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用多因素方差法檢驗路內(nèi)干擾對車速產(chǎn)生的影響，建立了綜合機(jī)非干擾、對向干擾和橫向干擾的實用路阻函數(shù)模型.祝站東[6]通過對不同的路側(cè)干擾因素進(jìn)行調(diào)查，利用理論分析與統(tǒng)計回歸的方法建立了路側(cè)干擾對運行速度的影響模型.

這些研究大多是針對橫向干擾作用下的車速變化展開研究，并沒有找出穿村鎮(zhèn)公路產(chǎn)生橫向干擾的關(guān)鍵的因素，以便從根本上消除或減弱橫向干擾，保證穿村鎮(zhèn)公路的交通安全.為此，本文以北京琉辛路和寧波長樂路為例，通過對沿線村鎮(zhèn)交通特征的調(diào)查，找出穿村鎮(zhèn)公路產(chǎn)生橫向干擾的關(guān)鍵因素，并將其量化表達(dá).

1 橫向干擾定義

穿村鎮(zhèn)公路不同于一般普通公路，除了滿足正常的過境車輛行駛之外，還要為當(dāng)?shù)鼐用竦纳?、商業(yè)，以及交通活動服務(wù)，因此，為提出橫向干擾的定義，將穿村鎮(zhèn)公路與高速公路和城市道路進(jìn)行比較，見表1.

表1 穿村鎮(zhèn)公路與高速公路和城市道路比較

由表1可知，穿村鎮(zhèn)公路與城市道路和高速公路的主要差異是，支路出口，復(fù)雜的交通組成以及雜亂路側(cè)環(huán)境對行車的影響.

因此，綜合考慮這三種影響因素提出穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾的定義：行車道與路側(cè)無物理分隔以及交叉口無控制的條件下，行人、非機(jī)動車、路側(cè)停車和堆積雜物,以及支路出車對穿村鎮(zhèn)公路外側(cè)車道上機(jī)動車行駛過程中所造成的影響，稱為橫向干擾.

2 穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾影響因素調(diào)查

2.1 交叉支路頻密

選取北京市琉辛路和寧波長樂路兩條典型的穿村鎮(zhèn)公路進(jìn)行分析.琉辛路不老屯鎮(zhèn)路段起點在不老屯黃土坎村，途經(jīng)燕落村，終點在不老屯鎮(zhèn)，全長6.2 km.此路段處于村鎮(zhèn)內(nèi)部的路段占全長近50%，是典型的過境道路路段.穿村鎮(zhèn)公路的村鎮(zhèn)內(nèi)部路段接入口頻密，見燕落村路段示意圖1和燕落村路段平面交叉口調(diào)查表2.

圖1 燕落村路段平面交叉口示意圖

表2 燕落村路段平面交叉口調(diào)查表

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，琉辛路燕落村路段在不到860 m的路段上分布著26平面交叉口，平均不到33 m就有一個交叉口，穿村鎮(zhèn)公路的村鎮(zhèn)內(nèi)部路段頻密的交叉口增大了橫向干擾，嚴(yán)重影響到穿村鎮(zhèn)公路上的機(jī)動車行駛.

2.2 交通組成復(fù)雜

穿村鎮(zhèn)公路上的交通組成與一般公路的交通組成有很大的區(qū)別，路上行人、非機(jī)動車流量大、且占整個交通組成的比例高.

通過對密云縣北部五個典型由公路穿過的村鎮(zhèn)(不老屯鎮(zhèn)、石城鎮(zhèn)、太師屯鎮(zhèn)、馮家峪鎮(zhèn)、高嶺鎮(zhèn))進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘３鲂兄?，步行出行方式占比達(dá)35%～40%，自行車出行占比25%～30%，摩托車占比15～25%，公共交通在日常出行中占比較低，見表3.

表3 北京密云村民出行調(diào)查表

以上調(diào)查表明，居民日常活動出行方式，步行、自行車和摩托車所占比例較大(占到所有出行方式的90%左右).在過境路段上行人，自行車、摩托車以及各種車輛混行，不僅增加了橫向干擾，還危及到村民生命財產(chǎn)安全.

2.3 路側(cè)環(huán)境混亂

過境道路兩側(cè)通常是房屋建筑，橫斷面的寬度受到制約，房屋與道路之間的橫向空間不足，再加之村鎮(zhèn)內(nèi)交通管理力度不足，導(dǎo)致道路兩側(cè)居民對道路空間的侵占.集發(fā)路和長樂路是寧波市近郊區(qū)的過境道路，道路侵占程度嚴(yán)重，見圖2.

