基于事故特征耦合影响的城市道路交通事故影响分析*

何雅琴 邹家翠

（武汉科技大学汽车与交通工程学院 武汉430065）

0 引 言

随着城市车流量的增大，城市交通事故频频发生，引发交通拥堵甚至交通瘫痪。交通事故和交通拥堵之间相互作用、相互影响，突发性的交通事故会造成原本畅通运行的交通变得时走时停，甚至是停车，严重者会造成寸步难行，同时，交通拥堵之后，车辆需要频繁不断的加减速度和变换车道，如果道路使用者再注意力分散或者驾驶技术经验不过关，很容易引发交通事故，从而造成城市道路交通拥堵的恶性循环。交通事故的发生对城市道路的影响是不可忽略的，并且不同的交通事故特征对道路的影响也是不同的，比如交通事故占道数目、交通事故时长、上游路段的车流量等，为了缓解交通事故造成的交通拥堵，提高救援效率，研究不同事故特征下交通事故的影响是十分有必要的。

目前国内外对交通事故的影响也进行了大量的研究。如，Watanbe 等[1]研究了日本东京大都市快速路通行能力的影响因素；Martin Fellendorf 和Peter Vortisch[2]基于Vissim仿真软件，结合不同真实情况下的道路、环境、交通等条件，验证以Vissim 作为仿真平台的可行性；Younshik Chung 等[3]通过大量统计数据，运用解析法研究了对向车道发生交通事故时，司机在好奇心驱使下观察对向车道事故从而引起所在车道通行能力的降低。其研究表明“好奇心观望”在7 个通行能力影响因素上统计显著，这些因素包括事故反方向车道占有率水平、事故持续时间、在事故中最大拥挤的时间、长度方向、大车率、事故受伤人数以及事故是否发生在夜晚；He Yixuan[4]对车道占用模型的通行能力进行了分析，在研究中分别建立了基本道路通行能力公式、路边行人及非机动车辆换算公式、修正公式、实际通行能力计算公式；Fan Yilin 等[5]对城市车道占用和道路通行能力模型进行了研究，通过对交通事故场景的分析，获得车辆单位时间内的数据，在此基础上进行计算和模拟并建立通行能力模型；Sakai[6]根据实证方法，结合道路使用者对城市快速路交通运行所作的客观评价来分析与研究城市快速路服务水平；张海军等[7]通过运用Vissim软件来对异常事件下的高速公路进行了仿真，分解交通事故发生之后局部道路的交通状态的演变，进而分析了在各个阶段下交通事故点通行能力，并将交通事故发生位置、交通事故性质、事故车道宽度、事故点上游的交通量大小以及现场交通运行秩序归纳为影响交通事故点通行能力的重要因素；陈昊和陆建[8]利用Vissim仿真软件，建立高速公路基本路段及交通事故模型，分析不同输入交通量、大小车比例下，事故路段的车辆延误和平均排队长度随时间变化的规律；汪滢[9]、程学庆等[10]也通过应用Vissim中的停车场工具来等效的模拟交通事故的发生，并进一步对事故条件下的交通流进行了分析；刘伟铭和梁雪[11]运用Vissim仿真建立高速公路典型路段交通事故模型，分析不同阻塞车道数、阻塞车道长度、大车比例和交通事故持续时间下，交通事故点断面流量随时间的变化规律；施俊庆[12]利用仿真软件Vissim 对不同堵车车道数、上游到达量和交通事故持续时间下的高速公路交通事故进行仿真，并以延误和队列长度作为运行效率的衡量指标，得到堵车车道数、上游达到交通量和交通事故持续时间和衡量指标之间的定性关系；何雅琴等[13]将城市交通事故对交通的影响与水波涟漪类比，借助水波原理，提出交通影响系数概念，并界定其作为交通影响程度的评价指数；游月省[14]在对交通事故条件道路通行能力的研究中，将仿真分析法和修正系数法综合运用到道路通行能力的中，并结合车流模型和换道规则，进行了仿真；于玲等[15]对交通量、上下游交叉口、下游路口转向比例、支路对于封闭不同车道时的道路实际通行能力是否存在不同影响进行逐一分析，并进行Vissim仿真验证，最终发现封闭车道1和2时的实际通行能力要好于封闭车道2和3时的实际通行能力的原因是因为支路的作用；张小安[16]运用Vissim 软件对交通事故进行模拟设置，并进一步探讨了驾驶行为参数及其在交通事故前后的变化情况，以单向3车道快速路基本路段为例，研究分析了在不同占道数目、占道长度及事故时长下通行能力的变化，得到了不同交通事故条件下的通行能力折减系数。

