（森林工程专业论文）高等级公路交织区安全性的研究.pdf

祸建农林大学硕士学位论文 摘要 随着我国高等级公路建设里程的增长，交通事故造成的财产和人员的损失也越来 越大。交织区作为高等级公路的重要组成部分，交织区内复杂的车辆运行情况及安全 性研究分析工作始终是个难点，因此对交织区安全性进行研究有着重要的研究意义。 论文在前人研究的基础上，在交织区车辆运行过程中对交通冲突及其影响因素的 关系进行分析，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： 并在此基础上，通过对高等公路交织区交通冲突数与安全性关系的研究，提出了交通 冲突数与道路安全性评价模型。通过上述模型的建立，提出了对现有及在建高等级公 路交织区的安全性评价及改造流程，使高等级公路交织区评价及改造工作条理化、系 统化。最后，应用福建省高等级公路交织区调查及实测数据资料进行实例分析，由测 试结果来看，有较好的应用价值，进一步验证了高等级公路交织区交通冲突数预测模 型及交通冲突数与道路安全性评价模型的可行性。 关键词：高等级公路交织区，安全评价，交通冲突，人工神经网络 高等级公路交织区安全性的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f f r e e w a yi no u r n a t i o n ，t h el o s so f p e o p l ep r o p e r t ya n dl i v e s c a u s e db yt r a f f i ca c c i d e n t sb e c a m e m o r ea n dm o r el a r g e w e a v i n ga r e ai so n ei m p o r t a n t c o m p o s i t i o no fh i g h t y p eh i g h w a y , w h i c hs a f e t yl e v e le m b o d i e dt h es a f e t yo fv e h i c l e o p e r a t i o n t h ec o m p l i c a t e dv e h i c l er u n n i n gs i t u a t i o na n ds e c u r i t ys t u d yw o r ka tw e a v i n g a r e ai sd i f f i c u l ta l lt h et i m e ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o rr e s e a r c hm e a n i n g st oc a r r yo n r e s e a r c ho f t h es e c u r i t yo f w e a v i n ga r e a b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i so f s u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hd o c u m e n to fi n t e r w e a v i n g a r e a f r o mt h ev e h i c l eo p e r a t i o nc o u r s e s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt r a f f i cc o n f l i c tt e c h n o l o g y a n di t si n f l u e n c ef a c t o ri si n v e s t i g a t e da n da p r e d i c t i v em o d e lb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ( a n n ) i sp r e s e m e d a n do nt h i sb a s i s ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt r a f f i cc o n f l i c t c o u n t i n ga n dr o a ds a f e t yc o n d i t i o ni sa n a l y x e da n dt h u sam o d e li sp r e s e n t e dt oa p p r a i s e w e a v i n ga r e ao f t h eh i g h t y p eh i g h w a ys a f e t yc o n d i t i o nw i t ht r a f f i cc o n f l i c t c o u n t i n g b a s e do na b o v em o d e l ，s a f e t ya p p r a i s a la n da m e l i o r