（交通运输规划与管理专业论文）北京市快速路互通立交出入口安全分析研究.pdf

摘要 摘要 随着城市经济建设发展，城区外延，人口和用地规模不断的扩大，城市大量 兴建快速路系统。互通立交出入口起着连接道路与转换车流的作用，是车辆合流、 分流、交织运行集中发生地，同时，有大量的交通冲突发生。国内外研究表明， 快速路的安全在很大程度上受着互通式立交运行效果的影响。快速路上发生的交 通事故，有很大一部分发生在互通式立交出入口范围内。 基于交通冲突的安全分析被广泛应用于城市道路交叉口，本文借鉴该方法对 互通立交出入口进行安全分析。以出口分流区、入口合流区、出入口交织区为研 究对象，首先，研究了交通冲突产生过程、影响冲突的各因素，分析了互通立交 出入口冲突类型，然后采用录像调查的方法对研究对象的交通冲突情况以及冲突 与主要影响因素之间的关系进行了深入分析。本文依托调查数据，应用灰色模型 和径向基神经网络模型对互通立交出入口交通冲突情况进行预测。对交通冲突进 行预测可以掌握冲突的未来发展状况，指导安全改善措施的实施，同时能对措施 的可行性进行评价，有效控制冲突各影响因素，达到减少交通冲突，提高互通立 交出入口安全水平的目的。 本文的研究，为提高快速路交通运行安全水平服务，对互通立交出入口的交 通管理有一定参考意义。 关键词快速路：互通立交出入口；交通冲突：安全分析 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eu r b a ne c o n o m ya n de x t e n s i o n ，t h es c a l eo f p o p u l a t i o na n dl a n di si ne x p a n s i o n ，s ou r b a ne x p r e s s w a ys y s t e mi sm o r ea n dm o r e b u i l t i n t e r c h a n g e se n t r a n c e sa n de x i t s c o n n e c ta n dc o n v e r tt r a f f i c ，w h e r em a n y v e h i c l e sc o n f l u e n c e 、s e p a r a t i o na n di n t e r t w i n e dt a k ep l a c e a tt h es a m et i m e ，al a r g e n u m b e ro ft r a m cc o n f l i c to c c u r r e d d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t u d i e sh a v es h o w n t h a tt h es a f e t yo ft h ee x p r e s s w a ys y s t e mi sa f f e c t e db yt h ei n t e r c h a n g e s t h e r ea r e m a n yt r a f f i ci n c i d e n t st o o kp l a c ei nt h ei n t e r c h a n g e se n t r a n c e sa n de x i t s t r a f f i cs a f e t ya n a l y s i sb a s e do nc o n f l i c th a sb e e nw i d e l yu s e di nu r b a nr o a d i n t e r s e c t i o n s ，a n dt h i sp a p e rw i l lu s et h i sm e t h o dt of i n i s hi n t e r c h a n g e se n t r a n c e sa n d e x i t s s a f e t ya n a l y s i s e x i t ss e p a r a t i o n ，e n t r a n c e c o n f l u e n c e ，b e t w e e ne x i ta n d e n t r a n c e i n t e r t w i n e da r e aa r es t u d yo b j e c t so ft h i s p a p e r t h ep r o c e s so ft r a f f i c c o n f l i c t s ，t h ei m p a c tf a c t o r so fc o n f l i c t ，t h et y p e so fc o n f l i c t so ni n t e r c h a n g e s e n t r a n c e sa n de x i t sa r em a i nc o n t e n t s v i d e os u r v e ym e t h o d sa r eu s e dt os t u d