車速對交通事件影響區(qū)安全與通行效率的影響

錢國敏，魏星，吳明超

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安　710064；2.西安市市政建設(shè)(集團(tuán))有限公司，陜西西安　710064；3.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都　610000)

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車速對交通事件影響區(qū)安全與通行效率的影響

錢國敏1，魏星2，吳明超3

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064；2.西安市市政建設(shè)(集團(tuán))有限公司，陜西西安710064；3.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都610000)

選取高速公路交通事件下交通沖突率和車速標(biāo)準(zhǔn)差作為安全表征指標(biāo)，車輛排隊長度為效率表征指標(biāo)，通過對交通事件下車輛跟馳、換道安全間隙和車速標(biāo)準(zhǔn)差與事故率關(guān)系的分析，建立VISSIM仿真模型，分析車速對事件上游影響區(qū)運(yùn)行安全的影響，并根據(jù)交通流理論分析車速對通行效率的影響。研究結(jié)果表明：事件影響區(qū)沖突率和警告區(qū)沖突率隨車速增加而增加；上游過渡區(qū)沖突率在交通量較小時(1 800 pcu/h≤Q≤2 100 pcu/h)隨車速的增加而增加，在交通量較大時(2 100 pcu/h≤Q≤2 400 pcu/h)受車速影響較?。卉囁贅?biāo)準(zhǔn)差和事故率隨車速和交通量的增加而增加；事件上游影響區(qū)內(nèi)運(yùn)行效率隨車速的增加先增大后減小。

交通事件；運(yùn)行安全；通行效率；VISSIM仿真模型；交通流

高速公路發(fā)生交通事件需封閉部分車道形成“瓶頸”路段，然而不同的車速會對事件上游影響區(qū)運(yùn)行安全與效率造成不同的影響。文獻(xiàn)[1]通過考慮事件發(fā)生期間交通流量和通行能力、事件持續(xù)時間及車輛到達(dá)事件點(diǎn)的時間等參數(shù)，建立高速公路發(fā)生事件延誤模糊預(yù)測模型。文獻(xiàn)[2]利用VISSIM模擬交通事件，利用Matlab處理原始數(shù)據(jù)，并提出利用小波技術(shù)對交通事件進(jìn)行檢測的新方法。文獻(xiàn)[3]利用Matlab模擬長大下坡發(fā)生交通事件時不同限速值對事件區(qū)安全與效率的影響，并根據(jù)安全與效率對限速值變化的靈敏度不同，采用加權(quán)平均的方法計算最優(yōu)限速值。文獻(xiàn)[4]從交通效率和交通安全的角度選取速度偏差變化系數(shù)、等效最小安全距離、平均車輛總延誤、平均最大排隊長度，作為公路施工作業(yè)區(qū)層級限速方案實施效果評價指標(biāo)，在30種交通組成條件下應(yīng)用交通仿真軟件VISSIM對6種層級限速方案進(jìn)行仿真，利用加權(quán)加法、平分法確定公路施工作業(yè)區(qū)最優(yōu)層級限速方案。文獻(xiàn)[5]通過建立交通事件消散時間的元胞傳輸模型，仿真得出事件發(fā)生的上游形成擁擠區(qū)并慢慢向上游傳遞，事件清除后，擁擠波的消散較慢并會蔓延較長的距離，其消散也需要較長的時間。文獻(xiàn)[6]在傳統(tǒng)元胞自動機(jī)模型基礎(chǔ)上提出基于車速的換道規(guī)則并改進(jìn)傳統(tǒng)STCA模型，構(gòu)建適用于模擬交通事件狀態(tài)下交通流的元胞自動機(jī)仿真模型。文獻(xiàn)[7]研究高速公路施工區(qū)限速標(biāo)志位置的確定方法，結(jié)果表明一級限速標(biāo)志確定方法適用于交通量較小的情況，二、三級限速標(biāo)志位置確定方法適用于交通量大且排隊長度向上游持續(xù)延伸的情況。

已有研究更多側(cè)重于構(gòu)建不同交通事件模型，而對于發(fā)生交通事件后車速對事件影響區(qū)運(yùn)行安全與效率的影響卻很少涉及[8-9]。本文通過對交通事件下車輛跟馳、換道安全間隙和車速標(biāo)準(zhǔn)差與事故率的關(guān)系分析，選取沖突率和車速標(biāo)準(zhǔn)差作為安全指標(biāo)，排隊長度作為效率指標(biāo)，通過建立VISSIM仿真模型分析車速對事件影響區(qū)運(yùn)行安全的影響，基于交通流理論分析車速變化對發(fā)生交通事件道路運(yùn)行效率的影響。

