1、道路运营安全性评价方法与指标第 17 卷第 4 期2007 年 4 月中国安全科学ChinaSafetyScienceJournalVo1.17No.4Apr.2007道路运营安全性评价方法与指标柳本民讲师杨志清孔令旗杨轸(同济大学道路与交通 X-程教育部重点实验室 ,上海 200092)学科分类与代码:620.5020 中图分类号:X913.4 文献标识码 :A【摘要】笔者从道路交通设施系统客观安全性和道路用户主观安全性的角度,应用交通冲突分析技术,运行车速预测方法,行车动力学仿真分析空间视距模型,人工神经网络(ANN)模型,研究并分析车辆在自由流和非自由流两种状态下运营安全性,提出跟驰风险
2、指数,变换车道风险指数,高速行车风险指数,建立了服务于道路安全运营管理的道路交通设施系统及其运营安全性的分析评价方法和指标.【关键词】道路交通系统;运营安全;主,客观安全性;分析评价; 人工神经网络(ANN)SafetyEvaluationMethodandItsIndexesforRoadOperationLIUBen-min,LecturerYANGZhi-qingKONGLing-qiYANGZhen(KeyLaboratoryofRoadTrafficEngineering,MinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,Chin
3、a)Abstract:Fromtheviewsofobjectivesafetyofroadtrafficsystemandsubjectivesafetyofroadusers,thispaperanalyzedthesafetyofvehiclesinfreeflowandnon-freeflowbyusingtrafficconflicttechnique,drivingspeedpredictionmethodandsimulationanalysisondynamicsperformanceofthevehicle(spatialsight-distancemodel,artific
4、ialneuralnetworkmode1).Thentheindexesofcar-followingrisk,lane-chan-gingriskandhigh-speedriskwereproposedrespectively.Finally,evaluationmethodsandcriteriaforroadtrafficsystemoperatingsafetyweresetup.Keywords:roadtrafficsystem;operationsafety;objectiveandsubjectivesafety;analysisandevaluation;ANN(arti
5、ficialneuralnetwork)0 引言.随着经济发展和社会进步,我国道路交通公共安全问题日益受到人们的重视.从 2001 年以来,我国每年交通事故死亡人数均超过 l0 万人,受伤达50 万人,直接经济损失达 30 多亿元,造成了生命和财产的巨大损失.在所有道路交通事故中,70%以上发生在公路上.国外的研究表明公路条件对交通事故的发生有着重要影响,公路交通事故中有 27%一30%与公路条件相关.公路路线指标中的行车道宽度,视距,平面线形,纵面线形等对交通事故的发生都有影响.如何减少交通事故数量和降低交通事故严重程度成为当前道路安全工程研究的重点.国外近年来,在减降道路交通事故方面的研究
6、取得了重大的进展,道路交通安全改进显着.在一定的设计车速下,任何一个独立的线形单元在理论上都是能够保证行车安全的.之所以会发生交通事故,就道路条件来讲,是由于不合理的线形组合造成的J.提高道路线形设计的安全性,主要使设计的公路线形能够满足驾驶员的期望,使驾驶员能够按自己的希望的车速稳定行驶.目前国外的主要做法是通过行车的连续性来判断公路线形的安全性.发达国家对线形设计安全性都很重视,并制定了$文章编号:10033033(2007)04 015106;收稿日期:2006 0814;修稿 Et 期:20070228?l52?中国安全科学ChinaSafetyScienceJournal第 l7 卷
