摘要：為解析不利天氣下的山區(qū)高速公路交通流特性，本文選擇云南省某典型山區(qū)高速公路2019年8月至2021年6月的交通流數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，運用對數(shù)正態(tài)分布和獨立樣本t檢驗解析不利天氣種類對山區(qū)高速公路的車頭分布時距和交通量的影響形式與機理。研究結(jié)果表明：車頭時距與不利天氣的惡劣程度呈正相關(guān)關(guān)系，不利天氣惡劣程度的增加會導(dǎo)致車頭時距整體上偏大，且產(chǎn)生較大的分布變化；不利天氣的種類對山區(qū)高速交通流的影響程度按從高到低的順序依次為雪天 霧天 大雨 中雨，其中，中雨、大雨和雪天下車輛的流量受到的影響有一定的時效性和遲滯性。

關(guān)鍵詞：交通工程；不利天氣；交通流特性；對數(shù)正態(tài)分布；t檢驗；山區(qū)高速公路

中圖分類號：U491.1+12"""""""""""""""""""""""" 文獻標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673-6478（2023）02-0136-05

Analysis of Traffic Flow Characteristics of Mountain Highways underUnfavorable Weather

DUAN Zhihong WEN Yuanyong SU Yu XIONG Changan YUE Song HU Chengyu

（1. Yunnan Xuanhui Highway Co.， Ltd.， Qujing Yunnan 654200， China;2. Key Laboratory of Transportation Meteorology， CMA， Nanjing Jiangsu 210008， China;3.National Engineering Laboratory for Surface Transportation Weather Impacts Prevention， Broadvision Engineering Consultants， Kunming Yunnan 650200， China）

Abstract： In order to analyze the characteristics of mountainous highway traffic flow under adverse weather， the traffic flow data and meteorological data of a typical mountainous highway in Yunnan Province from August 2019 to June 2021 were selected， and the form and mechanism of the influence of the type of adverse weather on the headway distribution time distance and traffic volume of mountainous highway were analyzed by using lognormal distribution and independent sample t?test. The results show that the headway is positively correlated with the degree of adverse weather， and the increase of the degree of adverse weather will cause the headway to be larger overall and produce larger distribution changes. The degree of influence of the type of adverse weather on the traffic flow of mountain highways is snow fog heavy rain medium rain in descending order， among which， the traffic flow under medium rain， heavy rain and snow is affected with a certain degree of timeliness and hysteresis.

Key words： traffic engineering; adverse weather; traffic flow characteristics; lognormal distribution; t?test; mountain highway

0 引言

隨著國家公路網(wǎng)的規(guī)劃和實施、機動化交通需求迅速增長、機動車保有量以及駕駛證申領(lǐng)人數(shù)逐年增加，我國高速公路建設(shè)里程以快速化、規(guī)?；途W(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢不斷延伸，然而由于高速公路交通量逐年增加且部分地區(qū)地質(zhì)氣象條件復(fù)雜，高速公路路網(wǎng)中的交通事故總量和嚴(yán)重程度仍處于較高水平，給社會及人民生命財產(chǎn)帶來巨大損失，道路安全形勢并不樂觀[1]。相關(guān)研究表明由不利天氣條件引發(fā)的交通事故、道路交通擁堵和基礎(chǔ)設(shè)施損壞等突發(fā)事件是影響路網(wǎng)運行效率、導(dǎo)致路網(wǎng)內(nèi)發(fā)生事故的主要原因[2]。

受復(fù)雜地形地貌、自然環(huán)境等因素限制，位于中西部地區(qū)的高速公路的平縱橫線形指標(biāo)與位于平原地區(qū)的高速公路相關(guān)指標(biāo)相比較低[3]，且平縱、直曲等特殊組合線形較為常見，局部路段的線路設(shè)計甚至需要采用低限、極限乃至超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的設(shè)計指標(biāo)[4]。為克服地形高差、繞行地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域、減小環(huán)境破壞，連續(xù)下坡、橋隧群區(qū)、平縱組合路段等具有特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)物也較為普遍。在上述不利天氣條件與復(fù)雜氣象因素的綜合影響下，山區(qū)高速公路上由交通事故引起的交通阻斷事件常借助高速公路的封閉性向后迅速擴散和積累，往往會在短時間內(nèi)造成該路段和交通系統(tǒng)功能的大范圍、長時間受損甚至完全癱瘓，嚴(yán)重制約了高速公路的服務(wù)水平，交通安全形勢嚴(yán)峻。

