1、基于差異性的路段交通內(nèi)部穩(wěn)定性評價研究楊 輝 （西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院,四川 成都 ）摘 要：道路交通系統(tǒng)具有動態(tài)性，交通流處于一個不斷變化和不穩(wěn)定的狀態(tài)。微觀上來說，作為道路交通元素的車輛在各自行駛行為中所產(chǎn)生的差異影響了交通流內(nèi)部的穩(wěn)定性。而這種差異則增加了道路系統(tǒng)運營的無序狀態(tài)，影響道路交通安全，當(dāng)收到干擾時發(fā)生事故的風(fēng)險增加。道路交通安全中的風(fēng)險則具有客觀性和不確定性。因此十分有必要對道路交通流的內(nèi)部穩(wěn)定性進行研究，本文基于此原理，對道路交通系統(tǒng)中的能夠產(chǎn)生差異的要素進行了描述。建立了評價區(qū)段交通流穩(wěn)定性的指標(biāo)體系，用1-9位標(biāo)度法確定指標(biāo)的權(quán)重。最后結(jié)合層次分析法和模糊綜合

2、評價法對區(qū)段交通流穩(wěn)定性進行了綜合評價。關(guān)鍵詞:動態(tài)性;不穩(wěn)定;差異;評價Research about Stability Evaluation Based on Internal difference of Section Traffic FlowYANG Hui（Transportation and Logistics Institute，Southwest Jiaotong University, Chengdu ,Sichuan,china）Abstract: Road traffic system has the nature of dynamics. the traffic flo

3、w stays in a constantly changing and unstable state. Microcosmicly speaking, the difference generated in their respective driving behavior of vehicles (elements of road traffic) will affect the internal stability of traffic flow. The difference increases the disorder of road traffic system, having a

4、n influence on road traffic safety. The risk of road traffic safety has the objectivity and uncertainty. So it is very necessary to research the internal stability of road traffic flow. Based on the principle, this paper summarizes the factors which generate the difference of road traffic system. It

5、 establishes the index of evaluation, then determine the weights of indicators with quantification of 1-9 scale. Finally a comprehensive evaluation is made about the stability of traffic flow with analytic hierarchy process (AHP) and fuzzy comprehensive evaluation method.Key words：dynamics; nature o

6、f disorder; difference; evaluation0引 言 在道路上行駛的車輛由于車輛微觀運動特征和車輛間的相互影響對道路交通的安全造成了潛在的威脅。文獻1指出宏觀上可以將一段特定區(qū)域的行駛車輛看作符合液體流動的交通流，但前提是車流的各向同性和均質(zhì)性。然而現(xiàn)實中交通流卻存在著各向異性和非均質(zhì)性，而這兩個特性差異則是交通流運營風(fēng)險存在的根本原因。西安交通學(xué)管理學(xué)院的宣慧玉等研究了速度差異混合流態(tài)特征與過度特征。此外，一些學(xué)者通過求相鄰車輛的速度差與安全車頭時距和實際車頭時距的相對差來模擬特定區(qū)間段的交通事故率的函數(shù)關(guān)系，通過實際數(shù)據(jù)采集，取得良好的效果。 從以上研究可以看出，微

7、觀交通參數(shù)的差異性與道路交通流的運營狀態(tài)有著密切的關(guān)系。超車引起事故從另一個角度可以理解為速度的差異性，追尾事故可以理解為加速度的差異性，車輛轉(zhuǎn)彎引起事故可以理解為車輛軌跡的差異性，人為因素引起事故可以理解為駕駛員的差異性（主要為性別差異，年齡差異，氣質(zhì)差異引起的對事故處理上的疏忽），甚至車輛穿過隧道由于光線強度劇增引起的事故可以理解為道路環(huán)境的差異性。國內(nèi)研究大多研究比較單一的交通參數(shù)與交通流運營狀態(tài)之間的關(guān)系，缺乏系統(tǒng)性。基于此，本文簡單分析了車輛相關(guān)參數(shù)差異性，駕駛員相關(guān)參數(shù)差異性，道路及環(huán)境相關(guān)差異性與交通運營狀態(tài)的關(guān)系，并通過建立數(shù)學(xué)模型對交通流內(nèi)部穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的評價。 1 評價

