（森林工程专业论文）基于交通冲突的高速公路交织区的安全评价研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立 完成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中 已作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一 同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示t n 意，如被 查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：岳 小鸣 日期泖彳加 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，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，在 年后解密可适用本授权书。 不保密，本论文属于不保密。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名 指导教师亲笔签名： “锡 日期：细、( o 日期：加多。易，汐 忆y 基于交通冲突的高速公路交织噬的安全评价研究 基于交通冲突的高速公路交织区的安全评价研究 摘要：随着我国高速公路的快速发展，道路交通安全问题日益严峻。交织区是高速 公路的重要组成部分，同时又是交通堵塞的瓶颈和事故多发区，因此对交织区的 安全研究对于高速公路安全行车有重要的意义。要提高道路安全性能，减少交通 事故的发生，首先应客观地对道路交通安全性能作出评价。 交通冲突技术是国际安全领域新兴开发的非事故统计评价方法，是以快速和 定量研究评价交通安全翼状与改善效果的特点而异于传统的事故统计评价方法。 本文应用交通冲突技术和灰色理论，引入了交通冲突与混合当量交通量的比值 ( t c m p c u ) 作为评价指标，提出了对以时均交通冲突和交通量数据为依据的交织 区进行评价的交通冲突灰色聚类评价方法，为交织区的安全评价提供了一种新的 途径。 关键词：交通安全：交织区；交通冲突技术；灰色聚类；评价 中图分类号：u 4 9 1文献标识码：a 福建农林大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 s t u d yo nt h ee v a l u a t i o no ft h es a f e t yo ff r e e w a y w e a v i n g s e c t i o nb a s e do nt r a f f i cc o n f l i c tt e c h n i q u e a b s t r a c t ：w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f f r e e w a y ，t r a f f i cs a f e t yb e c o m es e v e r ed a yb y d a y w e a v i n gs e c t i o ni sa l li m p o r t a n tc o m p o s i t i o no f f r e e w a y ，b u tt h e r ea r em a n yt r a f f i c j a m sa n da c c i d e n t si nt h i sa r e a s oi t ss i g n i f i c a n tf o rt h es a f e t yo ft r a v e l i n go nt h e f r e e h w a yt os t u d yt h es a f e t yo f d r i v i n gi nt h ew e a v i n gs e c t i o n t oi m p r o v et h er o a ds a f e p e r f o r m a n c ea n dr e d u c et h e 锄ca c c i d e n t s ，t h ec o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i o ns h a l lb e m a d eo b j e c t i v e l yf i r s tt ot h er o a ds a f e t y t h et r a f f i cc o n f l i c tt e c h n i q u ei san e we v a l u a t i n gm e t h o db a s e do nn o - a c c i d e n t s t a t i s t i c si nt r a f f i cs a f e t yf i e l d 。