1　運(yùn)行安全和效率的表征指標(biāo)

交通事件是指影響交通正常運(yùn)行且使道路通行能力下降或交通需求不正常上升的各類事件或事故[10]。交通事件使得事發(fā)路段的通行能力下降，形成交通瓶頸[11-12]。由于施工作業(yè)和交通事故區(qū)域需要封閉部分車道，促使駕駛員在這一區(qū)域不斷進(jìn)行減速、合流、分流和加速操作，在交通流的運(yùn)行特性上具有相似性，故本文主要針對高速公路發(fā)生施工作業(yè)和交通事故2種交通事件時，研究雙向4車道封閉外側(cè)車道時車速對交通事件上游影響區(qū)內(nèi)交通安全與運(yùn)行效率的影響。

封閉部分車道后，使得進(jìn)入上游影響區(qū)的車輛更加頻繁地?fù)Q道和制動，車輛速度離散性增加，更容易造成交通沖突，若駕駛員操作不當(dāng)，交通沖突容易形成交通事故；同時瓶頸路段容易產(chǎn)生車輛排隊，造成車輛延誤，降低路段通行效率。因此，本文選取交通沖突率和車速標(biāo)準(zhǔn)差作為交通事件下安全評價指標(biāo)，將交通事件下車輛在臨界間隙條件下的換道和制動行為分別稱為換道沖突和追尾沖突，將單位長度上的交通沖突數(shù)定義為沖突率，并將車輛速度與該路段平均速度差值平方和的開方定義為車速標(biāo)準(zhǔn)差；選擇車輛排隊長度作為交通流運(yùn)行效率評價指標(biāo)。

2　交通事件下影響區(qū)跟馳和換道安全距離

2.1車輛換道安全距離

當(dāng)?shù)缆钒l(fā)生交通事件需封閉部分車道時，駕駛員會在事件地點(diǎn)前方合適位置選擇換道。當(dāng)換道車與換道后目標(biāo)車道前后車距離均大于各自換道安全距離(換道車和換道后目標(biāo)車道前后車換道所需的最小安全距離)時，駕駛員會在合適時機(jī)進(jìn)行換道，當(dāng)目標(biāo)車道距離不滿足安全條件時，因前方道路封閉，駕駛員會在目標(biāo)車道后車配合條件下以一定概率完成換道。本文將換道距離小于臨界條件的換道行為定義為換道沖突。

換道車與目標(biāo)車道后車的最小安全距離

式中：vA1、vA0分別為換道車輛和目標(biāo)車道后車車速；A1、A0分別為換道車輛和目標(biāo)車道后車；t1為換道車與目標(biāo)車道后車產(chǎn)生影響的時間；tf為駕駛?cè)朔磻?yīng)時間，一般為2～3 s；th為車輛變道所需時間，一般為3 s；lA0為目標(biāo)車道后車車長;θ為A0車與道路縱向的夾角。

換道車與目標(biāo)車道前車的最小安全距離

式中：vA2為目標(biāo)車道前車車速；A2為目標(biāo)車道前車；t2為A0與A1、A2產(chǎn)生影響的時間；BA0為A0車的寬度；lA2為A2車的長度。

2.2最小安全跟馳距離

道路發(fā)生交通事件封閉部分車道時，駕駛?cè)藭p速跟馳行駛，車輛以正常減速度減速到前車速度時所需保持的最小安全距離稱為最小安全跟馳距離，當(dāng)跟馳車與前車的距離小于最小安全跟馳距離時即認(rèn)為發(fā)生追尾沖突。

最小安全跟馳距離

式中：v0、vq分別為相同車道后車、前車的車速；t3為后車減速到前車車速的時間；La為最小安全距離，取3～5 m；g為重力加速度；f為輪胎與路面之間的縱向摩擦系數(shù)，考慮貨車較一般車輛的制動更困難，f取0.17(不考慮雨雪等惡劣天氣條件)。

3　車速標(biāo)準(zhǔn)差與事故率的關(guān)系

國內(nèi)外學(xué)者通過對事故率與車速標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析表明，無論車輛速度低于或者高于平均速度，其發(fā)生事故的概率隨車速與平均速度差值的增大而增大[13]。因此，車速標(biāo)準(zhǔn)差對交通安全具有重要影響，并且在交通事件影響區(qū)內(nèi)伴隨著大量的加、減速操作與合流、分流行為，車速標(biāo)準(zhǔn)差相對一般道路有所增加，因此需要對交通事件影響區(qū)內(nèi)車速離散特性進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[7]通過對我國部分高速公路統(tǒng)計數(shù)據(jù)回歸分析得出事故率與車速標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系[14]

