日本高速公路路段類別事故率特征比較研究

李蕊, 吳勇

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院， 重慶市 401331； 2.重慶安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司)

高速公路是日本各個大中城市間主要的交通聯(lián)系通道，并可根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)特征劃分成不同路段類別。受交通行為影響，各路段類別交通流特征存在差異。即使在相同路段，交通行為也將受斷面構(gòu)造如車道數(shù)的影響。由于幾何結(jié)構(gòu)和交通行為的差異，高速公路各路段類別間事故特征存在區(qū)別?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)事故率特征與交通流狀態(tài)密切相關(guān)，然而這些研究要么針對單一路段，要么基于整條路線而沒劃分路段類別。有文獻(xiàn)對城市快速路不同路段的事故率特征差異進(jìn)行了分析，但對高速公路上事故率特征在不同路段的差異仍然不清楚。交通事故的發(fā)生與人、車、路和環(huán)境等因素息息相關(guān)。通過對交通事故特征及其影響因素的研究，尤其是研究道路結(jié)構(gòu)和交通流狀態(tài)對事故的影響機(jī)理，將促進(jìn)道路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法和交通流的安全管理水平不斷完善。因此，該文基于道路幾何結(jié)構(gòu)特征和交通行為的差異，對高速公路劃分不同的路段類別，通過事故率與交通流參數(shù)的統(tǒng)計分析，比較不同路段間事故特征的差異。對基本段進(jìn)行分析時，考慮了車道數(shù)不同引起的斷面構(gòu)造差異。

1 研究對象

1.1 研究路段與數(shù)據(jù)

選取日本東名-名神高速公路(八日市至三之日互通段)為研究對象。該段高速公路設(shè)計速度為80～120 km/h，沿主線基本采用同向兩車道斷面構(gòu)造，但在交通量較大，重車較多的路段，增設(shè)了附加車道。研究選取路段總里程為183.6 km，主線間距每2 km左右雙向分別設(shè)置了近180個感應(yīng)線圈，可檢測通過該點(diǎn)的車流量和車速等指標(biāo)。

研究使用4種數(shù)據(jù)：事故記錄、檢測器數(shù)據(jù)、幾何構(gòu)造參數(shù)和交通管制信息等。事故記錄包含了事故發(fā)生時間和地點(diǎn)等信息。檢測器數(shù)據(jù)可獲得各檢測點(diǎn)每5 min的交通量、平均速度和平均占有率等數(shù)據(jù)。幾何構(gòu)造參數(shù)可查閱該路段的平面和縱斷面設(shè)計參數(shù)。交通管制信息提供了管制路段/車道的時間和地點(diǎn)信息。

1.2 路段類別劃分

受事故樣本和路段長度限制，研究選取基本段、合流段和分流段進(jìn)行比較(圖1)。根據(jù)車道數(shù)量，基本段進(jìn)一步劃分為同向兩/三車道段。表1對各路段幾何特征進(jìn)行了統(tǒng)計。

研究中有一種特殊的幾何構(gòu)造，即服務(wù)區(qū)。服務(wù)區(qū)存在人-車沖突，其進(jìn)出口通道也短于一般加減速車道。因此，將服務(wù)區(qū)劃分成一種獨(dú)立的路段類別，統(tǒng)一命名為服務(wù)區(qū)影響段?？紤]到服務(wù)區(qū)交通指示牌通常位于其上游1 km處，其進(jìn)出口通道長達(dá)數(shù)百米，與主線銜接處也存在分合流交通。因此，將服務(wù)區(qū)進(jìn)出口通道上下游1 km區(qū)域定義為服務(wù)區(qū)影響段。

圖1 路段類別劃分(單位：km)

表1 各路段類別幾何特征統(tǒng)計

2 數(shù)據(jù)采集和處理

2.1 檢測器數(shù)據(jù)

每個基本段至少有2個感應(yīng)線圈分布，其他路段基本上分布有1個感應(yīng)線圈。因此，將基本路段相鄰的2個線圈的中點(diǎn)作為分界點(diǎn)來劃分對應(yīng)的線圈檢測區(qū)。由于事故記錄時間多是事故后的推測時間，為減少誤差，選用事故記錄時間之前最少5 min間隔的檢測數(shù)據(jù)來表征事故前的交通流狀態(tài)。選用之前，無效的檢測器數(shù)據(jù)和處于通行管制時段和路段的數(shù)據(jù)需要事先排除。

選取路段內(nèi)檢測器分車道設(shè)置，但事故數(shù)據(jù)僅記錄里程而沒區(qū)分車道。因此，通過以下公式將檢測器數(shù)據(jù)換算為基于整個斷面的數(shù)據(jù)。

qs=∑qi

(1)

(2)

(3)