yt h e t r a f f i cc o n f l i c ts i t u a t i o n s r e l i e so ns u r v e yd a t a ，a p p l yg r a ym o d e la n dn e u r a ln e t w o r k m o d e lt op r e d i c tt r a f f i cc o n f l i c to fi n t e r c h a n g e se n t r a n c e sa n de x i t s p r e d i c t i o nc a n h e l pt og e th o l do ft h e f u t u r ed e v e l o p m e n tc o n f l i c t s ，g u i d et h ei m p l e m e n t a t i o no f s a f e t yi m p r o v e m e n tm e a s u r e s ，a tt h es a m et i m e ，i tw i l lh e l pt oe v a l u a t et h ef e a s i b i l i t y o fm e a s u r e st oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ei m p a c tf a c t o r so fc o n f l i c t ，t or e d u c et r a f f i c c o n f l i c t sa n di m p r o v et h es a f e t yl e v e lo fi n t e r c h a n g e t h es t u d yo ft h i sp a p e rw i l lh e l pe v a l u a t i n gt h es a f e t ys i t u a t i o no fi n t e r c h a n g e s e n t r a n c e sa n de x i t s ，a n di ti si m p o r t a n tf o rt r a n s p o r tw o r k e r si nt h ee v a l u a t i o no fr o a d s a f e t ya n ds e c u r i t yt r e a t m e n t k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ； e n t r a n c e sa n de x i t so fi n t e r c h a n g e ；t r a f f i cc o n f l i c t ； s a f e t ya n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 夏豳竭日期：趔2 。墨霉 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名；叠函掏 导师签名：垄丝 日期：垫盟! 篁：霉 第l 章概述 1 1 互通立交发展沿革 第1 章概述 1 9 2 8 年，美国新泽西州修建了第一座公路立交，为全苜蓿叶式。至1 9 3 6 年， 美国已建成1 2 5 座立交。德国于1 9 3 5 年开始修建大量苜蓿叶或部分苜蓿叶式立 交，这种立交只需修建一座跨线的构造物，匝道可以土方填筑，不仅降低造价， 且适于分期修建，使部分苜蓿叶改建为全苜蓿叶形。其它国家，如日本，国土面 积小，7 0 为喇叭形或组合喇叭形立交。英国以环形立交，特别是小环岛立交居 多。 我国修建互通立交的时间较国外短。1 9 5 5 年武汉在滨江路上修建了我国第 一座互通立交，为部分苜蓿叶式。1 9 7 4 年，北京修建了复兴门全苜蓿叶式立交， 至1 9 9 8 年，北京有1 6 5 座立交，现已突破2 0 0 座，其中枢纽型互通式立交有4 l 座，全部为组合型互通立交。天津市城市快速环路上主要互通立交分布有十六座， 其中枢纽型互通立交十五座，有十三座为组合型互通立交、两座为苜蓿叶形互通 立交。 1 2 研究背景 城市快速路( u r b a ne x p r e s s w a y ) 是为满足城市中大容量、长距离、快速交通而 修建的，设置中间连续分隔带、采用全封闭、全立交、全部或部分控制出入的道 路系统。快速路为车辆提供了在城市各区域间进行快速、安全、舒适的交通出行 的功能。互通式立交是城市快速路系统中的重要交通节点，是决定快速路能否发 挥最大功能的关键。， 新世纪以来，北京市社会经济快速发展，城区外延，人口和用地规模不断的 扩大，城市内跨区域、分组团、长距离的客货交通大幅度增加，增大了现状路网 的交通压力。为了缓解急剧增长的交通需求和有限的道路交通设施之间的矛盾， 促进城市经济的发展，消除拥挤的城市道路交通给城市发展带来的阻碍，北京市 大力建设快速路，至今形成了由二、三、四、五环以及八达岭高速公路、京开高 速公路、京津塘高速公路等1 2 条放射联络线组成的，总长度约2 8 0 公里的城市 快速路系统。