基于交通安全度的無信號控制交叉口交通安全評價方法

余培恒

（中國人民公安大學 交通管理學院，北京 100038）

引言

作為道路網(wǎng)絡節(jié)點，交叉口范圍內(nèi)各流向車輛之間交通沖突頻繁，機非混行、違法行駛等現(xiàn)象較為普遍。現(xiàn)有調(diào)研結果表明，交叉口處交通事故約占事故總量的一半，而無信號控制交叉口的交通沖突、交通混行以及交通事故狀況最嚴重，其安全設計要求也最高。因此，對無信號控制交叉口交通安全狀況進行客觀評價至關重要，是交通管理部門進行針對性措施的基礎和依據(jù)。

國內(nèi)外學者在交叉口交通安全評價方面做了大量研究。針對十字形無信號控制平面交叉口處的交通事故起數(shù)提出預測方法，該方法將四個進口方向的交通流量進行計算處理，將得到的計算值作為事故起數(shù)預測值[2]。以主要道路與次要道路進口的交通量為參數(shù)建立數(shù)學模型對交叉口一定范圍內(nèi)的交通事故起數(shù)進行預測計算[3]。巴布可夫[4]對各方向車流量、車流交角、轉彎半徑等因素進行分析，提出了對交叉口交通流交錯點處的交通事故起數(shù)進行預測的交叉口危險度評價模型。張春平和景天然[5]對上海部分地區(qū)的交叉口交通事故歷史數(shù)據(jù)進行分析，提出了根據(jù)交叉口的交通飽和度、車輛組成、交叉口間距、交叉口形狀等相關因素確定交叉口事故率綜合影響系數(shù)的方法對，交叉口交通安全水平進行評價。李凱[6]針對道路交叉口車輛追尾建立預測模型，并發(fā)現(xiàn)車輛行駛的間距、車輛制動效果及速度差對追尾事故發(fā)生概率的影響尤為顯著。

目前，交叉口交通安全評價方法主要是對交通事故所涉及的來自人、車輛、道路環(huán)境等方面的風險因素進行分析，根據(jù)交通事故的特征規(guī)律描述這些風險因素對交叉口的安全影響，進而對交叉口交通安全進行評價。這些評價方法對事故樣本的數(shù)量要求巨大，評價周期長，在實際應用中這些方法還會受到事故統(tǒng)計體系不完善和錄入失誤的影響[7]，局限性明顯。

1 無信號控制交叉口交通安全風險影響因素分析

1.1 交通沖突與交通事故的相關性

依據(jù)交通沖突與交通事故的定義可知，二者的成因與前期過程完全一致，唯一的區(qū)別在于是否發(fā)生了損害結果。張?zhí)K［8］假設并證明了交通沖突與交通事故二者發(fā)生概率的差異存在規(guī)律性特征，即二者各項代表性參數(shù)存在強相關關系。

以所選取各市區(qū)交叉口的交通沖突與事故數(shù)據(jù)對二者相關性做進一步闡釋，表1 是利用所選交叉口在一定時段內(nèi)的年均交通事故數(shù)量與時均交通沖突量進行相關性檢驗的結果。

表1 6 個市區(qū)54 個交叉口的事故數(shù)與沖突數(shù)相關統(tǒng)計

交叉口交通事故與沖突相關性檢驗的結果表明，交通事故與沖突的發(fā)生數(shù)呈強相關關系，R 值＞0.9；取a=99%置信水平，P 值＜0.01。由此可知，交通沖突與交通事故的相關性較強。

1.2 無信號控制交叉口交通安全風險影響因素與交通沖突的關系

交通沖突指交通過程中的駕駛人與其他駕駛人發(fā)生會車、超車、追尾等交通遭遇時，有可能引起損害后果發(fā)生的交通現(xiàn)象，也可表述為一方駕駛人在感知到事故危險后采取有效避險行為的交通事件。由定義可知，交通沖突由駕駛人的駕駛行為造成，而交叉口的交通流特性直接對駕駛行為造成影響。從交通流與交通沖突的關系入手，選取與交通流運行相關的無信號控制交叉口交通安全風險影響因素，分析這些風險影響因素與交通沖突的關系。

選取觀測小時的時均沖突數(shù)與時均混合當量交通量的比值（TC/VPH）作為交通沖突率，以反映風險因素對交叉口沖突的影響程度。對交通流特性與交通沖突的關系進行闡述[9]。

1.2.1 交叉口總流量與交通沖突

在無信號控制交叉口總流量在不高于1 600 veh范圍內(nèi)，交通沖突率隨總流量的增加而增加；當交叉口總流量高于1 600 veh 時，沖突率的變化區(qū)域平穩(wěn)且有下降趨勢。