综上所述，国内外在交通事故影响研究方面取得了较为丰富的成果，主要是对事故下道路通行能力的影响的研究，在分析交通事故影响因素时大多分析某单一影响，并且大多数研究对象是高速公路或快速路交通事故。但是城市道路路网条件和高速公路存在一定的差异，不能直接引用已有成果进行分析，因此，考虑了不同事故特征耦合影响，对城市道路交通事故进行分析，以期为城市道路交通事故下的交通疏导提供一定的决策依据。

1 分析方法

1.1 交通事故仿真模型建立

采用Vissim 仿真软件对交通事故进行模拟，Vissim中的停车场工具可以将停车场的开放时间设置成只在一段时间内可以有效，这与需要模拟的是开始一段时间交通流正常运行，某一时刻交通事故发生并且事故车辆占道等候处理，经过一段时间后事故清除的情况相一致，故利用软件中的停车场工具来模拟交通事故的发生是比较合适的，也是能够实现的。仿真模拟见图1。

图1 交通事故模拟图Fig.1 Traffic accident simulation

1.2 道路条件和事故类型的设定

假设交通事故发生在某城市道路上，该道路路段长度为750 m，道路为双向6 车道，车道宽度为3.5 m，无中央分隔带。交通组成为小汽车92%，公共汽车6%，载重型车辆2%，速度区间设置为40～50 km/h。路段上的事故点方向由西向东，距离上游进口道450 m处，事故发生时刻在第1 200仿真秒时，不考虑交叉口的影响。

1.3 影响因素设定

1.3.1 交通量

事故点上游车流量的大小决定了事故在发生后事故道路是否有足够的通行能力满足上游车辆的通行。由国内外的研究成果可知，对于1 条道路的理论通行能力，取1 500 veh/h[17]。则3 车道的设计通行能力为4 500 veh/h，仿真输入流量依据城市道路服务水平等级（A～F）进行选取，在每一服务水平内选取3个流量，分别为边界值和中间值，所取交通量见表1。

表1 仿真车流量取值Tab.1 Value of simulated traffic flow

1.3.2 占道情况

事故发生后，事故车辆会占据不同的车道，这会大大降低城市道路的通行能力，造成拥挤排队现象。在道路模型中，从道路外侧到内侧依次标记为车道1、车道2、车道3，根据占道数目的不同分为占据车道1、占据车道2、占据车道3、占据车道1 和2、占据车道1和3、占据车道2和3共6种不同的占道情况。由于此次道路单方向共3 个车道，如若事故将道路全部堵死，后续车辆将无法通行，这种情况太过极端，因此在这里不考虑同时占据车道1/2/3 这种情况。

1.3.3 事故持续时间

事故持续时间是指是事故检测时间、事故响应时间和事故处置时间的总和，与事故类型，严重程度、交通条件等因素有关，不同事故持续时间对交通事故的影响也不同，王文博等[18]用决策树ID算法计算出不同类型事故的持续时间，本文选取事故持续时间为15 min和20 min这2种情况进行分析。

1.3.4 借道超车

当无中央分隔带的道路上（特别是内侧车道）发生交通事故引发车辆排队时，经常会看见部分车辆自发地利用对向车流空隙，借助对向车道超车逆行通过事故点，即车辆属于无序行驶。笔者针对此现象，对借道超车进行一定的仿真分析，可以为该方法用于交通事故交通疏导的适应性研究提供一定的依据。

2 结果分析

2.1 流量和占道情况耦合下的交通事故影响分析

以事故持续时间15 min为例，分析流量和占道情况耦合下的交通事故影响，根据仿真结果绘制折线图见图2。

图2 不同流量和不同占道情况下的车辆平均延误Fig.2 Average vehicle delay under different traffics and occupation conditions