a t i v ef l o w sa r ep r e s e n t e da i m a tw e a v i n ga r e ao f t h es u p e r h i g h w a ya n db u i l tp r o j e c t ss oa st os y s t e m a t i c a l l yi m p r o v e s a f e t yc o n d i t i o na ti n t e r w e a v i n ga r e ao f t h eh i 曲一t y p eh i g h w a y f i n a l l y ，i tc a r r yo nt h ed a t a m a t e r i a l si n v e s t i g a t i n ga n ds u r v e y i n gf r o mt h ew e a v i n ga r e ao ft h eh i g h t y p eh i g h w a yi n f u j i a np r o v i n c ea st h ei n s t a n c ea n a l y s i s s e e nb yt h ed e b u g g i n go f t h em o d e la n dt e s t r e s u l t ，t h et r a f f i cc o n f l i c tp r e d i c tm o d e lo f w e a v i n ga r e ao f t h eh i g h t y p eh i g h w a ya n dt h e r o a ds e c u r i t ya p p r a i s a lm o d e lh a v eb e t t e ru s i n gv a l u ea n dh a v eb e e np r o v e df u r t h e r f e a s i b l et h r o u g ht h ed a t ao f t h ei n s t a n c et e s t k e yw o r d s ：w e a v i n ga r e ao f t h eh i g h - t y p eh i g h w a y ，s a f e t ye v a l u a t i o n ，t r a f f i cc o n f l i c t ，a n n 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了谢意，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：席础筒 r 期：知砧5 易 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。口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：森的0 b 陶日期：。蛔6 b 七 指导教师亲笔签名 r 期：奠胛舌、6 福建农林大学硕士学位论文 第一章绪论 高等级公路是全部控制出入的高速公路、部分控制出入的汽车专用一级公路和 二级公路的总称。 按交通部公路路l r 设计规范( j t j o l l 9 4 ) 的规定，高等级公路( 汽车专用 公路) 有如下定义： 高速公路，一般能适应按各种汽车( 包括摩托车) 折合成小客车的年平均昼夜交 通量为2 5 0 0 0 辆以上具有特别重要的政治、经济意义，专供汽车分道高速行驶并全 部控制出入的公路。 一级公路，一般能适应按各种汽车( 包括摩托车) 折合成小客车的年平均昼夜交 通量为1 0 0 0 0 2 5 0 0 0 辆，为连接重要政治、经济中心，通入重点工矿区、港口、机 场，专供汽车分道行驶并部分控制出入的公路。 二级公路，一般能适应按各种汽车( 包括摩托车) 折合成中型载重汽车的年平均 昼夜交通量为2 0 0 0 7 0 0 0 辆，为连接政治、经济中心或大工矿区、港口、机场等地 的专供汽车行驶的公路。 1 1 课题提出 汽车工业的发展和高等级公路的建设为实现快速、便捷的交通创造了必要的条 件，提高了人们的生活质量，极大的改变了人们的生活方式。然而随着汽车数量的 增长和道路建设里程的增加，人们不得不面对日益严重的环境和道路交通安全问 题。道路交通事故引起了大量的人员伤亡和物资损失，给我国带来了巨大的经济和 社会损失。椐联合国第五十八届会议( 2 0 0 3 年1 0 月) 统计，2 0 0 0 年估计有1 2 6 万 人死于交通事故，道路交通造成的损失每年约5 1 8 0 亿美元。2 0 0 0 年，交通事故伤 害在人类死亡和发病的原因中排名第九，预计到2 0 2 0 年，这排名将上升到第三位。 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 全问题出已逐渐引起了人们的高度重视。我国尽管路网密度偏低，车辆人均占有率 也不高，但由于道路交通设施，人文素质，交通法制，道路交通安全意识等各方面 的原因，一直是世界上道路事故率偏高的国家，也是世界上道路交通事故数量最多 的国家之一。