王永崗,李曉坤,宋 杰,李德林
(1.長(zhǎng)安大學(xué) 運(yùn)輸工程學(xué)院,西安 710018; 2.生態(tài)安全屏障區(qū)交通網(wǎng)設(shè)施管控及循環(huán)修復(fù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)安大學(xué)),西安 710018)
21世紀(jì)以來(lái),伴隨著中國(guó)公路網(wǎng)絡(luò)的快速延伸,大量山區(qū)公路陸續(xù)建成通車(chē),解決了廣大偏遠(yuǎn)山區(qū)村鎮(zhèn)的交通難題。然而,山區(qū)公路常伴隨急彎、陡坡等不良線形路段,給安全行車(chē)埋下了嚴(yán)重隱患,亟需采取積極主動(dòng)的防控措施來(lái)有效遏制道路交通事故的發(fā)生[1]。目前研究多關(guān)注單一車(chē)輛實(shí)體在過(guò)彎時(shí)的側(cè)滑側(cè)翻問(wèn)題,多涉及駕駛行為、軌跡特性、速度預(yù)測(cè)等領(lǐng)域,進(jìn)而依據(jù)不同指標(biāo)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警[2-3]。而急彎路段中兩個(gè)及以上車(chē)輛實(shí)體間若車(chē)速過(guò)快、車(chē)距過(guò)小、視距不足時(shí)同樣易引發(fā)追尾事故[4],亟需深入分析該類(lèi)事故,以提出針對(duì)性防控措施。
傳統(tǒng)的交通事故研究多以往期事故數(shù)據(jù)等方向入手,而隨著數(shù)據(jù)獲取手段的不斷更新,交通沖突分析技術(shù)逐漸成為主流。交通沖突技術(shù)作為一種交通事故風(fēng)險(xiǎn)量化分析方法,具有可獲得性、直觀、周期短、樣本量大等優(yōu)勢(shì)[5],目前國(guó)內(nèi)外已有大量針對(duì)交通沖突的相關(guān)研究,主要包括沖突判定及嚴(yán)重程度劃分等方面[5-6],如文獻(xiàn)[7]結(jié)合車(chē)輛運(yùn)動(dòng)信息建立了基于后侵入時(shí)間PET(post-encroachment time)算法的交通沖突識(shí)別模型;文獻(xiàn)[8]利用車(chē)輛的精確位置及寬度來(lái)確定所有類(lèi)型車(chē)輛間的關(guān)鍵相互作用,運(yùn)用改進(jìn)的碰撞時(shí)間MTTC (modified time to collision)模型對(duì)于所獲取的相互作用中的交通沖突進(jìn)行了識(shí)別;文獻(xiàn)[9]利用高速公路上雷達(dá)傳感器采集的追尾沖突TTC(time to collision)值作為輸入,預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的追尾碰撞風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行軌跡提取,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡,結(jié)合碰撞概率評(píng)估沖突嚴(yán)重程度。綜上,現(xiàn)有交通沖突研究多依據(jù)采集或預(yù)測(cè)的車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù),提取PET、TTC等指標(biāo)以判別、預(yù)測(cè)沖突發(fā)生或劃分沖突嚴(yán)重程度,借此可評(píng)估車(chē)-車(chē)間潛在碰撞事故。
