高速公路單向雙車道車輛群行車風險度量研究

容 穎，溫惠英，趙 勝

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

隨著社會經濟的發展，高速公路以其同向性、快捷性以及舒適性等優勢，在我國的交通運輸系統中起著至關重要的作用。然而，由于車輛高速運行、駕駛員疲勞駕駛以及路況復雜等眾多因素，使得高速公路在給人們帶來快捷舒適的同時卻伴隨著交通事故頻發等問題威脅著人們及社會的安全。半個多世紀以來，許多學者及相關工作人員為我國高速公路車輛的行車安全問題一直努力著，其中包括以交通事故歷史數據的統計和分析為基礎的傳統分析方法[1,2]，以及近些年來不斷發展及受到重視的以原理分析、提前預防等為核心理論的事故替代分析方法[3-5]。在國內外的研究中，J. C. HAYWARD[6]和C. YDéN[7]分別提出了碰撞時間函數TTC(time-to-collision)及后侵入時間PET(post encroachment time)的概念，為微觀模型計算交通沖突風險提供了新的思路；鄭來[8]引入“車組”的概念，在PET的基礎上結合極值理論，對交通沖突進行了統計和分析研究；徐漢清[9]基于TTC模型利用仿真技術對高度公路安全特性進行了研究；胡三根[10]從駕駛員個性差異出發，研究了車輛輔助駕駛的行車安全預警系統；溫惠英等[11]利用可變限速控制方法研究了高速公路雨天環境下的行車安全；在雙車道方面，游錦明等[12]利用單個檢測器的數據，對高速公路追尾實時風險進行了預測；馬兆有等[13]應用關聯規則分析了雙車道高速公路事故特征的關聯性，給出了各影響因素之間的規律；楊瀾等[14]在車路協同環境下分析車輛發生碰撞的事故類型并給出了預警模型；楊柳等[15]從交通流的角度出發，利用元胞自動機模型研究了不同換道規則對高速公路單向雙車道交通流的影響，從而分析其對減少交通沖突的作用。

筆者以高速公路單向雙車道基本路段為主要研究對象，從車輛群的角度出發，結合交通沖突技術探討高速公路單向雙車道車輛行駛的沖突風險。首先給出了車輛群范圍的確定方法，繼而分析車輛群內可能出現的沖突類型及合理地選取各類型沖突的風險度量指標，并根據所選取的指標給出車輛群行車風險度量模型；最后運用VISSIM仿真進行案例分析對模型進行驗證。筆者研究提出的車輛群劃分方法及車輛群風險度量模型可以有效縮小道路上潛在危險區域的排查范圍，提高高速公路行車風險識別效率。

1 雙車道車輛群范圍確定

在時空演化過程中，由于不同區域、不同狀態下的條件以及表現形式不盡相同，因此，同一交通流系統中，不同區域的沖突特點也不同，使得各個地點、各個時刻形成的沖突風險并非全都是互相關聯的。為了方便合理地研究高速公路車輛行車過程中的沖突風險以及有效地防止交通事故的發生，筆者從車輛群的角度出發，首先定義車輛群為高速公路單向雙車道連續車輛流中由于行駛空間緊密而對行駛過程中隨機干擾因素具有明顯群體響應現象的一組車輛。由于車輛群內同車道車輛間的跟馳空間距離較小，使得不僅同車道車輛之間相互影響，而且群內相鄰車道的車輛在采取換道行為時對群內其他車輛也有明顯的影響，如圖1。

圖1 高速公路車輛群示意Fig. 1 Schematic diagram of highway vehicle group

1.1 單一車道l上車輛群的劃分

1.2 整個路段雙車道上車輛群的劃分

通過以上各車輛進行循環篩選，可將雙車道車輛群劃分為Q={Q1,Q2,…,Qp}，p為雙車道車輛流進行劃分后的車輛群個數。

此范圍確定方法保證了在同一個雙車道連續交通流系統中，不僅車輛群內車輛與車輛之間的間隔明顯小于該車輛群的頭車或者尾車與不是該車輛群內最鄰近車輛的間隔，并且步驟3保證了群內車輛有著群體一致性的運動趨勢。同時，在車輛群內，當相鄰車道上的車輛進行換道時，步驟5～步驟7中設置的條件保證了換道車輛與群內其他車輛具有相互影響關系。在確定了各個車輛群的范圍之后，將同一個車輛群內各輛車的沖突風險視為互相影響及關聯的。

