惡劣天氣對(duì)高原山區(qū)高速公路交通流特征的影響分析*

戢曉峰 張 琪 覃文文 楊文臣 胡澄宇

（1. 昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院 昆明650504；2. 云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 昆明650200）

0 引 言

惡劣天氣對(duì)高速公路的交通流正常運(yùn)行及行車安全帶來了極大影響。資料顯示，我國高速公路交通事故中有53%是在惡劣天氣環(huán)境下發(fā)生的，其中重特大交通事故占總數(shù)的76%，直接經(jīng)濟(jì)損失占總數(shù)的68%[1]。此外，有研究表明惡劣天氣對(duì)交通事故有顯著影響[2-4]。顯然，惡劣天氣對(duì)道路交通的正常運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的影響。因此，研究惡劣天氣影響下的高速公路交通流特性，可為高速公路交通安全管理提供參考。

國外學(xué)者對(duì)惡劣天氣影響下的交通流特性研究起步較早，如Datla 等[5]選取加拿大的高速公路為研究對(duì)象，對(duì)降雪條件下的交通流量進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同降雪量對(duì)交通流有不同的折減，最大折減可達(dá)到51%。Geistefeldt[6]選取惡劣天氣條件下德國高速路段的速度與流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)速度與流量的關(guān)系進(jìn)行了定量分析，并標(biāo)定了速度-流量關(guān)系模型。Akin等[7]通過分析雨、雪、霧等不同天氣、道路條件下土耳其高速公路交通流的變化趨勢(shì)，得到不同條件下宏觀交通流基本圖的變化特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)降雨時(shí)平均速度及交通流量均下降12%和7%。國內(nèi)學(xué)者Xu 等[8]分析了降雨條件下的城市道路交通流特性，得到降雨天氣下加權(quán)交通流下降3.8%～17%，加權(quán)速度下降4.4%～15.6%。Wang 等[9]觀測(cè)降雨天氣條件下的高速公路，發(fā)現(xiàn)自由流速度下降4.4%～10.6%，自由流下降15.7%～32.5%。Keay 等[10]對(duì)降雨天氣城市主干道進(jìn)行研究，分析得到交通流量最大減少3.4%。Billo等[11]以不同降雨量下的城市快速路交通流參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到降雨天氣下通行能力降低18.5%～21%，自由流速度降低8%～12.6%。Bie 等[12]考慮天氣影響因素對(duì)通行能力、自由流速度等參數(shù)進(jìn)行修正，構(gòu)建了在考慮天氣條件的交通流狀態(tài)預(yù)測(cè)模型。國內(nèi)由于相關(guān)檢測(cè)設(shè)備布設(shè)不完善，交通流數(shù)據(jù)相對(duì)稀缺，對(duì)惡劣天氣下的交通流特性研究較少，且研究對(duì)象集中于城市快速路。如張存保等[13]對(duì)武漢市高速公路正常天氣及降雨天氣下的交通流和速度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)降雨天氣條件下，速度下降了4%～17%，通行能力下降了10%～28%，并給出了雨天高速公路的流量-速度關(guān)系。李長(zhǎng)城等[14]以京港澳高速檢測(cè)器站點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析不同能見度對(duì)車輛速度的影響。羅京等[15]以海南省高速公路交通流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)雨天高速公路最大流下降15.7% ～32.5%，自由流車速下降4.4% ～10.6%。孫洪運(yùn)等[16]以上海市快速路交通流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)暴雨條件下速度下降了5.5%～6.7%，通行能力下降了10.8%～15.2%，并給出速度-密度之間的關(guān)系模型。楊文臣等[17]對(duì)通過分析惡劣天氣對(duì)交通流特性的影響，得到惡劣天氣會(huì)降低宏觀交通流的特征參數(shù)值。龔大鵬等[18]等對(duì)北京市降雨天氣下城市道路進(jìn)行研究，得到在降雨為中雨時(shí)，快速路、主干路、次支路的速度分別下降8.8%，4.8%，5.9%。

