高速公路復(fù)雜樞紐互通全天候交通風(fēng)險(xiǎn)管控方法

■楊增權(quán)

（寧德沙埕灣跨海高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352000）

在我國高速公路持續(xù)擴(kuò)大里程規(guī)模的過程中，新建高速公路常與現(xiàn)有高速公路以樞紐互通形式銜接。 樞紐互通的復(fù)雜交通流組織易造成交通擁堵頻發(fā)；受條件限制，部分互通存在車道數(shù)不平衡現(xiàn)象，易引發(fā)駕駛員頻繁換道；繁多的交通標(biāo)志也增加了駕駛員行車方向選擇錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。 交通擁堵風(fēng)險(xiǎn)、交通安全風(fēng)險(xiǎn)和行車方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)等三類交通風(fēng)險(xiǎn)耦合疊加，對(duì)高速公路復(fù)雜樞紐互通全天候交通風(fēng)險(xiǎn)管控提出了挑戰(zhàn)。 研究交通擁堵的理論主要有三相交通流理論[1]和交通波理論[2]等。 在交通擁堵機(jī)理研究中，常用交通流狀態(tài)描述模型為傳統(tǒng)的基于流體力學(xué)的連續(xù)交通流參數(shù)模型，這類模型在描述交通流處于穩(wěn)定狀態(tài)下的流量-速度-密度關(guān)系時(shí)具有其合理性[3-5]。 近年來，研究者基于K-最近鄰域[6]、支持向量機(jī)[7]等數(shù)據(jù)挖掘算法，構(gòu)建識(shí)別交通狀態(tài)是否擁堵的分類模型。 在交通安全風(fēng)險(xiǎn)研究中，根據(jù)評(píng)估對(duì)象、判別指標(biāo)不同，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要分為基于替代指標(biāo)的交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[8-10]、基于綜合指標(biāo)的交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[11]。 在方法建立基礎(chǔ)上，常通過統(tǒng)計(jì)分析路段、地點(diǎn)、區(qū)域內(nèi)實(shí)際發(fā)生的交通事故數(shù)據(jù)，驗(yàn)證交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的有效性[12-13]。 關(guān)于方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)的研究，主要分為樞紐設(shè)計(jì)與交通導(dǎo)向標(biāo)志設(shè)計(jì)2 個(gè)方面。 車道數(shù)不平衡的樞紐設(shè)計(jì)研究指出，通過合理的車道平衡設(shè)計(jì)[14-15]、變速車道的設(shè)計(jì)[16]可以緩解車道不平衡樞紐中的方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)；在交通導(dǎo)向標(biāo)志研究中，常采用認(rèn)知心理學(xué)[17]、駕駛模擬實(shí)驗(yàn)[17]等方法優(yōu)化交通標(biāo)志的設(shè)計(jì)方案，研究表明通過可變信息標(biāo)志[18]、可變限速標(biāo)志[19]可以引導(dǎo)駕駛員選擇合適的車道，從而緩解方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。 目前高速公路交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尚未深入開展復(fù)雜樞紐互通的三類交通風(fēng)險(xiǎn)耦合疊加的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管控方法，本文在辨析高速公路復(fù)雜樞紐互通多類型交通風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，提出交通擁堵、交通安全和行車方向選擇錯(cuò)誤等復(fù)雜樞紐互通交通風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、 評(píng)估與管控方法，并選取坑門里樞紐互通展開實(shí)證分析。

1 交通風(fēng)險(xiǎn)管控方法

高速公路復(fù)雜樞紐互通交通風(fēng)險(xiǎn)管控方法主要分為風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分級(jí)風(fēng)險(xiǎn)管控3 個(gè)階段。 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)即指針對(duì)復(fù)雜樞紐互通不同風(fēng)險(xiǎn)種類及特點(diǎn)，識(shí)別其存在的危險(xiǎn)。 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估即對(duì)復(fù)雜樞紐互通風(fēng)險(xiǎn)事件造成的影響和損失進(jìn)行量化評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)管控即采取各種措施和方法，減少復(fù)雜樞紐互通風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性或損失。 復(fù)雜樞紐互通風(fēng)險(xiǎn)管控方法具體流程如圖1 所示。

