基于交通冲突技术的城市快速路合流区交通安全评价

张 鑫，张卫华，冯忠祥，陈 乾

(合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009)

随着经济的迅速增长和城市化的快速发展，城市快速路作为城市道路的“主心骨”，承载着城市内的大部分交通量，而作为快速路的重要组成部分之一的合流区，既是普通道路与快速路连接的主要节点之一，又是普通道路上车辆进入快速路的唯一通道，交通状况较为复杂，容易形成瓶颈造成交通拥堵，甚至引发交通事故。频发的交通事故使得城市交通安全形势日益严峻，一方面人们的生命和财产安全受到严重威胁，另一方面快速路性能受到限制，极大地影响了其通行效率和安全性[1-2]。为此，对城市快速路合流区交通安全进行评价意义重大。

目前国内外学者对城市道路交通安全评价已有一些研究。在早期，学者们针对城市道路交通安全评价的方法主要是通过统计分析大量的交通事故数据并定性分析影响交通安全的因素，再利用相应的数学方法对交通事故数据与各影响因素间的关系进行建模，从而得出相应的交通安全等级[3-8]。但该评价方法存在一些不足之处：①所需交通事故数据量大；②数据统计工作量大且繁琐；③评价周期较长且由于交通事故的发生具有随机性，评价结果的可信度不高[9]。由于具有周期短、信度高等优点，交通冲突技术已逐步成为交通安全领域中一种重要的交通安全评价技术，深受国内外学者的青睐[10-12]。相关研究[13-16]表明，基于交通冲突技术的城市道路交通安全评价方法能够较好地改善交通事故安全评价方法的不足，可以替代交通事故安全评价法对城市道路交通安全进行有效的评价。如Chin等[14]研究了交通冲突技术在交通安全评价方面的应用，并与传统的事故数据统计方法在交通安全方面的应用进行了对比，归纳总结出交通冲突技术可以有效替换基于事故数据统计方法的传统城市道路交通安全评价方法；常玉林等[17]采用交通冲突技术对镇江市镇大公路上8个交叉口的交通安全进行了评价，评价结果符合实际情况；李金花等[18]以通行效率、交通冲突数作为评价指标，对城市道路交叉口的交通安全进行了评价。

目前已有的研究都是整体分析城市某段快速路的交通安全，对于不同交通需求下的交通安全状况缺乏考虑，而城市快速路合流区交通状况复杂，不同交通需求下的交通安全状况不同，采用整体分析结果来评价城市快速路合流区的交通安全就显得不够全面。综上考虑，本文按工作日和非工作日的高峰(早、晚高峰)、平峰进行划分，共6种情形，通过VISSIM软件对城市快速路合流区交通状况进行仿真实验，并采用SSAM软件从仿真实验数据中提取交通冲突数据，再利用以交通冲突率为指标的模糊评价法对城市快速路合流区的交通安全进行评价，以期对快速路交通安全保障具有一定的指导意义。

1 合流区交通流数据采集与分析

1.1 数据的采集与处理

采用四旋翼飞行器(即无人机)采集城市快速路交通流数据，无人机中搭载高清相机和高精准三轴稳定云台，以保证在高空飞行的情况下拍出平稳的交通流视频。经过对合肥市多条快速路进行实地调查，选择南二环某立交的南侧合流区为交通流数据采集地点，利用无人机分别采集了平峰和高峰(早、晚高峰)时段交通流视频，该合流区具体几何特征见图1。

图1 数据采集实际路段示意图Fig.1 Schematic diagram of the actual road section for data acquisition

为了从无人机拍摄的视频中获得相关的交通流数据，以便于统计分析，需要对视频做进一步的处理。归纳起来，整个视频处理过程分为两步：①利用Matlab程序将视频按每帧转化为一张图片，保存到相应的文件夹中；②利用图像捕捉技术，从转化的图片中捕捉车辆的轨迹坐标(时空坐标)，再按照帧数与实际时间的关系(30帧/s)，获得相应的速度、交通量等数据。

1.2 数据的统计分析

为了更好地分析城市快速路合流区的交通状况，首先通过统计和筛选提取到的数据，分别获得了该快速路合流区主线和入口匝道每5 min的交通量数据以及合流区主线断面速度和合流区主线车道速度的数据，然后依次对这些数据进行分析，相应的分析结果见图2、图3和表1。其中，图2中横坐标时间间隔数0～12表示平峰时段，13～24表示高峰时段；图3中的合流区主线断面速度是指将全长280 m的合流区以10 m为单位划分为28个小路段，计算车辆通过每个小路段的平均速度，以平均速度作为合流区主线断面速度；表1中的合流区主线车道速度是指车辆从合流区起点驶入相应车道到驶出合流区(此时车辆不一定还行驶在原车道)的平均速度。