这一系统是中心城道路交通主骨架，虽然其长度只占城市路网总长 度的8 ，但未来可承载城市日机动车交通量的5 0 以上。 近年来快速路在全国大量兴建，然而与城市快速路建设成就不和谐的是交通 安全形势不容乐观，快速路上，特别是互通立交区域内，由于车辆分流、合流、 交织运行频繁、运行特性复杂，交通事故的绝对量与相对水平居高不下，事故严 重程度和人财物损失也相对较大。对快速路系统的研究，特别是快速路互通式立 北京工业大学工学硕士学位论文 交出入口交通安全的研究尚属空白。 1 3 研究目的和意义 国内外大量的研究成果表明，快速路的安全在很大程度上受着互通式立交运 行效果的影响。快速路上发生的交通事故，有很大一部分发生在互通式立交出入 口范围内。因此，结合我国道路交通安全现状，对互通式立交出入口区域交通安 全进行分析研究，对提高快速路交通运行安全水平有重要的现实意义。 针对道路交通事故的生成机理所进行的研究表明，道路交通事故的发生与用 路人、道路设计、交通流与车辆、交通环境等影响因素有着系统的关联，解决道 路交通安全问题必须多管齐下，方能奏效与持久。如果产生交通事故的几个因素 同时存在，则交通事故难以避免。但如果切断其中一个诱导交通事故的因素，比 如消除道路中的各种事故隐患，就会有效地阻止部分交通事故的发生，从而改善 道路的整体交通安全水平。 互通式立交作为城市快速路系统中重要的交通节点，起着车流转换和道路之 间连接的作用，并直接影响路网系统的运行效果。互通立交出入口行车安全对整 个互通立交桥区乃至快速路系统的安全状况起着举足轻重的作用。因此，通过深 入研究，找出互通式立交出入口的行车安全隐患，提出基于运行安全的改善对策 并应用于实践，对于提高快速路系统的运行安全至关重要。概括起来讲，本文研 究的目的和意义在于： ( 1 ) 诊断互通立交出入口的安全问题，减少事故隐患，降低事故率 大中城市快速路系统中，互通式立交出入口安全问题成为我国道路交通发展 不可回避的难题，通过分析不同交通流状态下互通立交出入口的安全性能，诊断 其存在的问题，治理事故潜在多发点，形成更为安全的城市快速路系统； ( 2 ) 为制定安全改善措施、安全策略、安全审计提供参考 互通立交出入口的安全分析评价模型成为诊断出入口行车风险的重要手段， 为制定符合出入口的改善方案提供依据。同时，可作为互通立交出入口安全策略、 安全审计的参考，保证出入口畅通，提高整个快速路系统的整体运营效率。 1 4 主要研究内容 本文在综合分析了北京快速环路4 l 座枢纽互通立交形式的基础上，选取三 座互通立交的四个出入口作为研究对象。整理出了基于实地交通观测数据的快速 路互通立交出口分流区、入口合流区、出入口间交织区段的安全分析结论，同时， 针对三种交通设施交通流运行特性，建立了基于交通冲突的安全分析预测模型。 主要研究内容如下： 第二章互通立交出入口交通冲突分析 2 第1 苹概述 本章内容分三个部分，第一部分主要探讨了交通冲突产生的过程，研究了交 通冲突的本质，及其与事故之间的关系：同时对影响冲突的各因素进行了简单剖 析；第二部分详细探讨了交通冲突主要影响因素对冲突的影响过程，深入研究了 交通总流量、相关流量比和驾驶行为特征值与交通冲突的关系；第三部分对互通 立交出入口的冲突类型进行了定性分析，主要考虑匝道车流汇入或主线车流驶出 时所带来的交通流运行特征的变化，主要以车辆分、合流情况为依据，同时结合 对行驶轨迹的考虑。本章的研究内容为后续的交通调查奠定基础，明确了调查的 主要内容和侧重点。 第三章互通立交出入口交通调查 本章首先简要介绍了北京市城区快速路的规模概况，进而介绍快速互通立交 概况，在综合分析现有快速路互通立交形式、等级的基础上，确定本文的研究对 象。结合第二章有关交通冲突的分析，明确调查地点、时间和方法，然后进行相 关交通调查，最后整理调查数据，为后续的安全分析和数学建模提供数据平台。 第四章互通立交出入口交通安全分析 该章节是本文的重点章节，依托交通调查获得数据，对出口分流区、入口合 流区和出入口交织区的交通安全状况进行了较为详细的分析。其中出口分流区的 交通安全分析，以分流区总流量、分流比、分流驾驶行为特征值与交通冲突的关 系研究为载体，以定量的方式研究了三个因素对冲突的影响程度，定义了影响系 数；并对分时段的影响系数与对应因素的关系进行了研究，进而得出出口分流区 交通冲突产生规律的概况。入口合流区和出入口交织区交通安全分析与出口分流 区的分析相似，入口合流区交通冲突的主要影响因素有合流区总流量、合流比、 合流驾驶行为特征值；出入口交织区交通冲突的主要影响因素有交织区总流量和 交织比。 第五章互通立交出入口交通冲突预测模型 交通冲突预测是互通立交出入口交通安全分析研究的一项重要内容，目的是 为了掌握冲突的未来发展状况，指导安全改善措施的实施，同时能对措施的可行 性进行评价，有效控制冲突各影响因素，达到减少交通冲突，提高互通立交出入 口安全水平的目的。本文依托调查数据，应用灰色模型和径向基神经网络模型对 互通立交出口分流区、入口合流区、出入口交织区的交通冲突情况进行预测。预 测结果显示，灰色模型对交通冲突短期预测精度较高，径向基神经网络模型整体 上可反映交通冲突的变化规律，可以应用于交通冲突中、长期预测。 