i te v a l u a t e sr a p i d l ya n dq u a n t i t a t i v e l yt r a f f i cs a f e t y s i t u a t i o nw h i c hi sd i f f e r e n tf i o mt r a d i t i o n a la c c i d e n ts t a t i s t i c a le v a l u t i o n t h ep a p e r p r o p o s e sa ne v a l u a t i n gm e t h o do ft r a f f i cc o n f l i c tb a s e do ng r e yc l u s t e rt h e o r yb ym e a n s o f r e g a r d i n gt c m p c ua si n d e x ，w h i c hp r o v i d e san e we v a l u a t i o nm e t h o df o rs a f e t yo f f r e e w a yw e a v i n gs e c t i o n k e yw o r d s ：t r a f f i cs a f e t y ；f r e e w a yw e a v i n gs e c t i o n ；t r a f f i cc o n f l i c tt e c h n i q u e g r e y g a t h e r i n g ；e v a l u a t i o n 2 基于交通冲突的高速公路交织区的安全评价研究 第一章绪论 1 1 立题依据 交通运输业的发展展现了它强大的生命力。公路交通事业作为国家经济建设 不可缺少的基础产业中的支柱产业，正日益焕发着强大的生命活力。国家对公路 基础建设正加大投资，根据“九五”计划和2 0 1 0 年远景目标中的设想，2 0 1 0 年以前，全国将新增公路十五万公里以上，预计建设资金在数千亿元以上。2 0 0 5 年，全国公路通车里程达到1 9 5 万公里，其中高速公路3 5 万公罩，二级以上公路 里程达3 0 万公里。到2 0 1 0 年，公路总里程将达到2 3 0 万公里，其中高速公路5 万公里，基本通达目前2 0 万以上人口的城市，东部地区基本形成高速公路网，二 级以上公路里程达到4 5 万公里n 然而，随着道路建设和汽车工业的发展，人们 不得不面对日益严重的环境和道路交通安全问题。 道路交通事故导致人员的伤亡，物资的毁损，给国民经济带来了巨大的损失， 在经济条件和医疗条件日益发达的今天，道路交通事故已经成为了一个重要的“致 死疾病”【2 l 。1 9 8 8 年，在加拿大蒙特利尔召开的国际交通安全会议上，米切尔 ( m i c h a e l ) 提出，全世界道路交通事故的经济损失为3 5 0 0 亿美元，也就是说，全 世界平均每人每年所承担的道路交通事故的经济损失为6 8 5 美元。1 9 9 0 年美国道 路交通事故的经济损失为8 9 0 亿美元，相当于美国同年经济生产总值的2 5 。据 美国国家安全委员会的报告，近几年来，美国每年的道路交通事故经济损失达9 6 0 亿美元。英国道路与运输研究所的研究表明，在发展中国家，道路交通事故经济 损失相当于国民经济的生产总值的1 ，研究还指出，在第三世界，每年道路交通 枣故经济损失约为2 5 0 亿美元，这个损失相当于第三世界国家人民由于各种疾病 所造成的经济损失的总和【3 】。 随着我国公路交通运输业和运输基础设施的建设和发展，带来的环境和道路 安全问题也日益严峻，引起了人们的高度重视。近年来我国道路事故死亡人数持 续大幅度的增长。表1 1 是我国近年道路交通事故统计结果。从表中的数据可知， 1 9 9 3 - - 2 0 0 2 年国内交通事故的起数、死亡人数基本上是每三年上升个台阶，特 别是交通事故的死亡人数每三年平均增加1 万人，其中1 9 9 8 - - 2 0 0 2 年死亡人数增 加了近3 6 万。虽然从2 0 0 3 年开始有所缓解，但数量仍然很大。图1 1 是我国近 年来道路交通事故起数及死亡人数发展趋势。从图中可以看出我国道路交通事故 福建农林大学2 0 0 6 届硕上毕业论文 整体数量惊人，各地道路交通安全依然面临严峻考验。 表1 - 1 我国近年来交通事故统计表 年份事故次数死亡人数受伤人数直接经潼损失( 万元)万：1 = ：死亡率 1 9 9 02 5 0 2 9 74 9 2 7 l1 5 5 0 7 23 6 3 5 4 8 1 3 3 3 8 1 9 9 l2 6 4 8 1 75 3 2 9 2 1 6 2 0 1 94 2 8 3 5 9 7 3 2 1 5 1 9 9 22 2 8 2 7 85 8 7 2 91 4 4 2 6 46 4 4 9 2 9 63 01 9 1 9 9 32 4 2 3 4 36 3 5 0 81 4 2 2 5 l9 9 9 0 7 0 12 72 4 1 9 9 42 5 3 5 3 76 6 3 6 21 4 8 8 1 71 3 3 3 8 2 7 22 4 2 6 1 9 9 52 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 81 5 2 0 0 0 2 2 4 1 9 9 62 8 7 6 8 57 3 6 5 5j 7 4 4 4 7韬0 0 2 0 