寬容性設計中事故預測體系的發展及應用

龔華鳳　周約珥　趙聰霄　劉慶　肖潔

摘 要：寬容性理念下的道路設計體系除路側設施設計外，還包含交通安全分析與預測，以實現對道路及其附屬設施的設計與優化。該方法在國內寬容性道路設計中應用較少，但在其他發達國家已經從大量工程實踐中得到了有效驗證，有利于降低交通事故死傷率。基于此，研究介紹寬容性設計中交通安全分析方法與事故預測模型的內容及原理，并以廣東省深圳市綠梓大道北延段新建工程為例，展開事故嚴重性指標分析和交通事故率預測。預測結果表明，針對原道路設計方案的交通安全優化效果顯著，道路主線和加減速車道的總體事故率分別降低了7.32%和8.77%，可為今后開展類似的寬容性道路設計提供良好的借鑒。

關鍵詞：道路工程;寬容性設計;定量化分析;交通事故率;事故嚴重性指標

中圖分類號：U412 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0085-03

The Development and Application of Traffic Accident Prediction

in Forgiving Design

——A Case Study of Lvzi Elevated Expressway in Shenzhen

GONG Huafeng ZHOU Yueer ZHAO Congxiao LIU Qing XIAO Jie

（1.T.Y.Lin International Engineering Consulting（China）Co.， Ltd.， Chongqing 401121;2.Sustainable Transportation Engineering & Technology Research Center for Mountain Cities， Chongqing 401121）

Abstract： Forgiving design is a people-oriented road design concept. Apart from the well-known roadside design procedures， forgiving design also includes methodology for analyzing and predicting traffic accident. This methodology hasn’t been massively investigated in China， but has been successfully verified in a few developed countries with engineering practices. As a result， traffic accident rate has been reduced significantly in these areas. For status in above， this research introduced a major methodology of safety analysis and accident prediction model for forgiving design， and the Lvzi elevated expressway in Shenzhen was showed as a forgiving design example. Results showed a significant positive effect on optimization of road design that achieved a 7.32% accident rate reduction for mainline and a 8.77% accident rate reduction for speed-change lane， respectively.

Keywords： road engineering;forgiving design;quantitative analysis;accident rate;severity index

寬容性理念最初由美國國家公路與交通協會（American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO）和美國聯邦公路局（Federal Highway Administration，FHWA）等部門聯合提出，旨在應對早期美國交通事故致死率高和惡性事故頻發等交通安全問題。該設計方法的提出與實施使全美交通安全狀況得到了明顯改善。2020年美國官方機構發布的數據顯示，全美交通死亡率在1969年后呈逐漸下降趨勢，2018年的交通死亡總人數為36 560人，顯著低于1972年54 589人的峰值[1]。研究表明，寬容性道路的設計理念與方法對世界各國的道路設計技術發展而言具有良好的借鑒意義。

經過多年的探索與發展，寬容性理念已經由早期利用路側安全設施設計來提高道路“容錯”能力（被動安全措施）向道路整體線型設計和安全管理等方向擴展，逐漸形成了一套完整的道路設計體系。FHWA提出了道路安全的定量化分析[2]和事故預測模型（主動安全預測），進一步豐富了寬容性道路設計的基本內容。同時，信息化技術的發展也使得寬容性設計方法與分析技術能夠以交互式軟件的形式呈現。

在國內，研究學者與道路設計人員也嘗試將相關理念與技術引入我國道路設計體系，如公路交通安全設施設計規范等行業標準引入的路側凈區等概念[3]。然而，現行標準與工程實踐都側重于定性的道路交通安全評價，鮮有針對事故率和事故損失等指標的定量化寬容性安全分析技術。基于此，本研究梳理了歐美國家在該技術領域的發展歷程，并以深圳綠梓大道北延段新建工程為例，結合國內交通安全現狀開展事故預測分析，為綠梓大道的道路設計方案提出相應的優化建議。

1 寬容性設計中對交通安全分析的提出及其發展進程

1967年，AASHTO出版了《公路設計與運營實踐》并首次提出了寬容性設計的基本理念。1989年，AASHTO在既有基礎上形成了全美通用的路側安全設計標準。同時，FHWA通過國家公路合作研究計劃推動開發了與寬容性道路設計相配套的定量化分析軟件——ROADSIDE[2]，以協助設計人員科學分析事故風險和損失等，實現道路設計方案的科學化和定量化。然而，早期美國路側設施指南與ROADSIDE軟件在技術上不適用于空間受限的城市區域，缺乏廣泛適用性。

