霧霾對(duì)上海高速公路交通安全的影響分析

高廣闊，宋 皓，陳 康，吳光健，袁華隆，潘 韻，劉榮蔚

GAO Guangkuo， SONG Hao， CHEN Kang， WU Guangjian， YUAN Hualong， PAN Yun， LIU Rongwei

（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

(School of Management, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

0 引 言

2013 年以來，長三角地區(qū)霧霾已經(jīng)作為生產(chǎn)粗放型增長以及生活方式廢氣排放的伴隨問題困擾了社會(huì)各界多年。目前學(xué)術(shù)界已經(jīng)對(duì)霧霾的成因、防治，以及其對(duì)健康、生態(tài)、旅游等產(chǎn)生的影響進(jìn)行了較為全面的研究。宋曉鋒（2017） 指出，長三角地區(qū)的霧霾污染物質(zhì)排放源主要為燃煤源、機(jī)動(dòng)車源、道路塵、建筑施工塵和生物質(zhì)燃燒源等[1]。由于上海的人口密度以及車流量遠(yuǎn)高于周邊城市，且周邊工業(yè)企業(yè)較多，霧霾相對(duì)也比較嚴(yán)重，盛小星、葉春明（2017） 通過集對(duì)分析法對(duì)上海、南京、杭州、合肥四個(gè)城市的霧霾進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，得出上海市霧霾風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高于其他三個(gè)城市的結(jié)論[2]。在霧霾的影響方面，甄泉、方治國等（2019） 指出霧霾空氣中部分病原菌的相對(duì)豐度增加，致病力會(huì)顯著增強(qiáng)[3]。汪聰聰、王益澄等（2019） 研究得出長三角城市人口集聚、研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)煙粉塵排放及城市建設(shè)均對(duì)霧霾污染產(chǎn)生正向影響，對(duì)外開放、能源消耗以及降水等因素對(duì)霧霾污染產(chǎn)生負(fù)向影響[4]。含大量有害物質(zhì)的霾不僅對(duì)人類身心健康、生態(tài)環(huán)境造成巨大的危害，也對(duì)交通出行帶來安全隱患。龔?、張杰（2015） 運(yùn)用路網(wǎng)模型得出霧霾程度越嚴(yán)重、影響區(qū)域范圍越大，交通數(shù)據(jù)缺失率越高，越不利于交通安全，同時(shí)污染物排放越多的結(jié)論[5]。近年來，長三角地區(qū)的汽車保有量不斷上升，霧霾的存在給長三角城市的交通管理帶來了挑戰(zhàn)，因此探究長三角霧霾對(duì)交通道路安全的影響意義重大。本文將以上海繞城高速（G1503） 東南環(huán)的浦星東主線斷面流量為基礎(chǔ)，從交通擁擠度的角度探究霧霾對(duì)上海市交通道路安全的影響。

1 霧霾對(duì)交通道路安全的影響機(jī)理

霧霾主要從對(duì)交通環(huán)境和交通行為兩個(gè)方面會(huì)對(duì)道路交通安全產(chǎn)生影響。

1.1 對(duì)交通環(huán)境產(chǎn)生影響

當(dāng)出現(xiàn)霧霾天氣時(shí)，城市道路或高速公路的交通環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，從而增加了交通道路安全隱患。與普通大霧天氣相比，霧霾的主要污染物為停留在空氣中的顆粒物（PM2.5 和PM10），這些顆粒物主要是SO2等污染物在大氣中發(fā)生反應(yīng)形成。王勇、劉嚴(yán)萍（2015） 指出空氣濕度與大氣中的顆粒物是導(dǎo)致能見度下降的主要因素，并且大氣中的水汽變化與PM2.5 等顆粒物的變化有明顯的正相關(guān)性[6]。在空氣濕度較大時(shí)，空氣中的氣溶膠（PM2.5） 會(huì)很容易凝結(jié)大氣中的水蒸氣，從而出現(xiàn)能見度下降的現(xiàn)象，因此，濕霾相較于干霾天氣對(duì)能見度的影響要更大。霧霾中的氣溶膠分為6 類，包括“清潔海洋型（CM）”、“沙塵型（DU）”、“大陸污染型（PC)”、“大陸清潔型（CC）”、“污染沙塵型（PD）”和“煙塵型（SM）”等（馬驍駿等，2015）[7]。不同種類的氣溶膠擁有不同的光學(xué)厚度，因此其消光能力也不盡相同。孫冉、王鴻宇等（2017） 在觀察2013 年上海霧霾現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，PD 和SM 氣溶膠是導(dǎo)致大氣消光能力變化的主要因素，此類物質(zhì)增多時(shí)，大氣能見度會(huì)受到較大影響[8]。