綜上所述，國內(nèi)外研究均驗(yàn)證了惡劣天氣對(duì)公路交通流特征有較大的影響，主要表現(xiàn)為對(duì)速度、流量及二者之間關(guān)系的影響。但受限于國內(nèi)外駕駛行為和駕駛環(huán)境差異較大，國外對(duì)惡劣天氣影響下交通流特性的研究結(jié)果在國內(nèi)并不適用。國內(nèi)相關(guān)研究大多集中于平原城市，對(duì)惡劣天氣影響下的高原山區(qū)公路交通流特征影響較為鮮見。與此同時(shí)，高原山區(qū)惡劣天氣的頻繁出現(xiàn)，對(duì)交通安全造成嚴(yán)重影響，急需開展系統(tǒng)研究以提供安全管理決策依據(jù)?；诖?，本文以云南省高原山區(qū)高速公路固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的交通流與天氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析雨、雪、霧等多種惡劣天氣對(duì)山區(qū)高速公路交通流特征的影響，以期為惡劣天氣下交通事故治理提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)高原山區(qū)高速公路惡劣天氣發(fā)生的歷史占比數(shù)據(jù)，本文主要研究雪天、雨天和霧天3 類惡劣天氣下高原山區(qū)公路的交通流特征。原始交通流數(shù)據(jù)來源于云南省公路交通流數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，其中，交通流監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置的選取，首先考慮彎道、線形、坡度、出入口等因素對(duì)交通流特性的影響，所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于平直的高速路段上；其次，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所處位置具有足夠的雨、雪、霧等惡劣天氣，進(jìn)而保證有充足的可用數(shù)據(jù)。在進(jìn)行大量調(diào)研和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，最終在云南省多個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)中選取昆明市小鋪—兔耳關(guān)高速公路監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該路段海拔2 000 m 左右，屬于典型的高原山區(qū)高速公路。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)可以實(shí)時(shí)獲取每5 min 的車速、交通量，以及車輛組成等信息，車輛組成包括小客車、大客車、小貨車、中型貨車、大型貨車、特大型貨車、拖掛貨車、集裝箱車等8 種車型。提取的交通流數(shù)據(jù)時(shí)限為:2017 年1 月—2018 年7 月，以保證選取時(shí)段內(nèi)有充足的惡劣天氣及交通流數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際天氣預(yù)報(bào)信息，共提取了包括正常天氣、小雪、中雪、小雨、中雨、大雨、小霧、中霧在內(nèi)的8種天氣條件下的原始雙向交通流數(shù)據(jù)，惡劣天氣的分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 惡劣天氣的分類Tab. 1 Classification of bad weather

為保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的合理性及可靠性，進(jìn)行了數(shù)據(jù)篩選和不合理數(shù)據(jù)的剔除。不合理數(shù)據(jù)主要包括流量為零、車速為零及在不同天氣條件下出現(xiàn)速度過高且流量過大的數(shù)據(jù)記錄，不合理數(shù)據(jù)占比為0.87%，剔除后采用最大期望法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)算；考慮到節(jié)假日對(duì)交通流特性有較大的影響，因此本研究在進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選時(shí)，均避開了法定節(jié)假日。為方便統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)處理過程中將其他類型車輛換算成標(biāo)準(zhǔn)小汽車，折算系數(shù)見表2。車速采用所有車流的平均速度。

表2 車型折算比例Tab. 2 Classification of bad weather

2 惡劣天氣影響下的車速特性分析

日間行車和夜間行車環(huán)境存在較大差異，為得到惡劣天氣在不同時(shí)段對(duì)高原山區(qū)高速公路的影響，將惡劣天氣條件下的白天和夜間車速同正常天氣作對(duì)比分析，其中，08:00—20:00 為白天，20:00—次日08:00 為夜間。結(jié)果見表3，可以發(fā)現(xiàn)，日間和夜間車速均有明顯的下降，但日間車速下降值均比夜間更大。正常天氣下日間車速駕駛員視線較為良好，行駛速度較快，當(dāng)雨、雪、霧等惡劣天氣出現(xiàn)時(shí)，駕駛員視線及路面條件受到不利影響，導(dǎo)致車輛行駛速度出現(xiàn)明顯下降。將惡劣天氣對(duì)高原山區(qū)高速公路和平原地區(qū)高速公路的車速影響進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)降雨天氣下高原山區(qū)高速公路速度減少略低于平原地區(qū)。在雪天和霧天環(huán)境下，高原山區(qū)高速公路車速與平原的地區(qū)速度折減值基本保持一致。在雨、雪、霧等不利天氣條件下，霧天由于視線受到的影響最為嚴(yán)重，導(dǎo)致車速的影響最為顯著。

表3 不同天氣下的分時(shí)車速Tab. 3 Speed of time division under different weather conditions km/h

為了進(jìn)一步分析惡劣天氣對(duì)車速的影響，將車速按照不同區(qū)間劃分得到車速頻率分布，見圖1。在正常天氣條件下，車速主要分布在90～100 km/h區(qū)間，占比為49%，在小雨、中雨條件下，車速主要分布在80～90 km/h 區(qū)間，占比分別為42% 和49%，在大雨條件下，車速主要分布在70～80 km/h區(qū)間，占比為32%；在小雪和中雪天氣條件下，車速主要分布在80～90 km/h 區(qū)間，占比均為42%；在小霧條件下，車速主要分布在80～90 km/h區(qū)間，占比為58%，在中霧天氣條件下，車速主要分布在70～80 km/h 區(qū)間，占比為37%。總體上，雨、雪、霧等惡劣天氣使得整體車速往相對(duì)低速區(qū)間移動(dòng)，且隨著天氣惡劣程度的增加，整體車速往相對(duì)低速區(qū)間移動(dòng)。車速在低于60 km/h 的區(qū)間只存在極少分布，說明惡劣天氣并未導(dǎo)致交通癱瘓狀況的出現(xiàn)。