圖1 交通風(fēng)險(xiǎn)管控方法流程

1.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

高速公路復(fù)雜樞紐互通涉及交通擁堵、交通安全、方向選擇錯(cuò)誤等多類別風(fēng)險(xiǎn)，三類交通風(fēng)險(xiǎn)耦合疊加，其形成機(jī)理復(fù)雜，需一一辨識(shí)。

（1）交通擁堵風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

交通擁擠風(fēng)險(xiǎn)是指在復(fù)雜樞紐互通道路交通運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)（大范圍、長時(shí)間）路網(wǎng)交通擁擠或路網(wǎng)交通癱瘓等現(xiàn)象的可能性及后果。高速公路復(fù)雜樞紐互通主要起連接作用，其暢通與否對(duì)控制和梳理不同目的和方向車流有重要意義。高速公路復(fù)雜樞紐互通道路風(fēng)險(xiǎn)要素多，宜采用路段和節(jié)點(diǎn)的擁堵風(fēng)險(xiǎn)量化模型，因此擬采用集成模型進(jìn)行計(jì)算，即采用統(tǒng)一量化指標(biāo)來評(píng)價(jià)擁堵概率和后果。集成模型是交通擁擠風(fēng)險(xiǎn)的一種量化方式，具體為把擁擠概率與擁擠后果集成考慮，即根據(jù)實(shí)測(cè)或理論計(jì)算分析損失后果（如延誤、出行時(shí)間）的分布變化，得到集成了概率信息的后果值，比如期望值、風(fēng)險(xiǎn)值和條件風(fēng)險(xiǎn)值等。具體數(shù)據(jù)處理和模型建立過程如圖2 所示。

圖2 交通擁堵風(fēng)險(xiǎn)量化集成模型流程

（2）交通安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

高速公路復(fù)雜樞紐互通系統(tǒng)是一個(gè)由人-車-路-環(huán)境組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，車速是駕駛員在道路、環(huán)境等多因素組成的綜合情境下做出的反應(yīng)，能夠表征各要素對(duì)于實(shí)際行車的影響。 在高速公路復(fù)雜樞紐互通行車過程中，可以通過主觀“預(yù)期車速”與客觀“建議車速”2 個(gè)概念來表征駕駛員對(duì)行車環(huán)境的主觀判斷與客觀行車環(huán)境[20-21]。 建議車速是指在特定的道路、環(huán)境、交通狀況組成的綜合情境下，駕駛員受到道路條件、車輛穩(wěn)定性、駕駛員處理能力等因素對(duì)車速的限制，能夠保持安全行駛所允許的最大車速。 預(yù)期車速是指駕駛員在心理上認(rèn)為的安全行駛車速，而非道路交通意義上的真正安全行駛車速[20-21]。 高速公路交通安全風(fēng)險(xiǎn)源于駕駛員對(duì)道路環(huán)境的主觀認(rèn)知與客觀環(huán)境安全供給的差異，這種差異可用車速指標(biāo)來表示，如式（1）。

當(dāng)Δv 為負(fù)時(shí)，建議車速＞預(yù)期車速，安全風(fēng)險(xiǎn)較??；當(dāng)Δv 為正時(shí)，建議車速＜預(yù)期車速，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

