楊曉春,韋凌翔,廖明軍 ,羅小萌,唐辰佳
(1.鹽城工學(xué)院保衛(wèi)處,江蘇 鹽城 224051;2.鹽城工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051;3.道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心 湖南 長(zhǎng)沙 410076)
非機(jī)動(dòng)車(chē)作為符合我國(guó)國(guó)情并擁有廣泛群眾基礎(chǔ)的代步工具,在現(xiàn)階段具有不可替代性[1]。由于其具有輕便、靈巧、價(jià)格低、能耗少等特點(diǎn),越來(lái)越受到普通居民的歡迎,因此使用非機(jī)動(dòng)車(chē)的群體急劇膨脹[2]。以前的非機(jī)動(dòng)車(chē)主要是指人力自行車(chē),隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電動(dòng)自行車(chē)也成為了非機(jī)動(dòng)車(chē)組成中不可或缺的部分。電動(dòng)自行車(chē)是指以蓄電池作為輔助能源,在普通自行車(chē)的基礎(chǔ)上安裝了電機(jī)、控制器、蓄電池、轉(zhuǎn)把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機(jī)電一體化的個(gè)人交通工具[3]。目前,電動(dòng)自行車(chē)在短距離出行占據(jù)的比例越來(lái)越高,尤其是在南方二三線城市,占比甚至高達(dá)0.9,以其能耗低、無(wú)污染以及在城市道路上靈活方便的特點(diǎn),成為廣大市民的出行首選。在城市平面信控交叉口中,非機(jī)動(dòng)車(chē)搶行、侵占機(jī)動(dòng)車(chē)行駛空間的行為是降低城市路網(wǎng)通行能力、誘發(fā)交通事故的重要致因,對(duì)城市道路的通行安全構(gòu)成威脅[4]。其中,非機(jī)動(dòng)車(chē)在城市平面信控交叉口左轉(zhuǎn)的過(guò)程中,具有車(chē)流分散性強(qiáng)、行車(chē)曲線不規(guī)則、與左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)近距離行駛等特點(diǎn),所以非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)駕駛違法行為是引發(fā)城市平面信控交叉口非機(jī)動(dòng)車(chē)交通事故的關(guān)鍵成因之一。對(duì)城市平面信控交叉口非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)安全機(jī)理進(jìn)行深入分析,可以為日后交叉口左轉(zhuǎn)交通設(shè)施的改善、非機(jī)動(dòng)車(chē)等弱勢(shì)群體出行以及降低交通事故提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。因此,對(duì)城市平面信控交叉口的非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)設(shè)施進(jìn)行安全分析具有重要意義。
目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)駕駛行為的研究多從非機(jī)動(dòng)車(chē)的基本行車(chē)特性和與機(jī)動(dòng)車(chē)的沖突入手,其具體成果包括:邵春福等[5]研究左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)二次過(guò)街對(duì)信號(hào)交叉口運(yùn)行效率的影響,建立了非機(jī)動(dòng)車(chē)影響下的機(jī)動(dòng)車(chē)通行能力模型,分析了左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)平均延誤;劉軾介[6]在論述非機(jī)動(dòng)車(chē)在交叉口處左轉(zhuǎn)組織形式的基礎(chǔ)上,針對(duì)比較典型的非機(jī)動(dòng)車(chē)與機(jī)動(dòng)車(chē)同相位直接左轉(zhuǎn)的形式,建立了機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行軌跡間最短距離模型;楊曉光等[7]分析了行人?非機(jī)動(dòng)車(chē)與左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)的沖突特征,改進(jìn)了許可相位條件下左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)的行人?非機(jī)動(dòng)車(chē)修正系數(shù)計(jì)算模型。綜上所述,目前對(duì)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)交通沖突問(wèn)題的關(guān)注相對(duì)有限,并且多是從事故特性等角度進(jìn)行分析[8?9],對(duì)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)可能產(chǎn)生的交通沖突沒(méi)有全面考慮非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)交通設(shè)施對(duì)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛安全的影響。
