（道路与铁道工程专业论文）高速公路隧道交通流实时行车风险模型研究.pdf

摘要 摘要 随着我国高速公路隧道数量的增多和规模的增大，以及近年来国内外重特 大隧道事故频发，高速公路隧道运营安全问题需要特别重视。由于隧道环境的 独特性，隧道内发生事故往往会引起灾难性的后果，因此，有必要研究高速公 路隧道交通流的运营安全问题。论文以隧道交通流实时行车风险评价为目标， 研究隧道环境下交通流的风险评价方法，建立高速公路隧道交通流实时行车风 险评价模型。 在高速公路隧道行车环境和交通流特点方面，本文研究了隧道环境对行车 带来的影响，并且通过实地调查获取的隧道交通流数据分析了隧道交通流特征， 作为隧道交通流行车风险分析和评价的研究基础。 在高速公路隧道交通流实时风险评价模型研究方面，主要包括以下几个方 面的内容： 首先，提出了交通流行车风险包括车流受扰风险和车流平均风险。以跟驰 模型为依据，引入了表征交通流行车风险的三个宏观交通指标，分析并确定了 以平均风险水平，作为风险的衡量标准。 然后，通过仿真试验获得了作为自变量的三个交通参数的相关数据和代表 行车风险，的数据，以这些数据为基础，利用多元回归分析建立不同隧道环境下 风险指标，和三个交通参数之间的多元线性回归模型。 最后，简要讨论了模型的风险评价标准并提出了隧道交通流实时行车风险 的评价流程。 关键词：高速公路隧道，交通流，行车风险，多元线性回归 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ra n dt h es i z eo ff r e e w a yt u n n e l s a sw e l la st h e f r e q u e n ts e r i o u st u n n e la c c i d e n t sa th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r s ，f r e e w a yt u n n e l o p e r a t i o ns a f e t yi s s u e s s h o u l db ea t t a c h e d i m p o r t a n c et o d u et o t h eu n i q u e e n v i r o n m e n to ft h et u n n e l ，t h et u n n e la c c i d e n t so f t e nl e a dt od i s a s t r o u sc o n s e q u e n c e s ， i ti st h e r e f o r en e c e s s a r yt os t u d yt h eo p e r a t i o ns a f e t yo ft h ef r e e w a yt u n n e lt r a f f i c f l o w r e g a r d e dr e a l t i m ed r i v i n gr i s ka s s e s s m e n to ft h et r a f f i cf l o wi nt u n n e l sa sb a s i c o b j e c t ，t h er i s ka s s e s s m e n tm e t h o do ft h et r a f f i cf l o wi nt u n n e l sh a sb e e ns t u d i e d ，a n d t h er e a l t i m ed r i v i n gr i s ka s s e s s m e n tm o d e lo ft h et r a f f i cf l o wi nf r e e w a yt u n n e l sh a s b e e ne s t a b l i s h e d a tr e s e a r c ho nd r i v i n ge n v i r o n m e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a f f i cf l o wi n f r e e w a yt u n n e l s ，t h ei m p a a o ft h et u n n e le n v i r o n m e n to nt h ed r i v i n gh a sb e e ns t u d i e d ， a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a f f i cf l o wh a sb e e na n a l y z e du s i n gd a t ao b t a i n e d t h r o u g hf i e l ds u r v e y so nt h et r a f f i cf l o wi nf r e e w a yt u n n e l s ，a