寒地高速公路事故应急交通组织方法研究*

巴兴强 王晓辉 荆 超

(东北林业大学交通学院1) 哈尔滨 150040) (黑龙江省交通信息中心2) 哈尔滨 150040)

0 引 言

在高寒地区，因地理条件和气候条件的特殊性，更容易引发交通事故.针对高速公路交通安全问题，相关部门和机构出台了多项高速公路应急预案，交通组织管理工作也纳入了体系，然而这些方案多重视总体体制和体系的建立，尚未形成详细的、具有地区针对性的应急交通组织方法.由于交通事故具有偶发性、突然性和复杂多变性等特点，人工决策结果容易片面，并且决策的时间长，不能达到高效救援、快速疏散拥挤车流的目标.为尽可能降低交通事故对寒地区域高速公路造成的影响，有必要对寒地高速公路事故交通组织进行研究.

1 寒地高速公路交通事故影响因素分析

寒冷地区的高速公路交通事故与其他地方交通事故相比，有着很多的共性，但是也存在着不同，主要体现在该区域的气候分布有较大差异，其冬季漫长，低温和冰雪天气较多，对道路、驾驶员、车辆都有着较大的影响[1].

1.1 道路条件

道路结冰和积雪是影响道路交通安全的一大因素，尤其是寒冷地区，这一现象更加严重.在雪天容易出现积雪时间长，积雪不易溶化，继而被车辆压实变成“玻璃路面”，气温回升之后积雪溶化会形成冰雪混合路面；在雨天的情况下，潮湿的道路表面在低冷气温的作用下容易形成冰晶，这些对道路的附着系数会产生较大影响，致使路面摩擦系数减小，刹车距离增大，从而增加了不安全因素.

1.2 驾驶员

寒冷地区的气候和驾驶环境对驾驶员的生理和心理都会产生一定的影响，首先，低温会使人的肢体僵硬，这直接影响了驾驶员的反应能力；其次，由于天气寒冷，大多数驾驶员会选择开启车内空调，这样在密闭的环境中，空调会使人昏昏欲睡，在高速公路这种长时间的行驶过程中，更容易发生事故.

1.3 车辆

制动性能是影响车辆安全性能的一大安全因素，而寒冷地区的环境对车辆的制动性能影响最大，潮湿结冰和积雪路面降低了路面的附着系数，这也就增大了车辆的刹车距离，造成车辆在紧急情况下不能有效刹车，增大了事故发生的几率.另外，车辆在行驶的过程中容易出现管线爆裂等意外情况，影响车辆的安全行驶.

2 事故持续时间预测

根据交通事故的演化过程，将交通事故持续时间分为发现、响应、处理和交通恢复四个阶段，其中，事故发现时间采用经验值法，交通恢复阶段根据事故发生时的交通量及道路的通行能力来进行计算，事故响应和处理阶段构建决策树预测模型，并在此基础之上，以双重熵平均决策树算法对该模型进行改进，预测交通事故影响持续时间[2]，为后续的交通组织提供决策基础.

2.1 基于贝叶斯的决策树模型

决策树是数据挖掘中生成分类器的一个特别有效的分类方法，它从一组无次序、无规则的事件中，推理出决策树表示形式的分类规则,见图1.决策树分类方法采用自顶向下的递归方式，在决策树的内部节点比较属性值，并根据不同的属性值判断从该节点向下的分支，在决策树的叶节点得到结论[3-4].

图1 贝叶斯决策树模型

设S是s个采集样本数据的集合，设定类标号属性有m个不同值，定义m个不同类Ci(i=1,2,…，m)；设Si是Ci的样本数量，给出既定的样本分类的期望值为

(1)

式中：pi为任意样本属于Ci的概率，可用Si/s估计.属性A具有V个不同值{ai，a2，…，av}；以属性A将S划分为V个子集{s1，s2，…，sv}.si包含s中的样本，这些样本包含A中的aj，假设A为测试属性，那么这些子集与集合S中的节点生长出来的分支相对应.设sij为子集sj中类ci的样本数量，依据A划分成子集的熵为

(2)

要想子集划分的纯度较高，熵值需尽量小，根据上式的期望计算，子集sj的期望为

(3)

式中：pij为sj|中的样本属性类ci的概率.

