公路半幅封閉施工區(qū)交通沖突識別技術(shù)研究

摘要 基于工程案例，梳理介紹所應(yīng)用的半幅封閉施工區(qū)交通沖突識別技術(shù)，介紹了交通沖突識別判斷方式、基于接觸角度的交通沖突類別。從交通沖突識別指標(biāo)、計算過程等方面，介紹了半幅封閉施工區(qū)的交通沖突的識別操作過程、主要技術(shù)點以及最終形成的識別成果，對同類交通沖突識別工程應(yīng)用有參考意義。

關(guān)鍵詞 公路施工；半幅封閉；施工區(qū)交通；沖突識別；技術(shù)研究

中圖分類號 U491 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0063-03

0 引言

交通安全受到威脅的狀態(tài)即為交通沖突狀態(tài)，交通沖突嚴(yán)重突破發(fā)展，緊接而來的是交通事故[1]。為了及時識別交通沖突，有的放矢地提供避險措施，最大限度地消除沖突，保證交通安全，人們探討開發(fā)了交通沖突科學(xué)分析技術(shù)，這是一種非事故分析技術(shù)，具有小區(qū)域、短周期、大樣本、高信度、應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)又基于科學(xué)計算的特點。案例高速公路擴(kuò)改建工程在半幅封閉施工區(qū)交通沖突控制中應(yīng)用該識別技術(shù)。這里以工程應(yīng)用為背景，梳理介紹相關(guān)交通沖突識別技術(shù)要點，以為同類半幅封閉施工區(qū)交通沖突識別應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 案例簡介

華東某高速公路全長309.20 km，原四車道服役23年后，經(jīng)雙側(cè)拼寬擴(kuò)建成八車道，擴(kuò)改建總投資297.96億元。該高速公路是連接地區(qū)兩座大城市的重載交通大動脈，擴(kuò)改建工程如何保證舊路運(yùn)行和改建施工兩不誤，成為工程難點之一。為此工程采取半幅封閉施工方式，為保證半幅封閉施工區(qū)和在運(yùn)行線路的交通安全，工程采取交通沖突控制技術(shù)，加強(qiáng)交通沖突識別，發(fā)現(xiàn)隱患超前采取控制措施。

2 交通沖突識別判斷方式

2.1 基于規(guī)避行為的識別判斷方式

當(dāng)兩輛車中至少一輛采取了防碰撞規(guī)避動作時，就識別為存在交通沖突。這種識別概念強(qiáng)調(diào)了車輛間的規(guī)避行為，即車輛為了避免碰撞而采取的行動。該方的優(yōu)勢是方法直觀，可以通過觀察車輛駕駛狀態(tài)判定交通沖突是否存在，在早期缺乏先進(jìn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備時，這種方法比較適用。但是這種方法也存在一些缺點：首先在觀測時很難精確地判別車輛是否處在規(guī)避行為；其次判別方式無法對交通沖突的嚴(yán)重程度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷；再是觀測時容易將正常的降速、換道行為誤判為交通沖突。

2.2 基于時空間狀態(tài)的識別判斷方式

當(dāng)車輛在空間和時間上相互接近到一定程度，如果不立即改變運(yùn)動狀態(tài)就要產(chǎn)生碰撞或剮蹭，則識別判斷為存在交通沖突。其主要判斷指標(biāo)有3種：距離度量指標(biāo)、速度度量指標(biāo)和時間度量指標(biāo)[2]。這些指標(biāo)可以用來計算交通參與者之間的距離、速度和時間等參數(shù)，并以此來判斷是否存在交通沖突。

3 半幅封閉施工區(qū)的沖突識別

3.1 交通沖突識別指標(biāo)

在進(jìn)行交通事故指標(biāo)的篩選之前，需要先分析各種常用交通事故識別指標(biāo)的特點和適用條件。半幅封閉施工區(qū)可分轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段及雙向半幅過行區(qū)段，二者的道路和流量特性存在比較大的區(qū)別，路段駕駛行為也有所差別，區(qū)段交通沖突表現(xiàn)狀態(tài)也有所不同。相關(guān)沖突形式，和識別指標(biāo)如表1所示。

