城市道路信號交叉口安全評價體系的構(gòu)建與應用

汪 瑩，黃 新

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學院，南京 211188；2.南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

城市道路交叉口是城市道路系統(tǒng)中重要的節(jié)點，其功能是把不同方向的道路連接起來，構(gòu)成路網(wǎng)，從而使得車輛可以在路網(wǎng)中實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向和交叉。在城市道路交叉口處，各種方向和各類交通流互相穿梭、交匯，彼此之間互相作用、相互沖突，再加上信號燈的存在使交通流進一步被中斷，又存在著闖紅燈，不遵守交通規(guī)則等駕駛不良習慣，從而導致了交叉口成為城市道路的交通事故多發(fā)地。如何在確保交叉口通暢的同時，提高交叉口的安全性能，不僅對整個交通系統(tǒng)的安全水平有著十分重要的影響，而且也關(guān)系到整個城市的發(fā)展。要想提高交叉口的安全性能，首先必須明確何種交叉口才是安全交叉口，而要想明確所謂的安全交叉口，就離不開對交叉口進行科學合理的安全評價。

1 城市道路交叉口安全評價研究

對于交通安全的定義，目前主要有兩種基本觀點：一是傳統(tǒng)安全理論，認為安全就是無危險、無事故；二是現(xiàn)代安全論，認為安全是指事故對人造成的危害低于人類所能承受的限度，安全是在具有一定危險性條件下的狀態(tài)，并非絕對無事故。本文研究的交通安全問題是指現(xiàn)代安全論的相對安全[1]。

1.1 安全評價的目的

所謂的交通安全評價就是以保證使用者安全為目的，從預防交通事故發(fā)生的可能性和降低交通事故發(fā)生后的嚴重性出發(fā)，對交通系統(tǒng)所進行的全方位安全評價，是一種預防交通事故和提高交通安全性的重要手段。

交叉口交通安全評價的目的是通過分析交叉口潛在的安全隱患，提出合適的安全對策，消除安全隱患或者以最低成本降低安全隱患的負面影響，從而保證交通項目在全壽命周期內(nèi)都滿足使用者的需求，為使用者提供可靠合格的交通安全服務(wù)。

1.2 安全評價的步驟

交叉口交通系統(tǒng)是由人、車、路和環(huán)境等各個子系統(tǒng)組成的復雜大系統(tǒng)，在這個復雜的大系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)彼此之間相互依賴、影響和作用。在安全評價過程中，如果忽視了相關(guān)子系統(tǒng)之間的彼此影響，評價結(jié)果都將是不全面的、不客觀的和不科學的。因此，交叉口交通安全的評價應是對交通各系統(tǒng)的一個綜合評價，一般包括以下幾個步驟(如圖1所示)。

圖1 系統(tǒng)綜合評價步驟

1.3 安全評價方法的選擇

目前，國內(nèi)外對于交叉口的安全評價方法主要有兩大類，一類是從交叉口不安全的表現(xiàn)結(jié)果和形式出發(fā)的評價方法，稱為結(jié)果評價方法，如基于交通事故統(tǒng)計的評價方法和基于交通沖突技術(shù)的評價方法；一類是從導致交叉口不安全的因素出發(fā)的評價方法，稱為原因評價方法，如交通安全診斷技術(shù)等。在上述安全評價方法中，不管是以交通事故統(tǒng)計為基礎(chǔ)的評價方法與基于交通沖突技術(shù)的評價方法都存在著一定的缺陷，都不能夠在較短的時間內(nèi)，比如幾個小時，對交叉口的交通安全情況作出正確的評價；或者由于有些國家或地區(qū)不具有事故統(tǒng)計資料，而無法進行基于事故的評價；或者由于人力、財力的問題，不能展開交通沖突的調(diào)查觀測，而無法進行基于交通沖突的評價?；谝陨峡紤]，為了更加準確、有效地評價交叉口的交通安全，以及考慮到不同國家獲得評價數(shù)據(jù)的能力，通過參考大量國內(nèi)外文獻，本文套用眾多研究和設(shè)計人員都熟悉的服務(wù)水平的概念來應用于交叉口的安全研究方面，選擇基于安全服務(wù)水平的原因評價方法來評價交叉口的交通安全性[2]。

