高速公路出入口匝道安全性評(píng)價(jià)方法研究

曹　實(shí)，熊　剛

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京　210098；2.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，烏魯木齊　830016）

高速公路出入口匝道安全性評(píng)價(jià)方法研究

曹實(shí)1，熊剛2

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京210098；2.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，烏魯木齊830016）

為了解決出入口匝道安全性問(wèn)題，減少高速公路出入口匝道事故率，從道路因素、車輛因素及其他因素選取評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)高速公路出入口匝道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用層次分析法計(jì)算各因素的權(quán)重。應(yīng)用該評(píng)價(jià)模型對(duì)仁赤高速公路K15+225 m出口匝道進(jìn)行詳細(xì)的安全評(píng)價(jià)，并針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果給出相應(yīng)的安全改善措施。另外，應(yīng)用該模型還對(duì)仁赤高速公路全線12個(gè)出入口匝道的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：58%以上的出入口匝道處于臨界安全狀態(tài)。

高速公路出入口匝道；層次分析法；模糊綜合評(píng)價(jià)；安全改善措施

截止2013年12月底，我國(guó)高速公路通車?yán)锍桃淹黄?0萬(wàn)km，超越美國(guó)的9.2萬(wàn)km，居世界第一。隨著通車?yán)锍滩粩嘣鲩L(zhǎng)，高速公路在道路運(yùn)輸領(lǐng)域中的地位越來(lái)越不可替代。而高速公路出入口匝道是車輛合流、分流的特殊路段，其承擔(dān)著高速公路與其他各等級(jí)公路連接的任務(wù)，存在車輛加速、減速等復(fù)雜的駕駛行為，容易造成駕駛員心理緊張、操作失誤，引發(fā)交通事故。通常，高速公路出入口匝道屬于事故多發(fā)路段，事故率是普通路段的4～5倍，安全問(wèn)題比較突出［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速公路出入口匝道安全性進(jìn)行了大量研究。1998年，M Aldrin對(duì)加速車道的合流特性進(jìn)行了研究，并提出了延誤理論，以延誤時(shí)間為安全評(píng)價(jià)指標(biāo)［2］。2000年，Yasser Hassan和S.M.Easa利用計(jì)算機(jī)仿真研究了匝道線性對(duì)駕駛員與匝道安全的影響［3］。2002年，Huajing Shi通過(guò)分析入口匝道匯入延誤特性，以匯入車輛延誤作為指標(biāo)，建立了安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的模型［4］。2003年，李嘉等從行車安全性角度出發(fā)，對(duì)事故多發(fā)的高速公路出入口匝道和加減速車道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了安全性分析［5］。2005年，毛子珍在分析出入口匝道交通運(yùn)行特征的基礎(chǔ)上，提出了匝道擁堵后的改善對(duì)策［6］。2011年，閻瑩等在分析了出入口區(qū)域交通特征基礎(chǔ)上，提出了以制動(dòng)減速度和不安全密度指數(shù)作為出入口安全評(píng)價(jià)的指標(biāo)，并建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型［7］。2013年，Zheng Z和AHN研究了高速公路與出入口匝道連接處的合流特性，并構(gòu)建了高速公路事故與匝道交通量的函數(shù)及預(yù)測(cè)模型［8］。

為了提高出入口匝道的安全服務(wù)水平，使高速公路更好地服務(wù)于社會(huì)，迫切需要對(duì)高速公路出入口匝道的安全性問(wèn)題進(jìn)行研究。本文針對(duì)高速公路出入口匝道，從設(shè)計(jì)、道路、車輛等因素選取評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)出入口匝道進(jìn)行安全性分析，并應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)高速公路出入口匝道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果劃分不同的安全分級(jí)，并給出相應(yīng)的安全改善措施。

1　高速公路出入口匝道安全現(xiàn)狀

高速公路出入口匝道是供車輛駛出或駛?cè)敫咚俟分骶€的路段，其具有利用匝道端部及匝道圓曲線來(lái)控制半徑之間車輛運(yùn)行速度的過(guò)渡功能。研究表明［9］，高速公路交通事故中，很大一部分發(fā)生在出入口匝道及其附近，而由于缺乏對(duì)高速公路出入口匝道安全性的研究，致使近年來(lái)出入口匝道事故率逐年增長(zhǎng)，嚴(yán)重影響高速公路的服務(wù)水平和安全狀況，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面［10］：

1）出入口匝道交通流導(dǎo)入方式不盡合理。

由于高速公路加速和減速車道劃分不夠明顯，導(dǎo)致出入口匝道流出點(diǎn)不明確，駕駛員不能夠提前辨識(shí)出入口匝道而出現(xiàn)心理緊張，導(dǎo)致操作失誤，引發(fā)交通事故。

