車速離散對交通安全的影響研究

摘要為了減少交通事故數(shù)量，增強交通安全性，文章以車速離散為研究對象，通過引入車速離散的描述參數(shù)，定義車速離散。從車速離散對交通流穩(wěn)定性的影響、車速離散對需求安全距離的影響兩個方面進行分析，從而驗證車速離散對交通安全的影響。結果表明，車速離散率大時，交通流穩(wěn)定性差。當需求安全距離大于實際車輛間距時，跟馳車車速越大，車輛越不安全。關鍵詞車速離散；交通安全；交通流；需求安全距離；影響0引言車輛在行駛過程中，由于駕駛員主觀選擇的結果，個別車輛會表現(xiàn)出速度差異現(xiàn)象，該現(xiàn)象即為車速離散[1]。車速離散過大會引起交通流紊亂，進而引發(fā)交通安全事故，因此車速離散得到越來越多的關注[2]。目前，國內外學者對車速離散已有諸多研究結果，Solomon[3]研究發(fā)現(xiàn)，車速和平均車速的差值與事故發(fā)生的概率呈U形曲線關系；Baruya[4]研究表明，車速和平均車速的差值減小，事故發(fā)生的概率也會降低；徐亮等[5]利用回歸分析法，得出車速離散率與事故率的關系模型；郝亮[6]通過分析交通安全參數(shù)與車速離散參數(shù)的關系，總結了車速離散的一般規(guī)律，驗證了車速離散對交通安全的影響；曲大義等[7]通過需求安全車距與實際車輛間距的差值計算模型，得出車速離散以及需求安全車距對交通安全的影響。因此，該文在前人的研究基礎上，從車速離散參數(shù)、車速離散率、需求安全車距等多個角度，深入分析車速離散對交通安全的影響。1車速離散的影響因素及描述參數(shù)1.1車速離散的影響因素在車輛實際行駛過程中，由于存在人、車、路等各方面因素的影響，駕駛員會主觀選擇加速、減速等操作，在交通流中表現(xiàn)出個體車輛的速度差異，從而產生車速離散現(xiàn)象。從宏觀方面看，車速離散是交通流在時間和空間上的速度差異；從微觀方面看，車速離散是相鄰個體車輛在時間和空間上的速度差異[8]。因此，研究車速離散的影響因素，對實現(xiàn)交通流穩(wěn)定具有極重要意義。通常情況下，將車速離散的影響因素分為外部影響因素和內部影響因素兩類：（1）外部影響因素。外部影響因素不會直接影響車速離散，根據(jù)相關實踐經驗證明，外部影響因素需要以內部影響因素為媒介，從而間接影響車速離散。外部影響因素主要有道路條件、平均車速、大型車比例等。（2）內部影響因素。內部影響因素能夠直接影響車速離散，主要有駕駛員習慣、駕駛員經驗、駕駛員反應、車輛性能等。1.2車速離散的描述參數(shù)為了反映交通流的基本特征，需對車速離散的程度進行定量化的描述，以清晰反映車速離散數(shù)據(jù)的分布特征。車速離散程度的描述參數(shù)主要有平均車速、車速標準差、變異系數(shù)三種。1.2.1平均車速平均車速是指在統(tǒng)計時間內，交通流中所有車輛的車速平均值，如公式（1）所示。（1）式中，——平均車速（km/h）；vi——第i輛車的速度（km/h）；N——交通流中所有車輛的數(shù)量（輛）。1.2.2車速標準差車速標準差是指在統(tǒng)計時間內，交通流所有車輛中，單個車輛相對于交通流平均速度的平均值，其形式簡單且合理，如公式（2）所示。車速標準差能夠反映單個車輛相對于交通流平均速度的離散情況。車速標準差越高，表示車速離散程度越大。（2）式中，SD——車速標準差；vi——第i輛車的速度（km/h）；——平均車速（km/h）；N——交通流中所有車輛的數(shù)量（輛）。1.2.3變異系數(shù)在統(tǒng)計時間內，如果平均車速相同，可以直接利用車速標準差比較車速離散程度的大小。但如果平均車速不同，車速標準差會較大，此時，比較車速離散程度的大小就不能采用車速標準差。為了降低平均車速不同帶來的影響，可以引入變異系數(shù)。變異系數(shù)是反映車速離散程度的另一個統(tǒng)計量，它可以視為車速標準差的相對化，如公式（3）所示。（3）式中，CV——變異系數(shù)；SD——車速標準差；——平均車速（km/h）。2車速離散對交通安全的影響研究從本質角度而言，車速離散能夠使交通流偏離穩(wěn)定狀態(tài)，無法保持穩(wěn)定的車頭間距，導致運行效率降低，從而增加發(fā)生交通事故的概率。因此，從車速離散對交通流穩(wěn)定性的影響、車速離散對需求安全距離的影響兩個方面，研究車速離散對交通安全的影響。2.1車速離散對交通流穩(wěn)定性的影響車速離散與交通流穩(wěn)定性相互影響，有著重要的聯(lián)系，因此，需要對車速離散與交通流參數(shù)之間的變化規(guī)律進行研究。交通流基本圖，即密度和流量之間函數(shù)關系，能夠實現(xiàn)不同交通流狀態(tài)下的車速離散特征分析。