基于Vissim建模的高速公路作業(yè)區(qū)混合車輛上游過渡區(qū)空間安全性研究

王曉飛，丁振中，劉 永，王孝冬

(1. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641； 2. 廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060；3.廣州越路交通科技有限公司，廣東 廣州 510630)

0 引言

公路養(yǎng)護作業(yè)控制區(qū)目前應該以警告區(qū)、上游過渡區(qū)、縱向緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)和終止區(qū)依次進行布置。高速公路養(yǎng)護作業(yè)的上游過渡區(qū)由于封閉行車道作業(yè)導致車輛合流行為的發(fā)生，導致交通流的狀態(tài)發(fā)生改變。處于封閉車道(以下簡稱“匯入車道”)的車流需在作業(yè)區(qū)的上游過渡區(qū)內(nèi)部或提前匯入非封閉車道(以下簡稱“主車道”)，由于車輛的合流行為往往會引起交通流紊亂和延誤增加，從而形成高速公路的瓶頸路段。

目前在路段空間安全性研究方面，多集中在互通交通交織區(qū)。刁天逸[1]針對互通立交交織區(qū)安全性空間分布展開研究，基于Vissim仿真分析軟件并選取標準差系數(shù)表征交織區(qū)內(nèi)部及上下游各斷面的交通安全狀態(tài)。遲佳欣等[2]以沖突概率及變道風險為評價指標對交織區(qū)行駛區(qū)域進行了安全分析，結(jié)果表明交織區(qū)內(nèi)部空間存在明顯的安全區(qū)分，且在相鄰集散的主線車道危險程度相對于其他車道更為集中。在施工作業(yè)區(qū)不同區(qū)段的安全性分析方面，Umar等[3]通過分析風險成因，進行風險等級的劃分，將區(qū)域內(nèi)所有風險等級之和作為風險集中度指標，結(jié)果表明在施工作業(yè)中上游過渡區(qū)的風險集中程度最高，其次為工作區(qū)。Mokhtarimousavi等[4]通過分析佛羅里達州高速公路作業(yè)區(qū)的道路交通事故分布，并使用分類層次分析方法研究了影響工作區(qū)碰撞嚴重程度的因素，結(jié)合混合logit建?？蚣埽l(fā)現(xiàn)工作區(qū)的起終位置與交通事故的嚴重程度之間呈正相關。Zhang等[5-7]利用多種分析模型研究了不同交通流條件下對于高速公路工作區(qū)風險的影響程度，并進行了風險評估。

在上游過渡區(qū)安全性分析方面，主要集中于上游過渡區(qū)優(yōu)化長度設計研究。孫智勇等[8]利用間隙接受理論和微分法建立了車輛匯入模型，用以優(yōu)化計算高速公路上游過渡區(qū)的長度。楊友森[9]基于 Vissim仿真模型和SSAM模型提出交通沖突數(shù)和安全評價指標，由此確定了警告區(qū)和上游過渡區(qū)最佳長度。劉學強等[10]利用可接受間隙理論建立了改擴建期間高速公路上游過渡區(qū)長度設置模型，求得了不同施工方案下推薦的上游過渡區(qū)長度。王雄等[11]借助仿真分析方式對作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)的行車因素進行分析，發(fā)現(xiàn)過渡段長度和交通量對作業(yè)區(qū)行車風險的影響最大，但未考慮車型比例的影響。高建平等[12]通過實車試驗分析了駕駛員在上游過渡區(qū)獲取道路信息的主要區(qū)域，結(jié)果表明前方視野和左、右兩側(cè)遠處注視概率占比70%，為獲取道路信息的主要區(qū)域。Xing等[13]通過對于日本高速公路作業(yè)區(qū)瓶頸通行能力與交通安全的分析，發(fā)現(xiàn)工作區(qū)的容量隨著上游過渡區(qū)和工作區(qū)長度而減小，同時70%的工作區(qū)交通事故發(fā)生在其交通擁堵區(qū)段。Weng等[14]通過調(diào)查駕駛員在上游過渡區(qū)匯入車道進行并道操作的駕駛行為，發(fā)現(xiàn)如果相鄰匯入車道的主車道前方車輛是重型車輛，則隨著時間增加，匯入車道的車輛選擇“完成合流操作”的意愿會降低。