目前針對(duì)交通沖突的研究成果較多,但大多僅考慮沖突是否發(fā)生及其嚴(yán)重程度,卻忽視了對(duì)沖突微觀過(guò)程及相關(guān)特征的探究。交通流運(yùn)行過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)車(chē)輛在安全狀態(tài)與危險(xiǎn)狀態(tài)間具有過(guò)渡性[11],所引發(fā)的交通沖突呈現(xiàn)一定時(shí)空演化特征。急彎路段上車(chē)輛加減速頻繁,易引發(fā)沖突,但目前研究多關(guān)注沖突的辨識(shí)[8]或預(yù)測(cè)[12-13],缺乏對(duì)其時(shí)空演化規(guī)律的深入研究。因此,本文以急彎路段為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)地調(diào)查獲取交通流數(shù)據(jù),提取車(chē)輛軌跡信息來(lái)判定車(chē)輛間追尾沖突,并著重探究不同類(lèi)型沖突狀態(tài)在入彎-出彎過(guò)程中的時(shí)空演化規(guī)律,以便針對(duì)性提出急彎路段車(chē)輛防追尾碰撞技術(shù)措施。
選定西安市灞橋區(qū)X101狄寨原路西安思源學(xué)院段急彎為研究路段,該彎道半徑為46 m,曲線長(zhǎng)為400 m、橫坡度約為1°,根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范及條文說(shuō)明(JTG D20—2006)》中的相關(guān)規(guī)定,該路段可被視為急彎路段??紤]到一般駕駛習(xí)慣,確定急彎路段起點(diǎn)上游50 m處為研究起點(diǎn),將急彎路段結(jié)束點(diǎn)下游50 m作為研究終點(diǎn),共長(zhǎng)500 m。同時(shí),直線-入彎緩和曲線交界點(diǎn)(OZH)、入彎緩和曲線-圓曲線交界點(diǎn)(OHY)、圓曲線中心點(diǎn)(OQZ)、圓曲線-出彎緩和曲線交界點(diǎn)(OYH))、出彎緩和曲線-直線交界點(diǎn)(OHZ))點(diǎn)作為標(biāo)志點(diǎn),這5個(gè)標(biāo)志點(diǎn)所在斷面分別為ZH、HY、QZ、YH、HZ標(biāo)志斷面,并以ZZ1、ZZ2斷面為數(shù)據(jù)調(diào)查的起止點(diǎn)所在斷面,如圖1所示。
圖1 急彎路段區(qū)域劃分
開(kāi)展實(shí)地調(diào)查獲取所研究急彎路段的交通流數(shù)據(jù)。選用大疆“DJI Air 2S”無(wú)人機(jī)升空至QZ斷面120 m處懸停記錄行車(chē)數(shù)據(jù),共獲得17段有效航拍視頻,總有效時(shí)長(zhǎng)為119 min,并用Tracker軟件處理視頻,以獲取不同類(lèi)型車(chē)輛的時(shí)間、車(chē)輛坐標(biāo)及相應(yīng)的速度、加速度、車(chē)輛方位角、速度方位角。
圖2給出了所研究急彎路段的車(chē)速與加速度空間分布狀況,可見(jiàn)不同類(lèi)型車(chē)輛過(guò)彎時(shí)均遵循先減速后加速的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
圖2 急彎路段車(chē)速分區(qū)段分布
由圖2(a)可知,在入彎緩和曲線段平均車(chē)速最小,在出彎直線段(HZ—ZZ2)段平均車(chē)速最大。由圖2(b)可知,急彎路段車(chē)輛加速度變化分為預(yù)減速、勻減速、勻速波動(dòng)及加速4個(gè)階段,分別對(duì)應(yīng)圖中0—ZH、ZH—HY、HY—QZ、QZ—YH段。
由圖2中采集數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知,車(chē)輛因跟馳過(guò)彎且加減速頻繁而易產(chǎn)生追尾沖突,故選用后侵入時(shí)間PET指標(biāo)判別急彎路段的追尾沖突[14]。
依據(jù)PET指標(biāo)的定義,根據(jù)沖突先導(dǎo)車(chē)LV和沖突跟隨車(chē)FV通過(guò)固定斷面的時(shí)間差tFV-tLV建立急彎路段PET識(shí)別模型。由于車(chē)輛一般采用制動(dòng)減速入彎和加速出彎的方式通過(guò)急彎路段,選取OQZ、OHZ點(diǎn)所在斷面QZ、HZ作為入彎和出彎侵入面,見(jiàn)圖3,分別判定入彎和出彎車(chē)輛間的追尾沖突。