安全服務(wù)水平(Level of Service of Safety 簡稱LOSS)是一種通過衡量各類交通設(shè)施運行狀況及其安全好壞的感受標準。交叉口的安全服務(wù)水平是指交叉口使用者從交叉口范圍內(nèi)的幾何特征、交通控制和交通環(huán)境等方面可能得到的交通安全服務(wù)質(zhì)量。在國內(nèi)外相關(guān)文獻中提到有關(guān)安全服務(wù)水平這個說法，最早可以追溯到1972年Yu提出的公路通道的安全服務(wù)水平(Safety Level of Service)。Yu 基于美國弗吉尼亞州交通事故數(shù)據(jù)，以百萬車英里受傷率為指標，對公路通道的安全服務(wù)水平進行了劃分[3]。目前國內(nèi)外對于交叉口交通安全服務(wù)水平的研究主要集中在以下兩大方面：一方面是對交叉口事故預測模型的研究，例如張?zhí)K[4]、鐘小明[5]、孫明玲[6]、馮麗生[7]、劉小明[8]和張杰等[9]；另一方面是對交叉口交通安全服務(wù)水平劃分的研究。

1.4 安全評價的思路

利用交叉口的安全服務(wù)水平來評價交叉口的安全性，主要是通過采集關(guān)于交叉口的類型、交通流量狀況、幾何特征和配套設(shè)施等可能影響交叉口交通安全的因素，構(gòu)建出交叉口安全評價指標體系，通過計算模型確定出安全服務(wù)水平大小，并在此基礎(chǔ)上對安全服務(wù)水平進行分級量化，從而可以客觀評價城市道路各交叉口所能提供的安全服務(wù)程度，進而可以為危險性較大的交叉口的安全設(shè)計和安全改造提供借鑒和參考。

2 城市道路信號交叉口安全評價指標的確定

2.1 交叉口交通安全影響因素分析

交通系統(tǒng)是由人、車、路和環(huán)境等多種要素綜合構(gòu)成的一個動態(tài)系統(tǒng)，在城市道路交叉口的各組成部分中，“人”是中心，“車”是紐帶，“路”是基礎(chǔ)，“環(huán)境”是條件，彼此之間相互制約、相輔相成。交叉口交通事故是在特定的交通環(huán)境下，因人、車、道路和環(huán)境所構(gòu)成的動態(tài)影響因素在某些環(huán)節(jié)上不可靠、不平衡、不穩(wěn)定所導致種種的沖突與矛盾，從而引發(fā)的。

其中人的因素主要包括了交通安全意識、駕駛行為等；車的因素主要包括了車輛的主動安全性和被動安全性等；而路的因素主要包括了交叉口的幾何條件、交通控制和交通流特性等；環(huán)境因素則包括自然環(huán)境和社會環(huán)境。

2.2 交叉口交通安全評價指標的擇選

由于上述影響交叉口交通安全的因素既有主觀方面的因素，又有客觀方面的因素，而安全服務(wù)水平概念的本意更多地是從交叉口本身所具有的物理條件出發(fā)，研究在正常交通運行條件下，交叉口本身所能夠提供的交通安全水平?；谏鲜鲈?，結(jié)合評價指標篩選的原則，本文采用定性分析與定量計算相結(jié)合方法，首先通過定性分析和利用專家知識、經(jīng)驗對影響因素進行歸類合并，完成初步篩選，然后通過定量分析，進一步篩選出主要的與合理的評價指標。具體操作中，考慮交叉口相對固定的物理特征，隱含交通安全性能特性的交通沖突，以及具有空間和時間變化性的交通特性，將基于安全服務(wù)水平的交叉口交通安全的評價指標體系劃分為交通沖突、交通特性和交通物理特征3大類，構(gòu)建確定城市道路信號控制交叉口安全評價指標體系(如圖2所示)。

