張姝瑋++黃富斌++孟杰

摘要：綜合分析了交通量、大車率和限速值對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)的影響。利用Vissim軟件建立施工區(qū)仿真模型，以沖突率作為評(píng)價(jià)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，運(yùn)用MATLAB軟件建立施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。結(jié)果表明：當(dāng)施工區(qū)交通量達(dá)到1 650 pcu·h-1·ln-1時(shí)，施工區(qū)處于非常危險(xiǎn)水平的概率達(dá)到50%；在大車率處于0.2時(shí)，施工區(qū)處于較危險(xiǎn)水平的概率達(dá)到99.8%；在40 km·h-1的限速值時(shí)，施工區(qū)處于較危險(xiǎn)水平的概率為100%，將限速值提高至60 km·h-1將使施工區(qū)處于較危險(xiǎn)水平的概率降低至11%。

關(guān)鍵詞：高速公路施工區(qū)；沖突率；風(fēng)險(xiǎn)分析；Vissim仿真

中圖分類號(hào)：U415.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000033X（2016）06006304

0引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，早期的高速公路項(xiàng)目陸續(xù)進(jìn)行改擴(kuò)建。由于高速公路施工作業(yè)時(shí)要封閉部分車道，道路的通行能力和服務(wù)水平急劇下降，因此這些路段成為高速公路事故的高發(fā)點(diǎn)[1]。

目前，將風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)用于評(píng)價(jià)施工區(qū)安全的研究正逐步開展。孟祥海等對(duì)施工作業(yè)區(qū)的追尾風(fēng)險(xiǎn)及其突出影響因素進(jìn)行分析，并基于碰撞時(shí)間及避免碰撞減速度對(duì)高速公路施工區(qū)追尾沖突研究，從不同側(cè)面度量追尾沖突的發(fā)生狀況，豐富了基于非事故施工區(qū)數(shù)據(jù)的安全評(píng)價(jià)方法[23]。李耘分析了高速公路的交通流特性，得到不同交通流在施工區(qū)不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)度[4]。吳彪基于DEMATEL和ISM兩種結(jié)構(gòu)模型建立高速公路作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)模型，定量分析各行車風(fēng)險(xiǎn)因素之間的影響關(guān)系，本文著重考慮交通因素對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)的影響[5]。首先分析影響施工區(qū)行車安全的交通因素及其影響強(qiáng)弱，通過繪制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的累積頻率曲線得到閾值，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)與交通因素之間的數(shù)學(xué)模型，并將其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)與閾值之間的關(guān)系作分析對(duì)比，得到施工區(qū)的行車風(fēng)險(xiǎn)。

1施工區(qū)行車分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

風(fēng)險(xiǎn)是災(zāi)害損失的幾率，具有事件發(fā)生時(shí)間的不確定性（概率）。將風(fēng)險(xiǎn)分析理論用于施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)分析：車輛以速度v在施工區(qū)行駛，由于車輛間的相互作用及施工區(qū)本身?xiàng)l件的限制，交通沖突趨勢(shì)增大；車輛越多，車輛間的相互作用越明顯，趨勢(shì)的變化會(huì)導(dǎo)致可靠性的改變，當(dāng)可靠性降低到一定程度時(shí)，就會(huì)危及行車安全[67]。

施工區(qū)的交通沖突評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅要考慮通過施工區(qū)的沖突數(shù)，還考慮施工區(qū)的長(zhǎng)度。施工區(qū)越長(zhǎng)，車輛在施工區(qū)運(yùn)行的時(shí)間也越長(zhǎng)，發(fā)生沖突的可能性更大。因此，選擇時(shí)均沖突數(shù)與施工區(qū)斷面交通量、施工區(qū)長(zhǎng)度的比值作為評(píng)價(jià)施工區(qū)的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)

2仿真系統(tǒng)模型

Vissim仿真的車輛跟蹤模型采用了德國(guó)Wiedemann教授的駕駛員生理—心理反應(yīng)模型，基本思路是一旦后車駕駛員認(rèn)為他與前車之間的距離小于其心理（安全）距離時(shí)，后車駕駛員開始減速。因此，基于Vissim的交通沖突可以定義為：行駛于道路上的車輛，若與前車的跟車距離小于心理（安全）車頭間距，那么認(rèn)為車輛此時(shí)所處的狀態(tài)為交通沖突。根據(jù)Wiedemann模型中的車輛跟車行駛閾值示意圖，狀態(tài)為AX（車輛交互狀態(tài)中的一種）的車輛與前車的距離小于心理（安全）車頭間距，處于撞車危險(xiǎn)區(qū)，符合交通沖突的條件。

