歐陽(yáng)任得

(湖南高速信息科技有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410026)

出于可重復(fù)性、成本、安全等考慮,對(duì)收費(fèi)站通道布設(shè)方案無(wú)法進(jìn)行實(shí)地測(cè)試,主要通過(guò)交通微觀仿真分析方案運(yùn)行結(jié)果得出最佳布設(shè)方案。目前收費(fèi)站仿真分析軟件有TPSIM、VISSIM、Paramics等。Al-Deek H. M.采用TPSIM微觀仿真模型研究了ETC(電子不停車收費(fèi))收費(fèi)通道的引入對(duì)收費(fèi)站整體交通延誤的影響[1]。Jehad A. E.等結(jié)合VISSIM和 SSAM軟件進(jìn)行仿真,評(píng)估不同收費(fèi)通道配置對(duì)收費(fèi)站交通安全的影響[2],但其仿真模型未使用真實(shí)軌跡數(shù)據(jù)標(biāo)定,不能完全反映真實(shí)交通運(yùn)行情況。趙述捷利用Paramics研究了ETC收費(fèi)通道的通行能力及收費(fèi)通道的開(kāi)放情況對(duì)收費(fèi)站通行能力的影響[3]。

也有學(xué)者對(duì)收費(fèi)站安全影響因素進(jìn)行了分析,如吳曉武認(rèn)為收費(fèi)廣場(chǎng)漸變率、服務(wù)水平和收費(fèi)廣場(chǎng)入口段縱斷面坡度等收費(fèi)站幾何參數(shù)是影響高速公路收費(fèi)站交通安全的重要因素[4];張志召通過(guò)探究高速公路收費(fèi)站和立體交叉口分合流區(qū)的交通沖突種類,依據(jù)采用碰撞時(shí)間TTTC與后侵入時(shí)間TPET計(jì)算模型得到的沖突數(shù)量,構(gòu)建了以交通量、交通組成、運(yùn)行速度為核心因素的交通沖突預(yù)測(cè)模型[5];張瑩、孫博認(rèn)為收費(fèi)通道配置方案的變化會(huì)通過(guò)影響ETC用戶換道決策間接影響車輛行駛安全[6-7]。

針對(duì)收費(fèi)站收費(fèi)通道配置方案,Zarrillo M. L.等基于不同收費(fèi)類型和車輛類型構(gòu)建 SHAKER 模型,得到了收費(fèi)站最佳收費(fèi)通道配置方案[8-9];Levinson D.等研究了ETC收費(fèi)通道數(shù)量和通行費(fèi)折扣的最佳組合[10];Zhang X. Y.等建立了以最小化系統(tǒng)熵為目的的收費(fèi)站收費(fèi)通道數(shù)量?jī)?yōu)化模型[11];Hajiseyedjavadi F.等認(rèn)為最安全的收費(fèi)通道配置是僅由ETC收費(fèi)通道組成的配置[12]。目前對(duì)收費(fèi)站的研究缺乏真實(shí)交通流數(shù)據(jù)的采集與分析,導(dǎo)致仿真結(jié)果失真,無(wú)法反映真實(shí)車輛安全狀態(tài),也缺乏對(duì)安全改善的關(guān)注,多從宏觀角度出發(fā),缺乏對(duì)微觀車輛相互作用的分析。本文基于主線收費(fèi)站的現(xiàn)狀進(jìn)行仿真模型搭建及校驗(yàn),研究面向安全改善的收費(fèi)站收費(fèi)通道布設(shè)方案。

1 數(shù)據(jù)處理

采用無(wú)人機(jī)在南京某高速公路收費(fèi)站東進(jìn)口分流區(qū)垂直上空拍攝大范圍的俯拍角度視頻,利用視頻軌跡識(shí)別軟件獲得1 104輛車的完整軌跡數(shù)據(jù),從中提取真實(shí)微觀運(yùn)動(dòng)特征。在視頻識(shí)別中,取分流區(qū)1道ETC起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),建立直角坐標(biāo)系,并標(biāo)定6個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(大地坐標(biāo)),繪制收費(fèi)站分流區(qū)等比例示意圖(見(jiàn)圖1)。

圖1 收費(fèi)站等比例示意圖

基于軌跡數(shù)據(jù),提取如下參數(shù):車輛i在時(shí)間t的形心坐標(biāo)Ot,i;車輛i在時(shí)間t的速度vt,i;車輛i在分流區(qū)的總行駛時(shí)間Ti;車輛i通過(guò)指定斷面時(shí)的車頭時(shí)距Si;車輛i在時(shí)間t的速度方向與x軸正方向之間的夾角θt,i;車輛i在時(shí)間t的拓展碰撞時(shí)間TETTC,t,i;車輛類型Vtype,i,包含小汽車、貨車和大客車;車輛的初始通道Vinitial,1;車輛的收費(fèi)通道Vtarget,i,由內(nèi)側(cè)向外側(cè)依次編號(hào)為1～12;時(shí)間t時(shí)車輛i與前車j之間的距離Dij,t。

