公路半幅封閉施工區交通沖突識別技術研究

摘要 基于工程案例，梳理介紹所應用的半幅封閉施工區交通沖突識別技術，介紹了交通沖突識別判斷方式、基于接觸角度的交通沖突類別。從交通沖突識別指標、計算過程等方面，介紹了半幅封閉施工區的交通沖突的識別操作過程、主要技術點以及最終形成的識別成果，對同類交通沖突識別工程應用有參考意義。

關鍵詞 公路施工；半幅封閉；施工區交通；沖突識別；技術研究

中圖分類號 U491 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0063-03

0 引言

交通安全受到威脅的狀態即為交通沖突狀態，交通沖突嚴重突破發展，緊接而來的是交通事故[1]。為了及時識別交通沖突，有的放矢地提供避險措施，最大限度地消除沖突，保證交通安全，人們探討開發了交通沖突科學分析技術，這是一種非事故分析技術，具有小區域、短周期、大樣本、高信度、應用統計學又基于科學計算的特點。案例高速公路擴改建工程在半幅封閉施工區交通沖突控制中應用該識別技術。這里以工程應用為背景，梳理介紹相關交通沖突識別技術要點，以為同類半幅封閉施工區交通沖突識別應用提供技術參考。

1 案例簡介

華東某高速公路全長309.20 km，原四車道服役23年后，經雙側拼寬擴建成八車道，擴改建總投資297.96億元。該高速公路是連接地區兩座大城市的重載交通大動脈，擴改建工程如何保證舊路運行和改建施工兩不誤，成為工程難點之一。為此工程采取半幅封閉施工方式，為保證半幅封閉施工區和在運行線路的交通安全，工程采取交通沖突控制技術，加強交通沖突識別，發現隱患超前采取控制措施。

2 交通沖突識別判斷方式

2.1 基于規避行為的識別判斷方式

當兩輛車中至少一輛采取了防碰撞規避動作時，就識別為存在交通沖突。這種識別概念強調了車輛間的規避行為，即車輛為了避免碰撞而采取的行動。該方的優勢是方法直觀，可以通過觀察車輛駕駛狀態判定交通沖突是否存在，在早期缺乏先進數據采集設備時，這種方法比較適用。但是這種方法也存在一些缺點：首先在觀測時很難精確地判別車輛是否處在規避行為；其次判別方式無法對交通沖突的嚴重程度進行準確判斷；再是觀測時容易將正常的降速、換道行為誤判為交通沖突。

2.2 基于時空間狀態的識別判斷方式

當車輛在空間和時間上相互接近到一定程度，如果不立即改變運動狀態就要產生碰撞或剮蹭，則識別判斷為存在交通沖突。其主要判斷指標有3種：距離度量指標、速度度量指標和時間度量指標[2]。這些指標可以用來計算交通參與者之間的距離、速度和時間等參數，并以此來判斷是否存在交通沖突。

3 半幅封閉施工區的沖突識別

3.1 交通沖突識別指標

在進行交通事故指標的篩選之前，需要先分析各種常用交通事故識別指標的特點和適用條件。半幅封閉施工區可分轉幅線路區段及雙向半幅過行區段，二者的道路和流量特性存在比較大的區別，路段駕駛行為也有所差別，區段交通沖突表現狀態也有所不同。相關沖突形式，和識別指標如表1所示。

下面將詳細介紹雙向半幅過行、轉幅線路區段識別交通沖突指標算法。

3.1.1 雙向半幅過行區段

通過實地采集數據發現，常規的雙向半幅過行區段中，車輛的行駛特性主要是跟馳行駛，發生的沖突主要是追尾沖突[3]。因此在雙向半幅過行區段中，選擇TTC作為沖突判別指標。

式中，vA和vB——A車和B車的速度（m/s）；lAB——A車與B車間的距離（m）。公式（1）為雙向半幅過行段車輛TTC（s）的計算公式。

3.1.2 轉幅線路區段

在轉幅直線段，車輛多處在跟馳狀態，沖突多為追尾沖突，因為TTC擅長于識別追尾沖突，因此采用該指標進行沖突判斷。曲線段車輛呈“S”形軌跡，沖突多屬于側向沖突，而TDTC擅長于識別側向沖突，因此在轉幅區段以TDTC來識別判斷交通沖突。

兩車均處于直線區段，以公式（2）計算兩車的TTC（s）指標。

（2）

式中，TA——A車到達M沖突點所需時間（s）；vA——A車在r時點的瞬間速度（m/s）；sA——A車在r時點距M沖突點的距離（m）：TB——B車到達M沖突點所需時間（s），vB——B車在r時點的瞬間速度（m/s2），sB——B車到達M沖突點的距離（m），當兩車無M交點時則兩車不存在沖突。當存在一車或者兩車均位處曲線段時，以公式（2）計算兩車的TDTC（S）值。

3.2 交通沖突識別計算

基于前述沖突識別算法和雷達觀測交通數據，通過計算機開展交通沖突識別計算。

第1步：原始CSV格式數據導入，將其轉換為DataFrame格式。同時需要讀取各幀下車輛編號、位置方向坐標以及速度等信息。

第2步：根據車輛坐標選擇適當的沖突識別指標。在該例中，K130+800系轉幅線路路段，曲線區段的X坐標范圍為52～153 m。具體的計算方法如下：當兩輛車中至少有一輛車的X坐標位于52 ～153 m之間時，應該計算兩輛車之間的TDTC值；當兩輛車的X坐標均小于52 m或均大于153 m時，應該計算兩輛車之間的TTC值。