圖3 追尾沖突計(jì)算示意
假定在t時(shí)刻位于OQZ標(biāo)志點(diǎn)上游的LV、FV間因近距離跟馳產(chǎn)生沖突,其地點(diǎn)車(chē)速分別為vLV(t)、vFV(t),忽略緩和曲線和圓曲線間的平曲線半徑差異,假定車(chē)輛保持當(dāng)前速度不變,可得t時(shí)刻入彎路段LV與FV間追尾沖突判別的PET模型:
(1)
式中:θQZ為QZ標(biāo)志斷面的方位角,(°);θLV、θFV分別為t時(shí)刻LV、FV的方位角,(°);r為平曲線半徑均值,m。
對(duì)于出彎路段,以斷面HZ替換斷面QZ,同理可得t時(shí)刻出彎階段LV與FV間追尾沖突判別的PET模型:
(2)
式中θHZ為HZ標(biāo)志斷面的方位角,(°)。
以時(shí)刻t為基點(diǎn)、Δt=1/6 s為時(shí)間步長(zhǎng),計(jì)算LV與FV分別位于入彎和出彎路段的PET指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化序列值。對(duì)于每一組車(chē)頭間距小于50 m的近距離跟馳車(chē)對(duì)LV與FV間的兩組PET序列,若其序列值隨時(shí)間呈現(xiàn)上升或平穩(wěn)的趨勢(shì),可判定該車(chē)對(duì)間不存在追尾沖突,反之則存在潛在追尾沖突。
根據(jù)入彎與出彎的PET序列值計(jì)算結(jié)果,共篩選出符合要求的追尾沖突車(chē)輛98對(duì),沖突序列143組,提取出沖突關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)共2 432幀,其中位于1~2.5 s之內(nèi)的PET值最多,占比高達(dá)63.86%。根據(jù)沖突LV與FV的速度、加速度變化,將追尾沖突模式劃分為T(mén)1~T13共13小類(lèi),如表1所示,其中、—、依次表示增加、持平、減少3種趨勢(shì)。模式T1~T3、T4~T6分別對(duì)應(yīng)LV、FV均加速和均減速兩種場(chǎng)景,可進(jìn)一步歸納為大類(lèi)Ⅰ、Ⅱ,其余模式T7~T13對(duì)應(yīng)大類(lèi)Ⅲ~Ⅸ。
表1 急彎路段追尾沖突模式指標(biāo)變化
表2 沖突臨界點(diǎn)變量統(tǒng)計(jì)
由表1可知,急彎路段出現(xiàn)的各類(lèi)追尾沖突模式中大類(lèi)Ⅱ、Ⅵ、Ⅰ、Ⅳ占比較高,分別為25.88%、22.38%、20.99%和13.99%,合計(jì)83.24%,剩余大類(lèi)僅占約15%。其中,模式Ⅰ表征了LV、FV均加速情況,其中T2模式占據(jù)了大部分(14.69%),表明在LV、FV均加速導(dǎo)致的追尾沖突中FV加速度是關(guān)鍵影響因素;同樣,模式Ⅱ表征了LV、FV均減速情況,其中T6模式占比最大(14.69%),表明在LV、FV均減速導(dǎo)致的追尾沖突中速度和加速度均有顯著影響。
3.2.1 表征指標(biāo)構(gòu)建
繪制追尾沖突PET序列值的變化曲線,發(fā)現(xiàn)PET變化包含兩種類(lèi)型,如圖4所示。
圖4 追尾沖突PET變化
追尾沖突PET的消散模式可分為兩種,如圖4(a)所示,第1種模式中追尾沖突過(guò)程中PET序列值快速下降,表明沖突FV追尾LV的時(shí)間距離越來(lái)越小,當(dāng)PET減小到一定程度后出現(xiàn)上升趨勢(shì),即此時(shí)沖突FV追尾LV的時(shí)間距離開(kāi)始增大,沖突開(kāi)始消散。如圖4(b)所示,在第2種模式?jīng)_突發(fā)生時(shí)同樣伴隨著PET序列值的快速下降,當(dāng)PET減小到一定程度后不再繼續(xù)減小,而是保持相對(duì)穩(wěn)定并上下波動(dòng),即代表沖突消散。
為細(xì)致刻畫(huà)追尾沖突發(fā)生過(guò)程中PET序列值的動(dòng)態(tài)變化幅度,定義指標(biāo)DPET(derivative of PET),即PET的導(dǎo)數(shù):