图2 中，显然，事故车辆占据的车道数越多，延误越大；且随着流量的增加，车辆延误也逐渐越大。

在占据1条车道的3种占道情况下，在车流量小于等于3 400 veh/h（D级服务水平）时，车辆平均延误没有太大的差别，占据车道2 的车辆延误要略小于占据车道1 和占据车道2 的延误，在车流量处于3 400～4 000 veh/h 之间，即D 级服务水平时，车辆延误显著增加，这是由于事故车辆占据车道使得道路的通行能力降低，随着车流量的增加，车辆间的车头间距逐渐减小，车辆没有充足的时间和距离自由变换到可用车道，事故路段的通行能力越来越不足以满足上游车辆的交通需求，使得上游车辆出现排队停滞现象，车辆延误大大增加，当车流量达到4 100 veh/h（E 级服务水平）后，车辆延误的变化趋势趋于平缓，说明达到了事故路段所能承受的最大交通量。另外，当车流量大于3 400 veh/h 后，占据车道2 的车辆延误开始大于占据车道1 和占据车道3的车辆延误，这是由于随着车流量的增大，事故路段的通行能力无法满足上游车辆的需求，造成了排队现象，排队车辆需要变换车道绕过事故车辆，交通流中左、右转向车比例的大小，也是影响延误的因素之一，无论是左转还是右转，车速都远低于直行车，特别是左转车，而对于占据车道2 的占道情况，车辆需要进行左转和右转这2 种超车方式的选择，势必会对车辆延误造成影响。

在占据2 条车道的情况下，在车流量处于1 900～2 700 veh/h 之间，即B 服务水平时，车辆延误显著增加，当车流量达到2 700 veh/h（B 级服务水平）后，车辆延误的变化趋势也都趋于平缓，同理，这是由于事故占据2 条车道的情况下，道路通行能力的损失更为严重，使得事故路段所能承受的最大交通量降低。而3种占道情况的车辆延误在趋于平稳前（流量达到2 700 veh/h）没有太大差别，但是平稳之后，占据车道1 和3 的车辆延误要小于占据车道1 和2 以及占据车道2 和3 这2 种情况，这是由于占据车道1 和2 与占据车道2 和3 这2 种情况下有1条事故车道上的车辆会被另外1 条与正常车道相邻的事故车道上的排队车辆阻隔，使这条车道上的车辆难以换道，甚至只能原地等待，而占据车道1和3 这种情况，位于内外两侧事故车道上的车辆均可以换道到中间车道上，因此这种情况的延误会小一些。

2.2 流量和事故持续时间耦合下交通事故影响分析

以占据车道2和3为例，分析流量和事故时长耦合下的交通事故影响，结果见图3。

图3 不同流量和不同事故时长下的车辆延误Fig.3 Vehicle delay under different traffics and incidentdurations

从图3 可以见，事故持续时间较长的车辆延误要大于事故持续时间较短的车辆延误，这与已有的研究结果是相同的。不同的是，在本文的结果曲线趋势中，可以看出车辆延误在不同流量下的变化情况，当车流量在2 700 veh/h 及以下（B 级服务水平以上），车辆延误随车流量的增加而增加，在车流量大于2 700 veh/h时，车辆延误的变化比较小趋于平稳的状态。在2 种不同的事故持续时间下，车辆延误也都在车流量到达到2 700 veh/h（B 级服务水平）后趋于平稳，这是因为事故车辆占据车道使得道路的通行能力降低，随着车流量的增加，事故车道车辆变换车道的难度增大，致使出现排队和停滞现象，在达到事故路段所能承受的最大通行能力后，车辆的延误也就趋于平稳了。

2.3 流量、占道情况和事故持续时间耦合下交通事故影响分析

分析不同流量，占道情况和事故持续时间耦合下的交通事故影响，结果见图4。

图4 不同流量、不同占道情况及不同事故持续时间下的车辆平均延误Fig.4 Average delay of vehicles under different traffics，occupation conditions，and incident durations

从图4 可知：无论事故持续时间为15 min 还是20 min，车辆平均延误都是随流量的增加而增大，最终趋于平稳，在现有研究中也有这一规律，相同占道情况下2 种不同事故持续时间下车辆延误趋于平稳所对应的流量是相同的，占据1 条车道车辆延误在流量为4 000 veh/h（D 级服务水平）之后趋于平稳，占据2条车道的车辆延误在流量2 700 veh/h（B 级服务水平）后趋于平稳；根据图4 中事故持续时间15 min 和20 min 的仿真结果对比可以看出，2种情况下的曲线图变化趋势基本是一致的，因此事故持续时间对车辆延误的影响效果是基本相同的。

