基于模糊综合评判的高速公路施工区上游过渡段行车风险分析

王雄　张碧琴　黄富斌

摘要：为了研究施工区上游过渡段的行车风险，保障施工区的行车安全，应用Vissim仿真软件模拟施工区交通流的运行状态，分析过渡段长度、交通量、行驶速度对施工区行车风险的影响；利用冲突率作为评价指标，将路段行车风险分为5个等级，运用模糊综合评判理论进行综合评判。研究结果表明：过渡段长度、交通量是影响施工区上游过渡段行车风险最主要的因素，影响程度超90%，因而合理控制过渡段长度和交通量对降低施工区行车风险具有重要作用。

关键词：施工区；过渡段；模糊综合评判；行车风险

中图分类号：U412.366文献标志码：B

Abstract： In order to study the driving risk of the upstream transition section of the construction area and to ensure the traffic safety of the construction area， the Vissim simulation software was used to simulate the operation status of the traffic flow in the construction area， and the influence of the transition section length， traffic volume and driving speed on the driving risk was analyzed. Using the conflict rate as the evaluation index， the road traffic risk was divided into five grades， and the fuzzy comprehensive evaluation theory was applied to conduct a comprehensive evaluation. The results show that the length of the transition section and the traffic volume are the most important factors influencing the traffic risk of the transitional section in the upstream of the construction area. The influence degree is over 90%. Therefore， it is important to control the length of the transition area and the traffic volume to reduce the traffic risk.

Key words： construction area； transition section； fuzzy comprehensive evaluation； driving risk

0引言

高速公路施工區是高速公路养护、维修的重要组成部分，通常情况下，高速公路养护施工并不中断交通，而是采用封闭部分车道的措施，这就使得施工区的交通问题变得十分突出，尤其是施工区上游过渡段，行车道数发生变化，通行能力下降，车辆强制变道行为增加，使得该路段成为交通瓶颈路段，经常发生交通拥堵和交通事故。因此，分析施工区上游过渡段的行车风险对降低交通损失具有重要意义。

1风险评价指标

风险是指在某一特定环境下，在某一特定时间段内，不利事件或事故发生的概率，施工区行车风险，需要某一指标来表征其不安全状态。相关研究表明[1]：交通冲突与交通事故的成因和发生具有相关性，交通冲突数越多，事故率也就越高，行车风险也就越大；同时还要考虑施工区的长度，车辆在施工区行驶的时间越长，发生冲突的可能性越大。因此，选择时均冲突次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安全性的评价指标。

f=TcQL（1）

式中：f为冲突率（次·km-1）；Tc为时均冲突次数；Q为单位时间内通过断面的交通量（pcu·h-1）；L为施工区长度（km）。

2模糊综合评判法

模糊综合评判是通过构造评价矩阵，从多个指标对被评价事物隶属等级状况进行综合性评判，把被评判事物的变化区间作出划分。模糊综合评判有以下要素。

（1）设U={u1，u2，…，un} 为被评价对象的n种影响因素的集合。

（2）设V={v1，v2，…，vn}是对被评价对象可能作出的评价结果组成的集合。

（3）设A=（a1，a2，…，an）为权重向量，其中ai表示第i个因素的权重，要求ai≥ 0，且∑ ai=1。

（4）单独从一个因素ui（i=1，2，…，n）评判被评价对象对各等级模糊子集的隶属度，进而得到模糊关系矩阵

3仿真策略及其权重的确定

施工区上游过渡段是行车风险最大的路段，这是因为施工区上游过渡段处于道路车道数量变化路段，车辆行驶自由度降低，存在着合流、跟驰、分流等复杂运行状态，因此增加了发生跟驰追尾冲突、挤车变道冲突的概率。研究表明，行车风险与交通流状态存在着一定的相关性[2]，并且不同的交通流对施工区行车风险有着不同的影响，本文应用Vissim仿真软件模拟施工区交通流运行状态，分析交通流参数对施工区行车风险的影响。

