互通式立交分流影響區(qū)安全性評價研究綜述

張思捷

摘 要：為了明確互通式立交分流影響區(qū)的安全性評價研究進(jìn)程，為提高互通立交的道路行車安全性提供設(shè)計基礎(chǔ)，幫助科學(xué)、妥善的解決互通式立交分流影響區(qū)的行車安全問題，收集并整理相關(guān)文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)，對互通式立交分流影響區(qū)安全性評價體系的研究現(xiàn)狀熱點、研究成果以及可進(jìn)行深入研究的內(nèi)容進(jìn)行綜合評述。通過對文獻(xiàn)的總結(jié)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前應(yīng)用到互通立交分流影響區(qū)安全性評價研究中的主要有五大基礎(chǔ)理論、兩大種類評價方法以及四種經(jīng)典研究模型。其中，交通流理論是交通學(xué)科最基礎(chǔ)的理論支撐;兩種評價方法各有特點及長短，兩者結(jié)合才能將作用最大化;各研究模型關(guān)聯(lián)密切，被廣泛應(yīng)用于模擬仿真中，為安全評價研究做出重大貢獻(xiàn)。目前，中國在交通安全研究基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用方面均取得了優(yōu)秀成果，但仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：互通立交;分流影響區(qū);交通安全;安全性評價

0 引言

互通式立體交叉（簡稱互通立交）是指設(shè)置跨線構(gòu)造物使得相交道路空間分離，且上、下道路間通過匝道連接以供轉(zhuǎn)彎車輛行駛的交叉方式。車輛在互通立交區(qū)域交互行駛，形成了交通流的分流區(qū)、合流區(qū)以及交織區(qū)。分流區(qū)是指在出口匝道附近，承接從主線車流分離出來的一股或多股車流的部分區(qū)域。受車輛分流行為最嚴(yán)重的區(qū)域是出口匝道和主線連接點至上游450 m內(nèi)包含減速車道和主線外側(cè)2條車道的區(qū)域（如圖1所示）被稱為分流影響區(qū)。該區(qū)域交通流紊亂程度大，交通沖突頻發(fā)，存在較大交通安全隱患[1]。

本文擬對互通式立交分流影響區(qū)已有的安全性評價基礎(chǔ)理論、評價方法及模型等進(jìn)行梳理、總結(jié)和展望。

1 互通立交分流影響區(qū)安全性評價基礎(chǔ)理論

1.1 交通流理論

交通流理論是采用由Greenshields[2]最初提出的“流量-速度-密度”模型描述道路上車輛（或非機(jī)動車/行人）與道路設(shè)施和環(huán)境交互運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科。當(dāng)前，交通流理論研究熱點包括了交通流基本圖模型、微觀交通流理論及仿真、中觀交通流理論及仿真、宏觀交通流理論以及網(wǎng)絡(luò)交通流理論五個部分[3]。交通流基本圖模型中，包含了瓶頸點（移動瓶頸點和固定瓶頸點）的交通流三參數(shù)關(guān)系分析可有助于分流影響區(qū)的交通流特性研究。此外，微觀、中觀和宏觀交通流理論及仿真技術(shù)因其具有可重復(fù)性、可延續(xù)性模擬交通運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)點，其相關(guān)理論和模型逐漸被應(yīng)用于研究互通立交分流影響區(qū)的道路通行能力以及安全性水平評估。

1.2 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)理論

運(yùn)行速度（v85）是指在自由交通流下測定的各類小汽車在車速累計分布曲線上第85%車輛的行駛速度[3]。運(yùn)行速度協(xié)調(diào)是指在不同道路、交通和道路環(huán)境的條件下，相鄰路段的運(yùn)行速度或速度梯度以及同一路段的運(yùn)行速度與設(shè)計速度差值處于規(guī)定值內(nèi)，達(dá)成速度的總體協(xié)調(diào)性[4]。以運(yùn)行速度協(xié)調(diào)理論為基礎(chǔ)的道路安全性評價是指，通過實測或預(yù)測不同線形組合路段的運(yùn)行速度分布、變化規(guī)律，分析運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性以此評價道路線形設(shè)計的連續(xù)性、均衡性以及合理性，并確定可能存在安全隱患的風(fēng)險路段，以此優(yōu)化線形設(shè)計或采取針對性改善措施[5]。

