高速公路复杂枢纽互通全天候交通风险管控方法

■杨增权

（宁德沙埕湾跨海高速公路有限责任公司，宁德 352000）

在我国高速公路持续扩大里程规模的过程中，新建高速公路常与现有高速公路以枢纽互通形式衔接。 枢纽互通的复杂交通流组织易造成交通拥堵频发；受条件限制，部分互通存在车道数不平衡现象，易引发驾驶员频繁换道；繁多的交通标志也增加了驾驶员行车方向选择错误的风险。 交通拥堵风险、交通安全风险和行车方向选择错误风险等三类交通风险耦合叠加，对高速公路复杂枢纽互通全天候交通风险管控提出了挑战。 研究交通拥堵的理论主要有三相交通流理论[1]和交通波理论[2]等。 在交通拥堵机理研究中，常用交通流状态描述模型为传统的基于流体力学的连续交通流参数模型，这类模型在描述交通流处于稳定状态下的流量-速度-密度关系时具有其合理性[3-5]。 近年来，研究者基于K-最近邻域[6]、支持向量机[7]等数据挖掘算法，构建识别交通状态是否拥堵的分类模型。 在交通安全风险研究中，根据评估对象、判别指标不同，风险评估主要分为基于替代指标的交通安全风险评估方法[8-10]、基于综合指标的交通安全风险评估方法[11]。 在方法建立基础上，常通过统计分析路段、地点、区域内实际发生的交通事故数据，验证交通安全风险评估方法的有效性[12-13]。 关于方向选择错误风险的研究，主要分为枢纽设计与交通导向标志设计2 个方面。 车道数不平衡的枢纽设计研究指出，通过合理的车道平衡设计[14-15]、变速车道的设计[16]可以缓解车道不平衡枢纽中的方向选择错误风险；在交通导向标志研究中，常采用认知心理学[17]、驾驶模拟实验[17]等方法优化交通标志的设计方案，研究表明通过可变信息标志[18]、可变限速标志[19]可以引导驾驶员选择合适的车道，从而缓解方向选择错误风险。 目前高速公路交通风险评估尚未深入开展复杂枢纽互通的三类交通风险耦合叠加的风险评估和管控方法，本文在辨析高速公路复杂枢纽互通多类型交通风险的基础上，提出交通拥堵、交通安全和行车方向选择错误等复杂枢纽互通交通风险辨识、 评估与管控方法，并选取坑门里枢纽互通展开实证分析。

1 交通风险管控方法

高速公路复杂枢纽互通交通风险管控方法主要分为风险辨识、风险评估和分级风险管控3 个阶段。 风险辨识即指针对复杂枢纽互通不同风险种类及特点，识别其存在的危险。 风险评估即对复杂枢纽互通风险事件造成的影响和损失进行量化评估。风险管控即采取各种措施和方法，减少复杂枢纽互通风险事件发生的可能性或损失。 复杂枢纽互通风险管控方法具体流程如图1 所示。

图1 交通风险管控方法流程

1.1 风险辨识

高速公路复杂枢纽互通涉及交通拥堵、交通安全、方向选择错误等多类别风险，三类交通风险耦合叠加，其形成机理复杂，需一一辨识。

（1）交通拥堵风险辨识

交通拥挤风险是指在复杂枢纽互通道路交通运输系统运行出现（大范围、长时间）路网交通拥挤或路网交通瘫痪等现象的可能性及后果。高速公路复杂枢纽互通主要起连接作用，其畅通与否对控制和梳理不同目的和方向车流有重要意义。高速公路复杂枢纽互通道路风险要素多，宜采用路段和节点的拥堵风险量化模型，因此拟采用集成模型进行计算，即采用统一量化指标来评价拥堵概率和后果。集成模型是交通拥挤风险的一种量化方式，具体为把拥挤概率与拥挤后果集成考虑，即根据实测或理论计算分析损失后果（如延误、出行时间）的分布变化，得到集成了概率信息的后果值，比如期望值、风险值和条件风险值等。具体数据处理和模型建立过程如图2 所示。

图2 交通拥堵风险量化集成模型流程

（2）交通安全风险辨识

高速公路复杂枢纽互通系统是一个由人-车-路-环境组成的动态系统，车速是驾驶员在道路、环境等多因素组成的综合情境下做出的反应，能够表征各要素对于实际行车的影响。 在高速公路复杂枢纽互通行车过程中，可以通过主观“预期车速”与客观“建议车速”2 个概念来表征驾驶员对行车环境的主观判断与客观行车环境[20-21]。 建议车速是指在特定的道路、环境、交通状况组成的综合情境下，驾驶员受到道路条件、车辆稳定性、驾驶员处理能力等因素对车速的限制，能够保持安全行驶所允许的最大车速。 预期车速是指驾驶员在心理上认为的安全行驶车速，而非道路交通意义上的真正安全行驶车速[20-21]。 高速公路交通安全风险源于驾驶员对道路环境的主观认知与客观环境安全供给的差异，这种差异可用车速指标来表示，如式（1）。

