基于路段车速特征的高速公路交通安全分析

贺超群,马社强

(中国人民公安大学,北京 100038)

随着我国高速公路运营里程的增加,行车安全问题已成为道路交通系统面临的重要问题。车速已成为交通事故产生的重要原因之一,近年来,国内外学者针对高速公路的行车速度与道路交通安全问题进行了深入研究。

有关行车速度与道路交通安全问题的研究,可以分为两种,第一种是通过建立速度预测模型,根据预测结果对道路安全进行安全性评价,如袁志兵[1]运用非线性回归方法建立速度的基础预测模型,综合驾驶员视距、路测环境等因素对基础预测模型进行修正,得到弯坡组合路段的车辆运行速度模型。第二种是通过挖掘速度指标建立安全性评价模型[2],运用人因工程理论、交通冲突理论[3]、运行速度协调理论[4],以及事故统计法和层次分析法,对道路进行安全性评价,如许林新等[5]以速度标准差、平均速度和速度标准差系数为基础构建了评价体系,采用模糊层次分析法评价道路安全状况。此外,还有许多学者通过速度特征指标分析道路的交通安全性。裴玉龙等[6]研究了车速离散度与交通事故之间的关系;刘拥华等[7]利用雷达测速仪等手持仪器采集数据,得到断面车辆平均速度、85%位车速、速度标准差等,并对山区高速公路的交通安全性进行分析。郭唐仪等[8]通过在分流区使用雷达枪实地采集数据,将速度一致性指标分为集计与非集计两类,在实例分析中发现非集计速度指标能够有效避免生态学谬论及过高估计安全性的缺陷。

关于行车速度与道路交通安全的内在联系,Solomon[9]用U 形线阐释了车速与事故之间的关系。美国的相关研究数据也表明,在交通事故中,致死率与速度变化量ΔV成正比[10]。针对车速分布与道路线形的安全性关系,Elvik 等[11]统计事故前后的车速变化情况,表明车速差与线形的安全性和连续性均有较大关系。Quddus[12]曾指出,当道路线形与车道数等道路环境影响因素不变时,事故率与车速离散性有关,与平均车速无关。

相关学者对道路交通安全性有较深入的研究[13],随着数据采集方式的更新与迭代,如路侧毫米波雷达技术与激光雷达技术的出现,以及数据处理技术的更新,如多目标检测与跟踪、轨迹拼接、边缘计算等技术的发展,数据质量不断提升,有助于得到更为准确的分析结果。但部分学者在研究道路的断面划分时多采用断面速度特征指标,较少应用反映整体路段的速度特征指标,研究具有局限性。

以山西五盂高速公路路段为研究对象,利用同济道路轨迹数据平台的公开数据,提取该路段断面车辆的速度和路段车速离散度[14]等特征指标,从协调性与离散性两个方面综合分析运行速度的一致性,从而定量分析道路的交通安全性,并提出交通安全改善建议。

1 数据介绍及预处理

基于毫米波雷达采集技术和激光雷达采集技术的同济道路轨迹数据平台[15],采用多目标检测与跟踪、轨迹拼接、边缘计算等手段获取轨迹数据,数据包括毫米波雷达采集的车辆轨迹信息数据、气象检测仪采集的道路气象数据以及相关路面状况数据等,针对部分具体路段,还有线路类型等数据。该平台公开的山西五盂高速公路相关数据,涉及车辆连续轨迹智能感知的示范路段(K347+600～K352+690)、车路信息实时交互的重点示范路段(K352+690～K359+900)和路面智能感知的示范路段(K359+900～K362+600),共有36 个毫米波雷达视频融合感知点位。五盂高速公路路段平面示意如图1 所示。

本研究应用Python 编程对山西五盂高速公路相关数据进行筛选,剔除速度异常、车道位置异常的轨迹数据,将时间戳转换为标准日期。数据处理所采用的规则为:为保证数据的准确性,选取在主路车道行驶的轨迹数据;剔除速度＜4 km/h 的数据,当车速＜4 km/h 时,认为该车辆处于停止状态[16];为保证采集路段的连续性,选用K347+600～K352+800 连续路段的数据。

2 速度特征统计分析与指标计算

速度特征的统计分析,能清晰反映速度数据的分布特征。本研究采用断面车辆平均速度、15%位车速V15、85%位车速V85、断面车速离散度、路段车速离散度等指标。

2.1 断面车辆平均速度、15%位车速与85%位车速

断面车辆平均速度、15%位车速与85%位车速能够大致反映道路上车辆行驶速度的基本情况。

1) 断面车辆平均速度

断面车辆平均速度为通过某一断面的所有车辆观测速度的平均值,其计算公式如式(1)所示。

式中,为断面车辆平均速度,km/h;vi为第i辆车的速度,km/h;N为通过断面的车辆总数。

2) 15%位车速与85%位车速

15%位车速与85%位车速一般为高速公路车辆的最低和最高限速。

2.2 断面车速离散度

车速离散度形成的主要原因是驾驶员的个体差异,并受到交通流特性的影响,这一差异会被放大,放大到宏观层面即为路段的车速离散现象。研究表明,速度离散程度越高,事故发生率越高[6]。断面车速离散度通常采用车速极差R、断面车速标准差SD以及变异系数CV表示。

