雾霾对上海高速公路交通安全的影响分析

高广阔，宋 皓，陈 康，吴光健，袁华隆，潘 韵，刘荣蔚

GAO Guangkuo， SONG Hao， CHEN Kang， WU Guangjian， YUAN Hualong， PAN Yun， LIU Rongwei

（上海理工大学 管理学院，上海 200093）

(School of Management, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

0 引 言

2013 年以来，长三角地区雾霾已经作为生产粗放型增长以及生活方式废气排放的伴随问题困扰了社会各界多年。目前学术界已经对雾霾的成因、防治，以及其对健康、生态、旅游等产生的影响进行了较为全面的研究。宋晓锋（2017） 指出，长三角地区的雾霾污染物质排放源主要为燃煤源、机动车源、道路尘、建筑施工尘和生物质燃烧源等[1]。由于上海的人口密度以及车流量远高于周边城市，且周边工业企业较多，雾霾相对也比较严重，盛小星、叶春明（2017） 通过集对分析法对上海、南京、杭州、合肥四个城市的雾霾进行了风险评估，得出上海市雾霾风险等级高于其他三个城市的结论[2]。在雾霾的影响方面，甄泉、方治国等（2019） 指出雾霾空气中部分病原菌的相对丰度增加，致病力会显著增强[3]。汪聪聪、王益澄等（2019） 研究得出长三角城市人口集聚、研发投入、产业结构、工业烟粉尘排放及城市建设均对雾霾污染产生正向影响，对外开放、能源消耗以及降水等因素对雾霾污染产生负向影响[4]。含大量有害物质的霾不仅对人类身心健康、生态环境造成巨大的危害，也对交通出行带来安全隐患。龚䶮、张杰（2015） 运用路网模型得出雾霾程度越严重、影响区域范围越大，交通数据缺失率越高，越不利于交通安全，同时污染物排放越多的结论[5]。近年来，长三角地区的汽车保有量不断上升，雾霾的存在给长三角城市的交通管理带来了挑战，因此探究长三角雾霾对交通道路安全的影响意义重大。本文将以上海绕城高速（G1503） 东南环的浦星东主线断面流量为基础，从交通拥挤度的角度探究雾霾对上海市交通道路安全的影响。

1 雾霾对交通道路安全的影响机理

雾霾主要从对交通环境和交通行为两个方面会对道路交通安全产生影响。

1.1 对交通环境产生影响

当出现雾霾天气时，城市道路或高速公路的交通环境会发生变化，从而增加了交通道路安全隐患。与普通大雾天气相比，雾霾的主要污染物为停留在空气中的颗粒物（PM2.5 和PM10），这些颗粒物主要是SO2等污染物在大气中发生反应形成。王勇、刘严萍（2015） 指出空气湿度与大气中的颗粒物是导致能见度下降的主要因素，并且大气中的水汽变化与PM2.5 等颗粒物的变化有明显的正相关性[6]。在空气湿度较大时，空气中的气溶胶（PM2.5） 会很容易凝结大气中的水蒸气，从而出现能见度下降的现象，因此，湿霾相较于干霾天气对能见度的影响要更大。雾霾中的气溶胶分为6 类，包括“清洁海洋型（CM）”、“沙尘型（DU）”、“大陆污染型（PC)”、“大陆清洁型（CC）”、“污染沙尘型（PD）”和“烟尘型（SM）”等（马骁骏等，2015）[7]。不同种类的气溶胶拥有不同的光学厚度，因此其消光能力也不尽相同。孙冉、王鸿宇等（2017） 在观察2013 年上海雾霾现象时发现，PD 和SM 气溶胶是导致大气消光能力变化的主要因素，此类物质增多时，大气能见度会受到较大影响[8]。