根据期望值和熵值可以确定对应的信息增益值，A的分支信息增益为

G(A)=I(s1,s2,…,sm)-E(A)

(4)

2.2 决策树改进

为了提高决策树的性能和精确度，在计算子集熵的时候，提出一种双重熵平均决策树改进的方法，以样本集S中的每一个分类的属性子集Ci首先计算这一属性的样子子集熵，对其进行平均化处理，以平均值为阈值，将所有子集熵进行排序，分为大于该值部分和小于该值部分，然后取前m项值，进行对应合并，以该合并的不同熵值计算信息增益值，从而达到平衡整体决策分支最优的目标.

2.3 数据获取与模型建立

以京哈高速近3年的事故数据作为分析数据源，选择事故属性相近的439起交通事故进行标定，标定数据信息见表1.

表1 标定数据信息表

通过对439组数据的分析，选择以下影响因素:①事故类型;②涉事车辆类型及数量;③影响车道数;④伤亡人数;⑤事故日期;⑥事故时间段;⑦天气;⑧是否有交警处置;⑨是否有救援车辆;⑩是否有抛撒物.各个影响因素的增益值，见表2.

表2 影响因素增益值

将各个影响因素的增益值进行排序，确定各类属性的重要程度，即可得到决策树.图2为决策树顶层设计结构图.

图2 决策树顶层结构

3 寒地高速公路应急交通组织方法

对高速公路交通事故进行分类，针对交通事故的影响范围将交通事故影响区划分为保护区、控制区和缓冲区，并将交通事故持续时间划分为不同的时间区段，制定有针对性的紧急交通组织方案[5].同时，分析各种交通控制策略，确定适合于事故后紧急交通组织的具体控制策略.

3.1 交通事故等级划分

为了制定合理的解决对策，应采取合理的分级方法对交通事故进行分级，按照交通事故的特性及影响区域，本文对高速公路交通事故进行了分级[6]，见表3.

表3 事故等级划分

3.2 保护区交通组织

保护区：高速公路交通事故发生的区域和对车辆导向进入交通事故区域.保护区分为事故发生现场区域和过度区域两个部分，其长度为

(5)

或L=0.625Wv+S(v>60 km/h)

(6)

式中：L为保护区长度，m；v为车辆速度，km/h；W为车道宽度,m；S为事故发生场地占用的道路长度,m.

保护区的交通组织以现场警戒和过渡区管制为主.

1) 现场警戒 由交警部门设置现场保护和隔离设施，并进行有效的交通疏导.利用警戒线、隔离桩等交通设施将现场区域与交通流进行分离，防止出现二次事故.

2) 过渡区管制 对于过渡区，主要以提示和警告为主，在过渡区的起点位置安放锥形桶、电子提示板等交通安全设施，及时给予路过车辆提示信息，避免车辆进入事发区域.

3.3 控制区交通组织

控制区：高速公路交通发生地点到其上游可以进行交通流分流的区域.交通分流点主要为高速公路出入匝道、立交以及高速公路的中央分隔带开口等[7].根据事故的类型和影响的大小，控制区的交通组织有以下方式:

1) 车速控制和车距控制 高速公路的通行车辆速度一般较高，为避免交通事故给高速公路的通行能力和行车安全带来影响，需要对通行车辆进行车速和行车间距的有效控制.通过设置可变情报板和可变限速标志，提醒现场附近司机采取措施，还可通过车辆网技术，将信息及时传送给较远处的驾驶者，从而达到安全快速行车的目的.

2) 利用对向车道 当本方向车流不能顺利通过事故地段，事故路段上游附近又有可以利用的中央分隔带开口，且利用对向车道不会给对向车流带来较大的影响时，可考虑利用对向车道疏散交通流.因利用对向车道会造成较大的交通冲突，引发安全问题，所以在利用对向车道时，需要设置完善的导向设施，包括线路诱导标志、限速标志、临时车道隔离设施等[8].