綜上所述，目前對于養(yǎng)護作業(yè)區(qū)的上游過渡區(qū)的研究多集中區(qū)段長度的優(yōu)化，缺乏對該區(qū)段的空間安全性分析開展深入研究，本研究選取空間安全性評價指標并形成綜合評價指標，對于不同運行速度和混合交通流條件下的上游過渡區(qū)空間安全性開展分析。

1 風險評價指標

對于行車風險衡量的評價指標應具有“客觀性、全面性、實用性”原則。在上游過渡區(qū)內(nèi)部，交通流變化會導致其換道位置具有隨機性，車輛的換道位置和時間難以確定，應用Vissim仿真軟件不能通過設置數(shù)據(jù)采集斷面研究換道行為的分布情況，故該類型參數(shù)不能作為內(nèi)部風險點的表征指標。因此本研究選取檢測效率和準確性較高的速度和加速度相關指標進行分析。

(1)速度標準差

速度標準差可體現(xiàn)車輛變換車道及超車過程中的交通流變化規(guī)律。車速標準差又稱為絕對車速離散度，其反映的是交通流通過該斷面時車輛速度的離散程度。正常情況下，車速標準差越大，對應其交通流運行越紊亂，安全性越低[15]。其數(shù)值計算式為：

(1)

式中，Vσ為速度標準差；n為通過數(shù)據(jù)采集點的車輛數(shù)；Vi為通過數(shù)據(jù)采集點位置處第i輛車的瞬時速度。

(2)客貨車速差

客貨車速差表示在某時段內(nèi)，通過數(shù)據(jù)采集斷面的貨車平均車速和客車平均車速差值的絕對值?？拓涇囁俨畲笮◇w現(xiàn)出不同車型之間車輛速度的離散性，該值越大，反映出不同車型下對于該路段采取的駕駛行為差異性越大，其行車風險也隨著提高。其計算公式為：

(2)

式中，ΔV為客貨車速差；n為通過數(shù)據(jù)采集斷面的貨車車輛數(shù)；VTi為通m為通過數(shù)據(jù)采集斷面的客車車輛數(shù)；過數(shù)據(jù)采集斷面時，第i輛貨車的瞬時速度；VBj為通過數(shù)據(jù)采集斷面時，第j輛客車的瞬時速度。

(3)向后的加速度均值

交通心理工程學研究了駕駛員對于向后加速度產(chǎn)生的生理心理效應，以及駕駛員在向后加速度作用下的忍受時間。伴隨著向后加速度的增加，駕駛員的身體反應也就越顯著，對車輛的控制能力降低，行車風險就越高[16]。其計算公式為：

(3)

2 仿真試驗設計

2.1 建模軟件分析

Vissim是一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的交通仿真分析軟件。Vissim仿真分析軟件內(nèi)部組成部分為：交通仿真器和信號狀態(tài)產(chǎn)生器，它們之間通過接口交換檢測器數(shù)據(jù)和信號狀態(tài)信息。交通仿真器是一個微觀交通仿真模型，它包括跟車模型和車道變換模型。信號狀態(tài)產(chǎn)生器是一個信號控制軟件，可通過程序?qū)崿F(xiàn)交通流的控制邏輯，同時可在軟件中輸出多種記錄和評價文件[17]。

在仿真試驗模型設計中，Vissim采用的核心模型是Wiedemann于1974年建立的生理-心理駕駛行為模型。該模型的基本思路是:當后車駕駛員認為他與前車之間的距離小于其心理(安全)距離時，采取減速措施，并在一段時間內(nèi)保持低于前車車速的行駛狀態(tài)，直至前后兩車之間達到另一個“安全距離”時，后車駕駛員才開始緩慢加速，如此周而復始，形成一個加、減速的迭代過程。