l lo ft h e s ea r et h eb a s i c o ft h ed r i v i n gr i s ka s s e s s m e n to ft h et r a f f i cf l o wi nt u n n e l s a tr e s e a r c ho nt h er e a l - t i m ed r i v i n gr i s ka s s e s s m e n tm o d e lo ft h et r a f f i cf l o wi n f r e e w a yt u n n e l s ，t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ec o n c e p t i o nt h a td r i v i n gr i s kc o n s i s t so fd i s r u p t i v er i s ka n da v e r a g e r i s ki sp u tf o r w a r d a n dt h r e em a c r o s c o p i c a lt r a f f i cf l o wp a r a m e t e r sa r eu s e dt ob et h e r e p r e s e n t a t i o no ft h et r a f f i cf l o wd r i v i n gr i s k a v e r a g er i s kl e v e l ，i su s e da sa c r i t e r i o nt oe v a l u a t et h ed r i v i n gr i s k s e c o n d l y ，t h ed a t ai n t e r r e l a t e d w i t ht h et h r e em a c r o s c o p i c a lt r a f f i cf l o w p a r a m e t e r sa n dw h i c hi s a sat o k e no fa v e r a g er i s kl e v e l ，a r eo b t m n e dt h r o u g h t r a f f i cs i m u l a t i o n am u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lb e t w e e na v e r a g er i s kl e v e l ，i n d i f f e r e n te n v i r o n m e n to ft h et u n n e la n dt h et h r e e m a c r o s c o p i c a lt r a f f i c f l o w p a r a m e t e r si se s t a b l i s h e d f i n a l l y ，t h er i s ke v a l u a t i o nc r i t e r i o no ft h em o d e li ss i m p l yd i s c u s s e d ，a n dt h e e v a l u a t i o np r o c e s so ft h et r a f f i cf l o wd r i v i n gr i s ki nt u n n e l si sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：f r e e w a yt u n n e l s ，t r a f f i cf l o w , d r i v i n gr i s k ，m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 隧道运营安全问题 目前，中国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家【。我国隧道 发展的具体数据如表1 1 所示。 表1 1 隧道发展数据统计 年份 1 9 7 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 隧道数量( 处)3 7 4 1 4 3 8 1 6 7 5 1 9 7 22 1 7 52 4 9 52 8 8 9 3 7 8 8 4 6 7 3 隧道总长( 万延米)5 25 97 18 51 0 01 2 4 61 5 2 71 8 4 1 82 5 5 5 5 据交通部综合规划司( ( 2 0 0 7 年公路水路交通行业发展统计公报，截至2 0 0 7 年底，全国公路隧道为4 6 7 3 处、2 5 5 5 5 万延米，比上年末增加8 8 5 处、7 1 3 7 万延米。与改革开放之初( 1 9 7 9 年) 相比，在隧道总数增加1 1 5 倍的基础上，总 长度增加了4 8 1 倍。