遲佳欣，賀玉龍

(北京工業(yè)大學(xué) 交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

交織區(qū)作為高速公路、城市快速路的重要組成部分，其特殊的構(gòu)造使行駛車輛頻繁換道、加減速，容易造成交通紊亂，安全問(wèn)題突出，交織區(qū)進(jìn)一步發(fā)展會(huì)成為交通事故的多發(fā)區(qū)域[1-2]。因此，考慮交織區(qū)的安全性是現(xiàn)實(shí)所需，對(duì)交織區(qū)進(jìn)行合理有效的安全評(píng)價(jià)尤為重要。

國(guó)內(nèi)外不少專家對(duì)交織區(qū)的安全評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。國(guó)外最早對(duì)于交織區(qū)的評(píng)價(jià)方法是以平均速度和服務(wù)水平作為研究參數(shù)[3]。在之后的安全評(píng)價(jià)中越來(lái)越多的學(xué)者以交通事故為基礎(chǔ)進(jìn)行安全分析評(píng)價(jià)。Cirillo利用ISAR數(shù)據(jù)庫(kù)分析發(fā)現(xiàn)交織區(qū)是明顯的事故多發(fā)地，并證明事故率隨交織區(qū)長(zhǎng)度的增加而降低[4]。Manner等人為研究各影響因素與交通安全的關(guān)系，以德國(guó)3年的嚴(yán)重交通事故數(shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，建立Logit模型來(lái)驗(yàn)證結(jié)果，實(shí)際一致性較好[5]。鐘連德等人對(duì)交通事故與大小車速差進(jìn)行相關(guān)分析，依靠事故數(shù)據(jù)建立起回歸模型，證明二者間呈正相關(guān)[6]。但依靠事故數(shù)據(jù)進(jìn)行的安全評(píng)價(jià)存在數(shù)據(jù)不公開(kāi)透明、收集周期長(zhǎng)等應(yīng)用局限，在這種情況下不少專家學(xué)者提出了基于交通沖突的安全評(píng)價(jià)方法。Fazio建議將評(píng)價(jià)交織區(qū)的安全性指標(biāo)由事故率替換為交通沖突[7]。Davis等建立起基于概率的交通沖突模型，由交通沖突數(shù)據(jù)得到預(yù)測(cè)的事故數(shù)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全評(píng)價(jià)[8]。孫璐、沈強(qiáng)儒、李璨等學(xué)者以交通沖突為出發(fā)點(diǎn)，以交通沖突率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，完成對(duì)交織區(qū)的整體評(píng)價(jià)[9-11]。

綜上所述，越來(lái)越多的專家學(xué)者在對(duì)交織區(qū)的安全評(píng)價(jià)上引入交通沖突技術(shù)，該方式克服以事故數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的安全評(píng)價(jià)弊端，但在評(píng)價(jià)過(guò)程中將交織區(qū)看作一個(gè)整體，沒(méi)有對(duì)交織區(qū)進(jìn)行具體的區(qū)域安全分析。且在以交通沖突為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)指標(biāo)確定上，往往忽視沖突類型及嚴(yán)重程度等細(xì)節(jié)區(qū)分，從而影響評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確程度。本文就此研究現(xiàn)狀，開(kāi)展對(duì)基于交通沖突的交織區(qū)安全評(píng)價(jià)方法研究。

1 數(shù)據(jù)采集、提取與交通沖突閾值確定

1.1 交通沖突度量指標(biāo)確定

1.1.1 交織區(qū)交通沖突類型劃分

交織區(qū)車輛面臨的沖突角度大小主要分兩種情況：其一，當(dāng)車輛發(fā)生變道行為時(shí)，此時(shí)發(fā)生的交通沖突角度較大；其二，當(dāng)車輛處于同車道跟車行為，因前車減速行為而造成前后車追尾沖突的角度幾乎為零。圖1是我國(guó)道路交通事故角度分析[12]，圖2是美國(guó)SSAM中的交織區(qū)交通沖突角度劃分[13]，綜合考慮，可將發(fā)生在本文的交織區(qū)沖突劃分為兩種：一種是交通沖突角度小于15°的追尾沖突，另一種則是交通沖突角度大于15°的側(cè)撞沖突。

圖1 道路交通事故角度分析示意圖

圖2 SSAM交通沖突角度劃分

1.1.2 交織區(qū)度量指標(biāo)選取

在對(duì)交織區(qū)沖突類型確定后，根據(jù)沖突類型及判定指標(biāo)的適用范圍，確定各類型交通沖突最適合的沖突度量指標(biāo)?？偨Y(jié)度量指標(biāo)類型及適用條件，如表1所示。

