一种无信号交叉口交通安全评价方法与流程

本发明涉及城市道路交叉口安全设计与评价的技术领域，尤其是指一种整合了冲突概率和碰撞严重程度的无信号交叉口交通安全评价方法。

背景技术：
城市道路平面交叉口是城市道路网的“咽喉”，是人流、自行车流和机动车流的汇聚点；同时，它们也是道路使用者改变行驶方向的节点，是交通冲突集中点和交通事故高发点。其安全问题一直是人们关注的焦点，交叉口冲突分析和安全评价成为交通工程研究领域一个十分重要的内容。目前，国内外对交叉口交通安全进行评价的方法主要分为多交叉口等级划分和单交叉口冲突点评价两方面。在多交叉口等级划分方面研究方法多以交通事故数或冲突数为基础，将交通冲突与混合当量交通量的比值(TC/MPCU)作为评价因子进行评价：管晓伟等人研究了以时均交通冲突和交通量数据为依据的交叉口交通冲突灰色聚类安全评价方法；成卫等人提出基于交通冲突技术的模糊C-均值聚类的交叉口交通安全评价法。而对于单交叉口内部冲突安全评价的方法主要以交通冲突点特性、冲突概率和临界冲突概率为数据基础进行评价：汪莹等提出结合冲突点种类与个数的基于安全服务水平的交叉口评价模型；周家祥等人研究了混行交叉口的模糊综合评价方法。国内外在安全评价方面的方法尽管比较全面，仍存在几方面问题：一、虽然已有研究对交叉口冲突概率研究较多，但以此为基础的单交叉口安全评价方法较少，其原因在于已有交叉口冲突概率研究多以冲突点为研究对象，无法相对全面的评价整个交叉口情况；二、研究注重整个交叉口安全等级划分，而相对忽略了交叉口内部的冲突情况和安全水平，对于交叉口黑点整治贡献较小；三、安全评价指标较为单一，多利用数据形式的呈现评价结果，在数据量大的时候不利于读取和储存。

技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种整合了冲突概率和碰撞严重程度的无信号交叉口交通安全评价方法，突破常规交叉口安全评价时仅对交通冲突与混合当量交通量的比值(TC/MPCU)或冲突概率进行等级划分和评价的方法，实现了相对综合化的安全评价指标确定以及整个交叉口范围内安全评价的可视化输出。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种无信号交叉口交通安全评价方法，包括以下步骤：1)选定研究的交叉口，获取基础资料，总共包括四方面的资料：交叉口几何信息、交叉口交通管理策略、交叉口交通流数据及车辆相关参数；2)交叉口基础资料处理，建立坐标系并进行栅格划分；3)求解各栅格的冲突概率，对整个交叉口内部的栅格赋值，构造冲突概率矩阵；4)根据冲突严重程度动能损失模型，求解各栅格可能发生冲突的严重程度，并对整个交叉口内的栅格赋值；5)考虑冲突概率和冲突严重程度，利用灰色聚类法，确定整个交叉口内各栅格的安全评价指数，将等值代码赋值给各栅格，构造等级代码矩阵；6)利用程序设计语言实现安全评价结果的可视化输出。在步骤1)中，所述交叉口几何信息包括交叉口类型、交叉口范围、各进口道的车道数及宽度设置、设计半径，能够从交叉口基本设计方案获得几何信息资料；所述交叉口交通管理策略包括交叉口的车道功能设置、转向限制、设计车速，能够从交叉口交通管理方案获得管理策略资料；所述交叉口交通流数据指交叉口各进口道的车辆到达率，能够从交通量预测数据得到研究交叉口的各流向交通量数据，从而计算各流向车辆的到达率；所述车辆相关参数包括车辆的长度、车辆的宽度、车辆的偏移量。