1 5 研究思路和技术路线 本文的总体研究思路是：从实际应用出发，以快速路互通立交出入口交通安 全特性分析作为研究的切入点，依靠数据采集设备，以大量观测数据为基础，利 3 北京工业大学t 学硕士学位论文 用数理统计及其它数学方法，依托交通冲突技术建立快速路互通立交出入口安全 分析模型，进而分析其安全性能。 以快速路互通立交出入口交通安全特性分析作为切入点：互通立交作为快速 路系统交通量转换的枢纽，承担着汇集、通过、转换方向的交通功能，由于它们 之间的相互干扰，会使车辆运行状况较主线基本路段复杂，通行能力减小，安全 服务水平下降，容易发生交通事故。然而，由于对城市快速路互通立交出入v i 交 通流特性和安全服务水平基础领域缺乏深入、系统的研究以及相关的分析手段， 导致快速路系统在互通立交出入口处交通安全状况欠佳，甚至成为整个快速路系 统的“事故黑点”。因此，本文将从实际应用出发，以分析快速路互通立交出入 口交通安全特性作为研究的出发点。 依靠数据采集设备，以大量观测数据为基础：现场实测数据最能反映道路设 施交通状况的真实情况，它是数学建模的基础。本文研究利用视频数据采集仪器 一摄像机拍摄采集互通立交出入口的宏观和微观交通特征数据。观测地点涵盖互 通立交出入口区域各组成部分。观测内容包括交通量、车型以及交通冲突数等参 数。通过获取足够的观测数据样本量，满足数据统计建模精度的要求。 利用数理统计方法、结合交通冲突技术：在道路交通安全研究中，从观测点 的分布与数量选取、数据的处理与分析到构造交通安全分析模型，无不渗透着数 理统计及其它一些数学方法。此外，基于交通冲突技术的安全分析评价方法作为 一种新的思路在道路交通安全研究领域发挥了越来越重要的作用，它弥补了以事 故数据进行安全分析时存在的数据不完整、数据不准确、数据获得受限等不足， 在短期内可以快速鉴别交通设施的安全状况。因此，交通冲突技术将作为本文的 主要研究方法。 本文所遵循的技术路线如下图所示。 4 l 论文开展 i 互通立交出入口 i 出口分流区 入口合流区出入口问交织区段 交交交交 交 交 通通 通 通 通 通 安 纠一 安 冲 安 冲 全突 全 突 全突 分预 分 预 分 预 析测 析 测 析测 1 6 国内外研究综述 1 6 1 相关理论 图1 1 论文技术路线图 f i g u r e1 - 1p a p e r sg u i d el i n e 国内外对互通立交出入口的研究侧重于互通立交匝道及其结合部的交通特 性与仿真研究，而这些研究通常又是作为研究通行能力的前提进行的，针对互通 立交出入口交通安全的研究较为缺乏。美国华盛顿运输部对高速公路出入口交织 区事故类型进行了研究【l ，发现高峰时间交织区主要交通事故为追尾，而平峰时 间是追尾和侧碰事故相当。s r i n i v a sj i l l e l l a ( 2 0 0 1 ) 研究发现其他因素不变时，交 织区长度越短，车道变换越密集，交通流越混乱，交织区内平均车速下降，安全 性降低。可见，交织区长度与交通安全有很大关系【l2 1 。t h o m a sf g o l o b 1 3 1 研究 发现a 型交织区交通冲突多发生在平峰时间，中间车道上，尤其是晚间和湿滑 路面。a l a u d d i nm a h a m m e d ，p h d ( 2 0 0 5 ) 研究发现4 2 5 m 长的加速车道适合 于所有的几何形状和交通条件【l q ；m o h a m e ds a h a n ，p h d ( 2 0 0 5 ) 基于期望事故 率建立了变速车道长度计算模型【b 1 ；r o g e rp r o e s s ( 2 0 0 6 ) 定义车道变换点为车 辆前轮越过车道线的点，分析了车道变换行为( 车道变化率) 与交织区长度、交 织区车道数、流量比和总流量之间的关系，车道变换率随流量比和总流量的变化 趋势不明显，而当交织区长度由1 3 5 m 增加到接近5 0 0 m ，变换率从l 增加到7 ， 平均每3 0 m 约增加o 5 【1 6 】。北京工业大学陈金川博【1 8 】士于2 0 0 0 年在收集国内外 5 北京工业大学工学硕士学位论文 大量交织区研究文献的基础上，综述国内外道路交织区运行分析的研究过程和成 果，借鉴前人分析方法，并对现有各种分析方法进行评析，针对我国道路系统中 的交织区设施，利用大量实测统计数据分析了我国交织区车辆运行特性。刘小生 1 9 1 结合深圳市南坪快速路设计，提出当交织流和非交织流中有一个或两者均低于 设计采用的服务水平等级时，就需要采取包括调整设计方案、改变交织构造形式、 在交织区设置集散车道等的改进措施。陈小鸿、肖海峰分析了影响交织区交通特 性的主要因素，如交织区的交织长度、交织构型、交通流特性和设计车速，并利 用仿真软件进行了交织区交通特性的微观仿真【2 。福建农业大学的李晓娟建立了 基于人工神经网络的高等级公路交织区交通冲突数预测模型，并通过分析冲突数 与交通安全的关系，提出交通冲突数与道路安全性评价模型【2 3 1 。岳小泉基于交通 冲突技术，运用灰色聚类法对交织区交通安全进行评价【2 4 1 。 