基于車速離散度的機場高速公路風險識別研究

胡立偉，孟 玲，何越人，羅振武 HU Liwei,MENG Ling,HE Yueren,LUO Zhenwu

（昆明理工大學 交通工程學院，云南 昆明 650500）

隨著各大型機場旅客吞吐量的快速增長，乘坐小汽車成為當前旅客進出場的重要交通方式，由此增加了機場路網(wǎng)的交通安全問題。機場高速公路車輛行駛相較于普通高速公路車輛行駛目的性更專一，但同樣具有普通高速公路的行車速度快、交通流量大等特性。目前，國內(nèi)外對于機場高速公路車輛行駛安全的研究較少，國內(nèi)廖文周[1]通過研究廣州機場高速公路在節(jié)假日及平常日的交通現(xiàn)狀，分析了機場高速產(chǎn)生交通擁堵的原因。滕麗萍[2]利用成都機場高速公路數(shù)據(jù)分析得到高速公路道路交通事故原因，并提出高速公路道路交通事故相應(yīng)預防措施。本文對機場高速公路進行風險識別，可以有效提高機場高速行車效率，保證行車安全，對于機場高速公路的研究有重要意義。

在高速公路風險研究中，國外通過車速對車輛運行風險進行研究開始較早。1991年，F(xiàn)ldes[3]通過對司機的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高速運行的車輛比低速運行的車輛更容易發(fā)生交通事故；1993年，Monash[4]對車速和平均車速的差值與事故率之間的關(guān)系進行了相關(guān)研究，得出車速與平均車速的差值越大事故率越高的結(jié)論。

我國學者也通過分析車速、交通事故等對高速公路進行深入研究。2003年，裴玉龍[5]教授用回歸分析的方法建立了車速離散性與交通事故的關(guān)系模型，并根據(jù)模型給出了高速公路合理的車速限制建議值；2010年，徐亮，程國柱[6]基于車速離散性約束和以油耗量最小為目標，提出了高速公路最低車速限制方法；2012年，徐鋮鋮、王煒[7]等人研究了高速公路交通安全實時評價指標與交通事故風險之間的定量關(guān)系，并用于交通事故實時預測；2014年，吳彪、宋成舉[8]等人建立了高速公路施工區(qū)合流沖突風險計算模型，確定了高速公路施工區(qū)不同安全狀態(tài)的合流沖突風險閾值，并進一步運用灰色理論建立了高速公路施工區(qū)合流沖突預測的GM 1,（）1模型；2016年，賈洪飛、桑珩[9]等利用模糊綜合評判法對高速公路進行潛在事故風險點（段）識別；2018年，馬艷麗、祁首銘[10]等建立了基于PET算法的匝道合流區(qū)交通沖突識別模型，有效識別匝道合流區(qū)的潛在沖突，提高匝道合流區(qū)行車安全。

上述方法均在普通高速公路中有較好的驗證與應(yīng)用，本文欲參考高速公路已有的研究方法，引入機場高速公路車輛行駛的目的專一性更強這一特性，對機場高速公路車輛往返風險運行區(qū)間進行初步判定；速度是車輛行駛是否安全的一個重要指標，本文采用車速離散度進一步進行風險區(qū)間的界定，豐富機場高速公路車輛行駛安全理論，為改善機場高速公路安全設(shè)施的布設(shè)及車輛控制策略提供了理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來源與預處理

1.1 試驗路段的選取

為保證研究路段具有路況良好、數(shù)據(jù)量充足等特性，本文選取昆明機場高速收費站“A”—長水機場“B”路段作為研究路段，此路段總計5 760m。

1.2 試驗時間段的選取及實驗儀器

為研究機場高速公路車輛運行風險特征，在2017年5月23日9:00～12:00高峰小時內(nèi)，對試驗車F的車速以及行車距離等進行記錄，并對采集的數(shù)據(jù)進行了預處理。試驗儀器選用GPS、行車記錄儀、非接觸式五輪儀，試驗車F車型為豐田普拉多。