2）出入口匝道設(shè)計(jì)選位比較模糊。

合理的高速公路出入口匝道選位能夠提高出入口匝道的通行能力和交通安全，節(jié)省行駛時(shí)間。而目前出入口匝道的設(shè)計(jì)選位存在不重視相關(guān)路網(wǎng)規(guī)劃的調(diào)查、對(duì)出入口交通流量缺乏調(diào)查以及未結(jié)合城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃來(lái)考慮等問(wèn)題，導(dǎo)致選址不合理，致使出入口匝道附近經(jīng)常發(fā)生交通沖突，從而影響高速公路主線交通。

3）出入口匝道間距過(guò)小或渠化不明確。

我國(guó)高速公路設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于對(duì)出入口匝道間距的合理設(shè)置缺乏研究，因此經(jīng)常出現(xiàn)相鄰2個(gè)或多個(gè)出入口匝道間距過(guò)小，導(dǎo)致駕駛員在選擇出入口匝道時(shí)猶豫不決，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷的現(xiàn)象。有些駕駛員由于精力過(guò)度集中于出入口匝道而忽略了左后側(cè)車輛，導(dǎo)致事故發(fā)生。加之高速公路出入口匝道渠化不夠明確，出入口匝道經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)車輛搶道的現(xiàn)象，從而更增大了事故發(fā)生的可能性。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，高速公路出入口匝道安全狀況較差，屬于事故易發(fā)路段。因此，本文將選取對(duì)高速公路出入口匝道安全影響最大的因素，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，并給出相應(yīng)的改善措施。

2　評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)高速公路匝道出入口進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，選取高速公路出入口匝道安全影響因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型。

雖然道路因素在交通事故原因中不及人的因素占的比例大，但人的因素較難控制和把握，而道路因素在一定程度上是引起駕駛員失誤的誘因，因此，道路因素是交通事故發(fā)生的深層次原因［11］。本文從道路因素、車輛因素及其他因素3方面選取指標(biāo)對(duì)高速公路出入口匝道安全進(jìn)行分析。道路因素包括平面因素、縱斷面因素以及橫斷面因素；車輛因素包括交通量因素、交通組成因素以及運(yùn)行車速因素；其他因素包括視距以及匝道端部設(shè)計(jì)因素，見(jiàn)表1。

3　高速公路出入口匝道安全性評(píng)價(jià)

3.1評(píng)價(jià)因素集和評(píng)價(jià)等級(jí)建立

3.1.1評(píng)價(jià)因素集建立

本文將影響高速公路出入口匝道的安全性評(píng)價(jià)因素分為3級(jí)。

第1級(jí)因素：

第2級(jí)因素：

第3級(jí)因素：

式中各字符含義如表1所述，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

3.1.2評(píng)價(jià)等級(jí)確定

評(píng)價(jià)等級(jí)為刻畫(huà)各評(píng)價(jià)因素所處狀態(tài)的決斷，本文將高速公路出入口匝道綜合評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為4個(gè)等級(jí)［12］：

3.2隸屬度矩陣及指標(biāo)權(quán)重確定

表1　高速公路出入口匝道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1　評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2.1隸屬度矩陣確定

評(píng)價(jià)矩陣R表示評(píng)價(jià)對(duì)象U到V的模糊關(guān)系，根據(jù)構(gòu)造的3級(jí)評(píng)價(jià)因素集來(lái)分級(jí)構(gòu)造單因素的評(píng)價(jià)矩陣。以第3級(jí)因素平面因素為例構(gòu)造成單因素評(píng)判矩陣表示第3級(jí)因素平面因素的圓曲線半徑、超高和曲線轉(zhuǎn)角3個(gè)因素相對(duì)于4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的模糊關(guān)系，如式（1）所示。

同理，可得第3級(jí)隸屬度矩陣R12、R13，第2級(jí)隸屬度矩陣R1、R2和R3。以R1為例，對(duì)第2級(jí)隸屬度矩陣進(jìn)行分析，R1表示第2級(jí)因素平面、縱斷面和橫斷面因素相對(duì)于4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬關(guān)系；第1級(jí)隸屬度矩陣R表示道路因素、車輛因素及其他因素3個(gè)第1級(jí)因素相對(duì)于4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬關(guān)系。

第2級(jí)因素集的隸屬度矩陣R1如式（2）所示。

第1級(jí)因素集的隸屬度矩陣R如式（3）所示。

3.2.2指標(biāo)權(quán)重確定

評(píng)價(jià)因素的權(quán)重反映各個(gè)因素在評(píng)價(jià)過(guò)程中的重要程度，其直接影響到綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果。本文采用層次分析法（AHP）確定各個(gè)因素的權(quán)重。

