信号交叉口黄灯两难区边界建模及风险评估方法研究

摘要

黄灯两难区(以下简称两难区)是指信号交叉口进口道上的一段区域，陷入其中的驾驶人面对黄灯信号时将经历选择停车或继续行驶决策的犹豫不决。正因如此，两难区增大了信号交叉口处发生追尾和侧面碰撞事故的可能性。现存相关文献对两难区分布、黄灯启亮时驾驶人行为、两难区风险规避等方面进行了广泛地探究，相继提出了一些两难区风险规避措施，但对两难区风险评估的研究较少，且绝大多数所提出的两难区风险规避措施效果十分有限。究其根本原因在于未充分考虑驾驶人的个体随机性及交通信号影响因素(如信号倒计时)。特别地，我国城市道路中大量的信号交叉口安装了倒计时，势必影响黄灯启亮时驾驶人行为，导致两难区分布及风险发生变化。因此，论文以有无倒计时信号交叉口处观测数据为基础，从分析黄灯期间首停车和末行车行驶参数入手，构建两难区边界模型，提出两难区风险评估及规避方法，探讨倒计时对两难区分布及风险的影响，旨在改善信号交叉口交通安全水平。
　　由于黄灯期间直行车道上首停车和末行车最有可能陷入两难区，故设计视频观测方案，以有无倒计时信号交叉口为调查点而展开视频观测，采集黄灯期间首停车行驶参数(黄灯启亮时至停车线距离及速度、感知反应时间、减速度)，末行车行驶参数(黄灯启亮时至停车线距离及速度、进入时间、加速度)，以及道路交通条件等数据。
　　以观测数据为基础分析了有无倒计时条件下黄灯期间首停车及末行车行驶参数的描述统计值和拟合分布。统计检验结果表明，倒计时对首停车速度及感知反应时间有显著影响，但对首停车至停车线距离和减速度无显著影响；倒计时对末行车至停车线距离和进入时间有显著影响，但对末行车速度及加速度无显著影响。Kolmogorov-Smirnov检验结果显示，有无倒计时条件下首停车及末行车行驶参数的最佳拟合分布各异，为两难区风险评估奠定基础。
　　在观测数据的基础上确定了最小感知反应时间、最大减速度、最大加速度的关键影响因素均为黄灯启亮时速度，分别构建了最小感知反应时间、最大减速度、最大加速度与黄灯启亮时速度间的关系模型，通过实例分析验证了模型的精度，进而分别构建了最小停车距离模型和最大通过距离模型，并探讨了有无倒计时和不同黄灯时长条件下第一类两难区分布。对比分析发现，当黄灯时长为4 s时，无论是否存在倒计时，均不能形成第一类两难区；当黄灯时长为3 s时，倒计时的存在将导致第一类两难区的形成，但其范围较小。
　　根据观测数据分析了黄灯启亮时车辆行驶行为决策，构建了黄灯启亮时车辆行驶行为二元logistic选择模型，该模型表明黄灯启亮时速度、至停车线距离、过街行人和倒计时显著影响黄灯启亮时驾驶人选择停车的决策。据此模型推导了黄灯启亮时停车概率模型，构建了第二类两难区边界模型，并探讨了有无倒计时及过街行人条件下第二类两难区分布。对比分析可知，无论是否存在过街行人，倒计时均不改变第二类两难区的长度，但会使其位置更靠近停车线。
　　鉴于第二类两难区包含第一类两难区(或选择区)，且不考虑车辆与过街行人间的冲突，对第二类两难区内车辆碰撞风险展开深入研究。考虑黄灯启亮时车辆行驶行为决策，分析了单车、两车情形下两难区潜在交通冲突(包括追尾和侧面碰撞)，构建了两难区追尾和侧面碰撞风险发生概率估算模型，并进行了蒙特卡洛模拟分析。结果表明，两难区侧面碰撞风险发生的概率远大于追尾碰撞风险，并且后者发生的概率很小；倒计时明显增大两难区追尾和侧面碰撞风险发生的概率。
　　针对两难区侧面碰撞风险突出的问题，提出了基于动态全红控制的两难区风险规避方法。设计了动态全红控制的基本框架及流程，其包括三个环节：利用智能传感器采集车辆行驶参数，依据临界减速度和至停车线距离判别闯黄灯车辆，以及通过黄灯时长确定所需全红时长。以观测数据为基础，多次重复动态全红控制流程，验证了其预期效果。最后，在观测数据的基础上评价了动态全红控制的利与弊，结果显示动态全红控制在规避两难区侧面碰撞风险的安全效益远大于其给冲突方向交通增加的延误成本。
　　论文研究成果一方面丰富当前对两难区边界建模和两难区风险评估研究的理论体系，为两难区风险规避措施效果评价提供了新的理论支撑，同时扩充了两难区风险规避的方法库；另一方面，所构建的两难区边界模型和所提出的动态全红控制方法可为优化信号交叉口配时设计及提高信号交叉口安全水平奠定理论基础。此外，关于倒计时影响两难区分布及风险的研究成果可为评估倒计时安全效益和制定倒计时安装管理规定提供理论依据。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外文献综述

1.3 论文的主要研究内容

1.4 论文的研究技术路线

第2章 黄灯期间首停车及末行车行驶参数分析

2.1 首停车和末行车的界定及行驶参数的定义

2.2 视频观测方案设计

2.3 视频观测及数据提取

2.4 首停车行驶参数分析

2.5 末行车行驶参数分析

2.6 本章小结

第3章 第一类两难区边界建模

3.1 建模思路及基本假设

3.2 最小感知反应时间模型

3.3 最大减速度模型

3.4 最大加速度模型

3.5 模型验证

3.6 第一类两难区边界模型及其分布

3.7 本章小结

第4章 第二类两难区边界建模

4.1 建模思路

4.2 黄灯启亮时行驶行为决策

4.3 黄灯启亮时行驶行为二元选择模型

4.4 第二类两难区边界模型

4.5 第二类两难区分布

4.6 本章小结

第5章 基于交通冲突的两难区风险评估

5.1 两类两难区位置关系及风险评估基本框架

5.2 两难区潜在交通冲突分析

5.3 两难区风险评估模型

5.4 蒙特卡洛模拟分析

5.5 本章小结

第6章 基于动态全红控制的两难区风险规避

6.1 动态全红延长及动态全红

6.2 动态全红控制的基本框架

6.3 动态全红控制的关键环节

6.4 动态全红控制流程

6.5 动态全红控制预期效果

6.6 本章小结

结论

论文取得的创新性研究成果

研究展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历