寒地高速公路事故應(yīng)急交通組織方法研究*

巴興強(qiáng) 王曉輝 荊 超

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院1) 哈爾濱 150040) (黑龍江省交通信息中心2) 哈爾濱 150040)

0 引 言

在高寒地區(qū)，因地理?xiàng)l件和氣候條件的特殊性，更容易引發(fā)交通事故.針對(duì)高速公路交通安全問(wèn)題，相關(guān)部門(mén)和機(jī)構(gòu)出臺(tái)了多項(xiàng)高速公路應(yīng)急預(yù)案，交通組織管理工作也納入了體系，然而這些方案多重視總體體制和體系的建立，尚未形成詳細(xì)的、具有地區(qū)針對(duì)性的應(yīng)急交通組織方法.由于交通事故具有偶發(fā)性、突然性和復(fù)雜多變性等特點(diǎn)，人工決策結(jié)果容易片面，并且決策的時(shí)間長(zhǎng)，不能達(dá)到高效救援、快速疏散擁擠車(chē)流的目標(biāo).為盡可能降低交通事故對(duì)寒地區(qū)域高速公路造成的影響，有必要對(duì)寒地高速公路事故交通組織進(jìn)行研究.

1 寒地高速公路交通事故影響因素分析

寒冷地區(qū)的高速公路交通事故與其他地方交通事故相比，有著很多的共性，但是也存在著不同，主要體現(xiàn)在該區(qū)域的氣候分布有較大差異，其冬季漫長(zhǎng)，低溫和冰雪天氣較多，對(duì)道路、駕駛員、車(chē)輛都有著較大的影響[1].

1.1 道路條件

道路結(jié)冰和積雪是影響道路交通安全的一大因素，尤其是寒冷地區(qū)，這一現(xiàn)象更加嚴(yán)重.在雪天容易出現(xiàn)積雪時(shí)間長(zhǎng)，積雪不易溶化，繼而被車(chē)輛壓實(shí)變成“玻璃路面”，氣溫回升之后積雪溶化會(huì)形成冰雪混合路面；在雨天的情況下，潮濕的道路表面在低冷氣溫的作用下容易形成冰晶，這些對(duì)道路的附著系數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大影響，致使路面摩擦系數(shù)減小，剎車(chē)距離增大，從而增加了不安全因素.

1.2 駕駛員

寒冷地區(qū)的氣候和駕駛環(huán)境對(duì)駕駛員的生理和心理都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，首先，低溫會(huì)使人的肢體僵硬，這直接影響了駕駛員的反應(yīng)能力；其次，由于天氣寒冷，大多數(shù)駕駛員會(huì)選擇開(kāi)啟車(chē)內(nèi)空調(diào)，這樣在密閉的環(huán)境中，空調(diào)會(huì)使人昏昏欲睡，在高速公路這種長(zhǎng)時(shí)間的行駛過(guò)程中，更容易發(fā)生事故.

1.3 車(chē)輛

制動(dòng)性能是影響車(chē)輛安全性能的一大安全因素，而寒冷地區(qū)的環(huán)境對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)性能影響最大，潮濕結(jié)冰和積雪路面降低了路面的附著系數(shù)，這也就增大了車(chē)輛的剎車(chē)距離，造成車(chē)輛在緊急情況下不能有效剎車(chē)，增大了事故發(fā)生的幾率.另外，車(chē)輛在行駛的過(guò)程中容易出現(xiàn)管線爆裂等意外情況，影響車(chē)輛的安全行駛.

2 事故持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)

根據(jù)交通事故的演化過(guò)程，將交通事故持續(xù)時(shí)間分為發(fā)現(xiàn)、響應(yīng)、處理和交通恢復(fù)四個(gè)階段，其中，事故發(fā)現(xiàn)時(shí)間采用經(jīng)驗(yàn)值法，交通恢復(fù)階段根據(jù)事故發(fā)生時(shí)的交通量及道路的通行能力來(lái)進(jìn)行計(jì)算，事故響應(yīng)和處理階段構(gòu)建決策樹(shù)預(yù)測(cè)模型，并在此基礎(chǔ)之上，以雙重熵平均決策樹(shù)算法對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)，預(yù)測(cè)交通事故影響持續(xù)時(shí)間[2]，為后續(xù)的交通組織提供決策基礎(chǔ).