下面將詳細(xì)介紹雙向半幅過行、轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段識別交通沖突指標(biāo)算法。

3.1.1 雙向半幅過行區(qū)段

通過實地采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的雙向半幅過行區(qū)段中，車輛的行駛特性主要是跟馳行駛，發(fā)生的沖突主要是追尾沖突[3]。因此在雙向半幅過行區(qū)段中，選擇TTC作為沖突判別指標(biāo)。

式中，vA和vB——A車和B車的速度（m/s）；lAB——A車與B車間的距離（m）。公式（1）為雙向半幅過行段車輛TTC（s）的計算公式。

3.1.2 轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段

在轉(zhuǎn)幅直線段，車輛多處在跟馳狀態(tài)，沖突多為追尾沖突，因為TTC擅長于識別追尾沖突，因此采用該指標(biāo)進(jìn)行沖突判斷。曲線段車輛呈“S”形軌跡，沖突多屬于側(cè)向沖突，而TDTC擅長于識別側(cè)向沖突，因此在轉(zhuǎn)幅區(qū)段以TDTC來識別判斷交通沖突。

兩車均處于直線區(qū)段，以公式（2）計算兩車的TTC（s）指標(biāo)。

（2）

式中，TA——A車到達(dá)M沖突點所需時間（s）；vA——A車在r時點的瞬間速度（m/s）；sA——A車在r時點距M沖突點的距離（m）：TB——B車到達(dá)M沖突點所需時間（s），vB——B車在r時點的瞬間速度（m/s2），sB——B車到達(dá)M沖突點的距離（m），當(dāng)兩車無M交點時則兩車不存在沖突。當(dāng)存在一車或者兩車均位處曲線段時，以公式（2）計算兩車的TDTC（S）值。

3.2 交通沖突識別計算

基于前述沖突識別算法和雷達(dá)觀測交通數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)開展交通沖突識別計算。

第1步：原始CSV格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入，將其轉(zhuǎn)換為DataFrame格式。同時需要讀取各幀下車輛編號、位置方向坐標(biāo)以及速度等信息。

第2步：根據(jù)車輛坐標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)臎_突識別指標(biāo)。在該例中，K130+800系轉(zhuǎn)幅線路路段，曲線區(qū)段的X坐標(biāo)范圍為52～153 m。具體的計算方法如下：當(dāng)兩輛車中至少有一輛車的X坐標(biāo)位于52 ～153 m之間時，應(yīng)該計算兩輛車之間的TDTC值；當(dāng)兩輛車的X坐標(biāo)均小于52 m或均大于153 m時，應(yīng)該計算兩輛車之間的TTC值。

第3步：TDTC與TTC值計算

（1）計算TDTC值。在讀取數(shù)據(jù)后，可以將每輛車抽象為一個點，并根據(jù)車輛的X和Y速度計算出車輛的行駛方向，然后可以得到兩輛車的軌跡延長線，并利用初等幾何的求解法，根據(jù)兩條直線的一般式（形如Ax+By+C=0）求出兩條延長線的交點坐標(biāo)。這個交點坐標(biāo)即為交通沖突點的坐標(biāo)，而TDTC則是兩輛車到達(dá)沖突點的時間差。這個過程如圖1所示。

式中，XM——M點的X坐標(biāo)；YM——M點的Y坐標(biāo)；XA——A車在該時點的X坐標(biāo)；XB——B車在該時點的X坐標(biāo)；YA——A車在該時點的Y坐標(biāo)；YB——B車在該時點的Y坐標(biāo)；vAs——該時點A車在X向的速度（m/s）；vBs——該時點B車在X向的速度（m/s）；vAy——該時點A車在Y向的速度（m/s）；vBy——該時點B車在Y向的速度（m/s）。