7、2007 正相应的量化标准.一般的做法是通过对已通车的公路运行车速的调查建立速度预测模型,确定在不同的线形条件下车辆的运行车速,通过比较相邻线形单元的运行车速差来确定线形设计安全性的优劣.在美国,FHWA 的研究项目根据相邻线形单元间运行车速的变化将线形设计的优劣分为 3 个等级:1)车速变化小于 10km/h 时为优;2)l020km/h 时为一般;3)超过 20km/h 时为差.通过合理韵路线几何设计来保证公路运输安全是道路安全工程的重点,建立运行车速模型来评价高速公路线形设计的优劣又是其中的核心.以前的车速模型的建立主要是基于平面线形的,即主要考虑了曲线半径和直线长度对运行车速的影响,从
8、实际的调查情况看,即使在高速公路上路线纵坡对车速的变化影响也还是较大的,必须将平纵面线形一起考虑,才能保证所建立的车速模型的全面 f 生和完整性,使所预测的运行车速更符合高速公路营运实际.道路安全管理过程中,对“人一车一路 “系统进行静态和动态的安全分析评价是制定安全管理对策和改善计划的基础.特定自然与人文环境下的道路交通设施具有其客观安全性,道路安全性评价分析可先从分析道路交通设施的特征及其客观安全性人手,分析评价其在特定自然和人文环境下的运行车速,动态视距,空间视距,行车稳定性等与安全性有关的特征.道路用户根据自身对具备一定客观安全性的道路交通设施系统的认知和判断,采取一定的驾驶行为,该驾
9、驶行为下的安全性可定义为主观安全性.由于个体的差异,道路用户在同一道路交通设施系统内对系统客观安全性认知不同呈现出主观安全性个体差异.主观安全性高于客观安全性时,即道路用户过高地估计道路交通设施系统的安全性能,“人一车一路“ 系统实际安全性低,易发生交通事故 ;相反,即道路用户低估道路交通设施系统的安全性能,“人车一路“ 系统安全性高 .主,客观安全性的矛盾反映在交通流状况上,道路安全运营管理时(特别是动态安全管理)可通过分析交通流参数评价道路实时运营安全性,及时采取相应的交通控制与管理对策,确保运营安全.1 自由流状态交通运营安全性分析自由流状态下驾驶员在车道和车速选择上有较大的自由度,基本
10、不受其他车辆的影响,车辆的运行状态主要受沿线道路几何线形,交通工程设施,道路景观,汽车性能,驾驶员状况等的影响.因此,自由流状态下的人车路系统安全性主要是个体道路用户对道路交通设施系统的认知的结果,可用来分析评价道路交通设施系统的客观安全性.1.1 期望车速和实际运行车速差驾驶员根据对前方道路交通设施的实际情况选择期望车速,实施于驾驶行为.而在车辆实际运行过程中,受沿线各种道路,交通,气候条件和驾驶员状态的影响,驾驶员的驾驶行为受到限制,为保持安全并采取相应的措施,最终车辆的行驶速度为实际运行车速.期望车速与实际运行车速的差异越大,对驾驶员的心理冲击越大,所采取的紧急措施就越多,车辆运行危险性
11、也就越大.因此,可以用期望车速表征主观安全性,实际运行车速表征客观安全性.公路项目安全性评价指南提供了预测方法.1.2 沿线运行速度差沿线运行车速的变化,国内外提出了不同的模型,如美国 IHSDM 的方法,公路项目安全性评价指南建议的方法等.笔者提出了依据空间视距推算运行车速和人工神经网络的运行车速预测模型.1.2.1 空间视距模型随着车速的提高,驾驶员眼睛的有效视野会越来越窄.驾驶员在清晰视野中看到的路段有一个最远的距离,就引入一个空间视距的概念:在车道中心位置,离路面表面 H(观察点高度)处,沿着行车道方向,横向偏角各的范围内,能看到的车道中心位置距观察点的最远距离,空间视距的连续性表现几
12、何线形的连续性.,如图 1 所示.图 1 空间视距概念示意图第 4 期柳本民等:道路运营安全性评价方法与指标?153?自由流状态下,空间视距是驾驶员确定驾驶速度的主要因素,空间视距的频繁变化引起车速的反复变化,对行车安全不利,空间视距的概念体现了当前的速度均衡性原则,据此提出空间视距车速预测模型.根据驾驶特性,速度随空间视距的增大而增大,当空间视距趋向无穷大时,速度收敛.通过几条路车速的调研,提出式(1)的统一表达式.1=A(1 一壶 )+B(1)C式中,m 点的期望车速;m 点的空间视距;A,日待定参数.空间视距车速预测模型是在对道路实地采集数据回归的基础上形成的,所选路段应尽量体现车速与空
13、间视距的关系,如无标志和出人口路段等,在这些较理想的路段建立模型,得到期望车速,然后考虑纵坡,当前速度和期望车速差对进行修正,相应得到以下 3 种情况:当 l 一 l0.4 时,+.=(2)当 I 一 l0.4 并且一0 时,+1=/+2(0.4+0.033l 一 1)S(3)当 l 一 l0.4 并且一0 时,+.=(4)式中,m 点当前车速(m/s);+lm+1 点预测速度 ;Jsm 点至 m+1 点距离.1.2.2 人工神经网络(ANN)模型ANN 车速预测模型考虑了运行车速与道路线形以及事故率之间的非线性关系,其基本假定如下:1)车速在圆曲线上保持恒定;2)半径尺 1500m 时,按直