1.3 試驗過程

試驗車中有2名成員，1位駕駛員，1人控制GPS與非接觸式五輪儀設(shè)備對路段位置與車速進行記錄。對車輛在機場高速公路往返程的試驗數(shù)據(jù)進行分組，其中車速有效數(shù)據(jù)共計720個。

1.4 數(shù)據(jù)預處理

采集試驗車F實車行駛的實時數(shù)據(jù)，通過GPS和非接觸式五輪儀對路段位置與車速進行記錄，在對路段位置與車速進行記錄時，皆為1s統(tǒng)計1次數(shù)據(jù)。對機場高速往返路段的不同路段位置的速度的最小值、最大值、平均值、標準方差進行計算，運用matlab軟件分析出試驗車F在機場高速公路研究路段的車輛往返速度的相關(guān)數(shù)據(jù)。機場高速公路車輛往返行駛速度相關(guān)特征值匯總于表1。

表1 試驗車F在A～B研究路段往返行駛速度相關(guān)特征值

2 車速運行規(guī)律分析

2.1 行駛速度分析

在研究路段試驗車F先后從昆明機場高速收費站往返于長水機場，其行駛速度如圖1、圖2所示。

圖1 試驗車F在A～B路段行駛速度

圖2 試驗車F在B～A路段行駛速度

（1）A～B方向速度特性分析。由圖1可得，在A～B方向行駛路段（除加減速段），試驗車F的車速均高于最低限速60km/h，均低于最高限速120km/h。試驗車F由A～B行駛進入可觀測點時的速度為39.34km/h，并由此到路段位置880m處時行駛速度一直處于上升趨勢，到達路段880m處的行駛速度為84.88km/h。

（2）B～A方向速度特性分析。由圖2可看出，在B～A方向行駛路段（除加減速段），試驗車F車速均高于最低限速60 km/h，均低于最高限速120km/h。試驗車F由B～A行駛進入可觀測點時的速度為57.60km/h，并由此到路段位置832m處時一直處于上升趨勢，到達路段832m處的行駛速度為76.80km/h。

2.2 行駛速度擬合

根據(jù)試驗車F行駛速度與路段位置的數(shù)據(jù)，建立行駛速度與路段位置的擬合函數(shù)。經(jīng)過多次嘗試，擬合軟件擬合出的正弦曲線逼近函數(shù)，較好地擬合出行駛速度與路段位置的變化關(guān)系。

表2 機場高速公路車輛速度與路段位置的擬合函數(shù)

試驗車F的往返行駛速度與路段位置的正弦曲線逼近函數(shù)擬合圖像如圖3、圖4所示。

圖3 A～B行駛速度的正弦曲線逼近擬合圖像

在圖3擬合函數(shù)圖像中，試驗車F在昆明機場高速收費站—長水機場路段行駛時，到達路段0～640m、2 400～4 800m、4 800～5 760m（A～B方向為正方向）時，行駛速度均達到各段速度峰值，且在路段位置4 480m時達到昆明機場高速收費站—長水機場路段最大行駛速度。由此分析試驗車F在昆明機場高速收費站—長水機場行駛時，在路段0～640m、2 400～4 800m、4 800～5 760m處均產(chǎn)生車輛運行風險。

圖4 B～A行駛速度的正弦曲線逼近擬合圖像

在圖4擬合函數(shù)圖像中，試驗車F在長水機場—昆明機場高速收費站路段行駛時，車輛到達路段0～800m、1 600～4 960m、4 960～5 760m（B～A為正方向）時，行駛速度均達到各段速度峰值，且在路段2 400m處達到長水機場—昆明機場高速收費站路段最大行駛速度。由此分析試驗車F在昆明機場高速收費站—長水機場行駛時，路段0～800m、1 600～4 960m、4 960～5 760m處均產(chǎn)生車輛運行風險。

2.3 風險交織區(qū)初步識別

運用類比分析的方法，分析試驗車F在機場高速公路的往返速度，初步識別出機場高速公路風險交織區(qū)，主要包括收費站與高速公路銜接段、高速公路車輛行駛速度波動較大路段、車輛出入停車樓的加減速路段。如圖5所示。