在步骤2)中，根据选定的交叉口对其进行栅格处理，具体包括以下步骤：2.1)建立坐标系：以交叉口东西向和南北向中心线交汇处为坐标原点，东西方向为x轴，南北方向为y轴建立平面直角坐标系；2.2)栅格划分：在交叉口的两个坐标轴上分别任意插入n-1个分点，设交叉口长度为2a，宽度为2b；-a＝x0＜x1＜x2＜…＜xn-1＜xn＝a，-b＝y0＜y1＜y2＜…＜yn-1＜yn＝b把交叉口分割成了N个栅格，栅格Rec(ij)记为Rec(ij)＝{xi-1,xi,yi-1,yi}，当栅格数量n→∞，则栅格面积S[Rec(ij)]→0，故能够用车辆出现在栅格形心的概率作为车辆出现在该栅格单元中的概率；在步骤3)中，求解交叉口范围内栅格冲突概率，具体包括以下步骤：3.1)计算车辆冲突概率，栅格Rec(ij)发生冲突的概率为：式中：a，b，c——在一个栅格单元内最多可能经过的三条车辆轨迹线的编号；——沿轨迹k出现在栅格Rec(ij)的概率；3.2)将冲突概率计算结果赋值给各栅格，构造冲突概率矩阵；在步骤4)中，根据冲突严重程度动能损失模型，求解各栅格可能发生冲突的严重程度，并对整个交叉口内的栅格赋值，具体包括以下步骤：4.1)严重程度计算：用车辆碰撞的能量损失表征碰撞严重程度，以最不利的情况为计算依据，即计算车辆不采取制动措施到碰撞至停止过程中损失的动能；式中：m1，m2分别为发生碰撞两辆车的质量；v1，v2分别为发生碰撞两辆车碰撞前的速度；v合为两辆车发生碰撞后的合速度；在以下假设条件下：a)车辆质量相近，且碰撞前速度均为各自通过交叉口的速度；b)车辆碰撞前均处于匀速运动状态，系统所受合外力为零，且车辆发生碰撞时系统所受的内力作用远大于外力作用；在直角坐标系下，分解碰撞车辆速度，并结合动量守恒定理，建立动能损失模型，计算各栅格单位质量动能损失量：式中：为碰撞车辆平均质量；v1，v2分别为发生碰撞两辆车碰撞前的速度；θ1，θ2分别为碰撞前两辆的速度方向与x轴正方向的逆时针夹角；4.2)严重程度等级划分：根据损失动能和碰撞严重程度的数据统计结果，将严重程度划分为轻微冲突、一般冲突、较严重冲突和严重冲突四级，据此划分各栅格可能冲突的严重程度；在步骤5)中，采用灰色聚类法建立基于冲突概率和碰撞严重程度两个指标的安全评价模型，对交叉口范围内所有的栅格进行安全等级划分；确定安全评价指标，以及计算结果可视化表达；具体包括以下步骤：5.1)将冲突概率矩阵和冲突严重程度矩阵转化为安全评价矩阵；5.2)确定灰类及对应的白化值，将栅格的安全等级划分为安全、临界安全、危险和特别危险五个灰类，冲突概率对应的白化值通过安全城市分级评价标准求得λ1＝0、λ2＝0.001、λ3＝0.025、λ4＝0.036；冲突严重程度对应的白化值根据步骤4)得到λ'1＝0、λ′2＝50、λ'3＝100、λ′4＝150；5.3)计算白化值，根据白化权函数求出对应灰类的白化值，计算公式如下：其中：z为指标个数；5.4)确定聚类权：有机动车冲突概率和冲突严重程度两个评价指标，以冲突概率为主，严重程度为辅，聚类权分别取η1＝0.6，η2＝0.4；5.5)计算聚类评估值：栅格Rec(ij)对于第k个灰类所属的聚类评估值为：其中：Rec(ij)z——栅格Rec(ij)的第z个指标的值；ηz——第z个指标的权重；——白化权函数；5.6)确定栅格所属灰类：若某栅格的灰色聚类评估值满足则该栅格所属灰类为，安全等级为k；将安全等级赋值给各栅格，构造等级代码列向量[k11,…,k1n,k21,…,k2n,…,kn1,…,knn]T5.7)将等级代码列向量转化成等级代码矩阵；5.8)给出整个交叉口的安全评价指标，取各安全等级的栅格所占的面积，其计算公式为：Sk＝nkab/N式中Sk表示安全等级为k的区域的面积，nk表示安全等级为k的栅格的个数；5.9)为更直观地呈现安全评价结果，按照对应关系将各等级代码对应的颜色值赋给各栅格，构造颜色代码矩阵。本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、突破仅通过冲突概率进行安全评价方法，将碰撞风险的两方面：冲突概率和冲突严重程度分别赋聚类权值，进行整合聚类。解决对于发生概率不大但冲突严重的区域评价失真的问题，提高安全评价的综合性与可靠性。2、区别于以往灰色聚类用于评价整个交叉口的安全水平，本发明将交叉口范围内安全等级细化，一个交叉口内部分为四个等级，明确交叉口内事故黑点的准确情况，对于单个交叉口安全评价和改善具有重要意义。