2 0 0 1 年。全国共发生道路交通事故7 5 5 0 0 0 起，死亡1 0 6 0 0 0 人，伤 5 4 9 万人，直接经济损失3 0 1 9 亿元，同2 0 0 0 年相比分别上升2 3 2 、1 3 3 、3 3 o 、 和1 5 9 。基中，一次死亡1 0 人以上特大事故3 9 起，死亡6 3 9 人，同2 0 0 0 年相比 高等级公路交织区安全性的研究 减少1 9 起，减少2 7 1 人，分别下降3 2 8 和2 9 8 ；一次死亡3 0 人以上特大事故4 起，死亡1 3 7 人，同比增加3 起，增加5 8 人，分别上升3 0 0 和7 3 4 。表1 1 是 我国近年道路交通事故统计结果。图卜1 为我国近年来道路交通事故起数及受伤人 数发展趋势图。从图卜1 和表卜1 中可以看出我国交通事故在2 0 0 0 年及2 0 0 1 年有 大幅度增加，2 0 0 2 年趋势放缓，2 0 0 3 、2 0 0 4 和2 0 0 5 明显逐年下降但整体数量仍然 惊人，各地交通安全依然面临严峻考验。 表1 1 我国近年道路交通事故综合统计表 t a b l e l 1c o m p r e h e n s i v es t a t i s t i c a lf o r mo f t r a f f i ca c c i d e n to f t h er o a d i nr e c e n ty e a r so f o u rc o u n t r y + 事故起数 - 受伤人数 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 l 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 时问 图卜i 我国近年来道路交通事故起数及死亡人数发展趋势图 f i g u r e l 一1t h et r a f f i ca c c i d e n to f t h er o a da n dd e m ht o l ld e v e l o p m e n tt r e n dc h a t i nr e c e n ty e a r si no u rc o u n t r y 发展商等级公路是现代化经济发展的必然趋势，也是衡量。个国家现代化水平 的重要标志。改革开放以来，我国高等级公路事业发展迅猛，相继建成沪嘉、沈大、 福建农林大学硕士学位论文 宁合、沪宁和沪杭等高等级公路；在我省相继建成福厦、福宁、罗长、漳龙和京福 等高等级公路，2 0 0 1 年全省公路通车里程达到5 3 5 4 7 公里，比1 9 9 6 年增加6 3 5 1 公 里，高等级公路里程达到6 1 3 7 公里，占总里程比重1 1 5 ，比1 9 9 6 年提高4 7 个 百分点。按照交通部十五计划和中长期规划，到2 0 1 0 年，全国“五纵七横”国道 主干线将全面建成，高速公路里程将达到3 5 万公里，我省现有规划中的“两纵两横” 将全部贯通，我省高速公路通车里程将突破2 3 0 0 公里，第三横中的主要路段( 泉 三段) 将建成，实现我省与长三角、珠三角这两大全国最活跃经济区的对接，因此， 高等级公路网络正逐步形成。然而这些高等级公路在推动社会进步经济发展，给人 们带来现代交通高效、快捷的全新感受的同时，也让人们面临安全形势严峻以它的 高事故率、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1 3 1 2 。而在我国，高速公路上 的事故表现得异常严重。高速公路每百公里事故死亡率是普通公路的5 倍高速公 路平均每公里发生的事故数是一般道路的近8 倍“1 ，且重大、特大交通事故时有发 生。有必要对新建或已建高等级公路的交通安全进行分析研究，而交织区作为高等 级公路的重要组成部分，因此，有必要展开以减少交织区交通事故或降低交通事故 的受害程度为目标的交通安全研究。 1 2 研究的目的和意义 1 2 1 研究目的 本文以交通冲突技术为理论依据，在交织区车辆运行过程中分析交通冲突和各 影响因素的关系，应用人工神经网络方法，建立基于人工神经网络的交通冲突数预 测模型，并以交通冲突数作为交织区事故风险和各影响因素之叫的“转换器”，通 过研究最终评价具有不同道路技术特性和环境下的交织区安全状态，为我国高等级 公路交织区安全评价提供一种实用的技术方法。 1 2 2 研究意义 随着中国高等级公路的快速建设，高等级公路的交织区作为高等级公路的重要 组成部分，对于现存或在建高等级公路的交织区进行有效地安全预测及评价成为制 高等级公路交织区安全性的研究 约高等级公路安全管理工作的瓶颈。交通冲突技术是国际交通安全领域中新近开发 出的一种非事故统计评价的理论研究方法，以交通冲突技术为理论依据，本论文的 研究对于人们更好的认知交织区交通事故影响因素，进行合理的安全预测及评价， 最终改善我国高等级公路交织区的安全状况，具有重要意义。 本文建立交通冲突数预测模型及交通冲突数与安全性的关系模型，有利于发现 交织区安全隐患、分析事故成因，为安全改造服务，目的在于通过研究及实际工程 应用减少道路交通事故，提高我国的道路安全水平。 