圖2 信號控制交叉口安全評價指標體系

3 城市道路信號交叉口安全評價結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

3.1 評價結(jié)構(gòu)的構(gòu)建思路

在上述構(gòu)建的評價指標體系中，考慮到城市道路平面交叉口在規(guī)劃、設(shè)計和建造完畢并投入使用以后，它的交通物理特征情況將不會發(fā)生大幅度或者頻繁的改變，所以可以將其歸結(jié)為影響交通安全的靜態(tài)影響因素，而交通沖突情況和交通特性情況則是影響交通安全的動態(tài)影響因素。由于這3類評價決策層的特點不一樣，所以本文參照常見的城市道路交叉口安全性能的研究方法，首先假設(shè)靜態(tài)因素處于理想狀況，選擇動態(tài)影響因素(交叉口交通沖突情況和交通特性情況)來建立安全評價主模型，然后再考慮靜態(tài)影響因素(交叉口交通物理特征情況)對交叉口安全可能造成的影響，建立安全評價的修正模型，通過修正模型計算出修正系數(shù)，最后用此修正系數(shù)修正得到的基于主模型的安全服務(wù)水平，從而得到實際交叉口的安全服務(wù)水平。

3.2 評價結(jié)構(gòu)的模型及參數(shù)

3.2.1 主模型的構(gòu)建

由于沖突點的存在是導致交叉口不安全的根本原因，也是交叉口發(fā)生交通沖突或交通事故的根本原因，為了比較好的表達交通沖突點對交通安全的重要性，在此引用潛在危險度的涵義來評價交叉口的安全狀況。潛在危險度是指交叉口內(nèi)存在的不同種類的沖突點可能造成的實際交通沖突或事故的嚴重程度，潛在危險度越大，說明交叉口內(nèi)可能發(fā)成的實際交通沖突或事故越嚴重，交叉口越不安全?？紤]到信號控制交叉口有信號燈的控制，一方面交叉口的沖突點數(shù)量會減少，另一方面交叉口內(nèi)所存在的沖突點并不能同時發(fā)生作用，所以在分析沖突點導致的潛在危險度時，根據(jù)每個相位實際所獲得的通行時間，來加權(quán)計算一個信號周期內(nèi)的總的沖突點數(shù)，鑒于黃燈時間仍然有可能通過交通量，故通行時間取綠燈時間與黃燈時間之和[10]。按照這一思路，構(gòu)建交叉口沖突點造成的潛在危險度計算模型見公式(1)：

(1)

式中：PDS為信號控制交叉口潛在危險度；c為交叉口沖突點的類型，包括機-機沖突、機-非沖突和機-人沖突；Wc為各類型沖突點的權(quán)重；PDSC為c類型沖突點造成的信號交叉口潛在危險度，包括了PDs機-機，PDs機-非，PDs機-人，可按公式(2)計算：

(2)

式中：i為c類型沖突點的種類；Ni為i種類沖突點的個數(shù)；gr為r相位的綠燈時間(s)；yr為r相位的黃燈時間(s)；T為相位信號周期長度(s)；GMi為i種類沖突點的惡性程度。

由于影響交叉口安全的動態(tài)因素還包括了交通特性方面的因素，該因素能夠影響沖突點實際發(fā)生的概率，所以還應考慮不同交通主體的交通狀況對交叉口潛在危險度帶來的影響，在此取影響系數(shù)Kc來對上述模型進行修正，所以構(gòu)建主模型見公式(3)：

(3)

式中：PDS′為信號控制交叉口修正潛在危險度；Kc為交通特性影響系數(shù)，包括K機，K機-非，K機-人.

3.2.2 修正系數(shù)模型的構(gòu)建

如前面分析，交叉口的靜態(tài)因素——交通物理特征也對交叉口的交通安全有較大影響，如果交通物理特征在實際交叉口中被合理的設(shè)置，并且狀態(tài)良好或維護及時，將對交叉口的安全產(chǎn)生積極的作用；反之，這些交通物理特征在實際交叉口中沒有被合理的設(shè)置或?qū)嶋H狀態(tài)很差，將對交叉口安全產(chǎn)生較大的負面作用。

考慮到交通物理特征指標包含了很多影響因素，本文選用基于灰色關(guān)聯(lián)度的模糊層次評價方法來確定交叉口交通物理特征的修正系數(shù)，具體步驟如下。

