王 紅, 田 龍, 陳 勇

(武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著城市交通的快速發(fā)展，地面交通已經(jīng)漸漸飽和，為了滿足日益增長的交通需求，在城市核心區(qū)建設(shè)地下道路是緩解城市交通擁堵的有效措施[1]。其中地下互通合流區(qū)是地下互通立交的重要組成部分，改善合流區(qū)交通安全狀況，能有效提高地下互通立交的通行能力，保障地下互通立交綜合功能。

目前，地下道路交通研究主要集中于道路交通設(shè)計(jì)及場景模擬實(shí)驗(yàn)[2,3]。對于地下道路交通設(shè)計(jì)，主要針對道路、橋梁、隧道等安全設(shè)計(jì)和施工方法的安全評價(jià)，通過建立指標(biāo)體系，采用安全檢查表(SCL)法、危險(xiǎn)度評價(jià)法、影響性分析(FMEZ)等定性評價(jià)和事故樹分析(FTA)、模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)和層次分析法等評價(jià)方法優(yōu)化道路安全設(shè)計(jì)[4,5]，較少涉及城市地下道路相關(guān)研究。隨著城市地下道路的建設(shè)與發(fā)展，研究者對城市地下快速路出入口布置及地下道路合流區(qū)駕駛員視認(rèn)行為展開研究[6,7]。吳義虎等[8]通過考慮車輛平均車速、車速標(biāo)準(zhǔn)差對路段事故率的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)路段事故率與車速離散性的相關(guān)系數(shù)最大，影響路段交通安全的主要因素是車速分散性。裴玉龍等[9]建立的億車公里事故率與速度標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系模型。這些都說明地下道路交通是研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)階段關(guān)于城市地下道路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如地下互通，研究卻較少。而地下互通合流區(qū)作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，對其進(jìn)行安全性評價(jià)具有重要意義。因此，本文在獲取廈門萬石山地下互通立交的隧道內(nèi)主線出入口、分合流點(diǎn)監(jiān)控視頻、近5年事故數(shù)以及實(shí)驗(yàn)車實(shí)測數(shù)據(jù)所構(gòu)建得地下互通立交合流區(qū)仿真模型的前提下，選定速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)作為合流區(qū)安全評價(jià)的指標(biāo)，對地下互通合流區(qū)安全性進(jìn)行分級(jí)，通過對合流區(qū)不同區(qū)段進(jìn)行安全評價(jià)，提升地下道路合流區(qū)安全水平。研究結(jié)果可為地下道路工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與影響因素關(guān)系模型

速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)又稱速度均方差系數(shù)，是反映速度變動(dòng)程度的相對指標(biāo)，其計(jì)算公式為:

(1)

一般情況下，對于不同水平的總體不宜直接用速度標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)進(jìn)行對比，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)能更好地反映不同水平總體的速度變動(dòng)度。

1.1 影響因素的相關(guān)性分析

1.1.1 加速車道點(diǎn)位百分比

對于合流區(qū)，一般設(shè)置加速車道，不同交通條件下加速車道長度不同。為研究加速車道區(qū)域不同點(diǎn)位的速度分布情況，將整個(gè)加速車道長度分為5等份，相對合流鼻端位置構(gòu)成5點(diǎn)位。定義點(diǎn)位百分比，即點(diǎn)位距離合流鼻端長度占加速車道總長度的百分比。點(diǎn)位百分比可以更好地分區(qū)域來研究合流區(qū)交通流特性，體現(xiàn)出各斷面間的差異性，所以建立速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與點(diǎn)位百分比的關(guān)系，分區(qū)域評價(jià)合流區(qū)的安全性，每個(gè)點(diǎn)位占比分布為0.2、0.4、0.6、0.8、1。通過分析，各點(diǎn)位百分比與速度標(biāo)準(zhǔn)差系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與點(diǎn)位百分比關(guān)系

由圖1可知，隨著點(diǎn)位百分比的增大，即與合流鼻端的距離越大，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)越大，這說明，合流區(qū)后半部分的車速離散性大，合流行為使主線和加速車道的車速都產(chǎn)生很大變化，而且數(shù)據(jù)都分布在趨勢線附近，點(diǎn)位百分比與速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)相關(guān)性較強(qiáng)。

1.1.2 主線交通量

速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與主線交通量關(guān)系如圖2所示。

圖2 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與主線交通量關(guān)系

由圖2可知，主線交通量增加，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)也增大。因?yàn)橹骶€交通量較小時(shí)，加速車道車輛可以自由匯入主路，不用過多考慮合流對主線車輛造成的影響，兩者的速度都比較穩(wěn)定。當(dāng)主線交通量增大時(shí)，最外側(cè)車道不斷高速駛過的車輛會(huì)干擾到想要合流的車輛，使速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)都變大。而且數(shù)據(jù)都分布在趨勢線附近，主線交通量與速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)相關(guān)性較強(qiáng)。

