雙車道公路超車危險因素辨識

張文會，馬俊，塔建

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

雙車道公路超車危險因素辨識

張文會，馬俊，塔建

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱 150040)

為了減少超車風險，建立較為完善的超車模型，本文對超車危險因素進行分析，形成超車因素風險指標體系。應用系統工程的理論對雙車道公路超車危險因素進行分析，建立超車過程風險因素5級多層遞階解釋模型結構，通過分析雙車道公路超車風險因素之間的結構和層級關系，得出結構模型和解釋結構模型圖，找出影響雙車道公路超車的直接因素、間接因素。研究表明，多層遞階ISM方法能有效的建立雙車道超車風險因素辨識結構模型，直觀的反映出各個影響因素之間的層級關系，操作簡便，實際可行。

雙車道公路；超車；解釋結構模型；風險因素

0 引言

超車是駕駛過程中不可避免的行為，也是最常見的駕駛行為之一。實施超車時，駕駛員需要兼顧當前車速、車輛間距、道路交通設施以及車流狀況等信息，綜合處理實時調整駕駛策略以完成超車行為。這是一個十分復雜的過程，該過程包括了超車環境信息的收集與處理、超車時機判斷、超車軌跡生成以及超車過程突發狀況處理等。如此復雜的過程全憑駕駛員自己完成，這使得駕駛員在超車過程中出現錯誤的概率一直居高不下，而因為超車過程中操作不當所引發的交通事故也是道路交通事故的主要組成部分。因此，如何提高超車過程的安全性成為一個亟待解決的交通安全問題。

對于超車問題國內外學者也做了大量研究。Afshin根據伊朗事故數據統計了超車過程中發生事故的人類工效學特征[1]。Yue Yu建立了智能車輛超車仿真模型，模型中考慮了道路幾何特征和風力等交通環境因素[2]。Eleni I分析了年輕男性和女性駕駛人在雙車道公路的超車持續時間，同時還建立了考慮司機性別、車速的超車時間模型[3]。劉江通過設計實驗方案測量在雙車道公路上超車時兩車的最小車頭時距，即可超車車頭時距以及超車過程中需要從對向車道回到本車道時與前車的最小車頭時距，即可回頭車頭時距，研究結果為研究雙車道公路通行能力、駕駛員超車行為、設計超車視距以及構建智能交通系統提供實測數據依據[4]。學者在研究超車時大都側重于超車模型的設計研究，沒有專門針對超車過程中的風險因素進行分析，而超車過程的安全因素辨識是研究超車過程的前提，因此對超車危險因素進行分析劃分是具有重要意義的。本文對超車過程進行分段，分析每階段的超車風險因素，并用ISM方法對這些因素進行分層劃分，得出影響雙車道公路超車安全的直接原因、間接原因，對于以后研究超車安全模型規避超車風險具有重要意義。

1 超車風險因素集

超車過程是一個十分復雜的過程，在分析中不但要考慮超越車輛自身的因素，目標車輛以及對向車輛、對向來車均會對超車過程產生影響，因此，在分析過程中應該進行全面的考慮。在實際的分析過程中，可以將超車過程分為3個階段[5]：超車準備階段，超車實施階段，超車完成階段。

1.1 超車準備階段的超車影響因素

駕駛員在駕駛過程中都希望保持自己的期望車速，但由于駕駛員本身年齡、性別的差別，期望車速會有所不同。當期望車速較快的車輛位于期望車速較慢的車輛后方時，就產生了超車需求，超車需求的產生是超車行為發生的前提。但在后方車輛具備超車需求的情況下并不一定會產生超車行為，只有在同時具備超車需求并且滿足超車條件的情況下才會產生超車行為。超車條件主要是超車視距是否滿足超車需求，而超車視距由超越車的速度，被超車的速度，對向車輛的速度以及天氣、能見度等多種因素決定。因此，這些因素都需要被考慮。

圖1 雙車道公路超車示意圖Fig.1 Schematic diagram of overtaking of two lane highway

1.2 超車實施階段的超車影響因素

由于雙車道公里超車行為的復雜性，即使已經開始實施超車行為也有可能由于各種因素使得駕駛人員放棄超車或者調整超車模式。如圖1所示，超車實施階段又可以分為換道、超越、并道3部分，無論在那一部分，超越車必須保證和目標車輛以及對向來車的距離大于最小安全距離。在換道階段，根據GIPPS[6]提出的換道模型中的換道最小安全距離公式：

