基于HSM的山區農村公路交通安全設施評價和選用
——以彎道路段為例

黃承鋒，趙光惠，王 平

(1. 重慶交通大學 西部交通經濟研究中心，重慶400074；2.重慶市規劃設計研究院，重慶 401147； 3.重慶交通大學 管理學院，重慶400074)

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基于HSM的山區農村公路交通安全設施評價和選用
——以彎道路段為例

黃承鋒1，趙光惠2，王 平3

(1. 重慶交通大學 西部交通經濟研究中心，重慶400074；2.重慶市規劃設計研究院，重慶 401147； 3.重慶交通大學 管理學院，重慶400074)

針對山區農村公路交通事故多發的情況，引入了美國《公路交通安全手冊》(HSM)中雙車道鄉村公路事故預測模型，并結合投影法對交通安全設施選用方案進行評價，提出了適用于山區農村公路的交通安全設施選用方法，并以彎道路段進行了示例。研究對于我國山區農村公路安保措施的選用，提高山區農村交通安全水平具有一定意義。

交通工程；HSM；山區農村公路；安全設施；投影法

農村公路是公路網的重要組成部分，是保障農村社會經濟發展最重要的基礎設施之一。農村公路包括縣道、鄉道和村道三個層次?？h道一般采用三級、四級公路標準；鄉道及村道采用四級公路或等外路標準[1]。筆者研究山區農村公路主要指三級、四級及等外公路。

山區農村公路受到山區復雜地形和建設資金限制，技術水平較低，潛在危險路段多，近年來山區農村公路交通事故數量逐年上升，惡性事故時有發生。合理設置安保設施是減少交通事故數量，降低事故烈度的有效措施，但山區農村公路安保建設中存在建設資金不足、技術人員專業水平低等問題，如何科學合理的選用安保措施成為一個亟需解決的問題。

通過引入美國《道路交通安全手冊》(HSM)中雙車道鄉村公路事故預測模型中相關研究成果，以山區農村公路彎道路段為例對交通安全措施的選用進行了分析，計算了各類安保設施的安全性系數，并利用投影法對安保設施的安全性、適用性進行了綜合評價，為山區農村公路安保設施選用提供了依據。

1 HSM模型概述

1999年美國運輸研究委員會(TRB)經過討論認為需要一個定性的模型和標準來判斷道路的安全水平，于2000年成立了專門的小組對道路交通安全以前的研究成果進行了歸納整理，并進行了更加深入的研究和系統分析，于2006年出版了第一版的《道路安全手冊》(HSM)，經過不斷調整和完善，2010年形成第二版HSM。HSM通過對美國各州數10年來的大量事故資料統計分析和研究，總結了各種道路條件下(包括道路類型、線形條件、設施設置)的交通事故發生規律，建立了道路交通事故預測模型，并提出了安全問題診斷和改善對策。

HSM中包含了鄉村雙車道道路交通事故預測方法、鄉村多車道路交通事故預測方法、城市及城市主干道交通事故預測方法。美國首先區分城市、郊區和鄉村，將鄉村描述為人口不超過5 000人的區域，進而定義鄉村公路為在鄉村中或在鄉村附近的公路。鄉村雙車道道路交通事故預測方法中包括了所有類別和設置不同設施的鄉村雙向雙車道公路，不包括4車道及4車道以上車道的公路，該模型涉及道路形式與我國農村公路較為相近。其基本預測模型[2]為：

(1)

式中：Npredicted為分段類型X在具體1年中的預測平均事故率；Nspfy為分段類型X通過SPF所確定的基本類型的平均事故頻率；AMFyx為分段類型X特定的事故修正系數和具體的幾何設計及交通特征y；Cx為調整SPF以適應分段類型X的當地特征。