8、指標(biāo)的確立 交通流具有復(fù)雜的動力學(xué)特征，從微觀角度看，其復(fù)雜的根源在于車輛之間存在復(fù)雜的相互作用，而車輛的性能差異可能有重要影響2。不僅如此，駕駛員的特性差異和道路及環(huán)境特性差異也會對交通流的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。1.1車輛相關(guān)參數(shù)差異性導(dǎo)致差異性的車輛相關(guān)參數(shù)包括速度，加速度，安全車頭時距，變道車輛的比例，轉(zhuǎn)彎車輛的比例，車輛的長度。文獻3研究指出，混合交通流的流量和平均速度完全由最大加速度更慢的交通流決定，與快車的最大速度無關(guān)，與快慢車的混合比例無關(guān)。并且單一車輛長度的混合交通流完全由慢車決定。以上由車輛引起的差異性因素導(dǎo)致交通流的不穩(wěn)定，使得交通流動態(tài)性增加，對道路交通安全不利。1.2駕駛員相

9、關(guān)參數(shù)差異性由于駕駛員的性別，年齡，氣質(zhì)等也會引起交通流內(nèi)部的差異性。不同年齡，不同性別，不同氣質(zhì)的駕駛員在處理突發(fā)事故的反應(yīng)的方式不同。如男性駕駛員對超速行駛往往采取不在乎的態(tài)度，女駕駛員則很慎重4。違章，超速，冒險行車者青年居多，老人對交通標(biāo)志，玩到，障礙判斷不清，反應(yīng)遲鈍5。另外，氣質(zhì)的差異也會對駕駛員的交通特性產(chǎn)生影響6。以上差異性都將引起交通流內(nèi)部不和諧，影響其穩(wěn)定性。1.3道路及環(huán)境相關(guān)參數(shù)差異性最后道路環(huán)境的差異也會引起區(qū)段交通流內(nèi)部產(chǎn)生差異。從文獻7可知道路弧度，彎道半徑，路面摩擦系數(shù)等對交通流均會產(chǎn)生影響。而道路的視覺性也會對駕駛員行為造成影響，增加了交通流的不穩(wěn)定性。Str

10、ickland8發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛經(jīng)過隧道下坡時會無意識的加速，Edie和Foote9、Koshi10也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這說明了道路條件（光線條件，坡度）對交通流穩(wěn)定性造成干擾。綜上，將影響交通流穩(wěn)定性的因素歸納為車輛相關(guān)參數(shù)差異性，駕駛員相關(guān)差異性和道路及環(huán)境相關(guān)差異性，較全面和系統(tǒng)地建立了區(qū)段交通流穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系包括3個一級指標(biāo)和15個二級指標(biāo)，如下圖：速度 U11加速度 U12安全車頭間距 U13變道車輛比例 U14轉(zhuǎn)彎車輛比例 U15車輛長度 U16車輛參數(shù)差異性U1影響區(qū)段交通動態(tài)性的差異性因素性別，年齡 U21氣質(zhì) U22心情 U23駕駛員參數(shù)差異性U2路面條件差異 U3

11、1道路線性過度差異 U32駕駛光線的差異 U33坡度的差異 U34天氣條件的差異 U35其他道路環(huán)境的差異 U36道路及環(huán)境差異性U3 圖1 交通流內(nèi)部穩(wěn)定性指標(biāo)體系 Fig1 The indicator system of internal instability of traffic flow 2 評價模型及過程2.1建立評價集路段交通穩(wěn)定性與運營狀態(tài)與道路安全事故率和事故嚴(yán)重程度相關(guān)，速度的標(biāo)準(zhǔn)差與交通事故率并不是線性關(guān)系。所以宜根據(jù)速度的標(biāo)準(zhǔn)差再采用經(jīng)驗法和專家打分法對速度差異性進行量化打分。如表2；表2 量化后的速度差異性評價集Tab.2 Evaluation set of spee