2 車輛群行車風險度量模型

2.1 車輛群內交通沖突類型分析

道路上車輛的沖突類型隨著車輛行駛狀態的不同而有所不同。在對高速公路上的車輛進行車輛群劃分之后，其內部的車輛主要處于同車道跟馳狀態或者群體內換道狀態，使得車輛群的沖突風險主要來源于群內車輛的同車道跟馳行駛及車道變換的過程。跟馳行駛引起的沖突主要是指車輛處于跟馳行駛狀態下由于前后兩車的行駛間隔小于一定距離而引起的交通沖突，表現為同車道車輛的追尾沖突；而車道變換所引起的沖突是指車輛在進行車道變換過程中所造成的交通沖突，其他車輛發生側向碰撞、側面刮擦、追尾碰撞等。

筆者主要研究車輛群的行車風險，對道路上的車輛進行車輛群的劃分后，沖突風險主要出現在車輛群的內部。由于車輛群內部的車輛空間間隔相對較小，因此，筆者主要考慮車輛群內同車道的車輛追尾沖突以及由車輛進行車道變換所引起的側向碰撞沖突、側向刮擦沖突和換道追尾沖突等4種沖突類型，如圖2。

圖2 高速公路車輛群沖突類型示意Fig. 2 Conflict types for highway vehicle group

1)同車道追尾碰撞即車輛在正常行駛過程中由于前后距離或者相對速度預估不足而造成的行駛車輛與前車發生正面追尾碰撞的事故，此時，碰撞點在行駛車輛的車頭與前車的車位接觸部位，如圖2(a)。

2)換道追尾碰撞即車輛在換道過程中由于駕駛員對換道縱向間距預估不足而造成的換道車輛與目標車道上前車發生正面追尾碰撞的事故，此時，碰撞點在換道車輛的車頭與目標車道上前車的車尾接觸部位，如圖2(b)。

3)側向刮擦即車輛在換道過程中由于駕駛員對換道縱向和橫向間距預估均不足而造成的換道車輛與目標車道上前車發生側向刮擦的事故，此時，碰撞點在換道車輛的車頭側邊與目標車道上前車的車尾側邊接觸部位，如圖2(c)。

4)側向碰撞即車輛在換道過程中由于駕駛員對換道縱向和橫向間距預估均嚴重不足而造成的換道車輛與目標車道上前車發生側向碰撞的事故，此時，碰撞點在換道車輛的車頭側角與目標車道上前車的車身中部側邊(或換道車輛的車身中部側邊與目標車道上后車的車頭側角)接觸部位，如圖2(d)。

2.2 模型的建立

交通沖突度量指標在交通沖突技術中有著關鍵的作用。隨著交通沖突技術的不斷發展成熟，現階段較為廣泛應用的2個指標主要是距離碰撞時間TTC和后侵入時間PET。TTC的定義為從某時刻t開始，前后兩車不采取任何措施直至發生追尾碰撞所需要的時間為距離碰撞時間TTC[6]，它所涉及到的道路使用者具有相同的運行軌跡；而PET則是指后車進入潛在沖突區域的時刻與前車離開該區域的時刻之差，它在適用條件上與TTC不同，所涉及到的道路使用者具有相交的運行軌跡，并且至少有一輛車為進行車道變換的車輛。因此，結合對車輛群內沖突類型的分析，最終選用TTC作為車輛群內同車道追尾沖突風險的基礎度量指標，而選用PET作為車輛進行車道變換所引起的其它三類沖突風險的基礎度量指標。

2.2.1 同車道追尾沖突風險度量

根據TTC的定義，對于車道j(j=1, 2)上正常行駛車輛i及其前車i-1， TTC是指第i輛車從不斷靠近至碰撞前方第i-1輛車的過程中所經歷的時間。對高速公路單向雙車道連續交通流進行車輛群劃分之后，在確定的某一個車輛群Qn內(其中，1≤n≤p，p為雙車道車輛流進行劃分后的車輛群個數)，車輛i(i∈Qn)都是處于不斷靠近或者維持較小距離進行行駛的狀態。當出現后車車速微小于前車車速時，兩輛車在下一時刻依然會存在發生碰撞的可能。故文獻[6]中此種情況下的計算方法并不完全適用于本文車輛群內車輛的情況，筆者對此種情形進行了改進。

假設兩輛車即將發生碰撞，那么后車在下一時刻的速度將大于前車的速度，同時在該時間段內行駛的距離將包含t時刻兩輛車之間原有的間隔距離。因此，筆者提出車輛群內同車道上各車輛的碰撞時間函數的計算公式：