对于互通立交分流区、合流区国内外均做过研究，相比之下国外对这方面的 研究要早得多，也更深入广泛一些。从六、七十年代起国外对变速车道进行了大 量的研究，其理论主要包括以下几方面：延误理论1 9 j ，该理论由b l u m e n f e l d 和 w e i s s 研究加速车道的合流特性时提出，从研究延误时间入手，运用一个理论模 型来描述车流和可插入间隙特征，找到车辆行驶到加速车道终点而不能汇入的概 率与加速车道长度的关系。此项研究揭示了车辆在加速车道上运行的大体时间， 从而得到适宜的加速车道长度。缺陷是没有考虑匝道交通量的影响，仅适用于交 通量较小的情况。1 9 8 5 年美国加利福尼亚大学的a l e x a n d e r 对互通立交的几何设 计与交通流特性进行研列1 0 】，提出了一个微观模拟模型和计算机程序，并且利用 大量的基础统计、实测数据对该模型进行了检验和校正。该模型包括高速公路及 匝道的复合车头间距分布模型、人一车关系模型、车头时距模型、换车道模型， 以及汇入过程模拟，用来预测互通立交不同条件下的交通特性，以及评价几何设 计对交通合流的影响。g f n e w e l l 7 1 对高速公路互通立交分流区不同拥挤程度的 车流排队延误进行研究，利用车辆行驶时间曲线评价分流区延误。r o b e r tb e r t i n i 8 】 等将由出口匝道引起的交通“瓶颈”分为静态与动态，通过微观模拟自由流及排 队状况的车流运行特征，认为自由流状态的通行能力比排队状态的通行能力更难 估算。 1 6 2 应用方法 道路交通安全分析的方法很多，各种方法具有不同的特点和适用性，研究不 同方法特征并从中选择适用的方法是顺利完成本文研究的基石。总结国内外常用 的道路交通安全分析评价的七种方法【2 5 1 ，简单介绍如下： ( 1 ) 专家经验法。组织有关交通安全专家对道路情况进行考察，并根据经验 对各种道路条件的交通安全性做出评价。这种方法充分利用了人的经验和理性思 6 第l 章概述 维能力，能够对道路条件与交通安全间的关系给出定性的分析。 ( 2 ) 事故率系数法。所谓事故率系数是指不同道路条件的路段上发生的事故 率与标准路段上的事故率的比值。一般标准路段指具有7 m , - 一7 5 m 宽高级路面、 2 5 m - - 3 m 宽加固路肩的平直路段。首先逐一分析各道路因素对交通安全的影响， 如交通量、纵坡、半径、视距等。例如分析纵坡时，将各种纵坡的路段上通过一 百万辆车或一百万车公里运量时发生的交通事故数与标准路段事故数相比，得出 纵坡事故系数；各影响因素事故率系数相乘，即得到综合事故率系数。 ( 3 ) 多元统计回归。该方法将道路及交通特性参数作为自变量，交通安全指 标( 通常为交通事故数) 作为因变量进行回归分析。根据分析中所应用的数学方 法可分为多元线性回归、非线性回归两类。 ( 4 ) 模糊评价方法。由于安全本身概念的边界及外延的模糊性，导致经典数 学思维逻辑的不适用。模糊数学为交通安全系统这个无法进行精确描述的复杂系 统提供了三个工具，即隶属函数、语言变量和模糊算子。借助隶属函数解决安全 与不安全之间的概念过渡；不同模糊算子反映不同的思维方法：语言变量可以使 口语化词汇的表达成为可能。 ( 5 ) 灰色聚类评价方法。灰色是指人们对信息掌握不完全，一个系统要素之 间的关系、系统结构和作用原理都不十分明确时，称之为灰色系统。交通安全中， 安全的内涵和外延不清晰，同时交通事故是随机事件，本身具有偶然性和模糊性。 ( 6 ) 间接分析法。进行道路条件与事故关系的分析时，需要采集到大量的交 通事故数据样本，而往往这些大量样本的获取比较困难。间接分析法其目的就是 利用分析某种中介如速度、冲突来取代交通事故，避开上述困难，从而比较方便 地获得足够分析数据。目前间接分析法应用最多的是基于交通冲突技术的安全分 析，也是本文借鉴应用的研究方法，介绍如下。 交通冲突技术 2 0 世纪5 0 年代开始，美国率先开展了交通冲突技术的应用研究，一些交通 安全组织应用该技术预测评价交叉口潜在事故数和鉴别交通设施的系统缺陷。 1 9 7 0 年以后，交通冲突技术被加拿大和一些欧洲国家使用。1 9 7 7 年在挪威奥斯 陆举行了第一届国际交通冲突技术会议，a m u n d s e nh y d e n 提出了交通冲突的基 本定义，即：交通冲突是在可观测的条件下，两个或两个以上道路使用者在空间 和时间上相互接近，以至于如果一方不改变其行驶轨迹，将会发生碰撞。传承第 一次会议的成果形式，以后陆续在巴黎、瑞典、德国、比利时等国家举办了几届 国际会议，并出版了国际交通冲突会议论文集。目前，交通冲突技术在世界许多 国家得到了广泛应用，成为国际定量研究多种交通安全( 特别是地点交通安全) 问题及其对策的重要方法。 2 0 世纪8 0 年代，交通冲突技术引入国内，北京工业大学刘小明教授最早开 7 北京丁业大学工学硕士学位论文 展了交通冲突技术的研究，提出了平面交叉口应用交通冲突技术的标准化问题， 从冲突的定义、分类、严重性判别、观测地点、观测时间、人员判读、观测数据 样本量等多个方面进行了标准化的研究，为该项技术用于交叉口安全分析评价作 出了重大贡献。