公交车进出港湾式停靠站安全性评价*

汪济洲 徐良杰 余金林 赵 玮 姚裔虎

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (中国管理科学院武汉分院城市交通管理研究所2) 武汉 430001)

公交车进出港湾式停靠站安全性评价*

汪济洲1)徐良杰1)余金林2)赵 玮1)姚裔虎1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (中国管理科学院武汉分院城市交通管理研究所2)武汉 430001)

为研究公交车进出港湾式停靠站的安全性，采用多种传感器设备及摄像机采集公交车进出港湾式停靠站运动参数，分析校正车速、车速差百分比、加速度，以及与站台间距等公交车运行特征参数分布规律并建立可靠数据集.采用灰色聚类分析方法训练公交车进出港湾式停靠站安全性评价模型，根据不同灰类的取值范围划分五个安全等级，对公交车在减速进站、驻站停靠和加速出站三个阶段的安全性进行评价，并对评价结果进行验证分析.研究结果表明，公交车在0～30 m的减速进站阶段总体处于较危险等级；公交车在30～120 m的驻站停靠阶段以及加速出站总体处于较安全等级.

城市交通；港湾式公交停靠站；车辆运动特征；灰色聚类分析；安全等级

0 引 言

港湾式停靠站的设置有效地降低了公交车停靠对道路通行能力的影响[1-2].但是，公交车减速进站、驻站停靠，以及加速出站等复杂过程容易诱发交通事故[3-4].因此，有必要研究公交车辆进出港湾式停靠站的安全性.

国内外学者主要研究港湾式停靠站的设计方法和对道路通行能力影响.杨晓光等[5]采用仿真实验分析了公交停靠站的通行能力以及对外侧车道的影响；Fumihiko[6]分析了不同港湾式公交停靠站的设计方法，提出了改进设计；葛宏伟[7]分析了公交车进出站的运动特征规律以及对交叉口通行能力的影响，并提出了公交停靠站的空间优化布局方法；Nurdin等[8-9]研究了港湾式公交停靠站对道路通行能力的影响；胡启洲等[10]采用灰色评价方法对公交线网进行综合评价.然而，在公交车进出港湾式停靠站的安全性方面的研究几乎空白，良好的公共交通系统在保证承载力和车流通畅的同时，须对运行的安全性做出合理的评估.

基于公交车进出港湾式停靠站安全性的角度出发，采用灰色聚类分析方法建立公交车进出港湾式停靠站安全评价模型，评价公交车进出港湾式公交停靠站不同阶段的安全等级，为保障公共交通的出行安全和完善港湾式公交站的设计提供理论基础.

1 公交车进出港湾式停靠站安全影响因素分析

公交车进出港湾式停靠站包括减速进站、驻站停靠和加速出站过程.三个过程受到许多因素的影响，主要表现在以下几个方面：

1) 速度因素 速度越高，车辆越难以控制.在减速进站阶段，公交车进站速度过高会因转向不及时诱发碰撞站台事故；在加速出站阶段，公交车加速并入主线速度过高会因制动距离不足诱发与主线前车追尾事故.

2) 速度差因素 速度差说明车辆运行的平顺性，速度差越大，越容易诱发追尾事故.在减速进站和加速出站阶段，公交车的车速差过大会影响到前后车辆的运行安全.

3) 加速度因素 加速度绝对值越大，存在的安全风险也随之增大.公交车在刚进入进站渐变段以及停靠时均会采取刹车行为，容易造成后车追尾；公交车在出站时会采取加速并入行为，容易与主线社会车辆冲突.

4) 与站台间距因素 公交车与站台间距的大小反映出公交车对站台乘客安全性的影响，间距越小，站台乘客的安全性越差.

国内外专家也对这四项安全影响因素进行了研究，而且相关规定给出了四个安全影响因素的阈值[11-14]，见表1.

表1 四个安全影响因素的阈值

2 实验设计及数据采集

2.1 实验过程及条件

选取武汉市和平大道余家头、杨园和四美塘三个相似的港湾式公交停靠站进行调查，三个站点类型一致且均符合港湾式公交停靠站设置条件和标准，无上下游交叉口干扰.为避免高峰期社会车辆对公交车的影响，研究自由流状态下公交车的运行状况，调查时间选取为2015年4月9—10日，09:00—11:00，14:00—16:00平峰时期.调查的公交车均为单层同一类型且公交车自身长度最小为10.5 m，避免车辆自身属性对运动特征的影响.

