基于交通沖突技術(shù)的車道縮減設(shè)計(jì)安全評(píng)估研究

翟偉 鄔嵐 楊晟

摘 要：為研究基于中央左轉(zhuǎn)車道縮減設(shè)計(jì)中交叉口的安全性，分析車道縮減后交叉口沖突特性，并建立沖突評(píng)價(jià)模型，基于車道縮減前后的仿真，通過(guò)沖突評(píng)價(jià)模型（Surrogate Safety Assessment Model，SSAM）分析沖突指標(biāo)，研究車道縮減前后沖突時(shí)間、相遇時(shí)間、初始減速度、最大速度和相對(duì)速度的變化情況。研究結(jié)果表明：對(duì)于無(wú)信號(hào)控制交叉口，車道縮減前后沖突點(diǎn)數(shù)目變化不大，沖突點(diǎn)的位置有改變，車輛運(yùn)行影響不明顯;對(duì)于信號(hào)控制交叉口，沖突點(diǎn)數(shù)目大幅下降，同時(shí)車輛運(yùn)行的最大速度提高了44.8%，相對(duì)速度提高了64.6%。在信號(hào)控制的交叉口采用窄馬路理念的車道縮減設(shè)計(jì)，可以有效提高信號(hào)交叉口的運(yùn)行效率，保證車輛通過(guò)信號(hào)交叉口的安全性。

關(guān)鍵詞：交通工程;車道縮減;交通仿真模擬;沖突評(píng)價(jià)模型;沖突評(píng)價(jià)指標(biāo);安全性

中圖分類號(hào)：U491.3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2021）03-0103-08

Abstract：In order to study the safety of the intersection after lane reduction based on the twowayleftturn lane， the conflict characteristics of the intersection after lane reduction were analyzed and the conflict evaluation model was established. Based on the simulation before and after lane reduction， the conflict indicators were analyzed by the conflict evaluation model （Surrogate Safety Assessment Model， SSAM）. Meanwhile the changes in conflict time， encounter time， initial deceleration， maximum speed and relative speed before and after lane reduction were studied. The research results showed that the number of conflict points at unsignalized intersections did not change much， only the location of the conflict points was changed， and the impact to the vehicle operation was not obvious. For the signalized intersection， the number of conflict points was decline significantly. Further more， the maximum speed of the vehicle operation increased by 44.8%， and the relative speed increased by 64.6%. The above results showed that the use of lane reduction design based on narrow road concept at signalized intersections can effectively improve the operating efficiency of signalized intersections and ensure the safety of vehicles passing through the intersections.

Keywords：Traffic engineering; lane reduction; traffic simulation; Surrogate Safety Assessment Model; conflict evaluation index; safety

0 引言

車道縮減是一種在道路紅線變窄、道路施工或發(fā)生重大交通事故的情況下，通過(guò)減少車道數(shù)，依舊能夠保持車輛正常行駛的道路橫斷面改造方案。該方案主要圍繞“完善道路功能、改善秩序、增加人本活動(dòng)空間、提升品質(zhì)”等設(shè)計(jì)目標(biāo)展開，通過(guò)增設(shè)中央左轉(zhuǎn)車道，實(shí)現(xiàn)道路縮減，合理設(shè)置自行車道及人行道、用綠化帶隔離不同類型的車道，以此來(lái)完善道路功能，建設(shè)一個(gè)安全、運(yùn)轉(zhuǎn)良好、有生活品質(zhì)的道路環(huán)境[1-4]。

國(guó)外對(duì)于車道縮減的研究大多集中在車道組織方案的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，Zhang等[5]利用最佳速度模型，對(duì)車道縮減瓶頸處的快速和慢速車輛進(jìn)行研究;Lu等[6]通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估車道縮減時(shí)交通事故率和安全性，得到事故次數(shù)與交通量、速度和通行密度等變量之間的負(fù)二項(xiàng)回歸模型;Davis[7]通過(guò)無(wú)線連接自適應(yīng)巡航控制車輛，在車道縮減的情況下改善交通流量;Kim等[8]通過(guò)估計(jì)不同碰撞類型的碰撞修正系數(shù)，在考慮包括道路特征在內(nèi)的各種因素的情況下，確定車道減少的有效性。