邀請(qǐng)專家甲、乙、丙、丁對(duì)目標(biāo)層的1級(jí)影響因素構(gòu)建判斷矩陣，求平均值的判斷矩陣，見(jiàn)表2。

表2　第1級(jí)因素評(píng)判矩陣

為檢驗(yàn)第1級(jí)因素權(quán)重的合理性，須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。利用求得矩陣最大特征值計(jì)算一致性指標(biāo)C.I和一致性比例C.R，對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其中：

由于一致性比例C.R小于0.1，故判斷一致性可以接受。

同理，對(duì)第2級(jí)、第3級(jí)評(píng)價(jià)因素權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3　第2級(jí)指標(biāo)因素權(quán)重

表4　第3級(jí)指標(biāo)因素權(quán)重

3.3出入口匝道安全性評(píng)價(jià)

由各級(jí)因素的權(quán)重值W和評(píng)價(jià)向量R可計(jì)算得綜合隸屬度向量B，然后利用最大隸屬度法即可得到對(duì)應(yīng)的高速公路出入口匝道安全等級(jí)，其中隸屬度向量B為：

評(píng)價(jià)結(jié)果向量B為包含4個(gè)元素的行向量，這4個(gè)元素與評(píng)價(jià)等級(jí)的4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)一一對(duì)應(yīng)。

模糊綜合評(píng)價(jià)中，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的解釋有2個(gè)基本方式［13］。一個(gè)是最大隸屬度原則，即選取bj（j= 1，2，3，4）最大值所對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)向量V中的vj（j= 1，2，3，4）作為評(píng)價(jià)結(jié)果；另一個(gè)是模糊分布原則，即用bj（j=1，2，3，4）直接作為評(píng)價(jià)結(jié)果，各個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果具體反映評(píng)價(jià)對(duì)象在4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)占的比例。本文采用最大隸屬度原則對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行解釋。

4　實(shí)例分析

利用得到的高速公路出入口匝道安全性評(píng)價(jià)模型對(duì)貴州省任赤高速公路出入口匝道安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先對(duì)位于K15+225 m處的一個(gè)典型出口匝道進(jìn)行詳細(xì)的安全評(píng)價(jià)，然后對(duì)仁赤高速公路全線12個(gè)出入口匝道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，以得到全線出入口匝道的安全狀況。

4.1工程概況

貴州省仁赤高速公路全線長(zhǎng)163.476 km，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。公路路線所經(jīng)過(guò)地區(qū)為典型山區(qū)地貌，并毗鄰大江大河，地形起伏大。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該高速公路沿線共有出入口匝道12處，其中視距不良的出入口匝道6處，曲線轉(zhuǎn)角過(guò)小的3處，路緣帶寬度過(guò)窄的8處。

4.2典型出入口匝道評(píng)價(jià)

仁赤高速公路K15+225 m出口匝道如圖2所示。運(yùn)用本文提出的安全評(píng)價(jià)模型對(duì)該出口匝道進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，確定其安全等級(jí)，并提出相應(yīng)的安全改善對(duì)策。

圖2　仁赤高速公路K15+274 m出口匝道

根據(jù)構(gòu)建的影響高速公路出入口匝道安全的3級(jí)指標(biāo)U，相對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)V，構(gòu)建該出口匝道的模糊綜合評(píng)判矩陣，見(jiàn)表5。

表5　仁赤高速公路K15+225 m出口匝道的綜合評(píng)判矩陣

4.2.1第3級(jí)因素綜合評(píng)判

第3級(jí)因素綜合評(píng)判，即對(duì)圓曲線半徑超高曲線轉(zhuǎn)角進(jìn)行評(píng)價(jià)，由表5中對(duì)圓曲線半徑、超高以及曲線轉(zhuǎn)角的綜合評(píng)判，可得對(duì)的模糊評(píng)判構(gòu)成的單因素評(píng)判矩陣R11，由3.3節(jié)得到相應(yīng)的權(quán)重

根據(jù)式（4）計(jì)算得

同理可得

4.2.2第2級(jí)因素綜合評(píng)判

根據(jù)公式（4）計(jì)算得

同理可得

4.2.3安全性評(píng)價(jià)

利用最大隸屬度原則，并對(duì)應(yīng)于安全評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分，其中臨界安全對(duì)應(yīng)的評(píng)判結(jié)果為0.967 1，在4個(gè)評(píng)判結(jié)果中比重最大，因此該出口匝道處于臨界安全狀態(tài)，須進(jìn)行改善。下面針對(duì)其存在的問(wèn)題給出相應(yīng)的安全改善對(duì)策。