能見度的下降會(huì)惡化交通環(huán)境，從而對(duì)司機(jī)形成一定的干擾，因此霧霾等惡劣天氣會(huì)極大增加交通安全風(fēng)險(xiǎn)。丁德平、尹志聰（2011） 在研究京津冀高速交通事故時(shí)發(fā)現(xiàn)，在月際尺度上，當(dāng)能見度較低時(shí)，傷亡人數(shù)會(huì)相應(yīng)增加[9]。當(dāng)在空氣濕度較大的時(shí)候出現(xiàn)霧霾天氣時(shí)，附上水汽的顆粒物會(huì)嚴(yán)重阻礙光線進(jìn)入司機(jī)的眼界，從而使得司機(jī)的視野受到限制，孫冉（2017）在觀察上海霧霾時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于干霾天氣時(shí)（相對(duì)濕度28%～79%），隨著霧霾程度不同，道路能見度主要在1.25km 至9.46km之間，當(dāng)處于濕霾天氣時(shí)（相對(duì)濕度85%～90%），道路能見度最低只有330m。當(dāng)能見度低于500m 時(shí)，司機(jī)無法準(zhǔn)確判斷路況以及與前車的距離，甚至無法判斷路牌標(biāo)志，從而帶來嚴(yán)重的交通隱患：如果車速過快，會(huì)很容易出現(xiàn)追尾、側(cè)翻，甚至是連環(huán)相撞等事件；如果周圍車流較為復(fù)雜，交通會(huì)很容易因?yàn)檐囁佥^慢而出現(xiàn)擁堵。因此，霧霾對(duì)交通環(huán)境造成的影響值得人們重視。

圖1 霧霾對(duì)交通安全影響機(jī)理

1.2 對(duì)交通行為產(chǎn)生影響

在影響交通環(huán)境的同時(shí)，霧霾還會(huì)從心理方面對(duì)司機(jī)的駕駛行為以及出行行為產(chǎn)生影響，從而增加交通安全隱患。李聰穎、黃一哲等（2015） 發(fā)現(xiàn)，在霧霾天氣中，出行者對(duì)待霧霾天氣的態(tài)度是影響其出行行為的主要因素。而心理狀態(tài)的解釋力大于生理狀態(tài)[10]，霧霾天氣會(huì)通過影響駕駛員心理來間接影響其駕駛行為，并增加了交通安全隱患。從駕駛員的駕駛行為角度來看，霧霾天氣能見度下降時(shí)，處于跟馳狀態(tài)中的司機(jī)對(duì)車速、車距的反應(yīng)敏感性會(huì)發(fā)生改變。高坤、涂輝招（2017） 研究得出，司機(jī)在霧霾天氣時(shí)會(huì)采取更加積極的加速反應(yīng)來緊隨前車，同時(shí)又更加謹(jǐn)慎地采取減速反應(yīng)避免碰撞[11]。但是處于高度緊張狀態(tài)中的司機(jī)在遇到突發(fā)情況時(shí)，反而可能會(huì)出現(xiàn)操作失誤，釀成事故。從私家車主出行方式的角度來看，考慮到霧霾會(huì)對(duì)人體健康造成極大的損害，霧霾天氣的出現(xiàn)會(huì)改變私家車主原先既定的出行方式。原先采用步行或非機(jī)動(dòng)車方式出行的出行者在霧霾天氣時(shí)會(huì)盡量采取駕駛私家車或公共交通工具的方式出行，以盡量減少與霧霾的直接接觸，也正因?yàn)槿绱?，機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增加會(huì)提高公路的交通復(fù)雜性，從而使道路擁堵更加容易發(fā)生，并且大大提高了發(fā)生交通事故的可能性。霧霾對(duì)交通安全影響機(jī)理如圖1 所示。

2 計(jì)算方法與基本假設(shè)

本文將以上海繞城高速（G1503） 東南環(huán)的浦星東主線斷面流量為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，道路服務(wù)水平為理論基礎(chǔ)，以探究霧霾與交通安全的關(guān)系。