圖2 寧波市穿村鎮(zhèn)公路

通過對寧波市長樂路和集發(fā)路調(diào)查發(fā)現(xiàn)，公路兩側(cè)的村鎮(zhèn)城鎮(zhèn)化程度較高時，公路兩側(cè)居民對道路空間侵占更加嚴(yán)重.如路側(cè)的經(jīng)營性店面會侵占道路擺攤；居民將路肩當(dāng)做庭院使用；小汽車、自行車、摩托車的隨意停放；堆放建筑垃圾等，增加了道路的橫向干擾.

通過上述的調(diào)查，可將穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾分為靜態(tài)干擾和動態(tài)干擾兩大類，見表5.

表5 橫向干擾因素

3 橫向干擾的量化表達(dá)

3.1 橫向干擾變量定義

基于對穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾因素的調(diào)查，得到穿村鎮(zhèn)公路上影響車輛行駛的主要因素有：行人、自行車、摩托車、農(nóng)用車、路邊停車或堆放雜物、路側(cè)支路出車.同時引入橫向干擾變量H：表示公路上每分鐘每千米路段出現(xiàn)的橫向干擾頻數(shù).計算公式為

H=α1p+α2b+α3m+α4t+α5g+α6c

(1)

式中：p，b，m，t，g，c分別為行人、自行車、摩托車、路邊停車或路邊堆積物、農(nóng)用車、支路出車每分鐘在觀測路段出現(xiàn)的頻數(shù).α1，α2，α3，α4，α5，α6為各干擾因素的權(quán)重.

3.2 基于問卷調(diào)查的層次分析法主觀權(quán)重標(biāo)定

3.2.1層次分析法理論基礎(chǔ)

層次分析法[7-8]的步驟包括：

1) 考慮所要研究問題包含的主要因素，分析各因素之間隸屬、平行關(guān)系，建立有序的層次結(jié)構(gòu)模型.

2) 同一層次的各個因素進(jìn)行比較，當(dāng)同層次任意兩個因素進(jìn)行比較時，需要對它們之間的相對重要度進(jìn)行計算.

3) 計算各因素權(quán)重，對判斷矩陣A計算最大特征根λmax，得到特征向量W=(w1,w2,…,wn)，其中分量wi就是第i個因素的權(quán)重.采用和積法計算，將判斷矩陣A的每一列歸一化處理:

(2)

將歸一化后的矩陣按行相加:

(3)

(4)

4) 一致性檢驗，為了檢驗在因素比較時是否會存在自相矛盾的現(xiàn)象，需要對比較矩陣進(jìn)行一致性檢驗.一致性檢驗的指標(biāo)C.I.計算公式為

C.I.=(λmax-n)/(n-1)

(5)

查表確定平均一致性指標(biāo)R.I.,見表6.

計算平均一致性指標(biāo)C.R.：

C.R.=C.I./R.I.

(6)

一般認(rèn)為C.R.<0.1，就可以表示判斷矩陣具有較高的一致性.

3.2.2構(gòu)建橫向干擾評價層次結(jié)構(gòu)模型

基于穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾因素的調(diào)查成果，結(jié)合駕駛?cè)藢β穫?cè)干擾的主觀感知，建立了橫向干擾評價的層次結(jié)構(gòu)模型，見圖3.

圖3 橫向干擾評價層次結(jié)構(gòu)模型

3.2.3調(diào)查問卷及一致性檢驗

在北京市密云縣和山東省泗水縣進(jìn)行問卷調(diào)查，共發(fā)放紙質(zhì)問卷63份，回收問卷60份，問卷回收率95%.將問卷整理得到60個判斷矩陣，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗.以某一個調(diào)查對象的問卷得到的判斷矩陣為例.

由式(2)～(4)，采用積和法進(jìn)行計算，得到

W=[0.082 3 0.116 0.203 0.053 0.100 0.445]

由式(5)可得到

λmax=6.096C.I.=0.019

查表2，n=6，R.I.=1.24得

C.R.=C.I./R.I.=0.0153<0.1

因此，此矩陣的一致性通過檢驗.

3.2.4計算各因素權(quán)重

每個調(diào)查對象，本文認(rèn)為其權(quán)重都是一樣的，對60個判斷矩陣進(jìn)行加權(quán)幾何平均得到一個復(fù)合矩陣.

