胡立偉，于廣浩，張 婷 HU Liwei,YU Guanghao,ZHANG Ting

（昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引言

城市快速通道銜接節(jié)點定義為：介于城市交通干道與快速通道之間的節(jié)點，快速通道（城市道路）上車輛經(jīng)變道及車速變換進(jìn)入節(jié)點，最后接入地面城市道路（快速通道）整個過程所形成區(qū)域。而車輛在快速通道上行駛，車道及相應(yīng)車速變換是較為常見行為，是駕駛員針對周圍車輛車速和間距等環(huán)境信息刺激，及時做出相應(yīng)反應(yīng)以期達(dá)到期望駕駛目的標(biāo)綜合行為[1]。但是由于車輛換道行為較為復(fù)雜，駕駛員換道過程中所涉及因素較多，使得駕駛員容易產(chǎn)生錯誤判斷，容易使得車輛處于交通風(fēng)險之中。

目前，學(xué)者們針對城市快速通道銜接節(jié)點安全問題進(jìn)行較多相關(guān)研究。趙倩[2]通過對銜接節(jié)點交通事故分析，提出銜接節(jié)點交通安全評價指標(biāo)，最終達(dá)到降低節(jié)點交通事故與提高節(jié)點服務(wù)水平目的；馬艷麗[3]等通過識別入口匝道匯入車輛與主線車輛之間交通沖突，構(gòu)建沖突識別模型，模型驗證表明可有效識別合流區(qū)潛在沖突；徐慧智[4]等通過實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)車道變換與交通流運(yùn)行速度之間關(guān)系，并進(jìn)行量化分析；孫露[5]等人使用交通沖突技術(shù)結(jié)合交通仿真軟件研究交織區(qū)交通安全狀況，結(jié)果表明交織區(qū)交通沖突率越高，其服務(wù)水平往往越低；王世明[6]通過研究車輛換道過程中與周圍車輛相對位置關(guān)系，提出車輛換道安全預(yù)警模型；孟祥海[7]通過建立概率風(fēng)險和速度風(fēng)險等兩類事故風(fēng)險模型研究高速公路銜接節(jié)點車輛分合流安全性，結(jié)果顯示駕駛員在分合流時分流和合流具有相同水平安全性；Vechione[8]等使用統(tǒng)計學(xué)方法，通過比較節(jié)點上強(qiáng)制變道和自由變道期間駕駛員行為，研究變道行為對于駕駛員決策影響。上述研究雖然建立一定分析方法和模型，但所提出措施不夠系統(tǒng)，并未針對銜接節(jié)點風(fēng)險較高區(qū)間提出對癥措施，且相關(guān)研究往往把快速通道銜接節(jié)點作為普通平面交叉口進(jìn)行處理，導(dǎo)致銜接節(jié)點安全風(fēng)險研究處于較未受重視狀態(tài)。

為提高快速通道銜接節(jié)點處安全水平，使快速通道更好發(fā)揮自身功能，迫切需要對快速通道銜接節(jié)點安全問題進(jìn)行研究。本文通過研究駕駛員車輛變道規(guī)律及車速變化，從道路、車輛等因素選取識別指標(biāo)，應(yīng)用模糊綜合評價方法準(zhǔn)確識別銜接節(jié)點交通風(fēng)險，并針對識別結(jié)果提出相應(yīng)安全改善措施。

1 城市快速通道銜接節(jié)點換道及車速規(guī)律分析

1.1 城市快速通道典型銜接節(jié)點路段劃分

為對城市快速通道銜接節(jié)點交通風(fēng)險進(jìn)行識別，本文選取云南省昆玉高速昆明市境內(nèi)快速通道樁號K11+115m作為典型銜接節(jié)點進(jìn)行研究，該節(jié)點為互通式立交匝道形式，主線為單向三車道，車道寬度為3.75m。車道1表示最內(nèi)側(cè)車道，銜接節(jié)點內(nèi)側(cè)車道交通量約為1 286veh·h-1，外側(cè)車道交通量為1 373veh·h-1。由于該路段未實施車道限制，各種車型混合行駛。為分析車輛車道變化、運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，選取2018年5月24～26連續(xù)三日上午8：00～13：00交通流作為樣本，并使用GPS、激光測速儀、高清攝像機(jī)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

由于測得銜接節(jié)點不同路段車速空間跨度較大，且不同路段行車環(huán)境差異也較大，導(dǎo)致行車規(guī)律存在較大差異。所以需要對銜接節(jié)點進(jìn)行分段。本文使用K—均值聚類法[9]方法進(jìn)行分段，目標(biāo)函數(shù)：每一個數(shù)據(jù)點zi與其最接近聚類中心距離平方和最?。ㄔ撈椒胶头Q為方差D）。