國(guó)內(nèi)對(duì)于車道縮減的研究大多來(lái)自國(guó)外研究的延續(xù)和拓展，劉金福等[9]提出在縮減后的車道上設(shè)置行人二次過(guò)街形式，建議在交叉口處進(jìn)行車道展寬;曹俊業(yè)等[10]利用交通量、不均衡轉(zhuǎn)向系數(shù)等指標(biāo)分析車道縮減的交通流特性，從而設(shè)置相位專屬變向車道模式;袁荷偉[11]對(duì)縮減后的車道進(jìn)行仿真，得出車道縮減針對(duì)不同的左轉(zhuǎn)車輛比例有利于降低事故率;丁柏群等[12]利用交通沖突技術(shù)界定城市交叉口風(fēng)險(xiǎn)因素耦合。

以上研究表明，車道縮減對(duì)于轉(zhuǎn)變城市發(fā)展方式具有一定的影響。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于車道縮減的研究主要集中在車道縮減區(qū)的通行效率上，針對(duì)縮減路段交通流進(jìn)行特性分析，從而得出路段通行能力、排隊(duì)長(zhǎng)度以及延誤等指標(biāo)的優(yōu)化前后對(duì)比圖。但在車道縮減的安全評(píng)估研究上需要進(jìn)一步完善。因此，本文主要利用仿真沖突評(píng)價(jià)模型（Surrogate Safety Assessment Model，SSAM）對(duì)車道縮減后的交叉口進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，從而驗(yàn)證車道縮減后的交叉口相比于普通交叉口，安全性得到提高。

1 車道縮減

1.1 車道縮減設(shè)計(jì)方案

基于交通沖突技術(shù)的車道縮減設(shè)計(jì)，在道路平面上，將原有的雙向四車道縮減為雙向三車道，在車道中間設(shè)置中央左轉(zhuǎn)車道，同時(shí)，道路中間設(shè)置過(guò)渡區(qū)段，便于行駛的車輛實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)或掉頭。道路兩端連接十字交叉口，拓寬人行道寬度并減少行人過(guò)街長(zhǎng)度，如圖1所示[13]。

（1）左轉(zhuǎn)車輛沖突特性

對(duì)于左轉(zhuǎn)車輛而言，在經(jīng)過(guò)交叉口轉(zhuǎn)彎時(shí)，必然會(huì)采取減速措施。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，左轉(zhuǎn)車輛大多數(shù)會(huì)采取讓行的措施，從而車輛加速度為負(fù)，相比于無(wú)干擾時(shí)的左轉(zhuǎn)車輛，其加速度負(fù)值要高。當(dāng)車輛通過(guò)沖突點(diǎn)時(shí)，車輛開始加速駛離沖突區(qū)域，加速度變?yōu)檎?。在左轉(zhuǎn)車輛駛進(jìn)和駛離沖突區(qū)域的過(guò)程中，左轉(zhuǎn)車輛必然經(jīng)過(guò)對(duì)向行駛車道，車道縮減相比于普通雙向四車道，在車道上進(jìn)行了縮減，因此左轉(zhuǎn)車輛在經(jīng)過(guò)對(duì)向車道時(shí)從原來(lái)的兩個(gè)車道變?yōu)榱艘粋€(gè)車道，從而減少了交叉口處沖突的發(fā)生數(shù)量，間接地減少了單位時(shí)間內(nèi)事故發(fā)生數(shù)量。

（2）變道車輛沖突特性

對(duì)于變道車輛而言，一般會(huì)選擇進(jìn)入交叉口前根據(jù)道路指示標(biāo)志選擇是否要進(jìn)行變道，導(dǎo)致沖突區(qū)域發(fā)生在交叉口處，增加了交叉口處沖突數(shù)量，從而增加事故發(fā)生率，造成交叉口擁堵。車道縮減采用了提前分道的方式，在進(jìn)入交叉口處提前進(jìn)行道路分向行駛，以至于變道車輛無(wú)須在進(jìn)入交叉口處實(shí)行變道，將沖突的位置后移，減少交叉口處沖突數(shù)量，也是間接減少了單位時(shí)間內(nèi)的事故發(fā)生數(shù)量。