14、线考虑;3)车辆的最高运行车速为期望车速;4)车辆的加 ,减速过程在缓和曲线上完成.模型结构设计采用开放式理念,用户可以方便地改变输人变量数量,隐含层层数,隐含层单元,输出层单元等结构形式.输人变量选用平曲线半径(尺)作为惟一的输人变量以及选用平曲线半径(尺),偏角(),长度()“作为输人变量.在模型结构选择上,模型层数分别采用单隐含层(3 层结构),双隐含层(4 层结构), 隐含层单元个数也进行了多种组合试验.对不同的高速公路,用户可进行不同结构形式的模型调试训练,由模型调试结果的相关性确定选用何种模型,如图 2 为其中一种结构形式的模型计算简图(3,4,8,1 分别代表该层的单元个数),结
15、构形式为:输人层+两个隐含层 (4+8 单元)+输出层,输人变量为尺,输出变量为.4图 2 模型计算简图文中模型采用了石太高速,济青高速等高速公路的数据训练并建立了模型.1.3 行车动力学仿真模型运行车速预测模型主要反映道路交通设施和驾驶行为的关系.行车动力学仿真模型通过获得车辆的侧向偏移,受力特点,驾驶员负担等指标,综合评价几何线形,尤其是不同超高对道路运营安全的影响.fXlf,)行车动力学仿真模型由驾驶员模型,三自由度整车动力学模型和 SK 道路模型三大部分组成.驾驶员模型采用郭孔辉院士提出的单点预瞄最优曲率模型,同时,引人绝对信息变化率的概念来反映道路线形对驾驶员的生理心理负担.行车动力
16、学仿真模型是采用控制系统的表示方法构建的,考虑了车辆的动态响应和道路横坡(超高)的影响,如图 3所示.图 3 考虑坐标变换的单点预瞄最优加速度系统框图?154?中国安全科学ChinaSafetyScienceJournal第 17 卷2007 钲仿真结果最终以综合误差指标评价,该指标综合反映轨道跟驰误差(侧向偏移值和方向误差,由表示),驾驶员负担程度( 由方向盘变化率表示),车辆侧向稳定性( 横向力系数和侧倾角,由表示)和纵向稳定性(),动力稳定性的道路安全综合评价指标计算如下 J:(5)式中,权重,分别取值为 1,0.5,1 和 0.5.2 非自由流状态下的运营安全性分析2.1 问题的提出与
17、分析方法非自由流状态下的运营安全性不仅与道路,交通设施有关,还与实际交通流状态有关.车辆运营过程中的行车风险,不仅受道路几何线形的影响,运行车速与沿线交通控制,交通流密度密切相关,并与车辆类型和驾驶员相关.2.2 基于交通冲突分析技术的安全性分析评价2.2.1 跟驰风险指数跟驰风险指数在车辆临界加速度值的基础上进行修正,反映了车速和加速度对驾驶员的生理和心理效应.函数用于表示临界加速度同跟驰风险之间的关系.R=Ot)(6)式中,R:厂_出入口区域跟驰风险指数;Ot临界安全加速度,由 UTSC 一 1 模型计算得到.随着向后加速度的增加,驾驶员的反应也就越显着,对车辆的控制能力降低,行车也就越危
18、险.表 1 是笔者提出的基于加速度的行车风险指数.表 1 不同加速度下跟驰风险指数对照表加速度(m/s)224455667788忍受时间(s)302030102051025121跟驰风险指数 012468102.2.2 变换车道风险指数变换车道时发生的横向位移相对于纵向位移可忽略不急,变换车道风险由两部分组成,即变换车道车辆与目标车道前车(A) 的合流风险 ,以及目标车道后车(B) 同变换车道车辆 w 之间的合流风险 H:R/c=)+仅 wB)(7)式中,R 变换车道风险指数;w,WB时刻变换车道车辆 w 同前后车A,B 之问的临界加速度.2.2.3 高速行车风险指数基于高速行驶风险的假设,对
19、 Gipps 自由行驶模型进行变换,得到车辆车速超过安全车速或者允许车速时,车辆采取的加速度情况,以 IH 道路安全 u.JI:.!二!2.5r1 一(t)/0.025+(t)/(8)式中,6车辆 n 的驾驶员采用的减速度,b0;()车辆 n 在 t 时刻的运行速度 ;(t+.r)车辆 n 在 t+下时刻的运行车速,.r 为驾驶员反应时间;()车辆 n 的期望车速或允许安全车速.3 应用实例以某高速公路 4km 典型路段为实例,按道路设施分成若干段,其中最小半径为 503.16i11,最大纵坡为一 3.88%,包含 4 个“s“ 型曲线,一个弯坡组合段.IHSDM 模型起终点速度取值均为 100km/h;空间视距模型中期望车速取 100km/h,Ot=6.,