2.4 借道超车下的交通事故影响分析

借道超车一般多见于交通事故车辆占据内侧车道，因此本文主要针对事故占据车道3和占据车道2和3这2种情况下借道超车进行交通仿真分析，仿真运行图见图5。

图5 借道超车仿真运行图Fig.5 Simulation operation of tailgating and overtaking

此种情况下，不能简单考虑事故方向车辆延误，应该综合考虑双向车辆延误，用d表示，见式（1）。

式中：d为双向车辆平均延误，s；Q1为事故方向交通量；Q2为对向交通量，veh/h；t1为事故方向车辆平均延误，s；t2为对向车辆平均延误，s。

用借道和不借道2种情况下的双向车辆平均延误差Δd作为借道交通影响进行分析

式中：Δd为双向车辆平均延误差；dn为不借道时的双向车辆平均延误；d0为借道时的双向车辆平均延误。

为了方便起见，将各级服务水平下的流量对应的延误差进行了加权平均，根据各级服务水平的双向车道平均延误差进行分析。

当事故占据车道3时，结果见图6。

根据上文对车辆延误加权差值的定义，可以得出，Δd越小，代表借道超车的双向车辆平均延误和不借道超车的双向车辆平均延误越接近，说明借道超车的效果越来越不明显。从图6（a）可见，随着对向道路服务水平的降低，双向车辆平均延误差值在不断减小，借道超车的效果在逐渐降低，这是由于车辆在超车时需要足够的超车空间才可以进行，当对向道路的服务水平越来越低时，这意味着对向道路的车流量越来越多，车辆之间的车头时距减小，车与车之间的空隙减小，此时事故道路上的车辆可进行超车的空间减小，使超车难度增大，甚至无法进行超车行为，因此这种情况下也不建议进行借道超车。

图6 占据车道3时借道超车时的延误Fig.6 Delay of tailgating and overtaking in lane 3

当事故道路的服务水平为A/B/C级时，对向道路服务水平无论高低，双向车辆平均延误差值都接近“0”，这说明在这种情况下，事故道路有足够的能力在发生事故后满足上游车辆的需求，借道超车与不借道超车的效果基本一样，因此不需要借助对向车道进行超车。当事故道路服务水平在D/E/F 级时，双向车辆平均延误差值有了较为明显的变化，从图中可以看出，当对向道路的服务水平为E/F级时，双向车辆平均延误差值较小，说明对向车流量的增大使借道超车的难度增大，借道超车的效果不明显，因此不适合进行借道超车；当对向道路的服务水平为A/B/C/D 级时，双向车辆平均延误差值较大，说明借用对向车道超车的效果较为明显，可进行借道超车。根据对图6（b）的曲线分析，可以看出，图6（a）的规律对其也适用，这也再次证明了事故持续时间对车辆延误的影响规律是相同的。另外，在图6（a）和图6（b）中，事故道路服务水平为D/E/F 级时的双向平均车辆延误差相较于服务水平为A/B/C级时较大，在上节的分析中，占据1 条车道时，服务水平为D级时的车辆延误增幅较大，服务水平为E/F级时车辆延误的变化趋于平稳，与之是相对应的。

当事故车辆占据车道2和3时，结果见图7。

图7 占据车道2和3时借道超车时的延误Fig.7 Delay of tailgating and overtaking in lanes 2 and 3

从图中可看出，与事故占据车道3时一样，无论事故持续时间的大小，随着对向道路服务水平的降低，双向车辆平均延误在降低，超车难度增大。无论事故车道服务水平的高低，当对向车道服务水平为D/E/F时，双向车辆平均延误差值都比较小，借道超车与不借道超车的效果没有太大差别，可选择不进行借道超车；当对向道路的服务水平为A/B/C级时，双向车辆平均延误差值较大，说明借道超车的效果较为明显，可进行借道超车。另外，在可借道超车的情况下，当事故道路服务水平为B/C/D/E/F级时，双向车辆平均延误差均较大，与2.3的分析一致，当事故占据2条车道时，车辆延误在B级服务水平增幅最大，在服务水平为C/D/E/F级时的变化趋于平稳相对应。