2.1 基于貝葉斯的決策樹(shù)模型

決策樹(shù)是數(shù)據(jù)挖掘中生成分類(lèi)器的一個(gè)特別有效的分類(lèi)方法，它從一組無(wú)次序、無(wú)規(guī)則的事件中，推理出決策樹(shù)表示形式的分類(lèi)規(guī)則,見(jiàn)圖1.決策樹(shù)分類(lèi)方法采用自頂向下的遞歸方式，在決策樹(shù)的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)比較屬性值，并根據(jù)不同的屬性值判斷從該節(jié)點(diǎn)向下的分支，在決策樹(shù)的葉節(jié)點(diǎn)得到結(jié)論[3-4].

圖1 貝葉斯決策樹(shù)模型

設(shè)S是s個(gè)采集樣本數(shù)據(jù)的集合，設(shè)定類(lèi)標(biāo)號(hào)屬性有m個(gè)不同值，定義m個(gè)不同類(lèi)Ci(i=1,2,…，m)；設(shè)Si是Ci的樣本數(shù)量，給出既定的樣本分類(lèi)的期望值為

(1)

式中：pi為任意樣本屬于Ci的概率，可用Si/s估計(jì).屬性A具有V個(gè)不同值{ai，a2，…，av}；以屬性A將S劃分為V個(gè)子集{s1，s2，…，sv}.si包含s中的樣本，這些樣本包含A中的aj，假設(shè)A為測(cè)試屬性，那么這些子集與集合S中的節(jié)點(diǎn)生長(zhǎng)出來(lái)的分支相對(duì)應(yīng).設(shè)sij為子集sj中類(lèi)ci的樣本數(shù)量，依據(jù)A劃分成子集的熵為

(2)

要想子集劃分的純度較高，熵值需盡量小，根據(jù)上式的期望計(jì)算，子集sj的期望為

(3)

式中：pij為sj|中的樣本屬性類(lèi)ci的概率.

根據(jù)期望值和熵值可以確定對(duì)應(yīng)的信息增益值，A的分支信息增益為

G(A)=I(s1,s2,…,sm)-E(A)

(4)

2.2 決策樹(shù)改進(jìn)

為了提高決策樹(shù)的性能和精確度，在計(jì)算子集熵的時(shí)候，提出一種雙重熵平均決策樹(shù)改進(jìn)的方法，以樣本集S中的每一個(gè)分類(lèi)的屬性子集Ci首先計(jì)算這一屬性的樣子子集熵，對(duì)其進(jìn)行平均化處理，以平均值為閾值，將所有子集熵進(jìn)行排序，分為大于該值部分和小于該值部分，然后取前m項(xiàng)值，進(jìn)行對(duì)應(yīng)合并，以該合并的不同熵值計(jì)算信息增益值，從而達(dá)到平衡整體決策分支最優(yōu)的目標(biāo).

2.3 數(shù)據(jù)獲取與模型建立

以京哈高速近3年的事故數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)源，選擇事故屬性相近的439起交通事故進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1.

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)信息表

通過(guò)對(duì)439組數(shù)據(jù)的分析，選擇以下影響因素:①事故類(lèi)型;②涉事車(chē)輛類(lèi)型及數(shù)量;③影響車(chē)道數(shù);④傷亡人數(shù);⑤事故日期;⑥事故時(shí)間段;⑦天氣;⑧是否有交警處置;⑨是否有救援車(chē)輛;⑩是否有拋撒物.各個(gè)影響因素的增益值，見(jiàn)表2.

表2 影響因素增益值

將各個(gè)影響因素的增益值進(jìn)行排序，確定各類(lèi)屬性的重要程度，即可得到?jīng)Q策樹(shù).圖2為決策樹(shù)頂層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖.

圖2 決策樹(shù)頂層結(jié)構(gòu)

3 寒地高速公路應(yīng)急交通組織方法

對(duì)高速公路交通事故進(jìn)行分類(lèi)，針對(duì)交通事故的影響范圍將交通事故影響區(qū)劃分為保護(hù)區(qū)、控制區(qū)和緩沖區(qū)，并將交通事故持續(xù)時(shí)間劃分為不同的時(shí)間區(qū)段，制定有針對(duì)性的緊急交通組織方案[5].同時(shí)，分析各種交通控制策略，確定適合于事故后緊急交通組織的具體控制策略.

3.1 交通事故等級(jí)劃分

為了制定合理的解決對(duì)策，應(yīng)采取合理的分級(jí)方法對(duì)交通事故進(jìn)行分級(jí)，按照交通事故的特性及影響區(qū)域，本文對(duì)高速公路交通事故進(jìn)行了分級(jí)[6]，見(jiàn)表3.