圖5為試驗車F在研究路段往返車速風險交織區(qū)初步識別圖像，更簡單直觀地表示出試驗車F在研究路段的往返行駛速度隨路段位置的變化，進而判斷出車輛運行風險的交集路段。在風險交織區(qū)初步識別圖像中易看出在研究路段的車輛往返行駛速度變化趨勢，且A～B車輛行駛速度明顯高于B～A車輛行駛速度，這表明試驗車F在機場高速公路行駛時，由于往返目的不同而引起車輛往返行駛速度產(chǎn)生較大差異。試驗車F在研究路段的往返行駛速度達到峰值的路段位置相近，經(jīng)初步類比分析得到風險交織區(qū)的大致為路段0～640m、2 400～4 160m、4 960～5 760m（A～B方向為正方向）。路段0～640m為機場高速公路收費站交通沖突路段，車輛從收費站加速駛出或者減速進入收費站，同時駕駛員也面臨著選擇服務(wù)車道的問題，從而不同程度上造成車輛速度的波動，增加了此路段的交通復雜性，進而增加了此路段的運行風險。路段4 960～5 760m為機場高速車輛進出機場停車樓的加減速路段，車輛受到達目的地的距離、道路線形、交通狀況等產(chǎn)生速度的波動，從而增加了此路段的車輛運行風險。

圖5 風險交織區(qū)初步識別圖像

3 基于車速離散度的機場高速公路風險區(qū)間評定模型

3.1 車速離散度的界定

車速離散是影響行車通行效率與安全的重要因素之一，車輛的車速與平均車速的差值越大，即車速分布越離散。采用試驗車F的行駛車速與平均車速計算車速離散度，即車速波動情況，因此車輛在運行區(qū)間的任意速度可監(jiān)測點車速離散度表達式為：

式中：σ—車速離散度；vi—車輛行駛速度；—車輛平均速度；i—車輛在運行區(qū)間內(nèi)的任意速度可監(jiān)測點；n—所取速度樣本個數(shù)。經(jīng)處理，車速離散度如圖6所示。

圖6 A～B路段往返車速離散度

3.2 基于車速離散度的機場高速公路行車風險模型構(gòu)建

以車速離散度為基礎(chǔ)，提出車輛運行區(qū)間風險概率及風險系數(shù)，作為機場高速公路風險區(qū)間評價指標。通過定義風險概率來對機場高速公路進行安全評定，并對機場高速公路風險運行區(qū)間進行界定。將A～B路段、B～A路段的風險概率分別表達為：

式中：i,h為車輛運行區(qū)間內(nèi)任意行駛速度可監(jiān)測點，且h＞i；σi、σi+1…σh分別為i、i+1…h(huán)點的車速離散度。

風險概率反映了車輛在運行區(qū)間發(fā)生危險的可能性，當車輛在某段區(qū)間內(nèi)的車速離散度大于車輛在總區(qū)間內(nèi)的車速離散度，風險概率大于1則表明這段區(qū)間內(nèi)車輛運行處于風險狀態(tài)，即此區(qū)間為風險運行區(qū)間。

裴玉龍教授在對高速公路的速度標準差和億車公里事故率分析中，指出隨著車速離散程度的提高，事故率將以指數(shù)增長率增長[5]。車速離散度與事故率的具體關(guān)系模型為：

在風險概率可知的基礎(chǔ)上，從駕駛員駕駛車輛的目的出發(fā)，駕駛員更關(guān)注的是在機場高速公路行駛時駕駛車輛的時間長短。因此，在考慮車輛行駛時間的基礎(chǔ)上，建立區(qū)間風險系數(shù)指標，其計算公式如下：

式中：S為風險系數(shù)；AR為事故率；t*為風險區(qū)間內(nèi)車輛運行時間權(quán)重。

由式（5）可知，風險系數(shù)由σ和t*所決定，σ表示在風險區(qū)間內(nèi)的車速離散度大小，t*表示運行車輛在風險區(qū)間中的行駛時間。風險系數(shù)S的引入一方面反映σ越大，意味著車輛速度波動越大，車輛行駛越不穩(wěn)定；另一方面行駛時間越短，意味著可以更快駛離風險區(qū)，根據(jù)每個風險區(qū)間的行駛時間確定各風險區(qū)間的時間權(quán)重。