式中：cr表示第r個聚類中心；K為聚類數(shù)；表示數(shù)據(jù)點zi到聚類中心cr距離。

考慮到分段—聚類法分段個數(shù)對聚類結(jié)果產(chǎn)生影響及分段依據(jù)變量不唯一，因此結(jié)合波動系數(shù)[10]作為指標(biāo)反映曲線波動劇烈程度，以修正分段結(jié)果。波動系數(shù)定義為：

其中：S為采樣點個數(shù)；ωi為第i個數(shù)據(jù)采集點數(shù)值，最終分段結(jié)果及各檢測路段車速波動系數(shù)見表1。

依據(jù)美國《公路通行能力手冊》中分合流影響區(qū)定義：分流影響區(qū)定義為從出口匝道和主線連接線處到主線上游450m內(nèi)；合流影響區(qū)是指從進(jìn)口匝道開始處到主線下游450m內(nèi)[11]。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果看，車輛變道行為一般發(fā)生在距離上下游鼻端較遠(yuǎn)位置，為使研究結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確，本文現(xiàn)將銜接節(jié)點影響區(qū)范圍延長并分段如圖1所示。其中，銜接節(jié)點過渡段表示駕駛員通過觀察目標(biāo)車道交通流及間隙情況，評估變道可用性變道和車速調(diào)整區(qū)段；銜接節(jié)點調(diào)整段表示車輛進(jìn)出節(jié)點前后調(diào)整車頭位置及車速區(qū)段。

表1 分組結(jié)果與波動系數(shù)

圖1 銜接節(jié)點分段及行車運(yùn)行軌跡圖

1.2 城市快速通道典型銜接節(jié)點換道規(guī)律描述

本次調(diào)查數(shù)據(jù)共收集636次變道數(shù)量，具體數(shù)據(jù)和處理結(jié)果如表2所示。

表2 銜接節(jié)點車輛變道位置分布

從調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，快速通道上進(jìn)出銜接節(jié)點車道變換與普通道路存在較大差別，具體規(guī)律如下：相較于普通地面道路，快速通道車流量較少車速較快，相應(yīng)變道次數(shù)相較于普通道路節(jié)點也較少；大部分車輛由于在抵達(dá)銜接節(jié)點內(nèi)部段前已經(jīng)處于最外側(cè)車道，所以可以直接減速匯入變速車道進(jìn)入節(jié)點，因此，車輛變道位置大多集中于1、2和5等車道前半段；車輛進(jìn)出銜接節(jié)點一般采取連續(xù)變道到變速車道，較少情況有采取分次變道方式；另外，從調(diào)查數(shù)據(jù)來看，除產(chǎn)生進(jìn)入銜接節(jié)點車輛之外，很少有車輛會在快速通道上進(jìn)行隨意變道，超車變道行為也很少發(fā)生。

路段1、2處變道行為大部分集中在0～500m區(qū)間內(nèi)，路段5處變道行為主要集中在0～60m，分別占到66%和28%。通過SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，車輛變道位置與交通風(fēng)險相關(guān)性系數(shù)為0.814，顯著性水平為0.002＜0.05，表明車輛變道位置與交通風(fēng)險發(fā)生位置有著較大相關(guān)性，在合理風(fēng)險區(qū)間進(jìn)行合理變道可以有效規(guī)避因車道變換帶來交通風(fēng)險。

1.3 城市快速通道典型銜接節(jié)點運(yùn)行速度規(guī)律描述

主線車輛混合行駛時，車道1車速分布主要集中在75～115km/h之間，最大車速為117km/h，最低車速為59.7km/h，累計頻率曲線85%車速約為94km/h；車道2車速主要分布在55～105km/h之間，最大速度為108km/h，最小速度為42km/h，速度極差為78km/h，累計頻率曲線中85%車速約為76km/h，與車道1車速相較不大；混合行駛時，由于車型較為復(fù)雜兼有車輛從內(nèi)側(cè)車道減速變道至減速車道，車道3地點平均車速為58km/h，同時，由于車輛性能差異較大，車速極差也較為明顯，最大車速為83km/h，最低速度僅有32km/h，85%車速為64km/h；由于受（加）減速限速標(biāo)識影響，（加）減速車道上車輛車速較低，分布較為平均，分布在27～43km/h；城市道路受限速影響，各車道車速分布較低，城市車道85%車速約為24km/h，車道2車速為22km/h。對各車道車速樣本進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)均符合威布爾分布，分布函數(shù)統(tǒng)計如表3所示。