表1 快速路合流区主线车道速度标准差Table 1 Standard deviation of vehicle speed in main lane of the confluence area of expressway

图3 快速路合流区主线断面速度分布Fig.3 Section speed distribution of main line of the confluence area of expressway

图2 快速路合流区主线和入口匝道每5 min的交通量Fig.2 Traffic flow per 5 minutes between the main line and on-ramp of the confluence area of expressway

由图2可见，无论在平峰期还是在高峰期，该快速路合流区主线与入口匝道交通量的变化趋势基本相同，即入口匝道交通量的增多使得合流区交通量大幅度增长，表明从入口匝道驶入主线的车辆会对合流区主线车辆造成影响，是导致合流区交通拥堵的一个主要因素。

由图3可见，无论在平峰期还是在高峰期，随着入口匝道车辆逐渐驶入合流区，为避免发生碰撞，主线车辆需要减速，因而车辆通过每个小断面的速度会不断降低；相对平峰期来说，早、晚高峰期车流量较大，车辆前后跟弛密集，因而通过合流区主线断面速度的变化幅度较小；但总的来说，该快速路合流区主线断面速度的变化幅度不大，表明在已有的限速条件下，驾驶员会较好地调整车速在一个较为安全的水平，因而此时车速对行车安全的影响较小。

由表1可知，无论在平峰期还是在高峰期，车道2与车道3的速度标准差相差不大，而车道1的速度标准差远大于前两车道的速度标准差，表明车辆合流对第一车道车辆行驶速度的影响较大，其主要原因是第一车道离入口匝道和合流加速车道最近，车辆经入口匝道汇入合流区主线时，首先要驶入主线第一车道，因此会较大地影响第一车道车辆的行驶速度。

综上分析，车辆合流很大程度上会影响到快速路主线，不利于行车安全，因此对快速路合流区进行交通安全评价是有必要的。

2 合流区交通冲突仿真实验

基于以上分析，不难发现交通流是影响城市快速路合流区交通安全的主要因素，但由于实际交通冲突数据不易采集，为了更好地评价城市快速路合流区交通安全状况，基于采集到的实际交通流数据，采用VISSIM软件对城市快速路合流区进行仿真实验并导出相应的数据，再结合SSAM软件提取合流区交通冲突数据。

2.1 基于VISSIM的交通冲突仿真分析

VISSIM软件是由德国PTV集团开发的基于时间间隔(以1/10 s为时间步长)和驾驶行为的微观交通仿真软件，该软件中将驾驶员分为保守型和激进型两类，仿真实验中由于两类驾驶员在跟车行驶过程中的表现会不一样，其结果也会不一样。周俊昌等[12]对VISSSIM软件中跟弛模型的选择做了较为详细的分析，最终采用Widemann99跟车模型，该跟车模型可以很好地体现车辆行驶过程。因此，本次仿真试验中也采用VISSSIM软件中的Widemann99跟车模型。

SSAM软件是美国联邦公路管理局(FHWA)基于交通安全替代评价模型开发的一种新的交通安全评价软件[19]，该软件通过处理VISSIM软件导出的trj格式文件来提取交通冲突数据，其中两个主要参数或指标分别是距离碰撞时间(Time-To-Colli-sion，TTC)和后侵占时间(Post-Encroachment Time，PET)，依据这两个指标可以判断车辆间是否发生冲突，并依据冲突角将交通冲突划分为正向冲突、变道冲突和追尾冲突3类，具体的SSAM软件工作原理见图4。

图4 SSAM软件工作原理Fig.4 Working principle of SSAM software

基于交通冲突技术的交通安全评价方法所采用的评价指标为交通冲突率，而城市快速路合流区交通冲突的评价指标不仅包含交通冲突数，还要考虑合流区长度和交通量，为了较为客观地评价城市快速路合流区交通安全水平，综合考虑交通冲突数、合流区长度和交通量，并结合相关研究[12]结果，定义城市快速路合流区交通冲突率为交通冲突数与合流区长度和交通量乘积的比值，具体表达式如下：

(1)

式中：f为城市快速路合流区交通冲突率[次/(pcu·km)]；FTC为有效仿真时间内的交通冲突数(次)；q为城市快速路合流区小时交通量(pcu)；l为城市快速路合流区长度(km)。

2.2 基于实际案例的仿真实验

在工作日期间，由于外出工作的需要，出行人数较多，导致城市道路交通量较大;相比之下，在非工作日期间，出行人数相对较少，城市道路交通量相对较小，但这不能说明交通冲突数与出行人数之间会呈线性关系。为了较为客观、真实地评价城市快速路合流区的交通安全水平，按照工作日和非工作日的早、晚高峰及平峰设计仿真实验方案，共设计6种方案，以合肥南二环与徽州大道南侧某段快速路合流区为例，按照仿真实验方案以及前述交通流数据采集方法来采集实际道路交通流数据，并采用实际道路交通流数据对VISSIM软件的相关参数进行标定，具体仿真实验方案和参数的标定值见表2。

