穿村镇公路横向干扰关键因素识别*

赵 磊 张志清 刘 豪 贺成林

(北京工业大学交通工程重点实验室 北京 100124)

0 引 言

在我国城镇化快速发展的背景下，穿村镇公路里程数有了明显的增长，但同时穿村镇路上交通事故率也在显著提高[1]，其中影响穿村镇公路安全的最关键因素为横向干扰[2].

目前，已有学者对横向干扰进行了相关的研究.Pan等[3]研究了非机动车对机动车速度的影响，并建立了速度预测模型.Hossai等[4]研究了自行车在混合交通流中所占比例与机动车速度之间的关系.研究发现，自行车比例越高，对机动车速度影响越大.任刚等[5]以单幅路为研究对象，在大量实测数据基础上，采用多因素方差法检验路内干扰对车速产生的影响，建立了综合机非干扰、对向干扰和横向干扰的实用路阻函数模型.祝站东[6]通过对不同的路侧干扰因素进行调查，利用理论分析与统计回归的方法建立了路侧干扰对运行速度的影响模型.

这些研究大多是针对横向干扰作用下的车速变化展开研究，并没有找出穿村镇公路产生横向干扰的关键的因素，以便从根本上消除或减弱横向干扰，保证穿村镇公路的交通安全.为此，本文以北京琉辛路和宁波长乐路为例，通过对沿线村镇交通特征的调查，找出穿村镇公路产生横向干扰的关键因素，并将其量化表达.

1 横向干扰定义

穿村镇公路不同于一般普通公路，除了满足正常的过境车辆行驶之外，还要为当地居民的生活、商业，以及交通活动服务，因此，为提出横向干扰的定义，将穿村镇公路与高速公路和城市道路进行比较，见表1.

表1 穿村镇公路与高速公路和城市道路比较

由表1可知，穿村镇公路与城市道路和高速公路的主要差异是，支路出口，复杂的交通组成以及杂乱路侧环境对行车的影响.

因此，综合考虑这三种影响因素提出穿村镇公路横向干扰的定义：行车道与路侧无物理分隔以及交叉口无控制的条件下，行人、非机动车、路侧停车和堆积杂物,以及支路出车对穿村镇公路外侧车道上机动车行驶过程中所造成的影响，称为横向干扰.

2 穿村镇公路横向干扰影响因素调查

2.1 交叉支路频密

选取北京市琉辛路和宁波长乐路两条典型的穿村镇公路进行分析.琉辛路不老屯镇路段起点在不老屯黄土坎村，途经燕落村，终点在不老屯镇，全长6.2 km.此路段处于村镇内部的路段占全长近50%，是典型的过境道路路段.穿村镇公路的村镇内部路段接入口频密，见燕落村路段示意图1和燕落村路段平面交叉口调查表2.

图1 燕落村路段平面交叉口示意图

表2 燕落村路段平面交叉口调查表

调查数据显示，琉辛路燕落村路段在不到860 m的路段上分布着26平面交叉口，平均不到33 m就有一个交叉口，穿村镇公路的村镇内部路段频密的交叉口增大了横向干扰，严重影响到穿村镇公路上的机动车行驶.

2.2 交通组成复杂

穿村镇公路上的交通组成与一般公路的交通组成有很大的区别，路上行人、非机动车流量大、且占整个交通组成的比例高.

通过对密云县北部五个典型由公路穿过的村镇(不老屯镇、石城镇、太师屯镇、冯家峪镇、高岭镇)进行调查后发现，当地居民的日常出行中，步行出行方式占比达35%～40%，自行车出行占比25%～30%，摩托车占比15～25%，公共交通在日常出行中占比较低，见表3.

表3 北京密云村民出行调查表

以上调查表明，居民日常活动出行方式，步行、自行车和摩托车所占比例较大(占到所有出行方式的90%左右).在过境路段上行人，自行车、摩托车以及各种车辆混行，不仅增加了横向干扰，还危及到村民生命财产安全.

2.3 路侧环境混乱

过境道路两侧通常是房屋建筑，横断面的宽度受到制约，房屋与道路之间的横向空间不足，再加之村镇内交通管理力度不足，导致道路两侧居民对道路空间的侵占.集发路和长乐路是宁波市近郊区的过境道路，道路侵占程度严重，见图2.

图2 宁波市穿村镇公路

通过对宁波市长乐路和集发路调查发现，公路两侧的村镇城镇化程度较高时，公路两侧居民对道路空间侵占更加严重.如路侧的经营性店面会侵占道路摆摊；居民将路肩当做庭院使用；小汽车、自行车、摩托车的随意停放；堆放建筑垃圾等，增加了道路的横向干扰.

通过上述的调查，可将穿村镇公路横向干扰分为静态干扰和动态干扰两大类，见表5.

表5 横向干扰因素

3 横向干扰的量化表达

3.1 横向干扰变量定义

基于对穿村镇公路横向干扰因素的调查，得到穿村镇公路上影响车辆行驶的主要因素有：行人、自行车、摩托车、农用车、路边停车或堆放杂物、路侧支路出车.同时引入横向干扰变量H：表示公路上每分钟每千米路段出现的横向干扰频数.计算公式为

H=α1p+α2b+α3m+α4t+α5g+α6c

(1)

式中：p，b，m，t，g，c分别为行人、自行车、摩托车、路边停车或路边堆积物、农用车、支路出车每分钟在观测路段出现的频数.α1，α2，α3，α4，α5，α6为各干扰因素的权重.