随后，我国学者对该项技术的分析方法开展了诸多研究，较多代 表性的研究有，吉林大学的成卫博士对城市道路交通事故与交通冲突技术理论模 型及方法方面做了大量研究，对交通冲突技术这一新兴的非事故统计评价方法进 行了系统探讨：成卫开发了交通冲突模糊聚类评价方法应用于交叉口安全评价， 通过运用模糊c 一均值聚类方法，引入交通冲突与混合当量交通量的比值作为样 本特征，应用分时段交通冲突和交通量数据进行交叉口安全分析；同样提出基于 模糊聚类与交通冲突的交叉口安全评价方法的还有西南交通大学的陈振华，以交 通冲突与混合当量交通量比值为评价指标，建立了包含指标权重的模糊聚类迭代 模型用以评价交叉口安全性能；福建农林大学岳小泉应用交通冲突技术分析研究 了高速公路交织区的安全状况，提出了以时均交通冲突和交通量数据为依据的交 通冲突灰色聚类评价方法；东南大学项乔君、陆键、卢川等人，撰写了道路交通 冲突分析技术及应用一书，该书在对交通冲突产生机理、数据采集方法、冲突分 类和严重性判定等基础理论分析的基础上，对交通冲突技术在交通安全评价和事 故预测、交通安全诊断中的应用进行了详细介绍，建立了道路交通冲突分析方法 的体系框架，为定量研究道路交通安全相关问题提供一种新的思路。 基于交通冲突技术的安全分析方法 国内目前基于交通冲突技术的安全分析方法大多以平面交叉口为研究对象， 其基本思路是，在采集冲突数据的基础上，以冲突数或冲突率为指标，通过比较 指标数值的大小完成安全分析、评价工作；或采用一定的数学方法( 如灰色理论、 模型数学等) 对采集到的冲突数据进行分析处理，进而对考察对象的交通安全状 况进行定量描述，常用方法总结如下： ( 1 ) 以冲突数为指标。通过比较一定观测时段内不同交叉口的绝对冲突数， 得出交叉口交通安全状况的优劣顺序。 ( 2 ) 以冲突率为指标。在指标的选取上，不仅考虑冲突数的影响，同时对交 通量的因素进行考虑，通常以时均冲突率作为衡量指标( 即小时冲突数与小时当 量交通量的比值，表示为t c m p c u ) ，通过比较指标数值的大小，对交叉口交 通安全状况进行评价。 ( 3 ) 仍以冲突率为指标，采用一定的数学方法对指标进行处理，最终得到安 全分析评价结果。该方法在数据采集上通常较为系统，且在评价指标的处理上也 较为科学，是目前被研究较多的方法。 现有各种安全分析评价方法为如何应用交通冲突进行安全分析作出了有益 探索，一定程度上显示了交通冲突技术在小区域地点交通安全评价中的适用性。 第1 章概述 借鉴已有方法，本文考虑在分析交通冲突产生过程的基础上，从互通立交出 入口交通安全的影响因素出发，结合调查数据通过各影响因素对交通安全影响程 度的分析，建立交通安全度分析模型，为互通立交出入口安全状况界定提供依据。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章互通立交出入口交通冲突分析 2 1 交通冲突产生过程 交通冲突在本质上是交通行为不安全因素的表现形式，具体的一起交通冲突 可表述为交通行为者的一方明显感知到事故危险的存在，并采取了积极有效避险 行为的交通遭遇事件。根据以往的研究，在道路交通系统中，由于人、车、路、 环境四个方面因素的影响，道路交通系统的运行状况不断发生变化。如果这种变 化是因交通事变引起的，则表现为道路交通的不安全状态，这种状态在特定的时 空条件下发生转化，即形成事故。道路交通系统安全化功能的实现途径为，道路 交通冲突引起系统发生正常变化，表现为道路交通安全状态，这一状态持续在道 路交通系统中即可实现系统的安全化功能：而道路交通事故的生成过程则为，道 路交通冲突、事变使系统恶化，这种恶化的状态在特定时间空间域内持续后形 成交通事故。 交通事故与交通冲突的发生都是道路使用者相互作用的过程。交通冲突通常 集中发生在平面交叉口、交织区、匝道出入口等多股车流交织和交叉的地方，其 产生的原因与人、车、道路环境、交通管制等多个方面相关。互通立交出入口汇 集了大量的转向交叉车流，是交通冲突不可避免的集中发生地。人的因素，即机 动车驾驶人的因素在冲突发生过程中起重要作用。驾驶员行为特性与自身年龄、 饮酒、性格、能力、情绪等多种生理心理因素有关，同时与所处道路交通环境因 素有关。多种因素共同作用形成了驾驶员特定的心理生理状态，最终形成特定环 境下的驾驶行为，研究表明驾驶行为与交通冲突有直接关系。 交通流特性、交通管制方式、道路状况同样影响着车辆的运行特性，它们之 间相互作用，与驾驶行为共同影响交通冲突的产生。交通冲突产生过程如图2 - 1 所示。 l o 第2 章互通立交出入口交通冲突分析 f 一 三困一一 圃一一一 圊 ；i 图2 1 交通冲突产生过程 f i g u r e2 1t h ep r o c e s so ft r a f f i cc o n f l i c t 2 2 驾驶行为与冲突的关系 人是交通系统的主体，交通的所有内容都应围绕着人的各种行为特性来进 行。人的因素在诱发交通冲突的诸因素中占据主导地位，而人的因素其实就表现 为“驾驶行为”，它是交通冲突、事故成因中的首要因素。驾驶行为与冲突的相 互作用关系，主要表现在两个方面，分别是：驾驶行为中信息处理与冲突的关系、 驾驶行为特征与冲突的关系。 