1 3 主要研究内容和技术关键 1 3 1 研究内容 论文主要研究内容为： 利用人工神经网络分析交通冲突及其影响因素的关系，建立基于人工神经 网络的交通冲突数预测建模。交织区风险( 事故率、安全性水平) 与交通冲突数的 关系模型研究及建模。 现有及在建高等级公路交织区的安全性评价及改造流程研究。 选取福建省高等级公路交织区对其进行交通冲突数预测及安全性评价。 1 3 2 技术关键 在论文的研究过程中，解决的关键技术问题主要包括以下： 提出交织区交通冲突的判别指标，分析交通冲突及其影响因素的关系： 利用人工神经网络建立交通冲突数预测模型和交通冲突数与交织区安全性 关系模型。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外研究现状 在国外，欧、美、日等国家的汽车工业和道路建设发展迅速，丌展公路交通事 福建农林大学硕士学位论文 故的研究工作也较早，其研究主要集中在以下几方面 l 、交织区研究成果 在国外，欧美日等汽车工业和道路建设发展迅速的国家，对高速公路交织区安 全性分析较早。最早，国外许多学者以交织区车辆平均运行速度和服务水平为参数， 建立了许多分析交织区运行特征的方法，如c a l i f o r n i a ( m o s k o w i 和n e w m a n ，1 9 6 3 ， 美国) 、h c m 法( t r b ，1 9 6 5 ，美国) 、l e i s c h 方法( l e i s c h ，1 9 8 3 ，英国) ，p i n y 程序 ( p i g n a t a r o e t a 1 ，1 9 7 5 ，美国) 、j h k 测定法( r e i l l y e t a l ，1 9 8 4 ，美国) 、h c m 法( t r b ，1 9 8 5 ，美国) 等。1 9 8 6 年，f a z i o 和r o u p h a i l 通过分析比较l e i s c h 1 9 8 3 ， 美国) 、r e i l l y ( 1 9 8 4 ，英国) 和h c m ( 1 9 8 5 ，美国) 三种方法，发现交织区内驾驶员的 车道需求影响交织车辆和非交织车辆的运行车速，研究表明交通安全特征分析有利 于科学合理地确定交织区的长度和车道数。国外交织区分析研究结果汇总于表卜2 中。 表1 - 2 国外交织区分析研究结果汇总表 ! ! ! 堡卜2 t h e5 婴”a f yo f r e s u l t o f s t u d y i n t h ew e a v i n ga r e aa b 堕一 一 作者或文献年代研究方法分析指标 尽管普遍认为将交通安全通行能力、车速车辆运行特性、工程费用和服务水平作 为交织区的设计标准，但是基于交织区运行特征和交通安全二者关系的研究较少。 c i r l l o ( 1 9 7 0 ) 通过分析美国6 0 年代初2 0 个州交织区的事故发现：加减速车道越短，事 故数越高。当合流车流比例大于6 时，效果则不明显，增长加速车道的效果明显，而 当合流车流比例小于6 时，效果则不明显，增长减速车道效果也一样。f a z i o ( 1 9 9 3 ， 美国) 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、追尾和车辆间相互作用冲突。 高等级公路交织区安全性的研究 2 、运行车速与交通安全 德国的t i m o t h y g e o r g e o k e t c h 利用模糊理论判断驾驶员超车行为，建立了混合 车流安全超车间距车速约束模型： 铲t 。等等 式中：v n x = 超车后的速度，m s a x = n 达碰撞点距离，i n c x = 安全间距m ； f ，= 车道宽度或前方障碍物的宽度，r l l ： “= 侧向速度，m s ； a t = 安全时距，m ； k = 修正系数，取值范围为2 1 0 ； 英国学者a b u r u y a 开发了适用于欧洲的速度与事故模型一e u r o 模型。研究 表明交通事故率与超速行驶有着必然的联系。e u r o 模型如下： i n ( ) ；1 5 3 ：6 ：z l v 式中：i 一年平均事故率，每1 0 6 v e h k m y ； 矿平均运行车速，k m h ： v 一速度梯度，k m h ； 现在不少国家采用了运行车速差作为评价道路安全性的参数，相邻路段车速差 值v 是保证线形设计质量的关键参数，也就是保证同一设计区段内，驾驶员能够采 用连贯的驾驶方式行车，从而避免或最大限度地减少由于出乎意料或判断失误造成 的操作错误，提高驾驶的稳定性和安全性。公式如下： v = lv s , i - v 。一1 式中：v 。，调查断面上的8 5 车速； v 一一连续的前一断面的8 5 车速； 3 、车流状况与交通事故 澳大利亚公路研究委员会( a u s t r a l i a nr o a dr e s e a r c hb o a r d ，简称a r r b ) 对 6 福建农林大学硕士学位论文 特定情形下的超车行为进行调查研究，并利用t r a r r ( t r a f f i co f fr u r a lr o a d s ) 仿 真模型模拟了双车道公路的超车概率( 但并没考虑大型卡车的影响) 。