1 1 9 9 73 0 0 0 0 07 3 8 6 11 9 0 1 2 81 8 5 0 0 0l7 5 1 9 9 83 4 6 1 9 27 8 0 6 82 2 2 7 2 1t 9 3 0 0 0 l7 3 1 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 9 2 8 6 0 8 0 2 1 2 4 0 l15 4 5 2 0 0 06 1 6 9 7 49 3 4 9 3 4 1 2 7 8 22 6 6 9 0 0 15 6 2 0 0 l7 6 0 3 2 71 0 6 3 6 75 4 9 0 0 03 0 9 0 0 0l5 4 6 2 0 0 27 7 3 7 3 71 0 9 3 8 l5 6 2 0 7 43 3 2 4 0 01 3 7 l 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 2 4 9 4 1 7 43 3 7 0 0 0 1 0 8 2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 l o2 7 7 0 0 092 2 0 0 54 5 0 2 5 4 9 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 0 0 076 图1 - 1 我国近年来道路交通事故起数及死亡人数发展趋势幽 发展商等级公路是现代化经济发展的必然趋势，也是衡量一个国家现代化水 平的重要标志。自1 9 8 8 年我国第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车后，我 国相继建成太旧、京沈、京沪、京珠、京福等高速公路。以高速公路为骨架的高 等级公路网络形成优化了交通运输结构，促进了交通运输业的发展，改善了交通 投资环境，加快了经济发展的步伐，极大方便了人民群众的出行。然而这些高等 级公路在给人们带来现代交通高效、便捷的全新感受的同时，也以它的高事故率 和惊人的事故损害困扰着公路的管理者和使用者。据国外有关资料统计，发达国 家高速公路的行车事故率仅为普通公路的l 3 i 2 。而我国高速公路的每百公里的 4 基于交通冲突的高速公路交织区的安全计价研究 事故发生率是普通公路的4 倍，每百公里的事故死亡率是普通公路的5 倍【4 l ，其中 相当一部分事故是发生在车流合流和分流的交织区内。交织区，即行驶方向相同 的两股或多股车流，沿相当长的路段，不借助交通控错设施进行交织的路段。由 于进出车辆在交织区内需要变换车道，导致交织区内运行车流紊乱，极易发生交 通事故。因此有必要开展以减少交通事故或降低交通事故受害程度为目标的交织 区安全性研究，有效减少事故的数量和事故的危害程度，这将带_ 柬良好的经济和 社会效益。 交织区的分析是道路交通分析中最重要的工作之一。在国外的高速公路、城 市道路以及我国的道路中，交织区是连接道路合流与分流的主要形式，但同时又 是交通堵塞的瓶颈和事故多发区，尤其现在交通问题日益突出的情况下，交织区 的车辆运行状况至关重要。由于其特有的结构条件和复杂的车辆运行特征，以往 对交织区的研究成果不大，正是由于交织区分析在道路系统交通分析中有非常重 要的位置并且分析难度很大，所以一直是各国交通工程师研究的目标。 1 2 国内外研究现状 在国外，对交织区安全性分析较早。美国早在5 0 年代就对交织区的车辆运行 特征进行了系统全面的分析，形成了一套实用性很强的完整的理论经验公式，对 其他国家的交通理论研究起到了重要的指导作用。因我国的道路设施条件、车辆 状况、司机特征、驾驶行为习惯等条件和国外不尽相同，针对我国的交织区车辆 运行分析还很重要，而我国在这方面的起步较晚。北京工业大学的陈会川博士以 交织区通行能力为研究目标，以统计分析方法为手段，对国内的交织区车辆运行 特征进行了较为系统的研究分析【5 1 ，取得了较好的研究成果。 1 2 1 国外研究现状 ( 1 ) h c m 方法 国外对交织区的研究分析工作开展的较早，美国最早版本的通行能力手册 h c m ( 5 0 ) 提出了最早的交织区的分析设计方法。这一方法支撑的数据大都是1 9 4 8 以前的，数据量分散，对于较复杂一些的交织区分析就很有局限1 6 1 。1 9 5 3 年，公 共道路局( b u r e a uo f p u b l i ci b a d ，b r p ) 重新收集了数据，对5 0 年的分析方法进行 校核与验证，并进一步改进，形成了1 9 6 5 - h c m 中的交织区分析方法。通过该方 法的广泛运用，在实际中取得很大成功，但也暴露出该方法的许多不足【7 1 。主要有： 福建农林大学2 0 0 6 届硕士毕业论义 分析参数容易使人误解；有时出现分析结果与实际数据验证不一致：分析步骤复 杂繁琐，难于应用。为了提高h c m 6 5 方法中的运行分析公式的适用性和准确性， 美国联邦公路局又建立了h c m - 8 5 和h c m - 9 4 修订版。 h c m 方法的核心思想是把交织区车辆运行分为约束与非约束两种类型。交织 车辆要求的车道数n w 大于该构型交织区提供的最大车道数n 。