蘭柳亭，徐 磊，龔 毅，張 磊，彭金栓

(重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

0 引言

城市交叉口作為城市交通的重要節(jié)點，也是人車沖突的高發(fā)區(qū)。在中國城市交叉口中，右轉(zhuǎn)專用信號相位設(shè)置并不普遍，人車沖突現(xiàn)象明顯。據(jù)統(tǒng)計，中國約有29.7%的道路交通事故發(fā)生在交叉口，行人占道路交通事故總死亡人數(shù)的23%[1]。可見，行人交通安全問題十分嚴峻。隨著禮讓行人政策的推行，人車沖突有了一定的改善。但由于多數(shù)交叉口未設(shè)置車輛搶行抓拍攝像頭，右轉(zhuǎn)車輛搶行現(xiàn)象嚴重。

已有研究表明，交通沖突與交通事故具有強相關(guān)性，可以作為事故替代變量進行交叉口安全性分析[2]。國內(nèi)外學者利用參數(shù)、指標展開了包括人車沖突影響因素、沖突嚴重度等級劃分、沖突概率估計等多方面的研究[3-6]。孫重靜等[7]修改和延伸了傳統(tǒng)沖突指標，將碰撞時間分為車輛碰撞時間(Vehicle TTC)和行人碰撞時間(Pedestrian TTV)，利用沖突指標將人車沖突分為5個等級。彭勇等[8]統(tǒng)計分析了人、車、路3方面共計14個指標，認為使用電子設(shè)備、是否關(guān)注車輛間隙等9個指標顯著影響人車沖突嚴重程度。Kumar等[9]認為行人屬性、過街類型和右轉(zhuǎn)車流量對人車沖突具有顯著影響。任剛等[10]通過SOMK聚類算法將人車沖突分為4個等級，分析了不同類型沖突的危險度。馬瑩瑩等[11]建立了人車沖突概率估計模型，以實際數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。Ni等[12]將車輛對行人的影響劃分3個等級，定量評價交叉口的安全性。不同研究人員對沖突指標的選取各有側(cè)重，對沖突嚴重度的量化分級也沒有統(tǒng)一的界定標準。大部分研究人員將沖突嚴重程度劃分為3～5個等級。其中，人車沖突TTC的取值在3 s以下，沖突時間一般小于5 s[13-14]。

目前國內(nèi)外研究大多集中于應(yīng)用方面，很少有文獻考慮到右轉(zhuǎn)車輛通行規(guī)則，尤其是右轉(zhuǎn)車輛與行人交通沖突的研究較少。因此，本文選取無右轉(zhuǎn)專用相位的信控交叉口，通過視頻分析技術(shù)提取右轉(zhuǎn)機動車與過街行人的軌跡數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)，進一步確定嚴重沖突的指標參考值，為人車沖突安全問題和道路交叉口安全設(shè)施設(shè)計提供理論參考。

1 人車沖突調(diào)查

1.1 方案設(shè)計

采用視頻調(diào)查與人工調(diào)查相結(jié)合的方法采集交叉口過街行人與右轉(zhuǎn)機動車的沖突數(shù)據(jù)。綜合考慮機動車和行人過街信號設(shè)置、過街行人與右轉(zhuǎn)車輛沖突頻次、人行橫道長度和寬度等道路交通條件，選取重慶市南岸區(qū)具有代表性的3個信控交叉口(水云路-廣福大道交叉口、二塘路-匯龍路交叉口、白鶴路-桃源路交叉口)作為調(diào)查地點，調(diào)查交叉口實景如圖1所示。視頻采集設(shè)備為索尼HDR-PJ820E高清攝像機，視頻幀率為25FPS，具有自動逆光補償和外接儲存卡，可以保證數(shù)據(jù)采集的清晰度和準確性。調(diào)查時間為工作日晚高峰18∶00—19∶00，能夠獲取足夠的人車沖突數(shù)據(jù)，保證試驗的有效性。攝像機架設(shè)在調(diào)查交叉口附近視線良好的建筑頂樓處，便于后續(xù)軌跡數(shù)據(jù)提取。在交叉口處設(shè)置交通調(diào)查員，記錄交叉口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖1 調(diào)查交叉口實拍圖