MSS=Max{(∫0t∫0λan(τ)-a(n+1)(τ)dτdλ(Vn(0) -V(n+1)(0))t) ,0}

式中：an,a(n+1)為車輛n，n+1的加速度；Vn,V(n+1)為車輛n，n+1的速度。

如公式中可以看出，在換道階段，影響超車的主要因素是車輛的加速度和速度，因此在這一階段主要的超車影響因素是超車車輛的性能以及車速。

1.3 超車完成階段的超車影響因素

車輛n完成超越回到本車道，處于目標車輛n+1的前面，目標車輛前方車輛n+2的后面，考慮到行駛過程中車輛之間需要保持安全間距，此時影響安全間距的主要因素是前方車輛n+2的車速。

1.4 雙車道超車風險因素集

以上按照超車過程詳細的對超車準備階段、超車實施階段、超車完成階段對超車過程的風險因素進行了分析。道路交通是一個人車路環境的統一體，在此按照人、車、路、環境這幾個方面對超車過程的風險因素集進行總結整理，見表1。

表1 超車風險因素集Tab.1 Overtaking Risk Factors

2 解釋結構模型(ISM)因素分析

2.1ISM方法

ISM(InterpretiveStructuralModelingMethod)方法是解釋結構模型的簡稱[7]。ISM方法可以把復雜的系統分解成若干個簡單的子系統，通過對系統里各個元素之間相互影響關系的辨識，將原本復雜的系統分解成為若干個遞階結構形式[8]。由于ISM的特性，它可以將原本模糊的思想轉化為結構明了、關系清晰的模型[9]，因此，在實際研究過程中，ISM常常用于變量眾多且變量間關系復雜結構混亂的系統分析。ISM的技術研究步驟[10]如下：

步驟一：提出問題，建立知識模型。采用專家研討等方法搜集和整理系統的構成要素，得到系統要素集S。記為

(1)

針對討論的問題設定要素間的二元關系，形成知識模型。

步驟二：判斷要素集中兩兩元素的二元關系，從而構建鄰接矩陣A=(aij)MXN。其中鄰接矩陣A的元素aij定義為：

(2)

步驟三：根據推移率特性計算可達矩陣R，計算公式為：

(A+1)≠(A+1)2…≠(A+1)k≠(A+1)k+1

(k≤n-1)。

(3)

則M=(A+1)k。

(4)

公式(3)(4)滿足布爾代數運算法則[11]，其中I為單位矩陣。其運算本質是A加上I后進行自乘，直到某一次冪后前一次乘積與后一次乘積相等就停止計算，而可達矩陣就是這相等乘積的矩陣[12]。

步驟四：主要是對可達矩陣R的應用，采用下述方法分別求得可達集R(Si)、前因集A(Si)和共同集R(Si)∩A(Si)，有：

R(Si)={Si|Mij=1；}，表示從因素Ni出發，可以到達全部因素的集合，可以通過矩陣M的第i行上數字為1的列對應的因素來求。

A(Si)={Si|Mij=1；}，表示可以到達因素Ni的全部因素的集合，可以通過可達矩陣M的第i列上數字為1的行對應的因素來求。

R(Si)∩A(Si)表示R(Si)和A(Si)的交集，也是最高因素集，當R(Si)∩A(Si)= R(Si)時，如其他因素能達到該因素，而該因素不能到達其它因素，則該因素為最高級因素。

步驟五：根據計算結果對可達矩陣進行劃分并且建立結構模型，這就包括了區域劃分、等級劃分以及ISM模型的建立。

步驟六：根據系統工程的理論知識[13]以及雙車道超車的實際情況，根據模型對系統要素進行層次分析。

2.2 雙車道公路危險因素的ISM模型

(1)根據表1的超車風險要素集，采用Delphi法確定兩兩影響因素之間的關系[14]，建立雙車道公路超車危險因素的直接影響矩陣A，矩陣A 中，1表示行因素對列因素有影響，0表示行因素對列因素無影響或者影響可以忽略不計。鄰接矩陣A 如下：