表3 事故等級(jí)劃分

3.2 保護(hù)區(qū)交通組織

保護(hù)區(qū)：高速公路交通事故發(fā)生的區(qū)域和對(duì)車(chē)輛導(dǎo)向進(jìn)入交通事故區(qū)域.保護(hù)區(qū)分為事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域和過(guò)度區(qū)域兩個(gè)部分，其長(zhǎng)度為

(5)

或L=0.625Wv+S(v>60 km/h)

(6)

式中：L為保護(hù)區(qū)長(zhǎng)度，m；v為車(chē)輛速度，km/h；W為車(chē)道寬度,m；S為事故發(fā)生場(chǎng)地占用的道路長(zhǎng)度,m.

保護(hù)區(qū)的交通組織以現(xiàn)場(chǎng)警戒和過(guò)渡區(qū)管制為主.

1) 現(xiàn)場(chǎng)警戒 由交警部門(mén)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和隔離設(shè)施，并進(jìn)行有效的交通疏導(dǎo).利用警戒線、隔離樁等交通設(shè)施將現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域與交通流進(jìn)行分離，防止出現(xiàn)二次事故.

2) 過(guò)渡區(qū)管制 對(duì)于過(guò)渡區(qū)，主要以提示和警告為主，在過(guò)渡區(qū)的起點(diǎn)位置安放錐形桶、電子提示板等交通安全設(shè)施，及時(shí)給予路過(guò)車(chē)輛提示信息，避免車(chē)輛進(jìn)入事發(fā)區(qū)域.

3.3 控制區(qū)交通組織

控制區(qū)：高速公路交通發(fā)生地點(diǎn)到其上游可以進(jìn)行交通流分流的區(qū)域.交通分流點(diǎn)主要為高速公路出入匝道、立交以及高速公路的中央分隔帶開(kāi)口等[7].根據(jù)事故的類(lèi)型和影響的大小，控制區(qū)的交通組織有以下方式:

1) 車(chē)速控制和車(chē)距控制 高速公路的通行車(chē)輛速度一般較高，為避免交通事故給高速公路的通行能力和行車(chē)安全帶來(lái)影響，需要對(duì)通行車(chē)輛進(jìn)行車(chē)速和行車(chē)間距的有效控制.通過(guò)設(shè)置可變情報(bào)板和可變限速標(biāo)志，提醒現(xiàn)場(chǎng)附近司機(jī)采取措施，還可通過(guò)車(chē)輛網(wǎng)技術(shù)，將信息及時(shí)傳送給較遠(yuǎn)處的駕駛者，從而達(dá)到安全快速行車(chē)的目的.

2) 利用對(duì)向車(chē)道 當(dāng)本方向車(chē)流不能順利通過(guò)事故地段，事故路段上游附近又有可以利用的中央分隔帶開(kāi)口，且利用對(duì)向車(chē)道不會(huì)給對(duì)向車(chē)流帶來(lái)較大的影響時(shí)，可考慮利用對(duì)向車(chē)道疏散交通流.因利用對(duì)向車(chē)道會(huì)造成較大的交通沖突，引發(fā)安全問(wèn)題，所以在利用對(duì)向車(chē)道時(shí)，需要設(shè)置完善的導(dǎo)向設(shè)施，包括線路誘導(dǎo)標(biāo)志、限速標(biāo)志、臨時(shí)車(chē)道隔離設(shè)施等[8].

3) 等候通行和車(chē)隊(duì)模塊化通行 當(dāng)事故發(fā)生區(qū)域?qū)υ摿飨虻能?chē)流影響較大，致使通行能力驟減，車(chē)流不能順利安全通過(guò)時(shí)，需要對(duì)車(chē)輛采取排隊(duì)等候措施，或者在警車(chē)的引導(dǎo)下將排隊(duì)車(chē)輛進(jìn)行模塊劃分，有序通過(guò)，減少延誤和排隊(duì)等候時(shí)間.

3.4 緩沖區(qū)和路網(wǎng)交通組織

緩沖區(qū)：包括控制區(qū)以及事故路段上游能夠使車(chē)輛分流的路網(wǎng)，其主要影響范圍為事故路段上游、交通事故路段附近的路網(wǎng)以及重要的節(jié)點(diǎn)[9].

事故路段交通量Q和通行能力C是決定緩沖區(qū)交通組織的關(guān)鍵因素.當(dāng)Q>C時(shí)采誘導(dǎo)和控制組織方案.

1) 誘導(dǎo) 主線誘導(dǎo)：在事故發(fā)生的高速公路上游各個(gè)出入口與及重要節(jié)點(diǎn)，利用可變情報(bào)板、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)信息通訊等向駕駛員發(fā)布事故信息，提醒駕駛員進(jìn)行繞行.