2.2 实验设备及数据采集方法

实验设备主要为手机内置陀螺仪、交通流分析仪NC200和高清摄像机.为了统计公交车进站状态变化情况，将整个港湾式公交停靠站区域按照每间隔10 m设置一个调查点(N1～N13共13个调查点).分别在进站渐变段、驻站停靠段和出站渐变段布设三个摄像机，用摄像机观测公交车到达每个调查点的时间间隔，结合车辆速度、时间和距离关系间接获取车辆运动的绝对加速度.

在每个调查点布设便携式交通流分析仪NC200，设置于公交车运行车道中心线上，对13个点位的车速进行采集.NC200和摄像机布设见图1，采用摄像机对车辆运行轨迹进行录制，且摄像机的系统时间与NC200一致.此外，在数据采集过程中为了避免仪器可能出现的故障，采用雷达枪人工采样记录的方法对车速数据进行校核，若出现显著差异则重新观测.每辆被观测的公交车上安排实验人员利用固定手机支架随车采集传感器数据，以用于校对和补充NC200、摄像机采集的数据集.

图1 数据收集设备布设示意图

2.3 数据基本处理

校对后共得到48辆公交车的有效运行特征参数值，采用图像处理中的帧间差分法，以港湾式公交停靠站进站转角处为运动分析起点，以N1～N13调查点位置关系，分析公交车右前轮进入停靠站的纵向位置变化，从而得到公交车在整个站点的运动轨迹特征，并将坐标值换算成公交车与站台间距值.和平大道余家头、杨园和四美塘三个港湾式公交停靠站的48辆公交车的平均运行特征值见表2.

表2 三个港湾式公交停靠站车辆平均运行特征数值

注：车速差百分比为该处的车速与前10 m处的车速差百分比.

3 公交车进出港湾式停靠站安全性评价

3.1 公交车运行特征参数的安全性权重确定

公交车进出站点时的转向角越大，说明车辆运动越不平顺.进站渐变段起终点和出站渐变段起终点四处转向角的大小与公交车的车速、加速度以及与站台间距均存在一定的关联性，因此，以转向角指标判断公交车进出站是否安全，分析公交车各个运行特征参数的安全性权重.

进出停靠站公交车的转向角计算公式为

(1)

式中：α为转向角；Δy为相邻观测点公交车纵坐标的变化值；Δx为相邻观测点公交车横坐标的变化值，即10 m.

为了消除公交车各运行特征参数的量纲，构建关联矩阵并采用极值标准化处理，通过调查结果得到它们之间的等价关系矩阵为

{y;x1,x2,x3,x4}=

(2)

假设转向角、车速、车速差百分比、加速度绝对值，以及与站台间距向量组分别为y,x1,x2.x3.x4，它们之间的关系为

(3)

{y}=0.39{x1}+0.45{x2}+

0.14{x3}+0.02{x4}

(4)

3.2 公交车进出站点安全性灰色聚类分析

灰色聚类可以检查许多因素中是否有若干个因素大体上属于同一类，使得能用这些因素的综合平均指标或其中的某一个因素来代表这若干个因素而使信息不受严重损失[15].因此，对影响公交车进出港湾式停靠站的车速、车速差百分比、加速度绝对值，以及与站台间距等因素进行灰色聚类分析.

灰类划分以及区间确定，将公交进出港湾式停靠站安全性划分为(安全，较安全，较危险，非常危险，极度危险)五个等级.车速灰类区间划分：有中线的城市道路限速为40 km/h，调查的公交车进出站车速分布在0～40 km/h，因此按照每间隔10 km/h进行灰类区间划分；车速差百分比灰类区间划分：车速差百分比的限定条件不超过100%，因此按照每间隔20%进行灰类区间划分；加速度灰类区间划分：加速度规定的最高值不超过3 m/s2，但是调查得到的最高值接近4 m/s2，因此按照每间隔1 m/s2进行灰类区间划分；与站台间距灰类划分：候车亭与站台变现竖向缩进距离不应小于0.25 m，因此按照每间隔0.25 m进行灰类区间划分.因此，公交车各运行特征参数关于不同灰类的取值范围见表3.

表3 港湾式公交停靠站公交车运行特征参数不同灰类的取值范围

3.3 基于中心点三角白化权函数的灰色评价

基于中心点三角白化权函数的灰色评价，将灰类向左右延拓，得到延拓值，然后计算白化权值.白化权函数值计算式为

(5)

(6)

将表2车辆平均运行特征值代入到基于中心点三角白化权函数的灰色评价模型中，得到公交车进出港湾式停靠站的安全性综合聚类系数值见表4.