利用式(2)～(4)可得特征向量W：

W=[0.096 0.119 0.198 0.077 0.126 0.384]

得到橫向干擾變量各個因素權(quán)重，見表7.

表7 基于層次分析法的橫向干擾變量權(quán)重標(biāo)定

3.3 基于車輛橫向偏移的熵權(quán)法客觀權(quán)重標(biāo)定

3.3.1熵權(quán)法的理論基礎(chǔ)

熵權(quán)法是一種根據(jù)各項指標(biāo)觀測值提供的信息量來確定指標(biāo)權(quán)重的方法，若一個指標(biāo)的信息熵越小，表明該指標(biāo)提供的信息量越大，變異程度越大，在綜合評價中的作用越大，權(quán)重也就越大，多應(yīng)用在安全分析評價等方面[9].

熵權(quán)法計算權(quán)重的步驟為

1) 設(shè)有m項觀測值，n個評價指標(biāo)構(gòu)成的原始數(shù)據(jù)矩陣：

對原始矩陣X進(jìn)行處理，得到矩陣

P=(pij)m×n

式中：pij為第j個評價指標(biāo)在第i個觀測值的特征比重，計算公式為

(7)

2) 定義第j個指標(biāo)的熵值：

(8)

3) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，計算權(quán)重：

(9)

3.3.2車輛的橫向偏移

采用橫向偏移距離表示車輛橫向位置的改變，其物理模型公式為

(10)

基于此，利用車輛的橫向偏移距離作為觀測值，以行人、自行車、摩托車、路側(cè)停車或堆積物、農(nóng)用車、支路出車6種橫向干擾因素為橫向干擾變量評價指標(biāo)，計算橫向干擾變量中各個干擾因素的權(quán)重.

3.3.3車輛軌跡數(shù)據(jù)的采集

利用無人機(jī)在選定路段拍攝視頻.將視頻導(dǎo)入到SIMI Motion軟件，并對視頻坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，以0.04 s時間間隔對車輛位置進(jìn)行逐幀拾取，獲得車輛位置坐標(biāo)，軟件自動補(bǔ)充未拾取的軌跡點，形成車輛運動軌跡圖.

3.3.4計算各因素權(quán)重

分別得到行人、自行車等6種橫向干擾因素影響下各100條行車軌跡.利用式(9)計算得到每條行車軌跡的橫向偏移距離，并找出最大值作為橫向偏移距離觀測值.

選用車輛橫向偏移距離觀測值為分析資料，分別以6種橫向干擾因素為指標(biāo)即為n1，n2，n3，n4，n5，n6指標(biāo)，構(gòu)成數(shù)據(jù)矩陣，見表8.

表8 數(shù)據(jù)矩陣

根據(jù)式(6)～(8)計算橫向變量權(quán)重，見表9.

表9 干擾因素客觀權(quán)重表

3.4 權(quán)重融合

根據(jù)層次分析法、熵權(quán)法兩種不同的求權(quán)重分析方法對橫向干擾變量中的各橫向干擾因素權(quán)重進(jìn)行主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán).為使權(quán)重更符合實際[10-11].用式(11)將兩種方法求得結(jié)果進(jìn)行融合.

wj=α1wj′+α2wj″j=1,2,…,n

(11)

式中:wj為主客觀綜合賦權(quán)法得到的第j個指標(biāo)的權(quán)重；wj′，wj″分別是由主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法得到的確定的第j個指標(biāo)的權(quán)重；α1,α2分別為主客觀的權(quán)重，本文認(rèn)為主客觀權(quán)重要平等考慮，α1=α2=0.5.

因此，根據(jù)表3、表5及式(11)可得各干擾因素在橫向干擾變量中所占的主客觀綜合權(quán)重，其中支路出車權(quán)重最大，見表10.

表10 綜合權(quán)重表

4 結(jié) 論

1) 通過與城市道路和高速公路的對比，提出橫向干擾的定義.

2) 對北京琉辛路和寧波長樂路兩條典型穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾情況進(jìn)行實地調(diào)查，找出主要的干擾因素，并將橫向干擾因素分為靜態(tài)和動態(tài)兩類.

3) 運用層次分析法及熵權(quán)法從主、客觀對橫向干擾影響因素的權(quán)重進(jìn)行標(biāo)定，并對權(quán)重融合，得出穿村鎮(zhèn)公路橫向干擾的關(guān)鍵因素為支路出車.