表卜3 是总 体驾驶员加速超车行为的回归方程。 表1 - 3 汽车加速和超车回归方程 注：l = 被超车车辆的车身长度( m ) ； v = 被超车车辆的速度( k i n h ) 。 r o dt r o u t b e c k 研究发现潜在超车频率随流量中卡车比例的增加而迅速增加，超 车的时间和安全距离由车速和被超车辆的车身长度决定。如果被超车辆的速度增加 1 0 k m h ，那么超车加速的平均时间将增长1 4 ；如果被超车辆的车身长度从5 m 增 加到1 6 m ，则平均的超车次数将增长1 7 ( 注：超车间距与被超车辆的车身长度无 关，且驾驶员不能判断各种车辆的长度) ，超车危险性增大。 w a r d r o p 等研究学者还提出可能性转移矩阵方法，用阻分析设施构型对交织段 交通运行的影响效果，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 l ，b 2 ，h ，其中，n 表示交织车道数，b i 表示交织区j 车道出口处 的交通量，b 包含成功完成交织的车辆和未完成交织的车辆： a = a 1 ，a 2 ，a n ，其中，a i 表示交织区j 车道进口处的交通量； p ( r ) = r 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 ； 高等级公路交织区安全性的研究 4 、交通冲突与交通安全 交通冲突技术( t i m e - t o - c o l l i s i o n ，简称t t c ) 是国际交通安全领域中新近开发出 的一种非事故统计评价理论方法。经过西方各国交通安全专家们的多年努力，现已 趋于成熟完善。t t c 指两辆汽车若保持目前的速度和运动轨迹时，距离事故发生的 时间可以在短时间内观测获取大量交通冲突样本，从而实现已有道路设施的安全现 状客观的评价与预测的目的。 v a nd e rh o r s t 根据冲突时间( t t c ) 的长短划分冲突的严重性，例如当t t c ， 1 5 s 时，交通冲突为严重冲突。通过一定周期的观测，结合已有的事故统计资料， 对事故数、交通冲突数和冲突严重程度进行回归分析，从而评价无控制交叉口、信 号控制交叉口、环形交叉口的安全状况，并从减少冲突的角度出发，提出安全改进 措施，最后运用前后分析法( b e f o r e a f t e rs t u d y ) 对改善措施的有效性进行评价，评 价的标准仍为冲突数和冲突的严重程度。 1 4 2 国内研究现状 国内对交织区交通运彳亍的研究开展较晚。我国高速公路系统中和绝大多数的城 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。国内对交织区现象的研究， 散见于对环形平面交叉口的交通运行特性的研究中，并且借鉴了大量国外研究成 果。我国对环形交叉口的交织运行分析，从前是沿用英国的w a r d r o p 公式，后来， 东南大学徐吉谦教授对国外方法进行综合评述，又曾利用穿插理论对环形交叉口通 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。 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，建立了描述车辆车 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。北京大学陈金川、刘小明、任福罔等 ( 2 0 0 0 ) 对国内外交织区研究成果进行了评析。同济大学陈小鸿、肖海峰( 2 0 0 1 ) 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 公司开发的v i s s i m 软件，进行交织区交通特性的微 观仿真。 在我国，许多交通安全学者对路段交通事故进行了深入的研究，取得了一些成 福建农林大学硕士学位论文 果。长安大学周伟、罗石贵利用交通冲突技术，分析了交通事故多发点的事故判定 模型。 ( 1 ) 单个路段的安全判定：认为各小区间内的严重冲突的发生数近似f 态分 布，这样可以用下式来近似求解i 临界冲突值( 阀限值) e f = x 五十。，2 a 式中：e 一临界冲突值( 阀限值) ； x 一路段上严重冲突次数： x 一时段t 内预测冲突值； ( 2 ) 多个路段的安全判定： t s w = 2 ( q ) + 9 2 ( 巳) + 1 4 4 w2 ( 勺) 式中：t s w = 第j 种冲突特征的“危险度”，j = t , 2 ，3 。 e - = 低危险冲突数( 次) ； e 2 = 危险冲突数( 次) ： e 3 = 很危险冲突数( 次) ： 已有的交通冲突技术的应用领域主要集中在城市的交叉口。对交叉口区域的冲突 实测和评价有一套比较成熟的程序，特别是瑞典l u n d 大学创立的瑞典冲突技术已经得 到较多的应用，主要包括以下几个方面： 采用冲突数目作标准，比较不同类型的交叉口的安全状况； 比较不同交通条件下相同类型交叉口的安全状况； 从减少冲突的目的出发，提出事故多发区域的改进措旎； 分析不同道路使用者之间的冲突成因，和冲突的类型： 用前后分析法，分析改进措施带来的安全状况的提高。 