基于故障樹分析的城市道路平面交叉口事故致因研究

劉　星，羅　佳

(重慶交通大學　交通運輸學院，重慶　400074)

浙江交通職業(yè)技術學院學報，第16卷第2期，2015年6月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.2,Jun.2015

基于故障樹分析的城市道路平面交叉口事故致因研究

劉星，羅佳

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶400074)

摘要:在城市道路交通事故中，交叉口事故長期占很大比例，為快速有效的找出交叉口事故主要致因，將系統(tǒng)安全分析法中的故障樹分析(FTA)應用到城市平面交叉口事故研究中，根據(jù)影響交叉口事故各個因素及其邏輯關系建立故障樹，并通過定性和定量分析找出交叉口事故主要致因，便于提出防控事故的有效措施，有效提高城市平面交叉口安全性。

關鍵字：平面交叉口；故障樹分析

0引言

在城市中，由于道路的縱橫交錯而形成許多交叉口，城市道路交叉口作為城市道路的重要組織部分，與道路其他地點相比更容易受到車流、人流、交通環(huán)境的影響，在城市道路發(fā)生的交通事故中，交叉口事故占很大的比例。美國交叉口及其附近的交通事故約占總交通事故的40.1 %；日本發(fā)生在交叉口的交通事故占總交通事故的33.3 %；英國大約有33%的交通事故發(fā)生在交叉口；中國城市的交通事故大約30%發(fā)生在交叉口[1]。

道路交叉口對整個城市道路的交通安全水平和通行能力有著十分重要的影響，因此分析研究導致城市道路交叉口事故的主要原因，減少事故的發(fā)生，是提高城市交通安全水平和通行能力的基礎性工作。目前有許多學者提出了不同的交叉口事故預測方法和安全評價方法。如[2]運用四項統(tǒng)計數(shù)字評價交通安全狀況，表征的交通事故情況直接且直觀，但需要大量的數(shù)據(jù)資源；基于貝葉斯網(wǎng)絡的城市平面交叉口交通事故分析[3]，可以從復雜的因果關系網(wǎng)中和大量的數(shù)據(jù)中推理出事故原因，但工作量較大，過程較復雜；基于交通沖突技術的交叉口事故多發(fā)點判別及致因分析[4]，該方法具有觀測周期短、可定量研究交通安全現(xiàn)狀等優(yōu)點，但目前交通沖突技術在應用方面存在亟待改進的地方；采用汽車碰撞理論分析與專家調(diào)查結(jié)合的方法[5]，進行各事故類型的嚴重性分析，確定不安全因素的危險指數(shù)，但沒有考慮各個條件之間的相互影響。故障樹分析方法描述事故的因果關系直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，既可定性分析，又可定量分析，因此本文將基于故障樹原理建立城市平面交叉口事故的故障樹模型，找出交叉口事故主要原因。故障樹的原理、建造方法和常用符號詳見[6]。

1故障樹基本原理

故障樹分析(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)是一種圖形演繹方法，從要分析的特定事故或故障開始(頂上事件)，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因，即故障樹的底事件，并用事件符號、邏輯門符號和連接線等符號把導致事故的各種因素之間的因果和邏輯關系表達出來，繪制成一種樹狀圖，即故障樹。通過對故障樹進行定性分析，得到故障樹的最小割集和最小徑集，再通過最小割集和最小徑集找到防止頂上事件發(fā)生的途徑和城市道路平面交叉口系統(tǒng)保證安全的可靠方案，同時把頂上事件用布爾代數(shù)表示，自上而下展開，即可得到故障樹的布爾代數(shù)表達式，確定頂上事件的發(fā)生概率和各基本事件的概率重要度，進而提出防控事故的有效措施。

2編制平面交叉口事故的故障樹

道路交叉口事故包括側(cè)面相撞、正面相撞、尾隨相撞、刮撞行人、同向刮擦、對向刮擦、撞固定物等多種。事故發(fā)生的原因有很多種，往往都會涉及到“人-車-路-交通環(huán)境”四個方面。其中交通參與者包括駕駛?cè)?、行人、乘客及居民，駕駛?cè)司哂刑貏e重要的作用，因為除了行人和自行車交通以外。