基于此,本文將通過(guò)構(gòu)建信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)交通沖突模型,定量分析左轉(zhuǎn)車(chē)速、左轉(zhuǎn)交通量、左轉(zhuǎn)導(dǎo)行線、左轉(zhuǎn)間距、中心圈和交通沖突的關(guān)系,對(duì)影響信號(hào)交叉口非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)安全的顯著性設(shè)施因素進(jìn)行分析,分析結(jié)論為提高城市信號(hào)交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)的駕駛安全和改善左轉(zhuǎn)安全設(shè)施提供了較為科學(xué)可靠的理論和數(shù)據(jù)支撐。
目前國(guó)內(nèi)大部分的信控交叉口都設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的左轉(zhuǎn)信號(hào)相位。依據(jù)《城市道路標(biāo)志標(biāo)線設(shè)置指南》(GB51038—2015)等規(guī)范,確定本文研究交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)通行空間圖布局如圖1 所示。
圖1 非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)通行空間圖
本文選擇開(kāi)放大道與建軍路、建軍路與文港路、大慶路與文港路等5 個(gè)有左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位交叉口作為研究對(duì)象,采用錄像調(diào)查法調(diào)查選定交叉口東西南北4 個(gè)出口道方向,采集左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)的相關(guān)數(shù)據(jù)。選定交叉口物理屬性為:左轉(zhuǎn)專(zhuān)用相位的綠燈時(shí)間(東西/南北方向)均為30 s、非機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)道寬度(進(jìn)口道/出口道)均為5 m、均有機(jī)非分離帶、均有機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)。選擇上述類(lèi)似的交叉口可以避免避讓行為因交通設(shè)計(jì)的不同而受影響。
通過(guò)Adobe After Effects 軟件每隔1s 截取視頻畫(huà)面,再利用photoshop 的透視網(wǎng)格工具根據(jù)該交叉口的幾何特性,選定非機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)延長(zhǎng)線相交的4 個(gè)交點(diǎn),從而確定視頻中交叉口符合的透視平面,對(duì)視頻進(jìn)行符合路面透視的網(wǎng)格坐標(biāo)預(yù)處理。以人工觀測(cè)的方式依次讀取每一秒的非機(jī)動(dòng)車(chē)在網(wǎng)格中所對(duì)應(yīng)的x-y坐標(biāo)。具體坐標(biāo)讀取示意圖如圖2 所示。
交通沖突的判別采用避讓行為:在非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)的過(guò)程中,兩車(chē)若有發(fā)生碰撞的可能,即若其中一輛車(chē)采取了停車(chē)、轉(zhuǎn)向或者是明顯減速等行為時(shí),記為1 次避讓行為。
圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換圖
由于在不同的交通狀態(tài)和車(chē)輛運(yùn)行情況下,信號(hào)交叉口發(fā)生交通沖突的概率不同,因此在建立交通沖突模型的過(guò)程中,一方面要全面考慮不同交通流狀態(tài)的影響,另一方面要考慮不同交通流狀態(tài)間相互關(guān)聯(lián)的情況。因此,本文提出了一種新的隨機(jī)變量參數(shù)模型,其中假設(shè)變量系數(shù)服從某一種分布,而不是某一定值,可以很好地解決因變量的變化而產(chǎn)生不同作用效果的問(wèn)題。
為了更透徹地解釋建模過(guò)程,先從最基本的泊松模型開(kāi)始推導(dǎo)。泊松模型的概率函數(shù)為
式中:i為觀測(cè)的樣本;n為 樣本的數(shù)量;yi為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沖突次數(shù);P(yi)為在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生yi次沖突的概率;ui為 在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的期望沖突次數(shù)。