驾驶行为中的信息处理 国外长期的研究成果表明，驾驶行为中的信息活动( 采集接受大量交通信息， 对综合信息进行反馈) 是至关重要的因素，它是直接体现驾驶行为中是否存在潜 在风险的指导性指标。驾驶员与道路、交通、环境等互动所引发的驾驶行为不当。 驾驶员接受过度复杂的信息( 相对自身判断能力而言) ，不能及时地进行有效处 理，或者遇到异常事件所造成的困扰、失误等，都会造成驾驶行为的不当，然而 这些不是驾驶员或者外在环境单一作用的结果。研究表明，在道路系统信息不是 过于复杂或变化太快时，驾驶员一般可以保持正常的驾驶行为，并保持车辆的平 衡；相反，当道路交通系统的信息超出了驾驶员处理能力的时候，就会导致驾驶 行为的偏差与过失，通常会导致冲突产生，在严重的情况下就会导致交通事故的 发生。 由以上定性分析驾驶行为与交通冲突的关系可知，驾驶员在互通立交出入口 交通冲突区域不但要主动采集多个信息源的大量交通信息，而且还要被动接受大 申 北京工业大学工学硕士学位论文 皇罡曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼蔓! 鼍曼! ! 曼! 舅i 一 i i 曼! ! 曼蔓曼曼曼曼 量信息，并对综合信息进行反馈。例如，不仅要注意同向车流，还要注意侧翼车 流，对这些信息的处理和反馈并形成操作决策的过程极为复杂，而且信息处理后， 马上进行动作执行，如减速、转向、回正等。所以，在出入口交通冲突区域，驾 驶员的驾驶任务急剧加重，驾驶行为变得异常复杂。在经过交通冲突区域的短短 几秒或者十几秒的时间内，只要信息采集、信息处理、动作执行、信息反馈等的 任何一个环节出现了失误，特别是发生误解的信息反馈，都可能导致交通冲突， 如果交通冲突不能成功避让，则引发交通事故。驾驶行为与交通冲突、交通事故 发生的关系如下图所示。 广一一一一一一一一一一一一一一一1 ii ： 自身车辆 ： 厂一一 ：外 i 界 ：环 ：境 i 一一 图2 - 2 驾驶行为与交通冲突、交通事故发生关系 f i g u r e2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd r i v i n gb e h a v i o ra n dt r a f f i cc o n f l i c t 、t r a f f i ci n c i d e n t 由以上分析可以看出，驾驶行为是感知信息、处理信息，控制车辆的过程， 信息处理是其中的重要环节，驾驶员只能在掌握了可靠信息的基础上，并制定出 正确的决策来控制车辆，才能保证车辆行驶的安全。驾驶员处理信息往往受到时 间限制，在复杂的交通状况下，驾驶员很难及时做出正确决策。 驾驶行为特征与冲突的关系 驾驶员的驾驶行为是车辆运行特性的反映，受道路类型及其他各种因素的影 响，同时也是各种因素影响的结果。由于驾驶员的特性与气质的差异，以及驾驶 车辆所处的环境不同，就使得车辆具有不同的运行行为。具体表现为对同一事物 表现出不同认知性，如出入口正线交通量较大时，匝道车辆是选择谨慎分流、合 流，还是不停车而不断挤占慢行，迫使正线车辆减速。 通过对北京市快速路互通立交出入口驾驶行为的现场观测和录像观测，发现 驾驶行为与交通冲突有着直接的关系，挤占车辆越多，出入口内交通越混乱，产 生冲突的机会也就越多；而当跟随车辆较多时，说明此方向车流较大，一般不会 1 2 第2 章互通立交出入口交通冲突分析 被其他方向车流干扰，产生冲突的机会较少，通常为同向冲突。 为便于分析车辆通过互通立交出入口的过程中，驾驶员行为对交通冲突的影 响，这里将驾驶行为分为单独通过、跟随通过、等待通过和挤占通过。各种驾驶 行为的定义如下所述。 单独通过。车辆单独无阻碍地通过冲突区域，基本不受其他车辆干扰，此类 驾驶行为冲突的几率较小。 跟随通过。车辆跟随其他车辆无阻碍地通过冲突区域，产生冲突的几率也较 小，主要是同向车流问的冲突。 等待通过。车辆通过冲突区域有等待行为，行车受到阻滞，分为以下两种情 况： ( 1 ) 主动等待。当相交车流间隙小于临界间隙时，驾驶员出于安全考虑，减 速甚至停车等待，直到相交车流有足够大间隙时才穿越或汇入，这在入口合流区 和出入口交织区段交通高峰期中时有发生。主动等待中的车辆多为主动等待通 过，已完全停车，等待时间较长。 ( 2 ) 被迫等待。当相交车流间隙大于临界间隙，但并不足够大时，驾驶员面 临事故风险和减速停车延误之间的选择，多数驾驶员可以进行短暂的减速等待， 其他一些情况下，由于驾驶员鲁莽、疏忽大意或受其他因素的干扰，也会出现极 短时间的停车行为。被迫等待中的车辆并不一定完全停车，多为被迫等待通过， 等待时间短暂。 挤占通过。车辆在通过出入口的过程中受到阻滞，有挤占行为发生，皆为挤 占通过，此类驾驶行为最容易导致交通冲突，且冲突的程度都很高。 从以上几种驾驶行为的定义可知，每种驾驶行为对冲突产生的影响不同，而 每一种驾驶行为都有可能发生冲突，实际上，各种行为通常会交替出现，用其中 某种驾驶行为并不能反映车辆的运行情况，必须用驾驶行为的综合值来分析与冲 突之间的关系。 基于以上分析，由于不同类别驾驶行为对冲突的影响程度不同，需要给出每 种驾驶行为的影响权重。确定权重的方法很多，这里采用简单实用的统计方法确 定权重。