长安大学马银波、严宝杰探讨了高速公路路段安全车流控制模型： ( 1 ) 宏观模型： q = k v 阽丢c _ j v 4 0 r ：， k = 一k ，v 式中：q 一流入该路段的车流量： k f 一路段堵塞密度； v f 一路段通行速度； 9 高等级公路交织区安全性的研究 ( 注：假设车流为连续、不间断、均匀分布的稳定的车流，且由小汽车组成) ( 2 ) 微观模型： k ：坚坚! 塑 p ：一l 7 1 车辆约束方程： t n ；l “；k s k a t 矿n 式中：x 一路段的长度： l 。一小汽车的长度； t 一路行驶时间； l a 、t a 、v a 、k a 一分别为车辆安全间距、时距、安全速度和车流密度； 吉林大学的魏丽英、隽志才等学者用线性跟驰理论对路段上相邻车辆之间的距 离、速度和加速度进行模拟，分析对比多车道和单车道车头时距之间的关系，判定 路段上车道变换行为，得出驾驶员车道变换和路径选择的基本规律：车辆在运行过 程中，当受到前车的阻碍或相邻车道上某一前车的间隙即车头时距m t 大于与同车 道车头时距s t 时，该车将考虑进行车道变换或超车：如果单车道的车头时距s t 大于 某一界限值，行驶的舒适性和安全性已经达到驾驶员预计目标，那么即使与相邻前 车之间的车头时距大于单车道的车头时距，驾驶员也不会进行车道变换。 1 0 福建农林大学硕士学位论文 2 1 交织区的定义 第二章交织区概述 在美国道路通行能力手册( 以下简称h c m ) 中，对交织的定义为：行驶方向相同的 两股或多股车流，沿着相当长的路段，不借助交通控制设施进行的交叉。当一合流 区后面紧接着一分流区或一分流区后面紧接着一合流区：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。在互通式立交 中，环形立交和全苜蓿叶形立交的出入口匝道之间就存在着典型的交织区”。由于交 织路段通行能力低于基本路段的通行能力，是道路系统的瓶颈，所以交织区运行分 析有助于降低或消除瓶颈影响，提高整个道路系统的通行能力和服务水平”。我l 雪交 织区道路交通状况与国外有较大区别，交织区的研究工作也刚刚起步。因此，有必 要借鉴国际上交织区的研究成果，对我国的交织区进行分析研究。 2 2 交织区参数 ( 1 ) 交织长度 交织长度是交织区域最为重要的参数之一。交织长度定义为从合流匝道终点 与主线连接点至下游分流匝道起点与主线连接点之间的长度。交织区长度极短时 ( 小于3 0 m ) ，相当于无信号灯控制交叉口。若交织区长度很长时，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。交织车流是通过行车 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。”。当交织区段长度减少时( 所有其它因素不变) ，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，其车速也会降低o 。 ( 2 ) 交织构型 交织区域另一个重要的几何特征就是交织区车道变化特性，h c m 将其定义为交 织构型。h c m 定义了三种典型的不同交织构型，分别为构型a 、b 、c 。并且定义：a 型交织区需要每辆交织车辆为了完成运行，都要进行一次车道变换。b 型交织区： 一组交织车辆无须进行任何车道变换就可完成运行：其它交织运行晟多需要一次车 高等级公路交纵区安全性的研究 道变换。而c 型交织区：一组交织车辆无需进行车道变换就能完成运行；其它交织 运行则需要两次或两次以上的车道变换。“。如上所述，车道变换次数取决于交织路 段的构型，因此，交织构型对有效车道的利用有很大的影响。对于a 型交织区，所 有车辆必须穿过路拱线，而在b 型交织区，则这种限制较小，交织运行产生了交通 紊流，因而一辆交织车比一辆非交织车占用更多更有效的空间，最为常见的交织区 构型为a 型。 表2 - 1 构造类型和车道变换最少次数关系 f i g u r e 2 - 1t h er e i a t o no f t h em i x m u md e g r e eb e t w e e nc o n s t r u c t u r et y p i c a la n dr o a d w a y 一个交织方向要求 另一交织方向要求的车遭变换次数 的车道变映次叛 oi迎 图2 1 各类型的典型实例 f i g u r e 2 1t y p e so f t h em o d e le x a m p l e s ( 3 ) 交织流率 如上所述，交织车辆和非交织车辆对于有效车道的利用差别很大因此，交 织区各方向交通流率的大小是影响交织区运行的另一重要因素，包括交织区的总流 率和交织比32 1 。交织比是指交织区内交织车流的比例，对于相同的交织区交通总 流率相同，随着各流向流率的不同，交织区的运行质量会不同。 ( 4 ) 设计车速 与合流和穿越空档类似，行驶中的车辆在准备变换车道时，需要判断相邻车道车辆 的车头时距空档，相邻车道的车头时距空档大于变换车道所要求的“i 临界空当”是车辆 变换车道的必要条件【3 3 】。