基于車頭時距的無信號路段安全性分析

郭 倫

基于車頭時距的無信號路段安全性分析

郭 倫

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

在無信號控制的路段上，行人過街行為是干擾混合交通流正常行駛的一個重要因素。受到干擾的行駛車輛通常伴隨著駕駛員急加速、急減速等駕駛行為，會造成車輛行駛能耗的不必要增加。文章針對無信號路段行人過街對路段上混合交通流行駛的影響，分析行人過街時間與車頭時距之間的關(guān)聯(lián)，結(jié)合道路安全性問卷調(diào)查的結(jié)果對路段安全性進行分類，提出基于車頭時距的無信號路段安全性分析模型，并通過實例求解驗證模型的可行性。結(jié)果表明，模型分析的路段安全性與基于車頭時距分布的分析結(jié)果和過街行人主觀安全性感受結(jié)果較為符合；隨著路段安全性的提高，混合交通車流的急加速和急減速行為顯著減少，可以為混合交通流下的生態(tài)駕駛理念研究提供一定的參考。

車頭時距；無信號路段；行人過街行為；混合交通流；生態(tài)駕駛

生態(tài)駕駛是通過改善駕駛員的駕駛行為，使車輛節(jié)能減排的一種駕駛方式。由于缺乏交通信號的指示和約束，相較于有交通信號控制的路段，無信號控制路段上行駛的混合交通流的急加速、急減速等不符合生態(tài)駕駛理念的駕駛行為較多，這些非生態(tài)駕駛行為會增加車輛的行駛能耗，減少車輛的續(xù)駛里程，也會造成交通堵塞現(xiàn)象。影響無信號路段上混合交通流通行能力的因素包括道路線性、行人過街、交通流量等，其中，行人過街是影響車輛正常行駛，造成路段交通延誤的重要因素[1-3]。

車頭時距是決定無信號路段行人過街決策的最直接因素[4]。在路段上行駛的車流之間保持穩(wěn)定的車頭時距是車輛以勻速穩(wěn)定行駛的保障。車頭時距通常是用于研究駕駛行為和駕駛員表現(xiàn)的一種安全措施，與駕駛員的反應(yīng)時間有關(guān)[5]。秦嚴嚴等[6]通過研究車頭時距對不同協(xié)同自適應(yīng)巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control, CACC）比例下的混合交通流穩(wěn)定性的影響，為CACC車頭時距設(shè)計提供參考。

目前，道路交通環(huán)境基本處于電動汽車、混動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車混行的混合交通環(huán)境之中，研究混合交通流下的車輛生態(tài)駕駛是很有必要的。ZHAO等[7]設(shè)計了一組混合自動駕駛汽車和人類駕駛汽車的車輛實時協(xié)同生態(tài)駕駛策略，基于模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC）算法降低車輛的燃料消耗。本文根據(jù)無信號路段上采集的車頭時距和行人過街的主觀感受，采用指數(shù)熵的形式衡量混合交通流的混亂程度，得出安全性計算公式分析道路的安全性，提出基于車頭時距的無信號路段風(fēng)險性分析模型，并采用道路示例驗證該模型的可靠性。

1 行人過街特性

1.1 行人過街速度

行人過街速度是影響過街安全性的重要因素。聯(lián)邦公路管理局（Federal Highway Admini- stration, FHWA）確定行人過街參考標準速度為1.22 m/s。美國交通工程研究所（Institute of Trans- portation Engineers, ITE）經(jīng)過統(tǒng)計數(shù)據(jù)整合，發(fā)現(xiàn)87%的老年過街行人的過街速度為0.76 m/s。

本文通過對選取的無信號路段進行實地調(diào)查，將觀測得到的行人過街速度按不同年齡段以及性別劃分并進行數(shù)據(jù)整合，得到行人平均過街速度如表1所示。

表1 行人過街速度

分類整體男女少年青年中年老年 平均速度/(m/s)1.201.241.161.341.241.061.02

由表1數(shù)據(jù)可知，不同年齡段的行人過街速度存在差異，年齡越高的行人過街平均速度越慢。少年、青年過街平均速度高于整體行人過街平均速度；中年、老年行人過街平均速度較慢。女性通常會選擇結(jié)伴過街，男性行人平均過街速度高于女性行人。