RA=9.583 90.055 3σ,

(1)

式中：σ為車速標(biāo)準(zhǔn)差，km/h；RA為事故率，次/(億車·km)。

4　交通事件下車速與交通安全的關(guān)系

發(fā)生交通事件后封閉部分車道，需在事件上游設(shè)置警告區(qū)、過渡區(qū)和緩沖區(qū)提示駕駛員前方發(fā)生交通事件，同時區(qū)段內(nèi)車輛速度對事件上游影響區(qū)運(yùn)行安全產(chǎn)生重要影響。由于事件下游影響區(qū)距離較短，并且在下游影響區(qū)內(nèi)車輛加速自由行使，車頭時距逐漸增加，交通流受事件區(qū)限速的影響較小，因此本文僅研究車速對事件上游影響區(qū)安全與效率的影響。本文通過建立發(fā)生交通事件封閉外側(cè)車道的VISSIM模型模擬不同車速條件下事件影響區(qū)內(nèi)的車速標(biāo)準(zhǔn)差，并將車輛運(yùn)行軌跡輸入SSAM中分析其警告區(qū)、上游過渡區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)的沖突率，從而評價不同車速條件下交通事件影響區(qū)內(nèi)的行車安全性[15]。

4.1仿真模型構(gòu)建

以雙向4車道高速公路封閉最外側(cè)車道為研究對象，確定大車比例為20%[16]。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的規(guī)定，高速公路在不同設(shè)計車速條件下每車道最大服務(wù)交通量的最小值和最大值分別為500、2 200 pcu/h。故本文交通量以1 200 pcu/h為起點(diǎn)，以后每次增加300 pcu/h，最大增至4 000 pcu/h。各事件影響區(qū)長度可根據(jù)文獻(xiàn)[18]設(shè)置，道路總長度以及警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、事件區(qū)、下游過渡區(qū)、終止區(qū)的長度分別為4 000、2 000、200、150、1 000、50、50 m。并在各交通量條件下將VISSIM仿真程序中車輛進(jìn)入道路的速度以40 km/h為起點(diǎn)，每次遞增10 km/h，直至120 km/h，每種條件下仿真5次，結(jié)果取平均值，共仿真450次。

4.2仿真試驗結(jié)果分析

4.2.1交通事件下車速與運(yùn)行安全

分析不同交通量Q條件下的仿真結(jié)果知，當(dāng)1 200≤Q≤1 500 pcu/h時，交通事件上游影響區(qū)內(nèi)交通運(yùn)行順暢，車輛快速通過事件影響區(qū)；當(dāng)3 000≤Q≤4 000 pcu/h時，車流密度接近于阻塞密度，事件影響區(qū)內(nèi)擁擠，排隊嚴(yán)重，車速變化對這2種情形下運(yùn)行安全與效率影響不大，故本文對自由流狀態(tài)與飽和狀態(tài)下車速對事件上游影響區(qū)內(nèi)安全性的影響不予分析，只研究交通量為1 800 ～2 700 pcu/h的情形。當(dāng)交通量分別在1 800 ～2 100、2 400 ～2 700 pcu/h時，車速對事件上游影響區(qū)內(nèi)沖突率的影響較為相似，根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知交通量在1 800 ～2 100、 2 400 ～2 700 pcu/h時分別處于二、三級道路服務(wù)水平下，故本文分別選取交通量為1 800、2 400 pcu/h代表二、三級道路服務(wù)水平，仿真結(jié)果如圖1、2所示，圖1、2中總區(qū)域是指交通流安全與效率受影響的區(qū)域,包括警告區(qū)、過渡區(qū)和緩沖區(qū)。

由圖1、2可以看出，事件上游影響區(qū)內(nèi)沖突率隨運(yùn)行速度的變化而變化，當(dāng)交通流處于二級服務(wù)水平下，交通流以接近自由流狀態(tài)運(yùn)行，隨著車速的增加，車輛以更短時間快速通過上游過渡區(qū)，降低車輛在上游過渡區(qū)發(fā)生排隊的概率，在相同小交通量條件下降低車輛沖突次數(shù)，過渡區(qū)沖突率隨車速增加而減小，同時由于車輛需在過渡區(qū)強(qiáng)制進(jìn)行變道合流，在車速低于85 km/h時，過渡區(qū)沖突率較其他影響區(qū)大，但隨著車速繼續(xù)增加，沖突率較緩沖區(qū)小并逐漸接近警告區(qū)和總區(qū)域；由于隨著車速的增加，車輛間最小安全時距變大，警告區(qū)、緩沖區(qū)和總區(qū)域內(nèi)沖突率隨車速增大呈線性增加。