1.3 交通沖突理論與間隙接受理論

1.3.1 交通沖突理論

交通沖突是指道路使用者在行駛過程中，與另一個道路使用者或道路設(shè)施在時間、空間上相互接近，若道路使用者不采取必須的交通行為，就會發(fā)生碰撞的交通現(xiàn)象。由于互通立交分流影響區(qū)短距離范圍內(nèi)存在頻繁的由車輛變道、減速等駕駛行為引起的交通沖突，研究人員逐漸將基于交通沖突理論的技術(shù)應(yīng)用于互通立交分流影響區(qū)安全性評價中。綜合了距離和速度因素的三大時間度量指標(biāo)是為研究人員基于沖突理論進(jìn)行安全評價時的常用指標(biāo)[6]：（1）碰撞時間（Time to collision，TTC）;（2）碰撞時間（Post Encroachment Time，PET）;（3）車頭時距（Time Headway，TH）。此外，沖突率（百車沖突數(shù)）也是常用的交通沖突安全評價指標(biāo)。在TTC的基礎(chǔ)上，研究人員又提出了用于交通安全評價計算結(jié)果和統(tǒng)計分布的暴露碰撞時間（Time Exposed TTC，TET）和累積危險碰撞時間（Time Integrated TTC，TIT）[7]。

相關(guān)的安全性評價指標(biāo)是否能沿用交通沖突技術(shù)的評價指標(biāo)以及安全評價指標(biāo)闕值的選定仍然具有爭議性。另一方面，基于該理論的評價結(jié)論還需要與真實案例結(jié)合進(jìn)行進(jìn)一步檢驗其科學(xué)性及有效性。此外，交通沖突的數(shù)據(jù)采集與共享是亟需突破的重難點。

1.3.2 間隙接受理論

間隙接受理論是指，以間隙接受現(xiàn)象為基礎(chǔ)、臨界間隙為主要指標(biāo)和方法，對車輛分流行為進(jìn)行建模仿真分析，間接對研究區(qū)域的安全性評價進(jìn)行分析的基礎(chǔ)理論。車輛間隙（Gap）是指前車恰好完全經(jīng)過沖突點時前車車尾與后車車頭的時間間隔[1]。間隙接受一般發(fā)生在具有優(yōu)先通行權(quán)的支路交叉口處，根據(jù)主路車輛的到達(dá)規(guī)律產(chǎn)生了不同大小的車頭時距，支路車輛會對主路的車頭時距作出反應(yīng)（車頭時距：經(jīng)過同一斷面的相鄰前后車輛的車頭之間的時間間隔）。

1.4 交通行為理論

交通行為理論以人因工程（Human Factors Engineering）為核心，對行車過程中的駕駛?cè)诵袨橥ㄟ^模擬仿真或儀器監(jiān)控等手段對駕駛?cè)诵睦砑吧碜兓M(jìn)行數(shù)據(jù)采集進(jìn)行分析。對駕駛?cè)说慕煌ㄐ袨閷Φ缆沸熊嚢踩运接绊憴C(jī)理進(jìn)行研究?；诮煌ㄐ袨槔碚摰慕煌ò踩治霭?個主要研究方向：駕駛?cè)朔中男袨?、注視特性研究、危險駕駛行為以及駕駛?cè)俗兊琅c跟車行為研究。

2 評價方法

研究人員應(yīng)用于互通立交分流影響區(qū)的安全性評價方法主要有主觀賦權(quán)評價法、客觀賦權(quán)評價法以及組合賦權(quán)法[8]。

2.1 主觀賦權(quán)評價法

主觀賦權(quán)評價法是指根據(jù)專家經(jīng)驗對各項指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行主觀判斷，并對各指標(biāo)信息進(jìn)行綜合評價。層次分析法（將與總目標(biāo)有關(guān)的元素分級為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性分析和定量分析的評價方法）和模糊綜合評價法（根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，對受到多種因素制約的對象做出一個總體評價的方法）都屬于主觀賦權(quán)法的范圍內(nèi)，兩種方法的單獨運(yùn)用或者綜合運(yùn)用，都具有主觀性，這對于評價結(jié)果具有一定的偏差影響。

2.2 客觀賦權(quán)評價法

客觀賦權(quán)評價法根據(jù)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系及指標(biāo)值的變異程度確定權(quán)重的一類評價方法，應(yīng)用到互通立交區(qū)域安全性評價的方法主要有灰色關(guān)聯(lián)度分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法兩種。在進(jìn)行互通立交分流影響區(qū)的安全性水平評價時，采用的方法多為兩種主觀賦權(quán)評價法;或是將主、客觀賦權(quán)評價法相結(jié)合。兩種方法定義及特點如表1所示。

3 安全性研究模型

對互通立交區(qū)域的交通安全進(jìn)行安全性評估時，交通模擬仿真是一種常用的重要手段，建立模型則是模擬仿真手段的核心技術(shù)支撐。其中有四種經(jīng)典模型在互通立交區(qū)域的交通安全性研究中得到了廣泛應(yīng)用，分別是車輛跟馳模型、元胞自動機(jī)模型、換道模型以及交通沖突預(yù)測模型。