1.3 車道縮減沖突評(píng)價(jià)模型（SSAM）

1.3.1 沖突指標(biāo)分析

SSAM主要采用的沖突分析指標(biāo)有：沖突時(shí)間（Time to Conflict，TTC）、遭遇時(shí)間（Position Encroachment Time，PET）、初始減速度（DR）、最大速度（MaxS）和相對(duì)速度（DeltaS）。其中TTC指距離沖突發(fā)生的時(shí)間，PET指沖突車輛位置的時(shí)間差，DR指沖突過(guò)程中后車采取避險(xiǎn)措施瞬間的減速度，MaxS指沖突過(guò)程中沖突車輛車速的最大值，DeltaS指沖突過(guò)程中沖突車輛間的最大相對(duì)速度。以交叉口左轉(zhuǎn)和直行的車輛沖突為例，計(jì)算以上沖突指標(biāo)并判別沖突的存在性。如圖2所示。T1表示直行與左轉(zhuǎn)的車輛相遇，T2表示相遇后直行與左轉(zhuǎn)的車輛開始減速，T3表示左轉(zhuǎn)的車輛到達(dá)了沖突點(diǎn)，T4表示直行的車輛在未減速的情況下到達(dá)沖突點(diǎn)，T5表示直行的車輛到達(dá)了沖突點(diǎn)[14-17]。

1.3.2 沖突評(píng)價(jià)過(guò)程

該模型在分析沖突指標(biāo)時(shí)，首先是建立覆蓋仿真范圍的網(wǎng)絡(luò)，將含有車輛速度的車輛仿真軌跡文件導(dǎo)入影射在網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)事先確定好的TTC閾值（TTC的閾值可以根據(jù)研究的實(shí)際需要進(jìn)行修改，通常設(shè)定TTC的默認(rèn)值為1.5 s，說(shuō)明當(dāng)兩車之間的TTC值小于1.5 s時(shí)，兩車之間發(fā)生了交通沖突），計(jì)算車輛保持減速前的車速可運(yùn)行的距離，在網(wǎng)絡(luò)上得出車輛實(shí)際運(yùn)行軌跡，并比較不同車輛的軌跡是否會(huì)產(chǎn)生交點(diǎn)，從而判斷是否會(huì)產(chǎn)生沖突。圖3是該模型沖突評(píng)價(jià)的整個(gè)過(guò)程。

1.3.3 沖突類型劃分

仿真沖突評(píng)價(jià)模型（SSAM）根據(jù)車輛發(fā)生沖突時(shí)的相對(duì)角度將沖突類型劃分為3類：交叉、追尾、變道。如圖4所示，一般沖突角度的變化范圍為0°～180°，其中沖突角度為：0°～30°屬于追尾沖突;30°～85°屬于變道沖突;85°～180°屬于交叉沖突。

2 車道縮減前后沖突點(diǎn)對(duì)比

縮減之前，東西向交叉口進(jìn)口道設(shè)置有左轉(zhuǎn)專用道和直行右轉(zhuǎn)合用車道;縮減之后，保持左轉(zhuǎn)專用道和直行右轉(zhuǎn)合用車道，減少了一條出口車道，如圖5所示。

2.1 無(wú)信號(hào)控制固定沖突點(diǎn)分布

無(wú)信號(hào)交叉口的沖突點(diǎn)數(shù)目是隨著相交道路的數(shù)量增加而增加的，在不計(jì)入行人和非機(jī)動(dòng)車的情況下，無(wú)信號(hào)交叉口的沖突點(diǎn)數(shù)目位置如圖6所示[18]。

根據(jù)相交道路條數(shù)，可以得出無(wú)信號(hào)控制條件下雙向四車道和雙向三車道交叉口的沖突點(diǎn)位置，由圖6可知，雙向三車道交叉口相比于普通雙向四車道交叉口，沖突點(diǎn)數(shù)目變化不大，其中交叉點(diǎn)數(shù)目減少了8個(gè)，合流點(diǎn)和分流點(diǎn)數(shù)目不變，但沖突點(diǎn)的位置發(fā)生了明顯的變化，比如東西向的分流點(diǎn)提前，不會(huì)全部集中在路口，這樣可能會(huì)減少交叉口事故發(fā)生率，但具體的沖突數(shù)目還需通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 信號(hào)燈控制空間沖突點(diǎn)分布

