基于風險分級的道路限速設計方法研究*

戴 英，羅 云，裴晶晶，高聿德

(中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083)

0 引言

道路交通是經濟社會活動中最為活躍的因素，但其安全問題也日益凸顯。據統計，從第一起交通事故發生至今，全球死于道路交通事故的總人數已超過同期戰爭導致的死亡人數[1]。道路交通安全問題一直是國內外安全領域科學研究的重點和熱點問題，石紅星等[2]簡要介紹了道路限速指標的定義、作用，提出了限速指標確定的原則和思路；李沙沙[3]闡釋了以設計速度作為道路限速標準的弊端，結合國內外道路限速方法的比較，提出了限速標準確定的思路；于立民等[4]對安全風險管理的理念和傳統安全管理的理念進行了對比分析，提出了風險管理應作為一種成熟的科學方法在我國安全標準中普遍應用的論點；馮杰等[5]采用基于風險分級的方法，研究了特種設備的安全監管問題，提出一種更加有效的特種設備安全監管方法，值得借鑒。

盡管目前針對道路安全問題的研究成果有很多，但著眼于道路交通安全性與經濟性的限速研究仍不夠充分，目前限速基本都直接采用設計速度，這種限速方法雖簡單易行，但由于設計速度存在不合理性和道路條件的多變性，事實上難以達到預期的效果，仍存在較高的事故率。因此，本文嘗試將風險管理的思路引入道路限速問題中，通過提出風險分級三維評價模型，構建道路風險評價指標體系，最終形成一套道路風險分級評價方法，科學合理的指導我國道路限速標準的優化設計，以期成為一種更為有效的交通管控手段，提高我國道路安全水平。

1 研究基礎

1.1 我國高等級道路系統

我國道路系統主要由公路和城市道路組成。公路按照交通量及其使用任務和性質，可分為：高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路。城市道路按照地位、交通功能和對沿線建筑物的服務功能，可分為：快速路、主干路、次干路、支路。本文的研究對象是高等級道路系統，主要包括城市快速路、高速公路和一級公路。高等級道路系統車速快、事故死亡率高、后果嚴重，且具有相近的道路特征，故確立了以高等級道路系統為對象進行風險分級研究。

1.2 風險三維理論及分級三維模型方法

1.2.1 風險三維理論

風險是指可能發生的危險，傳統的風險矩陣常用可能性P和嚴重性L來表示[6]。道路交通與我們的社會生活息息相關，它在不同時間、不同地點發生事故而導致的后果嚴重程度不同，即時間和空間對事故產生敏感影響。例如，一起交通事故發生在人煙稀少的郊區和在重點安保地區(如天安門廣場)，其后果顯然不同。通過研究道路交通事故的特點，筆者發現交通事故發生在某些敏感環境(如居民區、老人小孩密集區等)或者特殊時間段(如節假日高峰期或重大活動時間)，比日常事故所導致的后果更嚴重，損失更大。因此，針對于道路安全的研究范疇，本文在原始安全風險的概念中增加敏感性因素，它表明影響道路安全的時間與空間因素，即：

R=f(P,L,S)

(1)

式中：R為風險，風險是事故發生可能性、嚴重性和敏感性的函數；P表示可能性，指導致事故發生概率的大小，文中指可能性影響因素，即道路線性、視距等；L表示嚴重性，指事故發生可能導致的后果嚴重程度，文中指后果嚴重度影響因素，即人員數量、車輛數量等；S表示敏感性，指導致事故發生的時間或空間敏感程度，外界條件越敏感，事故后果可能越嚴重，文中指敏感性影響因素，即道路所處環境功能區(例如學校)等。

1.2.2 風險分級三維模型方法

根據上述安全風險分級理論模型從事故后果嚴重性(以A，B，C，D依次表示嚴重程度)、可能性(以a，b，c，d依次表示可能性大小)及敏感性(以1，2，3，4依次表示敏感程度)3個維度定義風險，并形成安全風險分級三維模型。根據ALARP(As Low As Reasonably Practicable 最低合理可行)原則，可將風險分為4個等級。其中，不可接受區域用紅色表示，ALARP區均分為橙、黃兩級，可接受區域用藍色表示，詳見圖1。

