高速公路夜間養護的作業區安全控制研究

詹俊垚,萬 謙

（江西交通投資集團有限責任公司景德鎮管理中心婺源養護所,江西 婺源 333200）

0 引言

受光線、駕駛視野以及交通警示信息傳遞弱于晝間等因素的影響，高速公路夜間養護的作業區安全控制一直是公路管理部門和工程施工單位非常重視的問題。案例是一條繞城高速公路，交通繁忙，工程交付運行后，為保證公路正常運營，養護作業時常需要選擇夜間交通窗口開展施工作業。為保證夜間養護作業安全，每次施工前進行作業區交通風險分析和采取作業區安全控制策略，較好地維護了養護作業安全和施工效率。該文將重點介紹所應用的基于隨機森林模型、過行軌跡參數、局域交通流參數的作業區交通風險分析和夜間作業區交通安全控制策略，希望能為高速公路夜間養護的作業區安全分析和控制提供參考，助力實現高效、安全的夜間養護施工。

1 案例簡介

某繞城高速公路雙向四車道，全立交、全封閉標準建設，設計速度為100 km/h，設計荷載為公路一級。主線路基寬度為24.50 m，路面結構采用瀝青混凝土。沿線設有4個互通樞紐，設有特大橋3座，大橋13座，中小橋梁6座，涵洞通道61道，分離立交13處。為保證繞城高速公路夜間養護施工安全，他們形成和應用一套基于隨機森林模型的作業區交通風險分析和夜間作業區交通安全控制策略，以維護養護作業安全和施工效率。

2 夜間作業區交通風險分析

2.1 隨機森林模型

隨機森林（RF）是一種組合分類器學習算法，以多個決策樹為基礎，采用隨機選擇和Bagging屬性，通過對訓練數據集進行多層次二分裂計算形成樹形結構，在多個相對獨立的決策樹間打分形成最終分析結果。隨機森林具有異常數據容忍度高、泛化能力強、不易過擬合以及高通用性等優勢，可用于問題分類或者回歸預測分析。該模型由決策樹模型{h(x,θn),n=1,2,…,N}構成集成模型，其中的{θn}是服從獨立分布的隨機向量，N為決策樹數量，x為自變量，子決策樹通過打分排列，最終擇優形成分析結果，其原理見圖1所示。

圖1 隨機森林模型分析原理

2.2 基于軌跡參數的分析結果

采用隨機森林模型，對交通沖突的嚴重程度（Hs）值進行分類分析預測，研究個體車輛軌跡變量所形成的交通沖突影響。案例在模型計算中，將決策樹數量設為100，決策樹最大深度選擇10。在交通樣本中，隨機抽取20%作為測試集，80%作為訓練集，采取5折交叉驗證法進行反復試驗，根據隨機森林模型的不純度指數Gini評測特征變量，取10次結果的均值度量特征變量的重要度，獲得的基于軌跡參數的個體車輛Hs重要度分布見圖2所示[1]。

圖2 基于軌跡參數的個體車輛Hs重要度分布

2.3 基于交通流參數的分析結果

基于RF回歸模型，決策樹數量、最大深度、測試集、訓練集、驗證法和測試分析配置同上，對作業區交通沖突次數（Tc）。從測試集中隨機選取5組數據（見表1），可決系數均值取0.896，獲得分析預測結果見圖3所示。

表1 隨機選取5組分析數據

圖3 作業區交通沖突次數（Tc）分析預測結果

圖3顯示，各因素重要度的排序為q>xcl>v>v.s>xb>μ>β。其中交通量q和換道合流位置xcl，對交通沖突次數的分析預測居于重要位置。q與交通沖突次數呈現正相關，表明交通沖突次數隨著交通量的加大而增加，xcl與交通沖突次數呈現負相關，意味換道位置越靠近過渡區上游，沖突發生的概率越大。此外，較大的速度v和速度標準差v.s反而會在一定程度上降低交通沖突次數，這是由于此時更接近自由流交通狀態；增大xb和μ會在一定程度上影響提高沖突發生次數。除受交通量影響以外，右側道交通量比例μ的加大，會促使更多的換道合流駕駛行為，不但會影響左車道的車輛減速，發生更多的換道沖突，還會使追尾沖突的次數有所增加。以往的研究多認為，在特定的交通量內，作業區沖突發生量與貨車比例β多呈正相關關系，并歸因于貨車比較低的速度及其遮擋駕駛視野引發的頻繁換道現象。該例所搜集的數據中貨車比例在15.00%以下，波動范圍比較小，故貨車比例β并未對交通沖突次數呈現顯著影響[2]。

案例還分別以可決系數均值0.787進行了潛在碰撞能量（E），以可決系數均值0.794進行了作業區綜合交通沖突（Ir）指數的分析預測，其分析原理和過程同上。結果表明，隨機森林算法能夠成功構建有效的交通事故風險預測模型。不同的交通事故度量指標對預測的效果存在差異，后車加速度、后車位置、前車速度、速度差、車頭距離對個體車輛交通事故風險產生顯著影響，而交通量、貨車比例、最大速度標準差、最大速度均值、平均最大降速度位置、平均換道合流位置以及右側車道交通量比例對整個作業區的交通風險產生顯著影響。把握這些因素影響，施工安全管理和控制中就可以有的放矢，重點區別對待。同時這樣的分析也會使某次夜間公路養護的安全控制是采取側重個體車輛的風險控制，還是側重區域交通流量的風險控制狀態、抑或采取兩者結合的方式更有技術依據。