式中:qi為各車道在i個5 min的交通流[veh/(5 min)]；vi為各車道此時對應(yīng)的平均速度(km/h)；qs、vs和ks分別為整個斷面5 min交通流[veh/(5 min)]、平均速度(km/h)和平均交通密度(veh/km)。

2.2 交通流狀態(tài)

飽和流作為一種典型的非穩(wěn)定狀態(tài),具有與非飽和流不同的交通特性，因此有必要對兩種交通流狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。圖2為一個典型交通瓶頸點(diǎn)處的速度-流量關(guān)系圖。參照文獻(xiàn)[1]、[3]，交通瓶頸點(diǎn)處最大交通流對應(yīng)的速度值可作為劃分飽和流與非飽和流的臨界指標(biāo)。由圖2可知：70 km/h可作為該點(diǎn)的臨界速度。

圖2 瓶頸點(diǎn)處交通流量-速度關(guān)系圖

在非飽和流條件下，同一交通量對應(yīng)的速度差異比較明顯。同時占有率并非經(jīng)常使用的參數(shù)。采用式(3)所得交通密度為指標(biāo)劃分交通流狀態(tài)?？紤]兩種交通流條件下事故樣本數(shù)量，采用10、30 veh/km為步長，對非飽和流與飽和流劃分交通流狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)匹配

各事故記錄對應(yīng)的路段類別和交通流參數(shù)可進(jìn)行匹配，如表2所示。匹配前對事故數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，排除了處于通行管制路段和時段的事故數(shù)據(jù)和異常檢測器數(shù)據(jù)對應(yīng)的事故數(shù)據(jù)，3年內(nèi)(2007—2009年)得到3 716個有效事故數(shù)據(jù)。

2.4 事故率統(tǒng)計

交通流狀態(tài)j對應(yīng)的事故率(簡稱為CRj)可按照下式進(jìn)行計算:

(4)

式中：j和k分別為交通流狀態(tài)和線圈檢測區(qū)對應(yīng)的編號；NOCj為交通流狀態(tài)j所對應(yīng)的事故數(shù)；QjkLk則為檢測區(qū)k內(nèi)交通流狀態(tài)j所對應(yīng)的車公里值(vehicle-km of traveled，簡稱VKMT)。

表2 各個事故相關(guān)數(shù)據(jù)匹配范例

3 各路段類別事故率特征比較

3.1 非飽和流條件

圖3為4種路段類別事故率CR隨交通密度ks的變化趨勢，4種路段橫斷面都為同向兩車道。總體上，隨著交通密度的增加，各路段事故率呈現(xiàn)先減小后增大的U形曲線變化，其回歸函數(shù)如表3所示。在較低交通密度條件(ks<25 veh/km)，服務(wù)區(qū)事故率明顯高于其他路段類別。當(dāng)密度較高時，分流段事故率增大趨勢相對緩慢。對各路段事故率的T檢驗(表4)也能說明這種事故率特征差異。

圖3 各路段類別事故率隨密度變化趨勢(非飽和流)

表3 事故率回歸模型(非飽和流)

表4 各路段事故率T檢驗(非飽和流)

上述事故率特征與各路段間交通流特性差異有關(guān)。服務(wù)區(qū)進(jìn)出口通道一般較短，不能為進(jìn)出服務(wù)區(qū)的車輛提供足夠的速度變化空間。同時進(jìn)出口間隔過小，進(jìn)出車輛會在較短時間內(nèi)對主線交通造成兩次干擾。此外，服務(wù)區(qū)存在人-車沖突，進(jìn)出車輛的速度變化如不充足，這種沖突將被加劇。隨著主線交通密度的增大，合流區(qū)間主線交通的避讓行為和合流交通的匯入行為將越來越困難；此時服務(wù)區(qū)進(jìn)出車輛對主線交通干擾也變得更加強(qiáng)烈。相對而言，分流段的分流行為將增大主線車輛間距；同時，一旦駕駛員感知分流換道的困難，他們往往會提前換道，以便駛?cè)肟拷鼫p速車道的主線車道。如此分流段匝道和主線車輛的沖突也就小于服務(wù)區(qū)和合流段。

3.2 飽和流條件

隨著交通密度的進(jìn)一步增加，飽和流隨之產(chǎn)生，其典型交通特性就是波動交通。圖4為飽和流條件下4種路段(橫斷面為單向兩車道)事故率隨交通密度的分布趨勢。

由圖4可知：4種路段類別事故率隨交通密度的增加而增大。受事故樣本限制，研究沒有對以上變化趨勢進(jìn)行曲線擬合。各路段類別之間，分流段具有較高的事故率，對應(yīng)T檢驗(表5)也反映了這種相對大小關(guān)系。

圖4 各路段類別事故率隨密度變化趨勢(飽和流)

表5 各路段類別事故率T檢驗(飽和流)