表3 各車道速度分布函數(shù)統(tǒng)計

由于駕駛員進(jìn)行變道前需要觀察車道間隙及交通流狀況，必然引發(fā)車速改變，而相比于速度絕對值，車輛速度變化差值與交通風(fēng)險之間關(guān)聯(lián)性更加緊密。速度變化值越大，安全隱患越大。本文從銜接節(jié)點過渡段開始收集自由流狀態(tài)下車輛運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，具體速度變化趨勢如圖2所示。

圖2 車流駛離通道進(jìn)入節(jié)點與主線速度變化曲線

由上文可知，變道行為主要發(fā)生在銜接節(jié)點過渡段和加減速段，對應(yīng)圖2中灰色陰影部分。圖2中銜接節(jié)點過渡段100m范圍內(nèi)主線車輛和節(jié)點車輛車速開始發(fā)生較大波動，到減速段波動變化明顯。主要原因是主線車輛需要變道進(jìn)入節(jié)點而與相鄰車道車輛發(fā)生沖突，車速相互影響。而在加減速段接近鼻端100m之后鮮有車輛發(fā)生變道行為，主線車輛恢復(fù)正常車速。而由于節(jié)點限速，進(jìn)入節(jié)點內(nèi)部車輛繼續(xù)進(jìn)行減速行為直至滿足限速要求，當(dāng)車輛駛離節(jié)點又會發(fā)生短距離車速調(diào)整以滿足地面道路車速要求順利匯入車流。

2 城市快速通道銜接節(jié)點交通風(fēng)險識別模型構(gòu)建

有時對目標(biāo)進(jìn)行識別評判時候，需要考慮因素過多，并且這些指標(biāo)并不隸屬于同一級，則這些指標(biāo)就無法在同一層級進(jìn)行評判，此時需要將這些因素分成不同層級，逐級進(jìn)行評判，這種方法叫做多級模糊綜合評判模型。城市快速通道銜接節(jié)點交通風(fēng)險識別是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，適合采用模糊綜合評判進(jìn)行評價。

圖3 城市快速通道銜接節(jié)點交通風(fēng)險識別體系

2.1 交通風(fēng)險識別指標(biāo)選取

本文結(jié)合以往快速通道銜接節(jié)點交通事故成因分析，將上文分析車道變換和車速因素加入到銜接節(jié)點交通風(fēng)險識別體系中，按照道路平縱橫斷面因素、車輛因素和其他因素3方面選取指標(biāo)，對快速通道銜接節(jié)點交通風(fēng)險識別指標(biāo)進(jìn)行選取。道路因素包括銜接節(jié)點超高、銜接節(jié)點車道寬度、通道車道數(shù)、銜接節(jié)點縱坡坡度及銜接節(jié)點豎曲線半徑；車輛因素包括車輛運(yùn)行速度和車道變換；其他因素包括視距和交通量，具體見圖3。

2.2 隸屬度矩陣及權(quán)重確定

此處以銜接點過渡段為例，設(shè)定R為識別對象U到V模糊關(guān)系，根據(jù)構(gòu)造2級識別指標(biāo)體系來構(gòu)造單因素識別矩陣，具體如下：

矩陣中，r11,11表示銜接節(jié)點圓曲線半徑因素u11對評價等級v1隸屬度，其他以此類推。同理可得到第二級隸屬度矩陣R1、R2、R3。

評價因素權(quán)重反映各個因素在評價過程中相對于整體重要程度，可以直接影響到綜合評價結(jié)果。常用確定權(quán)重（重要程度）方法有專家評定法、因素敏感法及層次分析法等。其中層次分析法因為采用各因素之間兩兩對比方法確定各因素權(quán)重，避免直接確定權(quán)重，具有實用性、系統(tǒng)性等優(yōu)點[12]。因此本文采用層次分析方法確定各個因素權(quán)重。

在層次分析法中，由于決策人單獨確定指標(biāo)權(quán)重過于主觀，因此，本文引入基于群組決策改進(jìn)層次分析法，利用多名專家打分?jǐn)?shù)據(jù)，提煉客觀數(shù)據(jù)。本文邀請具有從事道路交通安全研究領(lǐng)域工作超過10年的專家10名，其中7名具有博士學(xué)位，3名具有碩士學(xué)位。

表4 典型快速通道銜接節(jié)點過渡段綜合評判矩陣

3 實例分析

3.1 城市快速通道典型銜接節(jié)點工程概況

昆玉高速昆明市境內(nèi)快速通道全線長21.657km，單向三車道，快速通道橫穿昆明市官渡、呈貢區(qū)，是昆明市連接其他區(qū)域最主要快速通道。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該快速通道共有銜接節(jié)點6處。