表1 交叉口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.2 人車軌跡數(shù)據(jù)提取

右轉(zhuǎn)車輛在一次右轉(zhuǎn)彎過程中會2次穿越人行橫道，與過街行人存在2個沖突區(qū)域。由于信號相位的控制，人車沖突多發(fā)生在右轉(zhuǎn)車輛第二次穿越的人行橫道上。人車沖突研究區(qū)域如圖2所示。

圖2 沖突區(qū)域劃分

反復(fù)調(diào)取拍攝的視頻，截取沖突片段。截取片段包含右轉(zhuǎn)車輛進入交叉口到行人通過人行橫道這一完整過程。當兩沖突對象分別離開沖突點的時間差超過6 s時，認為不會發(fā)生交通沖突[13]。將符合沖突識別規(guī)則的視頻片段導(dǎo)入Tracker軟件中，共計157組沖突樣本。以人行橫道左后頂點為坐標原點O，人行橫道寬度為X軸，長度為Y軸，選取人行橫道寬度為定標尺，將視頻數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相對應(yīng)。視頻播放步驟設(shè)置為5幀，采用0.2 s的時間間隔提取全時空人車位置坐標、速度、加速度等數(shù)據(jù)信息，Tracker操作界面如圖3所示。由于俯拍角度，視頻顯示數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)存在一定的誤差，對各交叉口直角坐標數(shù)據(jù)進行誤差分析，發(fā)現(xiàn)平均誤差為2.1%，誤差在可接受范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)具有有效性。

圖3 提取參數(shù)的Tracker操作界面

1.3 沖突樣本分類

根據(jù)交通參與者數(shù)量和人車相對位置，將沖突樣本劃分為A～E 5種類型，分別為單人近端過街沖突、單人遠端過街沖突、多人近端過街沖突、多人遠端過街沖突和多人兩端同時過街沖突，如圖4所示。

圖4 行人與右轉(zhuǎn)車沖突類型

2 人車沖突特征分析

2.1 沖突指標選取與計算

基于國內(nèi)外學者對人車沖突指標的研究，考慮指標的代表性，選取沖突時間(time to collision，TTC)、安全減速度(deceleration to safety time，DST)以及后侵占時間(post encroachment time，PET)作為沖突度量指標[15]。

TTC表示沖突雙方不改變運動狀態(tài)下，保持沖突速度矢量到達沖突點所需的時間。本文選取沖突過程中TTC最小值作為此次沖突的TTC值。計算示意圖如圖5所示。

圖5 TTC計算示意圖

車輛優(yōu)先于行人到達沖突區(qū)域時，計算公式為：

(1)

式中：TTCi表示i時刻的TTC值；Spi表示i時刻過街行人到?jīng)_突點的距離；Vpi表示i時刻過街行人的瞬時速度。

當行人優(yōu)先于右轉(zhuǎn)車輛到達沖突區(qū)域，計算公式為：

(2)

式中：Sci表示i時刻右轉(zhuǎn)車輛到?jīng)_突點的距離；Vci表示i時刻右轉(zhuǎn)車輛的瞬時速度。

計算出各時刻的TTCi，得到此次沖突的TTC為[16]：

TTC=Min{TTCi}

(3)

DST表示右轉(zhuǎn)車輛運行到?jīng)_突點時恰好不與過街行人發(fā)生碰撞所需的減速度。選取沖突過程中DST絕對值的最大值作為此次沖突的DST值。計算示意圖如圖6所示。

圖6 DST示意圖

計算出各時刻的安全減速度DSTi，得到此次沖突的安全減速度DST，計算公式為[16]：

(4)

DST=Max{|DSTi|}

(5)

式中：DSTi表示i時刻的DST值；ti表示右轉(zhuǎn)車輛從B點行駛至B1所需的時間。

PET是指沖突一方離開沖突點到?jīng)_突另一方剛好到達沖突點的時間差。計算公式為[10]：

PET=tb-ta

(6)