3.1 車輛跟馳模型

車輛跟馳模型（Car Following Model）是運(yùn)用動力學(xué)方法來研究限制超車的單車道上行駛車隊中相鄰輛車之間的相互作用。其在交通安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。跟馳模型包括了刺激-反應(yīng)模型、安全距離模型（Safety Distance Model）、心理-生理模型以及人工智能模型（Artificial Intelligence Model）等四種[9]。由于互通立交分流影響區(qū)內(nèi)存在頻繁的變道交通行為，因此交通安全領(lǐng)域的研究人員開始將跟馳模型應(yīng)用到該領(lǐng)域有關(guān)行車安全的交通模擬中。

3.2 元胞自動機(jī)模型

元胞自動機(jī)（Cellular Automata，CA）是定義在具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間按照一定的局部規(guī)則在離散時間維度上演化的動力學(xué)系統(tǒng)[3]。元胞自動機(jī)模型就是以該理論為基礎(chǔ)建立的，其中心思想是將路段劃分為N個元胞，利用各個元胞之間通過的車輛數(shù)來描述交通流的傳播過程。在交通安全領(lǐng)域，交通元素具有離散性，采用元胞自動機(jī)模型能有效避免建模時離散-連續(xù)-離散的近似過程，因此在交通安全評價仿真模擬研究中，該模型具有獨特的優(yōu)越性。

3.3 換道模型

換道模型用于描述車輛行駛中變換車道的交通行為，車道變換行為是指駕駛?cè)嘶谧陨眈{駛特性，結(jié)合周圍車輛的車速、車間距等環(huán)境信息，調(diào)整并完成自身駕駛目標(biāo)策略的綜合過程。其模型和跟馳模型共同構(gòu)成了傳統(tǒng)的微觀交通流動力學(xué)模型體系，跟馳模型描述的是車輛的縱向行為，換道模型描述的是車輛的橫向行為[10]。在互通立交分流影響區(qū)，換道行為頻繁發(fā)生，對該區(qū)域的交通安全及通行能力都會造成影響。換道模型已成為了分流影響區(qū)交通特性仿真研究中的核心模型。

3.4 交通沖突預(yù)測模型

交通沖突預(yù)測模型是指以交通沖突理論和交通沖突技術(shù)為基礎(chǔ)，利用沖突數(shù)據(jù)、道路線形以及交通流等數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)學(xué)方法對沖突數(shù)或沖突率進(jìn)行預(yù)測的一類模型。在建成模型后，進(jìn)一步建立綜合影響系數(shù)與沖突的關(guān)系模型，得到綜合影響系數(shù)對應(yīng)的對應(yīng)區(qū)域的安全評價結(jié)果。交通沖突預(yù)測模型研究發(fā)展迅速，其種類多達(dá)15種[6]。其中，回歸模型、廣義線形模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列、概率模型等被廣泛應(yīng)用于分流影響區(qū)交通安全研究中。

4 結(jié)語

本文通過對文獻(xiàn)的梳理和總結(jié)，為讀者介紹了近年來互通立交安全性評價研究的發(fā)展成果。內(nèi)容涵括了基礎(chǔ)理論、評價方法以及研究模型等三方面內(nèi)容。近年來，隨著國家對交通安全研究的日漸重視，我國在該領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用方面均取得了顯著成績。主要體現(xiàn)在交通安全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、交通行為、交通事故致因探究等方面。此外，交通系統(tǒng)參與者的安全意識上升，道路主動行車安全的保障等方面都大有進(jìn)益。然而，我國對于互通立交分流影響區(qū)等特有區(qū)域的安全性研究工作仍需從不同方面進(jìn)行提高：

（1）國家規(guī)范文件對互通立交等特殊區(qū)域的安全性規(guī)定不夠完整、不具有針對性。應(yīng)，加大在規(guī)范文件數(shù)據(jù)方面的整合及共享，盡快研究出互通立交等特殊區(qū)域的道路安全審計清單。

（2）互通立交道路交通安全研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏有效整合與共享，應(yīng)完善交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、集成及共享。

（3）在大數(shù)據(jù)、智能化發(fā)展背景下，應(yīng)與時俱進(jìn)，采用先進(jìn)的技術(shù)，對交通參與者的交通行進(jìn)行監(jiān)測、分析、預(yù)測，為智能化交通安全研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐，如采取“互聯(lián)網(wǎng)+交通安全”模式。

（4）道路交通安全的整體提升需要多部門共同協(xié)作完成。需各相關(guān)部門形成一個“系統(tǒng)”，共同致力于研究交通安全領(lǐng)域的理論、技術(shù)的完善和創(chuàng)新。

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