圖1 風險分級三維模型整體與分級Fig.1 3D quantitative ranking model of risk evaluation

2 道路風險分級指標體系的建立

人、車、路、環境4個基本要素構成了道路系統，本文的目的是指導優化道路限速標準，需針對道路長期的使用情況進行風險評價，屬于靜態道路風險評價。因此，文章從客觀因素出發，分析各種道路因素對道路交通安全的影響(不考慮人、天氣等動態因素)，參考相關文獻中對道路影響因素的研究，遵循SMART原則，通過多輪德爾菲法進行指標篩選，最終選取以可能性、嚴重性和敏感性3個維度為以一級指標，以平面線形、坡度等9項為二級指標的道路風險評價指標體系。

2.1 可能性影響因素指標

平面線形(P1)：駕駛員在行駛過程中，習慣于使視線平順的合乎思維的前進[7]。道路的基本線形有直線和曲線兩種形式，交通事故約有1/3都是發生在平、縱曲線上，隨著平曲線曲率增大，事故發生的頻率也會增加[8]。據美國公路部門統計，在彎道上發生的事故次數明顯高于直線路段上事故次數[9]。

坡度(P2)：道路的坡度對于交通安全的影響表現為，處于下坡階段，隨著坡度的增加，交通安全性降低；處于上坡坡度時，事故率基本無太大的變化[10]。

車道數(P3)：車道數等橫斷面設計對道路安全也有著重要的影響。一般情況下，兩車道比三車道交通事故率高，四車道與三車道事故率略低，基本隨著車道數的增加交通事故率而減少。

路橋、路口(P4)：根據高速公路及城市快速路事故率分布特點來看，路橋、路口多為事故多發地點。相關數據統計表明，每年在高速公路匝道(路橋路口的引路路段)發生的交通事故占總事故30%以上[11]。

視距(P5)：駕駛員應該能隨時看到前方一定距離的路程以保證行車安全，一旦發現前方道路有障礙物、對向來車或出現緊急情況的時候，能夠及時采取措施避免碰撞，這一距離稱為行車視距[12]。由于視距是隨著駕駛員行車位置的變化以及道路條件的變化而不停地變化，所以道路上的任何一點的視距都不相同[13]。在道路風險評價對視距測量的過程中，可以考慮在道路上劃分若干個區域，在每個區域內視距的大小看作是相同的，區域劃分得越細，視距的大小越接近真實情況。

2.2 嚴重性影響因素指標

車流量飽和度(L1)：不同道路因為連接的地點不同等因素，歷年車流量規模也不等。交通量越大，則發生交通事故時的影響就越大，車流量密集的地點一旦發生事故，很可能出現多車連環事故。同時，交通量越大，發生事故時對道路的通行能力影響越大，造成的經濟損失、時間損失越大。車流量的飽和度就是該車流的實際交通流量與該車流的飽和通行能力的比值[14]，本文采用車流量飽和度來反映道路車流量情況。

安全設施(L2)：安全設施是保證高等級道路車輛高速安全行駛的必要物質條件，是減少、減輕和杜絕交通事故的有力措施。道路是否根據實際安全需要，根據國家標準合理設置交通安全防護設施，并保證其狀態完好，對交通安全有十分重要的影響[15]。具體評價內容如下：有完好的路側防護設施，并布設合理；有完好的中央分隔設施，并布設合理；有完好的防眩設施，并布設合理；有完好的視線誘導設施，并布設合理。

2.3 敏感性影響因素指標

所處時間敏感性(S1)、所處環境功能區(S2)：高峰期節假日、重大活動等特殊時間或者水源保護區、文物保護區等特殊地點發生道路交通事故會造成更為嚴重的影響，同時更受關注和議論，敏感性高。

