基于信息感知的高速公路事故路段限速方案及仿真＊

張文會(huì) 徐慧智 張刑磊

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院1） 哈爾濱 150040） （哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院2） 哈爾濱 150000）

交通運(yùn)輸系統(tǒng)是由人、車、路（環(huán)境）構(gòu)成的復(fù)雜動(dòng)態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)，車輛、道路環(huán)境若與駕駛?cè)诵袨轳詈鲜д{(diào)，就會(huì)發(fā)生交通事故．交通事故現(xiàn)場是指發(fā)生事故的路段或地點(diǎn)，與事故有關(guān)的車輛、人（物、畜）以及痕跡、物證所占有的空間和時(shí)間．事故現(xiàn)場是判斷交通事故性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)和提取有關(guān)證據(jù)，證實(shí)事故發(fā)生過程或查獲肇事車輛的基礎(chǔ)，是鑒定責(zé)任的主要依據(jù)．《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定，未造成人身傷亡的交通事故，當(dāng)事人對(duì)事實(shí)及成因無爭議的，可以即行撤離現(xiàn)場協(xié)商解決，恢復(fù)交通；不即行撤離的，當(dāng)事人應(yīng)當(dāng)保護(hù)現(xiàn)場，迅速報(bào)告并等待交通警察到達(dá)．因此，事故現(xiàn)場的存在破壞了交通流的穩(wěn)定，從現(xiàn)場形成至解除、恢復(fù)交通的一段時(shí)間里，現(xiàn)場上下游區(qū)域是安全性最差的路段．

為了提高事故路段的行車安全性，國外主要從事故現(xiàn)場的快速識(shí)別［1］以及事故快速反應(yīng)［2］等方面展開研究．國內(nèi)除了多項(xiàng)部門法規(guī)［3－4］，也可見交通事故現(xiàn)場引起的車流波突變［5－6］、排隊(duì)形成與消散［7］、事故現(xiàn)場上游路段分段限速［8］等理論模型．本文根據(jù)高速公路交通事故現(xiàn)場路段通過車輛的行駛特征以及駕駛員行為特性，進(jìn)行區(qū)域劃分，建立事故現(xiàn)場分段限速值計(jì)算模型，在仿真環(huán)境下對(duì)限速方案和不限速方案進(jìn)行比對(duì)，由此獲得雙向4車道、雙向6車道和雙向8車道高速公路典型交通事故現(xiàn)場的限速方案．

1 事故路段空間區(qū)劃

交通事故路段封閉部分車道，駕駛員應(yīng)調(diào)整車輛的行駛狀態(tài)，以適應(yīng)道路條件的變化．根據(jù)車輛行駛特征以及駕駛員行為特性，把事故現(xiàn)場路段分為警告區(qū)、合流區(qū)、緩沖區(qū)、事故區(qū)、分流區(qū)和終止區(qū)，見圖1．

1）警告區(qū) 警告區(qū)是指駕駛?cè)双@得事故現(xiàn)場存在的信息至變換車道這段區(qū)域，警告區(qū)應(yīng)設(shè)置警示標(biāo)志以告知駕駛?cè)耸鹿尸F(xiàn)場的存在．

圖1 事故現(xiàn)場路段區(qū)域劃分

2）合流區(qū) 經(jīng)過警告區(qū)，通過車輛一般會(huì)變換車道，由于等待安全可插入間隙，此區(qū)域車輛平均速度較低．

3）緩沖區(qū) 根據(jù)相關(guān)規(guī)定，距離事故現(xiàn)場150 m設(shè)置警示標(biāo)志，警示標(biāo)志到事故現(xiàn)場這段區(qū)域?yàn)榫彌_區(qū)．

4）事故區(qū) 事故區(qū)為事故現(xiàn)場所在的區(qū)域，一般為封閉的形式，長度和寬度視具體交通事故而定．事故車輛、事故當(dāng)事人以及散落物應(yīng)在事故區(qū)內(nèi)．

5）分流區(qū) 通過事故區(qū)的車輛進(jìn)入分流區(qū)，車道不再封閉，車輛可以自由行駛，不受限制．通過事故現(xiàn)場的車輛一般都在分流區(qū)完成變換車道行為，從事故區(qū)的行車道過渡到正常車道．

6）終止區(qū) 在分流區(qū)末端，車輛分道正常行駛，即進(jìn)入終止區(qū)．

2 事故路段限速邏輯模型

2．1 合流區(qū)限速值計(jì)算模型

由于合流區(qū)交通信息的多元性以及駕駛行為的復(fù)雜性，優(yōu)先計(jì)算合流區(qū)的限速值，且與緩沖區(qū)、事故區(qū)限速值一致．根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，駕駛員處理信息的速度應(yīng)處于安全閾值內(nèi)，過低和過高都會(huì)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)［9］．考慮駕駛員的視野、視力，處理交通標(biāo)志信息的原理見圖2．

圖2 駕駛員處理標(biāo)志信息原理

圖2 中，θ為駕駛員視野，一般取15°；c為駕駛員動(dòng)視力范圍；a″的范圍內(nèi)駕駛員必須處理完所有的信息，否則，進(jìn)入a′區(qū)域，即超出視野范圍．所以，合流區(qū)限速值計(jì)算式為

式中：v2為合流區(qū)限速值，km／h；ti為駕駛員處理視力范圍內(nèi)的信息所需時(shí)間，s，ti＝tr＋td；tr，td分別為信息響應(yīng)時(shí)間和信息處理時(shí)間，s；a″為駕駛員可視范圍，m．