式中：ta表示沖突前一方離開沖突點的時刻；tb表示沖突后一方到達沖突點的時刻。

2.2 沖突指標分布

根據(jù)計算得到?jīng)_突樣本的3項指標值，繪制沖突指標箱線圖和頻數(shù)分布圖，如圖7—8所示。TTC和PET指標越小，表明行人和右轉(zhuǎn)車輛的時空距離越近，DST指標越大，表明減速至不發(fā)生沖突所需的減速度越大，發(fā)生嚴重沖突的可能性越大。由圖可知，沖突樣本中3項指標頻數(shù)呈正態(tài)分布。沖突指標TTC的均值為2.94 s，取值范圍在1～6 s，86%的數(shù)據(jù)分布在1～4 s范圍內(nèi)；DST的均值為3.37 m/s2，2.5～4.5 m/s2范圍內(nèi)的頻數(shù)較大，累計頻數(shù)為84；PET的均值為4.08 s，取值集中在2.5～6 s。由于人車沖突軌跡提取階段已經(jīng)進行了數(shù)據(jù)的選擇性提取，故未發(fā)現(xiàn)異常指標值。

圖7 沖突指標箱線圖

圖8 沖突指標頻數(shù)分布

2.3 沖突次數(shù)

交叉口各類型沖突次數(shù)如表2所示?？梢钥闯?，SI1和SI3處沖突次數(shù)相差不大，分別為62次和58次，各方向人行橫道處平均每分鐘發(fā)生一次行人與右轉(zhuǎn)車的沖突；SI2處沖突次數(shù)相對較少，共37次。相較之下，多人從人行橫道近端過街沖突(C型)頻率最高，沖突次數(shù)占總樣本數(shù)的29.3%。行人在人行橫道近端發(fā)生沖突的頻率明顯高于遠端。因為行人從人行橫道近端過街時，右轉(zhuǎn)車輛減速或制動的時間較少，較易發(fā)生人車沖突。

表2 交叉口沖突次數(shù)

2.4 沖突點位置分布

根據(jù)人車軌跡數(shù)據(jù)，提取出沖突點位置坐標如表3所示。

表3 沖突點坐標

由于調(diào)查交叉口沖突樣本較多，為便于分析沖突點分布特征，將所有沖突點映射到同一坐標系進行分析，沖突點位置分布如圖9所示。其中，區(qū)域①為(X≤0)∪(X≥8)，表示人行橫道寬度范圍以外；區(qū)域②為(0

圖9 沖突點位置分布

可以看出，人車沖突點的X坐標基本分布在(-2，10)范圍內(nèi)，Y軸坐標基本分布在(-1，5)范圍內(nèi)。其中有24次沖突發(fā)生在人行橫道外(區(qū)域①)，說明行人過街時存在不文明過街現(xiàn)象。文明過街樣本中，有24次人車沖突點分布在第二車道內(nèi)(區(qū)域②)，其余109次沖突點均分布在靠近最右側(cè)車道的人行橫道上(區(qū)域③和區(qū)域④)。結(jié)合視頻數(shù)據(jù)觀察行人和右轉(zhuǎn)車輛的行為可知，沖突點在沖突區(qū)域的分布不均勻，但總體呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在區(qū)域②，由于行人與右轉(zhuǎn)車輛的距離較遠，雙方有更多的時間判斷選擇此次過街是先行或是讓行，加之駕駛?cè)嗽谟肄D(zhuǎn)時通常會選擇最右側(cè)車道，因而此區(qū)域內(nèi)沖突次數(shù)較少。在區(qū)域③和區(qū)域④內(nèi)，由于駕駛?cè)嗽谶^街時通常伴隨著減速行為，加上禮讓行人的推行，增加了行人過街的信心，行人過街時行為更加大膽，增加了發(fā)生人車沖突的概率。與區(qū)域④相比，區(qū)域③內(nèi)沖突樣本相對更少，因為在區(qū)域③內(nèi)行人與右轉(zhuǎn)車輛距離較近，右轉(zhuǎn)車輛通常會停車讓行，行人過街也會更加謹慎。