(3)
將LV與FV由安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闆_突風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的臨界時(shí)刻定義為沖突臨界點(diǎn)t0,即PET由上升或平穩(wěn)分布開(kāi)始快速下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn),DPET由非負(fù)值轉(zhuǎn)變成負(fù)值的零點(diǎn);將由沖突風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)恢復(fù)到安全駕駛狀態(tài)的臨界點(diǎn)定義為t1,即PET快速下降停止的轉(zhuǎn)折點(diǎn),DPET由負(fù)值轉(zhuǎn)變成非負(fù)值的零點(diǎn)。圖5為DPET指標(biāo)在沖突臨界點(diǎn)和沖突風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)的分布情況。
圖5 DPET分布
根據(jù)圖5(a)DPET值分布情況,在整個(gè)沖突風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)DPET值分布于(-1,0)中的占比約65%,而小于-1的僅占約15%。在沖突臨界點(diǎn),DPET值位于(-1,0)中的占比同樣最多(48%),但相較整個(gè)沖突風(fēng)險(xiǎn)范圍明顯減少,而小于-1的占比有較大幅度的上升。
由圖5(b)可見(jiàn),在沖突臨界點(diǎn)DPET指標(biāo)相對(duì)于整個(gè)沖突過(guò)程呈現(xiàn)更大的負(fù)值,隨后逐漸下降至平緩。這是因?yàn)樵陲L(fēng)險(xiǎn)時(shí)段內(nèi),LV與FV開(kāi)始采取減速或加速操作,導(dǎo)致兩車(chē)間相對(duì)速度等發(fā)生突變,產(chǎn)生更大的沖突風(fēng)險(xiǎn);其后,隨著駕駛?cè)烁兄斤L(fēng)險(xiǎn)并采取避險(xiǎn)措施,PET值下降逐漸放緩,該時(shí)段的DPET值亦呈現(xiàn)出緩和趨勢(shì)。
3.2.2 沖突臨界點(diǎn)回歸模型
選取t0時(shí)刻6個(gè)指標(biāo)速度vLV(t0)和vFV(t0)、加速度aLV(t0)和aFV(t0)、速度差Δv(t0)=vFV(t0)-vLV(t0)、減速度差Δa(t0)=aFV(t0)-aLV(t0)作為輸入變量,列出了自變量與因變量間皮爾遜相關(guān)性的計(jì)算值,一般認(rèn)為p<0.01呈現(xiàn)相關(guān)性、p<0.001呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性,由于篇幅限制,對(duì)于弱相關(guān)變量將不再標(biāo)注。
顯然,t0時(shí)刻DPET(t0)僅與aLV(t0)、aFV(t0)、Δa(t0)顯著相關(guān),且與aLV(t0)正相關(guān),而與aFV(t0)、Δa(t0)顯著負(fù)相關(guān)[15],表明加速度尤其是aFV(t0)對(duì)追尾沖突的演化有重要影響。
以這6個(gè)指標(biāo)為輸入變量進(jìn)行逐步回歸分析,vFV(t0)與aFV(t0)被排除,其余4個(gè)指標(biāo)均能顯著影響DPET(t0)值(p< 0.05),且VIF均小于5,表明各變量間不存在多重共線性[15]。回歸分析模型見(jiàn)表3,R2為0.710,表明所建立的模型能較好解釋DPET(t0)值的變化。
表3 DPET(t0)回歸分析結(jié)果
