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原文传递考虑安全的收费站区域多领域建模与仿真研究

论文题名：	考虑安全的收费站区域多领域建模与仿真研究
关键词：	高速公路;收费站区域;设计参数;交通冲突;安全运行
摘要：	收费站作为高速公路系统的重要组成部分，一方面有其长期存在的必然需要，另一方面也为车辆的通行效率和行车安全带来了一定的负面作用。不同于国外的ETC和MTC车道分离型的收费站建设模式，我国多是ETC和MTC车道混合型的收费站，这导致收费站区域的行车环境更加复杂，进而产生了一系列的交通拥堵、污染物排放及严峻的交通安全难题。为此，探寻保障收费站区域道路行车安全的分析方法以及提升通行效率的管理策略，已成为当前亟待解决的问题。　　本文依托国家自然科学基金面上项目“混合收费站运行安全和效率的影响机理与多领域协同分析设计研究”（51778141），旨在通过问题聚焦、数学建模、多领域仿真以及统计分析的技术路径，对收费站区域关键参数设计优化、交通流特性与交通冲突特征分析、安全与效率评价、行车安全机理分析以及收费站ETC推广策略等方面进行较为系统的研究和探索，以提升目前我国收费站区域的行车安全水平和管理效率。相关研究工作主要分为以下五个方面：　　（1）收费站区域关键设计参数与事故风险致因研究。基于收费站布设位置、车辆行驶横向稳定性和夜间视距等影响收费站安全行车的主要因素，构建了不同环境场景下的收费站圆曲线半径计算模型并与规范和标准进行对比分析。其次，确定收费广场长度与宽度，并对车道类型及布局、ETC车道布设位置以及收费车道配置策略进行了分析。第三，根据收费站区域驾驶员标志视认及驾驶行为特征，结合换道需求所需的安全时间和空间，对ETC前置指示标志的位置设置进行数学建模、模型验证与实例分析。最后，基于人车路环境因素定性阐释了收费站区域行车事故风险机理。　　（2）基于车辆微观轨迹提取的收费站区域交通特征研究。以与城市道路衔接的收费站为例，将研究视域扩大到包含收费站上下游区域构成的完整区间。其次，利用一种基于YOLOv4等算法的车辆轨迹提取方法，获取车辆在不同特征路段区间内的完整行驶轨迹等车辆微观信息。最后，基于微观轨迹数据，从宏观特征、速度特征、换道特征、加速度特征、车道选择特征和时间特征等方面探究了收费站上下游区域不同特征路段的交通流特性。　　（3）基于交通冲突特征分析的收费站区域安全评价与优化策略研究。基于轨迹数据，利用改进的 TTC和 PET模型定义了本研究的冲突测量尺度，以满足收费站区域车辆任意时刻任意角度的交通冲突测量与评价，并在 MATLAB 中设计基于车辆微观轨迹数据的交通冲突自动提取程序，对上下游区域交通冲突特征进行深入分析，包括交通冲突数特征、冲突空间分布及严重程度特征、车道选择和换道行为与交通冲突的关系等。其次，基于VISSIM+SSAM构建了收费站上下游区域交通冲突仿真分析模型，从综合考虑安全与效率的视角，对多种不同类型的交通特性对收费站安全的影响机理进行了解析，提出了相应的交通组织优化策略。　　（4）基于车路关键动态响应特征的收费站行车安全研究。采用基于 Adams/Car与Matlab/Simulink的仿真实验方法进行车路耦合动力学建模，建立了车路耦合环境下联合实时在线仿真试验系统。其次，选取车路耦合关键动力学响应特征参数，如加速度、侧向力、方向盘转角等作为收费站匝道标准极限的动力学一致性分析指标并进行一致性判定。最后，通过获得的动力学一致性分析指标，探究在不同测试环境下动力学指标响应特征的变化趋势，从车-路耦合的角度对选取的收费站实例进行了行车安全分析。　　（5）考虑感知安全风险和自我概念的收费站ETC推广策略研究。选取ETC用户和非ETC用户作为研究对象，基于技术接受模型、社会影响理论、自我概念理论和感知风险理论，构建了ETC用户/非ETC用户持续使用意愿/使用意愿影响因素作用机理的概念模型。其次，设计调查问卷采集数据，利用AMOS和SPSS软件对两类样本数据进行了 EFA和 CFA分析检验，验证了模型的有效性。最后，通过多层线性回归模型方法，对技术特征的中介效应进行了分析，并利用 PROCESS 建模工具对自我概念和感知安全风险的调节中介效应进行了检验，并基于相关研究结论提出了促进收费站ETC可持续发展的管理策略。　　相关研究可为新建收费站设计及改扩建工程应用、类似复杂道路节点的安全与高效运行的评估与改进提供理论指导和方法借鉴，对于应对新形势下我国高速公路收费站的管理运营难题具有重要的现实意义。
作者：	张浩
专业：	交通运输工程;载运工具运用工程
导师：	何杰
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022