3 人車沖突嚴重度評估

3.1 人車沖突聚類模型與等級劃分

表4 沖突樣本聚類結(jié)果

圖10 沖突指標聚類圖

根據(jù)聚類結(jié)果，可以得到人車嚴重沖突參考值為TTC<1.79 s，DST>4.96 m·s-2，PET<3.18 s。沖突嚴重程度從輕微到嚴重的次數(shù)分別為34次、71次、52次。在157次沖突樣本中，嚴重沖突次數(shù)占比33.1%，一般沖突次數(shù)最多，約占45.2%。根據(jù)沖突指標聚類結(jié)果圖可以看出，3項指標分布緊湊，聚類效果明顯。

根據(jù)Matlab聚類后輸出的聚類成員繪制不同類型沖突樣本嚴重程度分布圖，如圖11所示。

圖11 沖突樣本三維統(tǒng)計圖

從沖突類型來看，多人近端過街沖突次數(shù)明顯高于其他類型沖突，其中，絕大部分多人從人行橫道近端過街沖突樣本屬于一般沖突。單人近端過街沖突中，嚴重沖突占比較大，這是由于人車之間時空距離較近，發(fā)生嚴重沖突的概率較大。從沖突嚴重程度來看，一般沖突占比較大，嚴重沖突中A型沖突次數(shù)最多，C型次之?？梢娙诵袡M道近端處發(fā)生人車沖突的概率較大。

3.2 人車沖突嚴重度計算

為表征行人與車輛沖突嚴重性，采用以下公式分別計算各類型沖突嚴重度和交叉口沖突嚴重度[17]

(7)

(8)

式中：i取值為1～5，分別表示A～E 5種沖突類型；j取值為1～3，分別表示輕微、一般、嚴重3個沖突等級；P(ij)表示第i類型沖突占第j級沖突的比例；Wj表示第j級沖突嚴重等級的權(quán)值，由輕微到嚴重的權(quán)值分別為1、3、5；Ni表示交叉口中第i類沖突的次數(shù)；M(i)表示交叉口中第i類型沖突的嚴重度;S表示交叉口的沖突嚴重度。

根據(jù)式(4)計算可得5種類型沖突的嚴重度分別為：3.84、3.38、3.26、3.00、2.78。根據(jù)式(5)計算出SI1、SI2、SI3交叉口的沖突嚴重度和平均沖突嚴重度，如表5所示?？芍{(diào)查交叉口平均沖突嚴重程度屬于一般沖突。

表5 交叉口沖突嚴重度

4 結(jié)論

通過3個交叉口的人車沖突調(diào)查分析，求得人車沖突指標值并完成了聚類分析，得到嚴重沖突指標參考值和交叉口的沖突嚴重度，從而得出以下結(jié)論：

1)選取TTC、DST、PET作為人車沖突嚴重度評價指標，聚類結(jié)果表明3個指標的聚類效果明顯。人車嚴重沖突指標參考為：TTC<1.79 s，DST>4.96 m·s-2，PET<3.18 s。調(diào)查的3個交叉口人車沖突平均嚴重度屬于一般沖突。

2)不同過街沖突類型的發(fā)生頻率和沖突嚴重度均存在差異，超過69.4%的人車沖突發(fā)生在靠近最右側(cè)車道的人行橫道上。表明過街行人數(shù)量和人車相對距離與沖突嚴重度存在一定的關(guān)系。

3)調(diào)查交叉口均未設(shè)置右轉(zhuǎn)專用信號相位和車輛搶行抓拍攝像頭。當右轉(zhuǎn)車流量較大時，人車交互頻繁，應(yīng)設(shè)置右轉(zhuǎn)專用信號相位對右轉(zhuǎn)車輛進行管控，將過街行人與右轉(zhuǎn)車輛在時間上分離，推進禮讓行人政策的施行，降低人車沖突發(fā)生的頻率。

本文在指標計算過程中考慮了人車沖突的連續(xù)過程，但指標TTC和DST的計算模型條件較為苛刻，有待進一步改進。此外，在交叉口沖突嚴重度評估過程中未考慮全路口的人車沖突數(shù)據(jù)，亦未考慮直行車輛對右轉(zhuǎn)車速度的影響，與實際的指標值存在一定的差異，有待在未來的研究中進一步優(yōu)化。