3 惡劣天氣影響下的交通流特性分析

圖1 不同天氣下的車速分布Fig. 1 Speed distribution under different weather conditions

對(duì)比分析不同惡劣天氣條件下的夜間和日間交通流量數(shù)據(jù)，得到不同惡劣天氣下夜間和日間交通流量的變化規(guī)律，見表4?？梢园l(fā)現(xiàn):同正常天氣比較，惡劣天氣下日間和夜間的交通流量均有不同程度的下降，且夜間平均小時(shí)流量比日間下降比例更大。霧天條件下，日間交通流量下降比例未超過1%。在雨雪霧等惡劣天氣下，雪天對(duì)交通流的影響最為顯著，其次是雨天、霧天。小雪和中雪天氣交通流量折減比例分別為5.4%和22.0%。雨天交通流量折減比例為4.8%～16.7%。在霧天條件下，交通流量下降并不明顯，下降比例均未超過3%。

將惡劣天氣對(duì)高原山區(qū)高速公路和平原地區(qū)高速公路交通流的影響進(jìn)行對(duì)比，得到不同地區(qū)的流量折減比例差異。在小雨、大雨和小雪天氣下，高原山區(qū)高速公路交通流量下降比例遠(yuǎn)超過平原地區(qū)，在中雨和中雪天氣下，高原山區(qū)高速公路交通流量略超過平原地區(qū)。在降雨和降雪天氣條件下，高原山區(qū)高速公路交通流量折減比例均小于平原地區(qū)。

表4 不同天氣平均小時(shí)交通量Tab. 4 Average hourly traffic under different weather conditions%

4 惡劣天氣影響下的速度-流量關(guān)聯(lián)特性分析

在特定天氣和道路條件下，由交通量和速度共同反映交通流的運(yùn)行特征。本文選取正常天氣及惡劣天氣下每5 min的平均流量及對(duì)應(yīng)的車速為研究對(duì)象，建立車速與平均流量之間的函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系式見表5。用回歸分析對(duì)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，并對(duì)函數(shù)關(guān)系模型進(jìn)行F 方差檢驗(yàn)（置信區(qū)間95%），結(jié)果中所有對(duì)數(shù)曲線模型的顯著度均小于0.05，檢驗(yàn)結(jié)果見表6，證明所建立的對(duì)數(shù)模型有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，進(jìn)一步驗(yàn)證高原山區(qū)高速公路流量和車速之間的變化關(guān)系。

表5 不同天氣下速度-流量關(guān)系模型表達(dá)式Tab. 5 Expressions of speed-flow relation model in different weather conditions

圖2給出了不同天氣條件下流量與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn):①無論正常天氣還是惡劣天氣，高速公路均處于自由流狀態(tài)，故隨著流量的增加，速度在不斷增加，但趨勢(shì)漸緩；②不同天氣條件下的速度-流量關(guān)系均服從對(duì)數(shù)關(guān)系模型，但模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)存在差異；③正常天氣的散點(diǎn)分布曲線均處于惡劣天氣上方，速度-流量趨勢(shì)線之間的距離隨著天氣惡劣程度的增加而增大。

5 結(jié) 論

基于云南省高原山區(qū)高速公路交通流檢測(cè)站點(diǎn)長(zhǎng)期采集的交通流與天氣數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同惡劣天氣和正常天氣的交通流數(shù)據(jù)，獲取了惡劣天氣條件下的車速及交通流量折減參數(shù)、并分析得到高原山區(qū)高速公路不同天氣下的速度-流量關(guān)系曲線。結(jié)果如下。

表6 不同天氣下對(duì)數(shù)模型方差F 檢驗(yàn)表Tab. 6 Analysis on F-test of logarithmic model in different weather conditions

圖2 不同天氣條件下速度-流量關(guān)系Fig. 2 Traffic speed-flow relationship under different weather conditions

1） 行車環(huán)境為雪天時(shí)，小雪、中雪導(dǎo)致高原山區(qū)高速公路平均車速分別下降6 km/h和10 km/h，交通流量分別下降5.4%和22.0%。行車環(huán)境為雨天時(shí)，小雨、中雨和大雨導(dǎo)致平均車速分別下降3，5，12 km/h，交 通 流 量 分 別 下 降4.8% ，16.4% 和16.7%。行車環(huán)境為霧天時(shí)，小霧和中霧導(dǎo)致平均車速分別下降6 km/h和14 km/h，交通流量的下降都未超過3%。

2） 在雨、雪、霧等惡劣天氣條件下，高原山區(qū)高速公路夜間車速下降值均小于日間，夜間平均小時(shí)流量下降比例大于日間。

3） 通過回歸分析，標(biāo)定了不同天氣條件下的高原山區(qū)高速公路速度-流量關(guān)系模型，得到模型均服從對(duì)數(shù)函數(shù)分布。

4） 在雨天天氣條件下，高原山區(qū)高速公路車速和交通流量受到的影響均小于平原地區(qū)。雪天天氣條件下，車速的折減系數(shù)與平原地區(qū)一致，交通流量受到影響小于平原地區(qū)。霧天天氣條件下，車速的折減系數(shù)與平原地區(qū)一致。