2.2 試驗參數(shù)選取

根據(jù)《公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程》(JTG H30—2015)(以下簡稱《規(guī)程15》)[18]的規(guī)定，交通量可用養(yǎng)護作業(yè)路段在無養(yǎng)護作業(yè)時的斷面高峰小時交通量除以養(yǎng)護作業(yè)剩余車道數(shù)計算，對于占道施工作業(yè)的三車道過渡為雙車道和雙車道過渡為單車道上游過渡區(qū)的車道數(shù)分別按雙車道和單車道進行計算?！豆饭こ碳夹g標準》(JTG B01—2014)(以下簡稱《標準14》)[19]中將服務水平分成6級，規(guī)定對于高速公路一般服務水平一般不低于3級，同時《標準14》中給定了在不同服務水平及設計速度下的交通量。通過設計試驗調(diào)試可知，在3級服務水平下的交通較小時，車型比例變化和內(nèi)部采集位置對于指標值的影響并不明顯，車輛可自由完成換道和選擇較為多變的駕駛行為，故考慮將3級服務水平下路段設計速度為120 km/h對應的1 650 pcu/(hln)最大服務交通量作為參數(shù)輸入，可以較為明顯地體現(xiàn)出車型比例變化對于上游過渡區(qū)的風險集中位置的影響。

對于進入上游過渡區(qū)的運行速度參考《規(guī)程15》，進入上游過渡區(qū)的運行速度設計為40～80 km/h，以步長為運行速度20 km/h的5種最終限速值，同時按照《規(guī)程15》給定的各運行速度下對應最小長度值，以步長為20 m，向上設計3種不同長度的上游過渡區(qū)。且限速過程一般在警告區(qū)內(nèi)已經(jīng)完成，在警告區(qū)長度的后1/4段前已基本完成降速，故在上游過渡區(qū)前設置1/4的警告區(qū)長度來保證車輛進入上游過渡區(qū)時車輛按設置的運行速度標準行駛，并能滿足Vissim仿真軟件在上游過渡區(qū)擁堵至入口段仍正常運行的要求，真實反映車輛在上游過渡區(qū)的運行狀態(tài)[20]。在本研究中，也采用高速公路常用的3.75 m 作為模型的車道寬度，同時考慮車型比例對于風險集中位置分布的影響，結(jié)合在貨車率為0條件下客貨車速差將無法計算，故將交通流的貨車率參數(shù)從10%～50%并以步長為10%作為交通流參數(shù)中貨車率部分的輸入。

對于占道施工作業(yè)的內(nèi)部風險分布情況的表征，可通過不同斷面位置處的指標值的數(shù)值來衡量。本研究基于Vissim仿真軟件的斷面數(shù)據(jù)采集功能，針對單向三車道過渡至雙車道和單向雙車道過渡區(qū)單車道的占道施工形式，每間隔1/3上游過渡區(qū)長度位置段設置數(shù)據(jù)采集斷面，收集車輛通過數(shù)據(jù)采集斷面時的速度和加速度值，故對于這施工形式下對應的數(shù)據(jù)采集斷面的數(shù)目分別為11和7，數(shù)據(jù)采集斷面在上游過渡區(qū)內(nèi)部的具體位置見圖1。同時對于仿真試驗所需參數(shù)進行匯總并形成表1。

圖1 不同上游過渡區(qū)形式下數(shù)據(jù)采集斷面位置

表1 仿真試驗設計參數(shù)匯總

3 結(jié)果分析

3.1 綜合評價指標和統(tǒng)計參數(shù)選取

通過采集斷面采集的速度、加速度指標形成斷面風險的表征參數(shù)。在各仿真試驗數(shù)據(jù)集中，將風險表征指標進行最大值化無量綱化處理，并將3個指標值通過等權重加權計算確定得分結(jié)果作為斷面風險集中程度，其計算公式見式(4)。該項得分越大，表明代表該數(shù)據(jù)采集斷面在該仿真試驗中的風險越集中。針對于不同占道施工形式下和運行速度利用origin作三維散點圖，并結(jié)合投影點分布情況對于風險集中斷面位置和其貨車率的影響展開分析。