3.3 風險系數(shù)計算及風險交織區(qū)標定

根據(jù)式（2）、式（3）、式（5）計算研究路段往返的風險概率以及風險系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 機場高速公路A～B路段風險概率和風險系數(shù)特征值匯總

由表3風險概率和風險系數(shù)計算值對研究路段進行標定，如圖7。

圖7 機場高速公路車輛往返路段風險區(qū)間

機場高速往返路段的風險區(qū)間分別標定如圖7，在距離A、B兩個點的區(qū)間均為高風險區(qū)間。車輛在行駛過程中部分路段出現(xiàn)駕駛風險，進一步進行風險交織區(qū)的標定，如圖8所示。

圖8 機場高速公路風險交織區(qū)

在圖8中，2段機場高速公路高風險交織區(qū)的長度分別為640m、800m，在這兩段區(qū)間中，車輛加減速以及車道變換等是產(chǎn)生運行風險的重要原因。機場高速公路低風險交織區(qū)長度為1 760m，此路段車輛運行風險較低，一旦出現(xiàn)隱患而引起的后果難以掌控，因此低風險交織區(qū)的確定對于機場高速公路風險管控有重要意義。

4 機場高速公路風險運行區(qū)間對策研究

（1）機場高速公路加減速高風險區(qū)間對策。從機場高速公路A～B路段風險系數(shù)匯總表可以明顯看出，在機場高速公路加減速路段風險系數(shù)較高，此路段行車風險較高。

在靠近A處加減速路段為駛出駛進收費站路段，在A～B方向為駛出收費站路段，設(shè)置車道變換以及高速路段限速值警示牌；在B～A方向為駛進收費站路段，設(shè)置車輛提前換道提示牌以及減速警示牌，合理引導車流進入收費站。

靠近B處加減速路段為駛進駛出機場停車樓路段，在A～B方向為駛進機場停車樓路段，在距停車樓500m處設(shè)置機場停車樓引導牌，提醒駕駛員進行提前換道以及車輛減速操作；在B～A方向為駛出機場停車樓路段，設(shè)置車道變換以及高速路段限速值警示牌，以防車速過快或視野不佳導致合流路段發(fā)生危險。

（2）機場高速公路低風險區(qū)間對策。在A～B方向機場高速公路低風險區(qū)間長度為2 400m，且位置靠近目的地；在B～A方向機場高速公路低風險區(qū)間長度為3 360m，且位置靠近目的地，其風險交織區(qū)長度為1 760m，位置大約在研究路段的中間部分。機場高速公路低風險區(qū)間風險系數(shù)較高風險區(qū)間風險系數(shù)小，但此風險交織區(qū)路段位置特殊，位于研究路段的中間部分，一旦發(fā)生事故而引起的損失無法估量。在風險交織區(qū)路段，采用安全性能更高的隔離護欄，并在A～B往返兩車加設(shè)高風險區(qū)監(jiān)控等。

5 結(jié)束語

本文研究機場高速公路車輛運行風險識別問題，結(jié)合提取到的車輛行車信息，建立基于車速離散度的機場高速公路風險區(qū)間評定模型。研究結(jié)論如下：（1）機場高速公路車輛運行的目的性較普通高速公路更強，主要表現(xiàn)為車輛在機場往返行駛過程中行駛速度差異較大。（2）通過引入機場高速公路車輛運行的目的專一性更顯著這一特性，對機場高速公路車輛運行風險區(qū)間范圍進行初步界定，并得到車輛往返路段的風險交織區(qū)。（3）駕駛員在機場高速公路駕駛車輛的目的性不同的情況下，車輛運行的時間不同，由此建立基于車速離散度的機場高速公路風險區(qū)間評定模型，通過風險概率及風險系數(shù)對機場高速公路進行風險區(qū)間等級標定，并進一步得到風險交織區(qū)。（4）對機場高速公路高、低風險區(qū)間進行設(shè)施布設(shè)，對存在安全隱患路段進行安全管控，為改善機場高速公路安全設(shè)施布設(shè)及車輛控制策略提供了理論基礎(chǔ)。