（3）方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

復(fù)雜樞紐互通提供交通轉(zhuǎn)換功能，具有多岔路口，易發(fā)生方向選擇錯(cuò)誤。 駕駛員駕駛車輛在高速公路樞紐互通上行駛，遇到交通標(biāo)志時(shí)，需要依靠視覺在短時(shí)間內(nèi)讀取標(biāo)志信息；信息經(jīng)大腦處理形成短時(shí)記憶，駕駛員理解標(biāo)志信息的內(nèi)容，進(jìn)而做出判斷和駕駛的操作。 交通標(biāo)志的設(shè)計(jì)不僅要滿足《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》（GB 5768-2009）、《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》（JTG D82-2009）等國標(biāo)和地方標(biāo)準(zhǔn)的要求，還要根據(jù)高速公路樞紐互通實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)計(jì)。 標(biāo)志信息的信息量和設(shè)置位置都會(huì)影響駕駛員對(duì)標(biāo)志信息的讀取和處理。駕駛員是有主觀意識(shí)、有思維能力的個(gè)體，可以自發(fā)地做出判斷，變換駕駛行為；而駕駛員進(jìn)行判斷的主要依據(jù)是環(huán)境，交通標(biāo)志即是道路環(huán)境的主要組成部分。 交通標(biāo)志的設(shè)計(jì)要符合駕駛員生理和心理的認(rèn)知水平，使駕駛員能夠在行車過程中清楚地讀取交通標(biāo)志內(nèi)容，理解交通標(biāo)志含義，并在合理的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)做出正確的操作，這樣才能盡可能避免方向選擇錯(cuò)誤的發(fā)生。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

（1）交通擁堵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

利用擁堵指數(shù)對(duì)高速公路復(fù)雜樞紐互通擁堵程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。 擁堵指數(shù)計(jì)算所需參數(shù)為路段的自由流車速和平均行程車速。 將復(fù)雜樞紐互通劃分成若干子路段，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)子路段的平均自由流車速、每個(gè)子路段的平均行程車速（即路程÷行程時(shí)間）。 擁堵指數(shù)計(jì)算如式（2）所示[22]：

其中：Vizy為子路段i 自由流狀態(tài)下的平均速度，Vixc為子路段i 平均行程車速，TSIi為子路段的擁堵指數(shù)。

評(píng)估出子路段的擁堵指數(shù)后，根據(jù)其結(jié)果可以進(jìn)一步求得各線路的擁堵指數(shù)。 以子路段的車道數(shù)和子路段的長度為權(quán)重，對(duì)子路段的擁堵指數(shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，計(jì)算公式為：

其中：ki為各個(gè)子路段i 車道數(shù)，li為各個(gè)子路段i 長度，TSIi為子路段i 的擁堵指數(shù)，TSI 為路段擁堵指數(shù)。 接著對(duì)擁堵程度進(jìn)行分級(jí)， 標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[23]。依據(jù)表1 的擁堵分級(jí)，評(píng)價(jià)得出各個(gè)子路段及各條線路的擁堵等級(jí)。

表1 擁堵指數(shù)TSI 分級(jí)

（2）交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

圖3 為高速公路復(fù)雜樞紐互通交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，通過確定分段單位，計(jì)算各路段的建議車速、預(yù)期車速，以及速度差值。 速度差值越大，表明該復(fù)雜樞紐互通路段的交通安全風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖3 復(fù)雜樞紐互通交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

交通安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)多采用基于頻率分布的方法進(jìn)行。 頻率分布法是將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值經(jīng)過無量綱處理或不經(jīng)過無量綱處理后，借鑒氣象四級(jí)預(yù)警防范， 選用40%、70%、90%的類別累積百分頻率對(duì)應(yīng)點(diǎn)4、10、19 來確定指標(biāo)分級(jí)點(diǎn)[24]。