1) 车速极差

车速极差反映了样本分布的范围和离散程度,本研究采用85%位车速和15%位车速来表示最大值与最小值。车速极差R的计算公式如式(2)所示。

2) 断面车速标准差

断面车速标准差能反映单个车辆相对于交通流平均速度的离散情况,在车速离散度特征的研究中被广泛应用[17],断面车速标准差SD的计算公式如式(3)所示。

式中,SD为断面车速标准差;vi为第i辆车通过观测点的车辆速度,km/h;v-为统计时间内所有通过观测点车辆速度的平均值,km/h;N为统计时间内观测车辆的总数。

3) 变异系数

通常当平均车速较大时,车速标准差也较大。为减小比较时平均车速带来的影响,采用变异系数进行分析,变异系数CV的计算公式如式(4)所示。

式中,CV为变异系数;SD为断面车速标准差;为统计样本车辆的平均速度。

2.3 路段车速离散度

现有研究多采用断面车速离散度相关指标评价车辆速度变化率,这类指标受断面划分的影响较大,且无法评估路段整体的稳定行驶状态。路段车速离散度能够表征路段整体的稳定行驶状态,通过单车速度波动幅度反映单车行驶稳定性,从而得到路段的速度稳定性指标,作为一种非集计指标可弥补运行速度一致性分析中对纵向速度一致性分析的不足,路段车速离散度φL的计算公式如式(5)所示。

式中,SLi为第i辆车的路段车速标准差;vi,j为第i辆车通过第j个断面的速度;为第i辆车通过整个路段的平均速度;m为路段具有速度观测值的断面总数;n为统计间隔内通过路段的车辆总数。

路段具有速度观测值的断面总数m由主观判定得到,其划分越密集,最终计算结果越精确,但密集的断面划分,会增加数据采集难度。研究结合同济道路轨迹数据平台中轨迹数据的采集特点,即以0.1 s 时间间隔采集所有车辆的运行速度,将单车通过路段的断面划分优化为单车通过相同路段时数据采集的时间间隔,这可增加断面数量,同时避免断面数量增加为数据采集带来的难度以及人为划分断面的主观性,从而提高计算结果的精确度。优化后的m表示单车通过路段的统计时间内数据采集的时间间隔数量。

3 高速公路安全性分析

从运行速度的协调性与离散性角度出发,对其一致性进行分析,基于运行速度一致性分析结果实现对道路综合驾驶环境的交通安全分析。

3.1 路段介绍

山西五盂高速公路路段全长15 km,采用双向4 车道高速公路标准,设计速度为80 km/h,其中研究路段为K347+600～K352+800,包括隧道与桥梁各一处,设备布设在路段K347+600～K352+330 内。

依据《公路项目安全性评价规范》(JTG B05—2015)[18],以纵断面坡度和圆曲线半径为标准进行单元划分,分析单元划分原则如表1 所示。

隧道路段单元划分宜为驶入隧道洞口前200 m至驶出隧道洞口后100 m。基于此,研究路段可划分为5 个单元,路段评价单元划分如表2 所示。

表2 路段评价单元划分

3.2 路段车速分布特性

表3 各路段车速分布结果

3.3 运行速度协调性分析

山西五盂高速公路设计速度为80 km/h,为准确反映车速与道路设计速度的协调性,使用单个路段的85%位车速V85与设计速度VD的差值(V85-VD)对单个路段的协调性进行分析,各路段V85-VD的统计结果如图2 所示。连续路段的协调性分析使用了相邻路段85%位车速的速度差绝对值|ΔV85|,相邻路段85%位车速的速度差绝对值统计结果如图3 所示。

图2 各路段V85-VD 的统计结果

图3 相邻路段85%位车速的速度差绝对值统计结果

根据《公路项目安全性评价规范》(JTG B05—2015),V85与VD的差值＞20 km/h 的路段需要根据运行速度对其相关技术指标进行评价。对于单个路段而言,路段4 是隧道路段,其V85-VD=30.70 km/h,远大于20 km/h;其他路段的V85-VD均小于10 km/h,V85-VD在路段4 骤增。对于连续路段而言,路段3 至路段4 的|ΔV85|=29.11 km/h,路段4 至路段5 的| ΔV85|=25.23 km/h,均大于20 km/h。综合单个路段与连续路段的运行速度协调性分析,得到路段4 的V85=111 km/h,远高于其他路段的运行车速,全路段的V85=105 km/h,说明速度高值集中在路段4。

