基于Vissim仿真的高速公路施工区行车风险分析

张姝玮++黄富斌++孟杰

摘要：综合分析了交通量、大车率和限速值对施工区行车风险的影响。利用Vissim软件建立施工区仿真模型，以冲突率作为评价施工区行车风险的指标，运用MATLAB软件建立施工区行车风险评价模型并进行风险分析。结果表明：当施工区交通量达到1 650 pcu·h-1·ln-1时，施工区处于非常危险水平的概率达到50%；在大车率处于0.2时，施工区处于较危险水平的概率达到99.8%；在40 km·h-1的限速值时，施工区处于较危险水平的概率为100%，将限速值提高至60 km·h-1将使施工区处于较危险水平的概率降低至11%。

关键词：高速公路施工区；冲突率；风险分析；Vissim仿真

中图分类号：U415.2文献标志码：B 文章编号：1000033X（2016）06006304

0引言

随着中国经济的高速发展，早期的高速公路项目陆续进行改扩建。由于高速公路施工作业时要封闭部分车道，道路的通行能力和服务水平急剧下降，因此这些路段成为高速公路事故的高发点[1]。

目前，将风险分析应用于评价施工区安全的研究正逐步开展。孟祥海等对施工作业区的追尾风险及其突出影响因素进行分析，并基于碰撞时间及避免碰撞减速度对高速公路施工区追尾冲突研究，从不同侧面度量追尾冲突的发生状况，丰富了基于非事故施工区数据的安全评价方法[23]。李耘分析了高速公路的交通流特性，得到不同交通流在施工区不同区域的风险度[4]。吴彪基于DEMATEL和ISM两种结构模型建立高速公路作业区行车风险因素辨识模型，定量分析各行车风险因素之间的影响关系，本文着重考虑交通因素对施工区行车风险的影响[5]。首先分析影响施工区行车安全的交通因素及其影响强弱，通过绘制风险评价指标的累积频率曲线得到阈值，建立风险评价指标与交通因素之间的数学模型，并将其风险评价指标与阈值之间的关系作分析对比，得到施工区的行车风险。

1施工区行车分析及风险评价指标

风险是灾害损失的几率，具有事件发生时间的不确定性（概率）。将风险分析理论用于施工区行车风险分析：车辆以速度v在施工区行驶，由于车辆间的相互作用及施工区本身条件的限制，交通冲突趋势增大；车辆越多，车辆间的相互作用越明显，趋势的变化会导致可靠性的改变，当可靠性降低到一定程度时，就会危及行车安全[67]。

施工区的交通冲突评价指标不仅要考虑通过施工区的冲突数，还考虑施工区的长度。施工区越长，车辆在施工区运行的时间也越长，发生冲突的可能性更大。因此，选择时均冲突数与施工区断面交通量、施工区长度的比值作为评价施工区的安全性评价指标

2仿真系统模型

Vissim仿真的车辆跟踪模型采用了德国Wiedemann教授的驾驶员生理—心理反应模型，基本思路是一旦后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理（安全）距离时，后车驾驶员开始减速。因此，基于Vissim的交通冲突可以定义为：行驶于道路上的车辆，若与前车的跟车距离小于心理（安全）车头间距，那么认为车辆此时所处的状态为交通冲突。根据Wiedemann模型中的车辆跟车行驶阈值示意图，状态为AX（车辆交互状态中的一种）的车辆与前车的距离小于心理（安全）车头间距，处于撞车危险区，符合交通冲突的条件。

2.1仿真模型的建立

高速公路施工区的仿真模型搭建包括3个步骤。

（1）建立仿真路段。

参考《公路养护安全作业规程》（JTG H30—2015）[8]，按照高速公路施工区路段的长度和几何特征建立基本道路模型。本文暂不考虑工作区长度对冲突率的影响，取值500 m，如图1所示。其中，AB距离为900 m，BC距离为400 m，CD距离为50 m，DE距离为450 m，全程2 680 m。B、C处随仿真方案的不同采用相应的限速值。

（2）设置交通特性参数。包括交通量、大车率、车辆期望车速分布、车辆的加减速特性设置。假定小型车的期望车速为100～120 km·h-1，大型车的期望车速为90～100 km·h-1，最大加减速度分别为3.5 m·s-2和7 m·s-2，进入施工区小车与大车的速度差为10 km·h-1。

（3）设置驾驶行为和行车规则。跟车模型选择适用于高速公路的 Wiedemann 99 生理—心理跟驰模型。车辆行驶规则包括限速设置、优先规则设置和超车设置。设定限速方案为层级限速方案。仿真试验中，施工作业区外侧车道封闭，且车辆从左侧超车，因而在上游过渡区重叠处超车道优先于行车道。

2.2仿真模型结果输出

在Vehicle record（车辆记录）模块中，定义输出变量Vehicle number（车辆编号），Interaction state（交互状态），Simulation Time（模拟时间）等。统计冲突数，即统计AX的数量。

3施工区行车风险交通影响因素分析

施工区行车风险发生的根本原因在于，由于施工区自身条件的限制，行驶自由度突然降低，车辆间相互作用加剧，从而使风险度剧增。理论上，各种交通因素对冲突率均有可能产生影响，且各因素的影响也存在强弱之分。因此，需要逐一分析确定每种因素对施工区行车风险是否确有影响及各因素对施工区行车风险影响的强弱。