由表3結(jié)果可知,vFV(t0)、aFV(t0)與Δv(t0)、Δa(t0)是引發(fā)該急彎路段追尾沖突的顯著性影響因素,而vFV(t0)、Δa(t0)對(duì)PET值下降的影響更大,這說(shuō)明控制FV安全運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能有效防控追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)。
3.2.3 沖突風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)回歸模型
針對(duì)急彎路段追尾沖突的4類(lèi)主要沖突模式T2、T6、T8及T10,分別建立其沖突風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)DPET指標(biāo)的回歸分析模型,量化上述6個(gè)輸入因素的影響程度。表4給出了各模式的描述變量統(tǒng)計(jì)及皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果。
表4 典型追尾沖突模式狀態(tài)變量統(tǒng)計(jì)
由表4可知,4類(lèi)主要追尾沖突模式的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)段內(nèi)aLV、aFV、Δv、Δa4個(gè)變量均與DPET值顯著相關(guān),且各變量的相關(guān)程度差異較大。表5給出了各沖突模式下DPET的多元線性回歸分析結(jié)果。
表5 典型追尾沖突模式回歸分析結(jié)果
顯然,對(duì)于各主要沖突模式均有3個(gè)不同顯著變量能較好表征其DPET變化,且Δa在各模式中均對(duì)DPET有顯著影響。此外,該指標(biāo)在T2、T6、T10中標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Beta絕對(duì)值最大,且與其他可解釋變量的Beta值差距較大,說(shuō)明Δa是這些模式中影響急彎路段追尾沖突的主要因素。在T8中,Δa和aFV兩個(gè)變量的Beta絕對(duì)值均較大且差距極小,表明該模式下Δa與aFV對(duì)DPET變化的影響均較大,究其原因在于追尾沖突主要由aFV所引發(fā),且難以被LV及時(shí)發(fā)現(xiàn),因而導(dǎo)致DPET持續(xù)下降。圖6給出了4類(lèi)典型沖突模式的DPET指標(biāo)分布情況。
圖6 典型沖突模式的DPET指標(biāo)分布
由計(jì)算結(jié)果可知,如圖6(a)、6(b)、6(c)所示,T2、T6、T8的DPET指標(biāo)較為接近(-0.376,-0.374,-0.357),但圖6(d)中T10的DPET指標(biāo)存在較大差距(-0.601),表明T10的PET序列值下降最為快速,而其余3類(lèi)模式的下降程度不存在顯著差異。從T2、T6、T8的DPET演化看,分布于[-1,0]中的比例約為65%,小于-1的占比均不到15%,而T10模式中小于-1的占比接近30%,表明T10模式出現(xiàn)PET序列值快速下降的概率遠(yuǎn)大于其他模式,這將導(dǎo)致該模式的追尾沖突危險(xiǎn)性更大,亦是風(fēng)險(xiǎn)防范的著力點(diǎn)[16]。
以臨界沖突時(shí)刻t0對(duì)應(yīng)的FV位置為坐標(biāo),分別提取沖突模式T2、T6、T8及T10,得到追尾沖突在急彎路段上的空間分布,如圖7所示。
圖7 急彎路段追尾沖突空間分布
由圖7可看出急彎路段追尾沖突分布呈現(xiàn)空間聚集性,以圖1中ZZ1點(diǎn)至ZZ2點(diǎn)方向?yàn)樯闲蟹较?從該方向看,主要集中在入彎緩和曲線上游(ZZ1—ZH段)、曲中標(biāo)志斷面下游(QZ—YH的前半段)及出彎緩和曲線下游(HZ—ZZ2段)3處,因此對(duì)t0時(shí)刻這3處的追尾沖突分別進(jìn)行DPET(t0)指標(biāo)的顯著性檢驗(yàn),并列出了自變量與因變量間皮爾遜相關(guān)性的計(jì)算值,結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 不同區(qū)段沖突臨界點(diǎn)顯著性檢驗(yàn)