表4 公交车进出港湾式停靠站的安全性综合聚类系数值

由表4可知，公交进出港湾式停靠站的安全等级存在明显差异.在0～30 m范围的公交车减速进站阶段内，安全灰类、较危险灰类以及非常危险灰类均有分布，而总体上处在较危险灰类，主要由于车辆进站过程速度变化较大，发生交通事故的几率相对较高.在公交车驻站停靠阶段，车辆速度较低甚至处于停车状态，车辆安全性较高，总体处在较安全灰类.而在90～120 m范围的公交车加速出站阶段，由于车辆起步运行速度较慢，呈现出一定的安全性，而由于驶出公交站时与道路正常交流存在一定冲突，表现出一定的危险性，总体在安全类灰类和危险类灰类均有分布.

3.4 基于端点三角白化权函数的灰色评价

为了分析上述评价结果的精确性，采用基于端点三角白化权函数的灰色评价模型进行验证.其中白化权函数计算式为

(7)

将表2统计结果代入到基于端点三角白化权函数的灰色评价模型中，得到公交车进出港湾式停靠站的安全性综合聚类系数值见表5.

表5 公交车进出港湾式停靠站的安全性综合聚类系数验证值

由表5可知，在公交车减速进站阶段总体处于危险类灰类，在公交车驻站停靠和加速出站阶段均处于较安全类灰类，但在加速出站阶段同时存在一定的危险性.

3.5 对比验证分析

为了准确分析评价模型的准确性，分别对基于中心点和端点的三角白化权函数灰色评价结果进行对比分析，比较不同评价方法的结果差异性，主要以最大灰类系数作为该点的安全等级，每个灰类等级采用数字表示：安全1，较安全2，较危险3，非常危险4，极度危险5.其结果见表6.

表6 对比分析

由表6可知，基于中心点和端点的三角白化权函数灰色评价结果基本相同，在减速进站阶段上存在少许差异.但从灰类系数上可以看出，对于N2采集点，中心点法(安全1为0.450，非常危险4为0.323)和端点法(安全1为0.371，非常危险4为0.385)，评价结果值相差较小.而对于N4采集点，结果均处于安全类灰类，评价结果相近.

两类灰色评价结果在安全等级以及数值分布上基本相同，因此，验证了公交车进出港湾式停靠站安全性分析的准确性和有效性.

4 结 论

1) 将转向角用于判断公交车进出港湾式停靠站的安全性，影响公交车进出港湾式停靠站的安全性因素大小排序依次为车速差百分比、车速、加速度绝对值以及与站台间距.

2) 公交车进出港湾式停靠站安全性分析结果表明：减速进站存在较危险和非常危险等级，而驻站停靠和加速出站均处于安全和较安全等级.因此，对港湾式公交停靠站的进站安全需进行相关改善.

3) 公交车在整个港湾式停靠站的安全性主要是以公交车的运动特征参数进行判断，而驾驶员自身因素、港湾式公交停靠站设置条件以及不同车型因素对公交车进出停靠站的安全性影响需要进一步研究.

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[15]刘思峰.灰色系统理论及其应用[M].开封:河南出版社,1991.

Safety Evaluation of Bus Moving in and out of Harbor-shaped Stop

WANG Jizhou1)XU Liangjie1)YU Jinlin2)ZHAO Wei1)YAO Yihu1)

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)1)(Urban Traffic Management Institute, Wuhan Branch of Chinese Academy of Management, Wuhan 430001, China)2)

In order to study the safety of bus moving in and out of harbor-shaped stop, the speed and acceleration of the bus are acquired by sensor devices and accelerometer. An investigation is carried out to analyze the distribution laws of speed, percentage of speed difference, acceleration of bus and distance between bus and station. The grey-clustering analysis method is used to build the safety evaluation model of bus moving in and out of harbor-shaped stop. Assessment and validation of the bus safety are performed for the three phases of bus moving in and out of harbor-shaped stop: deceleration, stop and acceleration. Results show that it may be more dangerous for the bus in the 0～30 m deceleration phase and be safer in the 30～120 m stop phase and accelerated outbound.

urban traffic; harbor-shaped bus stop; bus motion characteristics; grey-clustering analysis; safety rank

2017-01-22

*国家自然科学基金项目(51108361)、吉林省交通运输科技计划项目(2014-1-8)、中央高校基本科研业务费专项资金项目(2015-zy-024)资助

U491.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.020

汪济洲(1990—)：男，硕士生，主要研究领域为交通安全及交通设计