表2 实验方案和参数值的标定Table 2 Test scheme and parameter calibration

按照实际道路交通流数据和跟车模型对VISSIM软件的参数进行标定后，先进行预仿真实验调试，待调试结束后，进行正式仿真实验，依次获取6组情形下的仿真交通冲突数据文件，再利用SSAM软件提取出相应的交通冲突数。对于SSAM软件中距离碰撞时间TTC和后侵占用时间PET这两个主要参数值的选取，本文采用已有相关文献[20-21]给出的结果，依次为1.5 s和5.0 s，而对于划分交通冲突类型的冲突角，则选择该软件的默认值。

3 合流区交通安全综合评价

3.1 模糊综合评价法

本文采用模糊综合评价法对城市快速路合流区交通安全进行综合评价。该评价方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价，具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。其具体实施步骤如下：

(2) 确定评语等级论域。取C={c1,c2,…,cm}为根据评估对象做出评估结果所组成的集合，其中cm表示第m个评价等级，且每个评价等级与相应的模糊子集一一对应。

(3) 建立模糊评价矩阵。为了评价各个因素对所评价对象的影响，需要对各个影响因素进行量化，即根据前两步分析的结果，确定单个影响因素对应的模糊子集的隶属度(R|xi)，从而构建相应的模糊评价矩阵R:

(2)

式中：rij表示第xi个评价对象因素与之对应的第cj个评价等级模糊子集在单方面的隶属度。

(4) 合成模糊综合评价结果向量。利用合适的算子将P与各被评事物的R进行合成，得到各被评事物的模糊综合评价结果向量E:

E=P·R

=(e1,e2,…,em)

(3)

式中：ej表示第xi个评价对象因素与之对应的第cj个评价等级模糊子集在整体上的隶属度。

3.2 快速路合流区交通安全综合评价

模糊综合评价方法的应用较广泛，尤其在安全评价方面的应用较多，如何衍兴等[22]利用模糊综合评价法对建筑施工现场的安全性进行了综合评价；周俊昌等[12]利用交通冲突技术，并结合模糊综合评价法对高速公路的安全状况进行了评价；朱博雅等[23]通过使用模糊综合评价法，从交通服务水平、交通危险控制和施工对周边环境的影响三个方面对高速公路改扩建工程作业区域的交通安全进行了评价；朱小红等[24]利用模糊评价数学模型对城市道路交通安全进行了评价；杨建超[25]基于以往研究，重新选择评价指标，构建了新的模糊评价体系，并结合实际案例对该评价方法进行了验证。

本文利用模糊综合评价法对快速路合流区交通安全进行综合评价。根据模糊综合评价法的具体步骤，首先确定评价对象的影响因素为交通冲突率f，即将交通冲突率f作为唯一的评价指标；然后进一步确定具体评价因素的权向量，再结合文献[12]给出的确定交通安全水平分类标准和构造隶属度函数的方法，可以确定交通安全评语等级集合和隶属度函数，具体如下：

交通安全评语等级集合为

C={相当安全，较为安全，临界安全，危险}={0.15,0.28,0.57,1.15}

(4)

交通安全评语向量为

E=max(e1,e2,e3,e4)

(5)

隶属度函数为

(6)

(7)

(8)

(9)

最后通过实验获取的交通冲突数，利用公式(1)求出交通冲突率，并依次将交通冲突率对照划分区间代入到隶属度函数公式(6)～(9)中，求出工作日和非工作日各自早、晚高峰及平峰下的隶属度，再由公式(5)求出相应的交通安全评语向量，由公式(4)确定相应的交通安全评价等级，具体评价结果见表3。

表3 城市快速路合流区交通安全评价结果Table 3 Evaluation result of traffic safety in the confluence area of expressway

4 结 论

通过对采集的城市快速路合流区交通流数据进行分析发现，车辆合流对合流区交通安全的影响较大，但反映安全程度的实际交通冲突数据难以获取。鉴于该调查数据的不足，为了获得所需的交通冲突分析特征，首先利用采集的实际交通流数据标定VISSIM仿真模型；然后通过交通仿真实验获取交通流特征数据，进而运用SSAM软件从交通流特征数据中提取交通冲突数据，并进行交通冲突分析；最后，结合实际案例，运用模糊综合评价方法分析了城市某段快速路合流区在不同交通需求下的交通冲突特征，并确定了相应的交通安全等级。

案例分析结果表明：①城市快速路合流区的交通安全评价等级与该区域的实际交通需求存在着密切关系；②上述方法能够较为准确地评价城市快速路合流区在不同交通流状态下的交通安全状况，可为后续的实际工程应用提供了一定的方法借鉴。