其中，特长隧道8 3 处、3 6 1 0 万延米，长隧道6 0 7 处、1 0 0 1 1 万延米，两者长度之和占我国公路隧道总长的5 3 3 2 1 。可见，公路隧道发展的 趋势是长大化。 随着隧道数量的增多以及规模的增大，隧道在我国公路网中的作用日趋重 要，加之近些年来国外重特大隧道事故频繁发生( 见表1 2 ) ，隧道运营安全问 题需要特别重视。 不同于一般的路段，公路隧道作为路段的特殊构造物，它的长管形状空间 及其封闭性造成了洞内外亮度差异悬殊、环境照度低、交通空间受限和救灾困 难等一系列严重影响交通运营安全的问题，使得隧道内发生交通事故时，急救、 消防、救助都会十分困难，所以，隧道经常成为公路运输网络的瓶颈。虽然隧 道内的事故类型与洞外无大区别，但由于受条件限制，一旦发生很有可能造成 很严重的后果。 调查发现，受隧道内部空间的限制，造成隧道事故后果严重的一个现象就 是隧道交通事故以追尾碰撞为其主要形态( 见图1 1 ) ，而且多车追尾事故时有 发生，事故发生后不论是人员伤亡还是经济损失都十分严重。2 0 0 5 年3 月4 日 第1 章绪论 表1 2 国际重大公路隧道事故案例统计 时间隧道名称长度， 事故原因伤亡损失 1 9 9 6 意大利f e m m l n e小巴和油罐车 5 死2 0 伤 l 小巴、1 油罐 隧道相撞车、1 8 轿车 1 9 9 9 法国m o n t b l a n c 1 1 6 0 0 卡车在隧道内4 l 死3 6 辆车全毁， 隧道 起火隧道闭3 年 奥地利t a u e m 6 帅l l 卡车和4 轿车 1 3 死4 9 伤 1 6 货车、2 4 轿 隧道连环追尾 挪威s e l j e s t a d 1 2 7 25 辆货车追尾，16 伤2 货车、6 轿车 隧道货车起火 2 0 0 l 意大利g l e l n a l m5 死4 伤 隧道 丹麦g u l d b o r g 4 6 0i 货车和数辆轿5 死6 伤 s u n d 隧道车追尾 2 0 0 l瑞士兰哥达隧道2 货午对撞2 0 死4 伤4 小巴、1 3 货 车、6 轿车 日本高山隧道1 3 7 8卡车撞上前面5 死2 2 伤1 卡车、1 客货 爆胎的货车车、1 轿车 法意f r e j a s 隧道 1 2 9 0卡车燃油泄漏2 死2 0 伤6 车 起火 美国州际公路 路面湿滑，两货3 死1 0 伤 1 5 辆货车 车追尾 在上海越江隧道发生一起撞车车辆最多的连环撞车事故，包括集卡、商务车、 轿车在内的1 1 辆汽车撞在一起，导致隧道内交通严重阻塞啪。2 0 0 7 年l o 月8 日西汉高速公路在双岭隧道处发生柏余辆车追尾的特大交通事故，造成7 人死 亡、2 0 余人受伤。 ：到 圈1 , 1 髓道事故形态分布统计 隧道交通事故还有可能引起隧道火灾，这是另外一个造成隧道事故后果十 分严重的原因。由于隧道空间相对狭小，具有密闭性。一旦发生隧道火灾，火 势发展十分迅速扑救起来非常困难，加之燃烧产生大量浓烟不仅有毒而且极 第1 章绪论 大地降低隧道内的能见度，加大了受害者的逃生难度，易造成严重的人员伤亡， 而且导致隧道结构破坏，使整条线路陷入瘫痪局面【3 】。在法国克洛次隧道、勃朗 峰隧道、日本北陆隧道、英法海底隧道、奥地利陶恩隧道以及瑞士圣哥达隧道( 被 认为是欧洲最安全的隧道) 均发生过不同程度的事故，由于事故引起了火灾，结 果造成多人伤亡( 统计数据可见表2 1 ) 。在国内，上海打浦路隧道、浙江省雨 台温高速公路湖雾岭隧道、猫狸岭隧道也发生过重大事故或火灾，造成了不同 程度的人员伤亡和经济损失【引。 在隧道事故极易造成严重后果的同时，我国隧道安全还有一个让人担心的 问题，就是其过高的事故发生率。尽管近年来国外重特大隧道事故频繁发生， 但国外的研究还是认为隧道事故率远小于普通路段，隧道路段实际上是最安全 的路段之一，而我国目前的情况恰好相反，隧道路段的事故率经常会高出普通 路段。 据高速公路执法部门的统计资料显示，2 0 0 5 年4 月1 1 月，素有成渝高速公 路“咽喉”之称的中梁山隧道，在半年多时间里发生交通事故1 7 6 起，几乎每天一 起。其中，隧道入口l o o m ，事故发生率占了6 0 ，致使成渝高速公路频频堵塞， 最长堵塞时间近4 小时。 京珠高速公路韶关段隧道地处山岭重丘区，是广东省和内陆地区的交通要 塞，交通量较大。全路段含长隧道3 座( 宝林山、大宝山、靠椅山隧道) ，短隧道 l 座( 五龙岭隧道) 。据2 0 0 3 年事故统计资料，该路段隧道发生事故合计3 4 0 起， 死伤人数共计1 2 6 人，其中死亡人数共1 5 人，受伤人数共1 1 1 人，损坏车辆共 计2 0 1 辆【引。 根据安康市高交大队数据统计，自2 0 0 7 年西汉高速公路正式通车以来，安 康段共发生各类交通事故3 0 8 起，其中隧道内发生事故1 1 4 起，占事故总数的 3 7 ，秦岭二、三号隧道区段发生交通事故7 7 起，占隧道内事故总数6 8 ，死 亡5 人，占安康段死亡人数的2 2 ，受伤2 0 人，占受伤人数2 2 t 7 1 。 