又因?yàn)閡i是 沖突影響因素的函數(shù),所以
式中:E(.)為期望函數(shù);Xi是觀測(cè)樣本為i的沖突影響因素的向量;βi為參數(shù)Xi的系數(shù)矩陣。
泊松模型的前提是交通沖突數(shù)據(jù)的均值等于方差,但由于交通沖突數(shù)據(jù)的離散性強(qiáng),即均值不等于方差。如果不加以改進(jìn)的話會(huì)導(dǎo)致模型失真,所以假設(shè)泊松分布允許沖突的均值和方差不相等,會(huì)產(chǎn)生誤差項(xiàng) θi和離散系數(shù) α,則原影響因素函數(shù)的數(shù)學(xué)期望和方差可以表達(dá)成:
因?yàn)椴此煞植寄P褪枪潭▍?shù)模型,所以在模型中假設(shè)影響交通沖突的因素在任何時(shí)候產(chǎn)生的影響都是相同的,但實(shí)際上由于駕駛?cè)藛T和駕駛條件的不同,顯然這種統(tǒng)計(jì)模型會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。如果要解決這一偏差就需要在原模型中加入1 個(gè)隨機(jī)變量,以此來(lái)消除偏差。假設(shè) βi為泊松分布模型系數(shù)向量β中的第i項(xiàng),在模型系數(shù)中加入一個(gè)隨機(jī)變量,以此來(lái)消除因影響因素時(shí)刻發(fā)生變化而產(chǎn)生的偏差,即
式中:ηj為左轉(zhuǎn)交通設(shè)施j所引起的誤差項(xiàng)隨機(jī)變量,且誤差項(xiàng)隨機(jī)變量服從正態(tài)分布;βij為引入誤差項(xiàng)隨機(jī)變量ηj后Xi的系數(shù)。
所以,在考慮了隨機(jī)參數(shù)后泊松分布模型沖突數(shù)的數(shù)學(xué)期望值為
式 中:βi j為考慮了模型誤差項(xiàng)后新的系數(shù)向量。
通過(guò)構(gòu)建似然函數(shù)擬合模型,利用左轉(zhuǎn)設(shè)施沖突數(shù)據(jù)來(lái)核定泊松模型實(shí)際狀態(tài)的模擬能力,則隨機(jī)參數(shù)模型的對(duì)數(shù)似然函數(shù)為
式中:L為似然函數(shù);為誤差項(xiàng)隨機(jī)變量 ηj的概率密度函數(shù),且服從均值為0、方差為 δj的正態(tài)分布;為交通沖突數(shù)yi的條件概率函數(shù)。
利用非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)交通設(shè)施的設(shè)計(jì)要素、交通流參數(shù)及交通沖突數(shù)據(jù),運(yùn)用極大似然估計(jì)法可得模型參數(shù) βij及其分布函數(shù)。參數(shù)估計(jì)時(shí)采用低差異序列的Halton 抽取模擬技術(shù)[10 ? 11]來(lái)抽取參數(shù)估計(jì)值。
式中:yi為第i個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際沖突次數(shù);為平均實(shí)際沖突次數(shù);為第i個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的預(yù)測(cè)沖 突次數(shù)。
本文采用卡方檢驗(yàn)來(lái)檢查交通沖突的分布,以4 min 作為一個(gè)時(shí)間段統(tǒng)計(jì)沖突數(shù),建立隨機(jī)參數(shù)泊松分布模型和固定參數(shù)泊松分布模型對(duì)沖突數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析,具體分析結(jié)果見(jiàn)表1。
從模型的估計(jì)結(jié)果上看,當(dāng)模型收斂時(shí)隨機(jī)參數(shù)模型的對(duì)數(shù)似然函數(shù)擬合模型的擬合值(?1 286.330)大于固定參數(shù)模型的對(duì)數(shù)似然函數(shù)擬合模型的擬合值(?1 864.300),擬合結(jié)果表明隨機(jī)參數(shù)模型比固定參數(shù)模型的擬合效果更好。此外,隨機(jī)參數(shù)模型的值大于固定參數(shù)模型的對(duì)應(yīng)值,再次證明了隨機(jī)參數(shù)模型具有更好的擬合效果。表1 列出了交通沖突數(shù)的顯著性影響因素的估計(jì)系數(shù)和P值。P值為所得到的樣本觀察結(jié)果有效或更極端結(jié)果出現(xiàn)的機(jī)率,當(dāng)P值小于0.05 時(shí),表明該變量對(duì)因變量的影響效果是顯著的。
表1 隨機(jī)參數(shù)泊松模型與固定參數(shù)泊松模型估計(jì)結(jié)果
3.2.1 交通流因素