影响该“临界空当”的因素很多，其中交织区范罔主线和匝道 车速是极为重要的影响因素。 一 福建农林大学硕士学位论文 第三章交通冲突技术的基础理论研究 中国的道路交通事故有其自身的特点【3 4 1 ，表现在：一、已建成通车的道路交通 事故率资料不完全，事故数据和有关参数指标缺乏长期和详尽的分析结果，这样， 由残缺的事故资料分析得到的事故黑点存在一定的片面性：同时，事故资料调查需 包括死亡人数、车辆损坏、天气等情况，造成的系统误差较大；二、出于新建道路 尚未得到交通事故资料，无法对其做出安全评价，也无法对其中的重点路段采取有 效措施。因此，鉴于我国事故此特点，交通冲突技术作为非事故统计的间接评价法， 本文将其引入交织区安全评价中。下面对交通冲突技术的基础理论进行研究。 3 1 交通冲突技术概述与方法 交通冲突技术以大样本、快速、定量、非事故等特点而异于传统的事故统计评价 方法。它是一种依据一定的测量方法与判别标准，对交通冲突的发生过程及严重性程 度进行定量测量和判别，并应用于安全评价和预测的技术方法口”。 利用交通冲突技术非事故统计的间接评价法，已成为国际交通安全评价的热点方 法之- - 1 3 6 1 。目前，世界各国的许多交通工程研究人员逐渐将注意力集中到将交通冲突 技术应用于交叉口或路段等地点的安全研究方面，并取得了许多令人振奋的成果【6 ，7 】 。该方法f 1 2 0 世纪8 0 年代末被介绍到国内以来，该方法在我国的研究和应用也取得了 一定的成绩。 3 1 1 交通冲突与交通事故 虽然美国早在2 0 世纪5 0 年代就开始应用交通冲突技术但直到1 9 7 7 年a m u n d s e n 和h y d e n 在奥斯陆会议上才给出了交通冲突基本定义：两个或多个道路使用者在一定 的时间和空间上彼此接近到一定程度，此时若不改变其运动状态，就有发生碰撞危险 的交通现象称为交通冲突1 3 7 】。 交通冲突的实质是交通行为不安全因素的表现形式，其发展既可能导致事故发 生，也可能因采取的避险行为得当而避免事故发生，因此事故与冲突存在着极为相似 的形式，两者的唯一差别在于是否发生了直接的损害性后果。也就是说，儿造成人员 高等级公路交织区安全性的研究 伤亡或车物损害的交通事件称为交通事故，否则称为交通冲突【3 8 3 9 1 。 交通冲突与交通事故的关系见图3 - 1 所示 交通环境 + | 交通参与 正常 冲突 无干扰通过 避险行为 交通继续 事故发生 交通状态 j ；i 害后果 制动i转向加速i 制动转向 l 加速转向 图3 - 1 交通冲突与交通事故关系 f i g u r e 3 - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a f f i cc o n f l i c t sa n dt r a f f i ca c c i d e n t s 3 1 2 交通冲突的分类方法 根据交通危险事件的严重性可将交通冲突具体分为非严重冲突和严重冲突两类、 或分为一般冲突、中等冲突和严重冲突三类【4 0 1 。根据度量参数的不同，目前的分类方 法主要有两种：一是空间距离法，即以距离作为度量参数；另一是时问距离法- 即以 时间作为度量参数。距离参数法在实际应用中十分直观且合乎逻辑，冲突双方之间的 距离愈小，则相撞的可能性就大，当趋于无穷小时，即发生事故。而时问距离法在一 定程度上综合反映了道路使用者避让事故所需要的空间距离、速度、加速度以及转向 能力。时间距离小，可以反映出距相撞点距离很短或速度很高，或两者都有。这也正 是部分国家建议采用时间距离法的原因。 以上两种方法在安全评价中各有优缺点，针对具体情况，可选择不同的度量参数。 但无论采用何种参数，其目的只有一个，即迅速准确地判定出冲突的f “重性。 3 1 3 交通冲突参数及测定 研究表明，事故勘察测量主要根据t = s 厂v ( 时间t 、距离s 、速度v ) 的基本关 福建农林大学硕士学位论文 系式，即分别采用v s 、t v 或t s 等三类测量参数来研究肇事责任者与事故接 触点的关系。各冲突参数的测定及处理方法如下： 1 ) 冲突距离( t s ) ，指冲突当事者避险行为生效的瞬间位置距事故接触点的距离 ( m ) ，由经过专f 1 9 i l 练的冲突观测员根据定义进行现场测量或者由定点摄像屏 幕监控系统进行遥测记录。 2 ) 冲突速度( c s ) ，指冲突当事者避险行为生效时的瞬间速度( m s ) ，出经训练的 冲突观测员用雷达测速仪进行现场测量或者由雷达测速仪一自动摄像一计算机接 口监控系统进行测量记录或者由车载记录仪计算机接口监控系统追踪测量记 录。 3 ) 冲突时间( t a ) ，指冲突当事者避险行为生效的瞬间至事故接触点的时间过程 ( s ) ，由冲突观测员根据目测的( t s ) 值和( c s ) 值，查标准表得到或者由中心监控室计 算机编程输入处理。 根据对部分国家的交通冲突技术研究表明，如果选用现场人工观测，则应选择 t s 、c s 作为测量参数，并以t s 、c s 观测值导出t a 值作为冲突严重性判别参 数较为合理h 。 3 2 交通冲突技术的优越性 3 2 1 能替代传统的事故评价 经大量相关性研究表明：事故与冲突的发生概率虽然存在着差异，但这种差异 具有线性特征且呈一定的规律性，二者相应的各项代表性参数存在着某种强相关关 系，冲突对事故具有替换性【4 2 】。 