2.1仿真模型的建立

高速公路施工區(qū)的仿真模型搭建包括3個(gè)步驟。

（1）建立仿真路段。

參考《公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程》（JTG H30—2015）[8]，按照高速公路施工區(qū)路段的長(zhǎng)度和幾何特征建立基本道路模型。本文暫不考慮工作區(qū)長(zhǎng)度對(duì)沖突率的影響，取值500 m，如圖1所示。其中，AB距離為900 m，BC距離為400 m，CD距離為50 m，DE距離為450 m，全程2 680 m。B、C處隨仿真方案的不同采用相應(yīng)的限速值。

（2）設(shè)置交通特性參數(shù)。包括交通量、大車率、車輛期望車速分布、車輛的加減速特性設(shè)置。假定小型車的期望車速為100～120 km·h-1，大型車的期望車速為90～100 km·h-1，最大加減速度分別為3.5 m·s-2和7 m·s-2，進(jìn)入施工區(qū)小車與大車的速度差為10 km·h-1。

（3）設(shè)置駕駛行為和行車規(guī)則。跟車模型選擇適用于高速公路的 Wiedemann 99 生理—心理跟馳模型。車輛行駛規(guī)則包括限速設(shè)置、優(yōu)先規(guī)則設(shè)置和超車設(shè)置。設(shè)定限速方案為層級(jí)限速方案。仿真試驗(yàn)中，施工作業(yè)區(qū)外側(cè)車道封閉，且車輛從左側(cè)超車，因而在上游過渡區(qū)重疊處超車道優(yōu)先于行車道。

2.2仿真模型結(jié)果輸出

在Vehicle record（車輛記錄）模塊中，定義輸出變量Vehicle number（車輛編號(hào)），Interaction state（交互狀態(tài)），Simulation Time（模擬時(shí)間）等。統(tǒng)計(jì)沖突數(shù)，即統(tǒng)計(jì)AX的數(shù)量。

3施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)交通影響因素分析

施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的根本原因在于，由于施工區(qū)自身?xiàng)l件的限制，行駛自由度突然降低，車輛間相互作用加劇，從而使風(fēng)險(xiǎn)度劇增。理論上，各種交通因素對(duì)沖突率均有可能產(chǎn)生影響，且各因素的影響也存在強(qiáng)弱之分。因此，需要逐一分析確定每種因素對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)是否確有影響及各因素對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)影響的強(qiáng)弱。

3.1單因素分析

3.1.1仿真策略

這里研究交通量、大車率、限速值對(duì)施工區(qū)車輛行車風(fēng)險(xiǎn)是否產(chǎn)生影響，表1列出了本次試驗(yàn)的仿

3.1.2仿真結(jié)果分析

圖2（a）、（b）、（c）分別表示施工區(qū)在不同交通量、不同大車率、不同限速值作用下沖突率的變化值。

根據(jù)曲線的基本走向，用函數(shù)將影響因素與沖突率的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到交通量、大車率和限速值與沖突率的關(guān)系模型

由圖2可知，交通量和沖突率呈指數(shù)關(guān)系，表明交通量對(duì)沖突率的影響最大；大車率對(duì)沖突率的影響呈二項(xiàng)式分布，在0.2～0.4之間達(dá)到峰值；限速值對(duì)沖突率的影響呈二項(xiàng)式分布，在限速值較高的情況下，車輛延誤時(shí)間較少，通行效率提高，而沖突率也呈明顯下降趨勢(shì)，表明車輛的通行服務(wù)水平與安全有直接關(guān)系，故施工區(qū)限速值并非越低越好。

3.2多因素分析

3.2.1仿真策略

這里需要分析交通量、大車率、限速值對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)弱，各選取5組數(shù)據(jù)，如表2所示。根據(jù)表2的5組數(shù)據(jù)對(duì)3種因素進(jìn)行分析，有125種仿真方案，因此采用正交試驗(yàn)縮減試驗(yàn)的數(shù)據(jù)組。

