山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统设计及效果评估*

苏 宇 熊昌安 杨小宇 杨文臣 田毕江

(1.陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室 云南省交通规划设计研究院股份有限公司 昆明 650200;2.云南省数字交通重点实验室 昆明 650000; 3.楚雄公路局牟定公路分局 楚雄 675000)

据统计,我国山区公路事故数量约占总事故数的85%,多发生在无控交叉口处[1]。因此,如何提升山区公路无信号控制平面交叉口(以下简称“无控平交口”)的综合安全水平已成为学者关注的热点问题。

受道路条件、驾驶行为、公路设计标准、交通安全设施和资金等因素限制,山区公路的交通组成多样、路侧开口密集且未设置信号控制、行车环境复杂[2];加之无控平交口的功能稳定性低下,无法对其内部交通流进行合理有效地引导、分流及控制,随着交通量的与日俱增,山区公路无控平交口处交通冲突加剧、交通事故频发的现状也随之呈现[3]。李荣彪等[4]指出缺少道路交通安全标志标线是导致山区公路平面交叉口事故多发的主要致因之一。潘旺等[5]提出应扩大山区公路无控平交口的视距、增设必要的交通安全设施。据调查,围绕提升交叉口安全水平的相关研究主要集中在改良视距[6]、改善交通环境[7]、提升管控水平[8]、调整几何设计[9]、静态交通标志的视认性及配套[10]等方面;相关部门的交通安全管理手段多为传统的“交通标志+警示灯”模式,少数无控平交口可能会放置常规可变信息标志(variable message signs,VMS)进行主动防控,存在提示内容单一、同一区域内多个VMS相互孤立、无法形成有效联动等问题。

综上所述,目前针对交叉口交通安全水平提升的研究成果仍停留在传统的静态、被动、后评估层面,尚未深入研究以VMS为载体、可实现区域联动的交叉口主动式预警系统,相关研究成果缺乏主动性、预见性和安全性,无法满足交通事故主动预防预警的需求。

鉴于此,本文针对山区公路无控平交口交通冲突风险预警技术缺失的现状,从多方向、多因素、多类型出发,拟研发一款山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统,并对其警示效果进行评估。以期为交叉口处交通安全设施研究提供一定的理论支撑,以满足交通事故主动预防预警的需求,进一步提升无控交叉口的交通安全水平。

1 系统设计

1.1 系统功能组成

山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统采用分布式系统架构,由中心远程管理系统和路侧一体化智能预警设备2部分组成。该系统可结合实际需求和应用场景,支持灵活设备组网和控制策略定制以实现车辆的实时检测及预警,具有一体化、多模式智能控制、多模态预警信息发布的特点。根据路口不同道路及交通条件,以双向两车道交叉口为例,将道路区分为主路和支路,其中0号单元和2号单元为主路上2个方向的预警设备,1号单元和3号单元为支路上2个方向的预警设备。中心远程管理系统采用B/S系统架构,集成地图可视化、设备工况实时监控、交通流量监测、预警情况统计、警示效果分析、远程警示控制、日志管理等功能模块。通过多套智能预警设备传感器实时感知对隐患路段交通流信息,研判交通冲突风险,灵活定制路侧预警设施协同策略和优先控制模式,生成定向预警方案传输至路侧一体化智能预警设备发布,实时交通冲突风险预警系统示意图见图1。

图1 山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统示意图

路侧一体化智能预警设备由太阳能板、LED显示屏、一体化箱体、声音报警装置和固定显示标牌组成;其中,一体化箱体内置单元控制模块、4G通讯模块、数传模块和太阳能供电模块;LED显示屏通过“黄闪灯+预警信息+图形+声光灯”模式向驾驶员发布多模态预警信息,预警内容及亮度可根据现场实际情况自动调节,路侧一体化智能预警设备组成见图2。

图2 路侧一体化智能预警设备组成

1.2 预警策略设计

根据当前干线公路交通安全管理方式,系统预留了4种控制方式及风险预警逻辑,用户可根据路口实际交通安全特征及车流运行基本特性选合适用的配置,预警系统控制模式见表1。其中,对多模预警信息发布方式:预警显示内容(文字、数字、图形)和预警方式(闪灯频率、颜色)可以根据交叉口的交通流特征及到达冲突风险的情况而定制。一般规定如下。

表1 预警系统控制模式

1) 圆形预警显示灯以一定频率闪烁,其闪烁频率(60次/min)和颜色可根据交叉口风险等级而变化,一级风险显示为红色,二级和三级风险显示为黄色。

2) 安全预警信息区域(点阵LED灯)的显示内容也可根据交叉口风险变化,当次干路没有车辆出现时,可变安全警示信息区域显示常规内容,如当前路段的限速信息50 km/h和红色禁令标志的红色外圈。