交通冲突的实质是交通行为不安全因素的表现形式，其发展既可能导致事故发 生，也可能因采取的避险行为得当而避免事故发生。冲突与事故的相关性统计研究 结果表明：一次冲突导致事故发生的概率是o 0 0 0 0 1 ，即平均1 0 0 0 0 次冲突导致一 次事故发生。因此，交通冲突与交通事故之间有良好的线形相关性，二者之浏的换 算系数具有较高的可信度水平，可以作为独立的交通安全评价方法使用。 高等级公路交纵区安全性的研究 3 2 2 能全面准确地进行非事故评价 交通冲突技术可以解决传统事故评价中一些难于克服的基本问题4 3 l ，例如对特 定地点的事故样本数过小而影响安全评价的有效性与时间性问题，同时还可以解决 事故发生前的状态问题，如当事人肇事前的违章行为及违章性质、对事故危险的反 应、采取的避险行为等。该技术可以根据具体情况，运用不同的方法或综合运用各 种方法，来实现交通安全的准确评价。 3 2 3 能快速定量地达到改善安全的目的 交通冲突是交通事故潜在的事故苗子，尤其是严重冲突与交通事故有着强烈的 相关性【1 4 。因而，通过对交通冲突的分析，综合考虑交通冲突点的影响因素，从而 可以采取相应的措施或办法来解决交叉口或者路段的交通冲突。此外还可以利用交 通改善前后的冲突调查，检验与评价交通安全改善的效果，从而达到减少道路交通 事故和改善道路交通安全的目的。 由于交织区与基本路段相比存在特殊性，不能提供足够的事故资料，并根据交 通冲突技术特点，因此，在交织区中引入交通冲突技术存在合理性，也是可行的。 福建农林入学硕士学位论文 第四章数据的采集与分析 4 1 调查目的与手段 目的是调查和采集交织区车流运行数据，选取高等级公路典型交织区进行实地 调查，分析交织区车辆运行情况，建立安全性评价模型。主要收集相交道路等级， 交织区长度、车道数；总交通量、交织交通量、交通量的分布；运行速度，并用摄 像机进行现场观测拍摄进行冲突判断。 以人工记录交通量获取所有车辆的宏观运行数据，雷达测速仪测运行车速，以 摄像机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 嚣，获得车辆的冲突情况，从而判断交通冲突。 4 2 调查地点的选择 调查地点的选择应遵循以下原则： 交织区尽量远离交叉口、匝道出入口等交通设施； 交织区位于平缓的长直线段上； 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交织区现状的基础上，选取典型的交织区作为研究对 象，为高等级公路交织区研究的理论和实践基础。 4 3 调查实施 摄像机架设要求： 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 以上，通常摄像机安装的最低高度为9 m 。 高等级公路交织区安全性的研究 隔离带 图4 - 1 摄像机的架设 f i g u r e 4 - 1t h ev i d i c o ns p a n 4 4 调查结果的分析方法 根据人工观测所得到各种车型的交通量，换算为混合当薰的交通量，根据雷达 测速仪所得到的运行速度进行分析，选取v 8 5 为标准冲突速度。交通冲突数可根据 摄像机所获取的数据进行了处理，判定是否为严重冲突，其判定方法可根据以下方 法进行计算。 4 4 1 严重冲突与非严重冲突的判别 根据摄像机所获取的数据进行了处理， 界定是交通冲突技术应用的一个重要内容， 题之一。 ( 1 ) 界定指标的选择 判定是否为严重冲突，交通冲突程度的 也是以冲突为基础的安全评价的关键问 界定严重冲突和非严重冲突的指标很多【4 3 4 4 1 ，理论上而言，综合时间、距离、 速度指标可以对冲突严重程度界定得更准确。但由于进入交织区的交通流的复杂 福建农林大学硕士学位论文 性，使综合指标的标定比较困难。研究表明：当进入交织区的车辆速度在较小的范 围内变化时，用单一指标衡量能得到较满意的结果。目前，多数冲突研究组织采用 先估算速度，进而判断车辆距离可能发生事故的时间( 1 a ) 的方法来判定是否为严重 冲突，如果t a 小于某临界值，则为严重冲突，否则为非严重冲突。美国公路研 究所提出的临界值为1 秒，瑞典是1 5 秒。本文在对我国冲突状况分析研究的基础 上，选择车辆相距事故发生的距离作为判断冲突严重程度的标准。因为从感觉上看， 距离比时间更直观，可对车辆间的距离进行较为精确的判断。 ( 2 ) 界定指标的确定 根据研究，衡量冲突严重程度的车辆距事故发生的距离指标与车辆制动特性、 车速等有密切的关系。汽车制动过程如图4 2 所示。 间 图4 _ 2 汽车制动过程图 f i g u r e 4 - 2t h ec o u r s ef i g u r eo f t h ea u t o c a rb r a k e t r i g t o 为驾驶员发现危险情况至开始出现反应动作所需要的反应时间：t t 为驾驶员把也脚移动到制 动踏板上所需要的时间；t 2 为开始踏板到汽车上出现制动动力所经过的时间：t ，为制动力增& 时间；t 4 为制动力达到最大值以后的持续制动时间：t s 为停车后到