1.1 特征檢驗(yàn)

為評(píng)估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,對(duì)車輛行程時(shí)間進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),包括Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)(K-S檢驗(yàn))和Shapiro-Wilk檢驗(yàn)(S-W檢驗(yàn))。由于MTC(人工半自動(dòng)收費(fèi))車輛樣本數(shù)量過(guò)多,結(jié)合P-P圖示法對(duì)MTC車輛的行程時(shí)間進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、圖2、圖3,均服從正態(tài)分布。

表1 車輛行程時(shí)間的K-S檢驗(yàn)和S-W檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 MTC車輛行程時(shí)間的正態(tài)P-P圖

圖3 MTC車輛行程時(shí)間的去趨勢(shì)正態(tài)P-P圖

運(yùn)用Tukey’s Hinges算法(T-H算法)檢驗(yàn)車輛速度數(shù)據(jù)的正常范圍,檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行K-S檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果表明車輛在分流區(qū)的初始和最終速度服從正態(tài)分布(見(jiàn)表3)。

表2 車輛速度的T-H算法檢驗(yàn)結(jié)果 單位:km/h

表3 分流區(qū)車輛行駛速度的K-S檢驗(yàn)結(jié)果 單位:km/h

對(duì)車頭時(shí)距分布進(jìn)行指數(shù)分布擬合檢驗(yàn),采用MATLAB進(jìn)行負(fù)指數(shù)分布擬合,得相關(guān)系數(shù)為0.990 8,均方根誤差為0.018 7。擬合度較高,認(rèn)為車頭時(shí)距服從負(fù)指數(shù)分布,車輛到達(dá)服從泊松分布。

因此,采用泊松分布對(duì)該收費(fèi)站的車輛到達(dá)進(jìn)行描述。

1.2 基于交通沖突替代指標(biāo)的行車安全分析

相較于交通事故,交通沖突往往難以直接觀察和測(cè)量,故引入交通安全替代指標(biāo)進(jìn)行定量化判別?？紤]到收費(fèi)站分流區(qū)交通沖突存在多角度的特征,采用拓展碰撞時(shí)間TETTC對(duì)行車事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行估計(jì)[13],計(jì)算公式如下:

TETTCi(t)=

式中:Oi、Oj分別為車輛i、j的中心點(diǎn)(形心);L1為前車的長(zhǎng)度;Lf為后車的長(zhǎng)度;vi、vj分別為車輛i、j的速度。

基于車輛軌跡數(shù)據(jù),計(jì)算得到所有車輛在收費(fèi)站分流區(qū)的TETTC分布。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,大多數(shù)車輛的TETTC為2～5 s。選取3 s作為危險(xiǎn)場(chǎng)景判別閾值,共有66.58%的沖突為高危沖突,車輛在收費(fèi)站分流區(qū)的行車風(fēng)險(xiǎn)較大。

進(jìn)一步對(duì)ETC與MTC車輛的交通沖突情況進(jìn)行T檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。顯著性小于0.05,ETC和MTC車輛之間存在較大的行車風(fēng)險(xiǎn)差異。

表4 車輛TETTC值T檢驗(yàn)結(jié)果

2 仿真模型搭建

2.1 模型建立

圖4為南京某收費(fèi)站VISSIM仿真系統(tǒng)框架,主要包含輸入模塊、仿真模塊與輸出模塊。

圖4 VISSIM仿真系統(tǒng)框架

以收費(fèi)站實(shí)際幾何設(shè)計(jì)為參考設(shè)置幾何參數(shù):4條主線車道,每條寬度為3.75 m,定義主線車道一般行為為自由車道選擇;收費(fèi)通道共12條,駕駛行為定義為某類收費(fèi)通道僅允許通行對(duì)應(yīng)類型車輛,禁止收費(fèi)通道間的換道行為,其中ETC收費(fèi)通道3條,MTC收費(fèi)通道9條,從內(nèi)到外依次分布,通道寬度均為3.5 m,中央分隔帶寬度1.8 m;分流區(qū)總長(zhǎng)為360 m,其中無(wú)車道劃線分流區(qū)(減速漸變段)300 m,有劃線分流區(qū)60 m;收費(fèi)島寬度約70 m。按照以上數(shù)據(jù)在VISSIM中繪制收費(fèi)站道路模型。