从隧道事故的严重程度以及事故的高发生率来看，我国的隧道运营安全问 题亟待解决。 1 1 2 研究的必要性 我国高速公路隧道的修建，无论是从时间上还是在规模上，都要落后于铁 路隧道的修建。因此，最初在设计公路隧道时，套用或者照搬铁路隧道设计的 第1 章绪论 较多，对其土建工程部分考虑得比较周详，而对交通安全等考虑得很少。从2 0 世纪8 0 年代以来，公路隧道的修建逐步由少到多、由短到长，设计人员对公路 隧道自身的特点了解增多了，思想上引起了重视，对公路隧道设计中交通安全 等因素考虑得较多，设计中不但有了路面车行道标线、隧道进出口限速限高等 常规交通安全标志牌，在长大隧道设计中更是考虑了监控、通讯、消防、通风、 照明等交通安全设施【8 l 。 上海延安东路隧道与深圳梧桐山隧道在我国较早实现了隧道监控。此后， 成渝高速公路的中梁山隧道、给云山隧道等高等级公路的隧道，通过引进国外 设备与自主开发相结合实现了隧道监控。但是，国内隧道监控系统开发还是略 显不足，不但硬件大多依靠进口，而且软件也依靠进口，软件既贵，又不适合 国情。所以，近年来，国内一些专家、学者在事故、火灾检测等方面做了不少 工作【5 1 。 就目前国内的一些隧道相关研究来看，多数集中在交通异常事件、空气污 染、火灾信息、照明时间段等方面，其目的是为了隧道行车提供一个相对安全 的环境。同时，对交通的控制与诱导也展开了研究，其重点是基于交通流事件 检测进行的交通控制。由于高速公路事故检测模型在上个世纪7 0 年代开始蓬勃 发展，这方面的技术也已经比较成熟，如今已经在高速公路管理系统中得到了 充分的应用，在高速公路隧道管理中也得到了重视。 但是，事故检测技术以及基于事件的交通控制与诱导技术都属于被动措施， 其应用只能降低事故发生之后的负面效果，在减轻事故发生造成的伤亡方面作 用相当有限。尤其是而且很多高速公路隧道距离城镇较远，加之数量众多，不 可能驻防消防、医疗队伍，一旦隧道交通事故发生，其救援往往不能满足必需 的时效性。例如，自1 9 9 9 年法意之间的勃朗峰( m o n tb l a n c ) 发生隧道事故后， 法意之间的弗雷瑞斯( f r e j u s ) 公路隧道大幅改善了安全措施以及特别加强了火 警通报系统与疏散通道，但在2 0 0 5 年6 月4 日仍然发生了严重的事故( 伤亡可 见表1 2 ) ，同样是由于载运易燃物品的货车引发大火造成的。从事故的后果来 看，单靠隧道的防火安全设计以及火灾探测，还是很难避免火灾造成人员和财 产伤亡。 所以，需要开发隧道实时交通状态风险评价机制，在事故尚未发生、但有 一定征兆( i ：i - & h 车辆运行风险增大) 的时候，就能够采取措施来避免事故的发 生。这种前摄性的事故避免系统，不仅能够直接减免高速公路隧道事故造成的 4 第1 章绪论 生命死亡，同时，还能避免由于事故造成的频繁拥堵引起的经济损失。而且， 鉴于隧道事故的严重性，如果能够在一定程度上预判事故的发生，提前采取交 通诱导、控制措施，减少隧道事故的发生，其重要的社会效益和经济效益不言 而喻。 在过去的十年里面，一些研究已经致力于开发预测事故可能性模型以用于 实时的高速公路管理系统。这类研究的前提是认为事故发生之前是有一定征兆 的，研究者多采用事故数据回归方法，建立事故征兆参数和事故率之间的回归 关系，具有代表性的模型有o h 等人、加拿大的l e e 等人各自建立的特定的交通 流事故征兆参数和事故率关系。不过，k o c k e l m a n 等人采用加利福利亚高速公路 数据得出的结论是，作为事故征兆参数的速度或者速度变化量和事故之间没有 显著关系。可以看到，对于实时交通状态风险评价机制的研究还有待探索，本 文就是在前人研究的基础上展开相关讨论，以期能够取得一定的成果。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道事故调查研究 由于隧道的行车不同于一般路段，所以，在进行隧道事故预测模型研究的 时候，首先需要研究隧道事故的特点，这方面，国内外的学者已经有不少成果 可以参考 9 】【1 0 1 。 日本的研究认为，隧道内的交通事故率低于洞外的一般开阔路段，但如果 隧道内发生事故，其产生的后果远远要比发生在洞外公路严重，尤其是发生隧 道火灾，因为隧道的密闭空间不仅限制了热量和烟雾的消散，其不利的通达还 减缓了救火和人员营救措施的开展。研究认为，保障隧道安全可以从两方面着 手：降低隧道事故发生的可能性以及降低事件( 例如火灾或者交通事故) 造成 的后果严重性。前者的措施包括改善隧道设计，规范隧道内的交通规则并严格 执行，加强隧道内设施的装备、维护和保养，后者包括设置紧急安全设施和防 火设施。 挪威有近9 0 0 座公路隧道，由于隧道数量众多，并且其安全引起了媒体的 争议，所以，挪威公路局( t h en o r w e g i a np u b l i cr o a d sa d m i n i s t r a t i o n ) 在1 9 9 8 年做了关于隧道交通事故的研究。