1、文章编号:1009-6094(2023)06-1739-13高速公路隧道与互通出入口小净距路段行车风险评价方法张 驰1,王 博1,杨 坤2,黄春富1,3,张 宏1,4,王 韩1(1 长安大学公路学院,西安 710064;2 深圳市综合交通设计研究院有限公司,广东深圳 518003;3 广西交通设计集团有限公司,南宁 530029;4 内蒙古大学交通学院,呼和浩特 010021)摘 要:为评价隧道与互通出入口小净距路段的行车风险,提出了基于交通流仿真的行车风险预测模型。首先,在明确小净距路段长度的基础上,定性分析其行车风险,从非交通流和交通流的角度选取风险影响因素;其次,通过实地调研采集的视频数
2、据对交通仿真模型进行标定,结合风险与影响因素的关系,将交通冲突率作为风险评价指标;然后,通过单因素和多因素试验量化了风险影响因素和风险评价指标间的关系,揭示了小净距路段的风险成因,利用多元非线性回归法构建了风险度量方程,并采用 K 均值聚类算法将风险评价标准划分为 5 个等级;最后,选取某些山区高速公路隧道与互通出入口小净距路段对风险预测模型进行验证。结果表明:净距长度、主线设计速度、交通量、大车型比例、转向交通量比例、车道数对出入口路段的行车风险具有显著性影响;对于出口路段,“指数函数+幂函数”组合形式的拟合度较好,R2=0.896,对于入口路段,“二次多项式+指数函数”组合形式的拟合度较好
3、,R2=0.855,模型评价结果与实际事故数的趋势基本一致,可适用于小净距路段行车安全风险评价。关键词:安全工程;风险预测模型;微观交通流仿真;小净距路段;互通;行车风险中图分类号:X951 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2021.1925收稿日期:20211101作者简介:张驰,教授,博士,从事道路交通安全、道路正向设计研究,zhangchi 。基金项目:国家重点研发计划项目(2020YFC1512005)0 引 言随着我国山区高速公路的大量建设,路网密度不断增加,受路线走廊带布设、复杂地形及社会经济条件等客观因素的限制,出现了许多隧道与互通出入口
4、间距过近的工程实例,对交通安全运行的影响日渐突出。美国相关的调查研究表明1,隧道与互通出入口间路段的事故率随着其间距增大而减小。邓国忠等2统计 20092012 年浙江省甬金、长深、沈海等 21 处高速公路互通式立交的 319 起交通事故,发现事故率与净距长度间存在较高的相关性,伤亡事故主要发生在隧道出口与渐变段起点之间及出口三角端部,其中,隧道出口至减速车道渐变段起点间的事故伤亡比例最大,高达 40%。因此,对高速公路隧道与互通出入口小净距路段的行车风险进行研究,对于提高高速公路安全水平具有重要意义。近年来,国内外相关学者对隧道与互通出入口小净距路段展开了一定的研究。国外主要是国家标准和规范
5、对最小间距或最小净距做出简单的规定:如欧盟的隧道标准规定车道数变化点距隧道洞口的距离不低于 10 s 的限制速度行程;德国道路规范根据出入主线的交通需求和预告标志设置情况,来规定间距值,但未明确具体值要求;日本高速公路设计要领规定互通与其他设施的最小间距应由指路标志和行车交织距离共同决定,最小间距的标准值为 4 km,特殊值为 2 km。国内对于净距长度的研究较多,软件仿真法3、安全距离法4 5以及 2 种方法相互结合研究6 7是目前主要的研究手段。其中软件仿真法主要以交通冲突率和通行能力为评价指标,从交通流的角度研究净距长度;安全距离法则综合考虑交通运行特性、道路条件、驾驶行为及明暗适应等因
6、素,基于车道变换理论给出相应的净距长度计算模型及推荐值。此外,部分学者从风险评价的角度对隧道与互通出入口的安全性进行研究,主要包括风险致因、研究手段等方面。对于风险致因的研究,主要是通过数理统计方法对交通实测数据与道路条件、事故数据等的关系进行分析、建模,以此辨识和评估风险源,如候树展等8、张驰等9先后通过该方法研究了交通量、车型比例、车速等交通流参数对事故风险的影响,辨识了各类事故风险致因的分布规律;崔健等10发现隧道入口实行可变限速能提高行车安全性,但未针对小净距路段的特殊性进行研究。对于风险研究手段的研究,主要是从车辆加减速或变换车道的角度研究该路段的行车安全性,将风险理论与模型结合,采