2.4 道路風險評價指標權重設定

確定評價指標后，采用層次分析法和專家打分法，確定各項指標權重。首先構建層次結構模型：頂層為道路風險，中間層為可能性、嚴重性和敏感性影響因素，底層則為各二級指標，即平面線形、視距等。然后構造判斷矩陣，請專家按照1～9比率標度法填寫判斷矩陣，將專家打分值錄入Yaahp層次分析法軟件計算確定權重。通過計算得出判斷矩陣的一致性檢驗合格，各二級指標對于一級指標權重見表1。綜合各項指標以及對應權重，即可得到道路風險評價指標體系。將每個指標按風險程度分為4個等級：Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，分別賦風險值4,3,2,1分，見表1。

表1 道路風險評價指標體系及分級

3 道路風險分級評價方法

建立道路風險評價指標體系后，結合風險分級三維模型，可形成一套道路風險分級評價方法，達到科學設計限速標準的目的。

3.1 道路風險分級模型

根據道路各項指標的實際情況，對應道路風險評價指標體系及分級表，可得到各項指標的風險值。將各項指標對應的風險值與其對應的權重相乘、累加計算分別得出可能性風險值、嚴重性風險值和敏感性風險值。計算公式如下：

(1)

(2)

(4)

式中：r為風險值；di，dj，dk分別為第i,j,k個指標的現實得分；ωi，ωj，ωk分別為第i,j,k個指標的權重；P,L,S分別表示可能性、嚴重性、敏感性。

將得出的可能性、嚴重性和敏感性風險值，對應下表2到4，得到風險可能性等級，嚴重性等級和敏感性等級，從事故后果嚴重性(以A，B，C，D依次表示嚴重程度)、可能性(以a，b，c，d依次表示可能性大小)及敏感性(以1，2，3，4依次表示敏感程度)3個維度，將道路風險定性分級。

表2 風險可能性(a，b，c，d)等級描述

表3 風險嚴重性(A，B，C，D)級描述

表4 風險敏感性(1，2，3，4)等級描述

3.2 道路限速優化設計

本文采用帕累托定律定性分級，確定道路風險分級ALARP邊界。根據風險分級三維模型，得到道路風險等級的組合共有64種，將表示最高風險與最低風險組合之間分成4個等級，即按圖1所示分為藍、黃、橙、紅4個區，此時Ⅳ級(藍色)有11個組合值，Ⅲ級(黃色)有21個組合值，Ⅱ級(橙色)有21個組合值，Ⅰ級(紅色)有11個組合值，見表5。

我國《道路交通安全法實施條例》第七十八條規定：“高速公路最高車速不得超過每小時120 km，最低車速不得低于60 km”。城市快速路最高時速不得高于100 km[16-17]。進而可確定：

1)可忽略區

在道路風險分級中評估結果落入藍色區，則屬于風險可忽略區(Ⅳ級風險)。此時的高速公路和一級公路的限速設計為120 km/h，城市快速路的限速設計為100 km/h。

2)ALARP區

在道路風險分級中評估結果落入黃色和橙色區，則屬于ALARP區。黃色區(Ⅲ級風險)，高速公路、一級公路限速可規定為100 km/h，城市快速路限速可規定為80 km/h；橙色區(Ⅱ級風險)，高速公路、一級公路限速可規定為80 km/h，城市快速路限速可規定為60 km/h。

3)不可容忍區

在道路風險分級中評估結果落入紅色區，則屬于不可容忍區(Ⅰ級風險)，該道路的風險是不可以被接受的。此時高速公路和一級公路的限速可規定為60 km/h，城市快速路限速可規定為40 km/h。見表5。