信號(hào)交叉口若采用三相制信號(hào)控制，如圖7所示，1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)有3個(gè)信號(hào)相位方案，即東西向直行、東西向左轉(zhuǎn)和南北向直行左轉(zhuǎn)。

在不計(jì)入行人與非機(jī)動(dòng)車情況下，根據(jù)信號(hào)相位，交叉口的沖突點(diǎn)數(shù)目位置如圖8所示。

由圖8可知，交叉口采用信號(hào)控制，沖突點(diǎn)的位置也發(fā)生改變，但相比無(wú)信號(hào)控制的交叉口，會(huì)發(fā)現(xiàn)沖突點(diǎn)數(shù)目大幅減少，因此在交叉口采用信號(hào)控制可以為不同的交通流分離提供有利的條件。這里無(wú)信號(hào)控制和信號(hào)燈控制交叉口都沒(méi)有計(jì)入行人和非機(jī)動(dòng)車，若計(jì)入行人和非機(jī)動(dòng)車沖突點(diǎn)，沖突點(diǎn)的總數(shù)目將成倍提高，在此不予考慮。

3 交通仿真模擬對(duì)比及分析

以南京市長(zhǎng)白街交叉口為例，調(diào)查進(jìn)入交叉口各個(gè)路口的交通量，見表1。

運(yùn)用VISSIM軟件進(jìn)行雙向三車道和雙向四車道的模型建立，得出車輛保持在40 km/h速度的仿真運(yùn)行軌跡文件（.trj），進(jìn)而將仿真運(yùn)行軌跡文件導(dǎo)入SSAM模型中獲取車輛在雙向三車道和雙向四車道的交通沖突數(shù)目。在進(jìn)行交通沖突分析之前，需要在SSAM模型中設(shè)定仿真沖突分析指標(biāo)如TTC、PET的閾值。由于距離沖突時(shí)間和遭遇時(shí)間設(shè)定的微小變化會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此將TTC的閾值設(shè)定為1.6 s，則仿真得到的沖突與實(shí)測(cè)的沖突差異最小[19]。

3.1 無(wú)信號(hào)交叉口安全性評(píng)價(jià)

通過(guò)綜合評(píng)價(jià)無(wú)信號(hào)交叉口沖突分析指標(biāo)，分析無(wú)信號(hào)交叉口下雙向三車道和雙向四車道的運(yùn)行效率和交通安全性。根據(jù)仿真結(jié)果，利用SSAM分析得出雙向三車道和雙向四車道的沖突類型數(shù)目以及沖突分析指標(biāo)的最小值、最大值、平均值和變化幅度。

SSAM模型中將沖突的類型劃分為3類，其中交叉點(diǎn)大多數(shù)發(fā)生在交叉口，追尾和變道發(fā)生在路段的可能性相對(duì)較大。由表2可知，三車道的交叉點(diǎn)相比四車道是有所減少的，而追尾和變道數(shù)目增加，那是因?yàn)槿嚨老啾人能嚨?，在保持交通量不變、無(wú)信號(hào)控制的情況下，道路空間大大縮減，容易造成車輛進(jìn)入交叉口不減速的可能性。但從總體沖突數(shù)目上進(jìn)行比較，相差并不是很大。

由表3可知，三車道的TTC值在區(qū)間[0，1.6]以內(nèi)，而四車道的TTC值在[0，0.1]以內(nèi)，這說(shuō)明三車道和四車道的所有車輛匯合被判定為發(fā)生沖突，而三車道部分沖突類型是可以不被認(rèn)定為發(fā)生沖突;三車道和四車道的PET和MaxS變化不大;初始減速度和相對(duì)速度可以從變化幅度中發(fā)現(xiàn)，三車道要比四車道變化幅度略大，但車輛前進(jìn)變化影響不是很明顯。從平均值來(lái)看，三車道與四車道在數(shù)值上變化不大，但三車道的初始減速度為負(fù)值，四車道為正值，說(shuō)明三車道車輛是保持加速狀態(tài)，四車道為減速狀態(tài)，在保持沖突差異不大的情況下，三車道提高了交叉口運(yùn)行效率，但并不明顯，變化不大。

