基于交通冲突技术的车道缩减设计安全评估研究

翟伟 邬岚 杨晟

摘 要：为研究基于中央左转车道缩减设计中交叉口的安全性，分析车道缩减后交叉口冲突特性，并建立冲突评价模型，基于车道缩减前后的仿真，通过冲突评价模型（Surrogate Safety Assessment Model，SSAM）分析冲突指标，研究车道缩减前后冲突时间、相遇时间、初始减速度、最大速度和相对速度的变化情况。研究结果表明：对于无信号控制交叉口，车道缩减前后冲突点数目变化不大，冲突点的位置有改变，车辆运行影响不明显;对于信号控制交叉口，冲突点数目大幅下降，同时车辆运行的最大速度提高了44.8%，相对速度提高了64.6%。在信号控制的交叉口采用窄马路理念的车道缩减设计，可以有效提高信号交叉口的运行效率，保证车辆通过信号交叉口的安全性。

关键词：交通工程;车道缩减;交通仿真模拟;冲突评价模型;冲突评价指标;安全性

中图分类号：U491.3     文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2021）03-0103-08

Abstract：In order to study the safety of the intersection after lane reduction based on the twowayleftturn lane， the conflict characteristics of the intersection after lane reduction were analyzed and the conflict evaluation model was established. Based on the simulation before and after lane reduction， the conflict indicators were analyzed by the conflict evaluation model （Surrogate Safety Assessment Model， SSAM）. Meanwhile the changes in conflict time， encounter time， initial deceleration， maximum speed and relative speed before and after lane reduction were studied. The research results showed that the number of conflict points at unsignalized intersections did not change much， only the location of the conflict points was changed， and the impact to the vehicle operation was not obvious. For the signalized intersection， the number of conflict points was decline significantly. Further more， the maximum speed of the vehicle operation increased by 44.8%， and the relative speed increased by 64.6%. The above results showed that the use of lane reduction design based on narrow road concept at signalized intersections can effectively improve the operating efficiency of signalized intersections and ensure the safety of vehicles passing through the intersections.

Keywords：Traffic engineering; lane reduction; traffic simulation; Surrogate Safety Assessment Model; conflict evaluation index; safety

0 引言

車道缩减是一种在道路红线变窄、道路施工或发生重大交通事故的情况下，通过减少车道数，依旧能够保持车辆正常行驶的道路横断面改造方案。该方案主要围绕“完善道路功能、改善秩序、增加人本活动空间、提升品质”等设计目标展开，通过增设中央左转车道，实现道路缩减，合理设置自行车道及人行道、用绿化带隔离不同类型的车道，以此来完善道路功能，建设一个安全、运转良好、有生活品质的道路环境[1-4]。

国外对于车道缩减的研究大多集中在车道组织方案的经济效益和安全效益，Zhang等[5]利用最佳速度模型，对车道缩减瓶颈处的快速和慢速车辆进行研究;Lu等[6]通过统计学评估车道缩减时交通事故率和安全性，得到事故次数与交通量、速度和通行密度等变量之间的负二项回归模型;Davis[7]通过无线连接自适应巡航控制车辆，在车道缩减的情况下改善交通流量;Kim等[8]通过估计不同碰撞类型的碰撞修正系数，在考虑包括道路特征在内的各种因素的情况下，确定车道减少的有效性。

国内对于车道缩减的研究大多来自国外研究的延续和拓展，刘金福等[9]提出在缩减后的车道上设置行人二次过街形式，建议在交叉口处进行车道展宽;曹俊业等[10]利用交通量、不均衡转向系数等指标分析车道缩减的交通流特性，从而设置相位专属变向车道模式;袁荷伟[11]对缩减后的车道进行仿真，得出车道缩减针对不同的左转车辆比例有利于降低事故率;丁柏群等[12]利用交通冲突技术界定城市交叉口风险因素耦合。

以上研究表明，车道缩减对于转变城市发展方式具有一定的影响。目前，国内对于车道缩减的研究主要集中在车道缩减区的通行效率上，针对缩减路段交通流进行特性分析，从而得出路段通行能力、排队长度以及延误等指标的优化前后对比图。但在车道缩减的安全评估研究上需要进一步完善。因此，本文主要利用仿真冲突评价模型（Surrogate Safety Assessment Model，SSAM）对车道缩减后的交叉口进行安全性评价，从而验证车道缩减后的交叉口相比于普通交叉口，安全性得到提高。

1 车道缩减

1.1 车道缩减设计方案

基于交通冲突技术的车道缩减设计，在道路平面上，将原有的双向四车道缩减为双向三车道，在车道中间设置中央左转车道，同时，道路中间设置过渡区段，便于行驶的车辆实现左转或掉头。道路两端连接十字交叉口，拓宽人行道宽度并减少行人过街长度，如图1所示[13]。