表5 道路風險分級要素組合及限速優化設計

4 北四環西路限速設計實證研究

四環路是北京市城市總體規劃中一條全封閉的快速環路[18]，全長65.26 km，全線共建設大小橋梁147座，共53個出口，并設有完善的交通安全設施。主路雙向八車道，全封閉、全立交，設計時速為80 km/h。北四環西路：四海橋—火器營橋—六郎莊橋—萬泉河橋—海淀橋—中關村二—中關村三橋—保福寺橋。北京市四環路是城市快速路，屬于本文研究的高等級道路系統范疇，本文以北四環西路為實例，通過數據搜集分析，以及實地調研考察，應用上述提出的基于風險的道路限速管控優化設計方法，進行道路風險分級評價，并進行限速管控優化設計，從而得到合理的北四環西路分段限速值。

4.1 道路單元劃分

計算道路風險時，不可能計算每一點的風險值對其進行限速，因此當道路的自身屬性或所處環境發生較大變化時，就需要按照一定規則劃分為若干邏輯路段，對每個路段進行獨立分析，以便反映道路的真實風險水平。道路單元劃分的依據以及劃分的粗細程度會直接影響道路的風險評價結果，如果劃分的太粗，無法反映道路的真實情況；相反如果劃分太細，道路單元過短會導致道路限速變化頻繁，適得其反。本文建議考慮以下因素來劃分邏輯路段，邏輯分段的原則如圖2。

圖2 道路單元劃分示意Fig.2 Sketch map of road unit division

根據上述道路單元劃分原則結合北四環西路實際情況，將北四環西路路段，共計6.1 km，其中2處彎道，2處坡道，6處入口及4處出口，共劃分為15個單元路段，見表6。

4.2 北四環西路風險等級計算及限速優化設計

北京市四環設有完善的交通安全設施，其余各項指標內容根據實際情況或數據資料收集獲得實際風險值，如1號單元路段各項指標根據實際情況及風險值見表7。

表6 北京市北四環西路路段單元劃分

表7 1號路段單元各項指標情況與風險值

用公式(1)，(2)，(3)計算各單元路段可能性、嚴重性和敏感性風險值，根據表2到4，從事故后果嚴重性(A，B，C，D)、可能性(a，b，c，d)及敏感性(1，2，3，4) 3個維度，將道路風險定性分級。再對應表5道路風險分級要素組合表，得到該路段單元風險等級。對1～15號單元重復上述計算方法，得到1～15號單元路段的風險等級，見表8。

由于北京市四環路出入口、路橋等性質變化非常頻繁，同時城市內環境功能區范圍較小，道路所處環境功能區變化較為頻繁，所以根據單元劃分原則得到的路段單元比較短。從道路限速角度考慮，為避免較為頻繁的限速，提高限速設計的可操作性，可根據北京市四環路得實際情況將風險等級相當的相鄰單元合并進行限速，但Ⅰ級風險路段限速值應嚴格按照限速設計原則實施。其中7號單元為Ⅳ級風險等級，但由于考慮到道路限速變化不應太頻繁，同時考慮下一單元為Ⅰ級風險等級，應提前減速準備進入高風險單元，因此，將此段單元與前面路段合并，依據Ⅱ級風險路段限速。14號單元為Ⅱ級風險等級，但我們考慮下一單元為Ⅰ級風險等級，且下一單元距離短，應提前減速，準備進入高風險單元，因此將此單元與下一單元合并，按Ⅰ級風險等級設計限速。具體限速設計如下表8。

表8 各單元風險等級計算結果及北四環西路分區限速

5 結論

1)建立了道路風險評價指標體系。通過文獻資料分析法，系統分析法與德爾菲法，選定了9項指標，并運用層次分析法，計算得出各項指標的權重。

2)從可能性、嚴重性和敏感性3個維度構建了道路風險分級評價模型。由于事故在敏感環境或者特殊時間段內發生導致的后果比日常事故后果更嚴重。因此，本文增加了風險敏感性概念，強調在敏感時間或敏感空間內事故風險增大。從可能性、嚴重性和敏感性三個維度全面系統的評價道路風險。

3)根據ALARP準則研究確定了道路風險的分級標準。利用可接受上下限水平衡量道路風險水平的可接受性，針對不同ALARP分區提出了相應的限速優化設計值。

4)以北京市四環某路段為例進行了實證研究。應用本文提出的基于風險的道路風險分級評價模型，驗證了此模型在道路限速優化問題上有較好的實用性，并得出北京市北四環西路的分區限速優化設計值。

[1] 孫軼軒. 基于數據挖掘的道路交通事故分析研究[D]. 北京:北京交通大學, 2014.