(4)

對于斷面的不同位置和貨車率的得分情況進行預處理，結(jié)果表明貨車率的遞增對于斷面得分的變化趨勢情況并不明顯，且需要分析其變化趨勢，現(xiàn)引出均值AVG和平均絕對偏差MAD來反映不同貨車率情況下整體分布和波動情況，其計算公式為：

(5)

式中，pT為貨車率，通過該路段貨車車輛數(shù)占有所有車輛的比例；w為在某種運行速度下各大車率條件下的每個數(shù)據(jù)采集斷面數(shù)；SCOREf為在不同種運行速度各大車率條件下某數(shù)據(jù)采集斷面的綜合評價指標。

(6)

式中，SCOREw為在某種運行速度與各大車率條件下每個數(shù)據(jù)采集斷面數(shù)的綜合評價指標。

3.2 統(tǒng)計指標參數(shù)化綜合結(jié)果研究

(1)運行速度為40 km/h

對于進入上游過渡區(qū)的40 km/h運行速度下的2種占道施工形式的綜合得分評價指標和不同貨車率下形成的統(tǒng)計參數(shù)值開展分析，形成圖2和表2。

圖2 40 km/h運行速度下對應不同占道施工形式綜合評價指標分布

對于上游過渡區(qū)為單向三車道過渡至雙車道形式綜合評價指標分析見圖2(a)，上游過渡區(qū)的入口斷面得分整體偏向上部，且在匯入車道和相鄰主車道較為集中。在1/3段至2/3段的綜合分值分布較為相似，但整體趨勢低于入口斷面的風險指標集中情況。分析表明，由于進入上游過渡區(qū)的匯入車道車輛轉(zhuǎn)向主車道的換道行為受車道寬度變化率影響較快，處于匯入車道的車輛會在進入上游過渡區(qū)時提前完成換道，故風險集中斷面集中在入口斷面和1/3的上游過渡區(qū)長度斷面處。同時結(jié)合表2，對于貨車率的遞增，綜合評價指標總體變化趨勢并不明顯，但其波動范圍整體呈現(xiàn)遞增的現(xiàn)象，表明受到輸入交通量較大的影響和貨車寬度的影響，所以在該上游過渡區(qū)長度和形式下車輛采取非必要換道行為的駕駛行為較少，大多數(shù)車輛處于跟馳狀態(tài)，但由于貨車比例增加導致操作性能和駕駛行為的差異性變大，從而形成斷面得分波動性遞增的情況。

表2 40 km/h運行速度不同貨車率和占道施工形式下統(tǒng)計參數(shù)

對于上游過渡區(qū)為單向雙車道過渡至單車道形式綜合評價指標分析見圖2(b)，在上游過渡區(qū)的入口斷面和1/3斷面波動范圍較廣，整體趨于高點，同時其入口斷面數(shù)據(jù)波動性更為明顯，且在斷面1出現(xiàn)該模型下的極大值點，表明該入口斷面位置風險沖突較為集中。其成因同該運行速度下另一種占道施工形式類似。同時結(jié)合表2，對于貨車率的遞增，斷面總得分整體分布和波動情況呈現(xiàn)出先增加后下降再增加的趨勢。其機理為：在貨車率處于0.1～0.3范圍內(nèi)時，交通流受貨車操作性能和駕駛行為差異性的影響，使得路段整體綜合評價指標呈現(xiàn)上升趨勢，當達到0.4范圍時，交通流從間斷自由狀態(tài)逐漸形成跟馳情況，此時總得分呈現(xiàn)下降趨勢，隨著貨車率的繼續(xù)增大，此時交通流狀態(tài)從跟馳轉(zhuǎn)化成擁堵，綜合評價指標整體呈現(xiàn)又上升態(tài)勢。