7、用一定指标量化风险,进而划分风险等级,较少与道路的交通流相结合。如 2010 年,Broeren 等11利用风险计算理论,通过分析特定条件下隧道出入口的车辆行驶安全性,从分合流交织距离、识别洞口距离和适应光线距离分析了隧道与互通最小净距,并提出对于净距不满足路段,应该采取风险补偿措施,为研究小净距路段行车风险奠定9371第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023基础。2011 年,阎莹等12针对高速公路出入口区域交通流特性,首次以临界减速度和不安全密度指数为评价
8、指标,建立了行车风险评价模型,并根据安全风险管理规定与人机工程学原理,确定了风险等级和评价标准。此外,胡江碧等13综述了交通冲突理论在高速公路互通式立交安全性评价中的应用。该理论能够较好地用于交通量较大时高速公路分合流路段的交通冲突评估。表 1 不同研究方法下隧道与互通出入口路段净距值Table 1 Distance between tunnel and interchange under different research methods代表性研究方法出口路段设计速度/(kmh-1)入口路段设计速度/(kmh-1)1201008012010080规范50040030012510080安全距
9、离法57505604008507005501109075VISSIM 仿真法7700700600 注:1)出口路段为单向双车道,入口路段不区分车道数。2)出口净距=明适应距离+等待插入间隙距离+判断可插入间隙距离+换道所需距离+安全距离;入口净距为车辆驶入主线后调整车速和位置等所需距离;安全距离法的出口还考虑了读取预告标志所行驶的距离。3)VISSIM 仿真法以交通冲突率为评价指标。综合来看,隧道与互通出入口间距离过近的工况在国外较少,而国内对于其研究主要集中在风险致因及净距长度的计算方法上,其计算结果主要是考虑在道路自由流状态下的单车所需长度,此时车辆间相互干扰较小,计算结果是较为适用的;当
10、净距小于一定值,出现较高行车风险更多是受周边车流的影响,而目前风险量化的研究主要是基于车辆加减速或变道的角度,其研究成果的适用性需进一步考虑。交通流参数作为影响小净距路段行车风险的直接因素,需要进一步量化交通流参数与行车风险之间的关系。为此,本文首先结合已有的研究成果从定性角度分析车速、净距长度、车道数等非交通流因素及交通流因素对小净距路段行车风险的影响,从交通流的角度选取交通冲突率作为评价指标,基于 MATLAB 提取的实测数据对交通仿真模型进行了构建和标定。在分析不同因素组合工况下的行车风险后,建立了小净距路段行车风险度量方程和评价模型。最后结合实际工程案例对预测模型的可行性进行验证。1
11、小净距路段行车风险分析1.1 小净距路段JTG D202017公路路线设计规范(以下简称规范)和 JTG/T D212014公路立体交叉设计细则均对隧道与互通出入口净距做出了明确的定义:隧道口至互通出口匝道渐变段起点或入口匝道渐变段终点的距离。以双向四车道高速公路为例,表 1列举了不同研究方法下的隧道与互通出入口路段净距值,显然,由于不同学者的研究方法和侧重点不同,其最小净距长度存在较大的差异;而以交通冲突为评价指标,基于 VISSIM 微观交通流仿真软件模拟所得到的净距长度值介于规范值与安全距离法计算值之间。为避免不同研究方法造成的差异性,研究不同速度下的行车风险,本文统一将隧道出口与互通出