3.2 城市快速通道典型銜接節(jié)點交通風(fēng)險識別

以昆玉高速樁號為K11+115m典型銜接節(jié)點過渡段為例，本文根據(jù)工程資料和前文構(gòu)建影響銜接節(jié)點安全3級指標(biāo)U，相對于評價等級V確定該典型銜接節(jié)點模糊綜合評價矩陣，如表4所示。

對基于專家打分?jǐn)?shù)據(jù)銜接點過渡段目標(biāo)層影響因素構(gòu)建判斷矩陣。通過求解權(quán)重向量為：

其中：λmax表示評價矩陣最大特征值；α表示評價矩陣特征向量；CI表示一致性指標(biāo)；CR表示隨機(jī)一致性比值。根據(jù)結(jié)果：CR＜0.1，故判斷一致性可接受。

同理，對第一級、第二級評價因素權(quán)重進(jìn)行計算，結(jié)果如表5、表6所示。

表5 第一級因素權(quán)重矩陣

表6 第二級因素權(quán)重矩陣

由計算出各級因素權(quán)重ω和評價向量α即可計算出綜合隸屬度向量B，使用最大隸屬度法即可計算出對應(yīng)銜接節(jié)點安全風(fēng)險，其中隸屬度向量B可表示為：

向量B為包含4個指標(biāo)行向量，這4個指標(biāo)與4個評價指標(biāo)等級相對應(yīng)。

本文定義隸屬度向量B安全等級為（安全，較為安全，不安全，極不安全 ），經(jīng)數(shù)值計算及判定，現(xiàn)提出隸屬度向量B閾值范圍為：隸屬度向量B（ 0.97,1 ）表示安全等級； （0.9 4,0.97 ）表示較為安全； （0.9 1,0.94）表示不安全等級；（0.8 8,0.91）表示極不安全等級。

本文依次對第1、2級指標(biāo)因素進(jìn)行綜合評判。將由表6可得單因素評判矩陣R11，與相應(yīng)權(quán)重帶入公式（7），最后可得：

由隸屬度最大原則，評價結(jié)果為0.9183，屬于安全等級3（不安全）。

3.3 城市快速通道典型銜接節(jié)點交通風(fēng)險識別結(jié)果

由于篇幅原因，剩下4段銜接節(jié)點各檢測區(qū)間計算過程不再贅述，計算結(jié)果如表7所示：

為驗證模型適用性，本文根據(jù)構(gòu)建模糊綜合評價模型，對昆玉高速昆明市境內(nèi)快速通道全線6個銜接節(jié)點進(jìn)行交通風(fēng)險識別，并根據(jù)安全等級劃分得到各個銜接節(jié)點安全狀況，結(jié)果如下：有10個路段為安全等級，11個路段為較為安全，6個路段為不安全等級，3個路段為極不安全等級。

表7 昆玉高速K11+115m關(guān)鍵快速銜接節(jié)點各段風(fēng)險識別結(jié)果

4 結(jié)論

本文從分析影響快速通道銜接節(jié)點安全因素入手，構(gòu)建基于多級模糊綜合評判方法交通風(fēng)險識別模型，并利用該識別模型對云南省昆玉高速昆明市境內(nèi)快速通道K11+115m銜接節(jié)點過渡段進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明，銜接節(jié)點過渡段、加減速段相較其他區(qū)間具有較高風(fēng)險等級。其中換道和運(yùn)行速度是其中重要影響因素。改善措施如下：（1）銜接節(jié)點過渡段和加減速段是車輛換道頻繁區(qū)域，應(yīng)當(dāng)適量增加警示標(biāo)牌、限速標(biāo)志等設(shè)施來引導(dǎo)車輛及時換道調(diào)整速度進(jìn)入節(jié)點。（2）可在銜接節(jié)點加減速段適量增加凸面鏡，方便駕駛員轉(zhuǎn)彎時及時發(fā)現(xiàn)來往車輛信息，方便駕駛員及時做出車速調(diào)整，避免交通事故發(fā)生。

最后對云南省昆玉高速昆明市境內(nèi)快速通道全線6個銜接節(jié)點進(jìn)行交通風(fēng)險識別，驗證所建模型有效性。準(zhǔn)確識別快速通道銜接節(jié)點交通風(fēng)險，可為車路協(xié)同下銜接節(jié)點車輛提供正確駕駛決策，進(jìn)而可以減少銜接節(jié)點處交通事故發(fā)生，提升整個銜接節(jié)點交通安全水平。