能见度的下降会恶化交通环境，从而对司机形成一定的干扰，因此雾霾等恶劣天气会极大增加交通安全风险。丁德平、尹志聪（2011） 在研究京津冀高速交通事故时发现，在月际尺度上，当能见度较低时，伤亡人数会相应增加[9]。当在空气湿度较大的时候出现雾霾天气时，附上水汽的颗粒物会严重阻碍光线进入司机的眼界，从而使得司机的视野受到限制，孙冉（2017）在观察上海雾霾时发现，当处于干霾天气时（相对湿度28%～79%），随着雾霾程度不同，道路能见度主要在1.25km 至9.46km之间，当处于湿霾天气时（相对湿度85%～90%），道路能见度最低只有330m。当能见度低于500m 时，司机无法准确判断路况以及与前车的距离，甚至无法判断路牌标志，从而带来严重的交通隐患：如果车速过快，会很容易出现追尾、侧翻，甚至是连环相撞等事件；如果周围车流较为复杂，交通会很容易因为车速较慢而出现拥堵。因此，雾霾对交通环境造成的影响值得人们重视。

图1 雾霾对交通安全影响机理

1.2 对交通行为产生影响

在影响交通环境的同时，雾霾还会从心理方面对司机的驾驶行为以及出行行为产生影响，从而增加交通安全隐患。李聪颖、黄一哲等（2015） 发现，在雾霾天气中，出行者对待雾霾天气的态度是影响其出行行为的主要因素。而心理状态的解释力大于生理状态[10]，雾霾天气会通过影响驾驶员心理来间接影响其驾驶行为，并增加了交通安全隐患。从驾驶员的驾驶行为角度来看，雾霾天气能见度下降时，处于跟驰状态中的司机对车速、车距的反应敏感性会发生改变。高坤、涂辉招（2017） 研究得出，司机在雾霾天气时会采取更加积极的加速反应来紧随前车，同时又更加谨慎地采取减速反应避免碰撞[11]。但是处于高度紧张状态中的司机在遇到突发情况时，反而可能会出现操作失误，酿成事故。从私家车主出行方式的角度来看，考虑到雾霾会对人体健康造成极大的损害，雾霾天气的出现会改变私家车主原先既定的出行方式。原先采用步行或非机动车方式出行的出行者在雾霾天气时会尽量采取驾驶私家车或公共交通工具的方式出行，以尽量减少与雾霾的直接接触，也正因为如此，机动车数量的增加会提高公路的交通复杂性，从而使道路拥堵更加容易发生，并且大大提高了发生交通事故的可能性。雾霾对交通安全影响机理如图1 所示。

2 计算方法与基本假设

本文将以上海绕城高速（G1503） 东南环的浦星东主线断面流量为数据基础，道路服务水平为理论基础，以探究雾霾与交通安全的关系。

2.1 道路服务水平

本文拟从交通拥堵的角度探究雾霾与交通道路安全的关系。为了衡量高速公路的拥挤程度，这里将根据《公路工程技术标准》，以道路服务水平（ V/C ）来表示。道路服务水平通过路面的实际交通量与实际通行能力之比来综合反映，高速公路服务水平越高，则交通需求持续提高，行驶车辆受别的车辆的影响也更加严重，从而增加了堵塞的可能性，提高了安全事故的触发率。道路服务水平用公式来表示为：

2.2 基本通行能力（CB ）计算

基本通行能力是指在道路在理想的交通环境下，连续在道路某一条车道或某个断面上能够通过的最多车辆数。根据徐吉谦（1989） 的《交通工程总论》，道路基本通行能力的计算公式为[12]：

CB为基本通行能力（pcu/h）；t0为车头最小安全时距（s）；l0为车头最小间隔（m）；v 为行车速度（km/h）。

t 为司机反应时间（s）；l反为司机在反应时间内车辆行驶的距离（m）；l制为车辆的制动距离（m）；l安为车辆间的安全距离（m）；l车为车辆平均长度 （m）。

高速公路的基本通行能力与设计速度的关系可参照表1。

表1 高速公路基本通行能力与设计通行能力 单位：pcu/h/ln

2.3 实际通行能力（C） 计算

实际通行能力是指道路在实际的交通环境下，连续在道路某一条车道或某个断面上可能出现的最大交通量。其计算方式为[13]：

式中：C 为实际通行能力（pcu/h）；CB为基本通行能力（pcu/h/ln）；fw为宽度修正系数，此处假设为标准路宽，fw=1；fp为侧面净空修正系数，此处假设为标准侧面净空，fp=1；fHV为重车修正系数。