從模型的結(jié)果可以得出,左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)交通量與左轉(zhuǎn)交通沖突數(shù)呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性。系數(shù)分析結(jié)果表明當(dāng)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)交通量每增加1%,相應(yīng)的左轉(zhuǎn)交通沖突數(shù)就增加0.630%,交通沖突次數(shù)隨著左轉(zhuǎn)交通量的增大而增加。通過(guò)視頻觀察提取到以下信息:1) 整體上看,左轉(zhuǎn)對(duì)向行駛非機(jī)動(dòng)車(chē)存在避讓行為,其避讓次數(shù)統(tǒng)計(jì)范圍取值為0 至6 次;2) 隨著單位時(shí)間內(nèi)非機(jī)動(dòng)車(chē)交通量的增加,左轉(zhuǎn)對(duì)向行駛非機(jī)動(dòng)車(chē)的避讓次數(shù)呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì),具體避讓行為個(gè)數(shù)與左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)交通量關(guān)系如圖3 所示。由于大量左轉(zhuǎn)車(chē)輛集中在一定的左轉(zhuǎn)區(qū)域,導(dǎo)致交通沖突概率增加,所以交通沖 突數(shù)與左轉(zhuǎn)交通量呈現(xiàn)正相關(guān)性。
圖3 左轉(zhuǎn)對(duì)向行駛非機(jī)動(dòng)車(chē)避讓行為分布圖
3.2.2 道路因素
通過(guò)模型結(jié)果可以看出:中心圈與交通沖突呈現(xiàn)出顯著關(guān)系,且中心圈的估計(jì)系數(shù)為負(fù),說(shuō)明中心圈可以顯著降低交通沖突,彈性系數(shù)表明設(shè)置中心圈可以使得道路上的交通沖突降低28.300%。通過(guò)視頻觀察發(fā)現(xiàn),由于道路中間存在中心圈,使得非機(jī)車(chē)動(dòng)駕駛員在左轉(zhuǎn)過(guò)程中可以準(zhǔn)確地找到合理的駕駛路線,從而減少交通沖突。除此之外,由于中心圈不可壓,使得一些“激進(jìn)”的駕駛員主動(dòng)放棄超車(chē)的機(jī)會(huì),從而使交通沖突進(jìn)一步減少。
左轉(zhuǎn)導(dǎo)行線與交通沖突呈現(xiàn)出顯著關(guān)系,左轉(zhuǎn)導(dǎo)行線的估計(jì)系數(shù)為負(fù),說(shuō)明左轉(zhuǎn)導(dǎo)行線可以顯著降低交通沖突,彈性系數(shù)表明設(shè)置左轉(zhuǎn)導(dǎo)行線可以使得道路上的交通沖突降低36.350%。通過(guò)Adobe After Effects 軟件在視頻中設(shè)置虛擬機(jī)動(dòng)車(chē)導(dǎo)行線,統(tǒng)計(jì)左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)不同V/C 下左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)越過(guò)導(dǎo)行線的車(chē)輛數(shù)如圖4 和圖5 所示。通過(guò)對(duì)圖4和圖5 分析得出:1) 在左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)飽和度(V/C)不變情況下,隨著左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量增加,非機(jī)動(dòng)車(chē)越線數(shù)基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì),此外左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)的飽和度(V/C)越大,左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)越線數(shù)越少;2) 當(dāng)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)流量大于10 輛/每信號(hào)周期時(shí),左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)飽和度(V/C)越小,非機(jī)動(dòng)車(chē)越線比例越高。一些非機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員趁機(jī)侵占機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)車(chē)道,從而增加非機(jī)動(dòng)車(chē)和機(jī)動(dòng)車(chē)之間的沖突。
圖4 不同V/C 下左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)越過(guò)導(dǎo)行線統(tǒng)計(jì)圖
圖5 不同V/C 下左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)越過(guò)導(dǎo)行線比例
3.2.3 駕駛因素