根據(jù)實(shí)測(cè)收費(fèi)站車流數(shù)據(jù),同等比例放縮得到1 h交通量,并定義各車輛類型的物理參數(shù)(包含車寬與車長(zhǎng))、期望速度分布和加減速度(見(jiàn)表5)。

表5 車輛物理參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)標(biāo)定

ETC與MTC車流量比例是收費(fèi)站微觀交通流仿真建模的重要參數(shù)。為此,以真實(shí)車輛比例進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定,同時(shí)根據(jù)實(shí)際車輛收費(fèi)流程,將MTC通道收費(fèi)處的速度設(shè)置為零,繳納通行費(fèi)停留時(shí)間設(shè)置為10～20 s且服從泊松分布;根據(jù)車輛類別和實(shí)際情況將ETC車輛通過(guò)收費(fèi)通道的速度設(shè)置為10～20 km/h且服從泊松分布。停車?yán)U費(fèi)通過(guò)創(chuàng)建停車標(biāo)志(Stop Sign)實(shí)現(xiàn),ETC減速不停車收費(fèi)通過(guò)創(chuàng)建減速區(qū)實(shí)現(xiàn)。

按上述方法建立的仿真模型見(jiàn)圖5。設(shè)置仿真時(shí)間為3 600 s,仿真時(shí)間步長(zhǎng)為5 s,隨機(jī)數(shù)種子為42,選擇最大仿真速度和評(píng)價(jià)指標(biāo),完成仿真。

圖5 南京某收費(fèi)站仿真模型3D圖

2.2 仿真模型校驗(yàn)與安全評(píng)價(jià)

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選取斷面車輛平均速度、車輛行程時(shí)間、交通量、車輛換道情況進(jìn)行仿真模型校驗(yàn),校驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。各項(xiàng)誤差均在7%以內(nèi),仿真模型基本與真實(shí)情況相符。

表6 仿真模型校驗(yàn)結(jié)果

使用SSAM對(duì)收費(fèi)站模型進(jìn)行安全評(píng)價(jià),交通沖突替代指標(biāo)包括TTTC、TPET、最大速度vmax、速度差vdelta。將TTTC、TPET的閾值設(shè)為4 s,4 s內(nèi)交通沖突指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7,其中vdelta均在15 km/h以內(nèi),說(shuō)明在沖突發(fā)生時(shí)兩車的速度差較小,緊急制動(dòng)情況較少,安全水平較高。

表7 SSAM交通沖突替代指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3 面向安全改善的收費(fèi)通道配置優(yōu)化

3.1 單一因素變化仿真

在控制其他因素不變的情況下,分別改變ETC收費(fèi)通道數(shù)量、ETC收費(fèi)通道位置、ETC收費(fèi)通道限速與ETC車輛比例,分析各因素變化對(duì)收費(fèi)站交通安全的影響程度,尋求安全性最高的收費(fèi)站收費(fèi)通道布局。仿真方案相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 單因素變化仿真分析的相關(guān)參數(shù)

(1) ETC收費(fèi)通道數(shù)量影響分析。設(shè)置ETC車輛比例為55%、ETC收費(fèi)通道限速為15 km/h,改變ETC收費(fèi)通道數(shù)量進(jìn)行仿真。ETC收費(fèi)通道數(shù)量起始值為6條,最大值為9條,變化步長(zhǎng)為1條,由收費(fèi)站內(nèi)側(cè)向外側(cè)依次增加。仿真結(jié)果表明,隨著ETC收費(fèi)通道數(shù)量的增加,交通沖突數(shù)增加,兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

(2) ETC收費(fèi)通道位置影響分析。設(shè)置ETC收費(fèi)通道數(shù)量為7條、ETC車輛比例為55%、ETC收費(fèi)通道限速為15 km/h,分別對(duì)ETC收費(fèi)通道位于收費(fèi)站出口內(nèi)側(cè)、外側(cè)、中央進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明,將ETC收費(fèi)通道設(shè)置于收費(fèi)站中央時(shí)交通沖突數(shù)最高,安全性最差;將ETC收費(fèi)通道設(shè)置在收費(fèi)站內(nèi)側(cè)時(shí)沖突數(shù)最少,安全性最高。

(3) ETC收費(fèi)通道限速影響分析。控制其他因素不變(ETC收費(fèi)通道數(shù)量為7條,ETC收費(fèi)通道內(nèi)置,ETC車輛比例為55%),改變ETC收費(fèi)通道限速進(jìn)行仿真。控制ETC收費(fèi)通道限速為15～45 km/h,步長(zhǎng)為10 km/h。仿真結(jié)果表明,ETC收費(fèi)通道限速發(fā)生變化,交通沖突數(shù)變化不顯著,ETC收費(fèi)通道限速對(duì)收費(fèi)站安全的影響較小。

