• ISSN 0258-2724
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环形交叉口交通冲突风险时空演变机理研究

胡立伟,  张瑞杰,  周泽禹,  侯智,  刘冰,  陈琛,  贺雨

胡立伟, 张瑞杰, 周泽禹, 侯智, 刘冰, 陈琛, 贺雨. 环形交叉口交通冲突风险时空演变机理研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240661
引用本文: 胡立伟, 张瑞杰, 周泽禹, 侯智, 刘冰, 陈琛, 贺雨. 环形交叉口交通冲突风险时空演变机理研究[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240661
HU Liwei, ZHANG Ruijie, ZHOU Zeyu, HOU Zhi, LIU Bing, CHEN Chen, HE YU. Analysis of Spatiotemporal Evolution Mechanism of Traffic Conflict Risk at Roundabouts[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240661
Citation: HU Liwei, ZHANG Ruijie, ZHOU Zeyu, HOU Zhi, LIU Bing, CHEN Chen, HE YU. Analysis of Spatiotemporal Evolution Mechanism of Traffic Conflict Risk at Roundabouts[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240661

环形交叉口交通冲突风险时空演变机理研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240661
基金项目: 云南省基础研究计划重点项目(202401AS070065);国家自然科学基金项目(42277476)
详细信息
    作者简介:

    胡立伟(1978—),男,教授,博士,研究方向为道路交通安全与环境,liweihukm@kust.edu.cn

    通讯作者:

    张瑞杰(1999—),男,硕士,研究方向为交通安全,E-mail:616121356@qq.com

  • 中图分类号: U491.31

Analysis of Spatiotemporal Evolution Mechanism of Traffic Conflict Risk at Roundabouts

  • 摘要:

    为研究环形交叉口交通冲突的时空扩散和传播规律,本文结合多源时空数据,构建了基于时空Transformer网络的交通冲突传播风险预测模型. 该模型首先利用改进的碰撞时间(TTC)算法计算原始冲突数据. 接着,借助GIS软件将生成的冲突点映射到环形交叉口划分的3 × 36个网格单元中. 随后,通过核密度分析法量化每个时间步长内各区域的交通冲突风险,从而构建交通冲突风险序列数据. 在此基础上,引入Transformer算法通过学习历史冲突数据中的时空演变规律,以特定网格作为空间尺度,以每隔4.0 min为时间尺度,模拟环形交叉口内交通冲突的时空传播过程. 随后,本文将预测结果与其他序列预测模型的预测结果进行了性能对比;最后,基于交通冲突数据和冲突风险传播时空影响因素进行风险致因分析,应用沙普利加性解释(SHAP)分析各特征参数对冲突严重程度的重要度,得到影响冲突风险的关键指标. 研究表明:Transformer模型在交通冲突风险预测中的表现要优于长短期记忆网络(LSTM)与极限梯度提升模型(XGBoost),其预测准确率达到83.56%,F1-score为84.85%. 此外,车辆之间的速度差异是影响环形交叉口交通安全的关键因素. 交通冲突的发生与换道频率呈正相关,而与大车比例呈负相关.

     

  • 图 1  环形交叉口交通冲突风险时空演变分析研究框架

    Figure 1.  Research framework for spatiotemporal evolution analysis of traffic conflict risk at roundabouts

    图 2  环形交叉口TTC计算示意

    Figure 2.  TTC calculation for traffic conflicts at roundabouts

    图 3  环形交叉口空间分割策略

    Figure 3.  Spatial segmentation strategy for roundabouts

    图 4  交通冲突风险区域相关性计算

    Figure 4.  Calculation of interregional traffic conflict risk correlations

    图 5  交通冲突风险时间序列数据构建

    Figure 5.  Construction of traffic conflict risk time-series data

    图 6  基于时空Transformer网络的环形交叉口交通风险传播模型结构示意图

    Figure 6.  Architecture of roundabout traffic risk propagation model based on spatiotemporal