表1 交通沖突度量指標(biāo)分類總結(jié)

為保證交通沖突數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的準(zhǔn)確性，結(jié)合實(shí)際，最終確定將沖突碰撞時(shí)間(TTC)作為交織區(qū)追尾沖突的度量指標(biāo)，將后侵入時(shí)間(PET)作為交織區(qū)側(cè)撞沖突的度量指標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)采集、提取

依靠高點(diǎn)視頻進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集提取。調(diào)查地點(diǎn)為北京市快速路4個(gè)帶有集散車道的主線三車道交織區(qū)，調(diào)查交織區(qū)的具體名稱及對(duì)應(yīng)編號(hào)，如表2所示。為獲取交織區(qū)不同交通狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，調(diào)查時(shí)段從8：00—15：00，但考慮到數(shù)據(jù)提取處理的工作量，對(duì)每小時(shí)進(jìn)行前15 min的調(diào)查數(shù)據(jù)提取,其中對(duì)交織區(qū)交通沖突數(shù)據(jù)的提取采用主客觀相結(jié)合的方式。交通沖突的主觀判定需要經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程。首先，觀察人員通過(guò)對(duì)視頻的反復(fù)觀看選擇出可能發(fā)生沖突的車輛對(duì)象，然后根據(jù)交通沖突的發(fā)生定義初步判定兩車是否發(fā)生交通沖突；其次，根據(jù)沖突角度判別交通沖突類型；最后，根據(jù)主觀感受及視頻反復(fù)觀察沖突車輛是否出現(xiàn)緊急制動(dòng)減速或大幅度轉(zhuǎn)向，若出現(xiàn)則為嚴(yán)重沖突，若變化程度較輕則為一般沖突。

表2 調(diào)查地點(diǎn)及對(duì)應(yīng)編號(hào)

將所有主觀判定沖突通過(guò)Tracker和Adobe Premiere Pro軟件計(jì)算對(duì)追尾沖突的TTC和側(cè)撞沖突的PET進(jìn)行客觀提取計(jì)算。TTC與PET的提取計(jì)算原理如圖3、圖4所示。

TTC=tb-ta;

(1)

PET=t2-t1.

(2)

圖3 追尾沖突TTC的計(jì)算原理示意圖

圖4 側(cè)撞沖突PET的計(jì)算方法

1.3 交通沖突閾值確定

將在交通工程方面有著廣泛應(yīng)用的85%位累計(jì)頻率曲線分析法，應(yīng)用到交織區(qū)交通沖突嚴(yán)重程度的閾值確定上，以85%對(duì)應(yīng)數(shù)值作為沖突判定的臨界值。圖5為各類型不同嚴(yán)重程度沖突對(duì)應(yīng)的累計(jì)頻率分布圖。

經(jīng)累計(jì)頻率分析確定臨界閾值，如表3所示。

表3 交織區(qū)各類交通沖突嚴(yán)重程度閾值界定

圖5 交織區(qū)各類型不同嚴(yán)重程度沖突累計(jì)頻率分布

2 交織區(qū)整體安全評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法確定

對(duì)交織區(qū)安全評(píng)價(jià)方法的選擇要滿足兩個(gè)特性：一為應(yīng)用的成熟性；二為運(yùn)用的便利性。將目前常用于交通評(píng)價(jià)中的方法進(jìn)行總結(jié)整理，具體如表4所示。

表4 交通安全評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)及適用條件

首先，考慮到層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法及貝葉斯估計(jì)法的主觀性影響；其次，考慮影響及現(xiàn)有條件對(duì)全部安全指標(biāo)信息的不完全掌握，即在信息灰色性的情況下，將本文交織區(qū)的整體安全評(píng)價(jià)方法鎖定為灰色聚類評(píng)價(jià)法。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

以往研究中關(guān)于交織區(qū)的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)選取主要集中于交通沖突數(shù)、交通沖突數(shù)與交通量的比重或交通沖突數(shù)與交通量、交織區(qū)長(zhǎng)度的比值上[9,14]，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)主要針對(duì)的是交通沖突的數(shù)量及交通流情況，并沒(méi)有對(duì)所發(fā)生的沖突進(jìn)行分類別、分嚴(yán)重程度的分析。不同類型、不同嚴(yán)重程度交通沖突帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)傷害是不同的，忽視此狀況下的評(píng)價(jià)結(jié)果不夠精準(zhǔn)。因此，本文提出將交通沖突分類別、分嚴(yán)重程度地明確劃分綜合考慮的交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)-沖突綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