( m a x ) 时，为约束运 行：反之n 。小于或等于n 。( m a x ) 时，为非约束型运行。对于给定构型及运行方式 的交织区，由下面公式求得交织车辆及非交织车辆的平均运行车速： s 。或s n w = 1 5 + 5 0 1 1 + a ( 1 + v r ) 6 ( v n ) d l a 其中：s 。一交织车辆的平均运行速度，英里4 时： s 。一非交织车辆的平均运行速度，英里4 时； v i 卜交通量比值： v 一交织区的总流率，小客车d 时： n 一交织区车道总数； l 一交织区长度，英尺； a 、b 、c 、卜常数： 最终由交织车辆，非交织车辆平均运行车速的最小值确定服务水平。 ( 2 ) p i n y 方法 为了解决h c m 6 5 方法中的缺陷，n c h r p 着手开发新的交织区分析方法，这 一课题由纽约理工学院( p o l y t e c h n i c i n s t i t u t e o f n e w y o r k ) 主持，提出了p i n y 方法。 应用该方法，首先要精确的考虑交织区几何构造类型、交织区长度、交通量比值 和交织比，确定非交织车辆车速，将高峰小时流量转化为标准小客车当量( p c u ) ， 由一系列函数关系，得到交织车辆车速以及交织车辆需占用的最大车道数n 。，进 而得到n 。与n ( 交织区车道数) 的比值，由诺模图得到交织车辆与非交织车辆的速 度流量关系，进一步确定服务水平。 p i n y 方法的一个重要概念是提出的n 。的概念，但是当时这一概念使人难于 理解，验证起来也有一定难度。p i n y 方法服务水平的确定依据是交织车辆与非交 织车辆的车速差。因此，有可能出现交织车辆的运行车速很高，但因为车速差很 小，反而被评判为低服务水平，这显然是不切实际的。 ( 3 ) l e i s c h 方法 基千交通冲突的高速公路交织区的安全评价研究 在8 0 年代早期，j a c k el e i s c h 和a s s o c i a e s 由不同的角度独立丌发出新的交 织区运行分析方法，这就是l e i s c h 方法。l e i s c h 方法以设计为主对于确定设计 交织区的长度与车道数尤为简单有效。l e i s c h 方法作为一种设计方法，它的核心是 两个极为复杂的诺模图。该诺模图的输入项包括交通量、交通量比值、服务水平、 交织区车道数和交织比，诺模图的输出结果就是车辆顺利完成交织运行所需的最 小交织区长度以及交织区车道数。l e i s c h 方法以后的改进版本使它也能够确定交织 车辆与非交织车辆的车速。 l e i s e h 方法充分考虑了交织比、交织区长度、交织车辆车速之帕j 的相互关系， 但它所给出的能适用诺模图的交织构型很有限，因而在应用上有一定的局限性。 ( 4 1f a z i o 方法 该方法是j o e p h f a z i o 在1 9 8 5 年建立的，利用统计回归公式，由特定车道交织 车辆完成交织运行必须完成换车道行为次数得到换车道变量值，进而根据统计回 归公式得到交织车辆、非交织车辆平均运行速度，最终得到服务水平。 ( 5 ) j h k 方法 在p i n y 方法和l e i s c h 方法出来后，因为两种方法研究的角度、手段甚至结 果都不尽相同，为了确定究竟用哪种方法更为准确。1 9 8 3 年，美国联邦公路局 ( f h w a ) 对两种方法进行了全面的比较与分析，该项目由j h k 和a s s c i a t e s 主持， 分析了7 6 个实例，最终发现无论是p i n y 方法还是l e i s c h 方法对于预测车速和确 定服务水平都不很准确。在制定新的h c m ( 1 9 8 5 h c m ) 过程中，又进行了多项改进， 形成了j h k 方法。 。 该方法运用重车系数q 将整个交织区流量转换为小客车当量，应用两个统计 回归公式得到交织车辆与非交织车辆的平均运行车速，进而确定服务水平。这一 模型的一个重要缺陷是没有考虑不同交织区构型造成的影响。 ( 6 ) w a r d r o p 方法 w a r d r o p 等研究者在分析设施构型对交织区交通运行的影响效果时采用了数 学处理方法可能性转移矩阵方法，即将长度为l 的交织区沿行车方向划分为n 个 可供车道变换的小区，然后采用矩阵分析方法对其进行分析： b = a p ( r ) 式中： b = 【b 1 。b 2 h 】，其中n 表示交织车道数，b 。表示交织区j 车道出口处的 福建农林大学2 0 0 6 届硕j ：毕业论文 交通量，b 包含成功完成交织的车辆和未完成交织的车辆。 a = a l ，a 2 ，引，其中a ，表示交织区j 车道进口处的交通量： p ( r ) - r 交织区车道变换概率，通常假设对任何交织小区r 的转移可能性是 相等的，即p ( r ) = p ； ( 7 ) 其他方法 g i r l l o 通过分析美国6 0 年代2 0 个州交织区的事故发现：加减速车道越短， 事故越高。f a z i o ( 1 9 9 3 ) 建议以交通冲突代替事故率作为评价交织区安全性的指标， 分析了交织区内的两类冲突：追尾和车道变换冲突、追尾和车辆相互作用冲突。 