圖1　二級服務(wù)水平下沖突率與車速的關(guān)系

圖2　三級服務(wù)水平下沖突率與車速的關(guān)系

當(dāng)交通流處于三級服務(wù)水平下，隨著車速增加，進(jìn)入警告區(qū)和過渡區(qū)的車輛不斷增加，且由于瓶頸路段通行能力的限制，形成集結(jié)波向事件區(qū)上游傳播，致使車輛排隊長度不斷增加，從而增加事件上游影響區(qū)沖突率，降低交通流運(yùn)行安全性。警告區(qū)、上游過渡區(qū)和整個影響區(qū)內(nèi)沖突率隨車速的增加呈直線增長趨勢，當(dāng)車速超過100 km/h時，在前方通行能力一定時，過渡區(qū)車輛降速較大，加減速現(xiàn)象明顯，沖突率顯著增加；緩沖區(qū)因通行能力限制，當(dāng)交通量達(dá)到一定值時，進(jìn)入緩沖區(qū)的車流形成穩(wěn)定的跟馳現(xiàn)象，緩沖區(qū)內(nèi)車流速度并不隨進(jìn)入警告區(qū)的速度變化而變化，因此緩沖區(qū)內(nèi)沖突率隨車速增加在一定范圍變動。隨著交通量的增加，事件影響下的高速公路不同影響區(qū)內(nèi)沖突率明顯增加。

通過對仿真數(shù)據(jù)分析可知：事件影響區(qū)和警告區(qū)沖突率隨車速增加而增加；上游過渡區(qū)沖突率受交通量和車速雙重影響，當(dāng)交通量較低(1 800 pcu/h≤Q≤2 100 pcu/h)時，上游過渡區(qū)沖突率隨車速增加而顯著增加，當(dāng)交通量較大(2 100 pcu/h≤Q≤2 400 pcu/h)時，車速對上游過渡區(qū)沖突率的影響不明顯；且交通量越大，事件上游影響區(qū)內(nèi)沖突率越大。

4.2.2車速標(biāo)準(zhǔn)差對運(yùn)行安全的影響

通過對仿真結(jié)果分析，本文選取4種典型交通條件下(交通量分別為1 800、2 400 pcu/h，車速分別為60、120 km/h)車速的標(biāo)準(zhǔn)差，如圖3所示。

a)交通量為1 800 pcu/h，車速為60 km/h　　　　　　　　　　　b)交通量為2 400 pcu/h，車速為60 km/h

c)交通量為1 800 pcu/h，車速為120 km/h　　　　　　　　　　d)交通量為2 400 pcu/h，車速為120 km/h圖3　不同事件影響區(qū)內(nèi)車速標(biāo)準(zhǔn)差的變化

針對不同影響區(qū)內(nèi)車速標(biāo)準(zhǔn)差隨時間的變化，確定不同影響區(qū)合理標(biāo)準(zhǔn)差為85%車速標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)式(1)，計算出不同影響區(qū)內(nèi)億車km的事故率，結(jié)果如表1所示。

表1　不同交通條件下85%車速標(biāo)準(zhǔn)差和億車km事故率

由表1可知：車速標(biāo)準(zhǔn)差和事故率隨車速和交通量增加而增加；當(dāng)交通量較低(1 800 pcu/h≤Q≤2 100 pcu/h)時，車速對不同影響區(qū)安全性的影響程度基本相同，當(dāng)交通量較大(2 100 pcu/h≤Q≤2 400 pcu/h)時，車速顯著影響警告區(qū)安全性，而對于上游過渡區(qū)和緩沖區(qū)影響較小。因此，在高速公路上發(fā)生交通事件需要封閉車道時，降低事件影響區(qū)的車速能夠有效降低車速標(biāo)準(zhǔn)差，從而降低發(fā)生二次事故的可能性，提高行車安全性。

5　交通事件下運(yùn)行效率與車速的關(guān)系

由于事件區(qū)通行能力降低，車輛到達(dá)率大于離去率從而產(chǎn)生排隊，不同的車速產(chǎn)生不同的到達(dá)率，從而影響事件區(qū)的通行效率[19]。通行能力下降促使車流形成集結(jié)波并向上游傳播，假設(shè)上游到達(dá)交通量為Q1，平均車速為v1，擁擠前路段密度為k1；事件區(qū)通行能力下降為C2，平均運(yùn)行速度和交通密度分別為v2和k2；假設(shè)處理事件的時間為T0，此后打開封閉車道，使得路段恢復(fù)正常通行能力C3，此時會形成消散波向上游傳播，并假設(shè)平均車速和交通密度分別為v3和k3。消散波和集結(jié)波相遇時距消散波起點(diǎn)的距離即是交通事件影響下最大排隊長度L，設(shè)消散波和集結(jié)波相遇時間為T，消散波的波速為w2，集結(jié)波的波速為w1；則根據(jù)兩波傳播距離相等得到

w1T=w2(T-T0)，

由格林希爾茨模型和交通流基本模型得集結(jié)波速w1和消散波速w2為：

式中：uf為自由流速度，km/h。

則消散波和集結(jié)波相遇時間T與最大排隊長度L為：

(2)