(1)

2.2.2 車道變換沖突風險度量

對于車道l1(l1=1,2對應l2=2,1)上即將進行換道行為的車輛i及目標車道上的前車i-1，根據PET的定義[7,8]，車輛進行車道變換過程中的后侵入時間是指車輛i頭部到達侵入線的時刻與前車i-1的尾部離開侵入線的時刻之差值。侵入線是一條虛擬的直線，它是垂直于車道分界標線并且經過車道分界標線與變道軌跡交點的直線。據此定義，設前車i-1尾部離開侵入線的時刻為t，可得t時刻變道車輛i的后侵入時間計算公式：

(2)

2.2.3 車輛群行車風險度量

(3)

式中：RQn為車輛群Qn行車沖突風險度；NQn為車輛群Qn內總車輛數，輛。

由式(3)可知，RQn(t)∈[0,1]。當RQn(t)=0時，可以認為在t時刻車輛群Qn是處于相對安全狀態的，可以暫時將其忽略；而當RQn(t)>0時，車輛群i是存在沖突風險的，并且RQn(t)的值越大越應首先對該車輛群內車輛的行駛狀態進行排查、干預及控制以避免連環交通事故的發生。

3 仿真案例

3.1 行車風險分析

由于在1 808.0～1 811.6 s這個時間段內，仿真路段上的換道車輛數是整個仿真過程中路段上存在換道行為最多的(1 186～1 241s共56輛車；為敘述方便，該編號為按縱向位移對兩車道上的車輛進行編取)，因此取該時間段內的結果進行分析。

為了進一步分析車輛群的變化，以1 s為分析時間步長，分別取1 808 s(設為計算的初始時刻t1)、1 809 s(設為時刻t2)、1 810 s(設為時刻t3)這3個時刻的仿真數據進行計算，計算結果見表1、表2。為了解換道的影響，同時按式(3)的思想給出由換道引起的車輛群行車風險度。

由表1、表2可知：

表1 車輛群劃分結果Table 1 Classification results of vehicle group

注:*表示該車輛群內所包含的車道1上的車輛數；**表示所包含的車道2上的車輛數。

表2 雙車道車輛群行車風險度Table 2 Driving conflict risk-degree of two-lane vehicle group

綜上，在t2時刻，該路段上前3個車輛群是處于相對安全狀態的，車輛群Q4出現了風險警告；在t3時刻，該路段上前2個車輛群是處于相對安全狀態的，車輛群Q3和Q4出現了風險警告。因此，為了道路通行安全，降低車輛事故的概率，有必要對Q3和Q4其進行干預及控制以避免危險事故的發生。

3.2 車輛速度分析

車輛速度的計算結果見表3。由表3可見，在t2及t3時刻，各車輛群內車輛的速度期望相差不大，且均在100 km/h以上，但各車輛群內車輛速度的偏差程度卻有著明顯的差別，其中t2時刻的車輛群Q4、t3時刻的車輛群Q3及Q4內車輛速度分布的方差明顯大于其他車輛群，分別為40.301、27.840和67.745 km2/h2。

表3 各車輛群內車輛速度的期望與方差Table 3 Expectation and variance of velocity in each vehicle group

案例分析表明，筆者所提出的高速公路車輛群行車風險度量方法能夠用于高速公路車輛運行風險分析，并且通過對道路上的車輛流進行車輛群的劃分后再評估車輛的行車風險，可以縮小道路上潛在危險區域的排查范圍，提高高速公路行車風險識別效率。

4 結 語

從我國高速公路車輛間交通事故頻發的實際情況出發，從“車輛群”的視角，對高速公路車輛群行車沖突風險度量進行了研究。首先，給出了高速公路單向雙車道車輛群的定義以及其范圍的確定方法；然后，結合交通沖突技術提出了高速公路車輛群行車沖突風險度量模型，給出了車輛群行車風險度的計算方法；最后，基于VISSIM仿真進行案例分析。仿真結果表明：由于車輛換道等影響，雙車道車輛群并不僅僅是兩個單車道相鄰車輛的對應合并；對道路上的車輛流進行車輛群的劃分后再評估車輛的行車風險，可以縮小道路上潛在危險區域的排查范圍，提高高速公路行車風險識別效率；根據對車輛速度的分析發現，出現沖突風險警告的車輛群內車輛速度的偏差程度遠遠大于其他的車輛群，這也進一步驗證了所提出方法的可行性。

研究豐富了交通安全分析理論，為道路交通安全分析與評價研究提供了一個新的思路與方法。