SPF是在同一基本條件下，根據大量條件相同站點的觀測數據建立的統計回歸模型，決定的預測平均事故頻率。

基本預測方法為將路段根據其線形要素、功能進行分段，通過大量統計規律得到特定道路情況下預測路段總體事故頻率Nspfy，并消除當地實際事故率與總體事故平率的差異，得到該段的基本事故率；再根據分段道路具體特征，計算道路要素對整體事故預測的影響系數AMFyx，對預測模型進行修正，得到某個分段的預測事故數。對于同一路段Nspfy與Cx為固定的某個數，因此決定Npredicted大小的關鍵因素是AMF的值。其中AMF包含道路線形、環境、設施等各種道路特征對交通事故頻率的影響，特定因素的AMF值是固定的，具有廣泛適用性。

2 彎道路段安全分析

2.1 彎道路段存在的安全隱患

山區農村公路由于地形限制，存在大量小半徑曲線，具有較大交通安全隱患。不考慮路側情況下小半徑曲線路段主要存在的安全問題通常有：

1) 線形突然改變，駕駛員未收到應有的提示信息，使車速過快而沖出路側。

2) 彎道處視距三角區內存在植物、土方、建筑等障礙物，無法保證會車視距，導致對向車輛碰撞事故。

3) 由于車道寬度不足或駕駛行為原因，車輛占道行駛，在車速較快的情況下導致碰撞事故[3]。

2.2 彎道路段安全隱患解決對策

針對上述彎道路段存在的交通安全隱患，在山區農村公路上常采用以下措施對彎道路段進行改善：

1)改善道路條件：一般情況下影響彎道交通安全的主要因素為路段設計參數不合理，如彎道半徑過小、未設置彎道加寬、超高設置不合理等。因此，改變彎道道路條件為改善彎道路段交通安全的有效措施。具體措施包括：改變道路線形、合理設置超高、彎道路面加寬。但這些措施往往工程費用較高且山區農村公路安保建設資金緊張而難以實施。

2)完善交通標志(A1)：設置交通標志有利于提示駕駛員前方道路線形變化，使駕駛員有充足時間進行操作，順利安全通過彎道。適用于彎道路段的主要標志有：急彎標志、限速標志、建議速度標志等。

3)視線誘導設施(A2)：彎道路段線形變化往往較為突然，特別是夜間，駕駛員不易辨別線形走向。設置線形誘導標、路側突起路標等誘導設施有助于引導駕駛員按照正確的路線行駛，避免沖出路側等交通事故的發生。

4)車道隔離措施(A3)：車輛在彎道路段行駛時往往占道行車行為嚴重，占道行車易造成對向相撞事故。設置道路中心線、突起路標、橡膠隔離柱等車道隔離設施能有效減少占道行車行為，提高交通安全水平。

5)視距改善設施(A4)：彎道路段往往由于植被、土方、建筑等障礙物遮擋，導致平曲線內側視距不良，對于行車安全具有較大隱患。因此，彎道路段視距不良時應采取視距改善措施，常采用的措施有安裝反光鏡、開挖視距臺等。

3 彎道路段交通安全設施評價

在選用安保設施時首先應保障最基本的交通安全水平，在此基礎上根據各地不同情況，在缺乏安保資金時應選擇安全性及適用性最優的方案。選用程序如圖1。

圖1 交通安全處治方案選用流程Fig.1 Flow chart of selection of traffic safety treatment scheme

3.1 基于HSM的安全性系數計算

根據相關研究[4]得到彎道路段的安全性系數S路如表1。

表1 彎道路段安全性系數

(續表1)

評價參數運行速度/(km·h-1)彎道半徑/m安全性系數S路40±535

從HSM中選取適用于彎道的各類安全設施中的典型設施AMF值作為各類設施的AMF值[2],如表2。為定量描述各類安全設施的效果，現將每類交通安全設施對道路安全水平的提升效果定義為設施的安全性系數Sx，其含義為：

(2)

表2 部分彎道路段安全設施AMF值

根據道路事故多發路段常用定義，1年內1段道路發生3起或以上道路為事故多發路段。取危險段最低標準3起事故[5]，即Nspfyx=3時，當道路條件發生改善時預期交通事故發生概率為小概率事件時(小于5%)為最基本安全條件，此時不考慮地區差異(Cx)AMFx≥0.016，根據式(1)得到安全性系數S≥60，即：

(3)

