城市道路信號交叉口安全評價體系的構建與應用

汪 瑩，黃 新

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

城市道路交叉口是城市道路系統中重要的節點，其功能是把不同方向的道路連接起來，構成路網，從而使得車輛可以在路網中實現自由轉向和交叉。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的安全水平有著十分重要的影響，而且也關系到整個城市的發展。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：一是傳統安全理論，認為安全就是無危險、無事故；二是現代安全論，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，并非絕對無事故。本文研究的交通安全問題是指現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，從預防交通事故發生的可能性和降低交通事故發生后的嚴重性出發，對交通系統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。

1.2 安全評價的步驟

交叉口交通系統是由人、車、路和環境等各個子系統組成的復雜大系統，在這個復雜的大系統中，各個子系統彼此之間相互依賴、影響和作用。在安全評價過程中，如果忽視了相關子系統之間的彼此影響，評價結果都將是不全面的、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 系統綜合評價步驟

1.3 安全評價方法的選擇

目前，國內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結果和形式出發的評價方法，稱為結果評價方法，如基于交通事故統計的評價方法和基于交通沖突技術的評價方法；一類是從導致交叉口不安全的因素出發的評價方法，稱為原因評價方法，如交通安全診斷技術等。在上述安全評價方法中，不管是以交通事故統計為基礎的評價方法與基于交通沖突技術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，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不具有事故統計資料，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查觀測，而無法進行基于交通沖突的評價。基于以上考慮，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據的能力，通過參考大量國內外文獻，本文套用眾多研究和設計人員都熟悉的服務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]。

安全服務水平(Level of Service of Safety 簡稱LOSS)是一種通過衡量各類交通設施運行狀況及其安全好壞的感受標準。交叉口的安全服務水平是指交叉口使用者從交叉口范圍內的幾何特征、交通控制和交通環境等方面可能得到的交通安全服務質量。在國內外相關文獻中提到有關安全服務水平這個說法，最早可以追溯到1972年Yu提出的公路通道的安全服務水平(Safety Level of Service)。Yu 基于美國弗吉尼亞州交通事故數據，以百萬車英里受傷率為指標，對公路通道的安全服務水平進行了劃分[3]。目前國內外對于交叉口交通安全服務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，例如張蘇[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水平來評價交叉口的安全性，主要是通過采集關于交叉口的類型、交通流量狀況、幾何特征和配套設施等可能影響交叉口交通安全的因素，構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水平大小，并在此基礎上對安全服務水平進行分級量化，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程度，進而可以為危險性較大的交叉口的安全設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

交通系統是由人、車、路和環境等多種要素綜合構成的一個動態系統，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，“環境”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境下，因人、車、道路和環境所構成的動態影響因素在某些環節上不可靠、不平衡、不穩定所導致種種的沖突與矛盾，從而引發的。

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；環境因素則包括自然環境和社會環境。

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，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。基于上述原因，結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合方法，首先通過定性分析和利用專家知識、經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構的構建

3.1 評價結構的構建思路

在上述構建的評價指標體系中，考慮到城市道路平面交叉口在規劃、設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生大幅度或者頻繁的改變，所以可以將其歸結為影響交通安全的靜態影響因素，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，首先假設靜態因素處于理想狀況，選擇動態影響因素(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，最后用此修正系數修正得到的基于主模型的安全服務水平，從而得到實際交叉口的安全服務水平。

3.2 評價結構的模型及參數

3.2.1 主模型的構建

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，說明交叉口內可能發成的實際交通沖突或事故越嚴重，交叉口越不安全。考慮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量會減少，另一方面交叉口內所存在的沖突點并不能同時發生作用，所以在分析沖突點導致的潛在危險度時，根據每個相位實際所獲得的通行時間，來加權計算一個信號周期內的總的沖突點數，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；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Kc來對上述模型進行修正，所以構建主模型見公式(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，包括K機，K機-非，K機-人.

3.2.2 修正系數模型的構建

如前面分析，交叉口的靜態因素——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置，并且狀態良好或維護及時，將對交叉口的安全產生積極的作用；反之，這些交通物理特征在實際交叉口中沒有被合理的設置或實際狀態很差，將對交叉口安全產生較大的負面作用。

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聯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，具體步驟如下。

(1)評價指標集的確定

根據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}={標志標線的設置，標志標線的可視性，標志信息量}；

P11={P11，1，P11，2}={路燈設置情況，路面完整性}；

(2)評判集的確定

根據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)確定指標權重集

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

(4)構建模糊評價矩陣

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作為最優值，構成最優指標序列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ρ=0.5進行關聯系數計算，按照評判集的要求，構造出各物理特征指標對交叉口安全服務水平影響的模糊評價矩陣。