在建議車速-預(yù)期車速風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中涉及多項(xiàng)動(dòng)、靜態(tài)的影響因素，為了反映多種因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響情況，基于既有樣本數(shù)據(jù)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展交通安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。 首先，針對(duì)建議車速，結(jié)合復(fù)雜樞紐互通道路線形設(shè)計(jì)、 道路附屬設(shè)施、 交通流量、能見度等不同氣象指標(biāo)建立建議車速模型。建議車速模型是將駕駛員在不同情境下選擇的建議車速定義為情境車速， 以駕駛員選擇的標(biāo)準(zhǔn)車速為自變量， 以選擇該標(biāo)準(zhǔn)車速的駕駛員在此種情境中車速的平均值為因變量，對(duì)其進(jìn)行回歸分析。其中標(biāo)準(zhǔn)車速是在對(duì)駕駛員的調(diào)查問卷中設(shè)置不同場(chǎng)景所得。其次，選取交通流量、大車混入率、能見度等不同氣象指標(biāo)作為預(yù)測(cè)輸入?yún)?shù)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練出下一時(shí)刻預(yù)期車速。 最后，就某一路段，計(jì)算同一時(shí)刻的預(yù)期車速與建議車速差值， 對(duì)照表2 間接得到交通安全風(fēng)險(xiǎn)值。 預(yù)測(cè)流程如圖4 所示[20]。

圖4 基于建議車速-預(yù)期車速的復(fù)雜樞紐互通交通安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)流程

表2 基于建議車速-預(yù)期車速的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

（3）方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

駕駛員從看到交通標(biāo)志到做出操作，分為讀取信息、理解信息、做出判斷、做出駕駛操作4 個(gè)步驟。 方向選擇錯(cuò)誤在這4 個(gè)步驟中均有可能會(huì)發(fā)生，復(fù)雜樞紐互通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也可以根據(jù)這4 個(gè)步驟進(jìn)行：①讀取信息：在讀取信息階段，駕駛員能否成功讀取標(biāo)志的文字， 與駕駛員相關(guān)的因素有視力、工作負(fù)荷、文化水平、行駛速度等；外在客觀因素有氣候條件、標(biāo)志的信息量、標(biāo)志是否有遮擋、標(biāo)志的前置距離等；②理解信息：在理解信息階段，駕駛員能否理解標(biāo)志的內(nèi)容，與駕駛員相關(guān)的因素有文化水平、年齡、反應(yīng)速度、對(duì)路段的熟悉程度等；外在客觀因素有標(biāo)志內(nèi)容是否清晰合理； ③做出判斷：在駕駛員讀取并理解信息后，需做出判斷，是否遵守標(biāo)志信息的內(nèi)容， 與之相關(guān)的因素有受教育程度、駕駛經(jīng)驗(yàn)等；對(duì)于指路標(biāo)志、指示標(biāo)志、警告標(biāo)志、禁令標(biāo)志等不同類型的交通標(biāo)志，駕駛員做出是否遵守的判斷也不盡相同；④做出操作：最后一步是駕駛員基于對(duì)信息的讀取、理解、判斷后進(jìn)行操作，主要影響因素是駕駛員的主觀因素，如駕駛經(jīng)驗(yàn)、疲勞程度、個(gè)人偏好等。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)管控

高速公路復(fù)雜樞紐互通借助預(yù)警設(shè)施開展三類交通風(fēng)險(xiǎn)的管控。預(yù)警設(shè)施包括傳統(tǒng)預(yù)警設(shè)施、智能預(yù)警設(shè)施，其功能及特點(diǎn)如表3 所示。傳統(tǒng)預(yù)警設(shè)施主要指警示牌、高穿透性LED 動(dòng)態(tài)顯示屏、爆閃燈、反光膜、自發(fā)光輪廓標(biāo)等。智能預(yù)警設(shè)施主要指自發(fā)光道釘、智慧路貼、車道級(jí)可變信息標(biāo)志VMS。

表3 高速公路復(fù)雜樞紐互通各類交通預(yù)警設(shè)施功能及特點(diǎn)

不同級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的預(yù)警管控措施如表4所示，例如：當(dāng)擁堵指數(shù)達(dá)到三級(jí)和四級(jí)，安全風(fēng)險(xiǎn)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)；存在方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，高速公路復(fù)雜樞紐互通需啟用預(yù)警設(shè)施進(jìn)行交通誘導(dǎo)，以達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)管控的目的。