3.2.2仿真結(jié)果分析

從表3可以看出交通量、大車率和限速值對(duì)施工區(qū)的行車風(fēng)險(xiǎn)皆有顯著影響，且影響因素的主次順序（由強(qiáng)到弱）為交通量、大車率、限速值。

4評(píng)價(jià)模型的建立和研究分析

4.1累計(jì)曲線分布確定危險(xiǎn)閾值

運(yùn)用SPSS軟件，繪制25組數(shù)據(jù)累積頻率分布曲線，選取累積頻率分布曲線60%和85%的值為較危險(xiǎn)閾值和非常危險(xiǎn)閾值，分別為0.448和0.655。

4.2沖突率與施工區(qū)因素關(guān)系模型

參照以上分析，可建立f與施工區(qū)的關(guān)系模型為

f=l（Q，α，v）（5）

將多因素分析時(shí)得到的25組數(shù)據(jù)輸入到MATLAB中，進(jìn)行回歸分析，得到具體的回歸模型

f=0.367+0.000 493 8Q-0.325 7α-0.006 604v（6）

4.3回歸模型的顯著性檢驗(yàn)

式（6）中的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0895，判斷系數(shù)為

4.4施工區(qū)的行車風(fēng)險(xiǎn)分析

當(dāng)施工區(qū)的沖突率f與危險(xiǎn)閾值的差值大于0時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)施工區(qū)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因此，為了判斷交通量、大車率和限速值的變化對(duì)行車風(fēng)險(xiǎn)的影響，確定1個(gè)因素不變，其余2個(gè)因素各取9組值，組合得到81組數(shù)據(jù)，構(gòu)成大子樣，代入式（6）中，得到樣本值，算出均值和方差。根據(jù)中心極限定理，大樣本時(shí)，可認(rèn)為樣本方差近似等于方差，所以

將沖突率均值與閾值作對(duì)比，得出該條件下風(fēng)險(xiǎn)所處的水平以及概率，并通過單因素變化的對(duì)比，得出單因素變化條件下風(fēng)險(xiǎn)的走勢(shì)，具體見表5。

（1）交通量對(duì)行車風(fēng)險(xiǎn)的影響很大。施工區(qū)的通行能力約為1 500 pcu·h-1·ln-1，此時(shí)施工區(qū)處于較危險(xiǎn)水平，并未達(dá)到非常危險(xiǎn)水平；當(dāng)交通量增加10%達(dá)到1 650 pcu·h-1·ln-1時(shí)，施工區(qū)達(dá)到非常危險(xiǎn)水平的概率為50%。

（2）大車率對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)的影響較大，上文已分析過，大車率在0.2時(shí)沖突率處于峰值，此時(shí)施工區(qū)處于較危險(xiǎn)水平，當(dāng)大車率上升至0.4時(shí)，較危險(xiǎn)水平的概率下降至19.22%。

（3）限速值對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)的影響較大，從回歸模型可知限速值與沖突率成反比。當(dāng)限速值取40 km·h-1的低值時(shí)，施工車處于較危險(xiǎn)水平，將限速值提高至60 km·h-1可將較危險(xiǎn)水平發(fā)生的概率降低至11%。但限速值不宜過高，否則一旦發(fā)生事故，將會(huì)增大事故的嚴(yán)重程度。

5結(jié)語(yǔ)

（1）利用Vissim軟件，模擬車輛在施工區(qū)各種交通條件下的行駛狀況，發(fā)現(xiàn)交通量、大車率、限速值對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)均會(huì)產(chǎn)生影響。

（2）采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)縮減數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析不同交通因素對(duì)施工區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)的影響，因素影響的強(qiáng)弱由大到小為：交通量、大車率、限速值。

（3）綜合考慮交通因素，利用MATLAB軟件，回歸分析了由Vissim軟件仿真得到的數(shù)據(jù)，得到風(fēng)險(xiǎn)閾值且建立了沖突率與交通因素之間的模型。

（4）分析了在交通量、大車率、限速值在各自的峰值或極限條件下施工區(qū)的行車風(fēng)險(xiǎn)以及因素自身變化施工區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)走勢(shì)。

（5）本文僅考慮了交通因素在施工工作區(qū)為500 m時(shí)的行車風(fēng)險(xiǎn)，而未考慮其他影響因素（如離散性）及不同施工區(qū)長(zhǎng)度下的情況，在下一步研究中，應(yīng)增加其他影響因素及施工區(qū)長(zhǎng)度，以完善得到的結(jié)論。

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