1.2.2 相交道路流量比與交通沖突

交叉口總流量確定時，相交道路的流量分布差異也會對交通沖突率產(chǎn)生影響。相交道路其中一條的流量占無信號控制交叉口總流量比例小于40%時，該條道路流量占比上升會導致交叉口沖突率大幅升高；而占比在40%～60%的范圍內(nèi)，則沖突率的上升速度相對平緩。

1.2.3 小型車比例與交通沖突

交通組成是交通流運行的重要特征。在缺乏管控措施的無信號控制交叉口，不同類型的車輛在行駛速度、轉向、變速等方面存在的差異會對交通沖突率產(chǎn)生較大影響。將車型分為小型車與大型車，無信號控制交叉口的交通沖突率在小型車比例上升至0.7 之前呈上升趨勢，超過0.7 之后交叉口沖突率隨小型車比例的上升而快速下降。

1.2.4 左轉車比例與交通沖突

左轉車輛是交叉口組織管理的重點和難點，無信號控制交叉口的左轉車輛與交叉口各個進口道車輛均存在交通沖突，且左轉車輛在交叉口內(nèi)停留的時間較長，進一步提升了沖突發(fā)生的可能性。左轉車比例在達到0.15～0.25 時對無信號控制交叉口的影響最大。

2 基于交通安全度的安全評價過程

2.1 基于交通安全度的交通安全評價原理

交通安全度是一個“數(shù)”，是通過分析評價對象的交通安全風險影響因素、構建評價對象的評價指標以及確定指標權重等分析、統(tǒng)計、計算過程得出的。根據(jù)交通安全度數(shù)值所在的區(qū)間，確定交叉口所處的交通安全等級，進而可根據(jù)交通安全等級，采取有針對性的交通安全防范措施，來提高交叉口的交通安全水平，服務于道路交通安全管理工作。提出基于交通安全度的無信號控制交叉口交通安全評價方法的原理思路，交通安全度的計算是本方法的重點，結合實測數(shù)據(jù)，對交通安全度的計算過程進行闡述。

2.2 交通安全評價指標的確定

定義與各個交通安全風險因素對應的評價指標，基于實測數(shù)據(jù)，采用曲線擬合的方法，得到各個評價指標的量化表達式，從而各個交通安全風險因素的動態(tài)變化將反映在相應的評價指標上，也使評價指標更能體現(xiàn)風險因素對交通安全的影響。

2.2.1 交通安全評價指標與風險影響因素的定量關系

（1）與交叉口總流量對應的評價指標及其定量

當交叉口總流量上升至1 600 veh 時，交通沖突率由持續(xù)上升轉變?yōu)橄陆第厔?。故引入與交叉口總流量對應的評價指標R1，設交叉口總流量為P1，則R1取值：

將與交叉口沖突率進行二次拋物線擬合，得到R1關于P1的回歸方程：

（2）與相交道路流量比對應的評價指標及其定量

相交道路其中一條的流量占比在40%～60%的范圍內(nèi)時沖突率的上升速度相對平緩，流量占比在55%左右時沖突率的變化最大。故引入相交道路流量比對應的評價指標R2，設道路流量比為P2，則取值：

將P2與交叉口沖突率進行二次拋物線擬合，得到R2關于P2的回歸方程：

（3）與小型車比例對應的評價指標

交叉口交通沖突率的變化趨勢在小型車比例到達0.7 前后由上升轉變?yōu)橄陆?。引入小型車比例對應的評價指標R3，設小型車比例為P3，則R3取值：

將與交叉口沖突率進行二次拋物線擬合，得到R3關于P3的回歸方程：

（4）與左轉車比例對應的評價指標

引入左轉車比例對應的評價指標R4，設左轉車比例為P4，則取值：

將P4與交叉口沖突率進行二次拋物線擬合，得到R4關于P4的回歸方程：

2.2.2 交通安全評價指標權重分析

當評價指標一定時，指標權重對評價結果有很大影響。為使指標權重更加合理，采用層次分析法與熵權法相結合的綜合方法確定評價指標的權重。

層次分析法根據(jù)問題的性質(zhì)與總目標，將問題分解為不同因素，并將這些因素按不同層次聚集組合，從而使問題歸結為最低層相對于最高層優(yōu)劣次序的排定。熵權法根據(jù)指標值變化波動的程度確定客觀權重，某個指標變化程度越大往往該指標所提供的信息量也越多，其權重也就越大。層次分析法依賴專家的主觀打分，而熵權法取決于數(shù)值的客觀變化情況，兩者相結合既能避免所得權重過于主觀又能避免一味地注重指標數(shù)據(jù)而對評價總目標的忽略。

（1）熵權法確定權重

經(jīng)實地調(diào)研，采集實際交叉口的相關指標數(shù)據(jù)，并使用熵值法判斷上述評價指標的指標權重。交叉口是G112 國道與S356 省道位于河北省遵化市的無信號控制十字形交叉口，交叉口內(nèi)無物理渠化，交通標志設置不全且部分標志設置位置不恰當，交通標線存在褪色、磨損現(xiàn)象，路面狀況較為良好。調(diào)取該交叉口兩個工作日全天8 h 的監(jiān)控錄像，調(diào)取時段分別為7 ∶00—11 ∶00、14 ∶00—18 ∶00。根據(jù)調(diào)查監(jiān)控內(nèi)容整理出所需數(shù)據(jù)見表2。