(1)評價指標集的確定

根據(jù)確定的信號控制交叉口安全評價指標體系(如圖2所示)，建立物理特征指標部分的評價指標集如下。

C={P7，P8，P9，P10，P11}={幾何特征，路面屬性，信號燈，標志標線，照明條件}。

其中：P7={P7，1，P7，2，P7，3，P7，4，P7，5}={縱坡度，交叉角度，交叉口視距，車道設(shè)置情況，物理渠化措施}；

P8={P8，1，P8，2}={路面平整性，路面抗滑性}；

P9={P9，1，P9，2，P9，3}={信號燈相位設(shè)置，綠燈間隔時間，信號燈可視性}；

P10={P10，2，P10，3，P10，4}={標志標線的設(shè)置，標志標線的可視性，標志信息量}；

P11={P11，1，P11，2}={路燈設(shè)置情況，路面完整性}；

(2)評判集的確定

根據(jù)交通物理特征對交叉口危險度的影響情況，確定評判集V={V1，V2，V3，V4}={嚴重，較嚴重，一般，無}。

(3)確定指標權(quán)重集

根據(jù)上述評價指標集，采用層次分析法分別確定各物理特征指標權(quán)重集W={W1，W2，W3，W4，W5}及其子指標權(quán)重集Wj={α1，α2，…，αk}，具體確定過程見下文。

(4)構(gòu)建模糊評價矩陣

通過對各類物理特征指標進行采集打分，從中選出各個子指標的打分均值Pk作為最優(yōu)值，構(gòu)成最優(yōu)指標序列P0=(P01，P02，…，P0k)，式中P0k(k=1，2，…，n)為第k個子指標在各個評價指標中的最優(yōu)值，通過標準化法對原始序列進行無量綱化處理，取分辨系數(shù)ρ=0.5進行關(guān)聯(lián)系數(shù)計算，按照評判集的要求，構(gòu)造出各物理特征指標對交叉口安全服務(wù)水平影響的模糊評價矩陣。

(5)綜合修正系數(shù)計算

確定完各評價指標的模糊評價矩陣后，利用公式B=A×R確定出交通物理特征總修正系數(shù)，確定信號交叉口修正系數(shù)計算見公式(4)：

(4)

式中：MF為信號控制交叉口交通物理特征總修正系數(shù)；j為交通物理特征評價指標索引，包括幾何特征、路面屬性、信號燈、標志標線和照明條件；Wj為j評價指標的權(quán)重，以反映不同交通物理特征評價指標對交叉口安全服務(wù)水平的不同影響程度；Kj為j評價指標的模糊評價矩陣。

3.2.3 總模型的構(gòu)建

根據(jù)上述主模型和修正系數(shù)模型綜合得到信號控制交叉口安全評價的總模型，見公式(5)：

Ds=PDs′×MF。

(5)

式中：Ds為信號控制交叉口危險度，即信號控制交叉口安全服務(wù)水平評價指標；PDS′為信號控制交叉口修正潛在危險度；MF為信號控制交叉口交通物理特征總修正系數(shù)。

3.2.4 模型參數(shù)權(quán)重的確定

上述確定的交叉口安全評價模型中，涉及到各類評價指標參數(shù)，而這些評價指標的權(quán)重大小將直接影響到模型的最終計算結(jié)果。

(1)不同類型沖突點造成的交叉口潛在危險度權(quán)重Wc確定

由于目前交通事故沒有按照沖突類型進行分類以及統(tǒng)計其經(jīng)濟損失，故不能從交通事故造成的經(jīng)濟損失角度來計算得到該權(quán)重，所以本文利用專家對不同沖突點可能造成交通危險的認識，通過專家調(diào)查法獲得數(shù)據(jù)，應用層次分析法進行分析得到權(quán)重，結(jié)果見表1。

(2)同一類型沖突點中不同種類沖突點惡性程度GMi的確定

在交叉口安全評價主模型中，需要確定同一類型沖突點中不同種類沖突點的惡性程度。這些沖突點是指機動車與機動車沖突點中的交叉沖突點、合流沖突點和分流沖突點；機動車與非機動車沖突點中的直行機動車與非機動車沖突點、左轉(zhuǎn)機動車與非機動車沖突點、右轉(zhuǎn)機動車與非機動車沖突點；機動車與行人沖突點中的直行機動車與行人沖突點、左轉(zhuǎn)機動車與行人沖突點、右轉(zhuǎn)機動車與行人沖突點。本文在分析不同種類沖突點的惡性程度時，主要根據(jù)收集到的交叉口事故資料的狀況，適當?shù)膶ζ浣y(tǒng)計分類進行微小調(diào)整，采用事故率方法來計算得到，結(jié)果見表1。