其他客、貨運輸都要由駕駛?cè)送瓿桑瑫r，行人和自行車交通受到機動車交通的影響，因此，絕大多數(shù)交通事故直接或間接地與駕駛?cè)擞嘘P。車輛是交通參與者的主要工具，因此在城市平面交叉口交通事故中，車輛是關鍵因素之一。道路是交通的基礎、支撐物，必須符合其服務對象的交通特性，道路性能的好壞直接影響到交叉口交通安全水平。交通環(huán)境指不僅包括道路環(huán)境，還包括車流組成，對于交通參與者有著直接的影響。因此作者將城市平面交叉口事故確定為頂事件，從“人-車-路-交通環(huán)境”四個方面與交叉口事故相互關系入手，運用演繹推理的分析方法，逐層構(gòu)造城市平面交叉口事故各因素之間的邏輯關系，建立平面交叉口事故的故障樹，如圖1所示。

圖1　城市道路平面交叉口事故的故障樹

3故障樹的定性和定量分析

3.1　定性分析

求最小割集的方法很多，如：下行法、結(jié)構(gòu)法、質(zhì)數(shù)代入法、布爾代數(shù)化簡法等，鑒于故障樹中中間事件、基本事件較多，本文用布爾代數(shù)化簡法求最小割集，得到如下故障樹的布爾代數(shù)式:

T=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7=(M8+M11+M12)+M11+(M9+M11+X17X18)+(M11+M12)=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17X18

運用布爾代數(shù)方法，該結(jié)構(gòu)式已不能化簡，于是得到故障樹的最小割集為：{X1}，{X2}，{X3}，{ X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17，X18}。

經(jīng)過化簡求得最小割集后，根據(jù)化簡后的故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)，重新繪制故障樹得到最小割集表達的等效樹。根據(jù)圖1的故障樹化簡后的結(jié)構(gòu)函數(shù)繪制的等效樹如圖2。

圖2　故障樹最小割集表示的等效樹

由此可見，導致平面交叉口事故發(fā)生的直接原因為：交叉口位置不合理；交叉口視距不充分；通視三角區(qū)內(nèi)有障礙物；信號燈位置不合理；信號燈可見性不好；超速行駛；不按規(guī)定會車超車；未按規(guī)定讓行；前后安全距離不足；不按規(guī)定車道行駛或逆向行駛；橫向安全距離不足；駕駛員操作不當；道路擁堵；路面過滑；混行情況嚴重；剎車制動失靈；車輛制動距離不足情況下行人闖紅燈。

3.2　定量分析

故障樹的定量分析首先是確定基本事件的發(fā)生概率，然后求出頂上事件即平面交叉口事故的發(fā)生概率，并且對基本事件的概率重要度系數(shù)進行分析，反映出各個基本事件發(fā)生概率的變化對頂上事件發(fā)生概率的影響程度，便于提出防控事故的有效措施。

3.2.1頂上事件發(fā)生概率分析

本文從前人研究成果[2-5]及報告中分析獲得基本事件的發(fā)生概率，鑒于各基本事件發(fā)生概率存在一定波動范圍，數(shù)據(jù)存在相對誤差，用加權(quán)系數(shù)法加以修正得到的基本事件發(fā)生概率如下：

P(X1)=0.3074，P(X2)=0.2732，

P(X3)=0.1023，P(X4)=0.268，

P(X5)=0.0147，P(X6)=0.1826，

P(X7)=0.2658，P(X8)=0.3416，

P(X9)=0.0013，P(X10)=0.0373，

P(X11)=0.1437，P(X12)=0.0208，

P(X13)=0.2015，P(X14)=0.0192，

P(X15)=0.3028，P(X16)=0.7034，

P(X17)=0.6207，P(X18)=0.0358，

用以上基本事件概率求出頂上事件的發(fā)生概率，用q1，q2，…，qn，(n=1，2，．．．，18)表示上述18個基本事件的概率，整個事故樹只有與門和或門2類邏輯門，有與門相連接事件概率積函數(shù)為

g(q)==q1q2…qn

(1)

與門相連接事件概率和函數(shù)為:

g(q)=qi=1-(1-qi)

(2)

城市平面交叉口事故發(fā)生的概率函數(shù)為：

P(t)=1-(1-q17q18)1-qi

(3)