3.2 處治方案評價指標體系建立

3.2.1 安保設施處治因素分析

在選用山區農村公路彎道路段的處治方案時除考慮設施的安全效果外，還應綜合考慮資金狀況、可實施性等方面，以選取最佳方案。由于山區農村公路安保建設施工機械缺乏，施工水平低，選用處治方案時應考慮施工難度、養護難度、養護頻率等，同時也應考慮方案對環境的影響。另外，方案對交通的影響也是處治方案選用時需考慮的因素。經濟性方面，主要涉及建設費用及養護費用兩方面。

3.2.2 指標體系構建

綜合考慮影響山區農村公路彎道路段交通安全處治的因素，構建評價指標體系，確立評語集U，如表3。

表3 處治方案評語集

3.2.3 權重確立

權重是各個指標在評價指標體系中的重要程度的度量，權重數的確定直接影響著評估的準確性。權重的確定方法有主觀賦權法和客觀賦權法，為了保證評價結果的客觀性，并使評價更趨于實際，筆者利用AHP法[6]確定評價指標中的權向量。

通過制作評分表，由專家(共20人，9名交通安全專業，3名交通工程專業，3名道路施工管理專業，5名農村公路管理人員)評分確定。評分內容包括兩方面。首先專家根據自身專業和知識經驗，自我評價對該問題的權威程度，取[0,1]，0表示完全不了解，1表示完全了解，對各位專家的打分進行歸一化處理，得到先驗權重W先。其次，專家針對三級公路、四級公路和等外公路的側重點不同，確定指標中不同的因素相對于上個指標而言的重要性，利用9分制對其進行賦值，建立判斷矩陣，解出對應的特征向量，歸一化處理后可得到對應的后驗權重W后。由W先乘以W后得到3組矩陣，對于單個指標權重的統計服從正態分布，專家意見較為集中。通過求加權平均數得到最后的權重W，如表4。

表4 評價指標權重確立

3.2.4 指標測評

各子指標評價量值的確定分為定量和定性指標。定量指標是通過實際計算獲取，包括安全系數、建設費用。其他指標通過德爾菲法得到。設定評語集V={優、良好、一般、差}。各指標屬性值與對應級別之間的關系如表5。

表5 評價指標等級劃分區間

3.3 基于投影法的處置方案綜合評價

采取投影法對多種處治方案進行評價。投影法[7]是把每1個指標類作為1個維度，從而將1個多指標的方案化為多維的方案向量，通過備選方案的決策向量在理想方案決策向量方向的投影值大小來進行綜合評價。

3.3.1 建立決策矩陣

設安保設施選用方案集為F={F1，F2，F3，…，Fn}，評價指標集U={U1，U2，U3，…，Um}，方案Fi對指標Uj的屬性值(指標值)yij(i=1,2,…n;j=1,2,…,m)，用Y=(yij)n×m表示多目標決策矩陣[8]，即：

(4)

3.3.2 指標處理

不同的評價指標往往具有不同的屬性值，因此在決策前應將決策矩陣Y中的各項指標進行量化處理。

收益型指標：

(5)

成本型指標：

例2:(ST)東亞中國2010年12月31日的資產負債表、2010年度的利潤表和現金流量表根據中華人民共和國財政部頒布的企業會計準則（2006）的規定編制，并經畢馬威華振會計師事務所上海分所審計(東亞銀行年度報告：2010)[6]。

(6)

記量化處理后的決策矩陣為：

Z=(Zij)n×m，Zij∈[0，1]。

3.3.3 加權無量綱決策矩陣

在權重的作用下，增廣型加權規范化決策矩陣C=(Cij)n×m，Cij∈[0，1]。

3.3.4 確立最優方案

如果把每個方案的指標屬性值看成一個行向量(矢向量)，則每個決策方案Ai與理想方案A*之間的關系可用三角余弦表示。決策方案Ai與理想方案A*之間的夾角余弦值為

(7)

決策方案Ai的模為

(8)

Di=di×ri，i=1，2，…，n

(9)