12、d difference though quantificating評價集 極不穩(wěn)定V1不穩(wěn)定V2一般V3較穩(wěn)定V4穩(wěn)定V5說明速度差異十分大，對交通穩(wěn)定性影響明顯速度差異較大，對交通流穩(wěn)定性影響不可忽視速度差異性一般，對交通流穩(wěn)定性存在一定影響速度差異性較小，對交通流穩(wěn)定性影響仍不可忽視速度差異性極小，對交通流穩(wěn)定性影響可以忽略不計賦予分值12345評價等級與基準(zhǔn)：假設(shè)一典型路段，路面良好且道路環(huán)境變化不明顯，車輛行駛速度差異性大，超速行駛車輛較多。貨車及重載車比例較高，從歷年對該路段的事故統(tǒng)計可知，事故起因為駕駛員失誤和車輛因素占80%以上。為了對該路段進行交通穩(wěn)定性評價，先用1-9位標(biāo)度

13、法確定各層指標(biāo)的權(quán)重，再將模糊綜合評價法和層次分析法結(jié)合，計算出綜合評價指數(shù)對五個評價等級的隸屬度。2. 2層次分析法確定權(quán)重 層次分析法11（AHP）是美國運籌學(xué)警T.L.saaty于20世紀(jì)70年代中期提出來的一種系統(tǒng)分析方法。基本原理是根據(jù)問題的性質(zhì)和要達到的總目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系，將因素按不同層次聚集組合，形成一個目標(biāo)、準(zhǔn)則、因素等多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。通過對成對因素之間重要性的判斷比較，將決策者的經(jīng)驗判斷定量化構(gòu)成所謂的判斷矩陣，最后計算出成對因素的權(quán)重。 對于本文建立的路段交通穩(wěn)定性評價指標(biāo)體系，包括三個層次，15個因素，正是一個

14、多層次、多因素的分析結(jié)構(gòu)模型。路段交通穩(wěn)定性評價遞階層次結(jié)構(gòu)如圖2：圖2 路段交通穩(wěn)定性評價遞階層次結(jié)構(gòu) Fig2 The hierarchical structural of instability of traffic flow on the road以差異性來研究路段交通穩(wěn)定性的文獻比較少，很多因素比較難量化。依據(jù)各層次指標(biāo)對區(qū)段交通穩(wěn)定性的影響，采用薩蒂教授提出的19位標(biāo)度法確定，見下表。表3 Saaty建議1-9位標(biāo)度語言量化12Tab.3 Quantification of 1-9 scale suggested by Saaty標(biāo)度含義1兩因素相比，具有同樣的重要性3兩因素相比，

15、一個比另一個稍微重要5兩因素相比，一個比另一個明顯重要7兩因素相比，一個比另一個強烈重要9兩因素相比，一個比另一個極端重要2、4、6、8兩因素相比，介于上述相鄰另個程度之間時，取中指通過1-9位標(biāo)度法得到各層指標(biāo)的權(quán)重，將各層指標(biāo)權(quán)重進行歸一化處理可表示為： 其中，（i=1，2，3）分別代表三類一級指標(biāo)的權(quán)重。 各二級指標(biāo)權(quán)重可表示為： 其中，（i=1，2，3；j=1,2,6）表示一級指標(biāo)的第i個指標(biāo)下的第j個指標(biāo)的權(quán)重。2.3模糊綜合評價法模糊綜合評價法就是對模糊的食物進行評價分析。模糊事物是指到目前為止還未找到精確的分類標(biāo)準(zhǔn)，難以明確判斷事物的隸屬，概念外延模糊不清的事物。事物的模糊性是客