3.4 运行速度离散性分析

车速离散度多采用集计指标,主要反映路段运行速度的横向一致性,而通过单车运行速度离散度得到的路段车速离散度是一种非集计指标,具有避免生态谬论和过高的安全性评估的优势,是实现对路段运行速度纵向一致性分析的关键指标。

断面车速离散度主要由车速极差R、车速标准差SD和变异系数CV构成,断面车速离散度统计结果如图4 所示。路段2 与路段4 的离散度远高于其他路段,其中,路段4 的R与SD最高(R=76.50 km/h、SD=32.96 km/h),呈现高度离散状态,该路段是隧道路段,运行车速的横向一致性表现较差;路段2 是纵坡桥梁组合路段,CV=0.569,运行速度的变异程度是所有路段中最大的,即不考虑平均速度差异,路段2 的运行车速离散度最高,说明车辆通过路段2 时,不同车辆之间的运行速度存在明显差异。路段3 的R=37.46 km/h、SD=23.60 km/h、CV=0.383,3 个指标均高于直线形路段的相应值,低于隧道、坡道与桥梁组合路段的相应值,该路段是比较典型的弯坡组合路段,车速运行特征呈低车速、高离散性。各路段整体的断面车速离散度呈现较大波动,且特殊路段的断面离散度较大。路段车速离散度统计结果如图5 所示。

图4 断面车速离散度统计结果

图5 路段车速离散度统计结果

3.5 运行速度一致性与交通安全性分析

综合协调性与离散性的评价结果,对每个路段的运行速度进行一致性分析,并对各路段的交通安全性进行分析,提出相应改进建议。协调性指标评价标准参照《公路项目安全性评价规范》(JTG B05—2015),相邻路段运行速度协调性评价标准如表4 所示,协调性指标评价结果如表5 所示,离散性指标评价结果如表6 所示。

表4 相邻路段运行速度协调性评价标准

表5 协调性指标评价结果

表6 离散性指标评价结果

路段1:纵坡路段,协调性与离散性好,运行速度一致性优,交通安全性较好。

路段2:纵坡桥梁组合路段,协调性好,离散性差,运行速度一致性较差,需要将车速限定在合理区间,加强对最低车速的限制,提高车速的横向一致性,此外需要设置桥梁提示标志。

路段3:弯坡组合路段,协调性好,运行速度一致性呈横向较一致、纵向离散的特征,需要在该路段增设线形过渡指示标志,以提醒驾驶员道路状况。

路段4:隧道路段,协调性差,断面车速离散度高,路段车速离散度低于全路段整体水平,运行速度一致性呈横向离散、纵向一致的特点。需要降低断面车速离散度,此外,单车运行速度过高,有必要禁止车辆在隧道路段超车、超速,可设置视觉减速装置、允许可变限速并采取相应的最低限速值。

路段5:长直路段,协调性与离散性表现均良好,运行速度一致性优,由速度指标反映的交通安全性良好。

基于路段车速离散度对山西五盂高速公路的交通安全性进行分析,相关结果印证了现有研究结论。刘拥华等[7]在对山区高速公路的车速进行研究时,发现弯坡组合路段存在车辆运行速度快且速度差大的现象,其中小型车辆的速度离散度偏大。袁志兵[1]在对山区弯坡组合公路的研究中发现,上坡路段速度差值和惯性车速差值均较小且离散程度也较低;唐正光等[19]对高速公路隧道路段的事故数据和车速数据进行统计分析,发现追尾事故约占总事故的65%,并且隧道路段是交通事故的多发段,发生在隧道路段的事故约占总事故的29%,而隧道路段的追尾事故约占隧道路段总事故的73%,进一步对隧道路段的车速进行分析后发现,隧道路段车辆的行驶车速分布差异明显,具有很大的车速离散性,降低了行车安全性;隧道路段还存在明显的行驶速度差,导致交通冲突的扩大,进而提高追尾事故发生的可能性。相关研究结论与采用路段车速离散度对路段的交通安全进行分析所得的结果基本一致。

4 结论

(1) 协调性指标|ΔV85|与离散性指标R、SD、CV,无法定量分析路段运行速度的纵向一致性,φL的建立弥补了这一缺陷。

(2) 以数据采集的时间间隔数量作为断面数量,解决了以往研究中对道路断面划分主观性强、数据采集难度大的问题,为建立道路交通安全性评价体系提供了参考指标。

(3) 通过对山西五盂高速公路的实例分析,印证了现有研究,并提出分路段有针对性的交通安全改善建议,包括增设线形过渡指示标志、设置视觉减速装置、允许可变限速等。

(4) 研究重点是基于路侧设备采集的轨迹数据建立高速公路路段车速离散度的量化方法,未明确φL的安全评价分级阈值,此外,研究中未分车道、分时段对各路段的车辆运行速度进行计算,分析结果存在一定的局限性,后续可以细致划分车道和时段,提高分析结果的精确性。