城市快速通道銜接節點交通風險識別研究

胡立偉，于廣浩，張 婷 HU Liwei,YU Guanghao,ZHANG Ting

（昆明理工大學 交通工程學院，云南 昆明 650500）

0 引言

城市快速通道銜接節點定義為：介于城市交通干道與快速通道之間的節點，快速通道（城市道路）上車輛經變道及車速變換進入節點，最后接入地面城市道路（快速通道）整個過程所形成區域。而車輛在快速通道上行駛，車道及相應車速變換是較為常見行為，是駕駛員針對周圍車輛車速和間距等環境信息刺激，及時做出相應反應以期達到期望駕駛目的標綜合行為[1]。但是由于車輛換道行為較為復雜，駕駛員換道過程中所涉及因素較多，使得駕駛員容易產生錯誤判斷，容易使得車輛處于交通風險之中。

目前，學者們針對城市快速通道銜接節點安全問題進行較多相關研究。趙倩[2]通過對銜接節點交通事故分析，提出銜接節點交通安全評價指標，最終達到降低節點交通事故與提高節點服務水平目的；馬艷麗[3]等通過識別入口匝道匯入車輛與主線車輛之間交通沖突，構建沖突識別模型，模型驗證表明可有效識別合流區潛在沖突；徐慧智[4]等通過實測數據發現車道變換與交通流運行速度之間關系，并進行量化分析；孫露[5]等人使用交通沖突技術結合交通仿真軟件研究交織區交通安全狀況，結果表明交織區交通沖突率越高，其服務水平往往越低；王世明[6]通過研究車輛換道過程中與周圍車輛相對位置關系，提出車輛換道安全預警模型；孟祥海[7]通過建立概率風險和速度風險等兩類事故風險模型研究高速公路銜接節點車輛分合流安全性，結果顯示駕駛員在分合流時分流和合流具有相同水平安全性；Vechione[8]等使用統計學方法，通過比較節點上強制變道和自由變道期間駕駛員行為，研究變道行為對于駕駛員決策影響。上述研究雖然建立一定分析方法和模型，但所提出措施不夠系統，并未針對銜接節點風險較高區間提出對癥措施，且相關研究往往把快速通道銜接節點作為普通平面交叉口進行處理，導致銜接節點安全風險研究處于較未受重視狀態。

為提高快速通道銜接節點處安全水平，使快速通道更好發揮自身功能，迫切需要對快速通道銜接節點安全問題進行研究。本文通過研究駕駛員車輛變道規律及車速變化，從道路、車輛等因素選取識別指標，應用模糊綜合評價方法準確識別銜接節點交通風險，并針對識別結果提出相應安全改善措施。

1 城市快速通道銜接節點換道及車速規律分析

1.1 城市快速通道典型銜接節點路段劃分

為對城市快速通道銜接節點交通風險進行識別，本文選取云南省昆玉高速昆明市境內快速通道樁號K11+115m作為典型銜接節點進行研究，該節點為互通式立交匝道形式，主線為單向三車道，車道寬度為3.75m。車道1表示最內側車道，銜接節點內側車道交通量約為1 286veh·h-1，外側車道交通量為1 373veh·h-1。由于該路段未實施車道限制，各種車型混合行駛。為分析車輛車道變化、運行速度數據，選取2018年5月24～26連續三日上午8：00～13：00交通流作為樣本，并使用GPS、激光測速儀、高清攝像機等設備進行數據采集。

由于測得銜接節點不同路段車速空間跨度較大，且不同路段行車環境差異也較大，導致行車規律存在較大差異。所以需要對銜接節點進行分段。本文使用K—均值聚類法[9]方法進行分段，目標函數：每一個數據點zi與其最接近聚類中心距離平方和最小（該平方和稱為方差D）。

式中：cr表示第r個聚類中心；K為聚類數；表示數據點zi到聚類中心cr距離。

考慮到分段—聚類法分段個數對聚類結果產生影響及分段依據變量不唯一，因此結合波動系數[10]作為指標反映曲線波動劇烈程度，以修正分段結果。波動系數定義為：

其中：S為采樣點個數；ωi為第i個數據采集點數值，最終分段結果及各檢測路段車速波動系數見表1。

依據美國《公路通行能力手冊》中分合流影響區定義：分流影響區定義為從出口匝道和主線連接線處到主線上游450m內；合流影響區是指從進口匝道開始處到主線下游450m內[11]。據數據統計結果看，車輛變道行為一般發生在距離上下游鼻端較遠位置，為使研究結果更加科學準確，本文現將銜接節點影響區范圍延長并分段如圖1所示。其中，銜接節點過渡段表示駕駛員通過觀察目標車道交通流及間隙情況，評估變道可用性變道和車速調整區段；銜接節點調整段表示車輛進出節點前后調整車頭位置及車速區段。

