山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)設(shè)計及效果評估*

蘇 宇 熊昌安 楊小宇 楊文臣 田畢江

(1.陸地交通氣象災害防治技術(shù)國家工程實驗室 云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司 昆明 650200;2.云南省數(shù)字交通重點實驗室 昆明 650000; 3.楚雄公路局牟定公路分局 楚雄 675000)

據(jù)統(tǒng)計,我國山區(qū)公路事故數(shù)量約占總事故數(shù)的85%,多發(fā)生在無控交叉口處[1]。因此,如何提升山區(qū)公路無信號控制平面交叉口(以下簡稱“無控平交口”)的綜合安全水平已成為學者關(guān)注的熱點問題。

受道路條件、駕駛行為、公路設(shè)計標準、交通安全設(shè)施和資金等因素限制,山區(qū)公路的交通組成多樣、路側(cè)開口密集且未設(shè)置信號控制、行車環(huán)境復雜[2];加之無控平交口的功能穩(wěn)定性低下,無法對其內(nèi)部交通流進行合理有效地引導、分流及控制,隨著交通量的與日俱增,山區(qū)公路無控平交口處交通沖突加劇、交通事故頻發(fā)的現(xiàn)狀也隨之呈現(xiàn)[3]。李榮彪等[4]指出缺少道路交通安全標志標線是導致山區(qū)公路平面交叉口事故多發(fā)的主要致因之一。潘旺等[5]提出應擴大山區(qū)公路無控平交口的視距、增設(shè)必要的交通安全設(shè)施。據(jù)調(diào)查,圍繞提升交叉口安全水平的相關(guān)研究主要集中在改良視距[6]、改善交通環(huán)境[7]、提升管控水平[8]、調(diào)整幾何設(shè)計[9]、靜態(tài)交通標志的視認性及配套[10]等方面;相關(guān)部門的交通安全管理手段多為傳統(tǒng)的“交通標志+警示燈”模式,少數(shù)無控平交口可能會放置常規(guī)可變信息標志(variable message signs,VMS)進行主動防控,存在提示內(nèi)容單一、同一區(qū)域內(nèi)多個VMS相互孤立、無法形成有效聯(lián)動等問題。

綜上所述,目前針對交叉口交通安全水平提升的研究成果仍停留在傳統(tǒng)的靜態(tài)、被動、后評估層面,尚未深入研究以VMS為載體、可實現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動的交叉口主動式預警系統(tǒng),相關(guān)研究成果缺乏主動性、預見性和安全性,無法滿足交通事故主動預防預警的需求。

鑒于此,本文針對山區(qū)公路無控平交口交通沖突風險預警技術(shù)缺失的現(xiàn)狀,從多方向、多因素、多類型出發(fā),擬研發(fā)一款山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng),并對其警示效果進行評估。以期為交叉口處交通安全設(shè)施研究提供一定的理論支撐,以滿足交通事故主動預防預警的需求,進一步提升無控交叉口的交通安全水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能組成

山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)架構(gòu),由中心遠程管理系統(tǒng)和路側(cè)一體化智能預警設(shè)備2部分組成。該系統(tǒng)可結(jié)合實際需求和應用場景,支持靈活設(shè)備組網(wǎng)和控制策略定制以實現(xiàn)車輛的實時檢測及預警,具有一體化、多模式智能控制、多模態(tài)預警信息發(fā)布的特點。根據(jù)路口不同道路及交通條件,以雙向兩車道交叉口為例,將道路區(qū)分為主路和支路,其中0號單元和2號單元為主路上2個方向的預警設(shè)備,1號單元和3號單元為支路上2個方向的預警設(shè)備。中心遠程管理系統(tǒng)采用B/S系統(tǒng)架構(gòu),集成地圖可視化、設(shè)備工況實時監(jiān)控、交通流量監(jiān)測、預警情況統(tǒng)計、警示效果分析、遠程警示控制、日志管理等功能模塊。通過多套智能預警設(shè)備傳感器實時感知對隱患路段交通流信息,研判交通沖突風險,靈活定制路側(cè)預警設(shè)施協(xié)同策略和優(yōu)先控制模式,生成定向預警方案傳輸至路側(cè)一體化智能預警設(shè)備發(fā)布,實時交通沖突風險預警系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)示意圖