[2] 石紅星, 董月振. 道路限速指標的確定[J]. 市政技術, 2014(1):17-19.

SHI Hongxing, DONG Yuezhen. Determination of road speed limit indicator[J]. Municipal Engineering Technology, 2014(1):17-19.

[3] 李沙沙. 城市道路限速標準與速度控制技術研究[D]. 重慶:重慶交通大學, 2015.

[4] 于立民, 張曉暉. 安全標準中應用風險管理的探討[J]. 標準科學, 2013(11):34-37.

YU Limin, ZHANG Xiaohui. On risk management in safety standards[J]. Standard Science, 2013(11):34-37.

[5] 馮杰, 羅云, 曾珠, 等. 特種設備安全監管宏觀指標增速可接受水平研究[J]. 中國安全科學學報, 2013(5):120-125.

FENG Jie, LUO Yun, ZENG Zhu, et al．Research on acceptable standard of special equipment safety supervision macro indicators growth rate[J]. China Safety Science Journal,2013(5):120-125.

[6] 羅云. 特種設備風險管理——RBS的理論、方法與應用 [J]. 品牌與標準化, 2014(18):95.

LUO Yun. Special equipment risk management-Theory, method and application of RBS[J]. Brand & Standardization, 2014(18):95.

[7] 馬璐. 道路因素對道路交通安全的影響分析[D]. 西安:長安大學, 2005.

[8] 陳斌, 袁偉. 交通安全的道路因素分析[J]. 廣西交通科技, 2002(4):19-22.

CHEN Bin, YUAN Wei. Analysis of road factors in traffic safety[J]. Guangxi Science and Technology of Communication, 2002(4):19-22.

[9] 洪英, 張曉巖. 影響交通安全的道路線形因素分析[J]. 交通標準化, 2010(15):172-174.

HONG Ying, ZHANG Xiaoyan. Road alignment factors affecting traffic safety[J]. Transport Standardization, 2010(15):172-174.

[10] 葛亞軍, 袁潔. 淺議道路交通安全設施對交通安全的影響[J]. 山西建筑, 2009(7):281-283.

GE Yajun, YUAN Jie. On the effects of the road traffic safety facility on the traffic safety[J]. Shanxi Architecture, 2009(7):281-283.

[11] 楊茜. 縣域公路交通安全評價及方法研究[D]. 成都:西南交通大學, 2015.

[12] 劉江, 劉世杰, 榮建, 等. 視距自動計算在仿真系統中的實現[J]. 北京工業大學學報, 2006(11):1011-1016.

LIU Jiang, LIU Shijie, RONG Jian, et al．Realization of sight distance’s automatic calculation in simulation system[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2006(11):1011-1016.

[13] 王海燕. 高速公路交通安全評價體系研究[D]. 西安:長安大學, 2009.

[14] 住房和城鄉建設部. 城市道路工程設計規范:GB/T7714[S].北京：中國建筑工業出版社,2012.

[15] 金治富. 完善道路交通限速標準研究[J]. 道路交通管理, 2015(1):56-57.

JIN Zhifu. Study on improving the speed limit standard of road traffic[J]. Road traffic management, 2015(1):56-57.

[16] 占輝, 曾盛, 易巍. 基于安全性評價的道路限速[J]. 公路, 2009(12):86-89.

ZHAN Hui, ZENG Cheng, YI Wei．Speed limit based on road safety evaluation[J]. Highway, 2009(12):86-89.

[17] 顧啟英. 北京市四環路工程的系統設計[J]. 城市道橋與防洪, 2003(4):26-31.

GU QiYing. System design of the four ring road project in Beijing City[J]. Urban Roads Bridges & Flood Control, 2003(4):26-31.