研究的结果表明，隧道和高标准的现代公路 5 第1 章绪论 一样安全，只是，在隧道的入口处事故率要高一些，在隧道内发生的事故的要 比普通露天路段的更为严重。在五年时间里面，6 6 的隧道没有发生事故( 以官 方报道为基准) 。和十五年前类似研究比较，该次研究显示隧道事故率有了显著 下降( 隧道进口段从0 8 6 下降到0 2 6 ，隧道内部段从0 1 7 下降到o 1 1 ) 。研究认 为事故数的大量减少在于隧道入口段设计、安全标志以及隧道照明三方面的改 善。研究还表明同一行驶方向的多车事故( 追尾和换车道碰撞) 在公路隧道内 的事故中出现的比例较高。 国内也有不少学者对高速公路隧道的交通事故进行了研究【l l 】- 【1 5 】。 陈以银对某高速公路的1 2 座隧道的6 5 起交通事故进行了分析，发现交通事 故大都发生在隧道入口1 0 0 - - 2 0 0 m 路段，占事故的9 2 3 ( 6 0 起) ，并有8 0 发生 在白天。雨天事故高发，占2 9 6 7 ( 5 4 起) ，而洞外其他路段雨天事故率为1 8 6 4 。 事故多以车辆侧滑撞墙( 占4 0 ) 和侧滑撞车( 3 0 8 ) 为主。事故多发生在超 速行驶的小客车和小型货车上，占6 9 。研究认为事故发生的原因有二：司机 疲劳驾驶、反应不灵敏或超速行驶，以及隧道内照明设施开启不足；洞内混 凝土路面摩擦系数过低，洞外采用沥青路面，洞内外摩擦系数存在较大差别。 吴德兴对国内外的双管隧道和单管隧道的交通事故率进行了对比，认为双 管隧道的安全性是单管隧道所不能比拟的；曲线的隧道线性设计更加安全，因 其能够减少行车的单调性，汽车之间的间距更容易判断，蜿蜒的照明光带和明 亮的墙面更具诱导作用。通过浙江的隧道调查，在行车速度大于6 0 k m h 的高速 公路隧道，采用水泥路面的隧道交通事故发生率大大高于采用沥青路面的洞外 路段，2 0 0 1 年调查的所有隧道交通事故均发生在水泥混凝土路面里，沥青路面 几乎无事故发生。 王和、王海航分析了浙江省隧道交通事故的特点，将其分为五个方面：一 是超速行驶是造成隧道交通事故主要原因；二是追尾碰撞是隧道交通事故的主 要事故形态；三是极易发生连环撞车从而引发特大交通事故；四是隧道交通事 故处置要求高危险性大；五是因隧道内外路面质量不一致，路面摩擦系数下降， 导致车辆碰撞隧道壁刮擦和侧翻。 沈艾中从隧道交通事故着手分析，探讨了隧道交通事故的成因，认为造成 隧道交通事故多发的主要原因有：隧道内大量尘埃、废气凝聚造成路面摩擦系 数低；隧道内外明暗对比度大；缺少防护栏等安全防护设施；烟雾浓度高能见 度低，照明不科学等等。从隧道的设计、管理上提出有效地预防和减少隧道交 6 第1 章绪论 通事故发生的措施。 叶飞、苏臣宏对公路隧道营运特点及营运中的安全隐患作了介绍，隧道的 边墙效应及明暗适应性、隧道通风、隧道照明、隧道水害和隧道救助疏散等营 运特点对交通安全有着重要影响。他们以美国的隧道事故数据说明了车速的限 制能够降低交通事故率，同时，还指出当前隧道监控多为检测事故或者异常的 被动监控，如果采取以预防为主的主动监控更能保障隧道安全。 通过上述国内外学者对隧道事故的研究，将隧道事故的特点以及影响隧道 事故的一些客观因素简要总结如表1 3 。对比一般的高速公路段，隧道进出口处 的光照和摩擦系数的变化是影响隧道事故的特殊因素，而隧道内部的边墙效应 也对驾驶员行车造成心理影响，所以，在对隧道进行实时交通状态风险评价的 时候，需要考虑到这些因素。 表1 3 隧道事故特点以及其客观影响因素 事故特点客观影响因素 事故后果严重 隧道封闭结构 以追尾、撞侧墙为主 出入口事故较多光线、路面摩擦系数的变化 1 2 2 与隧道相关的安全研究 ( 1 ) 隧道进出口安全性研究f 1 6 1 1 7 】 杨彦峰以隧道出入口的线形安全性评价为研究对象，提出了反应隧道出入 口线形特征的线形连续性指标，还提出适用于隧道进出口的线形安全评价指标 ( 车速差、加速度) 及其标准，通过线形连续性指标与车速差、加速度的回归 分析，基于车速差与加速度的评价标准，提出了隧道出入口线形的设计要求。 马玉成根据隧道进出口亮度过渡特征，建立了隧道进出口照明过渡安全性 评价模型，并提出了评价标准。通过行车动力学分析，提出了隧道进出口路面 摩擦系数标准和特殊天气条件下的车速控制标准。 ( 2 ) 与驾驶员相关的隧道行车安全的研列1 8 】【1 9 】 荷兰应用科学研究组织( t n o ) 研究了驾驶员在隧道中行车的驾驶行为， 认为隧道的特殊设计在很大程度上影响着驾驶员的行为以及主观安全感。隧道 设计上的影响因素包括隧道的长度、类型、宽度，隧道路线曲线的数目、曲度 以及波动情况，还有照明情况。同时，在隧道内产生的幽闭恐惧也会影响驾驶 7 第1 章绪论 员的行为，这表现在驾驶员临近隧道时会感到紧张，集中注视着隧道入口，降 低车速，将车开得远离隧道壁，所以，在隧道口车辆经常出现横向移动。 以色列的g e v av a s h i t z 等人研究了公路隧道内车载信息系统的应用，以期能 够提高车辆在公路隧道内行驶的安全性。