2.1 道路服務(wù)水平

本文擬從交通擁堵的角度探究霧霾與交通道路安全的關(guān)系。為了衡量高速公路的擁擠程度，這里將根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，以道路服務(wù)水平（ V/C ）來表示。道路服務(wù)水平通過路面的實(shí)際交通量與實(shí)際通行能力之比來綜合反映，高速公路服務(wù)水平越高，則交通需求持續(xù)提高，行駛車輛受別的車輛的影響也更加嚴(yán)重，從而增加了堵塞的可能性，提高了安全事故的觸發(fā)率。道路服務(wù)水平用公式來表示為：

2.2 基本通行能力（CB ）計(jì)算

基本通行能力是指在道路在理想的交通環(huán)境下，連續(xù)在道路某一條車道或某個(gè)斷面上能夠通過的最多車輛數(shù)。根據(jù)徐吉謙（1989） 的《交通工程總論》，道路基本通行能力的計(jì)算公式為[12]：

CB為基本通行能力（pcu/h）；t0為車頭最小安全時(shí)距（s）；l0為車頭最小間隔（m）；v 為行車速度（km/h）。

t 為司機(jī)反應(yīng)時(shí)間（s）；l反為司機(jī)在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車輛行駛的距離（m）；l制為車輛的制動(dòng)距離（m）；l安為車輛間的安全距離（m）；l車為車輛平均長度 （m）。

高速公路的基本通行能力與設(shè)計(jì)速度的關(guān)系可參照表1。

表1 高速公路基本通行能力與設(shè)計(jì)通行能力 單位：pcu/h/ln

2.3 實(shí)際通行能力（C） 計(jì)算

實(shí)際通行能力是指道路在實(shí)際的交通環(huán)境下，連續(xù)在道路某一條車道或某個(gè)斷面上可能出現(xiàn)的最大交通量。其計(jì)算方式為[13]：

式中：C 為實(shí)際通行能力（pcu/h）；CB為基本通行能力（pcu/h/ln）；fw為寬度修正系數(shù)，此處假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)路寬，fw=1；fp為側(cè)面凈空修正系數(shù)，此處假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)側(cè)面凈空，fp=1；fHV為重車修正系數(shù)。

其中：

2.4 實(shí)際交通流量（SF ）計(jì)算

實(shí)際交通流量是指在現(xiàn)實(shí)中，道路的某一點(diǎn)或某一斷面在單位時(shí)間里通過的最大交通流量。其計(jì)算方式為：

式中：SF 為實(shí)際交通流量（puc/h）；DDHV 為小時(shí)交通流量（puc/h）；AADT 為日交通流量（puc/day）；K 為小時(shí)交通量系數(shù)；D 為方向系數(shù)；PHF為高峰小時(shí)系數(shù)。

2.5 基本假設(shè)

（1） 假設(shè)上海繞城高速設(shè)計(jì)速度為100km/h，其基本通行能力為2 100pcu/h/ln。（2） 假設(shè)上海繞城高速為標(biāo)準(zhǔn)寬度及側(cè)面凈空，寬度修正系數(shù)fw取1.0，側(cè)面凈空修正系數(shù)fp取1.0。（3） 根據(jù)蔡氧（2016） 研究，假設(shè)通過上海繞城高速東南段的小型車、中型車、大型車、拖掛車占比分別為34.2%、7.9%、5.2%、52.7%[13]，根據(jù)式（4），重車修正系數(shù)fHV為0.466。（4）假設(shè)小時(shí)交通量系數(shù)K 取0.12，方向系數(shù)D 取0.6，高峰小時(shí)系數(shù)PHF取0.96。

根據(jù)以上假設(shè)，上海繞城高速東南路段的道路服務(wù)水平計(jì)算公式為：

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 模型構(gòu)建

為了驗(yàn)證霧霾天氣的出現(xiàn)會(huì)對(duì)高速公路道路安全隱患產(chǎn)生影響，本文假設(shè)霧霾指數(shù)與道路服務(wù)水平存在線性關(guān)系，并建立模型：