12、口间净距长度小于 1 000 m、互通入口与隧道入口间净距长度小于 200 m 的路段定义为小净距路段。1.2 风险影响因素选取在隧道与互通出入口路段的行车过程中,驾驶人需要不断地获取道路、交通流以及标志标线等相关信息,并根据所获取的有效信息采取相应的驾驶行为,主要包括明适应过程、识别过程、变道过程以及安全确认过程。行车过程中获取信息的复杂程度和处理时间直接影响着驾驶人的反应时间,进而在一定程度上决定了行车风险大小,主要包括前方车辆突然减速或变向导致的追尾冲突、相邻车辆变道导致的变道冲突。文献6研究表明,换道需要一定的距离,对于不同的道路条件、交通状况,车辆完成这个行车过程所需要的净距长度也不
13、同。本文将风险影响因素分为非交通流因素和交通流因素,非交通流因素主要考虑净距长度、主线设计速度、车道数;交通流因素主要考虑交通量、车型比例、转向交通量比例。2 交通仿真模型构建由于现场采集的数据有限,采用该数据分析、构0471 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期建安全评估模型来研究小净距路段的行车风险,其适用性存在一定的局限性,不能较好地反映各工况下的行车风险,而近年来仿真软件的广泛应用弥补了这一不足。VISSIM 是一款微观交通流仿真软件,采用参数化建模理念,能仿真分析在交通组成、冲突规则等众多条件下的交通流状态。本文在实测数据的基础上运用 VISSIM
14、7.0 软件,对隧道与互通出入口小净距路段行车风险仿真研究,其中交通仿真模型构建由四部分组成:数据采集、构建仿真模型、参数标定及结果输出。表 2 小净距路段工程案例概况一览表Table 2 Overview of short distance sections公路名称互通/服务区隧道隧道长度/m净距长度/m出口路段入口路段西汉高速朱雀停车区朱雀隧道6 5001065秦岭服务区秦岭 1 号隧道6 1442540秦岭服务区秦岭 2 号隧道6 2002835皇冠互通无名隧道350147234福银高速辋川互通辋川隧道群1 600600630沪陕高速竹林关互通州河北隧道群1 0002825 注:设计速度
15、为 80 km/h,双向四车道。2.1 数据采集2.1.1 视频数据采集以西安市为中心,发散式对周边多处已处于运营阶段的高速公路隧道与互通出入口小净距路段进行搜集,各路段的地图分布见图 1,概况见表 2。本研究采用大疆精灵 3 航拍无人机开展数据采集(如图 2 所示),其采用 GPS/GLONASS 双模卫星定位模块,水平和竖向悬停精度分别为 0.1 m 和1.5 m,精度较高。采集时环境条件为天气良好、可见度较好的白天。收集的视频为 60 帧/s、1 200万像素。同时为保证道路的交通量处于一般水平,图 1 小净距路段工程案例分布Fig.1 Distribution of short dis
16、tance sections采集时间为 9:3011:30、14:3017:00。根据道路交通标志与标线:限制速度规定,设计速度为 80km/h 时,断面测速样本不应少于 110 辆。2.1.2 基于 MATLAB 视频数据提取为提取视频数据,本文采用背景差分法14进行目标车速检测,先获取背景信息,对采集的目标图像减去背景信息,得到前景目标并进行二值化处理,实现对前景目标的检测,该方法目前在目标检测及跟踪中具有广泛应用,具体如下。1)利用 VideoReader 函数读取视频数据,得到图像序列,利用 read 函数获取各采集视频的静态图像帧序列。2)在采样间隔内,视频中每个像素位置上背景像素出现的概率要远大于目标像素出现的概率,基于此,将这个像素位置上的像素平均值作为该点的背景图像像素,从而提取视频不同阶段的背景图像,并应用 rgb2gray 和 medfilt2 函数分别进行灰度处理和去噪处理,得到中值滤波后的背景图像和目标帧图像。3)用 imabsdiff 函数对处理后的目标帧图像与背图 2 航拍无人机Fig.2 Aerial drone14712023 年6 月 张 驰,等:高速