表1 分組結果與波動系數

圖1 銜接節點分段及行車運行軌跡圖

1.2 城市快速通道典型銜接節點換道規律描述

本次調查數據共收集636次變道數量，具體數據和處理結果如表2所示。

表2 銜接節點車輛變道位置分布

從調查數據統計結果來看，快速通道上進出銜接節點車道變換與普通道路存在較大差別，具體規律如下：相較于普通地面道路，快速通道車流量較少車速較快，相應變道次數相較于普通道路節點也較少；大部分車輛由于在抵達銜接節點內部段前已經處于最外側車道，所以可以直接減速匯入變速車道進入節點，因此，車輛變道位置大多集中于1、2和5等車道前半段；車輛進出銜接節點一般采取連續變道到變速車道，較少情況有采取分次變道方式；另外，從調查數據來看，除產生進入銜接節點車輛之外，很少有車輛會在快速通道上進行隨意變道，超車變道行為也很少發生。

路段1、2處變道行為大部分集中在0～500m區間內，路段5處變道行為主要集中在0～60m，分別占到66%和28%。通過SPSS軟件進行相關性分析，車輛變道位置與交通風險相關性系數為0.814，顯著性水平為0.002＜0.05，表明車輛變道位置與交通風險發生位置有著較大相關性，在合理風險區間進行合理變道可以有效規避因車道變換帶來交通風險。

1.3 城市快速通道典型銜接節點運行速度規律描述

主線車輛混合行駛時，車道1車速分布主要集中在75～115km/h之間，最大車速為117km/h，最低車速為59.7km/h，累計頻率曲線85%車速約為94km/h；車道2車速主要分布在55～105km/h之間，最大速度為108km/h，最小速度為42km/h，速度極差為78km/h，累計頻率曲線中85%車速約為76km/h，與車道1車速相較不大；混合行駛時，由于車型較為復雜兼有車輛從內側車道減速變道至減速車道，車道3地點平均車速為58km/h，同時，由于車輛性能差異較大，車速極差也較為明顯，最大車速為83km/h，最低速度僅有32km/h，85%車速為64km/h；由于受（加）減速限速標識影響，（加）減速車道上車輛車速較低，分布較為平均，分布在27～43km/h；城市道路受限速影響，各車道車速分布較低，城市車道85%車速約為24km/h，車道2車速為22km/h。對各車道車速樣本進行擬合，發現均符合威布爾分布，分布函數統計如表3所示。

表3 各車道速度分布函數統計

由于駕駛員進行變道前需要觀察車道間隙及交通流狀況，必然引發車速改變，而相比于速度絕對值，車輛速度變化差值與交通風險之間關聯性更加緊密。速度變化值越大，安全隱患越大。本文從銜接節點過渡段開始收集自由流狀態下車輛運行速度數據，具體速度變化趨勢如圖2所示。

圖2 車流駛離通道進入節點與主線速度變化曲線

由上文可知，變道行為主要發生在銜接節點過渡段和加減速段，對應圖2中灰色陰影部分。圖2中銜接節點過渡段100m范圍內主線車輛和節點車輛車速開始發生較大波動，到減速段波動變化明顯。主要原因是主線車輛需要變道進入節點而與相鄰車道車輛發生沖突，車速相互影響。而在加減速段接近鼻端100m之后鮮有車輛發生變道行為，主線車輛恢復正常車速。而由于節點限速，進入節點內部車輛繼續進行減速行為直至滿足限速要求，當車輛駛離節點又會發生短距離車速調整以滿足地面道路車速要求順利匯入車流。

2 城市快速通道銜接節點交通風險識別模型構建

有時對目標進行識別評判時候，需要考慮因素過多，并且這些指標并不隸屬于同一級，則這些指標就無法在同一層級進行評判，此時需要將這些因素分成不同層級，逐級進行評判，這種方法叫做多級模糊綜合評判模型。城市快速通道銜接節點交通風險識別是一個復雜系統工程，適合采用模糊綜合評判進行評價。

圖3 城市快速通道銜接節點交通風險識別體系

2.1 交通風險識別指標選取

本文結合以往快速通道銜接節點交通事故成因分析，將上文分析車道變換和車速因素加入到銜接節點交通風險識別體系中，按照道路平縱橫斷面因素、車輛因素和其他因素3方面選取指標，對快速通道銜接節點交通風險識別指標進行選取。道路因素包括銜接節點超高、銜接節點車道寬度、通道車道數、銜接節點縱坡坡度及銜接節點豎曲線半徑；車輛因素包括車輛運行速度和車道變換；其他因素包括視距和交通量，具體見圖3。