表2 G112/S356 交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)

①數(shù)據(jù)標準化

假定給了m項指標X1，X2，…，Xm，其中Xi={X1，X2，…，Xn}.假設對各指標標準化后的值為Y1，Y2，…，Ym。

若指標為正向指標（指標值越大越好），則Yij：

若指標為負向指標（指標值越小越好），則Yij：

所研究的評價指標均為負向指標，經(jīng)計算得到各指標的標準值，結果見表3。

表3 評價指標標準值

② 各指標在各進口道下的比值

計算各項指標在各進口道中占該指標的比值。計算結果見表4。

表4 各指標比值

③各指標的信息熵及權重

根據(jù)信息論中對信息熵的定義，令第j 項指標在第i 個方案中占該指標的比重為Pij，則一組數(shù)據(jù)的信息熵Ej：

通過信息熵計算得到各指標的權重Wj：

式中：n—進口道個數(shù)；Ej≥0，若Pij=0，Ej=0。

各指標熵值及指標權重見表5。

表5 各指標熵值及權重

（2）層次分析法（AHP）確定權重

①根據(jù)專家打分法構造評價指標判斷矩陣

評價指標重要性判斷矩陣見表6。

表6 評價指標重要性判斷矩陣

② 對構造結果進行一致性檢驗

一致性指標CI：

式中：λmax—判斷矩陣的最大特征值；n—判斷矩陣的階數(shù)。

查找其對應平均隨機一致性指標RI，見表7。

表7 RI 數(shù)值

計算一致性比例CR：

若CR ＜0.1，則認為判斷矩陣的不一致程度在可接受的范圍之內(nèi)，即一致性合格通過檢驗。

將結果代入MATLAB 計算程序得到CI 的對應數(shù)為0.046 3，CR 的對應數(shù)值為0.051 4（＜0.1），符合一致性檢驗；AHP 權重見表8。

表8 AHP 權重

（3）指標組合權重

假設熵權法所求得指標的權重為vi，AHP 法求得權重為wi，則無信號控制交叉口交通安全風險評價指標的組合權重：

求得組合權重見表9。

表9 指標組合權重

3 無信號控制交叉口安全評價模型構建

3.1 評價模型的構建

在得到四項風險因素指標值及權重的基礎上，將各風險指標乘以對應的指標權重，再將各指標乘積求和得到一個綜合影響系數(shù)，這個系數(shù)就是交通安全度。用計算得到的交通安全度評價無信號控制交叉口的交通安全程度。

式中：K1n—無信號控制平面交叉口交通安全度；Ri—無信號控制平面交叉口風險評價指標值；—無信號控制平面交叉口風險評價指標權重；n—指標個數(shù)，n=4。

3.2 安全等級的劃分

交通安全度的數(shù)值大小一定程度上表征了交通安全水平，但數(shù)值難給人以直觀的交通安全程度的印象，需按一定標準將計算結果劃分給對應的安全等級。在采集了江西省、北京市多個無信號控制交叉口安全評價模型所需數(shù)據(jù)并帶入模型后得到各個交叉口的交通安全綜合影響系數(shù)，根據(jù)交通安全度數(shù)值分布結合實地調(diào)查的主觀感受，將無信號控制交叉口的交通安全等級分為3 個等級，劃分結果見表10。

表10 安全等級及對應交通安全度數(shù)值

4 案例分析

以河北省遵化市文化北路與北三環(huán)東路的無信號控制平面交叉口為評價對象，帶入交叉口交通流及評價指標相關數(shù)據(jù)，利用構建的評價模型對交叉口進行交通安全評價。

4.1 交叉口交通安全評價指標相關數(shù)據(jù)

無信號控制平面交叉口交通安全評價指標數(shù)據(jù)見表11。

表11 G112/S356 交叉口調(diào)查數(shù)據(jù)

4.2 安全評價結果

計算得到該交叉口的交通安全綜合影響系數(shù)K1n=1.17，對應表10 中的安全等級為B 級。根據(jù)指標權重值可知左轉車比例對無信號控制交叉口交通安全的影響較大，應當注意交叉口左轉方面的優(yōu)化。

5 結語

我國交通路網(wǎng)存在大量無信號控制交叉口，研究其安全性有利于提高路網(wǎng)整體安全水平?；诮煌_突理論，對交叉口沖突影響因素進行深入分析進而選取科學合理的評價指標，再利用數(shù)理統(tǒng)計方法定量分析各影響因素與評價指標之間的關系，建立全面考慮各影響因素的無信號控制平面交叉口的安全度評價分析模型。