計算得到P(t)=0.9778，由此可見城市道路平面交叉口事故發(fā)生的概率非常大。

3.2.2基本事件概率重要度分析

考慮基本事件發(fā)生概率的變化對頂上事件發(fā)生概率的變化，則通過概率重要度予以計算。概率重要度的定義式為：

Ig(i)=

(4)

式中p(t)為頂上事件發(fā)生的概率q(i)為第i個基本事件發(fā)生的概率；Ig(i)為第i個基本事件的概率重要度。經(jīng)計算得到各基本事件概率重要度如下：

Ig(1)=0.0319,Ig(2)=0.0301,Ig(3)=0.0243,

Ig(4)=0.0225,Ig(5)=0.0319,Ig(6)=0.0221,

Ig(7)=0.0297,Ig(8)=0.0331,Ig(9)=0.0218,

Ig(10)=0.0227,Ig(11)=0.0225,Ig(12)=0.0223,

Ig(13)=0.0273,Ig(14)=0.0223,Ig(15)=0.0218,

Ig(16)=0.0736,Ig(17)=0.0080,Ig(18)=0.1387,

由以上分析得知，在故障樹中的18個基本事件中，X16(道路擁堵)、X8(未按規(guī)定讓行)、X1(交叉口位置不合理)、X5(信號燈可見性不好)、X2(交叉口視距不充分)、X7(未按規(guī)定會車超車)對城市平面交叉口事故的概率重要度最大，也就是說降低這幾個基本事件的概率能迅速有效地降低交叉口事故的發(fā)生概率，因此防控交叉口事故的主要措施為：①提高交叉口通行能力，緩解交叉口道路擁堵，②加強交通整治與管理，強制要求駕駛員按規(guī)定讓行和會車超車，③對位置不合理的交叉口重新設計，④提高信號燈可見性，⑤針對不同情況采取相應措施提高交叉口視距。

4結(jié)語

本文基于故障樹原理建立城市道路平面交叉口事故致因分析模型，并以18個常見且易引起交叉口事故的因素為故障樹的基本事件，通過對前人研究成果與報告分析確定基本事件的發(fā)生概率，對城市平面交叉口事故故障樹模型進行定性和定量分析，最終找出6個導致交叉事故的顯著致因并提出相應防控措施，對改善城市道路平面交叉口交通安全水平有積極的指導意義。但是基本事件存在一定的相對誤差，模型的精準性和實用性還需進一步優(yōu)化。

參考文獻：

[1]潘福會，陸鍵，項喬君，等，公路信號平面交叉口安全服務水平研究[J]．東南大學學報:自然科學版，2008，38(2)：298-303.

[2]孫立強，高惠瑛．城市道路平面交叉口交通事故分析[J]．中國水運，2007,7(2)：103-105．

[3]趙金寶,鄧衛(wèi),王建．基于貝葉斯網(wǎng)絡的城市平面交叉口交通事故分析[J]．交通信息與安全，2012，30(2)：88-91.

[4]鄧蕙菁,王雪松,謝琨．基于交通沖突技術的交叉口事故多發(fā)點判別及致因分析[J]．武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2012,36(2):370-373.

[5]吳尋，陸鍵，項喬君，等．平面交叉口交通控制與管理不安全因素分析[J]．中國市政工程，2007，(1)：8-10.

[6]胡毅亭,陳網(wǎng)樺,衛(wèi)延安.安全系統(tǒng)工程[M]．南京：南京大學出版社，2009.

Fault Tree Analysis for City Road Intersection Accidents

LIU Xing, LUO Jia

(School of Traffic & Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Abstract:Among city road traffic accidents,intersection accidents account for a large proportion of long term, effective and find out the main cause of the accident intersection, the fault tree analysis method of system safety analysis(FTA)applied to the city intersection accident research,establish the fault tree according to the influence factors of accident intersection and logical relati on the intersection, and find out the main cause of accidents throu-gh qualitative and quantitative analysis, to put forward effective measures to prevention and control of accidents,improve the safety of city intersection.

Key words：plane intersection;fault tree analysis

文章編號：1671-234X(2015)02-0001-04

中圖分類號:U412.35-

文獻標識碼：A-doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.02.001

作者簡介：劉星(1990-)，男，江西撫州人，碩士研究生，E-mail：starliu1990@163.com。

收稿日期：2015-04-27