左轉(zhuǎn)間距和交通沖突數(shù)之間存在著顯著的影響關(guān)系。由于左轉(zhuǎn)間距的系數(shù)為負(fù)值,表明當(dāng)非機(jī)動(dòng)車(chē)的左轉(zhuǎn)間距越大時(shí),交通沖突數(shù)越顯著減少。彈性系數(shù)表明左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)之間的左轉(zhuǎn)間距增加1 m,交通沖突數(shù)會(huì)相應(yīng)地減少25.560%。通過(guò)視頻觀察左轉(zhuǎn)同向并行間的非機(jī)動(dòng)車(chē)橫向間距分布情況可以得出:1) 加速階段,非機(jī)動(dòng)車(chē)橫向間距分布在[?2.5 m,2.5 m]之間的約占84%;2)勻速階段,非機(jī)動(dòng)車(chē)的橫向間距分布在[?2.5 m,2.5 m]之間的約占71%;3)減速階段,非機(jī)動(dòng)車(chē)橫向間距分布在[?2.5 m,2.5 m]之間的約占64%。這表明非機(jī)動(dòng)車(chē)沿其左轉(zhuǎn)行駛方向呈逐步膨脹特性,因此應(yīng)根據(jù)其駕駛特性來(lái)設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)駕駛道路,即出口道寬度要大于進(jìn)口道寬度。
左轉(zhuǎn)車(chē)速與交通沖突呈顯著正相關(guān)。在其他因素保持不變的前提下,左轉(zhuǎn)車(chē)速增加1%,交通沖突增加0.520%。車(chē)速過(guò)快導(dǎo)致交通沖突顯著增加,因此限制左轉(zhuǎn)車(chē)速可以提高交叉口交通安全水平。
1)建立隨機(jī)參數(shù)模型,對(duì)平面信控交叉口非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)設(shè)施的安全影響因素進(jìn)行分析,其模型估計(jì)結(jié)果表明,隨機(jī)參數(shù)模型的擬合結(jié)果要明顯優(yōu)于固定參數(shù)隨機(jī)模型。
2)非機(jī)動(dòng)車(chē)在左轉(zhuǎn)過(guò)程中呈現(xiàn)較為明顯分散特性和沿其左轉(zhuǎn)行駛方向逐步膨脹特性。這樣需要交叉口滿足非機(jī)動(dòng)車(chē)出口道的寬度大于非機(jī)動(dòng)車(chē)進(jìn)口道的寬度,只有按非機(jī)動(dòng)車(chē)逐步膨脹的特性來(lái)設(shè)計(jì)非機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)設(shè)施,才能減少非機(jī)動(dòng)車(chē)之間的沖突。
3)在左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)飽和度(V/C)不變情況下,隨著左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量增加,非機(jī)動(dòng)車(chē)越線數(shù)基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì);當(dāng)左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)流量大于10 輛/每信號(hào)周期時(shí),左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)飽和度(V/C)越小,非機(jī)動(dòng)車(chē)越線比例越高。因此,設(shè)置機(jī)動(dòng)車(chē)的左轉(zhuǎn)導(dǎo)行線,能夠有效減少左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)與左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)之間沖突的可能性,從而避免沖突事故的發(fā)生,提高左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)的安全性。
4)左轉(zhuǎn)對(duì)向行駛非機(jī)動(dòng)車(chē)存在避讓行為,隨著單位時(shí)間非機(jī)動(dòng)車(chē)流量增加,左轉(zhuǎn)對(duì)向行駛非機(jī)動(dòng)車(chē)避讓次數(shù)呈遞增趨勢(shì)。這樣會(huì)增加左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)的潛在危險(xiǎn)性,不同進(jìn)口道的非機(jī)動(dòng)車(chē)進(jìn)行空間分離能夠有效減少危險(xiǎn)性。
5)本文在確定平面信控交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)通行空間基礎(chǔ)上,較為系統(tǒng)地分析了平面信控交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)的左轉(zhuǎn)車(chē)速、左轉(zhuǎn)交通量、左轉(zhuǎn)橫向間距、中心圈、機(jī)動(dòng)車(chē)的左轉(zhuǎn)導(dǎo)行線和交通沖突之間的關(guān)系。分析結(jié)論對(duì)改善城市信控交叉口左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛安全特性提供了較為科學(xué)可靠的理論和數(shù)據(jù)支撐。