    图 7  无人机拍摄图

    Figure 7.  Drone-captured aerial image

    图 8  基于YOLOv5的车辆轨迹提取

    Figure 8.  Vehicle trajectory extraction using YOLOv5

    图 9  交通冲突风险时间分布示例

    Figure 9.  Example of temporal distribution of traffic conflict risk

    图 10  国贸路与海明路交叉口区域1预测情况

    Figure 10.  Prediction results for Area 1 at Guomao Road-Haiming Road intersection

    图 11  国贸路与海宝路交叉口区域1预测情况

    Figure 11.  Prediction results for Area 1 at Guomao Road-Haibao Road intersection

    图 12  交通冲突风险空间预测情况

    Figure 12.  Spatial prediction of traffic conflict risk

    图 13  特征参数SHAP贡献度排序

    Figure 13.  Ranking of feature parameters by SHAP contribution

    图 14  特征因素对交通冲突风险的影响强度与方向分析

    Figure 14.  Analysis of magnitude and direction of feature effects on traffic conflict risk

    表  1  交通冲突风险预测模型特征变量

    Table  1.   Feature variables for traffic conflict risk prediction model

    分类 指标 变量符号 说明
    交通流指标 各网格单元交通量 $ N\left(i\right) $ 每个时间步长内通过第 i 个区域车辆数量
    各网格单元平均速度 $ V\left(i\right) $ 每个时间步长内通过第 i 个区域车辆的平均速度
    小型车交通量 $ N_{\mathrm{C}}(i) $ 每个时间步长内通过第 i 个区域小型车辆数量
    小型车平均速度 $ V_{\mathrm{C}}(i) $ 每个时间步长内通过第 i 个区域小型车辆的平均速度
    大型车交通量 $ N_{\mathrm{T}} (i)$ 每个时间步长内通过第 i 个区域大型车辆数量
    大型车平均速度 $ V_{\mathrm{T}}(i) $ 每个时间步长内通过第 i 个区域大型车辆的平均速度
    交通冲突时
    空关联指标
    交通冲突风险空间关联矩阵 $ \boldsymbol{A}\left({t}\right) $ 每个时间步长内第 i 个区域与第 j 个区域交通冲突风险值的
    皮尔逊相关系数矩阵
    交通冲突风险时间累计矩阵 $ \boldsymbol{X}\left({t}\right) $ 每个时间步长内发生在第 i 个区域所有交通冲突风险的累计值矩阵
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    表  2  模型参数

    Table  2.   Model parameters

    模块 元素向
    量维度
    源序列 初始序列
    空间特征
    学习模块
    64 $ {\boldsymbol{A}}\left({t}\right)\in {{R}}_{{{\mathrm{N}}}\times {{\mathrm{K}}}\times {{\mathrm{c}}}} $ $ {{\boldsymbol{A}}}^{\prime}\left({t}\right)\in {{R}}_{{{\mathrm{N}}}\times {1}\times {{\mathrm{c}}}} $
    时间特征
    学习模块
    256 $ {{\boldsymbol{X}}}\left({t}\right)\in {{R}}_{{{\mathrm{N}}}\times {{\mathrm{c}}}\times \left({1 + }{Q}\right)} $ $ {{\boldsymbol{X}}}^{\prime}\left({t}\right)\in {{R}}_{{{\mathrm{N}}}\times {1}\times {{\mathrm{c}}}} $
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    表  3  预测结果比较

    Table  3.   Comparison of prediction results %

    模型 $e_{\mathrm{PRE}} $ $e_{\mathrm{REC}} $ $e_{\mathrm{F1}} $ $e_{\mathrm{ACC}} $
    ARMA 68.37 70.23 71.35 69.34
    XGBoost 73.87 75.36 75.22 75.57
    LSTM 78.36 77.25 75.82 72.71
    Transformer 82.77 89.33 84.85 83.56
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-17
  • 修回日期:  2025-10-14
  • 网络出版日期:  2026-11-06

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