其中：

2.4 实际交通流量（SF ）计算

实际交通流量是指在现实中，道路的某一点或某一断面在单位时间里通过的最大交通流量。其计算方式为：

式中：SF 为实际交通流量（puc/h）；DDHV 为小时交通流量（puc/h）；AADT 为日交通流量（puc/day）；K 为小时交通量系数；D 为方向系数；PHF为高峰小时系数。

2.5 基本假设

（1） 假设上海绕城高速设计速度为100km/h，其基本通行能力为2 100pcu/h/ln。（2） 假设上海绕城高速为标准宽度及侧面净空，宽度修正系数fw取1.0，侧面净空修正系数fp取1.0。（3） 根据蔡氧（2016） 研究，假设通过上海绕城高速东南段的小型车、中型车、大型车、拖挂车占比分别为34.2%、7.9%、5.2%、52.7%[13]，根据式（4），重车修正系数fHV为0.466。（4）假设小时交通量系数K 取0.12，方向系数D 取0.6，高峰小时系数PHF取0.96。

根据以上假设，上海绕城高速东南路段的道路服务水平计算公式为：

3 数据处理与结果分析

3.1 模型构建

为了验证雾霾天气的出现会对高速公路道路安全隐患产生影响，本文假设雾霾指数与道路服务水平存在线性关系，并建立模型：

其中：Y 表示高速公路道路服务水平，X 表示雾霾指数，μ 表示扰动项。

3.2 数据采集与处理

本次研究以真气网空气质量在线监测分析平台公布的2018 年上海雾霾指数为数据基础，按照空气质量指数将数据分为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染五类，并从五类数据中各随机抽选三组数据。以上海绕城高速（G1503） 东南环浦星东主线的断面流量为基础，依据式（6），将原数据进行处理，从而获得了15 组道路服务水平数据。这里将对该路段的左上行道路服务水平分别进行线性拟合，并采用最小二乘回归法分析雾霾与道路服务水平的关系。

上海绕城高速东南环浦星东主线的下行方向道路服务水平经一元线性回归后所得结果如图2 所示。二者关系为：Y=0.68562+0.00064X，决定系数R2为0.107，由于本组数据分布较散，模型拟合效果不佳，经过F 检验，P 值为0.24，说明两个变量之间的线性关系并不显著。可以看出，该路段的道路服务水平与雾霾指数呈明显的正相关性，雾霾指数越高，该路段的道路服务水平数值越高，但是同样可以发现该线性影响并非十分显著。

上海绕城高速东南环浦星东主线的上行方向道路服务水平经一元线性回归后所得结果如图3 所示。二者关系为：Y=0.78759+0.0060X，决定系数R2为0.146，模型拟合效果不佳，经过F 检验，p 值为0.159，两个变量之间并不存在非常明显的线性关系。与下行方向类似，该路段上行方向的道路服务水平与雾霾指数呈明显的正向关系，但是二者并没有非常显著的线性影响。由于同一路段的上下行方向路况相似，因此该结果有一定的代表性。

3.3 结果分析

图2 浦星东主线下行方向道路服务水平与雾霾的关系

图3 浦星东主线下行方向道路服务水平与雾霾的关系

经过以上数据分析可以发现，在雾霾天气下，该路段的道路服务水平有明显的提升。根据我国的高速公路服务水平分级（如表2），该路段下行方向在PM2.5 指数较低的情况下，服务水平处于二级至三级，可以正常通行不会产生拥堵，在雾霾指数较高的情况下，服务水平处于三级至四级，产生拥堵的可能性较大。因此得出结论，雾霾天气的出现会导致该路段道路服务水平提高，从而增加了交通拥堵的可能，并增加了交通道路安全隐患。

