基于多因素融合的高速公路养护作业区动态限速模型研究

张慧颖 郑燕军 关田

摘 要：高速公路作为各城市与各地区之间的连接纽带，带动了我国运输业与物流业的发展，从而促进了国民经济繁荣发展。2018年底，我国高速公路总里程就已突破14万公里，里程规模居世界第一，然而在高速公路的快速发展中也暴露出一些问题，比如通行能力低，交通组织混乱等，这些问题在养护作业区中更加突出。养护作业区交通特性极其复杂，表现为车流分布不均衡，行车速度分布不均衡，车辆分流、合流易产生冲突，养护作业区成为一个事故多发地。为了提高高速公路养护作业区的行车安全性及通过能力，首要目标就是对养护作业区上游瓶颈区的车辆进行有效的限速控制。传统的固定限速的方法有很大的局限性，本文采用基于多因素融合的高速公路养护作业区动态限速模型进行研究，在尽可能减小养护作业区事故发生率的前提下提升道路通行能力。

关键词：高速公路;养护作业区;动态限速

中图分类号：U491 文献标识码：A

1 高速公路养护作业区安全性影响因素分析

高速公路车辆行驶系统是由驾驶员、车辆、交通环境、天气、道路条件共同组成的，各种因素在系统内部相互作用、相互制约[1]。任何一个交通事故都不是单因素所能决定的，因此，在高速公路动态限速的研究中心，应考虑多个因素的影响。下面分别从交通因素、天气因素、道路因素等方面分析对高速公路動态限速的影响。

1.1 交通因素

1.1.1 交通量

交通量是高速公路交通状态最直观的影响因素，从驾驶员的角度来说最容易在心理和实际行车过程中造成影响。当交通量过大，驾驶员会产生紧张感直接造成对驾驶行为及技术的影响，并且交通量越大交通密度也越大，平均运行车速会降低。此时行驶速度过高势必容易引发事故。由格林希尔兹模型导出的速度—流量关系为：

根据公式我们可以得知，速度与交通流量呈抛物线的关系，速度随着交通流量增加而下降，达到最大交通流量后，速度和交通流量同时下降。

1.1.2 交通组成

交通组成是指交通流中各类车辆所占的比例。高速公路上行驶车辆种类多、交通组成复杂，不同的车辆具有不同的行驶特性，影响着道路的通行能力和服务水平，一般来说，小汽车车速明显高于大型车;而且大型车比例过大时，小型车容易进入大型车驾驶员视野盲区，在相互超车过程中容易引发事故，安全隐患较大。因此当大型车比例增加时，限速值应有所调整，以适应实际行车需求，保证驾驶员及行车环境的安全。高速公路上的主要车辆为大型车和小型车，中型车和其他车辆所占比例较少，在研究时，通常用大车率代表交通组成的影响，假设只有大车与小汽车，其中大车所占比例即为大车率。

1.2 天气因素

不良天气会对安全行车带来负面影响，主要是通过能见度及路面摩擦系数体现的。

1.2.1 能见度

能见度低时，驾驶员视线条件变差，对路线走向的感知判断能力减弱;驾驶员在低能见度条件下行驶时，周围的环境条件不清晰，影响驾驶员心理，使驾驶员压力增大，操纵车辆时易偏离车道中心线，研究表明，能见度在125m时，驾驶员能保持在车道中心线附近[2]。对大雾引起高速公路低能见度进行划分见表1。

1.2.2 路面摩擦系数

在雨、雪、道路结冰等恶劣天气，路面摩擦系数降低，会使车辆行驶更加困难，车辆制动性能下降，容易造成侧滑、追尾等交通事故。根据实际摩擦系数可分为五级摩擦指数，见表2。

1.3 道路因素

高速公路道路因素所涉及的方面很多，比如道路等级、线形特征、道路表面特征、交通设施等，线形特征主要包括平面、纵断面、横断面、视距、匝道出入口等的设计及布置。道路因素在高速公路动态限速中可视为静态因素[3]，但也是在设计中不可缺少的因素。

综上所述，选取动态因素——交通量、交通组成、能见度、摩擦系数作为高速公路养护作业区动态限速模型研究的重点建立模型。

2 VISSIM建模分析

利用VISSIM对高速公路养护作业区的车流进行仿真模拟，引用冲突率[4]这一概念，其定义为在仿真过程中单位小时内的冲突次数与施工区的交通量和施工区长度之比，计算公式如下：

f——冲突率（次/pcu/km）;

TC——仿真一小时时间内发生冲突的次数;

Q——仿真断面单位时间内通过的车辆数（veh/h）;

L——施工区长度（km）。

由于VISSIM中不能直接设定路面摩擦系数，而路面摩擦系数又与路面坡度有关，故在VISSIM仿真中使用路面坡度作为变量。

控制变量法对各变量进行分析，方案见表3：

各因素对事故率的拟合结果见图1、图2、图3、图4。

（1）交通量——事故率模型：

（2）大车率——事故率模型：

（3）能见度——事故率模型：

（4）路面坡度——事故率模型：

3 总结

（1）本文以高速公路养护作业区为研究对象，分析了影响高速公路养护作业区事故率的各个因素，主要包括交通因素、天气因素、道路因素。

（2）针对影响因素中的动态因素——交通因素、天气因素进一步分析，通过VISSIM建模，分析其中每一个因素对事故率的影响效果并绘制了拟合图。

（3）因VISSIM中无法直接表达路面摩擦因数，选用坡度来代替路面摩擦因数，导致路面坡度——事故率模型的拟合效果并不好，有待进一步研究。

参考文献：

[1]沙爱敏.高速公路交通事故分析及预防对策研究[D].东南大学，2006.

[2]张驰，贺亚龙，黄星，等.雾天不同能见度条件下高速公路限速建议值研究[J].交通信息与安全，2018，36（05）：25-33.

[3]王玥.基于多元因素预判的高速公路可变限速研究[D].吉林大学，2017.

[4]赵一飞.高速公路交通安全若干问题研究[D].西安：长安大学，2009.