表4 高速公路復(fù)雜樞紐互通各類風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管控措施

2 實(shí)證分析

坑門里樞紐互通主線起于福建省福鼎市佳陽鄉(xiāng)雙華村（浙閩界），與寧波-東莞國家高速公路浙江段甬臺(tái)溫復(fù)線銜接。 坑門里樞紐互通受既有沈海高速雙向四車道設(shè)施條件約束，合流和分流區(qū)的車道數(shù)變化頻繁且車道數(shù)不平衡，并與沈海高速2 個(gè)隧道耦合，帶來交通流在有限時(shí)空資源上復(fù)雜交織問題。 車道數(shù)不平衡與隧道耦合下的復(fù)雜坑門里樞紐互通交通擁堵風(fēng)險(xiǎn)、交通安全風(fēng)險(xiǎn)、方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)等三類交通風(fēng)險(xiǎn)積聚突顯。 針對(duì)坑門里樞紐互通的交通風(fēng)險(xiǎn)管控，首先對(duì)坑門里樞紐互通進(jìn)行場(chǎng)景劃分。 道路基礎(chǔ)屬性包括合流區(qū)、分流區(qū)、曲線段、隧道、直線段5 種類型。 合流區(qū)4 條路段包括H1、H2、H3、H4；分流區(qū)3 條路段包括F1、F2、F3；曲線段僅有1 條路段Q； 隧道4 條路段包括S1、S2、S3、S4； 直線段11 條路段包括Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11，一共23 種場(chǎng)景。 按行車方向劃分，坑門里樞紐一共有7 條主要線路：支線1-支線2；支線1-支線3；支線2-支線1；支線2-支線3；支線3-支線1；支線3-支線2；高速入口-合流區(qū)H3-支線3。 坑門里樞紐互通場(chǎng)景與線路劃分示意如圖5 所示。

圖5 坑門里樞紐場(chǎng)景與線路劃分示意

基于檢測(cè)的氣象和速度等交通流數(shù)據(jù)，結(jié)合本文提出的三類交通風(fēng)險(xiǎn)模型，評(píng)估得出坑門里樞紐互通23 種場(chǎng)景在晴朗、暴雨、霧霾等不同氣象條件和直線、曲線等不同道路線形組合條件下的建議車速，如圖6 所示[20-21]。

圖6 坑門里樞紐分場(chǎng)景建議車速

3 結(jié)論與展望

本文闡述了高速公路復(fù)雜樞紐互通的擁堵、安全、方向選擇風(fēng)險(xiǎn)，提出了對(duì)復(fù)雜樞紐互通風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)、評(píng)估和管控的方法，構(gòu)建了高速公路復(fù)雜樞紐互通的全天候交通風(fēng)險(xiǎn)管控方法。 在擁堵風(fēng)險(xiǎn)方面，先將復(fù)雜樞紐互通根據(jù)道路交通狀況進(jìn)行場(chǎng)景解析和劃分，再建立實(shí)際路段擁堵指數(shù)的擁堵評(píng)估模型，劃分擁堵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，最后根據(jù)擁堵風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值制定擁堵風(fēng)險(xiǎn)防控策略。 在安全風(fēng)險(xiǎn)方面，基于建議車速-預(yù)期車速模型，利用“預(yù)期車速與建議車速之間的差值”評(píng)估復(fù)雜樞紐典型場(chǎng)景路段安全水平，最終通過交通預(yù)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)交通安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估。 在方向選擇錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)方面，解析了風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生機(jī)理，梳理了復(fù)雜樞紐互通風(fēng)險(xiǎn)要素及評(píng)估指標(biāo)，提出了相應(yīng)防控措施。 研究成果在坑門里樞紐互通規(guī)劃設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，為有效防控高速公路樞紐互通安全風(fēng)險(xiǎn)提供了技術(shù)支撐；后續(xù)可收集更多交通數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證方法和模型的有效性。