g e v av a s h i t z 等人模拟了三种情形的隧 道驾驶：车载系统显示高信息量，车载系统显示少量信息以及无车载信息系统。 通过对比，他们发现通过信息系统，驾驶员能够改善其速度控制，但是由于该 系统导致的分心，有时候很难保持在车道上的稳定性。结果还显示，驾驶员觉 得该系统很有用，该系统并没有加大驾驶员的精神负担，驾驶员能够对其信息 很好地做出反应，所以，尽管该系统会造成驾驶员分心，但驾驶员仍然希望从 该系统能够得到比较大的信息量。研究者得出的最终结论认为，较多情报的显 示能够提供给驾驶员信息，从而减少开车经过隧道产生的心理上的不安和烦躁， 而且安全相关的信息本身也有助于提高隧道行车安全，与此相比，该系统造成 的一定程度上的分心并不要紧。 ( 3 ) 隧道运营风险评价 2 0 】【2 1 】 目前采用的隧道风险分析方法有两类，一类是确定性安全评价( d e t e r m i n i s t i c s a f e t ya s s e s s m e n t ) ：分析和评估隧道中可能发生的事故造成的隧道使用者伤亡和 隧道构筑物损失结果。另一类是概率统计安全评价( p r o b a b i l i s t i cs a f e t y a s s e s s m e n t ) ：分析隧道中发生的事故造成的隧道使用者伤亡和隧道构筑物损失结 果以及这些事故发生的频率。p i a r c 的统计了各国所采用的隧道风险评价方法 及其使用目的，如表1 4 。 表1 4 各国采用的隧道风险评价方法及其使用目的 加拿大 法国 英国荷兰瑞十美国 定性风险分定量风险分定性风险分概率风险分概率风险分概率风险分 评价方法 析析析析析析 确定性分析确定性分析确定性分析确定性分析 确定性分析 比较或者分评价危险货基于设计的安全措施的通过合理方最小化火灾 级 物运输的风风险评价；可接受性评 法来达到较 相关的人员 险事故反应程 价；事故反应高的安全标和财产损失； 目的 序的优化； 程序的优化； 准 为逃生提供 规范危险物建立安全目足够的条件 品运输标 第1 章绪论 荷兰应用科学研究组织( t n o ) 开发了对公路隧道设计进行安全水平评价 的定量风险分析模型，模型包括了所有可能的事故类型交通事故，火灾， 隧道维修时的事故等，该模型不仅用来确定隧道设计内在的风险，而且还给出 了安全措施调整的最佳方案，使得隧道设计达到必要的安全水平。该模型已经 用于荷兰的一些公路隧道设计。其评价过程如图1 2 。 析： 图1 2t n o 隧道安全等级评价流程图3 i 瑞士在研究多起隧道交通事故以后，对本国可以接受的风险程度进行了分 r = 厂( 只是) 9 ( 式1 1 ) 第1 章绪论 其中：尺风险； 尸发生事故的概率； 矗危害程度。 以此提出了专项标准作为制定相关安全设施的依据。对于一般性事故发生 概率 1 4 次百米隧道年认为可以接受，而对于死亡人数超过l o 人或直接经济 损失超过5 0 ，0 0 0 ，0 0 0 瑞士法郎的大事故或大灾难，其发生的概率划分为三个 区域，即可接受区，采取措施可接受区以及不可接受区。 韩直等人对隧道异常进行了分类，其中有一类是交通事故，包括单车事故 和多车事故。单车事故一般因为操作不当( 如车速过快、照度不足看不清障碍 物等) 或机械故障造成，多车事故除具有单车事故的原因外，更重要的原因是 对车辆间的侧向间距或纵向间距估计不足。根据刹车距离计算方法，韩直认为 尾撞交通事故的概率可以通过车流平均车速的方差、车速的极差( 统计间隔内， 最大车速与最小车速之差) 、车流密度3 个车速来反映，并且提出了速度预警法 和密度预警法。前者根据实时监测的速度数据计算速度偏斜指数，据此来调整 限速标志；后者根据实测的交通量和平均速度，反算车流密度和车辆之间的间 隔，将其与某一设定安全间隔比较，若小于安全间隔则视为不安全，应降低限 速标志限速值。 以上国内外提出的与隧道相关的安全评价或者风险评价，除了韩直等人的 研究，其他的都是基于静态数据( 隧道基础设施指标、道路线形指标等) 或者 说是周期比较长的事故、交通调查数据，其研究目的是作为隧道安全设计或者 安全设施的实施标准以及整改依据。所以，这些评价方法并不能直接用于隧道 的实时风险评价，但是，在这些隧道风险评价模型中，涉及了很多影响隧道运 营安全的因素，将隧道行车安全和一般的高速公路行车安全区分开来，而这一 点，韩直等人建立的预警模型中是没有充分考虑到的。 可见，基于隧道交通流的实时动态数据，进行隧道运行风险评价，为隧道 的动态运营管理提供支持是一个比较新的研究内容。而且以实时动态数据为基 础的高速公路交通流风险评价在国外已经开始研究，可以借鉴相关经验，结合 隧道的自身特点，建立隧道交通流运行风险评价模型。 1 2 3 交通流风险评价研究嘞】_ 【3 刀 王晓飞采用实时安全可靠度确定方法表征路网管理单元运营安全性：表示 1 0 第1 章绪论 在一定的交通、气候和道路环境下，车辆能够保持安全运行的概率。