1.1.3 大車混入率

速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與大車混入率關(guān)系如圖3所示。

圖3 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與大車混入率關(guān)系

從圖3可知，隨著大車混入率的增大，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)顯著提升，這是因?yàn)榇笮蛙嚨募訙p速性能較差，質(zhì)量較大，在合流區(qū)這個(gè)交通復(fù)雜的位置難以即時(shí)改變自身的速度以適應(yīng)速度不同的各方向車流，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)增大，從整體來看，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布緊密，相關(guān)性較強(qiáng)。

1.1.4 匝道交通量

速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與匝道交通量關(guān)系如圖4所示。

圖4 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與匝道交通量關(guān)系

由圖4可知，匝道交通量增大，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)總體上是減小的，原因之一是隨著匝道交通量的增大，需要匯入主路的車輛也逐漸變多，會(huì)導(dǎo)致主線最外側(cè)車道以及加速車道上的車流發(fā)生阻塞甚至?xí)簳r(shí)停滯，斷面間速度差異反而減小，并且有兩組數(shù)據(jù)距離趨勢線很遠(yuǎn)，整體分布離散，兩者相關(guān)性很弱。

1.1.5 匝道設(shè)計(jì)車速

速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與匝道設(shè)計(jì)車速關(guān)系如圖5所示。

圖5 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與匝道交通量關(guān)系

由圖5可知，匝道設(shè)計(jì)車速增大，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)會(huì)減小。這個(gè)現(xiàn)象是因?yàn)樵训涝O(shè)計(jì)車速越高，從匝道駛出的車輛行駛速度也越高，加速到與主線車速相同的速度只需要較短的距離，沒有充分加速就強(qiáng)行匯入主路的車輛會(huì)變少，降低了車速的差異程度。而且圖中數(shù)據(jù)分布較為離散，初步認(rèn)定兩者相關(guān)性不強(qiáng)。

以上初步分析了加速車道點(diǎn)位百分比、主線交通量、大車混入率、匝道交通量、匝道設(shè)計(jì)車速5個(gè)影響因素與速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)間的關(guān)系。并得出結(jié)論：加速車道點(diǎn)位百分比、主線交通量和大車混入率與速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)關(guān)系顯著，匝道交通量和匝道設(shè)計(jì)車速與速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)關(guān)系不顯著。利用SPSS 24.0軟件相關(guān)性分析方法中的雙變量命令，確定速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與各道路條件和交通條件因素是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)層面的意義，驗(yàn)證以速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為因變量，加速車道點(diǎn)位百分比、主線交通量、大車混入率、匝道交通量和匝道設(shè)計(jì)車速為自變量構(gòu)建模型可行性，分析結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與影響因素相關(guān)性分析

在相關(guān)性分析理論中，在置信度為95%的前提下，如果可以得出兩組數(shù)據(jù)的顯著性Sig.小于0.05，同時(shí)相關(guān)系數(shù)R2大于0.8，說明這兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性極強(qiáng)。據(jù)此，分析表1中數(shù)據(jù)可知，只有匝道交通量和匝道設(shè)計(jì)車速的Sig.大于0.05，且R2小于0.8，而位置百分比、主線交通量、大車混入率均符合評判是否相關(guān)的要求，所以，有充分理由選取位置百分比、主線交通量、大車混入率作為交通安全評價(jià)模型中的自變量。

1.2 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)模型構(gòu)建

在模型仿真結(jié)果中，整理出自變量位置百分比、主線交通量、大車混入率變化時(shí)對應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，輸入SPSS 24.0，調(diào)用回歸命令，將自變量和因變量正確對應(yīng)，運(yùn)行后得出如下交通流影響因素與安全評價(jià)指標(biāo)速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的模型。

Cv=0.06+0.31P+0.0000003Qz+0.624PHV

(2)

式中：Cv為合流區(qū)某區(qū)域的速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)；P為合流區(qū)某區(qū)域的位置百分比；Qz為合流區(qū)主線交通流量,veh/h；PHV為大車比例。

構(gòu)建出了地下互通立交合流區(qū)速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)模型之后，還需要對模型的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。

(1)顯著性檢驗(yàn)。利用SPSS 24.0在置信度為95%的前提下對仿真模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

分析表2中數(shù)據(jù)得出，在F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)下的顯著性水平Sig.均小于0.05，說明在位置百分比、主線交通量、大車混入率等共同作用下，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)受到的影響是顯著的，三個(gè)自變量分別單獨(dú)作用于速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的影響也是顯著的，這充分說明構(gòu)建的模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(2)有效性驗(yàn)證。將實(shí)測數(shù)據(jù)(點(diǎn)位百分比、主線交通量及大車混入率),代入構(gòu)建出的模型(2)中，計(jì)算出相應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)并與通過實(shí)際調(diào)查獲取的速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3、表4。