16、觀世界廣泛存在的一種特性13。路段交通參數(shù)差異性對交通穩(wěn)定性的影響無法用準(zhǔn)確的值量化，因此用模糊綜合評價法可以很好地解決這個問題。2.4隸屬度的計算首先由n位專家根據(jù)評價路段對各層次的指標(biāo)進行評定。每位專家對每個層次的標(biāo)準(zhǔn)作如下填寫，以車輛參數(shù)差異性為例。表格如下：表4 專家評定表格 Tab.4 The Table used to value by specialist速度加速度安全車頭間距變道車輛比例轉(zhuǎn)彎車輛比例車輛長度極不穩(wěn)定不穩(wěn)定一般較穩(wěn)定穩(wěn)定 按每個評語集所占人數(shù)比例整理，得到同一類指標(biāo)的模糊綜合評判表R。隸屬度向量B=WR有： 其中，為指標(biāo)j對應(yīng)的評價集i所占的比例 為i類指標(biāo)第j個

17、指標(biāo)對五個評語集的隸屬度分別對駕駛員差異性因素和道路環(huán)境因素差異性進行隸屬度計算，將得到兩個類似的隸屬度矩陣。2.5區(qū)段交通流穩(wěn)定性模糊綜合評價通過隸屬度計算得到由3類一級指標(biāo)組成的綜合隸屬度矩陣。由一級權(quán)重矩陣和綜合隸屬矩陣得到綜合隸屬度，如下式： 3 結(jié)語 交通流的穩(wěn)定性是考察當(dāng)處于平衡狀態(tài)的車輛受到擾動后交通流狀態(tài)最終是否會演化到初始的平衡狀態(tài)14。而本文所研究的交通流內(nèi)部穩(wěn)定性反應(yīng)的是交通流宏觀和微觀參數(shù)的差異程度。如果交通流宏觀和微觀參數(shù)差異太大，整個交通流系統(tǒng)將處于混亂和無序之中，這時任何失誤和較小的擾動將會導(dǎo)致事故，甚至發(fā)生交通阻塞現(xiàn)象。本文研究交通流內(nèi)部穩(wěn)定性的意義如下： 本文

18、從一個新的視角將交通流內(nèi)部參數(shù)差異性與內(nèi)部穩(wěn)定性聯(lián)系起來，系統(tǒng)地描述了人、車和道路環(huán)境三方面差異性，建立了反應(yīng)交通流內(nèi)部穩(wěn)定性的指標(biāo)。用1-9位標(biāo)度法確定各級指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合層次分析法和模糊綜合評價法對區(qū)段交通流穩(wěn)定性進行了綜合評價。交通流內(nèi)部的穩(wěn)定性能直觀地反應(yīng)一個特定區(qū)段交通流內(nèi)部的有序程度和抗擾動程度，交通流內(nèi)部穩(wěn)定性評價對道路交通安全事故的預(yù)防也起到一定的作用。參考文獻1 蔣銳，郭忠印。基于動態(tài)歸類技術(shù)的交通流實時運營風(fēng)險評價J同濟大學(xué)學(xué)報，2010，39（1）：57. 2 張發(fā),宣慧玉,趙巧霞.速度差異混合交通流穩(wěn)態(tài)特征與過度特征J系統(tǒng)工程學(xué)報，2012，27（2）：263. 3肖瑞杰,孔令江,劉幕仁.車輛的長度和速度對單車道混合交通流的影響J物理學(xué)報，2007,56（2）：743.4 5 6李江,交通工程學(xué)M.北京:人民交通出版社,2002.7梁玉娟,薛郁.道路彎道對交通流影響的研究J物理學(xué)報，2010,59（8）：5328.8Strickland R I. Traffic operation at vehicle tunnels J Proc. Highway Res. Board,1958, 37:334-3349Edie L C, Foote R S. Single lane traffic