m u r a t 、f a y c i n 等人通过研究表明交织区内发生交织紊流不仅影响交织区的车流， 还会影响交织区的上下游区域，上下游的影响区间都是5 0 m t ”。w e a v s i m 仿真模 型则专门用来研究交织区的动态交通流t 9 1 。美国华盛顿交通运输部f ( g l a d z ，2 0 0 1 1 研究了1 9 9 4 1 9 9 6 年交织区事故的冲突类型损害程度，发现高峰期事故的主要类 型是追尾，而平峰期内主要是侧向刮擦和追尾两类事故。t a m a s 、w i l f r e e d 和 v e r o n i a ( 2 0 0 4 ) 分析了南加利福尼亚高速公路上a 、b 、c 三种类型的交织区，发现 这三种类型的事故率没多大区别，最大的区别是事故类型、事故损害程度、冲突 地点、事故原因和事故发生的时间等不同。日本的n a k a m u r a ( 1 9 9 1 ) 从换车道行为 发生的整个过程研究；得出司机的驾驶行为方式在初期是表现为寻找间隙，在中 期表现为目标间隙调整车速做汇入的准备，末期是实施换车道行为。t s i s 中的 n e t s i m 模型采用了换车道概率p l c ( p r o b a b i l i t yl a n ec h a r g i r g ) 法，综合评价司机在 换车道时驾驶策略中的实际需求产生过程i j j 】。m a s a h i r ok o j i m a 提到用安全系数评 价间隙是否接受，来判断当前间隙实施交织区换车道是否引起车辆跟驰状态的变 化i 1 “。在c o r s i m 中，也是由司机的可接受风险来评价交织区换车道间隙是否接 受的f l ”。a a s i m 采用模糊数学的方法评价间隙接受。此外，在交通控制及车辆汇 入等方面还有采用l o g i t 模型对间隙是否接受进行二项选择【1 4 1 。a a s i m 在对执行 换车道研究时，初始化一个换车道偏角，进行了时实仿真。w o r r a l l 和b u l l e n 曾 指出实际换车道时间是车速的函数，但函数关系不强，因而假设时间是一个常数 是合理的，一般时间取2 3 秒【1 6 1 。 1 2 2 国内研究现状 在我国，高速公路交织区道路、交通状况与国外有较大区别，交织区的研究 基于交通冲突的高速公路交织区的安全评价研究 刚刚起步。我国高速公路系统中和决大多数的城市道路系统中，设施设计很少考 虑、甚至不考虑交织区交通流的特殊性。这反映了我国道路交通研究中交织区研 究一直不被重视的事实。 虽然我国的交织区理论分析研究很薄弱，但也有一些研究已经丌始起步了。 北京工业大学陈金川博士于2 0 0 0 年在综合、借鉴前人分析方法的基础上，针对我 国目前道路系统中的交织区设施，利屙实测的大量统计数据。分析了我国交织区 车辆运行特性，并基于通行能力研究，提出了交织区理论分析模型【1 7 1 。同济大学 陈小鸿、肖海峰( 2 0 0 0 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，并利用德国p t v 公司丌发v i s s i m 软件， 进行交织区交通特性的微观仿真1 1 8 】。北京工业大学陈金川、刘小明、任福嗣等在 收集国内外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，并对现有各种分析方法进行评析f 。北京工业大学的郑弘以道路 交织区为研究对象，以微观仿真为研究手段，从我国的交通流特性出发，选用和 建立能够较为准确描述我国交通流特性的子模型，形成完整的交织区微观仿真模 型1 2 0 j 。同济大学邹智军、杨东援分析了强制性和任意性两种车道变换情形，建立 了描述车道变换意图的产生、车道变换可行性分析以及车道变换的实施等行为的 车道变换模型，以及车辆在拥挤状态下的车辆变道模型【2 ”。北京工业大学的杜晓 辉通过分析高速公路路段上的车流运行特点，建立了高速公路系统仿真模型，研 究出在交织区的车道变换分为强制变换和判断变换两种类型【2 2 】。魏丽英、隽志才、 田春林用线性跟驰理论，通过模拟，对比分析多车道车头时距和单车道车头时距 之间的关系来判定车道变换行为，得到驾驶员车道交换的基本规律 2 3 1 。东南大擎 徐吉谦教授对国外方法进行综合评述1 2 ”，又曾利用穿插理论对环形交叉口交织区 通行能力重新进行分析，结论是用穿插理论得到的环形交叉口通行能力有所提高 拉捌a 国内其他关于交织区运行理论的研究，散见于各种设施通行能力研究中，作 为研究内容的一个相关环节提出，因而研究成果没有大的创新【2 6 书) 。 1 3 研究内容、研究目标和技术关键问题 1 3 1 研究内容 我国高速公路事故率高，而相应的安全分析及研究又不全面，特别是在交织 区安全研究更少的情况下，应尽快开展高速公路交织区安全性的研究，运用科学 福建农林大学2 0 0 6 届硕l 毕业论文 的技术和方法探究交织区交通事故发生的原因，为交织区的安全提供有力保障。 