表3 模型自變量取值

表4 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)預(yù)測值與實(shí)測值對比

分析表4中數(shù)據(jù)，只有第五組數(shù)據(jù)的預(yù)測值與實(shí)測值間的相對誤差稍大，為0.224，準(zhǔn)確性低于80%，其余4組數(shù)據(jù)相對誤差很小，準(zhǔn)確性幾乎都在80%以上，預(yù)測值總體上符合實(shí)測值的變化趨勢。因此本章以速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為因變量，加速車道長度、主線交通量和大車混入率為自變量構(gòu)建的模型是有效的。

2 交通安全等級(jí)劃分

2.1 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與交通安全

體現(xiàn)交通安全性最直觀、最準(zhǔn)確的指標(biāo)是事故率，此次收集了廈門萬石山地下互通立交近5年的事故資料，記錄了事故類型、事故發(fā)生時(shí)間以及大致的事故發(fā)生地點(diǎn)，但無法獲取事故發(fā)生時(shí)本身的車速以及合流區(qū)域的車速情況，無法分析事故與速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的關(guān)系，所以借鑒已有的相關(guān)研究。裴玉龍等[9]通過收集我國部分高速公路的交通流和事故數(shù)據(jù)，建立了億車公里事故率與速度標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系模型。借助于其研究得到的數(shù)據(jù)，先將某個(gè)事故率對應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)差轉(zhuǎn)化為速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，繪制出兩者的散點(diǎn)圖,如圖6所示。

圖6 速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與億車公里事故率關(guān)系

采用回歸分析方法，得到如下億車公里事故率與速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)關(guān)系模型。

AR=6.2424e10.231Cv

(3)

式中：AR為億車公里事故率；Cv為速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)。

2.2 地下互通立交合流區(qū)交通安全的等級(jí)劃分

上節(jié)已經(jīng)建立了事故率與表征交通流安全性的指標(biāo)速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的關(guān)系模型，本節(jié)將對地下互通立交合流區(qū)進(jìn)行交通安全評價(jià)。區(qū)分合流區(qū)不同區(qū)域交通安全性大小的核心問題是分界點(diǎn)的確定。確定分界點(diǎn)常用的方法是以15%和85%位值來區(qū)分，如限速方案的制定也是以行駛速度累計(jì)頻率的15%和85%位值為劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，本文采用相同方法確定事故率的分界閾值。

陳曉冬等[11]收集了長平高速公路上大量的交通流數(shù)據(jù)和事故數(shù)據(jù)，借鑒文中的事故數(shù)據(jù)，繪制了事故率累計(jì)頻率曲線，如圖7所示。

圖7 事故率累積頻率曲線

根據(jù)曲線走勢，當(dāng)累計(jì)頻率為15%時(shí)，對應(yīng)的事故率是32(次/億車公里)，當(dāng)累計(jì)頻率為85%時(shí)，對應(yīng)的事故率是61(次/億車公里)。將上述兩個(gè)事故率的值代入關(guān)系模型(2)，得到對應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)閾值分別為0.160與0.223，以此為依據(jù)將合流區(qū)劃分為三個(gè)安全等級(jí)，具體劃分見表5。

表5 基于CV值的合流區(qū)安全評價(jià)等級(jí)

Ⅰ級(jí)：速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)值很小，速度分布離散性很小，交通流運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)生事故的概率很小，安全水平較高。

Ⅱ級(jí)：速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)值較大，速度分布離散性也隨之增大，車輛間的相互干擾現(xiàn)象增多，交通流的穩(wěn)定性下降，發(fā)生事故的概率上升，安全水平下降。

Ⅲ級(jí)：速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)值過大，速度分布離散性太大，不同速度的車輛相互干擾嚴(yán)重，交通流運(yùn)行混亂，容易發(fā)生事故，安全水平很低。

城市地下互通合流區(qū)區(qū)段安全性可以體現(xiàn)地下互通合流區(qū)交通安全性，在安全性較低的區(qū)段，應(yīng)當(dāng)采取措施，降低車輛的速度離散程度，提高合流區(qū)安全性。

3 結(jié)束語

本文采用速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)對合流區(qū)交通安全進(jìn)行評價(jià)分析，通過分析速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與加速車道點(diǎn)位百分比、主線交通量、大車混入率、匝道交通量、匝道設(shè)計(jì)車速的相關(guān)性，以點(diǎn)位百分比、主線交通量、大車混入率為自變量，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為因變量進(jìn)行回歸分析，建立對應(yīng)模型。借鑒已有研究，建立速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)與事故率的函數(shù)關(guān)系，并以事故率累計(jì)頻率15%和85%位值為分界閾值，計(jì)算出了速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的分界閾值為0.160和0.223，得出如下標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)Cv≤0.160時(shí)，安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)；當(dāng)0.1600.223時(shí)，合流區(qū)安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)。本文將地下互通立交合流區(qū)分為三個(gè)安全等級(jí)，對其進(jìn)行安全評價(jià)，研究結(jié)論可為相關(guān)工程建設(shè)和設(shè)計(jì)提供參考。