1.2 行人過街時間

本文研究路段為無信號控制路段的一側(cè)單向路段，行人穿越同向車流后在路中間等待穿越另一車向車流，兩次穿越行為假設(shè)相互獨立。

行人過街的安全性并不完全取決于行人過街的速度，還包括行人視覺、認知能力和決策能力等影響因素。其中，決策能力對年齡較大的行人過街安全性影響更為突出[8]。

假設(shè)行人過街速度保持勻速，道路為無中央分隔帶的無信號路段，路段過街行人特性為單人過街，過街行為不受其他行人的干擾。行人走單向車道的過街時間為

式中，為行人過街時間，s；為單向路面寬度，m；為行人過街速度，m/s；0為行人過街決策時間，s。

2 安全性分析模型

2.1 車頭時距概述

車頭時距是分析車輛駕駛安全性的重要指標，與道路車輛交通流狀態(tài)、路段的堵塞情況、車輛行駛速度等因素相關(guān)。

車頭時距是指在同一條行駛車道上，前后兩輛車通過道路某一處固定路面標點的時間間隔。車頭時距一般采用前車與相鄰的后方車輛之間的車頭間距與后車的平均車速之比來計算。

式中，為車頭時距，s；為前車與相鄰的后方車輛之間的車頭間距，m；0為后車的平均車速，m/s。

車頭時距是行人對能否安全穿越交通流到達對面路側(cè)的重要決策依據(jù)。當?shù)缆方煌鞯能囶^時距集中于短時長時，行人的過街行為對道路交通情況的影響顯著，可能會增加混合交通流中車輛駕駛?cè)说募奔铀?、急減速等駕駛操作。

2.2 安全程度等級劃分

將行人主觀過街感受調(diào)查問卷的調(diào)查結(jié)果按安全性等級劃分為4個級別，級別越高代表行人過街時的主觀感受越安全。調(diào)查問卷結(jié)果基本呈對數(shù)正態(tài)分布，將統(tǒng)計整合后的調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)進行K-S（Kolmogorov-Smirnov）檢驗，對數(shù)正態(tài)分布檢驗概率如圖1所示。

圖1 調(diào)查問卷數(shù)據(jù)檢驗概率

結(jié)果驗證在置信區(qū)間為95%的情況下，調(diào)查問卷數(shù)據(jù)結(jié)果符合對數(shù)正態(tài)分布，其檢驗準確率約為97.18%。

基于調(diào)查問卷安全性統(tǒng)計結(jié)果符合對數(shù)正態(tài)分布，統(tǒng)計各個安全程度等級的樣本比例，得到每個安全程度等級的劃分范圍，以作為模型安全程度等級的上下限，如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，當計算得到的安全程度在相應(yīng)范圍區(qū)間內(nèi)，可得到對應(yīng)的路段安全性等級，并以該安全性等級作為模型求解所得的路段安全性等級。

表2 模型安全程度等級劃分

安全等級范圍區(qū)間安全性 1≥0.86高 2[0.53,0.86)較高 3[0.23,0.53)一般 4≤0.23低

2.3 安全程度表達式

行人基于選取合適的車頭時距作為過街的可穿越間隙，其發(fā)生碰撞或刮擦事故的風(fēng)險性往往集中于車頭時距和行人過街時間的不匹配性。當行人選取的車頭時距恰好略大于其過街時間時，可能由于車輛速度的變化等因素導(dǎo)致所選取的車頭時距減少，從而產(chǎn)生刮擦或碰撞等事故。因此，引入安全緩沖時間0，其定義為車輛面對突然變化的道路情況而做出制動反應(yīng)所需要的時間，包括駕駛員反應(yīng)時間和制動反應(yīng)時間。

假設(shè)路段車頭時距保持穩(wěn)定，若行人的過街時間小于選取的車頭時距與安全緩沖時間之和，則行人可以安全過街。以1表示在理想狀態(tài)下行人可以安全過街的概率，其表達式為

假設(shè)行人過街速度恒定，過街路線垂直于道路線形，行人過街前車輛保持勻速行駛，可將無信號路段行人過街安全性分為三個類別，行人過街安全性判別標準及安全性分類如表3所示。

表3 行人過街安全性

序號判別標準安全性 1t＜T-T0安全 2t＜T風(fēng)險 3t≥T危險

由表3可知，行人的過街時間小于車頭時距與安全緩沖時間之差時，行人可以安全過街；當行人的過街時間小于車頭時距時，可能會隨著道路情況的變化而發(fā)生交通事故，行人過街存在一定的風(fēng)險性；當行人過街時間大于車頭時距時，行人過街存在很大風(fēng)險，過街安全隱患較大。

基于熵理論描述混合交通流的安全性程度，由于傳統(tǒng)信息熵計算公式的局限性，當隨機變量取值概率為0時，信息熵將失去描述意義，而指數(shù)熵則很好地避免了這個問題[9]。由此，本文基于指數(shù)熵的理念，提出安全程度系數(shù)作為衡量路段安全性的指標，建立基于車頭時距的無信號路段安全性分析公式為

式中，為安全程度系數(shù)；1為行人過街時間小于車頭時距的概率。

混合交通流的交通情況復(fù)雜多變，高峰時段會加劇車頭時距的變化，安全緩沖時間0可以為駕駛員在車頭時距發(fā)生變化時做出應(yīng)對反應(yīng)。因此，以概率2來衡量車輛在安全緩沖時間中的安全性操作對避免碰撞的影響，其定義為行人過街時間小于車頭時距的概率與行人過街時間小于車頭時距和安全緩沖時間之差的概率的差值，表達式為

安全緩沖時間在安全性越高的路段所產(chǎn)生的作用越小。因此，引入緩沖權(quán)重系數(shù)以減少安全緩沖時間對路段安全性分析的影響。加權(quán)處理后基于車頭時距的無信號路段安全程度分析公式為