根据图6 和图7 可见，在不同的占道情况下，占据2 条车道的双向车辆平均延误差要大于占据1 条车道的双向车辆平均延误差，说明事故占道数目越多，借道超车的效果越明显。

综上所述，事故占据车道3时，当事故道路服务水平为A/B/C级，或者事故道路服务水平为D/E/F级，对向道路服务水平在E/F级时不适合借道超车；当事故道路服务水平为D/E/F级，对向道路服务水平在A/B/C/D级时，适合进行借道超车。事故占据车道2 和3 时，事故道路服务水平无论高低，对向道路服务水平在D/E/F 级时，不适合借道超车，对向道路服务水平在A/B/C级时，适合进行借道超车。

3 误差分析

笔者运用Vissim仿真软件建立交通事故模型并对各种事故因素对交通的影响进行了分析，由于仿真软件设置条件的限制，不能完全模拟出实际交通中的各种状况，因此仿真结果与实际情况会产生一定的误差。

3.1 流量和占道情况耦合下的仿真误差分析

本文中只设计了部分的交通流量输入，并不全面，并且为了仿真的便利，交通流量的输入都为整数，这与现实情况存在一定的差异，但是根据各个不同流量下交通延误绘制的曲线可以得到整体的变化趋势；在交通事故占据不同车道的情况下，只仿真了1种占道长度，实际状况中事故车辆可能会占据不同的道路长度，仿真不够全面。

3.2 流量和事故持续时间耦合下的仿真误差分析

同样，在对交通事故持续时间的选择上，只对15 min和20 min这2种情况进行了仿真，与实际情况相比过于局限，不够全面。

3.3 流量、占道情况和事故持续时间耦合下的仿真误差分析

除了上述影响之外，仿真模型也会带来一定的误差，如驾驶员行为、车速分布、换道行为、让行规则等参数的设置，这些参数根据经验来设置，与实际中的行为可能会有一定的出入，这也会带来一定的影响。

3.4 借道超车下的仿真误差分析

事故路段车辆的借道行为会对对向道路的车辆产生较大的影响，在仿真中，关于借道超车的模型设置较为理想，默认对向道路车辆主动让行借道超车车辆，但在现实情况中如若没有交警的协助则无法保证这一行为，若对向车辆不让行，那么借道超车的效果也就会降低。

文中只考虑了交通事故这1 种紧急状况，在现实中可能会遇到更多的突发的状况，比如：洒水车，绿化车辆等缓行车辆会对道路上其他车辆的的行驶造成一定的影响；恶劣的天气情况也会对车辆行驶产生影响等。虽然通过仿真无法模拟出与现实完全相符的交通状况，但是通过大量运用仿真软件进行的研究中可以看出，仿真虽然会带来一定的误差，但误差是在可接受的范围之内的，因此仿真结果的趋势是正确的，结果是具有可行性的。

4 结束语

1）随着流量的增加，车辆延误逐渐增大；事故车辆占据的车道数目越多，事故持续时间越长，车辆延误越大，对道路通行的影响就越大；在相同占道情况下，不同事故持续时间下的车辆延误随流量变化的趋势大体是一致的；占据1条车道时，服务水平为D级（流量在3 400～4 000 veh/h）时的车辆延误增幅较大，服务水平为E/F 级（即车流量在4 100～4 500 veh/h）时车辆延误的变化趋于平稳，事故占据2条车道时，车辆延误在B 级（车流量在1 900～2 700 veh/h）服务水平增幅最大，在服务水平为C/D/E/F 级（即车流量大于等于2 800 veh/h）时的变化趋于平稳。

2）通过仿真分析了在事故发生后借用对向车道进行超车这一方法的适用性。事故占据车道3时（最内侧车道），当事故道路服务水平在D/E/F 级，对向道路服务水平在A/B/C/D级时，适合进行借道超车。事故占据车道2和3时，当对向道路服务水平在A/B/C 级时，无论事故道路服务水平如何，借道超车均有利于减少路段车辆延误。

3）仍存在一定的不足，如在事故持续时间上的选值较少，且未考虑事故路段两侧交叉口的影响，这将有待于下一步的深入研究。