（1）左转车辆冲突特性

对于左转车辆而言，在经过交叉口转弯时，必然会采取减速措施。当冲突发生时，左转车辆大多数会采取让行的措施，从而车辆加速度为负，相比于无干扰时的左转车辆，其加速度负值要高。当车辆通过冲突点时，车辆开始加速驶离冲突区域，加速度变为正值。在左转车辆驶进和驶离冲突区域的过程中，左转车辆必然经过对向行驶车道，车道缩减相比于普通双向四车道，在车道上进行了缩减，因此左转车辆在经过对向车道时从原来的两个车道变为了一个车道，从而减少了交叉口处冲突的发生数量，间接地减少了单位时间内事故发生数量。

（2）变道车辆冲突特性

对于变道车辆而言，一般会选择进入交叉口前根据道路指示标志选择是否要进行变道，导致冲突区域发生在交叉口处，增加了交叉口处冲突数量，从而增加事故发生率，造成交叉口拥堵。车道缩减采用了提前分道的方式，在进入交叉口处提前进行道路分向行驶，以至于变道车辆无须在进入交叉口处实行变道，将冲突的位置后移，减少交叉口处冲突数量，也是间接减少了单位时间内的事故发生数量。

1.3 车道缩减冲突评价模型（SSAM）

1.3.1 冲突指标分析

SSAM主要采用的冲突分析指标有：冲突时间（Time to Conflict，TTC）、遭遇时间（Position Encroachment Time，PET）、初始减速度（DR）、最大速度（MaxS）和相对速度（DeltaS）。其中TTC指距离冲突发生的时间，PET指冲突车辆位置的时间差，DR指冲突过程中后车采取避险措施瞬间的减速度，MaxS指冲突过程中冲突车辆车速的最大值，DeltaS指冲突过程中冲突车辆间的最大相对速度。以交叉口左转和直行的车辆冲突为例，计算以上冲突指标并判别冲突的存在性。如图2所示。T1表示直行与左转的车辆相遇，T2表示相遇后直行與左转的车辆开始减速，T3表示左转的车辆到达了冲突点，T4表示直行的车辆在未减速的情况下到达冲突点，T5表示直行的车辆到达了冲突点[14-17]。

1.3.2 冲突评价过程

该模型在分析冲突指标时，首先是建立覆盖仿真范围的网络，将含有车辆速度的车辆仿真轨迹文件导入影射在网络中，根据事先确定好的TTC阈值（TTC的阈值可以根据研究的实际需要进行修改，通常设定TTC的默认值为1.5 s，说明当两车之间的TTC值小于1.5 s时，两车之间发生了交通冲突），计算车辆保持减速前的车速可运行的距离，在网络上得出车辆实际运行轨迹，并比较不同车辆的轨迹是否会产生交点，从而判断是否会产生冲突。图3是该模型冲突评价的整个过程。

1.3.3 冲突类型划分

仿真冲突评价模型（SSAM）根据车辆发生冲突时的相对角度将冲突类型划分为3类：交叉、追尾、变道。如图4所示，一般冲突角度的变化范围为0°～180°，其中冲突角度为：0°～30°属于追尾冲突;30°～85°属于变道冲突;85°～180°属于交叉冲突。

2 车道缩减前后冲突点对比

缩减之前，东西向交叉口进口道设置有左转专用道和直行右转合用车道;缩减之后，保持左转专用道和直行右转合用车道，减少了一条出口车道，如图5所示。

2.1 无信号控制固定冲突点分布

无信号交叉口的冲突点数目是随着相交道路的数量增加而增加的，在不计入行人和非机动车的情况下，无信号交叉口的冲突点数目位置如图6所示[18]。

根据相交道路条数，可以得出无信号控制条件下双向四车道和双向三车道交叉口的冲突点位置，由图6可知，双向三车道交叉口相比于普通双向四车道交叉口，冲突点数目变化不大，其中交叉点数目减少了8个，合流点和分流点数目不变，但冲突点的位置发生了明显的变化，比如东西向的分流点提前，不会全部集中在路口，这样可能会减少交叉口事故发生率，但具体的冲突数目还需通过仿真进行验证。

2.2 信号灯控制空间冲突点分布

信号交叉口若采用三相制信号控制，如图7所示，1个信号周期内有3个信号相位方案，即东西向直行、东西向左转和南北向直行左转。

在不计入行人与非机动车情况下，根据信号相位，交叉口的冲突点数目位置如图8所示。

由图8可知，交叉口采用信号控制，冲突点的位置也发生改变，但相比无信号控制的交叉口，会发现冲突点数目大幅减少，因此在交叉口采用信号控制可以为不同的交通流分离提供有利的条件。这里无信号控制和信号灯控制交叉口都没有计入行人和非机动车，若计入行人和非机动车冲突点，冲突点的总数目将成倍提高，在此不予考虑。