由回歸分析結(jié)果可知,DPET(t0)在入彎緩和曲線上游受Δa和aFV的顯著影響,其形成與進(jìn)入緩和曲線上游的FV的減速大小有關(guān),此時(shí)LV基本已完成減速,而此時(shí)aFV對(duì)沖突影響顯著,同時(shí)Δa對(duì)沖突影響最為顯著。DPET(t0)在曲中標(biāo)志斷面下游受Δa的影響最為顯著,其形成與曲中斷面后的加速行駛有關(guān)。DPET(t0)在曲線下游受Δa和aFV的顯著影響,其形成與曲中斷面后的加速行駛有關(guān),且主要由于FV加速行駛導(dǎo)致的Δa,進(jìn)而形成追尾沖突。
由表6可見(jiàn),LV的加速行為可降低追尾沖突風(fēng)險(xiǎn),FV的加速行為則恰恰相反,但在3處沖突密集處,上述行為對(duì)追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)的影響程度有明顯差異,即Δv與Δa對(duì)沖突風(fēng)險(xiǎn)的影響存在空間差異性。這是因?yàn)樵诩睆澆煌瑓^(qū)段中,LV與FV往往呈現(xiàn)不同的相對(duì)狀態(tài)。當(dāng)兩車(chē)位于彎道前半段呈接近狀態(tài)時(shí),FV駕駛策略尚未完全確定,其速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化幅度較大,但LV一般選擇逐漸減速策略以通過(guò)彎道,此時(shí)FV更能對(duì)追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生更顯著的影響;當(dāng)兩車(chē)位于彎道后半段呈遠(yuǎn)離狀態(tài)時(shí),與上述情況相反,FV駕駛策略已定而LV駕駛策略開(kāi)始出現(xiàn)變化,導(dǎo)致LV對(duì)追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)的影響上升。
針對(duì)急彎路段追尾事故多發(fā)的特點(diǎn),利用交通沖突技術(shù),系統(tǒng)研究了急彎路段的追尾沖突及其演化機(jī)理,主要研究結(jié)論如下:
1)在急彎路段九大類(lèi)潛在追尾沖突模式中,發(fā)生頻率最高的有四大類(lèi),包括Ⅱ(T6為主)、Ⅵ(T10)、Ⅰ(T2為主)、Ⅳ(T8),占比分別為25.88%、22.38%、20.99%和13.99%。
2)加速度差Δa是急彎路段追尾沖突T2、T6、T10模式中引發(fā)DPET變化的首要因素,影響PET序列的下降程度;aFV與Δa對(duì)T8模式的DPET變化均有顯著影響,但影響程度差異較小;T10模式的DPET均值最小,表明PET序列下降最為劇烈,危險(xiǎn)性較高。
3)急彎路段追尾沖突模式分布具有空間集聚性。T2主要分布于圓曲線下游,T6模式主要分布于入彎緩和曲線上游和出彎緩和曲線下游,T8模式與T10模式主要分布于圓曲線下游,少量分布于入彎緩和曲線段,這與急彎路段上車(chē)速變化特征一致。
本研究提出了急彎路段追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布甄別方法,對(duì)追尾事故防控有較高的理論指導(dǎo)價(jià)值,同時(shí)也為一般彎道及平直路段上沖突風(fēng)險(xiǎn)研究提供了借鑒思路。受時(shí)間所限,本研究?jī)H對(duì)單個(gè)急彎路段的追尾沖突進(jìn)行了系統(tǒng)研究,難以將結(jié)論移植至連續(xù)急彎、彎坡組合等其他事故多發(fā)路段,同時(shí)追尾沖突時(shí)空演化規(guī)律只考慮沖突發(fā)生的可能性,并未體現(xiàn)出潛在碰撞事故的嚴(yán)重程度。后續(xù)應(yīng)拓展研究范圍,可側(cè)向沖突等納入考慮,并研究連續(xù)彎道、回旋曲線等其他形式彎道的交通沖突相關(guān)問(wèn)題,同時(shí)系統(tǒng)考量潛在碰撞事故的發(fā)生概率及嚴(yán)重程度。