3.2 基于问卷调查的层次分析法主观权重标定

3.2.1层次分析法理论基础

层次分析法[7-8]的步骤包括：

1) 考虑所要研究问题包含的主要因素，分析各因素之间隶属、平行关系，建立有序的层次结构模型.

2) 同一层次的各个因素进行比较，当同层次任意两个因素进行比较时，需要对它们之间的相对重要度进行计算.

3) 计算各因素权重，对判断矩阵A计算最大特征根λmax，得到特征向量W=(w1,w2,…,wn)，其中分量wi就是第i个因素的权重.采用和积法计算，将判断矩阵A的每一列归一化处理:

(2)

将归一化后的矩阵按行相加:

(3)

(4)

4) 一致性检验，为了检验在因素比较时是否会存在自相矛盾的现象，需要对比较矩阵进行一致性检验.一致性检验的指标C.I.计算公式为

C.I.=(λmax-n)/(n-1)

(5)

查表确定平均一致性指标R.I.,见表6.

计算平均一致性指标C.R.：

C.R.=C.I./R.I.

(6)

一般认为C.R.<0.1，就可以表示判断矩阵具有较高的一致性.

3.2.2构建横向干扰评价层次结构模型

基于穿村镇公路横向干扰因素的调查成果，结合驾驶人对路侧干扰的主观感知，建立了横向干扰评价的层次结构模型，见图3.

图3 横向干扰评价层次结构模型

3.2.3调查问卷及一致性检验

在北京市密云县和山东省泗水县进行问卷调查，共发放纸质问卷63份，回收问卷60份，问卷回收率95%.将问卷整理得到60个判断矩阵，对判断矩阵进行一致性检验.以某一个调查对象的问卷得到的判断矩阵为例.

由式(2)～(4)，采用积和法进行计算，得到

W=[0.082 3 0.116 0.203 0.053 0.100 0.445]

由式(5)可得到

λmax=6.096C.I.=0.019

查表2，n=6，R.I.=1.24得

C.R.=C.I./R.I.=0.0153<0.1

因此，此矩阵的一致性通过检验.

3.2.4计算各因素权重

每个调查对象，本文认为其权重都是一样的，对60个判断矩阵进行加权几何平均得到一个复合矩阵.

利用式(2)～(4)可得特征向量W：

W=[0.096 0.119 0.198 0.077 0.126 0.384]

得到横向干扰变量各个因素权重，见表7.

表7 基于层次分析法的横向干扰变量权重标定

3.3 基于车辆横向偏移的熵权法客观权重标定

3.3.1熵权法的理论基础

熵权法是一种根据各项指标观测值提供的信息量来确定指标权重的方法，若一个指标的信息熵越小，表明该指标提供的信息量越大，变异程度越大，在综合评价中的作用越大，权重也就越大，多应用在安全分析评价等方面[9].

熵权法计算权重的步骤为

1) 设有m项观测值，n个评价指标构成的原始数据矩阵：

对原始矩阵X进行处理，得到矩阵

P=(pij)m×n

式中：pij为第j个评价指标在第i个观测值的特征比重，计算公式为

(7)

2) 定义第j个指标的熵值：

(8)

3) 对数据进行归一化处理，计算权重：

(9)

3.3.2车辆的横向偏移

采用横向偏移距离表示车辆横向位置的改变，其物理模型公式为

(10)

基于此，利用车辆的横向偏移距离作为观测值，以行人、自行车、摩托车、路侧停车或堆积物、农用车、支路出车6种横向干扰因素为横向干扰变量评价指标，计算横向干扰变量中各个干扰因素的权重.

3.3.3车辆轨迹数据的采集

利用无人机在选定路段拍摄视频.将视频导入到SIMI Motion软件，并对视频坐标进行标定，以0.04 s时间间隔对车辆位置进行逐帧拾取，获得车辆位置坐标，软件自动补充未拾取的轨迹点，形成车辆运动轨迹图.

3.3.4计算各因素权重

分别得到行人、自行车等6种横向干扰因素影响下各100条行车轨迹.利用式(9)计算得到每条行车轨迹的横向偏移距离，并找出最大值作为横向偏移距离观测值.

选用车辆横向偏移距离观测值为分析资料，分别以6种横向干扰因素为指标即为n1，n2，n3，n4，n5，n6指标，构成数据矩阵，见表8.

表8 数据矩阵

根据式(6)～(8)计算横向变量权重，见表9.

表9 干扰因素客观权重表

3.4 权重融合

根据层次分析法、熵权法两种不同的求权重分析方法对横向干扰变量中的各横向干扰因素权重进行主观赋权和客观赋权.为使权重更符合实际[10-11].用式(11)将两种方法求得结果进行融合.

wj=α1wj′+α2wj″j=1,2,…,n

(11)

式中:wj为主客观综合赋权法得到的第j个指标的权重；wj′，wj″分别是由主观赋权法和客观赋权法得到的确定的第j个指标的权重；α1,α2分别为主客观的权重，本文认为主客观权重要平等考虑，α1=α2=0.5.

因此，根据表3、表5及式(11)可得各干扰因素在横向干扰变量中所占的主客观综合权重，其中支路出车权重最大，见表10.

表10 综合权重表

4 结 论

1) 通过与城市道路和高速公路的对比，提出横向干扰的定义.

2) 对北京琉辛路和宁波长乐路两条典型穿村镇公路横向干扰情况进行实地调查，找出主要的干扰因素，并将横向干扰因素分为静态和动态两类.

3) 运用层次分析法及熵权法从主、客观对横向干扰影响因素的权重进行标定，并对权重融合，得出穿村镇公路横向干扰的关键因素为支路出车.