3 交通仿真模拟对比及分析

以南京市长白街交叉口为例，调查进入交叉口各个路口的交通量，见表1。

运用VISSIM软件进行双向三车道和双向四车道的模型建立，得出车辆保持在40 km/h速度的仿真运行轨迹文件（.trj），进而将仿真运行轨迹文件导入SSAM模型中获取车辆在双向三车道和双向四车道的交通冲突数目。在进行交通冲突分析之前，需要在SSAM模型中设定仿真冲突分析指标如TTC、PET的阈值。由于距离冲突时间和遭遇时间设定的微小变化会影响结果的准确性，因此将TTC的阈值设定为1.6 s，则仿真得到的冲突与实测的冲突差异最小[19]。

3.1 无信号交叉口安全性评价

通过综合评价无信号交叉口冲突分析指标，分析无信号交叉口下双向三车道和双向四车道的运行效率和交通安全性。根据仿真结果，利用SSAM分析得出双向三车道和双向四车道的冲突类型数目以及冲突分析指标的最小值、最大值、平均值和变化幅度。

SSAM模型中将冲突的类型划分为3类，其中交叉点大多数发生在交叉口，追尾和变道发生在路段的可能性相对较大。由表2可知，三车道的交叉点相比四车道是有所减少的，而追尾和变道数目增加，那是因为三车道相比四车道，在保持交通量不变、无信号控制的情况下，道路空间大大缩减，容易造成车辆进入交叉口不减速的可能性。但从总体冲突数目上进行比较，相差并不是很大。

由表3可知，三车道的TTC值在区间[0，1.6]以内，而四车道的TTC值在[0，0.1]以内，这说明三车道和四车道的所有车辆汇合被判定为发生冲突，而三车道部分冲突类型是可以不被认定为发生冲突;三车道和四车道的PET和MaxS变化不大;初始减速度和相对速度可以从变化幅度中发现，三车道要比四车道变化幅度略大，但车辆前进变化影响不是很明显。从平均值来看，三车道与四车道在数值上变化不大，但三车道的初始减速度为负值，四车道为正值，说明三车道车辆是保持加速状态，四车道为减速状态，在保持冲突差异不大的情况下，三车道提高了交叉口运行效率，但并不明显，变化不大。

3.2 信号灯交叉口安全性评价

确定交叉口信号配时图，其中信号周期C为78 s，θ1、θ2、θ3表示每个相位的绿灯启亮时间，G1、G2、G3表示显示绿灯时间，A1、A2、A3表示黄灯时间，AR1、AR2、AR3表示全红时间，如图9所示。通过综合评价信号灯交叉口冲突分析指标，分析信号灯交叉口下双向三车道和双向四车道的运行效率和交通安全性。根据仿真结果，利用SSAM分析得出双向三车道和双向四车道的冲突类型数目以及冲突分析指标的最小值、最大值、平均值和变化幅度。

由表4可知，在交叉口增加信号控制，交通量保持不变的情况下，追尾和变道的冲突减少明显，这是由于车辆进入路口受到信号控制影响，提前减速，提高了安全性，相比于交叉口内部的交叉数目，增加的数目并不大，反而总体冲突数目大大减少。

由表5可知，单从区间的角度没法判定冲突，三车道和四车道的TTC最大值皆为1.6 s，还需通过平均值和变化幅度进行分析，变化幅度方面，四车道的相对速度和最大速度皆大于三车道，说明四车道的车辆时常会出现制动现象，容易造成追尾，而且平均值里面的相对速度和最大速度都是三车道高于四车道，最大速度提高了44.8%，相对速度提高了64.6%，同时三车道和四车道都是处于加速状态，明显三车道要快于四车道。

表3和表5是SSAM模型得出的无信号控制和信号控制的冲突分析指标，其中有部分TTC和PET为0，这通常是由于不合理的跟驰模型和变道模型所导致，基于本研究尝试了在VISSIM中的几种跟驰模型和变道模型，对参数进行调整，并不能完全消除这样的情况发生，因此建议将这些TTC和PET结果为零的仿真数据剔除在外。通过SSAM模型得出冲突分析指标的最小值、最大值、平均值和变化幅度，最小值和最大值反映了冲突指标的区间范围，基于模型设置，正常的TTC值低于1.6 s才会判断发生冲突;变化幅度反映了道路上的车辆行驶的流畅度，变化幅度大说明车辆在路段上行驶经常会出现断断续续的情况，车速保持不稳定;平均值可以作为冲突分析的最终结果。

4 结论

本文基于交通冲突技术的车道缩减设计，对车道缩减前后的交叉口进行安全性评估，利用车道缩减冲突评价模型对比无信号控制和信号控制下双向三车道与双向四车道的冲突点数目和冲突分析指标，研究结果表明无信号控制交叉口的安全性和运行效率并没有发生明显的改变，信号控制的交叉口最大速度提高了44.8%，相对速度提高了64.6%。

由于车道缩减前后的交叉口受到交通流量的限制，并不适用于交通量过高的路口，如若交通量过高，不仅不会提高路口的运行效率，反而会增加路口的拥堵程度，降低安全性。因此，后续工作将利用不同交叉口的交通流数据进行仿真分析，对于不适合进行车道缩减的路口采用控制策略设计的方式进行空间分离，为车道缩减设计的实施提供了安全保障。

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