本论文以高速公路交织区为研究对象( 由于条件限制本论文的数据均来自福 建省高速公路) ，以交通冲突技术和灰色聚类方法为理论，在总结分析前人研究成 果的基础上，针对存在的不足，从我国的实际情况出发，研究和分析交织区的交 通安全的评价情况，提出基于交通冲突的安全评价过程，内容主要包括以下几个 方面： ( 1 ) 对国内外高速公路交织区安全状况进行整理分析，并对福建省典型的交织区路 段进行现场调查，分析影响高速公路交织区行车安全的因素。 ( 2 ) 提出适合于交织区域的冲突观测方案，并进行现场实测。 ( 3 ) 对收集的数据资料进行分析，在实测交通冲突的基础上，进行关系分析，提出 评价交织区域安全性能的指标，以交通冲突技术为理论研究高速公路交织区的 交通安全的评价方法。 ( 4 ) 对交织区的安全性进行分析，研究如何保障交织区的安全运营，提出工程改造 措施和交通管理措照。 1 3 2 研究目标 通过研究分析，本论文主要实现以下几个目标： ( 1 ) 探索诱发交通事故的原因，分析高速公路交织区安全行车的影响因素； ( 2 ) 分析事故资料，调查数据，分析数据与交通冲突的关系，评价不同交织 区的安全情况。 1 3 。3 技术关键问题 ( 1 ) 利用交通冲突技术，确定交织区安全评价的指标。 ( 2 ) 用灰色聚类方法评价不同交织区的安全情况。 1 4 研究意义 道路交织区交通安全的分析研究工作一直是个难点，在交织区内，交织车辆 要换车道，这种换车道引发了基本路段中不曾有的交通流冲突与干扰。因而交织 区内通行能力低于基本路段的通行能力，成为道路系统的瓶颈路段。另外由于这 路段中，换车道行为使车辆之间的相互作用与相互影响较为复杂，宏观上表现 出交通流是紊态特征，难以把握。我国交通工程研究后于国际上许多国家，交织 区的研究工作也刚剐起步，经验说明，无论在高速公路或城市道路上，适当的交 1 0 基于交通冲突的高速公路交织区的安全评价研究 织区对车辆的高效和安全运行十分重要。而我国在这方面的工作还远远不够，未 来的发展正提出了我们现在尽早展开交织区研究的紧迫性。 交通事故的发生目前视为道路交通综合系统突发的失衡现象，而导致的事件 影响道路交通安全的因素是多方面的，其涉及到的因素包括道路、车辆、驾驶员、 环境。现行对事故成因的研究分析存在一定的不足，割裂了交通体系中各因素之 间的相互关系，对于人、车、路互动性所导致的综合影响分析力度不足，尤其是 未能有效的把握道路条件影响驾驶行为，继而影响交通安全的运行规律。道路因 素是影响交通安全的潜在层次的原因。图1 2 呈现出了在道路某几点上的交通事故 的集聚性，即都存在着事故多发点，而这证明了交通事故与道路条件是相关的， 因为如果事故与道路条件无关，那么在相当长的时段内，在道路沿线交通事故应 该是均匀分布的，不会出现集聚性。说明道路条件对行车安全影响是不容忽视的 一个重要环节。交织区中的道路条件比一般路段差，它是道路的“瓶颈”段，因 此不能忽视交织区中需进行的车道变换给驾驶员带来的较难驾驶的道路条件，所 以需进行交织区的交通安全分析，以便改善道路交织区的运行条件，给道路使用 者提供较好的道路条件。 图1 2 某高速公路2 0 0 3 年事故分布散点图 福建农林人学2 0 0 6 届硕士毕业论文 第二章交织区概述 2 1 交织区的定义 美国道路通行能力手册( h c m ) 1 9 5 0 版就提出了道路交织区的概念与研 究方法，从那时起就已经对交织区开始了探索性的研究。至今也是以美国对交织 区的研究最为广泛深入。这里，我们引用h c m 1 9 9 4 年第三版中对交织区的定 义：行驶方向大致相同的两股或多股车流沿相当长的路段不借助交通控制设施进 行的交叉定义为交织。当一合流区后面紧接着一分流区，或当一条驶入匝道紧接 着一条驶出匝道，并在二者之间有辅助车道连接时，就构成了交织区1 3 0 】。在互通 式立交中，环形立交和苜蓿叶形立交的出入口匝道之间就存在着典型的交织区。 j ， $ 丢i 爰 二三二兰三三二：_ 。 2 2 交织区参数 2 2 1 交织区长度 图2 - 1 交织区典型运行示意图 图2 2 交织区长度示意图 交织长度是指交织区入口处三角端宽度为0 6 m 处到出口处三角端宽度为3 , 6 m 处之间的距离( 如图2 - - 2 ) 。交织长度是交织区最为重要的的参数之一，其长短直 接影响着交织区内交通流运行的好坏，对交织区内车辆交通能否顺利、安全的完 成交织操作起着举足轻重的作用。交织区长度极短时( 小于3 0 m ) ，相当于无信号 控制交叉口，交织区长度很长时，车辆有足够的时间和空间来完成车道变换，则 相当于一般路段变更车道现象3 1 1 。 基于交通冲突的高速公路交织区的安争评价研究 交织车流是通过车道变换以完成交织运行，交织段长度限制驾驶员在一定的 时间和空间范围内必须完成所有要求的车道变换。当交织段长度减少时( 其它因 素不变) ，车道变换的频度和由此产生的紊流程度会增加，交织车辆的车速会降低， 因此也会影响非交织车辆的车速。 2 2 2 交织区宽度 交织区宽度用交织区的车道数表示，既包括交织车辆占用的车道数，也包括 非交织车辆占用的车道数。因此交织区宽度不仅由影响交织运行的车道数来量度， 面且还由交织车辆和非交织车辆所使用这些车道的百分率来量度，它粗略的代表 着交织区承担交通负荷的能力。 2 2 3 交织区构型 交织区构型，即是交织区的形状与几何条件。在1 9 9 4 年版的h c m 中，根据 交织车辆经交织路段必须进行的车道变换最少次数将交织区构型划分为a 型、b 型、c 型三种。 