因此，本文以不利天氣對山區(qū)高速公路交通流特性的影響為切入點，運用對數(shù)正態(tài)分布和獨立樣本t檢驗解析不利天氣種類對山區(qū)高速公路的車頭分布時距和交通量的影響形式與機理，以期促進相關(guān)研究的深入開展。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

統(tǒng)計云南省某典型山區(qū)高速公路2019年8月至2021年6月的交通流數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，其中氣象數(shù)據(jù)集以月為單位進行獨立存儲，記錄周期為1分鐘，記錄了站點附近的天氣狀況、路面狀況、路面溫度、能見度以及氣象五要素（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓）。交通流數(shù)據(jù)集包含了車輛通過雷達的時間戳、編號、長度、車道以及車速等要素。

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)數(shù)據(jù)的特征和預(yù)期處理結(jié)果，數(shù)據(jù)清洗共分為“異常數(shù)據(jù)剔除”和“缺失數(shù)據(jù)修復(fù)”兩類。本文根據(jù)氣象監(jiān)測站所采集到的能見度、降雨量、降雪量、路面狀況數(shù)據(jù)進行綜合判定刪除異常數(shù)據(jù)值；檢查氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)僅存在少量數(shù)據(jù)間斷缺失，不存在連續(xù)缺失的情況，針對缺失的氣象數(shù)據(jù)，采用最鄰近值填充法進行修復(fù)，即利用缺失不利天氣數(shù)據(jù)相鄰時段的氣象數(shù)據(jù)進行填充。

針對交通流數(shù)據(jù)，結(jié)合高速公路的限制車速和道路服務(wù)水平的設(shè)定，考慮到高速公路上特殊車輛、擁堵以及不按規(guī)定速度行駛的情況，本文采用“5%截尾法”[5]剔除異常數(shù)據(jù)，即將采集到的速度、流量等觀測值順序排列，分別刪除最小值和最大值的2.5%數(shù)據(jù)，該方法可有效剔除過小和過大的異常值，尤其適合數(shù)據(jù)充足的樣本。

1.3 交通流數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)的時空匹配

經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗后，可得到準(zhǔn)確性和可用性較高的交通流和天氣數(shù)據(jù)。但是交通流數(shù)據(jù)的記錄時間是根據(jù)車輛經(jīng)過的時間而確定的，而天氣的記錄時間是每一分鐘確定的。若要進一步分析兩種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系以及后續(xù)利用兩者進行事故預(yù)測模型的搭建，需要對兩種數(shù)據(jù)進行時間尺度上的匹配。為防止出現(xiàn)速度和流量為0的情況，將時間粒度設(shè)定為15分鐘，選定晴天、降雨、霧天和雪天4種天氣[6]的氣象數(shù)據(jù)與交通流數(shù)據(jù)進行匹配。

2 交通流特性分析

2.1 不同天氣下的車頭時距特征分析

作為評價駕駛安全性的重要指標(biāo)之一，車頭時距?[7]與交通流組成、駕駛行為密切相關(guān)，是反映道路通行和服務(wù)水平的重要依據(jù)，可表征當(dāng)前車采取制動行為時，后車駕駛?cè)怂哂械淖畲蠓磻?yīng)時間。統(tǒng)計車頭時距在15秒以內(nèi)的數(shù)據(jù)，利用對數(shù)正態(tài)分布密度函數(shù)進行擬合。

對數(shù)正態(tài)分布是指一個隨機變量的對數(shù)服從正態(tài)分布，則隨機變量服從對數(shù)正態(tài)分布，對數(shù)正態(tài)分布從短期來看，與正態(tài)分布非常接近[8]。假設(shè)X是取值為正數(shù)的連續(xù)隨機變量，若 ，X的概率密度為：

則稱隨機變量X服從對數(shù)正態(tài)分布，記為 ，設(shè) 服從對數(shù)正態(tài)分布，其密度函數(shù)?為：

數(shù)學(xué)期望和方差分別為：

根據(jù)對數(shù)正態(tài)分布的特性，可得出每個天氣下對應(yīng)的擬合均值和方差如表1所示。其中，晴天、小雨、中雨、霧天、大雨、雪天對數(shù)正態(tài)分布的均值分別為4.40s、5.16s、5.74s、6.29s、6.72s、7.22s，其方差分別為3.88、4.09、4.18、4.23、4.98、7.49。由此可知，車頭時距與天氣的惡劣程度呈正相關(guān)關(guān)系，表明駕駛?cè)嗽诓焕鞖鈼l件下選擇了更加安全的跟車距離。