(3)物理特征評價指標權(quán)重Wj以及其子評價指標的權(quán)重αk確定

參照上述參數(shù)權(quán)重確定的思路，本部分的權(quán)重確定仍然通過專家調(diào)查法和層次分析法來獲得，結(jié)果見表1。

表1 模型參數(shù)權(quán)重匯總表

4 城市道路信號交叉口安全評價準則的劃分

通過上述建立的評價結(jié)構(gòu)，確定了以模型的計算結(jié)果——交叉口的危險度這一綜合指標來反映交叉口安全服務(wù)水平，危險度數(shù)值越小的交叉口，其安全服務(wù)水平越高，所對應的交叉口越安全；反之，危險度數(shù)值越大的交叉口，其安全服務(wù)水平越低，其對應的交叉口越危險。

4.1 安全服務(wù)水平的量化

為了使交叉口安全服務(wù)水平具有區(qū)分性，以及與我國城市道路設(shè)施的服務(wù)水平等級相協(xié)調(diào)，本文參考相關(guān)文獻，把交叉口安全服務(wù)水平分為4級(1～4級)，分別對應交叉口安全、一般安全、不安全、危險。通過實例數(shù)據(jù)采集，依據(jù)計算出來的危險度數(shù)值的分布情況，按照±1.5σ的偏差范圍，并考慮實際城市道路信號控制交叉口的變化性、多樣性，及以后交叉口采用接入管理技術(shù)的可能性，分別確定信號控制干線性交叉口安全服務(wù)水平建議等級標準(見表2)和信號控制集散性交叉口安全服務(wù)水平等級建議標準(見表3)。

表2 信號控制干線性交叉口安全服務(wù)水平等級標準

表3 信號控制集散性交叉口安全服務(wù)水平等級標準

4.2 實例驗證

為了更好的驗證上述安全評價模型，項目組選取了浙江省衢州市6個典型交叉口[10-14]進行了實例分析，通過調(diào)查交叉口典型交叉口高峰小時流量[15-17]表(見表4)、交通特性和交通物理特征指標情況，計算交叉口沖突點數(shù)量，代入模型，最終確定上述6個交叉口的安全服務(wù)水平見表5。

表4 衢州市典型城市道路交叉口高峰小時流量表

表5 衢州市城市道路典型交叉口安全服務(wù)水平等級

通過和相關(guān)規(guī)劃參考資料[16]比對，發(fā)現(xiàn)上述評價結(jié)果和以主觀驗證方法、安全問題診斷方法或交通沖突方法來評價交叉口安全性的結(jié)果基本上吻合，從而證明利用安全服務(wù)水平來評價交叉口的交通安全性具有良好的合理性。

5 結(jié)束語

安全服務(wù)水平是一種通過衡量各類交通設(shè)施運行狀況及其安全好壞的感受標準，利用本文所述安全評價模型，除了可以對已建成交叉口進行安全分析外，還可以將其作為對交叉口進行安全設(shè)計、安全分析和管理的基本依據(jù)，貫穿于我國交通工程建設(shè)的各個階段。

(1)用于交叉口的安全設(shè)計

利用安全服務(wù)水平，可以通過比對不同交叉口設(shè)計方案下預估的安全服務(wù)水平的高低，間接的衡量其安全效果的優(yōu)劣，從而為安全標準的制定提供一種思路和方法。

(2)用于交叉口的管理和養(yǎng)護

交叉口的安全服務(wù)水平實際是一種動態(tài)的水平，它會隨著交叉口的使用時間的推移而發(fā)生變化，在對交叉口的管理與養(yǎng)護措施進行時機分析時，安全服務(wù)水平高低也可作為衡量的依據(jù)，在進行基于安全服務(wù)水平的交叉口評價時，如果交叉口的安全服務(wù)水平等級判斷為3級，建議進行安全改善；如果交叉口的安全服務(wù)水平等級為4級，則必須進行安全改善。

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