2.2 隸屬度矩陣及權重確定

此處以銜接點過渡段為例，設定R為識別對象U到V模糊關系，根據構造2級識別指標體系來構造單因素識別矩陣，具體如下：

矩陣中，r11,11表示銜接節點圓曲線半徑因素u11對評價等級v1隸屬度，其他以此類推。同理可得到第二級隸屬度矩陣R1、R2、R3。

評價因素權重反映各個因素在評價過程中相對于整體重要程度，可以直接影響到綜合評價結果。常用確定權重（重要程度）方法有專家評定法、因素敏感法及層次分析法等。其中層次分析法因為采用各因素之間兩兩對比方法確定各因素權重，避免直接確定權重，具有實用性、系統性等優點[12]。因此本文采用層次分析方法確定各個因素權重。

在層次分析法中，由于決策人單獨確定指標權重過于主觀，因此，本文引入基于群組決策改進層次分析法，利用多名專家打分數據，提煉客觀數據。本文邀請具有從事道路交通安全研究領域工作超過10年的專家10名，其中7名具有博士學位，3名具有碩士學位。

表4 典型快速通道銜接節點過渡段綜合評判矩陣

3 實例分析

3.1 城市快速通道典型銜接節點工程概況

昆玉高速昆明市境內快速通道全線長21.657km，單向三車道，快速通道橫穿昆明市官渡、呈貢區，是昆明市連接其他區域最主要快速通道。經調查發現，該快速通道共有銜接節點6處。

3.2 城市快速通道典型銜接節點交通風險識別

以昆玉高速樁號為K11+115m典型銜接節點過渡段為例，本文根據工程資料和前文構建影響銜接節點安全3級指標U，相對于評價等級V確定該典型銜接節點模糊綜合評價矩陣，如表4所示。

對基于專家打分數據銜接點過渡段目標層影響因素構建判斷矩陣。通過求解權重向量為：

其中：λmax表示評價矩陣最大特征值；α表示評價矩陣特征向量；CI表示一致性指標；CR表示隨機一致性比值。根據結果：CR＜0.1，故判斷一致性可接受。

同理，對第一級、第二級評價因素權重進行計算，結果如表5、表6所示。

表5 第一級因素權重矩陣

表6 第二級因素權重矩陣

由計算出各級因素權重ω和評價向量α即可計算出綜合隸屬度向量B，使用最大隸屬度法即可計算出對應銜接節點安全風險，其中隸屬度向量B可表示為：

向量B為包含4個指標行向量，這4個指標與4個評價指標等級相對應。

本文定義隸屬度向量B安全等級為（安全，較為安全，不安全，極不安全 ），經數值計算及判定，現提出隸屬度向量B閾值范圍為：隸屬度向量B（ 0.97,1 ）表示安全等級； （0.9 4,0.97 ）表示較為安全； （0.9 1,0.94）表示不安全等級；（0.8 8,0.91）表示極不安全等級。

本文依次對第1、2級指標因素進行綜合評判。將由表6可得單因素評判矩陣R11，與相應權重帶入公式（7），最后可得：

由隸屬度最大原則，評價結果為0.9183，屬于安全等級3（不安全）。

3.3 城市快速通道典型銜接節點交通風險識別結果

由于篇幅原因，剩下4段銜接節點各檢測區間計算過程不再贅述，計算結果如表7所示：

為驗證模型適用性，本文根據構建模糊綜合評價模型，對昆玉高速昆明市境內快速通道全線6個銜接節點進行交通風險識別，并根據安全等級劃分得到各個銜接節點安全狀況，結果如下：有10個路段為安全等級，11個路段為較為安全，6個路段為不安全等級，3個路段為極不安全等級。

表7 昆玉高速K11+115m關鍵快速銜接節點各段風險識別結果

4 結論

本文從分析影響快速通道銜接節點安全因素入手，構建基于多級模糊綜合評判方法交通風險識別模型，并利用該識別模型對云南省昆玉高速昆明市境內快速通道K11+115m銜接節點過渡段進行詳細分析。結果表明，銜接節點過渡段、加減速段相較其他區間具有較高風險等級。其中換道和運行速度是其中重要影響因素。改善措施如下：（1）銜接節點過渡段和加減速段是車輛換道頻繁區域，應當適量增加警示標牌、限速標志等設施來引導車輛及時換道調整速度進入節點。（2）可在銜接節點加減速段適量增加凸面鏡，方便駕駛員轉彎時及時發現來往車輛信息，方便駕駛員及時做出車速調整，避免交通事故發生。

最后對云南省昆玉高速昆明市境內快速通道全線6個銜接節點進行交通風險識別，驗證所建模型有效性。準確識別快速通道銜接節點交通風險，可為車路協同下銜接節點車輛提供正確駕駛決策，進而可以減少銜接節點處交通事故發生，提升整個銜接節點交通安全水平。