4 處治示例

某鄉道急彎危險路段，彎道半徑12 m，運行速度28 km/h，彎道外側設有混凝土護欄，彎道處視距不良。該彎道路段曾經發生1起輕微事故?，F提出如下5個整改方案：

方案1：粘貼式誘導標+反光鏡+警告標志+振蕩中線；

方案2：立柱式誘導標+開挖視距臺+警告標志+中心實線；

方案3：警告標志+中心實線；

方案4：粘貼式誘導標+警告標志+中心實線；

方案5：開挖視距臺+警告標志+粘貼式誘導標+反光鏡

根據條件，確定該路段屬于等外公路。由表1可知，該路段安全性系數為25，根據表2得到各方案采取設施的安全性系數。該路段的道路管理人員、交通安全設施設計人員、道路施工人員等共5人進行方案打分，通過計算均值得到如表6數據。

表6 路線評價指標及數據

首先，根據公式計算得到，各方案的安全系數總計分別為69.25，69.25，33.3，60.97，67.83，其中方案3的安全系數總計為33.3≤60，因此達不到安全標準，直接剔除方案3。

現根據方案1，2，4，5，得到多目標矩陣，如下：

對指標進行量化處理，于安全性系數指標利用式(5)，其他指標根據式(6)，量化處理后得到：

根據表4可以得到該路段的權重W=(0.371 2, 0.147 8, 0.070 1, 0.290 1, 0.120 8),由此得到增廣矩陣C=(Cij)n×m，Cij∈[0，1]。

模型式(7)，得到決策方案與理想方案的夾角余弦ri為：

r1=0.893 5，r2=0.242 2，r4=0.181 1，r5=0.483 1

根據式(8)，得到決策方案的模di為：

d1=0.361 5，d2=0.089 8，d4=0.067 1，d5=0.278 9

根據式(9)計算得到決策方案在理想方案上的投影Di為：

D1=0.323 0，D2=0.021 7，D4=0.012 2，D5=0.134 7

根據各決策方案在理想方案上的投影值大小排序為D1>D5>D2>D4，故方案1為最優方案，與實際情況相符，如圖2。

圖2 彎道路段處治方案Fig.2 Treatment scheme of bend section on rural road

5 結 語

引入美國《公路安全手冊》中交通事故模型中道路線形指標及道路安全設施對交通事故的影響系數，采用投影法對山區農村公路的安保設施選用方案進行了定性和定量評價，綜合考慮道路條件及設施的安全性、經濟性、可實施性等，提出了安保方案的選用方法，并以山區農村公路最常見的彎道路段的安保方案選用作為示例，確定了最佳方案，在我國安保建設資金缺乏，基層工作人員技術水平較低的情況下，提高山區農村公路交通安全水平具有一定現實意義。

在山區農村公路危險路段處治時，應根據實際情況進行考慮，如景觀、經濟等因素在每條路上要求及條件不盡相同，但均應保障最基本的安全。提出了一種安保方案選擇的思路和模型，可供基層工作人員及相關研究人員進行參考。

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Evaluation and Application of Traffic Safety Facilities on Rural Roadin Mountain Area Based on HSM —A Case Study of Bend Sections

Huang Chengfeng1, Zhao Guanghui2, Wang Ping3

(1. Western China Transportation Economy Society Development Study Center, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Chongqing Planning & Design Institute, Chongqing 401147, China; 3. School of Management, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to more accidents happened on rural roads in mountain area, the two-lane rural highway accident prediction model of American “Highway Safety Manual” (HSM) was introduced. HSM was combined with the projection method to evaluate the traffic safety facilities selection program, and the selection method of safety facilities on rural roads in mountain area was proposed, and the sharp bends sections were taken as examples. The study is meaningful to the selection of security measures on rural roads in mountain area and the enhancement of the mountainous rural transport safety.

traffic engineering; HSM; rural roads in mountain area; security measures; projection method

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.18

2013-09-10；

2013-10-12

黃承鋒(1965—)，男，重慶人，教授，博士，主要從事交通經濟方面的研究。E-mail：805011870@qq.com。

U 491.5

A

1674-0696(2015)05-089-06