3 夜間養護作業區交通安全控制策略

3.1 作業區安全控制策略

（1）健全夜間施工安全規范。一個時期以來，高速公路夜間養護作業區的安全管理尚不完善，對夜間安全作業的指導性不夠，導致夜間作業的安全性明顯低于白天。在這種情況下，首先需要明確開展高速公路養護的夜間作業條件。交通量發展的趨勢下，高速公路夜間行車安全的影響因素也在增加。要解決夜間養護作業區的交通安全控制問題，首先需要解決何種條件適合夜間養護作業這一問題，再決定是否適合選擇夜間開展養護作業時，應該從交通影響、作業內容與技術能力、環境保護三個層面系統考慮，并制定出量化可行的條件標準。對于高交通量的高速公路，防止或緩解養護作業導致交通嚴重擁堵是管理和施工部門需重點考慮問題。選擇道路通行能力或交通量作為量化指標，據以確定窗口期可行施工方案，同時還要考慮不同區域的環境保護要求、氣候條件限制，明確養護作業方案的選擇依據，有據可依和有章可循地組織開展高速公路夜間養護作業。

有效的施工照明可提高駕駛員和作業人員的風險感知能力。目前沒有系統的標準規定夜間作業照明設備的配置，施工單位只能根據經驗和實際情況進行設置。因此，應推動制定高速公路夜間養護作業的照明標準，量化照明質量要求，防止由于施工照明布置不當和不足造成的眩光引發施工或交通事故，同時還需控制施工場地照明和作業機械照明對過行車輛的眩光影響，比如在雙通單幅作業區的渠化分隔位置裝配防眩設施。

（2）夜間作業區安全保障。車輛標識的夜間適用性、夜間安全設施的適用性以及區段線形，都會直接影響駕駛員的隱患感知和避險處理效果。在特殊線形區段，如隧道、匝道、彎道、長下坡、中央隔離帶開口等區域，應采用發光性警示來強化安全防護。在夜間安全設施適用性方面，應增強交通標志的夜視性，向駕駛員及時、有效地傳達交通安全控制信息。防撞設施和渠化設施應著附閃爍燈或者警示帶，特別是在中央隔離帶開口等危險區域。通行視距不足時，要為過行車輛配置照明。避免作業區照明眩光干擾過行車輛。對于雙通單幅作業區，配置防眩設施可以有效防止車輛間眩光影響。因為駕駛員夜間視覺不比白天，加之絕大部分車輛的強制控制換道，夜間交通錐被碰撞移位的概率比較大，可設置防傾覆交通錐。在作業車輛標識的夜環境適應性上，作業車輛應裝配反光或發光標志。事故統計分析結果顯示，作業車輛被追尾在作業區事故中比重較大。

（3）優化交通組織。高速公路夜間作業區的換道特性分析顯示，超過90%的車輛在過渡區起點后方才開始變道，這可能會導致車輛撞到作業區內的障礙物，尤其是若車輛在高速公路上的交通密度較低時，超速的可能性較大，如果在前方的快車道上開車將面臨更加嚴重的風險。為了降低交通沖突風險，應提前誘導車輛做出變道決策并降低車速通過作業區，這樣能有效減少車輛之間的交通沖突。

（4）智能化安全監控平臺。高速公路夜間維修作業與白天不同。夜間環境復雜且存在較多不安全因素，人員易受到生物節律和夜環境的負面影響，表現出更高概率的疲勞狀態，易于造成違規操作。此外作業區安全設施的夜間維護要求更高，一旦設備不在狀態，其隱患影響不可低估。有效監管是防止安全設施失效和人為因素造成安全隱患的重要措施。智能化安全監控平臺可以大幅度地彌補人工監管不足，提高安全監控效力。尤其是在環境復雜和視線條件不良的夜間，專業監控平臺會具有更高的監控可靠性和全面性。

3.2 過行車輛的安全控值策略

(1）動態限速安全控制。當作業區或上游過渡區的交通流狀態發生突變時，動態速度控制限速裝置可以提醒即將駛入車輛提前減速控制，以滿足作業區當前最高限速要求。應用夜間動態限速控制系統（圖4），可以促進增強駕駛員對限速規定的服從性，實現作業區交通流的平順性。提前減速降速利于使駕駛員從容應對路狀變化，提前自動預留足夠的安全駕駛控制時間，避免急劇減速或驟然剎車情況的發生[3]。

圖4 夜間可變限速控制系統

（2）交通沖突風險預警。借助交通沖突安全預警系統，實時通過感受器或視頻采集作業區車輛過行軌跡數據，計算沖突隱患，基于控制閾值向過行車輛和施工人員發出警示。預警系統包括風險車輛探測裝備、來車緊急警示和作業現場人員預示裝備。探測裝備應準確識別部分警示區到上游過渡區內的全部車輛，當車輛沒有及時變道、交通沖突隱患或速度超出閾值時，判斷為危險車輛。預警提示裝備可以通過震動、光線、聲音等方式，及時干預調整危險交通流狀態或提示作業人員避險。在交通隱患很大或發現風險車輛時，能夠通過光線、聲音等方式警示相關車輛及時降速避讓，降低作業區發生交通事故的風險。

4 結語

綜上所述，該文介紹了基于隨機森林模型、過行軌跡參數、局域交通流參數的案例作業區交通風險分析內容及成果，闡述了案例所應用的夜間作業區交通安全控制策略，包括作業區安全控制策略和過行車輛的安全控值策略。高速公路養護維修作業需要快，時常需要夜間交通窗口開展養護施工，還要盡可能地降低對線路正常運營的影響，因此加強高速公路夜間作業區交通風險分析和安全施工控制策略研究，具有工程實用意義。