路網(wǎng)誘導(dǎo)：當(dāng)事故路段的交通需求遠(yuǎn)大于道路通行能力時(shí)，需對(duì)進(jìn)入路網(wǎng)的交通流進(jìn)行交通誘導(dǎo)，在更大的范圍內(nèi)，通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)盡早的將信息傳遞給駕駛員，并未駕駛提供可供選擇的繞行路網(wǎng)信息.

2) 交通控制 車(chē)輛控制：包括限制一些型號(hào)的車(chē)輛通過(guò)，限制車(chē)流量等[10-11].主線控制：在采用誘導(dǎo)措施無(wú)法將車(chē)流分離的情況下，需要在事故路段上游進(jìn)行強(qiáng)制分流，采用人工的方法將現(xiàn)有交通量分流到其他的道路上，從而確保主線上的交通流能夠安全通過(guò)[12-13].

路網(wǎng)控制：路網(wǎng)控制主要是利用入口匝道或者立交進(jìn)行控制，在上游節(jié)點(diǎn)車(chē)輛匯入處進(jìn)行控制，對(duì)事發(fā)道路進(jìn)行限流和截流[14].

4 案例分析

4.1 背景分析

黑龍江省位于我國(guó)東北部，是我國(guó)緯度最高、氣溫最低的邊疆省份，全省年平均氣溫多在-5～5 ℃，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短促.G1京哈高速(拉林河—瓦盆窯段),全長(zhǎng)70 km，雙向4車(chē)道，路面寬度23.5 m，與G102國(guó)道并行，與G102，S301，S302，G1211，G1202，G202組成交通網(wǎng)，見(jiàn)圖3.

圖3 京哈高速區(qū)位圖

4.2 仿真平臺(tái)搭建

選用vissim4.3作為仿真分析軟件，選取事故路段上游的車(chē)輛平均延誤以及排隊(duì)長(zhǎng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo).假定G1京哈高速(拉林河—瓦盆窯段)中段發(fā)生追尾事故，采用G102進(jìn)行分流，同時(shí)事故保護(hù)區(qū)封閉一條車(chē)道，車(chē)輛排隊(duì)通行的交通組織策略進(jìn)行仿真.通過(guò)決策樹(shù)預(yù)測(cè)事故影響時(shí)間為29 min.

4.3 仿真結(jié)果分析

首先在不同交通量的情況下，仿真車(chē)輛的平均延誤，以確定不同的交通量對(duì)交通組織的影響，然后以相同的交通量進(jìn)行仿真，確定各種交通措施下交通組織的效果，見(jiàn)圖4～5.

圖4 不同交通量的車(chē)輛平均延誤

由圖4可知，事故發(fā)生后，在車(chē)流量1 000 veh/h的情況下基本上對(duì)交通流影響非常小，車(chē)輛能夠順利通過(guò)，當(dāng)車(chē)流量達(dá)到2 000 veh/h時(shí)，車(chē)輛延誤隨著時(shí)間持續(xù)增加，在事故處理結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值，事故處理完畢后，由于交通流消散速度與集結(jié)相當(dāng)，車(chē)輛延誤逐漸減小；當(dāng)車(chē)流量達(dá)到3 000 veh/h時(shí)，超過(guò)了道路的通行能力，事故發(fā)生后車(chē)輛平均延誤快速上升，事故處理結(jié)束后，由于交通流消散速度小于集結(jié)速度，車(chē)輛延誤仍呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，需要做分流處理.

圖5 不同交通組織方式下車(chē)輛平均延誤

由圖5可知，在交通量為2 000 veh/h限速可以減少8%的車(chē)輛平均延誤，匝道控制可以減少11%的車(chē)輛平均延誤，而實(shí)行限速+匝道控制的策略，可以減少31%的延誤.當(dāng)車(chē)流量大于2 000 veh/h后，需要采取分流策略，借助周邊路網(wǎng)進(jìn)行分流，可有效減少交通擁堵.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

交通安全問(wèn)題一直是交通行業(yè)的重點(diǎn)研究目標(biāo)，本文通過(guò)對(duì)寒地高速公路事故應(yīng)急交通組織方法進(jìn)行的研究，證明了雙重熵改進(jìn)的決策樹(shù)模型可應(yīng)用于高速公路交通事故持續(xù)事假的預(yù)測(cè)，用vissim仿真對(duì)現(xiàn)實(shí)案例進(jìn)行仿真的結(jié)果也表明，通過(guò)合理的交通組織，能夠有效的減少高速公路交通事故對(duì)高速公路運(yùn)行造成的影響.