当Δv 为负时，建议车速＞预期车速，安全风险较小；当Δv 为正时，建议车速＜预期车速，安全风险较大。

（3）方向选择错误风险辨识

复杂枢纽互通提供交通转换功能，具有多岔路口，易发生方向选择错误。 驾驶员驾驶车辆在高速公路枢纽互通上行驶，遇到交通标志时，需要依靠视觉在短时间内读取标志信息；信息经大脑处理形成短时记忆，驾驶员理解标志信息的内容，进而做出判断和驾驶的操作。 交通标志的设计不仅要满足《道路交通标志和标线》（GB 5768-2009）、《公路交通标志和标线设置规范》（JTG D82-2009）等国标和地方标准的要求，还要根据高速公路枢纽互通实际情况进行科学合理地设计。 标志信息的信息量和设置位置都会影响驾驶员对标志信息的读取和处理。驾驶员是有主观意识、有思维能力的个体，可以自发地做出判断，变换驾驶行为；而驾驶员进行判断的主要依据是环境，交通标志即是道路环境的主要组成部分。 交通标志的设计要符合驾驶员生理和心理的认知水平，使驾驶员能够在行车过程中清楚地读取交通标志内容，理解交通标志含义，并在合理的反应时间内做出正确的操作，这样才能尽可能避免方向选择错误的发生。

1.2 风险评估

（1）交通拥堵风险评估

利用拥堵指数对高速公路复杂枢纽互通拥堵程度进行定量评价。 拥堵指数计算所需参数为路段的自由流车速和平均行程车速。 将复杂枢纽互通划分成若干子路段，根据历史数据，计算出每个子路段的平均自由流车速、每个子路段的平均行程车速（即路程÷行程时间）。 拥堵指数计算如式（2）所示[22]：

其中：Vizy为子路段i 自由流状态下的平均速度，Vixc为子路段i 平均行程车速，TSIi为子路段的拥堵指数。

评估出子路段的拥堵指数后，根据其结果可以进一步求得各线路的拥堵指数。 以子路段的车道数和子路段的长度为权重，对子路段的拥堵指数进行加权计算，计算公式为：

其中：ki为各个子路段i 车道数，li为各个子路段i 长度，TSIi为子路段i 的拥堵指数，TSI 为路段拥堵指数。 接着对拥堵程度进行分级， 标准如表1所示[23]。依据表1 的拥堵分级，评价得出各个子路段及各条线路的拥堵等级。

表1 拥堵指数TSI 分级

（2）交通安全风险评估

图3 为高速公路复杂枢纽互通交通安全风险评估流程，通过确定分段单位，计算各路段的建议车速、预期车速，以及速度差值。 速度差值越大，表明该复杂枢纽互通路段的交通安全风险越大。

图3 复杂枢纽互通交通安全风险评估流程

交通安全风险分级多采用基于频率分布的方法进行。 频率分布法是将每个评价指标值经过无量纲处理或不经过无量纲处理后，借鉴气象四级预警防范， 选用40%、70%、90%的类别累积百分频率对应点4、10、19 来确定指标分级点[24]。

在建议车速-预期车速风险评估模型中涉及多项动、静态的影响因素，为了反映多种因素对风险的影响情况，基于既有样本数据，采用BP 神经网络开展交通安全风险预测。 首先，针对建议车速，结合复杂枢纽互通道路线形设计、 道路附属设施、 交通流量、能见度等不同气象指标建立建议车速模型。建议车速模型是将驾驶员在不同情境下选择的建议车速定义为情境车速， 以驾驶员选择的标准车速为自变量， 以选择该标准车速的驾驶员在此种情境中车速的平均值为因变量，对其进行回归分析。其中标准车速是在对驾驶员的调查问卷中设置不同场景所得。其次，选取交通流量、大车混入率、能见度等不同气象指标作为预测输入参数，采用BP 神经网络训练出下一时刻预期车速。 最后，就某一路段，计算同一时刻的预期车速与建议车速差值， 对照表2 间接得到交通安全风险值。 预测流程如图4 所示[20]。