路側(cè)一體化智能預警設(shè)備由太陽能板、LED顯示屏、一體化箱體、聲音報警裝置和固定顯示標牌組成;其中,一體化箱體內(nèi)置單元控制模塊、4G通訊模塊、數(shù)傳模塊和太陽能供電模塊;LED顯示屏通過“黃閃燈+預警信息+圖形+聲光燈”模式向駕駛員發(fā)布多模態(tài)預警信息,預警內(nèi)容及亮度可根據(jù)現(xiàn)場實際情況自動調(diào)節(jié),路側(cè)一體化智能預警設(shè)備組成見圖2。

圖2 路側(cè)一體化智能預警設(shè)備組成

1.2 預警策略設(shè)計

根據(jù)當前干線公路交通安全管理方式,系統(tǒng)預留了4種控制方式及風險預警邏輯,用戶可根據(jù)路口實際交通安全特征及車流運行基本特性選合適用的配置,預警系統(tǒng)控制模式見表1。其中,對多模預警信息發(fā)布方式:預警顯示內(nèi)容(文字、數(shù)字、圖形)和預警方式(閃燈頻率、顏色)可以根據(jù)交叉口的交通流特征及到達沖突風險的情況而定制。一般規(guī)定如下。

表1 預警系統(tǒng)控制模式

1) 圓形預警顯示燈以一定頻率閃爍,其閃爍頻率(60次/min)和顏色可根據(jù)交叉口風險等級而變化,一級風險顯示為紅色,二級和三級風險顯示為黃色。

2) 安全預警信息區(qū)域(點陣LED燈)的顯示內(nèi)容也可根據(jù)交叉口風險變化,當次干路沒有車輛出現(xiàn)時,可變安全警示信息區(qū)域顯示常規(guī)內(nèi)容,如當前路段的限速信息50 km/h和紅色禁令標志的紅色外圈。

3) 當次干路有車輛來臨時,可變安全警示信息區(qū)域則顯示預警內(nèi)容,其中,預警內(nèi)容以文字形式呈現(xiàn),如“左側(cè)來車,注意避讓”等。

1.3 系統(tǒng)預警邏輯

山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)的預警邏輯示意圖見圖3,布設(shè)于進口道和出口道的無線地磁車檢器檢測所在交叉口的車輛到達信息,通過檢測端口號識別車輛位置信息,并將其由Lora本地無線自組網(wǎng)發(fā)送至0號主預警單元所在的本地計算平臺,判斷交叉口內(nèi)部車輛是否會發(fā)生沖突,形成相應的預警指令下發(fā)至指定單元,經(jīng)多模態(tài)LED顯示屏向駕駛員發(fā)布警示信號和提示信號,以達到整體的信息同步和協(xié)同判斷顯示功能。

圖3 預警邏輯示意圖

1.4 預警系統(tǒng)布設(shè)方案

如圖1所示,山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)布設(shè)方案的主干道車輛檢測器分別安裝在主干道距離交叉口進口處距離L1處的進口道和主干道在交叉口出口位置,次干道車輛檢測器分別安裝在次干道距離交叉口進口處距離L2處的進口道和次干道在交叉口出口位置,主干道VMS預警警示牌設(shè)置在主干道距離交叉口進口處距離D處的車道旁,計算方法如式(1)～(6)。