a 型交织区的关键特性为； 所有交织车辆为了完成要求的运行，都必须进行次车道变换。 a 型交织区又分为匝道交织区和主要交织区。在我国的a 型交织区中最常见 形式是匝道交织区。 b 型交织区为加入平衡车道的交织区，其关键特征为： 1 ) 一组交织运行无须进行任何车道变换； 2 ) 其他交织运行最多需要一次车道交换。 一 c 型交织区与b 型交织区相似，能给许多交织运行中每一运行提供一条或几 条“直达车道”。其特征如下； 1 ) 有一种交织运行无需进行车道变换就能完成： 2 ) 其他交织运行则需要两次或两次以上的车道变换。 三耍买 b d ( a ) 匝道交织区 c 图2 - 3a 型交织区 a b -。、。 、_ - _ - _ _ - - r _ r - r _ - _ - _ _ _ _ - - ，_ - 。 ：；：；：乏i ；，s ：一：，：e ：l ： i 9 6 时，是不安全的事故数，属于危险地区； 当z 1 9 6 时，是安全地区； 当1 9 6 z 一 x 1 1 x 九2 九2 x 3 ( 5 - 2 ) 福建农林大学2 0 0 6 届硕士学位论文 f c ( x ) = o z 一 3 一 2 d 一工 4 一 3 x 九， 2 x 3 3 x 4( 5 3 ) f d ( 炉t 善2 ( 5 - 4 ) a ) 交通安全状况属特别安全灰类 f b ( x ) f d ( x ) 1 x b ) 交通安全状况属安全灰类 c ) 交通安全状况属l 临界安全灰类 d ) 交通安全状况属不安全灰类 图5 - 3 交通安全评价灰类的白化权函数 基于交通冲突的高等级公路交织匹的安全评价研究 ( 3 ) 确定聚类权 记聚类权为i i j t , t 为评价灰类，且t e ( 1 ，2 ，k ) ，k 为评价狄类种数。q j t 按下式确定： ( 5 5 ) 式中： j 广一第j 项评价指标归入t 种灰类的聚类权： 1 j 第j 项评价指标属于第t 种灰类的白化值。 ( 4 ) 灰色聚类分析 按下式求出第i 个评价对象对于第t 个灰类的聚类评估值oj t ： o j t _ f i , ( d j ，) r i ( 5 _ 6 ) 评价对象i 的灰聚类评估序列o 。= ( oi l o 。2 oi k ) ，评价对象所属灰类为k + 满足o ；= m a x ( oi l ，oi 2 oi k ，从而确定聚类对象的安全状况。 根据上述思路，借助v b 程序设计语言，可设计出用于交织区交通安全评价的 灰色聚类评价软件。 。 | f n 福建农林大学2 0 0 6 届硕士学位论文 第六章运用与算例 在前面的章节中主要介绍了交织区的概况和交通冲突技术的发展情况，以及 怎样用灰色聚类法来研究道路交织区交通安全评价方法，为实际评价交织区交通 安全研究奠定了理论基础。本章将用实例运用来说明灰色聚类法研究交织区的交 通安全评价的过程。 6 1 数据的采集与分析 6 1 1 调查目的与手段 以摄像的手段获得车辆在交织区运行的单车信息，包括车辆与周围相关车辆 的车速与位置，用视频检测设备捕获交织车辆与非交织车辆时刻的单车信息。通 过交通量的数据采集得到宏观运行数据，以此作为微观车辆运行分析的支持数据。 6 1 2 调查的条件及设备 为了使测量的数据更具有代表性及可比性，更有利于随后的分析研究，本次 调查的基本条件是：白天，天气良好，路面干燥，自由流交通，路面平整无病害。 设备主要有：米尺，雷达测速仪，摄像机。 6 1 3 调查地点的选择 调查地点的选择应遵循以下原则： 交织区内车流量较大； 交织区长度不宜太短，至少长于1 0 0 米； 交织区内交通流绝大多数是动力性能相近的小客车，大型车、慢车的干扰较小。 在充分调查福建省道路现状的基础上，我们选取了同三高速公路、福泉高速 公路上的交织区段作为数据调查地点。 6 1 4 调查的内容 根据前面所述，主要调查的数据有交织区的交通量和冲突数，调查的内容如 表6 一l 。交通量调查采用人工进行，冲突数的观测，采用人工观测和录像观测相结 合。人工观测冲突数即在交织区内，车辆在行驶过程中，出现避险行为称为冲突 的发生。录像机对车辆运行情况进行拍摄，分析车辆的运行情况。 6 1 5 调查的实施 ( 1 ) 摄像机的架设要求 摄像机架设的高度对视频处理结果影响很大。通常摄像机安装的高度要求在8 m 以 基于交通冲突的高等级公路交织区的安全评价研究 上，且最佳安装角度为道路的正上方，不同摄像高度车辆之间的遮挡也不一样。 如图6 1 所示，摄像机架设杆距离超车道l m ，每个车道宽度为3 7 5 m ，经过 此处车辆的最大高度为4 m 。根据图像处理要求，即相邻车道上车辆并行时，车辆 对两侧车道的遮挡宽度不得大于车道宽度的1 3 。如果车辆对两边车道的遮挡不超 过1 5 米，那么摄像机安装的最低高度为9 米。随着摄像机架设高度的增加，采集 图像的处理效果越好。 表6 - 1 交织区数据调查样式表 调查地点1 交织区2 交织区3 交织区4 交织区5 交织区 交织区构型 交织区长度( 米) 交织区车道数 交通量( 辆，时) 冲突数( 个时) 隔离带 图6 - 1 不同摄像机高度下车辆遮挡情况 福建农林大学2 0 0 6 届硕：十= 学位论文 ( 2 ) 实施方案 图6 2 中3 台摄像机同时拍摄交织区的三个路段，使图像足够清晰以满足视频 设备捕捉图像的要求。 