由于在事件區(qū)內(nèi)和恢復(fù)封閉車道后車流形成跟馳行駛，車速相對穩(wěn)定，即可認(rèn)為v2和v3為穩(wěn)定數(shù)值，則式(2)可簡化為：

(3)

式中a、b、c為不相等的常數(shù)。

由式(3)可以看出：發(fā)生交通事件封閉部分車道時車輛排隊長度以常數(shù)c為界，隨事件影響區(qū)內(nèi)車輛行駛速度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，路段交通流運(yùn)行效率隨車速的變化而變化，即當(dāng)發(fā)生交通事件封閉部分車道時，影響區(qū)內(nèi)不同限速值能夠影響路段交通流的運(yùn)行效率。

6　結(jié)語

1)當(dāng)交通量分別為1 200～1 500、3 000～4 000 pcu/h時，車流分別處于自由流狀態(tài)和過飽和狀態(tài)，車速對事件影響區(qū)的安全與效率影響效果不明顯；事件影響區(qū)和警告區(qū)交通沖突率隨車速增加而增加。當(dāng)交通量較小(1 800 pcu/h≤Q≤2 100 pcu/h)時，上游過渡區(qū)沖突率隨車速增加而顯著增加，當(dāng)交通量較大(2 100 pcu/h≤Q≤2 400 pcu/h)時，上游過渡區(qū)沖突率受車速變化的影響較小。

2)車速標(biāo)準(zhǔn)差和事故率隨車速和交通量的增加而增加。當(dāng)交通量較小(1 800 pcu/h≤Q≤2 100 pcu/h)時，車速對不同影響區(qū)的安全性影響程度基本相同；當(dāng)交通量較大(2 100 pcu/h≤Q≤2 400 pcu/h)時，車速顯著影響警告區(qū)的安全性，而對于上游過渡區(qū)和緩沖區(qū)影響較小。

3)車輛排隊長度隨車速的增加先增大后減小，影響區(qū)內(nèi)不同限速值能夠影響路段交通流的運(yùn)行效率。

4)本文僅研究發(fā)生交通事件封閉部分道路時，不同影響區(qū)車速對運(yùn)行安全與效率的影響，但并沒有得出基于安全與效率最優(yōu)的限速值，在后續(xù)研究中，應(yīng)對此進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

The Influence of Speed on Traffic Safety and Efficiency Within Impact Zone of Traffic Incident

QIANGuomin1，WEIXing2，WUMingchao3

(1.SchoolofHighway,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China; 2.Xi′anMunicipalConstruction(Group)Co.,Ltd.，Xi′an710064,China; 3.SchoolofTransportationandLogistics,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610000,China)

Conflict frequency and speed standard deviation is selected as safety indicators for highway and line length is selected as the efficiency indicator. VISSIM simulation model is established to analyze the safety spaces for lane changing and the relationship between velocity standard deviation and accident frequency in case of traffic incident. In addition, the influence of speed on traffic safety in the upstream impact zone of traffic incident is investigated. Based on the traffic flow theory, the influence of speed on traffic flow efficiency is analyzed. The results show that the conflicts in influence region and warning area increase with speed. In the upstream influence region, the conflicts increase with speed if traffic volume is from 1 800 pcu/h to 2 100 pcu/h. However, the conflicts due to speed are comparatively limited if traffic volume is from 2 100 pcu/h to 2 400 pcu/h. Speed standard deviation and accident frequency increases with speed and traffic volume. The operation efficiency in the upstream influence zone of traffic incident increases first and then decreases with speed.

traffic incident; operation safety; traffic efficiency; VISSIM simulation model; traffic flow.

2016-04-26

陜西省交通運(yùn)輸廳交通科技項目(14-32R)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(0009-2014G1211011、2013G1211009、2013G2212024)

錢國敏(1991—)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要研究方向為交通規(guī)劃與交通安全，E-mail：15829280032@163.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.03.006

U491

A

1672-0032(2016)03-0029-07