其中：Y 表示高速公路道路服務(wù)水平，X 表示霧霾指數(shù)，μ 表示擾動(dòng)項(xiàng)。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本次研究以真氣網(wǎng)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)公布的2018 年上海霧霾指數(shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，按照空氣質(zhì)量指數(shù)將數(shù)據(jù)分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染五類，并從五類數(shù)據(jù)中各隨機(jī)抽選三組數(shù)據(jù)。以上海繞城高速（G1503） 東南環(huán)浦星東主線的斷面流量為基礎(chǔ)，依據(jù)式（6），將原數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得了15 組道路服務(wù)水平數(shù)據(jù)。這里將對(duì)該路段的左上行道路服務(wù)水平分別進(jìn)行線性擬合，并采用最小二乘回歸法分析霧霾與道路服務(wù)水平的關(guān)系。

上海繞城高速東南環(huán)浦星東主線的下行方向道路服務(wù)水平經(jīng)一元線性回歸后所得結(jié)果如圖2 所示。二者關(guān)系為：Y=0.68562+0.00064X，決定系數(shù)R2為0.107，由于本組數(shù)據(jù)分布較散，模型擬合效果不佳，經(jīng)過F 檢驗(yàn)，P 值為0.24，說明兩個(gè)變量之間的線性關(guān)系并不顯著?？梢钥闯觯撀范蔚牡缆贩?wù)水平與霧霾指數(shù)呈明顯的正相關(guān)性，霧霾指數(shù)越高，該路段的道路服務(wù)水平數(shù)值越高，但是同樣可以發(fā)現(xiàn)該線性影響并非十分顯著。

上海繞城高速東南環(huán)浦星東主線的上行方向道路服務(wù)水平經(jīng)一元線性回歸后所得結(jié)果如圖3 所示。二者關(guān)系為：Y=0.78759+0.0060X，決定系數(shù)R2為0.146，模型擬合效果不佳，經(jīng)過F 檢驗(yàn)，p 值為0.159，兩個(gè)變量之間并不存在非常明顯的線性關(guān)系。與下行方向類似，該路段上行方向的道路服務(wù)水平與霧霾指數(shù)呈明顯的正向關(guān)系，但是二者并沒有非常顯著的線性影響。由于同一路段的上下行方向路況相似，因此該結(jié)果有一定的代表性。

3.3 結(jié)果分析

圖2 浦星東主線下行方向道路服務(wù)水平與霧霾的關(guān)系

圖3 浦星東主線下行方向道路服務(wù)水平與霧霾的關(guān)系

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，在霧霾天氣下，該路段的道路服務(wù)水平有明顯的提升。根據(jù)我國的高速公路服務(wù)水平分級(jí)（如表2），該路段下行方向在PM2.5 指數(shù)較低的情況下，服務(wù)水平處于二級(jí)至三級(jí)，可以正常通行不會(huì)產(chǎn)生擁堵，在霧霾指數(shù)較高的情況下，服務(wù)水平處于三級(jí)至四級(jí)，產(chǎn)生擁堵的可能性較大。因此得出結(jié)論，霧霾天氣的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致該路段道路服務(wù)水平提高，從而增加了交通擁堵的可能，并增加了交通道路安全隱患。

表2 高速公路服務(wù)水平分級(jí)

數(shù)據(jù)分析結(jié)果同時(shí)也表明，霧霾指數(shù)對(duì)交通道路安全的影響并不顯著，這個(gè)結(jié)論與Chao Wang（2009） 在研究英國M25 高速公路交通事故時(shí)得出的結(jié)論相似，霧霾指數(shù)會(huì)引起交通流量的變化，并進(jìn)一步影響交通擁堵以及交通安全，但是該影響并不明顯。然而，盡管該影響并不顯著，霧霾對(duì)高速公路交通安全依舊有很大威脅。首先，霧霾的形成會(huì)致使高速公路的道路服務(wù)水平降低，從而使得道路容易出現(xiàn)交通擁堵，并進(jìn)一步增大出現(xiàn)突發(fā)性交通事故的概率。其次，根據(jù)交通波理論，當(dāng)發(fā)生交通事故時(shí)，事故發(fā)生地將成為瓶頸路段并產(chǎn)生集結(jié)波，使得上游車輛密度逐漸增加。朱家明（2014） 在研究交通事故對(duì)道路通行能力影響時(shí)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)指出，事故發(fā)生地上游車輛車速會(huì)隨著事故發(fā)生時(shí)間的推移逐漸降低，相應(yīng)橫截面的通行能力也會(huì)逐漸下降[15]。余貴珍 （2012） 在研究兩車道事故交通影響模型時(shí)，得出事故的最長影響距離為Lmax= （tB- tA）×W32×W21/ （W32-W21），如圖4，其中Lmax指事故最長影響距離，tA指事故發(fā)生時(shí)間，tB指車道被清理時(shí)間，Wij指不同時(shí)段的交通波。當(dāng)處于霧霾天氣時(shí)，一方面，司機(jī)的謹(jǐn)慎駕駛心態(tài)會(huì)導(dǎo)致交通波提高；另一方面，霧霾天氣（尤其是重度霧霾天氣） 會(huì)影響事故在場人清理車道，導(dǎo)致清理時(shí)間增加，這兩種因素會(huì)導(dǎo)致交通事故的影響距離出現(xiàn)延伸。事故影響距離的增加會(huì)引起更大面積的交通擁堵，從而增加了該路段出現(xiàn)二次事故的可能性?？偠灾?，盡管霧霾對(duì)該路段的交通道路安全影響不顯著，但是其產(chǎn)生的蝴蝶效應(yīng)（如圖5） 所存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)依舊需要引起管理者的重視。