表2 高速公路服务水平分级

数据分析结果同时也表明，雾霾指数对交通道路安全的影响并不显著，这个结论与Chao Wang（2009） 在研究英国M25 高速公路交通事故时得出的结论相似，雾霾指数会引起交通流量的变化，并进一步影响交通拥堵以及交通安全，但是该影响并不明显。然而，尽管该影响并不显著，雾霾对高速公路交通安全依旧有很大威胁。首先，雾霾的形成会致使高速公路的道路服务水平降低，从而使得道路容易出现交通拥堵，并进一步增大出现突发性交通事故的概率。其次，根据交通波理论，当发生交通事故时，事故发生地将成为瓶颈路段并产生集结波，使得上游车辆密度逐渐增加。朱家明（2014） 在研究交通事故对道路通行能力影响时根据相关数据指出，事故发生地上游车辆车速会随着事故发生时间的推移逐渐降低，相应横截面的通行能力也会逐渐下降[15]。余贵珍 （2012） 在研究两车道事故交通影响模型时，得出事故的最长影响距离为Lmax= （tB- tA）×W32×W21/ （W32-W21），如图4，其中Lmax指事故最长影响距离，tA指事故发生时间，tB指车道被清理时间，Wij指不同时段的交通波。当处于雾霾天气时，一方面，司机的谨慎驾驶心态会导致交通波提高；另一方面，雾霾天气（尤其是重度雾霾天气） 会影响事故在场人清理车道，导致清理时间增加，这两种因素会导致交通事故的影响距离出现延伸。事故影响距离的增加会引起更大面积的交通拥堵，从而增加了该路段出现二次事故的可能性。总而言之，尽管雾霾对该路段的交通道路安全影响不显著，但是其产生的蝴蝶效应（如图5） 所存在的潜在风险依旧需要引起管理者的重视。

图4 事故影响路段内的排队过程[16]

图5 雾霾的蝴效应

本文尚存在一些不足值得进一步探究。由于交通拥堵情况的出现往往是多个条件共同作用的结果，Afaq Khattak（2019）提出了一种基于相位型分布的离散事件仿真（DES） 框架，不同设计参数设置下的PHD-DES 框架性能评估结果表明，车辆到达率、到达区间的平方变异系数（SCV） 和车道数对多车道公路的视距有较大影响[17]。雾霾并不是影响道路的唯一因素。经过分析总结，本次研究尚存在以下几点不足：（1） PM2.5 浓度并不是降低大气能见度的唯一因素，除PM2.5 外，空气湿度对大气能见度也有重大影响，而本次观察并没有考虑到空气湿度的因素。（2） 车辆组成对道路服务水平也会产生影响，本次研究对该路段的车辆组成进行了统一假设，但是事实上每天的车辆种类组成是会发生改变的。（3） 本次研究选取的雾霾数据来自于上海市的整体统计，但是不同方位的雾霾浓度肯定有所区别，比如沿海地区由于风速较大，雾霾消散速度较快，但是市中心地区的雾霾消散较慢。（4） 近年来，由于政府的高度重视，上海市的污染企业迅速减少，雾霾情况已经大为改善，2018 年全年出现重度污染的天数只有三天，而轻度及中度雾霾并不会对道路能见度产生太大影响，因此重度雾霾天气数据的稀少也会导致拟合效果不佳。

4 结 论

本次研究从多个方面针对雾霾天气对交通道路安全的影响机理进行了较为全面的分析，并从道路服务水平的视角探究了雾霾天气对高速公路交通安全的影响，通过总结分析，可以得出了以下结论：（1） 雾霾会通过降低空气能见度影响驾驶环境，从而导致交通拥堵概率提高，增加交通安全隐患；同时，雾霾还会通过影响人们的出行行为对交通道路安全产生影响。（2）雾霾与高速公路道路服务水平有正向相关性，PM2.5 浓度越高，则道路服务水平越高，从而提高了道路负荷度，使得安全隐患增加。（3） 雾霾对交通道路安全的线性影响不明显。交通道路安全受到多方面因素影响，探究交通道路安全应对这些因素进行全面的考量。（4） 尽管结果表明雾霾的线性影响并不显著，但是雾霾对交通道路安全存在的潜在威胁依旧值得有关部门予以重视，管理者需要在雾霾期间加强高速公路的安全管理，减少交通事故的发生。