融合异质关联性的干线信号协调控制安全分析

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近几十年来,干线信号协调控制的应用获得了较大的关注。不同于单点式的控制策略,信号协调协同了干线上的多个交叉口,旨在提高车辆的通行效率。具体来说,协调控制的信号交叉口生成了“绿波带”,减少了车辆的“走停”行为,从而允许车队连续不断地通过干线。已经有大量的研究确认了信号协调控制的优势,例如:降低车辆的通行时间以及减少车辆的延时和疏散现象。
  然而原先的研究主要集中于信号协调的效率优化,安全方面的分析存在着明显的不足,安全效应的评价仍有争议。因此,为了还原真实的安全现状,鉴别显著的安全影响因素,避免潜在的事故风险,需选用合适的统计学方法对信号协调干线进行深入的安全评估。精准的安全评估有助于为干线信号协调控制的安全改善提供科学依据。
  事故频次安全评价模型是揭示信号协调干线安全效应的有效工具。在模型的构建过程中,异质关联性是一类不可忽视的重要问题。异质关联性存在于具有内在差异的数据集中,是不可直接观测的潜在的影响效应,它的缺失会引起回归分析中不稳定的指标检测和错误的安全分析结果。考虑到干线信号协调控制形成的交通流特性,事故频次模型中异质关联性的考量必须渗透于微观、中观和宏观层面,从而实现多维度的系统的安全评价。本文以干线信号协调控制系统为研究对象,全面审视信号协调干线,将异质关联性有机地融入综合的安全评估,拟构建融合多维度的多重异质关联性的(干线信号协调控制)事故频次分析理论与方法。本文的数据来自于美国密歇根州安娜堡市,选取了6条自适应系统控制的信号协调干线,事故的统计量来源于密歇根州交通部门建立的数据库(2006-2014)。
  在微观层面(路段/信号交叉口内),使用多变量泊松对数正态模型(MPLN),还原了不同类型事故(受伤和财损事故)间的异质关联性。除此之外,为了校正回归结果,MPLN模型进一步融合了单变量和多变量的条件自回归(CAR和MCAR)空间影响项。基于密歇根州安娜堡市的协调控制干线数据,研究结果表明:1)MPLN-MCAR模型的结果预测精度高于MPLN-CAR和MPLN模型;2)受伤和财损事故之间具有较强的异质关联性。
  在中观层面(交通子区内),重新构建了联合负二项条件自回归事故求和(JNBCS-CAR)模型,分析了事故在路段和信号交叉口之间的结构异质关联性。与此同时,JNBCS-CAR模型的适应性也与其它的5个固有模型做了对比,包括:泊松对数正态(PLN)、负二项事故求和(NBCS)、泊松对数正态条件自回归(PLN-CAR)、负二项事故求和条件自回归(NBCS-CAR)和分层泊松对数正态条件自回归(HPLN-CAR)模型。分析发现:1)JNBCS-CAR模型的拟合优度高于其它模型;2)在信号协调控制干线上,信号交叉口对路段有着明显的结构异质关联性,然而路段对信号交叉口的结构异质性并不显著。
  在宏观层面上(协调控制干线内),基于PLN模型,对比了协调干线上3种类型的时空异质关联性:固定空间和线性时间变化、固定空间和线性/二次时间变化以及时空交互变化。结果发现:1)协调干线的不同点位应该选用不同的安全评价模型,也就是说,伴随时空交互变化的PLN模型更适合于路段的数据,而伴随固定空间和线性时间变化的PLN模型对信号交叉口数据的拟合程度更高;2)时间和空间异质关联性在路段上相互作用,在信号交叉口上互不影响。研究结果强调了在路段上周期性地评估安全风险和动态地调整驾驶行为的意义。
  在多维度层面上,融合了微观、中观和宏观角度异质关联性的研究理论与方法,构建了考量多重异质关联性的安全评价模型,分析了干线信号协调控制的安全态势。研究发现:1)信号协调干线存在着显著的事故、结构和时空异质关联性;2)事故异质关联性对评价结果的影响大于时空和结构异质关联性;3)交通子区空间异质关联性的变化与时间无关。为了缓解协调控制干线的安全隐患、减少连锁事故的发生,研究结果强调了以关联度为标准设立动态交通控制子区的重要性。
  本文融合了异质关联性,构建了合理的安全评估体系,揭示了干线信号协调的安全评价结果,辨识了显著的安全影响指标,实现了信号协调干线精准的安全分析。本文的研究结果有助于在规划、设计和管理层面,为干线信号协调控制的事故预防提出有效的措施和建议。与此同时,本文构建的多重异质关联性分析理论与方法也为其它道路交通的安全评估提供了借鉴。
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