在交通流數(shù)據(jù)中，密度—流量關系是一個以密度為橫坐標、流量為縱坐標的散點分布圖，如圖1所示。由圖1得知，在原點附近時，流量和密度均較小，對應交通流為自由流狀態(tài)。隨著流量的增加，密度也不斷增加。當密度達到ρmax時，流量為qmax，對應交通流為亞穩(wěn)定狀態(tài)。當密度超過ρmax界限時，流量以散點形式分布，車輛不能正常行進，對應交通流為阻塞狀態(tài)。交通流在亞穩(wěn)定狀態(tài)下，平均車速變化幅度較大。交通流在阻塞狀態(tài)下，平均車速變化幅度較小，說明在此期間，交通流內部出現(xiàn)了復雜的運動過程。對出現(xiàn)的復雜運動過程進行分析，主要是因為駕駛員駕駛行為差異、車輛性能狀況不同而導致。針對交通流波動現(xiàn)象，在平均車速、車速標準差、變異系數(shù)的基礎上，引入車速離散率模型。車速離散率模型指車速標準差的變化與平均車速變化的比值，如公式（4）所示。（4）式中，Cd——車速離散率；σi——第i車輛的車速標準差；σi?1——第i?1車輛的車速標準差；——第i車輛的平均車速（km/h）；——第i?1車輛的平均車速（km/h）。由于不同車輛的車速差別較大，需對車速標準差和平均車速進行歸一化處理，如公式（5）所示。（5）在交通流中，車速和車輛始終處于連續(xù)動態(tài)變化，車輛之間相互影響。駕駛員會根據(jù)車輛性能、路況變化、駕駛行為等因素對車輛進行操控，當車速離散率大時，說明車速波動大，交通流穩(wěn)定性差；當車速離散率小時，說明車速波動小，交通流穩(wěn)定性好。2.2車速離散對需求安全距離的影響在分析車速離散對交通安全的影響時，除了分析車速離散對交通流穩(wěn)定性的影響之外，還需要分析交通流中車輛間相互影響的距離。如果車輛間的距離非常大，車速離散對交通安全的影響有限；如果車輛間的距離過小，車速離散對交通安全的影響較大。交通流中的行駛車輛是獨立的，車速存在差異性。任何一個突變性變化，都會引起車速的隨機性變化。為了避免跟馳車與前導車發(fā)生交通事故，兩者之間要保持一個需求安全距離。需求安全距離是指在僅考慮車速的條件下，駕駛員從開始反應到車輛制動停止的過程中，車輛所需的最小安全制動距離。在交通流中，交通流密度的微觀表示是車頭間距，車速變化會影響交通流的密度，即車速變化會影響車頭間距。根據(jù)跟馳車的速度與車頭間距的關系式，可得出車輛的需求安全距離，如公式（6）所示。（6）式中，Xn——需求安全距離（m）；s——車頭間距（m）；l——車輛長度（m）；α——跟馳車輛的最大減速度（m/s2），經驗值為21.74；v——跟馳車車速（km/h）；β——駕駛員反應時間（s），取值為1.1。此外，根據(jù)格林希爾治模型平均車速與車頭間距的關系式，可得出實際車輛間距，如公式（7）所示。（7）式中，Xr——實際車輛間距（m）；s——交通流平均車頭間距（m）；l——車輛長度（m）；vf——自由流車速（km/h），分別取80、100、120；kj——交通流阻塞密度（veh/km），取200；——平均車速（km/h）。通過對公式（6）和公式（7）的車速進行賦值，得出車速、需求安全距離、實際車輛間距之間的關系，如圖2所示。由圖2得知，隨著車速的不斷增加，需求安全距離和實際車輛間距均出現(xiàn)增長趨勢。需求安全距離呈線性趨勢，增長趨勢平緩。在不同自由流車速條件下，實際車輛間距的增長趨勢基本一致，均是先緩慢增長，然后隨著車速增加到自由流車速附近時，快速增長。因此，車速與需求安全距離、實際車輛間距存在動態(tài)的對應關系。當車速較低時，需求安全距離大于實際車輛間距，此時，車流密度較大，屬于一個不安全狀態(tài)。當車速較高時，需求安全距離小于實際車輛間距，此時，車流密度較低，屬于一個安全的狀態(tài)。因此，需求安全距離與實際車輛間距的關系，屬于車速離散在空間上的物理表征?；谏鲜龇治觯x取Xn＞Xr時，對兩者的差值進行研究。由于在需求安全距離的求解公式中，未考慮前導車的剎車距離，直接假設前導車突然停止，不符合車輛運行規(guī)律，因此，需要對需求安全距離的計算進行重新假設，即前導車的剎車情況與跟馳車的剎車情況相同，如公式（8）所示。（8）式中，Xn——需求安全距離（m）；s——車頭間距（m）；l——車輛長度（m）；β——駕駛員反應時間（m）；α2——跟馳車的最大減速度（m/s2）；v2——跟馳車車速（km/h）；α1——前導車的最大減速度（m/s2）；v1——前導車車速（km/h）。因此，Xn與Xr的差值，如公式（9）所示。（9）由公式（9）可以看出，在給定道路情況下，實際車輛間距是可知的，相當于一個常數(shù)，Xn與Xr的差值的大小，取決于跟馳車車速，跟馳車車速越大，Xn與Xr的差值越大，表示車輛越不安全。因此，當需求安全距離大于實際車輛間距時，車速離散對需求安全距離具有影響。3結論車速離散是導致交通事故的嚴重隱患，通過車速離散對