式中:Vs為次干道的行駛速度,km/h;T1為次干道對主干道車輛的反應時間,s;i為道路縱坡度,上坡為正,下坡為負,%;φ為輪胎和路面之間的附著系數(shù);t1為覺察時間,為駕駛?cè)藢緲酥镜?次注視時間,一般為400 ms;t2為認讀標志的時間,一般2.0～3.0 s;t3為駕駛?cè)伺袛鄾Q策時間,一般為取2.0～2.5 s;t4為駕駛?cè)朔磻獣r間,一般為1.5～2.0 s;T2為主干道對次干道車輛的反應時間,s;V為主干路無干擾路段行駛速度,km/h;α為主干道車輛減速度,考慮駕駛?cè)说男熊囀孢m度,取為2.5 m/s2;V2為主干道減速后車速,即期望交叉口通行速度,km/h;S為標志視認距離,m;d為駕駛?cè)说囊暩叩綐酥镜膫?cè)距,m;H為標志中心與駕駛?cè)艘暰€平面的高差,m;β為駕駛?cè)俗畲笠暯绶秶?0°～180°;θ為駕駛?cè)艘暯情撝?0°～90°。

2 效果評估

2.1 預警策略顯示準確率評估

為驗證山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)的有效性,選取云南某國省干道的典型無控平交口對該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試。該平交口呈X形,主路為上坡路段,支路是連接縣城的道路,交通量較大,測試人員分別站在路口路側(cè)智能預警單元的對向路側(cè)空地,采用2臺實驗車輛模擬路口不同車輛到達及交通沖突風險情景,通過人工觀察和使用MetroCount 5900(車輛統(tǒng)計系統(tǒng))計數(shù)統(tǒng)計等方式檢驗無控交叉口實時沖突風險預警系統(tǒng)在全感應預警模式下的多模態(tài)預警防控功能,車輛減速示例見圖4。

實驗結(jié)果表明,研發(fā)的無控交叉口實時沖突風險預警系統(tǒng)按功能設(shè)計需求,在5種沖突風險場景下,系統(tǒng)能100%正確地顯示預警策略,沖突場景預警策略顯示情況見表2。

表2 沖突場景預警策略顯示情況

2.2 系統(tǒng)預警效果評估

統(tǒng)計在山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)不同預警模式下的車輛減速情況見表3。

表3 車輛減速情況

由表3可知,當無車輛沖突、主路僅顯示提示信號時,約60%的車輛有剎車減速行為。當路口車輛存在交通沖突,主路發(fā)布沖突警示信號時,80%左右車輛會減速剎車,表明山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)的警示效果顯著。

利用MetroCount MC5900氣壓管式車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)分析了安裝前和安裝后車速的變化情況,示范后的路口車速分布與示范前的路口車速分布特征對比示意圖見圖5。

圖5 山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)安裝前后車速變化情況

由圖5a)可知,示范前與示范后車速分布均集中在45～85 km/h區(qū)間內(nèi),但在70～85 km/h高速區(qū)間內(nèi),示范前有60%的車輛位于高速區(qū)間,而示范后該區(qū)間的車輛數(shù)量降低至45%,車輛有明顯的減速行為。由圖5b)可知,與示范前相比,示范后的車速在70～75 km/h的分布較為集中,大于80 km/h的高速車輛占比明顯下降;同時,85%車速從示范前的81.4 km/h下降為78.1 km/h,低于80 km/h的最高限速值。由此可見,山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)的預警效果良好,能夠有效降低車輛通過無控平交口時的地點車速,有助于減少事故發(fā)生的可能性、削弱事故嚴重程度。

3 結(jié)論

1) 針對山區(qū)公路無控平交口交通事故減量控大的現(xiàn)實需求,設(shè)計并研制了一款山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng),具有一體化、多模式智能控制、多模態(tài)預警信息發(fā)布的特點,可為交叉口處交通安全設(shè)施研究提供一定的理論支撐。

2) 山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)的預警效果良好,預警策略顯示正確率為100%,當無車輛沖突、主路僅顯示提示信號時,約60%的車輛有剎車減速行為;當路口車輛存在交通沖突,主路發(fā)布沖突警示信號時,80%左右車輛會減速;70～85 km/h車速范圍內(nèi)的車輛占比從60%下降到45%,85%車速從示范前的81.4 km/h下降為78.1 km/h。

3) 山區(qū)公路無控平交口實時交通沖突風險預警系統(tǒng)對提升山區(qū)公路無控平交口交通安全水平、推動偏遠山區(qū)公路交叉口行車條件向信息化、智能化方向發(fā)展起到重要支撐作用,具有較好的推廣應用前景。