(2)運行速度為60 km/h

對于進入上游過渡區(qū)的運行速度為60 km/h的2種占道施工形式的風險點表征指標值和不同貨車率下形成的統(tǒng)計參數(shù)值開展分析，形成圖3和表3。

表3 60 km/h運行速度下不同貨車率和占道施工形式統(tǒng)計參數(shù)

圖3 60 km/h運行速度下對應不同占道施工形式綜合評價指標分布

對于上游過渡區(qū)為單向三車道過渡至雙車道形式綜合評價指標分析，見圖3(a)，隨著上游過渡區(qū)長度和運行速度的增加，風險集中位置朝著上游過渡區(qū)的1/3段和2/3段轉(zhuǎn)移，同時集中在該區(qū)段的匯入車道和相鄰主車道。根據(jù)間隙接受理論分析，隨著上游過渡區(qū)長度的增加，車輛行駛至出現(xiàn)橫向安全寬度而采取必要變道行為，同時由于運行速度的提高,使進入上游過渡區(qū)車輛的減速性能和駕駛員的反應時間等導致模型斷面風險集中在該區(qū)段。

結(jié)合表3，隨著貨車率的增加，斷面總得分整體分布和波動情況呈現(xiàn)出先增加后下降再增加的趨勢，其趨勢形成原因與運行速度為40 km/h的上游過渡區(qū)為單向雙車道過渡至單車道相類似。在貨車率為0.3范圍處出現(xiàn)一個較為明顯的突變，此時由于交通流處于一種受貨車率影響和交通量的界限范圍，車輛介于完全跟馳和自由變道之間的行駛狀態(tài)，導致出現(xiàn)了該模型下綜合評價指標的峰值。

對于上游過渡區(qū)為單向雙車道過渡至單車道形式綜合評價指標分析，見圖3(b)，風險集中位置朝著上游過渡區(qū)的1/3段和2/3段轉(zhuǎn)移，且相對于單向三車道過渡至雙車道的情況更加明顯。其成因是在該種占道施工形式下車輛的匯入會直接導致主車道車輛的駕駛行為發(fā)生改變，直接影響整個路段的通行能力和行車安全性，而在另一種占道施工情景下，匯入車道相鄰主車道的車輛可向非相鄰主車道的車流采取變道行為，將該區(qū)段風險向主車道整體發(fā)散，使得區(qū)段整體風險集中不如該種占道施工形式明顯。同時結(jié)合表3，隨著貨車率的增加，綜合評價指標整體分布和波動情況呈現(xiàn)出先增加后下降再增加的趨勢，其趨勢形成原因同運行速度為40 km/h 的上游過渡區(qū)為單向雙車道過渡至單車道段相類似。均值和波動情況的變化幅度并不顯著，主要是由于運行速度的提高和上游過渡區(qū)長度增加對于行駛條件的改善。

(3)運行速度為80 km/h

對于進入上游過渡區(qū)的運行速度為80 km/h的2種占道施工形式的風險點表征指標值和不同貨車率下形成的統(tǒng)計參數(shù)值開展分析，形成圖4和表4。

對于上游過渡區(qū)為單向三車道過渡至雙車道形式綜合評價指標分析，見圖4(a)，由于上游過渡區(qū)長度和運行速度的增加，斷面風險主要集中在2/3的上游過渡區(qū)和出口斷面的匯入車道和相鄰主車道位置區(qū)段。結(jié)合間隙接受理論分析，在上游過渡區(qū)長度較長時，當駕駛員進入上游過渡區(qū)的匯入車道時，由于漸變寬度變化率較小，同時處于大交通量條件下尋找可穿插間隙的概率會減少，從而導致風險集中在上游過渡區(qū)出現(xiàn)橫向安全寬度的附近。結(jié)合表4，在0.1～0.4貨車率條件下，由于運行速度的提高，導致進入上游過渡區(qū)內(nèi)部時車輛運行速度受車道數(shù)減少的限制，車輛所需采取的減速和換道行為增多，在大車率較低的狀態(tài)下已經(jīng)達到了從間斷自由轉(zhuǎn)入跟馳行駛的態(tài)勢。并在0.4左右貨車率的情況下達到完全跟馳狀態(tài)，在貨車率達到0.5時，交通流狀態(tài)從跟馳轉(zhuǎn)入擁堵情況，致使斷面風險集中更加顯著。