统计方法是先通过一批专家或有经验的人( 包括驾驶员) ，咨询得到多 位专家对每一种驾驶行为的评分，评分的依据是各驾驶行为对冲突产生的影响程 度，并对多个评分进行统计分析处理，得到符合实际的权重值。 本文咨询了1 5 位专家，对因素集( 驾驶行为) u = “。，“：，“。) ( 朋= 5 ) 中的 各元素独立地提出他们各自认为最合适的权重向量( 打分) 4 = ( 口l ，口f 2 ，口f 5 ) 5 = l ，i = 1 , 2 ，n ( n = 1 5 ) ( 2 - i ) j = i 北京工业大学工学硕士学位论文 然后对因素“，( = 1 ，2 ，5 ) 进行单因素统计，方法如下： ( 1 ) 计算因素权重序列众数值，即对4 = ( 口i j 口：，以1 5 j )( - ，= 1 ，2 ，5 ) 数 据序列求众数，得众数序列b = ( 6 l ，6 2 ，6 5 ) ( 2 ) 对序列b 进行归一处理即可得到权重向量a = ( 口。，口：，口，) 根据以上方法，对单独通过强、跟随通过“：、主动等待“，、被迫等待“。、 挤占通过“。等五种驾驶行为进行评判，依据观测的实际情况，确定5 种驾驶行为 对应的权重分别是0 0 4 、0 0 7 、0 1 0 、0 3 6 、0 4 3 。 定义驾驶行为综合值为统计时间段内各种驾驶行为数与相应权重乘积之和， 5 即：c j = 口，其中，c 卜驾驶行为综合值：n i 一第i 项驾驶行为行为数； i = 1 8 i 一第i 项驾驶行为权重。 为了更加综合地反映车辆经过互通立交出入口的驾驶行为及整个出入口车 辆的运行状况，这里采用驾驶行为特征值来分析驾驶行为与冲突之间的关系。定 s 义驾驶行为特征值为驾驶行为综合值与车辆数的比值，即：8 j = c j m 其中， i = 1 s 卜驾驶行为特征值。驾驶行为特征值是基于冲突的各种驾驶行为所占的比重， 体现了车辆经过出入口驾驶行为的整体状况。 2 3 交通流特性与冲突的关系 交通流特性的不同，会引起交通冲突的不同。在影响驾驶员行车的诸多交通 流特性因素中，交通量的影响起着重要作用。随着交通流量的增大，交通冲突及 突发事件也随之增多，严重干扰交通流的正常运行，降低道路的安全度。在互通 立交出入口区域，流量决定了主路及匝道车流的车头时距分布，从而也决定了车 辆的时间间隙，同时，流量的大小直接影响着驾驶员的心理紧张程度，它对交通 冲突的影响最为明显。 车辆分流、合流、交织，是互通立交出入口区域产生大量交通冲突的直接原 因。从流量统计的角度分析，分流比、合流比、交织比例不同，冲突率也会随着 变化。假设两种情况，当总流量全部分配在主路上，在匝道上就不会有因分流、 合流、交织产生的车辆冲突；当总流量全部分配在匝道上，那么在主路上就不存 在变换车道一类的冲突。这样两种情况下，互通立交出入口区域，交通冲突数都 会减小。 1 4 第2 章互通立交出入口交通冲突分析 已有的研究表明，交通冲突还与交通组成有很大的关系。不同的车型由于车 身长度、车身重量、最大启动加速度等方面的差异，会对冲突产生一定的影响。 不同车型比例构成对冲突的影响不同，车流中大型车比例较高，会干扰正常的交 通流，同时会遮挡紧随其后行驶的小型车视距，使得行车的安全性降低。而车辆 之间的动力性能差异，导致车速分布更为离散，容易导致冲突及事故的发生。 本文研究中，录像调查是在白天进行，由于北京市四环路每天6 时至2 3 时， 禁止货运车辆通行，因此调查中大型车数量少，因此本文不再对交通组成与交通 冲突间的关系做过多剖析，只是将大型车折算成当量小客车交通量进行统一分 析。 2 4 其他因素与冲突的关系 所有对车辆运行有影响的因素，都会跟交通冲突有千丝万缕的联系。以上分 析的驾驶行为和交通流特性对冲突的影响重大且广泛，但却不能成为冲突的全部 影响因素。除此之外，道路几何设计、车辆自身性能、道路环境等都对交通冲突 产生影响。 道路几何设计影响冲突。互通立交出入口几何设计不良很大程度上影响车辆 的i l i o n 秩序运行，进而引发交通冲突甚至事故。出入口几何设计不良的情况有： 位置设置不当，如出入口间距过短、出入口位于弯道上：视距不良，出入口通视 三角形内存在障碍物；变速车道不合理，如长度过短或者过长、端部驶入或者驶 出难以辨认；交通标志不完善，如出口预告标志、出口标志、匝道限速标志等欠 缺或污损；分合流鼻处的线形指标过低等。 车辆自身性能影响冲突。车辆技术性能的好坏直接影响着道路交通安全，从 冲突避险行为来看，在各种因素中，车辆的制动性能对冲突的影响最大。根据观 测，大部分的冲突避险行为采用转向、减速刹车的方式，而冲突的产生往往是在 较短的时间内，因此需要车辆有很好的制动性能、制动恒定性及方向稳定性以保 证驾驶员在操纵车辆过程中的安全。 道路环境影响冲突。道路环境主要包含自然气候条件和道路自身条件两个方 面。气候因素对交通冲突和安全的影响很大，灾害性天气，如雨、雾、雪、冰冻 等，会降低路面的摩擦系数，降低能见度进而减弱行车视距。会给驾驶员带来一 系列的异常心理，使多数人产生情绪低落、身体不舒适的感觉，进而造成驾驶员 判断和操作失误，导致冲突及一系列不安全问题。 2 5 互通立交出入口冲突类型分析 本文定义互通立交出入口交通冲突是在可观测条件