3、利用可视化图像形式表达交叉口安全情况，通过颜色区分安全等级，形象直观，使技术人员不再局限于通过关系数据表来观察和分析数据信息，还能以更直观的方式看到交叉口安全评价数据及其结构关系，有利于其分析事故成因，有针对性地提出解决方案。具有较强的实用价值。4、既可以评价已建成交叉口，也可以针对设计阶段的交叉口进行安全评价，交叉口建设前对其设计安全进行评价，有效减少交叉口投入建设后因其设计问题带来的冲突，有利于交叉口设计方案改进完善。附图说明图1为本发明方法的流程图。图2为栅格划分示意图。图3为碰撞示意图。图4为碰撞动量分解示意图。图5为现状安全评价结果示意图。图6为方案1安全评价结果示意图。图7为方案2安全评价结果示意图。图8为方案3安全评价结果示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本实施例所述的无信号交叉口交通安全评价方法，包括以下步骤：1)选定研究的交叉口，获取基础资料，总共包括四方面的资料：交叉口几何信息、交叉口交通管理策略、交叉口交通流数据及车辆相关参数；2)交叉口基础资料处理，建立坐标系并进行栅格划分；3)求解各栅格的冲突概率，对整个交叉口内部的栅格赋值，构造冲突概率矩阵；4)根据冲突严重程度动能损失模型，求解各栅格可能发生冲突的严重程度，并对整个交叉口内的栅格赋值；5)考虑冲突概率和冲突严重程度，利用灰色聚类法，确定整个交叉口内各栅格的安全评价指数，将等值代码赋值给各栅格，构造等级代码矩阵；6)利用程序设计语言实现安全评价结果的可视化输出。在步骤1)中，所述交叉口几何信息包括交叉口类型、交叉口范围、各进口道的车道数及宽度设置、设计半径，可从交叉口基本设计方案获得几何信息资料；所述交叉口交通管理策略包括交叉口的车道功能设置、转向限制、设计车速，可从交叉口交通管理方案获得管理策略资料；所述交叉口交通流数据指交叉口各进口道的车辆到达率，可从交通量预测数据得到研究交叉口的各流向交通量数据，从而计算各流向车辆的到达率；所述车辆相关参数包括车辆的长度、车辆的宽度、车辆的偏移量，本发明以标准车为对象，采用标准车的数据进行建模计算。在步骤2)中，根据选定的交叉口对其进行栅格处理，包括以下步骤：2.1)建立坐标系：以交叉口东西向和南北向中心线交汇处为坐标原点，东西方向为x轴，南北方向为y轴建立平面直角坐标系。2.2)栅格划分：在交叉口的两个坐标轴上分别任意插入n-1个分点(设交叉口长度为2a，宽度为2b)-a＝x0＜x1＜x2＜···＜xn-1＜xn＝a，-b＝y0＜y1＜y2＜···＜yn-1＜yn＝b把交叉口分割成了N个栅格，栅格Rec(ij)记为Rec(ij)＝{xi-1,xi,yi-1,yi}(见附图2)。当栅格数量n→∞，则栅格面积S[Rec(ij)]→0，故可以用车辆出现在栅格形心的概率作为车辆出现在该栅格单元中的概率。步骤3)中，求解交叉口范围内栅格冲突概率，主要根据专利《一种无信号交叉口机动车冲突概率判断方法》(专利号201610032796.8)中提出的方法进行计算赋值。3.1)计算车辆冲突概率，栅格Rec(ij)发生冲突的概率为：式中：a，b，c——在一个栅格单元内最多可能经过的三条车辆轨迹线的编号；——沿轨迹k出现在栅格Rec(ij)的概率，其具体计算方法见专利201610032796.8。3.2)将冲突概率计算结果赋值给各栅格，构造冲突概率矩阵。在步骤4)中，根据冲突严重程度动能损失模型，求解各栅格可能发生冲突的严重程度，并对整个交叉口内的栅格赋值，具体包括以下步骤：4.1)严重程度计算：用车辆碰撞的能量损失表征碰撞严重程度，以最不利的情况为计算依据，即计算车辆不采取制动措施到碰撞至停止过程中损失的动能。式中：m1，m2分别为发生碰撞两辆车的质量；v1，v2分别为发生碰撞两辆车碰撞前的速度；v合为两辆车发生碰撞后的合速度。在以下假设条件下：a)车辆质量相近，且碰撞前速度均为各自通过交叉口的速度。b)车辆碰撞前均处于匀速运动状态，系统所受合外力为零，且车辆发生碰撞时系统所受的内力作用远大于外力作用。在直角坐标系下，分解碰撞车辆速度(见附图3)。