(4) ETC車輛比例影響分析?？刂破渌蛩夭蛔?ETC收費(fèi)通道數(shù)量為7條,ETC收費(fèi)通道內(nèi)置,限速為15 km/h),改變ETC車輛比例進(jìn)行仿真?？刂艵TC車輛比例為50%～80%,步長(zhǎng)為10%。仿真結(jié)果表明,隨著ETC車輛比例的上升,交通沖突數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)上述單一因素變化仿真結(jié)果,ETC收費(fèi)通道限速對(duì)主線收費(fèi)站安全的影響不明顯。因此,正交試驗(yàn)因素選為ETC收費(fèi)通道數(shù)量、ETC車輛比例、ETC收費(fèi)通道位置,試驗(yàn)指標(biāo)為交通沖突數(shù)。ETC收費(fèi)通道數(shù)量設(shè)為4個(gè)水平,分別為6條、7條、8條、9條;ETC車輛比例設(shè)為4個(gè)水平,分別為50%、60%、70%、80%;ETC收費(fèi)通道位置設(shè)為3個(gè)水平,分別為內(nèi)置、外置、中置。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果(見(jiàn)表9)表明,ETC車輛比例和ETC收費(fèi)通道位置對(duì)主線收費(fèi)站安全有顯著影響,其中ETC車輛比例的影響最大。

表9 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行S-N-K檢驗(yàn),結(jié)果(見(jiàn)表10)表明,最優(yōu)的組合方案為ETC收費(fèi)通道數(shù)量為6條、ETC收費(fèi)通道內(nèi)置、ETC車輛比例為80%。

表10 正交試驗(yàn)結(jié)果的S-N-K檢驗(yàn)

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,結(jié)果(見(jiàn)表11)表明,3個(gè)因素的主次順序即重要性大小為ETC車輛比例>ETC收費(fèi)通道位置>ETC收費(fèi)通道數(shù)量。結(jié)合各因素的最佳水平,得出最優(yōu)方案為ETC收費(fèi)通道數(shù)量為6條、ETC收費(fèi)通道內(nèi)置、ETC車輛比例為80%,與S-N-K檢驗(yàn)結(jié)果一致。

表11 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

3.3 收費(fèi)通道配置優(yōu)化方案

根據(jù)仿真及正交試驗(yàn)結(jié)果,面向安全改善的收費(fèi)站收費(fèi)通道配置優(yōu)化方案為ETC車輛比例為80%、ETC收費(fèi)通道數(shù)量為6條、ETC收費(fèi)通道內(nèi)置,同時(shí)設(shè)置指示牌引導(dǎo)MTC車流在進(jìn)入分流區(qū)前處于主線車道的外側(cè)、ETC車流處于主線車道的內(nèi)側(cè),減少交通流交織形成交通沖突(見(jiàn)圖6)。該收費(fèi)站的ETC通道改建已基本完成,優(yōu)化后ETC車輛占比得到顯著提高且仍在增加,上述收費(fèi)通道配置方案符合未來(lái)發(fā)展方向,能有效改善收費(fèi)站的安全狀況,降低事故發(fā)生概率。

圖6 收費(fèi)站通道布局示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于南京某收費(fèi)站的實(shí)際車輛軌跡數(shù)據(jù)建立微觀仿真模型,通過(guò)仿真對(duì)收費(fèi)站進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)?；诜抡婺Ｐ?采用正交試驗(yàn)方法得出不同ETC收費(fèi)通道數(shù)量、ETC收費(fèi)通道位置、ETC收費(fèi)通道限速及ETC車輛比例對(duì)收費(fèi)站交通沖突的影響程度,進(jìn)行各因素影響嚴(yán)重程度排序。基于仿真模型和分析結(jié)果,提出針對(duì)ETC收費(fèi)通道數(shù)量、ETC收費(fèi)通道位置、ETC收費(fèi)通道限速及ETC車輛比例的收費(fèi)通道配置優(yōu)化方案,以改善收費(fèi)站交通安全狀況,降低事故發(fā)生概率。但仍有許多因素未考慮周全,如收費(fèi)廣場(chǎng)漸變率和收費(fèi)站服務(wù)水平等,未來(lái)可以考慮這些因素進(jìn)行安全影響分析,建立更符合主線收費(fèi)站實(shí)際情況的跟車換道模型,增強(qiáng)仿真模型的可靠性,更全面地評(píng)估主線收費(fèi)站的交通安全。