算得沖突點的坐標(biāo)以后，然后計到M沖突點的距離：

式中，SA——沖突點與A車的距離（m）；SB——沖突點與B車的距離（m）。

最后進(jìn)行TDTC（S）計算，其公式如下：

式中，TDTC——交通沖突識別指標(biāo)（S）；sA——沖突點到車輛A的距離（m）；sB——沖突點到車輛B的距離（m）；vA——A車的速度（m/s）；vB——B車的速度（m/s）

以第5 901幀的TDTC為例進(jìn)行計算，沖突點的延長線方程如下：

經(jīng)公式（8）和公式（9）算得M沖突點在（96.435 5，?0.760 3），其TDTC值為1.23。

（2）計算TTC值。如果在當(dāng)前時點下，后車的速度大于前車的速度，并且兩輛車保持原行駛軌跡和速度不變，那么它們將在某個時點產(chǎn)生碰撞。在這種情況下，從交通沖突開始到產(chǎn)生碰撞的時間段就是TTC，如圖2所示。

在圖2中，根據(jù)TTC原理可以得知，如果A、B兩輛車保持當(dāng)前的速度和行駛軌跡不變，那么它們將在經(jīng)過一段時間T后，在N點產(chǎn)生碰撞事故。

式中，vA——A車即時速度（m/s）；vB——B車即時速度（m/s）；T——TTC值（s）。

由公式（12）獲得TTC計算公式：

式中，lAB——兩車間的直車距（m）；vA——A車即時速度（m/s）；vB——B車即時速度（m/s）。

在計算分析中，首先需要讀取車輛位置和車速信息，然后計算后車軌跡延長線至前車即時位置之間的最短距離。如果這個距離＞1.80 m，則說明兩輛車在異車道行駛，不需要計算TTC值；如果這個距離＜1.80 m，則說明兩輛車在同車道行駛，應(yīng)該計算它們之間的TTC值。通過計算，可以獲得兩輛車之間的即時TDTC或TTC值，利用這些值可以確定兩輛車是否發(fā)生了交通沖突。

3.3 交通沖突識別結(jié)果

計算獲得雙向半幅過行區(qū)段和轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段的嚴(yán)重交通沖突識別結(jié)果見圖3所示。

圖3柱圖顯示，車輛在轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段產(chǎn)生嚴(yán)重交通沖突的概率高于雙向半幅過行區(qū)段，這主要是因為轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段的道路狀況較差，同時存在“S”區(qū)段，通行能力比較低，車輛之間的車頭時距較小，并且車輛需要2次調(diào)整方向經(jīng)過該區(qū)段。

根據(jù)交通量識別分析的車輛交通沖突數(shù)據(jù)顯示，車輛在轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段產(chǎn)生嚴(yán)重交通沖突的概率大于雙向半幅過行區(qū)段。但是，在200～600 pcu的交通流量范圍內(nèi)，增加交通流對交通沖突均沒有明顯影響。

根據(jù)行車速度識別分析的車輛交通沖突如數(shù)據(jù)所示，在雙向半幅過行區(qū)段與轉(zhuǎn)幅線路區(qū)段，產(chǎn)生嚴(yán)重交通沖突的概率隨著車速的增加而上升，足見車速對交通沖突存在顯著影響。

4 結(jié)語

案例高速公路擴(kuò)改建工程采取半幅封閉施工方式，為保證半幅封閉施工區(qū)和在運(yùn)行線路的交通安全，工程采取交通沖突識別技術(shù)。基于工程應(yīng)用，①梳理介紹了交通沖突識別判斷方式，即基于規(guī)避行為的識別判斷方式和基于時空間狀態(tài)的識別判斷方式；②介紹了交通沖突類別，從接觸角度考察，交通沖突可以分為車頭相撞的正向沖突、后車追撞前車的追尾沖突、剮蹭或側(cè)碰撞的側(cè)向沖突等3種類型；③介紹了TTC值、TDTC值計算過程、施工區(qū)的交通沖突閾值確定過程以及半幅封閉施工區(qū)的沖突識別成果。交通沖突識別是一種非事故性、超前性的沖突識別方式，具有小區(qū)域、短周期、大樣本、高信度、應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)又基于科學(xué)計算的特點，工程實用性明顯。

參考文獻(xiàn)

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