對于上游過渡區(qū)為單向雙車道過渡至單車道形式綜合評價指標分析，見圖4(b)，此時綜合評價的提高,使進入上游過渡區(qū)車輛的減速性能和駕駛員的反應時間多方因素導致模型斷面風險集中在該區(qū)指標分布與該運行速度下另一種占道施工形式相類似，風險主要集中在2/3的上游過渡區(qū)和出口斷面位置區(qū)段。產(chǎn)生該數(shù)據(jù)分布的成因同另一種占道施工形式相類似，均為漸變寬度變化率較小和處于大交通量條件下尋找可穿插間隙的概率會減少，從而導致風險集中在上游過渡區(qū)出現(xiàn)橫向安全寬度的附近。相對于另一種占道施工風險數(shù)據(jù)采集斷面集中情況更加顯著，主要考慮該種占道施工形式下匯入車道車輛的合流會直接導致主車道車輛的駕駛行為發(fā)生變化，直接影響整個路段的通行能力和行車安全性。同時結(jié)合表4分析，隨著貨車率的增加，斷面總得分整體分布和波動情況也呈現(xiàn)出先增加后下降在增加的趨勢，其趨勢成因與運行速度為40 km/h 的上游過渡區(qū)為單向雙車道過渡至單車道段相同。

圖4 80 km/h運行速度下對應不同占道施工形式綜合評價指標分布

表4 80 km/h運行速度下不同貨車率和占道施工形式統(tǒng)計參數(shù)

4 結(jié)論

本研究針對混合交通流條件下的養(yǎng)護作業(yè)上游過渡區(qū)的空間安全性展開研究，首先基于Vissim仿真軟件的斷面數(shù)據(jù)采集功能形成3個風險表征指標。仿真試驗設計不同的貨車率、占道施工形式和上游過渡區(qū)長度，針對不同占道施工形式收集斷面速度、加速度指標計算出風險表征指標值，并通過最大值化、無量綱處理、權重法確定綜合評價指標值。為分析貨車率遞增對應的變化趨勢，引入統(tǒng)計參數(shù)(均值和平均標準偏差)來反映不同貨車率情況下整體分布和波動情況，最終通過不同運行速度和占道施工形式下的三維散點投影圖和統(tǒng)計參數(shù)表對綜合指標值變化趨勢和分布開展研究分析，得出以下結(jié)論：

(1)進入上游過渡區(qū)的運行速度從40～80 km/h增加變化時，斷面風險空間集中位置從該區(qū)段的入口斷面向出口斷面附近移動，同時占道施工形式為單向雙車道過渡至單車道形式，其集中和移動趨勢更加顯著。

(2)隨著貨車率的遞增，多數(shù)運行速度和占道施工形式試驗下綜合評價指標整體分布和波動情況呈現(xiàn)出先增加后下降再增加的趨勢。其主要形成原因為：在大交通量條件下，隨著貨車比例的增加，受到貨車的車型寬度和駕駛行為差異的影響，交通流從自由流轉(zhuǎn)向間斷自由流，再形成跟馳狀態(tài)，最終呈現(xiàn)路段擁堵的變化態(tài)勢。

(3)隨著貨車率的遞增，占道施工形式為單向雙車道過渡至單車道對于綜合評價指標變化趨勢的效果更為顯著，主要成因為不會受分散到主車道非相鄰匯入車道的影響和警告區(qū)車道平均交通量轉(zhuǎn)化到上游過渡區(qū)偏小的影響。

(4)目前沒有對于養(yǎng)護作業(yè)區(qū)上游過渡區(qū)所有的最終限速值進行分析研究，同時綜合指標僅考慮3種風險表征指標的等權重研究，未來可以針對于這些方面開展進一步深入探究。