3.1建立仿真模型

选取四车道高速公路封闭外侧车道养护作业为研究对象（图1），根据《公路养护安全作业规程》（JTG H30—2015）规定，图1中EF长度由仿真策略来确定，其余各段长度为：AB距离为900 m，BC距离为400 m，CD距离为50 m，DE距离为450 m[34]， B、C处的限速值也根据仿真策略来确定。

3.2仿真策略

选取施工区长度（L）、交通量（Q）、行驶速度（V）这3个因素对施工区路段行车风险进行分析，结合施工区交通流的特征，分别选择各影响因素的中间值作为基准值，根据基准值确定不同交通流参数的变化幅度，利用正交试验法安排仿真策略，每个影响因素选取5个水平，如表1所示。

3.3正交试验

本次试验不考虑因素之间的相互作用，采用正交试验法缩减试验数据[5]，选择经过处理的五水平L25（56）正交表，利用Vissim分别对25个方案进行仿真，用matlab对仿真结果进行分析，结果如表2所示。

3.4权重的确定

进行模糊综合评判时，权重对最终的结果将产生很大的影响，F值是检验各因素对冲突率的影响是否显著，F值越大，对冲突率的影响越显著，其对应的权重应该越大。根据对表2的分析可知，过渡段长度L和交通量Q对冲突率影响较大，行驶速度V的影响相对较小。采用各影响因素F值的比值作为权重比[6]，权重总和为1，得到权重向量A=（0.577，0.341，0.082）。

4评判矩阵的确定及行车风险分析

4.1评判集的确定

根据冲突率的定义，将行车安全状况分为非常安全（Ⅰ）、安全（Ⅱ）、临界安全（Ⅲ）、不安全（Ⅳ）和很危险（Ⅴ）5个等级[7]，对仿真数据进行处理，绘制累计百分频率曲线，分别选取15%、40%、60%、85%的累计百分频率对应的点确定这5个状态的临界值[8]，如图2所示。可知A点的冲突率为0229 8次·km-1，B点的冲突率为0410 9次·km-1；C点的冲突率为0506 3次·km-1，D点的冲突率为0854 4次·km-1。根据车辆处于这5个状态的概率来确定评判矩阵V=（v1，v2，v3，v4，v5）的值。

4.2单因素评判矩阵

单因素评判矩阵是根据评判集来确定单因素造成的影响落在每个分级区域内的概率[911]。通过咨询多名相关专家，根据评判等级的划分以及不同影响因素在不同分级的重要性，对各个影响因素在不同分级中的贡献率进行评定，最后得到过渡段长度、交通量与行驶速度的单因素评判矩阵，见表3～5。

通过表6可以看出：过渡段长度、交通量和行驶速度取值不同时，行车风险等级也不同，随着过渡段长度的增加，行车风险先降低后升高，过渡段长度为160 m时，行车风险最小[12]；当施工区过渡段长度相同时，随着交通量增大，行车风险增加，当过渡长度为220 m、交通量为1 400 pcu·h-1时，行驶速度为40、50、60 km·h-1时都达到很危险状态；当交通量相同时，随着行驶速度增加，行车风险降低，行驶速度为40 km·h-1时，发生危险的次数远超过了其他速度，这是由于行驶速度增加时，道路通行能力提高，行车冲突减小，行车风险降低[13]。可见，表6中分析的行车风险与实际情况相符。

5结语

（1）利用Vissim仿真软件模拟施工区车辆的行驶状态，通过分析影响施工区上游过渡段行车风险的因素发现，施工区过渡段长度、交通量对施工区行车风险影响最大，利用模糊综合评判法对施工区行车风险进行评判，得到不同交通流状态下的行车风险等级。

（2）对施工區不同交通流状态的风险等级评判，可以为决策者确定合适的施工区上游过渡段长度，降低施工区行车的风险。

（3）分析了施工区过渡段长度、交通量、行驶速度这3个因素对施工区行车风险的影响，未考虑其他的影响因素（如大车率），在进一步研究中，应增加其他影响因素对行车风险的研究。

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[责任编辑：王玉玲]