(5)綜合修正系數計算

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，確定信號交叉口修正系數計算見公式(4)：

(4)

式中：MF為信號控制交叉口交通物理特征總修正系數；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評價指標的權重，以反映不同交通物理特征評價指標對交叉口安全服務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 總模型的構建

根據上述主模型和修正系數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。

3.2.4 模型參數權重的確定

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，而這些評價指標的權重大小將直接影響到模型的最終計算結果。

(1)不同類型沖突點造成的交叉口潛在危險度權重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計其經濟損失，故不能從交通事故造成的經濟損失角度來計算得到該權重，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，通過專家調查法獲得數據，應用層次分析法進行分析得到權重，結果見表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、左轉機動車與非機動車沖突點、右轉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、左轉機動車與行人沖突點、右轉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，主要根據收集到的交叉口事故資料的狀況，適當的對其統計分類進行微小調整，采用事故率方法來計算得到，結果見表1。

(3)物理特征評價指標權重Wj以及其子評價指標的權重αk確定

參照上述參數權重確定的思路，本部分的權重確定仍然通過專家調查法和層次分析法來獲得，結果見表1。

表1 模型參數權重匯總表

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構，確定了以模型的計算結果——交叉口的危險度這一綜合指標來反映交叉口安全服務水平，危險度數值越小的交叉口，其安全服務水平越高，所對應的交叉口越安全；反之，危險度數值越大的交叉口，其安全服務水平越低，其對應的交叉口越危險。

4.1 安全服務水平的量化

為了使交叉口安全服務水平具有區分性，以及與我國城市道路設施的服務水平等級相協調，本文參考相關文獻，把交叉口安全服務水平分為4級(1～4級)，分別對應交叉口安全、一般安全、不安全、危險。通過實例數據采集，依據計算出來的危險度數值的分布情況，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的可能性，分別確定信號控制干線性交叉口安全服務水平建議等級標準(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水平等級標準

表3 信號控制集散性交叉口安全服務水平等級標準

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量，代入模型，最終確定上述6個交叉口的安全服務水平見表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水平等級

通過和相關規劃參考資料[16]比對，發現上述評價結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果基本上吻合，從而證明利用安全服務水平來評價交叉口的交通安全性具有良好的合理性。

5 結束語

安全服務水平是一種通過衡量各類交通設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計、安全分析和管理的基本依據，貫穿于我國交通工程建設的各個階段。

(1)用于交叉口的安全設計

利用安全服務水平，可以通過比對不同交叉口設計方案下預估的安全服務水平的高低，間接的衡量其安全效果的優劣，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護

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

【參 考 文 獻】

[1]張開駒.城市道路交通安全評價及安全措施研究[D].南京：南京林業大學，2012.

[2]汪 瑩，黃 新.交叉口交通安全評價方法回顧與分析[J].森林工程，201329(2)：90-92.

[3]Ponder II J S.Garber N J.Safety and level of service：evaluating the 1994 highway capacity manual methodology for unsignalized intersections [R].University of Virginia，Charlottesville，1996.

[4]張 蘇.中國交通沖突技術[M].成都：西南交通大學出版社，1998.07.

[5]鐘小明.公路三支無信號控制交叉口交通安全模型研究[D].北京：北京工業大學，2006.

[6]孫明玲，張 勇，陳永勝，等.四路信號控制交叉口交通事故預測模型研究[J].道路與交通安全，2008，25(3)：44-46.

[7]馮麗生，孟祥海，呂悅晶.平面交叉口事故預測及突出事故形態鑒別[J].北方交通，2009(5)：127-130.

[7]劉小明，任福田，段海林.交通事故時間序列預測方法研究[J].中國公路學報，1995，13(S1)：125-130.

[9]張 杰.高速公路安全服務水平分級量化標準及應用研究[D].北京：北京工業大學，2011.

[10]潘福全，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.

[11]孫 偉.城市道路交通安全評價指標體系研究[D].南京：南京林業大學，2007.

[12]任彥銘.城市道路交通安全的預測與評價方法研究[D].合肥：合肥工業大學，2010.

[13]中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市道路交叉口規劃規范(GB50647-2011)[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[14]李明星.高速公路交通安全服務水平評價研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[15]寧波市規劃設計研究院.衢州市城市綜合交通規劃[R].2012.

[16]王 浩，彭 國，楊曉光.相位相序安排與交叉口設計之間的關系[J].公路交通科技，2004，21(2)：92-94.

[17]郭旭明，李瑞敏，張雄飛.基于遺傳算法的交叉口信號控制可靠性優化模型研究[J].公路工程，2012，40(4)：44-46.