考慮車輛的平均運(yùn)行狀況，b值一般取半幅高速公路路面寬度，由此可獲得駕駛員縱向動(dòng)視力a＝由三角函數(shù)關(guān)系，可得a′＝

所以，駕駛員處理信息的范圍為

根據(jù)駕駛員處理信息的能力，得駕駛員處理信息所需的時(shí)間，即

式中：ηmax為駕駛員處理信息的能力，bit／s；B 為信息總量，bit．

由式（1）～式（3），可得合流區(qū)限速值計(jì)算模型為

駕駛員對(duì)單位信息量的響應(yīng)時(shí)間一般為處理時(shí)間的3～4倍．所以，式（4）可轉(zhuǎn)化為

2．2 警告區(qū)限速值計(jì)算模型

為降低車輛行駛的離散性，需考慮在警告區(qū)進(jìn)行限速．如果合流區(qū)限速值v2與v85相差較大，應(yīng)該取（v2＋20）作為警告區(qū)的限速值，進(jìn)行分段限速；如果v2與v85相差不大，警告區(qū)不需要限速．

警告區(qū)限速值計(jì)算模型為

式中：v1為警告區(qū)限速值，km／h；v85為交通流85%位車速，km／h．

2．3 事故路段限速方案

將駕駛員通過現(xiàn)場時(shí)需處理的信息分為道路信息、交通流信息、交通管理信息、駕駛員與其他人員信息及天氣信息等5類，并以信息出現(xiàn)概率的形式將各類信息量化處理［10］，得到典型高速公路交通事故現(xiàn)場合流區(qū)、警告區(qū)限速計(jì)算值和限速方案見表1．

表1 典型高速公路交通事故現(xiàn)場的限速方案

3 仿真及評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證限速方案的可行性，采用Vissim微觀交通流仿真軟件，分別對(duì)限速方案和不限速方案進(jìn)行比對(duì)．Vissim能夠模擬分析道路線形、交通組成、車速特征等約束條件下的交通運(yùn)行，并以文件形式輸出各種評(píng)價(jià)參數(shù)．設(shè)定小型車速度分布為60～120 km／h，大型車速度分布為40～100 km／h，其他參數(shù)設(shè)置見表2．

在仿真過程中，選取通行能力、最大排隊(duì)長度、平均行駛速度和速度樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，比對(duì)限速模型推薦的限速控制方案和不限速方案．

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

3．1 雙向4車道高速公路交通事故現(xiàn)場限速方案仿真

參照表1的限速方案，在仿真環(huán)境下，設(shè)置限速區(qū)域以及限速值，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)值，見表3．

表3 雙向4車道高速公路交通事故現(xiàn)場評(píng)價(jià)指標(biāo)值

由表3可見，在各交通流量下，限速方案與不限速方案相比，通行能力相差不大（±2 veh／h），這是因?yàn)樵O(shè)定的交通流量還沒有達(dá)到最大通行能力；限速方案的最大排隊(duì)長度和平均速度均低于不限速方案，說明采用限速方案，駕駛行為受到約束，交通流得到緩沖；限速方案的速度樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于不限速方案的，說明限速方案降低了速度離散性．

3．2 雙向6車道高速公路交通事故現(xiàn)場限速方案仿真

參照表1的限速方案，在仿真環(huán)境下，設(shè)置限速區(qū)域以及限速值，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)值，見表4．

由表4可見，無論單車道或雙車道事故現(xiàn)場，在各交通流量下，通行能力相差不大，限速方案的最大排隊(duì)長度和平均速度均低于不限速方案，速度樣本標(biāo)準(zhǔn)差均小于不限速方案，可見，限速方案路段速度分布較集中，安全性提高．此外，在雙車道事故現(xiàn)場交通流量為1 200 veh／h時(shí)，限速方案和不限速方案的平均速度較低，分別為12．79 km／h和23．24 km／h，說明出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象，發(fā)生供應(yīng)性交通擁擠，應(yīng)提前采取分流或控制高速公路入口車輛等誘導(dǎo)方式，以降低事故現(xiàn)場的空間影響范圍．

3．3 雙向8車道高速公路交通事故現(xiàn)場限速方案仿真

參照表1的限速方案，在仿真環(huán)境下，設(shè)置限速區(qū)域以及限速值，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)值，見表5．

表4 雙向6車道高速公路交通事故現(xiàn)場評(píng)價(jià)指標(biāo)值

表5 雙向8車道高速公路交通事故現(xiàn)場評(píng)價(jià)指標(biāo)值

由表5可見，無論單車道、雙車道或3車道事故現(xiàn)場，在各交通流量下，通行能力相差不大，限速方案的最大排隊(duì)長度和平均速度均低于不限速方案，速度樣本標(biāo)準(zhǔn)差均小于不限速方案，可見限速方案雖增加了行程時(shí)間，但緩和了交通流，提高了事故現(xiàn)場路段的安全性．

4 結(jié)束語

根據(jù)事故路段的信息特征以及駕駛員行為特性，將事故路段空間區(qū)域劃分為警告區(qū)、合流區(qū)、緩沖區(qū)、事故區(qū)、分流區(qū)和終止區(qū)；參照駕駛員信息處理能力，建立了事故路段合流區(qū)限速值計(jì)算模型，比照合流區(qū)限速值和 ，建立警告區(qū)限速值計(jì)算模型．將駕駛員處理的信息分為道路信息、交通流信息、交通管理信息、駕駛員與其他人員信息及天氣信息等5類，得到高速公路事故路段的限速方案．在微觀交通仿真環(huán)境下，選取通行能力、最大排隊(duì)長度、平均速度和速度樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差等指標(biāo)，對(duì)限速方案和不限速方案進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明限速方案使得通過車輛的平均速度有所降低，但速度樣本標(biāo)準(zhǔn)差和最大排隊(duì)長度也下降，從而提高了事故路段的安全性．

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