圖4 事故影響路段內(nèi)的排隊(duì)過程[16]

圖5 霧霾的蝴效應(yīng)

本文尚存在一些不足值得進(jìn)一步探究。由于交通擁堵情況的出現(xiàn)往往是多個(gè)條件共同作用的結(jié)果，Afaq Khattak（2019）提出了一種基于相位型分布的離散事件仿真（DES） 框架，不同設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置下的PHD-DES 框架性能評(píng)估結(jié)果表明，車輛到達(dá)率、到達(dá)區(qū)間的平方變異系數(shù)（SCV） 和車道數(shù)對(duì)多車道公路的視距有較大影響[17]。霧霾并不是影響道路的唯一因素。經(jīng)過分析總結(jié)，本次研究尚存在以下幾點(diǎn)不足：（1） PM2.5 濃度并不是降低大氣能見度的唯一因素，除PM2.5 外，空氣濕度對(duì)大氣能見度也有重大影響，而本次觀察并沒有考慮到空氣濕度的因素。（2） 車輛組成對(duì)道路服務(wù)水平也會(huì)產(chǎn)生影響，本次研究對(duì)該路段的車輛組成進(jìn)行了統(tǒng)一假設(shè)，但是事實(shí)上每天的車輛種類組成是會(huì)發(fā)生改變的。（3） 本次研究選取的霧霾數(shù)據(jù)來自于上海市的整體統(tǒng)計(jì)，但是不同方位的霧霾濃度肯定有所區(qū)別，比如沿海地區(qū)由于風(fēng)速較大，霧霾消散速度較快，但是市中心地區(qū)的霧霾消散較慢。（4） 近年來，由于政府的高度重視，上海市的污染企業(yè)迅速減少，霧霾情況已經(jīng)大為改善，2018 年全年出現(xiàn)重度污染的天數(shù)只有三天，而輕度及中度霧霾并不會(huì)對(duì)道路能見度產(chǎn)生太大影響，因此重度霧霾天氣數(shù)據(jù)的稀少也會(huì)導(dǎo)致擬合效果不佳。

4 結(jié) 論

本次研究從多個(gè)方面針對(duì)霧霾天氣對(duì)交通道路安全的影響機(jī)理進(jìn)行了較為全面的分析，并從道路服務(wù)水平的視角探究了霧霾天氣對(duì)高速公路交通安全的影響，通過總結(jié)分析，可以得出了以下結(jié)論：（1） 霧霾會(huì)通過降低空氣能見度影響駕駛環(huán)境，從而導(dǎo)致交通擁堵概率提高，增加交通安全隱患；同時(shí)，霧霾還會(huì)通過影響人們的出行行為對(duì)交通道路安全產(chǎn)生影響。（2）霧霾與高速公路道路服務(wù)水平有正向相關(guān)性，PM2.5 濃度越高，則道路服務(wù)水平越高，從而提高了道路負(fù)荷度，使得安全隱患增加。（3） 霧霾對(duì)交通道路安全的線性影響不明顯。交通道路安全受到多方面因素影響，探究交通道路安全應(yīng)對(duì)這些因素進(jìn)行全面的考量。（4） 盡管結(jié)果表明霧霾的線性影響并不顯著，但是霧霾對(duì)交通道路安全存在的潛在威脅依舊值得有關(guān)部門予以重視，管理者需要在霧霾期間加強(qiáng)高速公路的安全管理，減少交通事故的發(fā)生。