交織區(qū)交通沖突綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的確定，首先需要對(duì)交織區(qū)沖突的類別及嚴(yán)重程度的權(quán)重進(jìn)行確定。類別權(quán)重的確定不能從單一的調(diào)查數(shù)據(jù)的沖突數(shù)據(jù)比例確定?？紤]到?jīng)_突與事故間前期發(fā)生過(guò)程及原理相同，因此將相同事故形態(tài)沖突對(duì)應(yīng)的事故平均直接財(cái)產(chǎn)損失作為劃分權(quán)重的基礎(chǔ)。將2015—2018年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)中的側(cè)面碰撞事故與追尾碰撞事故的數(shù)量，以及直接財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表5所示。將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求得側(cè)面碰撞與追尾碰撞的平均財(cái)產(chǎn)損失，并進(jìn)行權(quán)重確定。由表6可確定出交織區(qū)的追尾沖突與側(cè)撞沖突的對(duì)應(yīng)權(quán)重，分別為0.54與0.46。

表5 道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表6 與交通沖突形態(tài)對(duì)應(yīng)的事故形態(tài)權(quán)重計(jì)算

在交通沖突嚴(yán)重程度的權(quán)重確定上，主要是從追尾沖突和側(cè)撞沖突嚴(yán)重程度的確定指標(biāo)入手。當(dāng)TTC與PET的取值越小時(shí)，沖突的嚴(yán)重程度越明顯，二者間呈反向相關(guān)。因此，以所獲得的不同嚴(yán)重沖突程度的沖突數(shù)據(jù)平均值倒數(shù)作為計(jì)算權(quán)重。具體權(quán)重計(jì)算如表7所示。

由此，交織區(qū)交通沖突綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)計(jì)算的具體計(jì)算式為

TCC=0.54×(0.65×Rs+0.35×Rg)+

0.46×(0.69×Ss+0.31×Sg).

(3)

式中：TCC為交織區(qū)交通沖突綜合危險(xiǎn)數(shù)，次/h；Rs為交織區(qū)嚴(yán)重追尾沖突數(shù)，次/h；Rg為交織區(qū)一般追尾沖突數(shù)，次/h；Ss為交織區(qū)嚴(yán)重側(cè)撞沖突數(shù)，次/h；Sg為交織區(qū)一般側(cè)撞沖突數(shù)，次/h。

表7 不同嚴(yán)重程度的沖突權(quán)重確定

對(duì)交織區(qū)的交通安全評(píng)價(jià)不能只考慮交通沖突，還應(yīng)考慮交通流狀況及交織區(qū)自身特征，因此，引入交織區(qū)交通量、交織區(qū)車道數(shù)及交通區(qū)長(zhǎng)度作為最終的交織區(qū)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算為

(4)

(5)

式中：k1為交織區(qū)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)1，交通量沖突風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)率；k2為交織區(qū)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)2，密度沖突風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)率；Qw為單位時(shí)間交織區(qū)總交通量，pcu/h；N為交織區(qū)的車道數(shù)；Lw為交織區(qū)長(zhǎng)度，m。

2.3 整體安全評(píng)價(jià)應(yīng)用

對(duì)調(diào)查的四個(gè)交織區(qū)進(jìn)行整體安全評(píng)價(jià)。

2.3.1 建立評(píng)價(jià)矩陣

選取四個(gè)交織區(qū)k1、k2對(duì)應(yīng)樣本數(shù)值組成評(píng)價(jià)矩陣

(6)

2.3.2 確定安全等級(jí)及對(duì)應(yīng)白化值

參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在交通工程中經(jīng)常選擇用累計(jì)頻率的劃定作為評(píng)價(jià)等級(jí)的區(qū)分值。引用該方法將調(diào)查數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)累計(jì)頻率的15%位、40%位、60%位及85%位對(duì)應(yīng)值分別作為交織區(qū)整體安全評(píng)價(jià)的劃定區(qū)分值，在此基礎(chǔ)上將交織區(qū)的安全評(píng)價(jià)水平劃分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)的四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)[15]。獲得的交織區(qū)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同灰類的白化值，如表8所示，圖6為白化權(quán)函數(shù)的具體示意圖。

表8 交織區(qū)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的各灰類的白化值

圖6 交織區(qū)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)白化權(quán)函數(shù)示意圖

2.3.3 確定聚類權(quán)

聚類權(quán)的確定是為了確定各安全評(píng)價(jià)指標(biāo)落入不同灰類的權(quán)重。具體權(quán)重計(jì)算式為

(7)

經(jīng)計(jì)算求得各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于各評(píng)價(jià)灰度的聚類權(quán)重值，如表9所示。

表9 交織區(qū)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的聚類權(quán)重

2.3.4 灰色聚類分析、安全評(píng)價(jià)等級(jí)確定

(8)