3.1单因素分析

3.1.1仿真策略

这里研究交通量、大车率、限速值对施工区车辆行车风险是否产生影响，表1列出了本次试验的仿

3.1.2仿真结果分析

图2（a）、（b）、（c）分别表示施工区在不同交通量、不同大车率、不同限速值作用下冲突率的变化值。

根据曲线的基本走向，用函数将影响因素与冲突率的关系进行拟合，得到交通量、大车率和限速值与冲突率的关系模型

由图2可知，交通量和冲突率呈指数关系，表明交通量对冲突率的影响最大；大车率对冲突率的影响呈二项式分布，在0.2～0.4之间达到峰值；限速值对冲突率的影响呈二项式分布，在限速值较高的情况下，车辆延误时间较少，通行效率提高，而冲突率也呈明显下降趋势，表明车辆的通行服务水平与安全有直接关系，故施工区限速值并非越低越好。

3.2多因素分析

3.2.1仿真策略

这里需要分析交通量、大车率、限速值对施工区行车风险的强弱，各选取5组数据，如表2所示。根据表2的5组数据对3种因素进行分析，有125种仿真方案，因此采用正交试验缩减试验的数据组。

3.2.2仿真结果分析

从表3可以看出交通量、大车率和限速值对施工区的行车风险皆有显著影响，且影响因素的主次顺序（由强到弱）为交通量、大车率、限速值。

4评价模型的建立和研究分析

4.1累计曲线分布确定危险阈值

运用SPSS软件，绘制25组数据累积频率分布曲线，选取累积频率分布曲线60%和85%的值为较危险阈值和非常危险阈值，分别为0.448和0.655。

4.2冲突率与施工区因素关系模型

参照以上分析，可建立f与施工区的关系模型为

f=l（Q，α，v）（5）

将多因素分析时得到的25组数据输入到MATLAB中，进行回归分析，得到具体的回归模型

f=0.367+0.000 493 8Q-0.325 7α-0.006 604v（6）

4.3回归模型的显著性检验

式（6）中的复相关系数为0895，判断系数为

4.4施工区的行车风险分析

当施工区的冲突率f与危险阈值的差值大于0时，可以认为此时施工区处于危险状态。因此，为了判断交通量、大车率和限速值的变化对行车风险的影响，确定1个因素不变，其余2个因素各取9组值，组合得到81组数据，构成大子样，代入式（6）中，得到样本值，算出均值和方差。根据中心极限定理，大样本时，可认为样本方差近似等于方差，所以

将冲突率均值与阈值作对比，得出该条件下风险所处的水平以及概率，并通过单因素变化的对比，得出单因素变化条件下风险的走势，具体见表5。

（1）交通量对行车风险的影响很大。施工区的通行能力约为1 500 pcu·h-1·ln-1，此时施工区处于较危险水平，并未达到非常危险水平；当交通量增加10%达到1 650 pcu·h-1·ln-1时，施工区达到非常危险水平的概率为50%。

（2）大车率对施工区行车风险的影响较大，上文已分析过，大车率在0.2时冲突率处于峰值，此时施工区处于较危险水平，当大车率上升至0.4时，较危险水平的概率下降至19.22%。

（3）限速值对施工区行车风险的影响较大，从回归模型可知限速值与冲突率成反比。当限速值取40 km·h-1的低值时，施工车处于较危险水平，将限速值提高至60 km·h-1可将较危险水平发生的概率降低至11%。但限速值不宜过高，否则一旦发生事故，将会增大事故的严重程度。

5结语

（1）利用Vissim软件，模拟车辆在施工区各种交通条件下的行驶状况，发现交通量、大车率、限速值对施工区行车风险均会产生影响。

（2）采用正交试验设计缩减数据，运用数理统计分析不同交通因素对施工区行车风险的影响，因素影响的强弱由大到小为：交通量、大车率、限速值。

（3）综合考虑交通因素，利用MATLAB软件，回归分析了由Vissim软件仿真得到的数据，得到风险阈值且建立了冲突率与交通因素之间的模型。

（4）分析了在交通量、大车率、限速值在各自的峰值或极限条件下施工区的行车风险以及因素自身变化施工区的风险走势。

（5）本文仅考虑了交通因素在施工工作区为500 m时的行车风险，而未考虑其他影响因素（如离散性）及不同施工区长度下的情况，在下一步研究中，应增加其他影响因素及施工区长度，以完善得到的结论。

参考文献：

[1]赵晓雷.公路改扩建作业区交通安全分析与设施设置研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[2]孟祥海，徐汉清，史永义.高速公路施工作业区追尾风险及其突出影响因素识别[J].公路交通科技，2012，29（12）：133138.

[3]孟祥海，徐汉清，王浩，等.基于TTC及DRAC的高速公路施工区追尾冲突研究[J].交通信息与安全，2012，30（6）：610.

[4]李耘.高速公路施工区交通流特性与安全风险分析[D].西安：长安大学，2014.

[5]吴彪.高速公路作业区行车风险与安全控制策略[D].长春：吉林大学，2011.

[6]赵一飞.高速公路交通安全若干问题研究[D].西安：长安大学，2009.

[7]彭余华，杨少伟，石飞荣.道路横净距计算的新方法[J].长安大学学报：自然科学版，2003，23（6）：3335.

[8]JTG H30—2015，公路养护安全作业规程[S]