3.2 信號(hào)燈交叉口安全性評(píng)價(jià)

確定交叉口信號(hào)配時(shí)圖，其中信號(hào)周期C為78 s，θ1、θ2、θ3表示每個(gè)相位的綠燈啟亮?xí)r間，G1、G2、G3表示顯示綠燈時(shí)間，A1、A2、A3表示黃燈時(shí)間，AR1、AR2、AR3表示全紅時(shí)間，如圖9所示。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)信號(hào)燈交叉口沖突分析指標(biāo)，分析信號(hào)燈交叉口下雙向三車道和雙向四車道的運(yùn)行效率和交通安全性。根據(jù)仿真結(jié)果，利用SSAM分析得出雙向三車道和雙向四車道的沖突類型數(shù)目以及沖突分析指標(biāo)的最小值、最大值、平均值和變化幅度。

由表4可知，在交叉口增加信號(hào)控制，交通量保持不變的情況下，追尾和變道的沖突減少明顯，這是由于車輛進(jìn)入路口受到信號(hào)控制影響，提前減速，提高了安全性，相比于交叉口內(nèi)部的交叉數(shù)目，增加的數(shù)目并不大，反而總體沖突數(shù)目大大減少。

由表5可知，單從區(qū)間的角度沒(méi)法判定沖突，三車道和四車道的TTC最大值皆為1.6 s，還需通過(guò)平均值和變化幅度進(jìn)行分析，變化幅度方面，四車道的相對(duì)速度和最大速度皆大于三車道，說(shuō)明四車道的車輛時(shí)常會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)現(xiàn)象，容易造成追尾，而且平均值里面的相對(duì)速度和最大速度都是三車道高于四車道，最大速度提高了44.8%，相對(duì)速度提高了64.6%，同時(shí)三車道和四車道都是處于加速狀態(tài)，明顯三車道要快于四車道。

表3和表5是SSAM模型得出的無(wú)信號(hào)控制和信號(hào)控制的沖突分析指標(biāo)，其中有部分TTC和PET為0，這通常是由于不合理的跟馳模型和變道模型所導(dǎo)致，基于本研究嘗試了在VISSIM中的幾種跟馳模型和變道模型，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并不能完全消除這樣的情況發(fā)生，因此建議將這些TTC和PET結(jié)果為零的仿真數(shù)據(jù)剔除在外。通過(guò)SSAM模型得出沖突分析指標(biāo)的最小值、最大值、平均值和變化幅度，最小值和最大值反映了沖突指標(biāo)的區(qū)間范圍，基于模型設(shè)置，正常的TTC值低于1.6 s才會(huì)判斷發(fā)生沖突;變化幅度反映了道路上的車輛行駛的流暢度，變化幅度大說(shuō)明車輛在路段上行駛經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況，車速保持不穩(wěn)定;平均值可以作為沖突分析的最終結(jié)果。

4 結(jié)論

本文基于交通沖突技術(shù)的車道縮減設(shè)計(jì)，對(duì)車道縮減前后的交叉口進(jìn)行安全性評(píng)估，利用車道縮減沖突評(píng)價(jià)模型對(duì)比無(wú)信號(hào)控制和信號(hào)控制下雙向三車道與雙向四車道的沖突點(diǎn)數(shù)目和沖突分析指標(biāo)，研究結(jié)果表明無(wú)信號(hào)控制交叉口的安全性和運(yùn)行效率并沒(méi)有發(fā)生明顯的改變，信號(hào)控制的交叉口最大速度提高了44.8%，相對(duì)速度提高了64.6%。

由于車道縮減前后的交叉口受到交通流量的限制，并不適用于交通量過(guò)高的路口，如若交通量過(guò)高，不僅不會(huì)提高路口的運(yùn)行效率，反而會(huì)增加路口的擁堵程度，降低安全性。因此，后續(xù)工作將利用不同交叉口的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，對(duì)于不適合進(jìn)行車道縮減的路口采用控制策略設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行空間分離，為車道縮減設(shè)計(jì)的實(shí)施提供了安全保障。

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