車輛之間的車頭時距保持越穩(wěn)定，越不容易產(chǎn)生車輛與過街行人的碰撞或者刮擦事件。因此，安全緩沖時間在路段安全性評價中所占權(quán)重應(yīng)較小，取0.7。

3 實例應(yīng)用

3.1 實驗數(shù)據(jù)采集

以陜西省西安市高陵區(qū)南新街北段的一處無信號控制路段為例，該路段道路寬度為 10 m，且為雙向四車道。

通過人工和視頻錄制對所研究的無信號控制路段晚高峰時段（17：00－18：30）的車頭時距進行數(shù)據(jù)采集，收集由南向北路段車頭時距有效數(shù)據(jù)704條與由北向南路段車頭時距有效數(shù)據(jù)627條。將采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，如表4和表5所示。

表4 由南向北路段機動車車頭時距分布

車頭時距/s頻數(shù)概率 T≤44250.603 7 414290.041 2 合計7041

除去過街前的決策時間，該無信號控制路段行人穿越單向車道的時間約4秒左右。由表4和表5數(shù)據(jù)可知，在高峰時段該路段可供行人安全穿越的車頭時距出現(xiàn)次數(shù)比例約42%左右，行人有較大的幾率在準備過街時選取到合適的車頭時距，因此，從車頭時距的分布角度，該無信號控制路段的安全性較高。

表5 由北向南路段機動車車頭時距分布

車頭時距/s頻數(shù)概率 T≤43530.563 0 414540.086 1 合計6271

3.2 模型分析結(jié)果

通過實地勘測和文獻查閱，所選無中央分隔設(shè)施的無信號控制路段單向道路寬度為 5 m；行人平均過街速度為 1.20 m/s；行人過街決策時間0為 1.0 s；安全緩沖時間0為 0.7 s。

經(jīng)過安全程度計算公式求解，該無信號路段安全性結(jié)果如表6所示。

表6 行人過街安全性

路段方向安全程度安全性 由南向北路段0.595 8較高 由北向南路段0.676 8較高

經(jīng)過模型分析，該無信號控制路段的雙向車道安全性等級均較高，結(jié)果與基于車頭時距分布的安全性分析結(jié)論基本相符。依據(jù)模型分析結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）較高安全性的無信號控制路段上行駛的混合交通流的急加速、急減速等行為較少，車輛之間的車頭時距受到行人過街的干擾程度較小。

2）高峰時段的無信號控制路段車輛之間的車頭時距分布多集中在4 s以內(nèi)，受行人過街行為的干擾較為嚴重。短時長的車頭時距出現(xiàn)次數(shù)越多，混合交通車流之間的車頭時距越小，因行人過街行為而產(chǎn)生的碰撞或刮擦風(fēng)險性就越大，路段的安全性就會越低。

4 結(jié)語

本文建立了基于車頭時距的無信號路段安全性分析模型，分析無信號路段上行駛的混合交通流的車頭時距受行人過街的干擾影響，為改善路段安全性、保持車頭時距穩(wěn)定性提供一定的參考。

1）通過實地詢問過街行人的主觀安全性感受，歸納整理得到無信號路段高峰時期的行人過街的主觀安全性評價，利用K-S檢驗方法分析調(diào)查問卷結(jié)果，檢驗結(jié)果符合對數(shù)正態(tài)分布，檢驗準確率達到97.18%。

2）車頭時距分布與路段安全性密切相關(guān)。當路況僅存在過街行人的干擾的情況下，車頭時距分布越集中于短時長，路段的安全性就越低，駕駛員就越可能因過街行人的干擾而頻繁的踩制動踏板和加速踏板，造成汽車能耗的增加。

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Safety Analysis of Unsignalized Road Sections Based on Vehicle Headway

GUO Lun

( School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China )

On the road section without signal control, pedestrian crossing behavior is an important factor that interferes with the normal driving of mixed traffic flow. Disturbed vehicles are usually accompanied by drivers' driving behaviors such as rapid acceleration and rapid deceleration, which will cause unnecessary increase in vehicle energy consumption. In this paper, aiming at the influence of pedestrians crossing the street on mixed traffic flow on the road section, the relationship between pedestrian crossing time and headway is analyzed, and the road safety is classified according to the results of road safety questionnaire survey, so that the safety analysis model of the road section without signal based on headway is put forward, and the feasibility of the model is verified by solving an example. The results show that the road safety analyzed by the model is in good agreement with the analysis results based on the headway distribution and the subjective safety feeling results of pedestrians crossing the street. With the improvement of road safety, the rapid acceleration and deceleration of mixed traffic flow are significantly reduced, which can provide some reference for the study of ecologicaldriving concept under mixed traffic flow.

Vehicle headway; Unsignalized section; Pedestrian crossing behavior; Mixed traffic flow; Ecologicaldriving

U491.5

A

1671-7988(2023)20-173-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.035

郭倫（1999－），男，碩士研究生，研究方向為交通運輸工程，E-mail:907074918@qq.com。