3) 当次干路有车辆来临时,可变安全警示信息区域则显示预警内容,其中,预警内容以文字形式呈现,如“左侧来车,注意避让”等。

1.3 系统预警逻辑

山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统的预警逻辑示意图见图3,布设于进口道和出口道的无线地磁车检器检测所在交叉口的车辆到达信息,通过检测端口号识别车辆位置信息,并将其由Lora本地无线自组网发送至0号主预警单元所在的本地计算平台,判断交叉口内部车辆是否会发生冲突,形成相应的预警指令下发至指定单元,经多模态LED显示屏向驾驶员发布警示信号和提示信号,以达到整体的信息同步和协同判断显示功能。

图3 预警逻辑示意图

1.4 预警系统布设方案

如图1所示,山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统布设方案的主干道车辆检测器分别安装在主干道距离交叉口进口处距离L1处的进口道和主干道在交叉口出口位置,次干道车辆检测器分别安装在次干道距离交叉口进口处距离L2处的进口道和次干道在交叉口出口位置,主干道VMS预警警示牌设置在主干道距离交叉口进口处距离D处的车道旁,计算方法如式(1)～(6)。

式中:Vs为次干道的行驶速度,km/h;T1为次干道对主干道车辆的反应时间,s;i为道路纵坡度,上坡为正,下坡为负,%;φ为轮胎和路面之间的附着系数;t1为觉察时间,为驾驶人对警示标志的1次注视时间,一般为400 ms;t2为认读标志的时间,一般2.0～3.0 s;t3为驾驶人判断决策时间,一般为取2.0～2.5 s;t4为驾驶人反应时间,一般为1.5～2.0 s;T2为主干道对次干道车辆的反应时间,s;V为主干路无干扰路段行驶速度,km/h;α为主干道车辆减速度,考虑驾驶人的行车舒适度,取为2.5 m/s2;V2为主干道减速后车速,即期望交叉口通行速度,km/h;S为标志视认距离,m;d为驾驶人的视高到标志的侧距,m;H为标志中心与驾驶人视线平面的高差,m;β为驾驶人最大视界范围,0°～180°;θ为驾驶人视角阈值,0°～90°。

2 效果评估

2.1 预警策略显示准确率评估

为验证山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统的有效性,选取云南某国省干道的典型无控平交口对该系统进行了现场测试。该平交口呈X形,主路为上坡路段,支路是连接县城的道路,交通量较大,测试人员分别站在路口路侧智能预警单元的对向路侧空地,采用2台实验车辆模拟路口不同车辆到达及交通冲突风险情景,通过人工观察和使用MetroCount 5900(车辆统计系统)计数统计等方式检验无控交叉口实时冲突风险预警系统在全感应预警模式下的多模态预警防控功能,车辆减速示例见图4。

实验结果表明,研发的无控交叉口实时冲突风险预警系统按功能设计需求,在5种冲突风险场景下,系统能100%正确地显示预警策略,冲突场景预警策略显示情况见表2。

表2 冲突场景预警策略显示情况

2.2 系统预警效果评估

统计在山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统不同预警模式下的车辆减速情况见表3。

表3 车辆减速情况

由表3可知,当无车辆冲突、主路仅显示提示信号时,约60%的车辆有刹车减速行为。当路口车辆存在交通冲突,主路发布冲突警示信号时,80%左右车辆会减速刹车,表明山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统的警示效果显著。

利用MetroCount MC5900气压管式车辆分型统计系统分析了安装前和安装后车速的变化情况,示范后的路口车速分布与示范前的路口车速分布特征对比示意图见图5。

图5 山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统安装前后车速变化情况

由图5a)可知,示范前与示范后车速分布均集中在45～85 km/h区间内,但在70～85 km/h高速区间内,示范前有60%的车辆位于高速区间,而示范后该区间的车辆数量降低至45%,车辆有明显的减速行为。由图5b)可知,与示范前相比,示范后的车速在70～75 km/h的分布较为集中,大于80 km/h的高速车辆占比明显下降;同时,85%车速从示范前的81.4 km/h下降为78.1 km/h,低于80 km/h的最高限速值。由此可见,山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统的预警效果良好,能够有效降低车辆通过无控平交口时的地点车速,有助于减少事故发生的可能性、削弱事故严重程度。

3 结论

1) 针对山区公路无控平交口交通事故减量控大的现实需求,设计并研制了一款山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统,具有一体化、多模式智能控制、多模态预警信息发布的特点,可为交叉口处交通安全设施研究提供一定的理论支撑。

2) 山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统的预警效果良好,预警策略显示正确率为100%,当无车辆冲突、主路仅显示提示信号时,约60%的车辆有刹车减速行为;当路口车辆存在交通冲突,主路发布冲突警示信号时,80%左右车辆会减速;70～85 km/h车速范围内的车辆占比从60%下降到45%,85%车速从示范前的81.4 km/h下降为78.1 km/h。

3) 山区公路无控平交口实时交通冲突风险预警系统对提升山区公路无控平交口交通安全水平、推动偏远山区公路交叉口行车条件向信息化、智能化方向发展起到重要支撑作用,具有较好的推广应用前景。