通過(guò)計(jì)算求得的交織區(qū)聚類評(píng)價(jià)矩陣為

(9)

取評(píng)價(jià)值最大的所在等級(jí)作為該交織區(qū)的整體評(píng)價(jià)等級(jí)。四個(gè)交織區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果如表10所示。

3 交織區(qū)行駛區(qū)域安全評(píng)價(jià)

除了對(duì)交織區(qū)從整體進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，為探究交織區(qū)行駛區(qū)域內(nèi)是否存在明顯的安全區(qū)分，從車道位置、行駛區(qū)段兩方面進(jìn)行安全分析?？紤]到兩方面的安全分析只有位置這一個(gè)變化因素，因此，運(yùn)用單因素方差分析法對(duì)交織區(qū)行駛區(qū)域進(jìn)行安全分析。

表10 交織區(qū)整體安全評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 不同車道安全分析

考慮到調(diào)查交織區(qū)最內(nèi)側(cè)車道發(fā)生沖突次數(shù)很少，對(duì)除了最內(nèi)側(cè)車道外的其他車道進(jìn)行安全分析，以車道的沖突發(fā)生概率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體計(jì)算式為

(10)

式中：Pi為交織區(qū)i車道發(fā)生交通沖突概率，次/h；Ni為交織區(qū)i車道發(fā)生的沖突數(shù)，次；t為交通沖突的調(diào)查時(shí)間，h。

由計(jì)算式可知，P值越大代表該車道發(fā)生危險(xiǎn)的可能越大，安全性越低。通過(guò)單因素方差分析，由表11的結(jié)果可知，調(diào)查交織區(qū)不同車道間的安全水平存在顯著差異。

表11 交織區(qū)沖突風(fēng)險(xiǎn)概率ANOVA分析結(jié)果

由表12不同車道沖突風(fēng)險(xiǎn)概率結(jié)果比較可知，調(diào)查交織區(qū)集散車道的沖突風(fēng)險(xiǎn)概率明顯小于車道2、車道3，車道3的沖突風(fēng)險(xiǎn)概率最高。

表12 交織區(qū)不同車道沖突風(fēng)險(xiǎn)概率比較

3.2 不同行駛區(qū)段安全分析

由于調(diào)查交織區(qū)的長(zhǎng)度不同，因此，不能做相同區(qū)段數(shù)的等段劃分。本文就交織區(qū)自身進(jìn)行均等4段劃分，以便基于不同調(diào)查交織區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一區(qū)段安全分析，如圖7所示。

圖7 交織區(qū)行駛區(qū)段劃分

行駛區(qū)段的安全分析從交通沖突及頻繁的車輛變道上考慮，以變道風(fēng)險(xiǎn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為

(11)

由表13得出分析結(jié)果，調(diào)查交織區(qū)在行駛區(qū)段不存在顯著的安全差距。

表13 交織區(qū)變道風(fēng)險(xiǎn)ANOVA分析結(jié)果

3.3 交織區(qū)行駛區(qū)域安全評(píng)價(jià)

將車道及行駛區(qū)段安全分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定調(diào)查交織區(qū)在行駛區(qū)域上安全水平存在明顯區(qū)別，主要體現(xiàn)在車道區(qū)分上。由圖8可知車道3所在的紅色區(qū)域最危險(xiǎn)，其次為車道2所在的黃色區(qū)域，集散車道所在的綠色區(qū)域危險(xiǎn)最小。

圖8 交織區(qū)行駛區(qū)域評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以交通沖突為基礎(chǔ)進(jìn)行交織區(qū)安全評(píng)價(jià)方法研究，從交織區(qū)整體及具體行駛區(qū)域兩方面進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。首先，交織區(qū)整體評(píng)價(jià)運(yùn)用灰色聚類評(píng)價(jià)法，以綜合交織區(qū)沖突類型及嚴(yán)重程度的綜合沖突風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。該指標(biāo)較以往評(píng)價(jià)指標(biāo)的考慮更為全面，所得評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確。其次，分別從車道和行駛區(qū)段進(jìn)行交織區(qū)安全分析，

分析結(jié)果表明交織區(qū)內(nèi)具體行駛區(qū)域存在明顯的安全區(qū)別，所調(diào)查交織區(qū)在車道位置上的安全區(qū)分明顯。

本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自于同一類型交織區(qū)，均為主線三車道帶有集散車道的快速路交織區(qū)，在之后的研究中可將該評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于其他類型的交織區(qū)，適用評(píng)價(jià)范圍有待進(jìn)一步驗(yàn)證擴(kuò)大。