針對(duì)圖2中的出口匝道，表5中偏向不安全的影響因素有路緣帶寬度、運(yùn)行車速及視距，因此可以考慮如下安全改善措施。

1）加大路緣帶寬度。圖2中出口匝道路緣帶寬度過(guò)窄且寬度不連續(xù)，不能起到誘導(dǎo)駕駛員視線的作用，因此加寬路緣帶寬度并保持寬度一致，則可減少駕駛員由于車道減少變窄帶來(lái)的緊張感。

2）控制匝道運(yùn)行車速。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，圖2中出口匝道行駛車輛存在明顯的速度差，故可以通過(guò)設(shè)置限速標(biāo)志、橫向減速標(biāo)線、攝像頭等設(shè)施來(lái)控制匝道車輛運(yùn)行車速，降低車輛間的速度差。

3）可在出口彎道外側(cè)設(shè)置凸面反光鏡，清除出口匝道區(qū)域的樹(shù)木及障礙物以保證視距，使駕駛員能夠提早準(zhǔn)確地獲取交通信息，作出正確的反應(yīng)。

4.3出入口匝道評(píng)價(jià)

根據(jù)本文建立的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，本文對(duì)貴州省仁赤高速公路全線的出入口匝道進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，并根據(jù)安全等級(jí)劃分得到各出入口匝道的安全狀況，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　貴州省仁赤高速公路出入口匝道安全狀況

5　結(jié)束語(yǔ)

本文從分析影響高速公路出入口匝道安全因素入手，構(gòu)建了3級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于模糊綜合評(píng)價(jià)方法，建立了高速公路出入口匝道安全性評(píng)價(jià)模型。另外，利用本文建立的評(píng)價(jià)模型對(duì)貴州省仁赤高速公路出入口匝道進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)，并針對(duì)K15+225 m的出口匝道進(jìn)行了詳細(xì)安全評(píng)價(jià)，且根據(jù)評(píng)判結(jié)果給出了相應(yīng)的安全改善措施。

［1］張騰飛.基于沖突能量法的高速公路出入口匝道安全性分析［D］.大連：大連交通大學(xué)，2011.

［2］ALDRIN M.Traffic volume estimation from short-period traffic counts［J］.Traffic Engineering&Control，1998，39 （12）：656-660.

［3］HASSAN Y，EASA S M.Modeling of Required Preview Sight Distance［J］.Journal of Transportation Engineering -ASCE，2000，126（1）：13-20.

［4］ HUAJING SHI，ATHANASIS ZILIASKOPOULOS.Traffic flow control using variable speed limits［J］.Traffic and Transportation Studies，2002，20（2）：658-665.

［5］李嘉，方霞.高速公路出入口設(shè)計(jì)與安全性研究［J］.中南公路工程，2003，28（2）：31-34.

［6］毛子珍.城市道路立交橋匝道交通分析及其應(yīng)用［J］.公路工程，2005，30（4）：214-216.

［7］閻瑩，盛彥婷，袁華智，等.高速公路出入口區(qū)域行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及車速控制［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011，11（2）：90-96.

［8］ZHENG Z，AHN S，CHEN D，et al.The effects of lanechangingontheimmediatefollower： Anticipation，relaxation，and change in driver characteristics［J］. Transportation Research Part C：Emerging Technologies，2013，26（1）：367-379.

［9］郭忠印，蘇東蘭，盧輝，等.基于運(yùn)行速度的高速公路隧道出入口安全設(shè)計(jì)［J］.公路工程，2013，38（5）：146-150.

［10］宋成舉.高速公路出入口匝道行車安全性分析和評(píng)價(jià)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［11］趙鑫.高速公路出入口危險(xiǎn)行車事件監(jiān)控與預(yù)警研究［J］.交通信息與安全，2013（13）：21-23.

［12］張騰飛，左忠義.高速公路出入口匝道交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)研究［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010（21）：99-100.

［13］王科，李杰，張明武.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速公路出入口OD矩陣估計(jì)方法研究［J］.交通信息與安全，2007，25（4）：35-37.

Research on Safety Evaluation for Access Ramp of Express Ways

CAO Shi1，XIONG Gang2

In order to settle the access ramp safety issues，reduce accident rate at access ramp of express ways，we set up fuzzy comprehensive evaluation model based on evaluation indices selected from road factors，vehicle factors and miscellaneous，so to evaluate the safety of access ramp of express ways，weight of each factor shall be calculated by analysis hierarchy process.With this evaluation model，we paid detailed safety evaluation to exit ramp at K15+225m of Renhuai-Chishui Express Way，relevant safety improving measures were given based on the evaluation result.Besides，this model was also used to evaluate all 12 access ramps on Renhuai-Chishui Express Way，results showed：over 58%access ramps are in critical safety status.

Access ramps of express way；analysis hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation；safety improving measures

1009-6477（2016）04-0128-06

U412.36+6

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.029

貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2013-122-028）

2016-01-20

曹實(shí)（1990-），男，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市人，碩士研究生。