、 ， l ， 交通量数据采集 图6 - 2 交织区数据调查实施方案 6 1 6 调查结果 根据表5 3 ，把交通量换算为混合当量交通量，交通冲突包括严重冲突和轻微 冲突。表6 - 1 是在8 个交织段调查的数据，表中的数据均为时均的t c 、m p c u 表6 - 1 交织区交通安全综合调查数据表 6 1 7 我国交织区车辆运行特性 交织区内车辆必须在一定的交织长度完成车道行为，它与匝道的车辆汇入有类 似之处，即使在不适宜换车道的情况下也会强制汇入，但比之更为复杂，因为交 织车辆的换车道行为是两条车道车辆交互进行。 如图6 3 ，由交织车辆强制性换车道的位置与频率图来看，比较明显两个交织 区方向的交织车辆可以认为一进入交织区就开始强行换车道，尤其是主路汇入匝 道的交织车辆，在交织区o 5 的位置，9 0 的车辆已完成换车道；匝道汇入主路的 4 0 基于交通冲突的高等级公路交织区的安全评价研究 这一数据也达到7 0 。 、c 5岛 1 0 q q q q q 一 交织区位置 一 a ) 主路汇入匝道换车道统计图 4 0 。 u u 3 5 频3 0 8 0 数2 5 6 0 2 0 什 1l 舳。二 4 0 1 6 1 0 5 2 0 v n 吲呐啦卜o ddgdddddd 交织区位置 累 积 频 奎 b ) 匝道汇入主路换车道统计图 ， 图6 - 3 交织区强制性换车道统计图 由录像资料可以清晰的看到，交织区内的非交织车辆与基本路段上的车辆相 比较，不可避免的要受交织车辆的干扰，因此进行换车道行为的频率也很高。这 是基于司机对交织车道运行条件恶化作出的必然选择。因此，宏观上交织区不仅 交织车道交通紊乱，非交织车道的车辆运行同样产生波动。只有交织车辆与非交 织车辆的换车道行为综合在一起，才能形成了交织区宏观上独特的流量、密度、 车速分布特性。 良2 实例计算 以高等级公路交织区为评价对象，以时均的t c m p c u 为评价指标，建立基于 4 删 洲 删 础 福建农林大学2 0 0 6 届硕上学位论文 交通冲突技术的交织区交通安全状况灰色聚类评价过程如下： ( 1 )以前面表6 1 的数据为基础。分析数据的累积百分频率绘制累积百分频率 曲线，确定的灰类白化值为： l = o 2 2 5 ， 2 - - - - 0 5 4 4 ，13 = 0 6 5 6 ，x4 = 0 8 6 2 。 ( 2 ) 将 l 、 2 、 3 、 4 的值代入式( 5 1 ) ( 5 4 ) ，得到灰类的白化权函数 f a ( x ) 、f b ( x ) 、f c ( x ) 、 f d ( x ) ； ( 3 )确定聚类权n 由于只有t c m p c u 一个评价指标，故聚类权qj t = 1 o ； ( 4 ) 灰色聚类分析，按式( 5 6 ) 求出评价指标关于每种灰类的聚类值，得聚类 矩阵10 j t ： 灰类= q 。i = a 级b 级c 级 0 7 9 5 90 2 0 4 l0 1oo o 1 9 9 70 $ 0 0 3 0 0 0 0 0 90 9 9 9 l0 00 7 10 4 6 o 0 9 7 7 70 0 2 2 3 0o1 000 交织区i _ 1 6 8 对8 个交织区的交通安全情况进行聚类。由一，。= m a x ( a ，t ) 得到各个最大聚 类评估值( 表6 2 ) 。 表6 - 2 各交织区最大聚类评估值 ( 5 ) 对结果进行分析，由上面计算可知， 1 、2 交织区的交通安全状况属特别安 全( a 级) 类；3 、4 、6 交织区的交通安全属安全( b 级) 类；7 交织区属临界安 全( c 级) 类；5 、8 交织区屑不安全( d 级) 类。虽然属于同一安全水平的交织 区可能有几个，但实际上它们从属的成分不一样。交织区1 、2 都属特别安全，但 从属的成分分别为7 9 5 9 和1 0 0 ；交织区3 、4 、6 从属安全的成分分别为8 0 0 3 、 9 9 9 1 和9 7 7 7 ；交织区5 、8 从属不安全的成分分别为5 8 9 8 和1 0 0 。因此， 各交织区的的安全水平次序为：2 、1 、4 、6 、3 、7 、5 、8 。 8 慷。o o螂。， 【 乱 基于交通冲突的高等级公路交织区的安全评价研究 第七童结语 7 1 论文的主要研究成果 交织区的安全研究是交通安全研究中重要的工作之一。在国外的高速公路、 城市道路交织区是连接道路合流与分流的主要方式，因此较早就丌始进行了研究， 取得了一定的成果。而我国交通工程研究落后于国际上的许多国家，又因交织区 的设计、运营、管理需要有一整套完备的设计标准，我国对交织区的研究刚刚起 步。由于交织区交通安全的研究涉及的内容及因素较多，研究时有所侧重，本论 熏主要从宏观上进行了研究，主要取得了以下的研究成果： ( 1 ) 对国内外高速公路交织区安全研究文献进行了综述，分析了影响交织区 安全行车的因素； ( 2 ) 分析了交通冲突技术用于交织区安全研究的可行性，并建立了评价指标： ( 3 ) 基于交通冲突技术，用灰色聚类分析法建立了高速公路交织区安全评价 的过程。 7