图4 基于建议车速-预期车速的复杂枢纽互通交通安全风险预测流程

表2 基于建议车速-预期车速的安全风险等级划分

（3）方向选择错误风险评估

驾驶员从看到交通标志到做出操作，分为读取信息、理解信息、做出判断、做出驾驶操作4 个步骤。 方向选择错误在这4 个步骤中均有可能会发生，复杂枢纽互通风险评估也可以根据这4 个步骤进行：①读取信息：在读取信息阶段，驾驶员能否成功读取标志的文字， 与驾驶员相关的因素有视力、工作负荷、文化水平、行驶速度等；外在客观因素有气候条件、标志的信息量、标志是否有遮挡、标志的前置距离等；②理解信息：在理解信息阶段，驾驶员能否理解标志的内容，与驾驶员相关的因素有文化水平、年龄、反应速度、对路段的熟悉程度等；外在客观因素有标志内容是否清晰合理； ③做出判断：在驾驶员读取并理解信息后，需做出判断，是否遵守标志信息的内容， 与之相关的因素有受教育程度、驾驶经验等；对于指路标志、指示标志、警告标志、禁令标志等不同类型的交通标志，驾驶员做出是否遵守的判断也不尽相同；④做出操作：最后一步是驾驶员基于对信息的读取、理解、判断后进行操作，主要影响因素是驾驶员的主观因素，如驾驶经验、疲劳程度、个人偏好等。

1.3 风险管控

高速公路复杂枢纽互通借助预警设施开展三类交通风险的管控。预警设施包括传统预警设施、智能预警设施，其功能及特点如表3 所示。传统预警设施主要指警示牌、高穿透性LED 动态显示屏、爆闪灯、反光膜、自发光轮廓标等。智能预警设施主要指自发光道钉、智慧路贴、车道级可变信息标志VMS。

表3 高速公路复杂枢纽互通各类交通预警设施功能及特点

不同级别的风险所对应的预警管控措施如表4所示，例如：当拥堵指数达到三级和四级，安全风险为一级、二级、三级、四级；存在方向选择错误风险时，高速公路复杂枢纽互通需启用预警设施进行交通诱导，以达到风险管控的目的。

表4 高速公路复杂枢纽互通各类风险预警管控措施

2 实证分析

坑门里枢纽互通主线起于福建省福鼎市佳阳乡双华村（浙闽界），与宁波-东莞国家高速公路浙江段甬台温复线衔接。 坑门里枢纽互通受既有沈海高速双向四车道设施条件约束，合流和分流区的车道数变化频繁且车道数不平衡，并与沈海高速2 个隧道耦合，带来交通流在有限时空资源上复杂交织问题。 车道数不平衡与隧道耦合下的复杂坑门里枢纽互通交通拥堵风险、交通安全风险、方向选择错误风险等三类交通风险积聚突显。 针对坑门里枢纽互通的交通风险管控，首先对坑门里枢纽互通进行场景划分。 道路基础属性包括合流区、分流区、曲线段、隧道、直线段5 种类型。 合流区4 条路段包括H1、H2、H3、H4；分流区3 条路段包括F1、F2、F3；曲线段仅有1 条路段Q； 隧道4 条路段包括S1、S2、S3、S4； 直线段11 条路段包括Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11，一共23 种场景。 按行车方向划分，坑门里枢纽一共有7 条主要线路：支线1-支线2；支线1-支线3；支线2-支线1；支线2-支线3；支线3-支线1；支线3-支线2；高速入口-合流区H3-支线3。 坑门里枢纽互通场景与线路划分示意如图5 所示。

图5 坑门里枢纽场景与线路划分示意

基于检测的气象和速度等交通流数据，结合本文提出的三类交通风险模型，评估得出坑门里枢纽互通23 种场景在晴朗、暴雨、雾霾等不同气象条件和直线、曲线等不同道路线形组合条件下的建议车速，如图6 所示[20-21]。

图6 坑门里枢纽分场景建议车速

3 结论与展望

本文阐述了高速公路复杂枢纽互通的拥堵、安全、方向选择风险，提出了对复杂枢纽互通风险进行辨识、评估和管控的方法，构建了高速公路复杂枢纽互通的全天候交通风险管控方法。 在拥堵风险方面，先将复杂枢纽互通根据道路交通状况进行场景解析和划分，再建立实际路段拥堵指数的拥堵评估模型，划分拥堵风险等级，最后根据拥堵风险指标值制定拥堵风险防控策略。 在安全风险方面，基于建议车速-预期车速模型，利用“预期车速与建议车速之间的差值”评估复杂枢纽典型场景路段安全水平，最终通过交通预测方法实现对交通安全风险的动态评估。 在方向选择错误风险方面，解析了风险产生机理，梳理了复杂枢纽互通风险要素及评估指标，提出了相应防控措施。 研究成果在坑门里枢纽互通规划设计中得到了应用和验证，为有效防控高速公路枢纽互通安全风险提供了技术支撑；后续可收集更多交通数据，进一步验证方法和模型的有效性。