第3步：TDTC與TTC值計算

（1）計算TDTC值。在讀取數據后，可以將每輛車抽象為一個點，并根據車輛的X和Y速度計算出車輛的行駛方向，然后可以得到兩輛車的軌跡延長線，并利用初等幾何的求解法，根據兩條直線的一般式（形如Ax+By+C=0）求出兩條延長線的交點坐標。這個交點坐標即為交通沖突點的坐標，而TDTC則是兩輛車到達沖突點的時間差。這個過程如圖1所示。

式中，XM——M點的X坐標；YM——M點的Y坐標；XA——A車在該時點的X坐標；XB——B車在該時點的X坐標；YA——A車在該時點的Y坐標；YB——B車在該時點的Y坐標；vAs——該時點A車在X向的速度（m/s）；vBs——該時點B車在X向的速度（m/s）；vAy——該時點A車在Y向的速度（m/s）；vBy——該時點B車在Y向的速度（m/s）。

算得沖突點的坐標以后，然后計到M沖突點的距離：

式中，SA——沖突點與A車的距離（m）；SB——沖突點與B車的距離（m）。

最后進行TDTC（S）計算，其公式如下：

式中，TDTC——交通沖突識別指標（S）；sA——沖突點到車輛A的距離（m）；sB——沖突點到車輛B的距離（m）；vA——A車的速度（m/s）；vB——B車的速度（m/s）

以第5 901幀的TDTC為例進行計算，沖突點的延長線方程如下：

經公式（8）和公式（9）算得M沖突點在（96.435 5，?0.760 3），其TDTC值為1.23。

（2）計算TTC值。如果在當前時點下，后車的速度大于前車的速度，并且兩輛車保持原行駛軌跡和速度不變，那么它們將在某個時點產生碰撞。在這種情況下，從交通沖突開始到產生碰撞的時間段就是TTC，如圖2所示。

在圖2中，根據TTC原理可以得知，如果A、B兩輛車保持當前的速度和行駛軌跡不變，那么它們將在經過一段時間T后，在N點產生碰撞事故。

式中，vA——A車即時速度（m/s）；vB——B車即時速度（m/s）；T——TTC值（s）。

由公式（12）獲得TTC計算公式：

式中，lAB——兩車間的直車距（m）；vA——A車即時速度（m/s）；vB——B車即時速度（m/s）。

在計算分析中，首先需要讀取車輛位置和車速信息，然后計算后車軌跡延長線至前車即時位置之間的最短距離。如果這個距離＞1.80 m，則說明兩輛車在異車道行駛，不需要計算TTC值；如果這個距離＜1.80 m，則說明兩輛車在同車道行駛，應該計算它們之間的TTC值。通過計算，可以獲得兩輛車之間的即時TDTC或TTC值，利用這些值可以確定兩輛車是否發生了交通沖突。

3.3 交通沖突識別結果

計算獲得雙向半幅過行區段和轉幅線路區段的嚴重交通沖突識別結果見圖3所示。

圖3柱圖顯示，車輛在轉幅線路區段產生嚴重交通沖突的概率高于雙向半幅過行區段，這主要是因為轉幅線路區段的道路狀況較差，同時存在“S”區段，通行能力比較低，車輛之間的車頭時距較小，并且車輛需要2次調整方向經過該區段。

根據交通量識別分析的車輛交通沖突數據顯示，車輛在轉幅線路區段產生嚴重交通沖突的概率大于雙向半幅過行區段。但是，在200～600 pcu的交通流量范圍內，增加交通流對交通沖突均沒有明顯影響。

根據行車速度識別分析的車輛交通沖突如數據所示，在雙向半幅過行區段與轉幅線路區段，產生嚴重交通沖突的概率隨著車速的增加而上升，足見車速對交通沖突存在顯著影響。

4 結語

案例高速公路擴改建工程采取半幅封閉施工方式，為保證半幅封閉施工區和在運行線路的交通安全，工程采取交通沖突識別技術。基于工程應用，①梳理介紹了交通沖突識別判斷方式，即基于規避行為的識別判斷方式和基于時空間狀態的識別判斷方式；②介紹了交通沖突類別，從接觸角度考察，交通沖突可以分為車頭相撞的正向沖突、后車追撞前車的追尾沖突、剮蹭或側碰撞的側向沖突等3種類型；③介紹了TTC值、TDTC值計算過程、施工區的交通沖突閾值確定過程以及半幅封閉施工區的沖突識別成果。交通沖突識別是一種非事故性、超前性的沖突識別方式，具有小區域、短周期、大樣本、高信度、應用統計學又基于科學計算的特點，工程實用性明顯。

參考文獻

[1]饒湘儒. 高速公路施工區交通組織優化研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2020.

[2]楊晨煊. 高速公路改擴建施工區駕駛行為與設施設置關系研究[D]. 西安：長安大學， 2019.

[3]金建豎. 高速公路施工區半幅封閉施工組織技術研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2021.