3) 等候通行和车队模块化通行 当事故发生区域对该流向的车流影响较大，致使通行能力骤减，车流不能顺利安全通过时，需要对车辆采取排队等候措施，或者在警车的引导下将排队车辆进行模块划分，有序通过，减少延误和排队等候时间.

3.4 缓冲区和路网交通组织

缓冲区：包括控制区以及事故路段上游能够使车辆分流的路网，其主要影响范围为事故路段上游、交通事故路段附近的路网以及重要的节点[9].

事故路段交通量Q和通行能力C是决定缓冲区交通组织的关键因素.当Q>C时采诱导和控制组织方案.

1) 诱导 主线诱导：在事故发生的高速公路上游各个出入口与及重要节点，利用可变情报板、车联网、手机信息通讯等向驾驶员发布事故信息，提醒驾驶员进行绕行.

路网诱导：当事故路段的交通需求远大于道路通行能力时，需对进入路网的交通流进行交通诱导，在更大的范围内，通过车联网技术尽早的将信息传递给驾驶员，并未驾驶提供可供选择的绕行路网信息.

2) 交通控制 车辆控制：包括限制一些型号的车辆通过，限制车流量等[10-11].主线控制：在采用诱导措施无法将车流分离的情况下，需要在事故路段上游进行强制分流，采用人工的方法将现有交通量分流到其他的道路上，从而确保主线上的交通流能够安全通过[12-13].

路网控制：路网控制主要是利用入口匝道或者立交进行控制，在上游节点车辆汇入处进行控制，对事发道路进行限流和截流[14].

4 案例分析

4.1 背景分析

黑龙江省位于我国东北部，是我国纬度最高、气温最低的边疆省份，全省年平均气温多在-5～5 ℃，冬季漫长寒冷，夏季短促.G1京哈高速(拉林河—瓦盆窑段),全长70 km，双向4车道，路面宽度23.5 m，与G102国道并行，与G102，S301，S302，G1211，G1202，G202组成交通网，见图3.

图3 京哈高速区位图

4.2 仿真平台搭建

选用vissim4.3作为仿真分析软件，选取事故路段上游的车辆平均延误以及排队长度作为评价指标.假定G1京哈高速(拉林河—瓦盆窑段)中段发生追尾事故，采用G102进行分流，同时事故保护区封闭一条车道，车辆排队通行的交通组织策略进行仿真.通过决策树预测事故影响时间为29 min.

4.3 仿真结果分析

首先在不同交通量的情况下，仿真车辆的平均延误，以确定不同的交通量对交通组织的影响，然后以相同的交通量进行仿真，确定各种交通措施下交通组织的效果，见图4～5.

图4 不同交通量的车辆平均延误

由图4可知，事故发生后，在车流量1 000 veh/h的情况下基本上对交通流影响非常小，车辆能够顺利通过，当车流量达到2 000 veh/h时，车辆延误随着时间持续增加，在事故处理结束时达到峰值，事故处理完毕后，由于交通流消散速度与集结相当，车辆延误逐渐减小；当车流量达到3 000 veh/h时，超过了道路的通行能力，事故发生后车辆平均延误快速上升，事故处理结束后，由于交通流消散速度小于集结速度，车辆延误仍呈现上升趋势，需要做分流处理.

图5 不同交通组织方式下车辆平均延误

由图5可知，在交通量为2 000 veh/h限速可以减少8%的车辆平均延误，匝道控制可以减少11%的车辆平均延误，而实行限速+匝道控制的策略，可以减少31%的延误.当车流量大于2 000 veh/h后，需要采取分流策略，借助周边路网进行分流，可有效减少交通拥堵.

5 结 束 语

交通安全问题一直是交通行业的重点研究目标，本文通过对寒地高速公路事故应急交通组织方法进行的研究，证明了双重熵改进的决策树模型可应用于高速公路交通事故持续事假的预测，用vissim仿真对现实案例进行仿真的结果也表明，通过合理的交通组织，能够有效的减少高速公路交通事故对高速公路运行造成的影响.