(2)根據公式(2)，(3)利用MATLAB編程可計算得出k=4，計算得出可達舉證M如下：

(3)對可達矩陣M中各個風險因素進行區域劃分[15]，并且判斷因素間的相互連通影響關系[16]。根據步驟四中的計算方法分別求出可達集R(Si)、先行集A(Si)，最后得出最高因素集L1：R(Si)∩A(Si)= R(Si)。根據可達舉證M對雙車道公路超車風險因素進行劃分，通過第一次計算可以獲得可達集R(Si)、先行集A(Si)和最高因素集R(Si)∩A(Si)=R(Si)，結果見表2。

根據表2通過調整整理可以確定第一級因素集合L1，其中包括S4，S9、S11、S13、S14、S15共6個風險因素；重復上述計算步驟，最終將20個雙車道公路超車風險因素分配在5個級別里。由于計算方法相同，且篇幅有限，本文只列出了上述第一級因素集合L1的計算過程，L2、L3、L4、L5采用類似的計算方法，不再累述。最終確定的因素級位劃分結果如下：

L1={ S4，S9、S11、S13、S14、S15}；

L2={ S2、S16、S5、S6、S7、S8、S10、S12}；

L3={ S1、S3、S20}；

L4={ S17、S19}；

L5={ S18}；

因此，雙車道公路超車危險因素ISM模型如圖2所示。

表2 一級因素劃分數據表Tab.2 Division of data for primary factors

圖2 ISM結構模型Fig.2 ISM structure model

由圖2可知雙車道公路超車危險因素具有多層遞階結構的特征[17]，共5個層次。第一層級是影響雙車道公路超車的直接原因，第二、三、四、五層級對第一層級有直接影響，是影響雙車道公路超車安全的間接因。

第一層因素是影響雙車道超車安全的直接原因，超車過程能否順利進行很大程度上都取決于第一層因素，因此這些因素也是在后續超車模型研究中不可忽視的研究因素。

第二、三、四、五層因素是影響雙車道公路超車的間接因素，這些因素通過直接因素的影響，也會對超車過程產生一定的影響，只是在超車過程由于影響因素眾多，在取舍過程中這些因素可以適當考慮，但不應該作為著重研究對象。

根據上述風險因素辨識提取影響雙車道公路超車危險因素最直接的因素，考慮超車過程存在的區域特性、時間特性以及辨識的誤差，通過分析和專家意見，最終將駕駛員的駕駛里程、性別、超越車輛n的速度Vn、被超車輛的速度Vn+1、超越車輛n與目標車輛n+1之間的距離、超越車輛n與對向來車m之間的距離6個因素作為雙車道公路超車危險因素辨識的主要因素[18]。

3 結論

雙車道公路超車需要借用對向車道，因此在超車過程中的安全隱患大于在其它道路條件下得超車過程。本文深入分析雙車道公路的超車危險因素，分析各因素之間的關系，建立雙車道公路超車危險因素的ISM模型，探討各個因素之間的結構層次關系。通過分析，得到了一個層次關系清楚、脈絡清晰的結構化模型，劃分出了影響雙車道公路超車安全的間接原因和直接原因。但在本文的研究中也存在一定的不足之處，本文研究側重于定性研究，在后續的實際模型確定的過程中還需要進一步的進行定量分析，以增加超車模型的精確程度。

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The Identification of Overtaking Risk Factors On Two Lane Highways

Zhang Wenhui，Ma Jun，Ta Jian

(School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to reduce the risk of overtaking and establish a relatively perfect overtaking model，this paper analyzes the overtaking risk factors and forms a risk factor index system.Based on the system engineering theory，the overtaking risk factors of two-lane highway are analyzed and a five level hierarchical interpretative structural modeling is formed.By analyzing the structure and hierarchy among risk factors，the structure model and interpretative structural model are obtained and the direct and indirect factors that affect the two lane highway overtaking can be achieved.Research shows that the hierarchical ISM can effectively build a two lane highway overtaking risk factors identification model which can reflect the hierarchy among factors directly.The system has the advantages of easy operating and practicality.

Two lane highways；overtaking；interpretative structural modeling；risk factors

2017-03-22

中央高校基本科研業務費專項資金項目(2572015CB13);黑龍江哲學社會科學研究規劃項目((4B015)

張文會，博士，副教授。研究方向：交通運輸安全。Email：55065469@qq.com

張文會，馬俊，塔建.雙車道公路超車危險因素辨識[J].森林工程，2017，33(3)：89-93.

U 412.3

A

1001-005X(2017)03-0089-05