在分流段，飽和流條件時提前分流換道較為困難，大多數(shù)分流交通將不得不穿過主線車道而駛?cè)霚p速車道，對主線交通產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。在合流段，除靠近加速車道的主線交通，其他車道交通受合流行為干擾嚴(yán)重性小于分流段。隨著主線交通密度進(jìn)一步增加，將有越來越多的合流交通無法及時匯入主線車流。這種合流壓力逐漸累積，對主線交通的干擾勢必擴(kuò)大，乃至整個主線將受到嚴(yán)重干擾。在服務(wù)區(qū)，一旦進(jìn)出服務(wù)區(qū)域困難，一些駕駛員將放棄進(jìn)入而繼續(xù)隨主線交通行駛，或者推遲駛出而繼續(xù)留在服務(wù)區(qū)。

4 同向兩/三車道基本段事故率特征比較

4.1 非飽和流條件

圖5為同向兩/三車道基本段事故率CR隨交通密度ks的變化趨勢。

由圖5可知：與上述同向兩車道基本段類似，三車道段事故率也呈現(xiàn)U形曲線變化趨勢，且其事故率值大于兩車道段事故率值，而且這種趨勢隨交通密度增大更為明顯。表6為兩種差異的T檢驗結(jié)果。

圖5 同向兩/三車道段事故率變化趨勢(非飽和流)

表6 同向兩/三車道基本段事故率值T檢驗

該路段上同向三車道通常是在兩車道外側(cè)增設(shè)一條附加車道，便于重車或超車行駛。以超車行駛為例，一旦有超車需求，快車將駛離原有車道而進(jìn)入附加車道。超車行為完成，這些車輛又匯入原有車道。這種超車行為將對下游車輛產(chǎn)生干擾。隨著交通密度逐漸增加，快車被迫駛?cè)敫郊榆嚨佬枨笤黾?，這種行為和強(qiáng)制換道行駛相似，此時換道車輛和主線車輛沖突會增強(qiáng)。因此，同向三車道段事故率增大的趨勢隨著交通密度增加而更為明顯。

在交通需求不大時，由于其不合理的換道行為，較多車道斷面設(shè)計反而對交通安全產(chǎn)生不利影響，因而有必要對這些換道行為產(chǎn)生的誘因進(jìn)行控制。如Duret等建議采用可變速度限制(簡稱VSLs)能有效地控制各車道間速度差異，重車限制手段(簡稱DBTs)能協(xié)調(diào)各車道行車速度，減少車輛換道的交通需求。

4.2 飽和流條件

圖6為兩種斷面類別事故率CR在飽和流條件下與交通密度ks的關(guān)系。

由圖6可知：與兩車道相似，同向三車道段事故率隨交通密度快速增大，但此時同向三車道段事故率明顯小于兩車道段，相應(yīng)T檢驗(表6)也反映出這種事故率差異。

在飽和流條件下，各車道間速度差異性逐漸降低，車輛換道行駛將受到限制。此時事故率特征就與同車道交通行為相關(guān)。如果交通需求相同，同向三車道段行車條件，如車輛間隙和駕駛自由度會優(yōu)于兩車道段。

圖6 同向兩/三車道基本段事故率變化趨勢(飽和流)

例如將附加車道作為重車行駛專用道(簡稱HVL)，將有更多的重車聚集在這種車道，從而減小重車對其他車輛的影響。

在高峰期間充分利用現(xiàn)有道路斷面讓重車與其他車輛分道行駛，能有效提高交通安全。針對擁堵交通，德國在高速公路交通管理時臨時開放路肩作為車行道，能有效提高交通安全，降低擁堵水平。

5 結(jié)論與展望

通過對日本東名高速公路4種路段的事故率調(diào)查、分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 對非飽和流，4種路段事故率隨交通密度呈U形變化，服務(wù)區(qū)和合流段事故率明顯較高。對飽和流，事故率則隨交通密度增加而增加，此時合流段事故率隨交通密度變化敏感，其值從較低水平快速增加，在飽和流后期成為最大值。

(2) 對非飽和流，同向三車道基本段事故率亦隨交通密度呈現(xiàn)U形變化，其值顯著大于兩車道段。對飽和流，三車道段事故率也隨交通密度增加而增加，但事故率值明顯小于兩車道段。

以上結(jié)果表明：由幾何條件和交通流狀態(tài)變化引起的事故率特征差異分析對幾何設(shè)計和交通管理具有重要意義，如路段類別、斷面車道分布以及事故率隨交通密度變化趨勢等；另一方面，該文對事故特征差異的分析結(jié)果，還需要更多的幾何條件樣本和事故樣本驗證。同時，曲線和隧道等結(jié)構(gòu)對駕駛行為也有影響，為更好研究事故發(fā)生機(jī)理，研究還需要對各路段類別的相應(yīng)路段車輛行為和交通流狀態(tài)進(jìn)行分析。