结合动量守恒定理(见附图4)，建立动能损失模型，计算各栅格单位质量动能损失量：式中：为碰撞车辆平均质量；v1，v2分别为发生碰撞两辆车碰撞前的速度；θ1，θ2分别为碰撞前两辆的速度方向与x轴正方向的逆时针夹角。4.2)严重程度等级划分：根据损失动能和碰撞严重程度的数据统计结果，将严重程度划分为轻微冲突、一般冲突、较严重冲突和严重冲突四级，分别对应单位质量动能损失表见下表1。据此划分各栅格可能冲突的严重程度。表1碰撞严重程度与单位质量动能损失对应表在步骤5)中，采用灰色聚类法建立基于冲突概率和碰撞严重程度两个指标的安全评价模型，对交叉口范围内所有的栅格进行安全等级划分；确定安全评价指标，以及计算结果可视化表达。具体包括以下步骤：5.1)将冲突概率矩阵和冲突严重程度矩阵转化为安全评价矩阵。5.2)确定灰类及对应的白化值。将栅格的安全等级划分为安全、临界安全、危险和特别危险五个灰类。冲突概率对应的白化值通过安全城市分级评价标准求得λ1＝0、λ2＝0.001、λ3＝0.025、λ4＝0.036。冲突严重程度对应的白化值根据步骤4得到λ'1＝0、λ′2＝50、λ'3＝100、λ′4＝150。5.3)计算白化值。根据白化权函数求出对应灰类的白化值，计算公式如下：其中：z为指标个数。5.4)确定聚类权。本方法有机动车冲突概率和冲突严重程度两个评价指标，以冲突概率为主，严重程度为辅，聚类权分别取η1＝0.6，η2＝0.4。5.5)计算聚类评估值。栅格Rec(ij)对于第k个灰类所属的聚类评估值为：其中：Rec(ij)z——栅格Rec(ij)的第z个指标的值；ηz——第z个指标的权重；——白化权函数。5.6)确定栅格所属灰类。若某栅格的灰色聚类评估值满足则该栅格所属灰类为，安全等级为k。将安全等级赋值给各栅格，构造等级代码列向量[k11,…,k1n,k21,…,k2n,…,kn1,…,knn]T5.7)将等级代码列向量转化成等级代码矩阵。5.8)给出整个交叉口的安全评价指标，取各安全等级的栅格所占的面积，其计算公式为：Sk＝nkab/N式中Sk表示安全等级为k的区域的面积，nk表示安全等级为k的栅格的个数。5.9)为更直观地呈现安全评价结果，按照下表2所示对应关系将各等级代码对应的颜色值赋给各栅格，构造颜色代码矩阵。表2安全等级和颜色对应关系等级名称安全临界安全危险特别危险等级代码1234颜色绿色黄色橘黄色红色下面我们以昆明市为例，对本发明上述的无信号交叉口交通安全评价方法进行具体说明。昆明市沿江北路——幸福一路平面无信号交叉口西北部是一个建筑空地，北部为待售楼盘，南北流向机动车流量较小；但幸福一路沿路商业设施较多，东西流向机动车流量较大。针对其交通安全现状，给出三套设计方案。方案1：减小东西流向机动车流量。方案2：禁止东西流向机动车左转。方案3：减小设计车速。经查阅相关资料，标准车辆的长度L＝4，标准车辆的宽度B＝2。采用模拟方法获得车辆偏移量的平均值μ＝0.011，车辆偏移量的方差σ＝0.572。取栅格为边长为1m。该平面无信号交叉口现状和三个设计方案的基础资料如下表3所示。表3该平面无信号交叉口现状和三个设计方案的基础资料使用matlab语言实现了本评价方法，在编程过程中采用了模块化和自上而下的设计方法。为测试本作品所述方法的可操作性，选取昆明市沿江北路——幸福一路平面无信号交叉口的现状及改善设计方案为案例进行了评价，将采集的基础数据输入系统中，得到安全评价结果如图5～图8所示。各方案的各安全等级的区域面积如下表4。表4各安全等级区域面积(单位m2)项目安全临界安全危险特别危险总面积现状151114210181681方案11533140711681方案2161159381681方案315201351791681该交叉口现状存在较多的冲突，方案2能够大幅度消除整个交叉口范围内的机动车冲突，方案1能够减小东西流向机动车引起的冲突，方案3的冲突状况和现状状况一样。因此，方案2的安全水平最高，效果最好。以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。