实时安全 可靠度确定方法根据交通流状态不同而不同，自由流下采用模糊综合评判的方 法，主要考虑道路设施因素、交通工程及沿线设施因素和环境因素；非自由流 下实时安全可靠度包括静态安全可靠度和动态安全可靠度，静态安全可靠度仍 采用模糊综合评判方法，动态安全可靠度以单车行车风险为基础，采用可靠性 图能分析方法。 杨志清以来自于多个空间地点、多种检测器的信息为依据，综合考虑道路、 交通、气象因素，采用数据融合技术进行处理与判断，建立了高速公路路网实 时运行状态的风险性评价模型。由仿真试验发现，基于数据融合的高速公路实 时风险性评价模型能够对高速公路实时变化的天气、交通条件下的运行风险性 进行评价，并且评价的结果与实际情况有较好的相关性。 蒋锐分析高速公路基本路段的行车危险性，认为运行速度和减速度体现了 车辆运行的潜在危险性，用其作为车辆安全评价指标。采用改进的加法分析法，。 不同的速度或者制动减速度对应不同的权重系数。测得车辆的行车状态( 速度 和制动减速度) 即可计算得到车辆的行车危险系数，再按照危险系数范围划分 为安全、较危险和很危险三个等级( 见表1 5 ) 。考虑到车辆行车过程中状态是 不断变化的，不同时刻对应不同的危险系数，采用单位时间内通过某路段的所 有车辆的行车危险系数均值来评价该路段的行车危险性。 表1 5 危险系数等级表 项目危险等级 安全较危险很危险 危险系数范围0 2 4 02 4 m 4 0 04 0 0 - - 9 o o 减速度( m s 2 ) 肚_ 6 6 - - 7 7 8 运行速度( k m h ) 6 0 1 2 01 2 0 1 4 01 3 肚1 4 0 王琰通过分析路段行车风险和相邻路段运行车速差，对交通流运行安全性 进行评价。参考事故率评价标准的制定方法，根据路段行车风险与交通量的关 系模型，得到不同交通量下的行车风险预测值，定量的将路段的行车风险划分 为四个等级。同时，引入模糊逻辑理论，对相邻路段运行车速差进行分析，将 交通流运行安全性分为四个等级。再根据上述路段行车风险的分析和相邻路段 第1 章绪论 运行车速差的分析，建立了交通流运行安全性指标评价模型。 胡功宏在实时的交通流状态安全性评价中，用高速公路感应线圈检测器检 测出的交通流参数数据结合现场调查资料、交通事故资料进行分析，得到事故 死亡人数与平均车速的关系以及运行车速差与事故率的关系，关系式表明：随 着平均车速的增大，高速公路的交通事故率显著增加：不同车型间的车速差异 越大，车速的离散性越大，单位时间内发生的事故次数也越多。据此，研究者 提出了基于车速和车速离散性的高速公路运营安全性评价指标一高速公路行车 风险指数：选取车速变异系数、天气条件、小时交通量、平均车速因素为模型 自变量，预测事故率为因变量，建立高速公路自由流与非自由流混合交通状态 下实时的行车安全评价模型，根据模型计算得到的预测事故率，定义了行车风 险指数，建立的高速公路行车风险标准如下表所示： 表1 6 高速公路交通流状态安全性评价标准 事故率f ( 起亿车公里)行车风险指数安全性等级 f 之8 8 6 9t r j 1 5优 8 8 6 9 9 k 1 2 5 1 l1 5 9 r i 2 0 良 1 2 5 1 l 旦k 1 8 4 7 92 0 9 r i 2 h 1 安全 h 咒+ s 一& 2 h 2较安全 0 s + s s b sh3 较危险 e4 - s s b 0 4 危险 注：h 为车长； s 为前车a 刹车时两车的车头间距。 v o ：1 0 0 0 - 2 h p ( 式3 4 ) 0 2 7 8 p t 。 k ：型( 式3 5 ) 1 0 2 7 8 p t 吒：坠 (式36)02 7 8 - ，= 一 ，可1 厶l p t 、7 其中：p 路段实时车辆密度( v e l h ) ； 平均车长( m ) ； f 驾驶员的反应时间( s ) ； 从临界速度的计算公式可以发现，跟车状态时，临界速度与车辆密度成反 比。当车辆密度较大时，交通流应该保持较低的速度比较安全；当车辆密度较 小时，交通流可以保持较高的速度行驶而并不影响行车安全。 2 ) 安全制动距离方法【4 3 】 同济大学的黄晓清提出了等效跟驰距离f d e 的概念，其含义是跟驰前后两 车都制动停止时两车之间需要保持一定的距离。这一概念将前后车辆的距离和 速度差异结合在一起，同时还考虑了路面摩擦系数等因素对事故风险性的影响。 具体的计算公式见下式： 脚= 0 2 7 8 ( v l 咖) + 戋高屯 ( 式3 7 ) 第3 章高速公路隧道交通流实时行车风险模型框架 其中： 巧：前车车速( k m h ) ；：后车车速( k n 沛) ； h ：车头时距( s ) ；t ：后车驾驶员的反应时间( s ) ； 厂：路面摩擦系数； g ：道路纵坡； 三：前车车长( m ) 。 当f d e s o 时，表示前后两车存在着潜在的危险，且f d e 负值绝对值越大， 表示两车存在的危险性也越大。为了要获得某一路段的行车安全性，将路段潜 在事故风险总值( 路段上所有f d e 值小于零的车辆的f d e 值之和) 除以通过该 路段的车辆数得到的平均每车潜在事故风险值f x 来代表这一路段的行车安全 性。