由圖1可知，晴天的車頭時距峰值右邊的擬合結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為吻合，且分布在相對較小的值域上，分析原因可知，晴天條件下的行車條件相對較好，跟車距離較近。小雨和中雨條件下，車頭時距的分布值域相對較廣，擬合峰值和實際數(shù)據(jù)的峰值也較為吻合。霧天、大雨和雪天的峰值右移，對數(shù)正態(tài)擬合曲線與實際數(shù)據(jù)存在較大的偏離，表明天氣惡劣程度的增加會導(dǎo)致車頭時距整體上偏大，且產(chǎn)生較大的分布變化。

2.2 不同天氣下的流量分布差異性分析

流量是指單位時間內(nèi)，道路上的某一地點或者某一斷面實際的交通參與者的數(shù)量，是道路截面實際通行能力的測算指標(biāo)，也是道路分級和確定道路等級的主要依據(jù)。在實際應(yīng)用中其表示方法有平均交通量、高峰小時交通量和設(shè)計小時交通量[9]。由于天氣對流量的影響具有持續(xù)性和滯后性，因此每半小時采集經(jīng)過道路某一點的車輛數(shù)作為平均流量，來衡量不利天氣下道路的通行狀態(tài)。采用獨立樣本t檢驗[10]分析中雨、大雨、霧天、雪天四種天氣與所對應(yīng)相同出行日期類型的晴天進行流量差異性對?比：

如圖2所示，繪制中雨、大雨、霧天和雪天流量差異對比圖。在大雨天氣的8點—12點時段中，8點—10點這一段時間并沒有立即對出行交通量造成影響，但是到10點—12點持續(xù)下雨一段時間后，車輛的流量受到了明顯的影響。因此，大雨對流量的影響有一定的時效性。在雪天天氣下，流量的影響具有持續(xù)性，在降雪結(jié)束后，雪天的交通流量還是比晴天的出行量低，而且交通流量會產(chǎn)生積壓，在停雪之后一段時間才會出現(xiàn)交通流量反彈。

對比4種天氣的獨立樣本t檢驗結(jié)果可知，不利天氣的中雨、大雨、霧天和雪天與相同日期類型的晴天相比，流量都受到不同程度的影響，受影響的程度為雪天 霧天 大雨 中雨。其中，中雨、大雨和雪天下車輛的流量受影響有一定的遲滯性，分析原因可知，中雨、大雨和雪天可能導(dǎo)致道路路面發(fā)生改變，而霧天會導(dǎo)致出行車輛直接減少。

3 結(jié)論

（１）以高原山區(qū)同步觀測的交通流和交通氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取車頭分布時距和交通量為指標(biāo)，采用正態(tài)分布和獨立樣本t檢驗解析不利天氣對山區(qū)高速交通流運行的影響機理。

（２）車頭時距與天氣的惡劣程度呈正相關(guān)關(guān)系，且在不利天氣條件下，駕駛?cè)顺鲇诎踩紤]，會增加跟車距離；霧天、大雨和雪天的對數(shù)正態(tài)擬合曲線與實際數(shù)據(jù)存在較大的偏離，表明天氣惡劣程度的增加會導(dǎo)致車頭時距整體上偏大，且產(chǎn)生較大的分布變?化。

（３）中雨、大雨、霧天和雪天與相同日期類型的晴天相比，流量都受到不同程度的影響，受影響的程度為雪天 霧天 大雨 中雨。其中，中雨、大雨和雪天下車輛的流量受影響有一定的時效性和遲滯性。

（４）下一步將考慮通過雷視一體監(jiān)測設(shè)備獲得路段內(nèi)連續(xù)的交通行為軌跡數(shù)據(jù)，豐富不利天氣下高速公路交通流運行數(shù)據(jù)樣本，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的高速公路微觀交通流模型，納入更詳細(xì)因素（如駕駛?cè)藢傩裕┖徒煌ㄒ蛩兀ㄈ畿囕v組成），以得出更全面的結(jié)論。

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