根据高速公路的服务水平，将道路安全性分为五个等级，见表3 2 。 表3 2 不同安全指标f x 时的道路安全分级表 安全指标f x 之- 77 1 11 1 1 51 5 1 8 1 8 道路安全性安全较安全 一般 较危险 危险 安全等级 l2345 3 ) 临界加速度方法【删 基于跟驰理论，同济大学的张小东对行车风险做了如下的假设：( 1 ) 在前 后车车速相同的情况下，车辆之间车距越小，行车之间行车风险越大；( 2 ) 在 前后车车距相同的情况下，车辆之间车速差越大，行车风险也越大；( 3 ) 车辆 的车速越大，则行车风险也越大，在单车的情况，当车辆车速超过允许车速或 者期望车速，则随着超出值的增加而增加。行车风险指数的具体计算步骤如下： a ) 从行车状态获取前车车速k ( f ) 、后车车速圪+ 。( f ) 、两车车g gl ( t ) 三个 参数； b ) 把上述三个参数代入公式3 1 ，得到临界加速度值； a 斛l = 7 以o ) 一以+ l ( f ) 一心+ l ( f ) 丁一三 + 【2 屹( f ) 2 3 v , + l ( f ) 2 】6 ) 【匕+ l ( f ) + 3 】 ( 式3 8 ) 式中：a n + l 后随车在经过反应时间后不发生追尾碰撞的临界加速度r n s 2 ； v n ( f ) 、v n + l ( f ) 前后车辆在t 时刻的车速，m s ； x 。( f ) 、x 州( f ) 前后车辆在t 时刻的空间位置，m ； r 反应时间，一般取1 s ； 三_ 停车以后的安全间距，取值为0 5 1 5 m 。 3 9 第3 章高速公路隧道交通流实时行车风险模型框架 上式是美国早期的u t s c 1 限制跟驰模型，模型假设前车采取紧急制动行 为，后车在经历反应时间t 后，不发生追尾碰撞时，后车采取的临界加速度值。 c ) 根据表3 3 风险指数对照表，查取临界加速度值对应的行车风险指数。 表3 3 不同加速度下跟驰风险指数对照表 加速度( m s 2 ) 3 0 2 0 3 0 1 0 2 05 1 02 5l 2 s l 跟驰风险指数 o124 68l o d ) 引入平均风险水平的概念，即总行车风险同交通辆的比值，作为路段行 车风险的评价标准。 g 一- - 筮盥 ( 式3 9 ) q 式中：，= 平均风险水平，1 v e h ； 一、n i = 不同的风险等级以及该类风险等级出现的频数； q = 总的交通量，v e h 。 总结上面三种单车风险评价方法，可以发现，虽然三种单车风险评价方法 使用的风险评价标准并不相同，但计算风险时都采用了相同的微观交通流参数： 前后两车各自的车速、前后车辆之间的距离或者车头时距。 采用跟驰理论进行风险评价，其优点是有一个比较客观的评价标准，其风 险评价模型的建立不依赖于现实的交通流运行状况以及交通流采集数据的可靠 性。需要指出的是，后面两种方法涉及的单车风险需要获得道路上面每辆车以 及同一时刻其前方车辆的车速，其现场实时确定是有难度的。就这个问题，张 小东提出视频采集技术可以得到单车瞬时速度，但目前应用的视频识别技术大 部分是为了进行事故或者事件识别，并不能满足在复杂的非自由流情况下进行 车速高精度识别的要求，其可行性有待探索。 3 1 1 3 受扰风险和单车风险评价的比较 交通流受扰风险评价方法是寻找出能够表示交通流受扰状态的参数，将其 与现实事故数据联系起来，采用的方法就是利用常见的数学统计模型进行的回 归分析，最终建立事故预测模型，利用采集到的实时动态交通流数据预测事故 第3 章高速公路隧道交通流实时行车风险模型框架 率，进而判定风险的大小；基于单车风险的路段风险评价方法是采用比较经典 的车辆跟驰模型，计算跟驰状态下单车的紧急制动距离或者临界加速度，用这 些数值来表示车辆运行的潜在风险，再采用平均风险的概念来表示路段的行车 安全性。 1 ) 客观性 交通流受扰风险评价模型的参数选择过于依赖数据，前述已经提到，这还 可以从o h 在选择参数的时候看出来，o h 比较了正常状态和事故前交通流状态 下各个参数的分布差异性，认为差异越大的越能表征交通流的受扰，最终o h 选 择了速度标准差。很显然，参数的选择完全决定于研究者选择的交通流数据样 本。相比之下，单车风险模型选择的表示风险大小的参数具有一定的理论基础， 其说服力更强。 2 ) 可操作性 交通流参数的选择是建模过程的一个首要环节，但在参数选择同时还需要 考虑到风险评价模型的应用环节，交通流受扰风险评价模型在应用上要优于单 车风险评价模型，这是因为前者所采用的交通流参数都可以通过布设在车道上 的车辆检测器直接检测得到，而后者采用的是微观交通流参数，需要比较先进 的单车车载安全系统或者高准确度的视频检测装置，目前在国内可行性有待验 证。 3 ) 内涵 从风险的概念来看，受扰风险和单车风险考虑的侧重点不同，正因为如此， 两者在风险的描述上都不是很全面，但恰好可以相互补充。从表征受扰风险的 参数可以看到，这类风险是由于车辆之间速度等方面的差异引起了交通流不稳 定状态，但它忽略了运行状态差异较小的车辆之间也可能有潜在的高风险，例 如，车