為解決這一問題，Roadsafe公司基于NCHRP Project 22-9開發了全新的路側安全分析模型——RSAP（Roadside Safety Analysis Program），以替代ROADSIDE。該模型通過路側侵入分析模塊、事故預測模塊、事故嚴重性預測模塊和事故損失分析模塊，提高了前期設計中事故分析的可靠性，但模型存在缺乏工程整體考慮、模型分析偏公式化及難以與道路設計方案之間實現高效的信息交互等問題。

針對寬容性道路設計業務的不斷拓展與定量化分析模型的發展，FHWA資助并開發了交互式道路安全設計模型（Interactive Highway Safety Design Model，IHSDM），以實現定量化、交互式的道路設計與安全運營評估。該模型由事故預測、設計一致性等6個獨立模塊組成，主要包括基本段多車事故分析、基本段單車事故分析、加速車道事故分析及減速車道事故分析4部分評價內容。相比RSAP，IHSDM具有更加全面、宏觀的道路交通安全預測、評價及事故損失分析體系，通過LandXML文件實現與CAD的交互。我國部分學者也在IHSDM模型的基礎上進一步論證了其在我國道路設計中應用的可行性[4-5]。

2 工程案例

2.1 項目背景

綠梓大道北延段是廣東省深圳市規劃“十橫十三縱”高快速路網體系中的外環快速（龍崗-大鵬）的重要組成部分，承擔著深圳東部各組團間的中長距離快速交通聯系及組團對外的交通轉換。考慮到路段具有設計速度高、交通量大等特點，參考深圳近年交通安全現狀（事故數下降，事故致死率上升）和工程需求，項目基于IHSDM對綠梓大道北延段主線及其附屬立交新建工程開展了以寬容性道路為主要目標的交互式道路設計。其中，綠梓大道北延段主線為雙向六車道的城市快速路，設計速度為80 km/h，全線共設置11處平曲線（最小曲線半徑600 m）、互通立交3座。根據交通預測結果，綠梓大道主線穩定運營期的年平均日交通量，如表1所示。其中，參考城市道路工程設計規范，計算年平均日交通量時的設計小時交通量系數取0.07。

2.2 模型原理

通過將主線道路線型、互通立交交織段樁號、中央分隔帶條件及護欄設置情況與上述交通數據等輸入IHSDM的事故預測評價模塊，設計人員可根據預測獲得分析年限內分析目標及其關鍵位置的事故類型、事故損失及事故率等數據，從而對道路線型、交通組織方案、分隔帶及護欄等作出相應的調整，實現交互式道路設計。以高快速路基本段多車事故分析中的傷亡事故預測模型為例，其模型的基本框架為：

式（1）中：N為基本段多車事故的傷亡事故率;N為基本段多車事故的基本傷亡事故率;CMF為事故修正系數;C為事故校正系數。各參數的下標中：fs為高快速路基本段;m為事故修正系數編號;n為斷面車道數;mv為多車事故;fi為傷亡事故;ac為橫斷面。

上述參數中，基本段多車事故的基本傷亡事故率Nspf與道路的年平均日交通量（Annual Average Daily Traffic，AADT）、受變速車道出入口影響的有效基本段長度L*等因素有關，表達式如下：

式（2）中：L為高快速路基本段長度;L為加速車道毗鄰基本段的長度;L為減速車道毗鄰基本段的長度;a、b、c分別為待標定參數，可根據當地事故情況進行標定，也可采用FHWA針對不同道路環境、不同分析目標的建議值。

事故修正系數與道路幾何線型、設施布局及交通條件等條件相關，共計11種。設計人員可根據實際道路環境條件和運營情況，輸入相應的工程參數。針對不存在且無法輸入的工程條件，如外側防撞護欄布局、路肩震蕩標線、交織段位置等，不輸入相關參數并不影響最終結果的輸出。

事故校正系數屬于本地化參數，設計人員應結合地方特征校正模型結果，以降低標定事故修正系數的工作量。

2.3 模型結果及分析

在本案例中，研究人員以交通運營穩定后的第一年為事故預測分析基準年，以之后的10年為分析年限，分析設計過程中兩版設計方案中綠梓大道主線和加減速車道的交通安全概況，結果如表2和表3所示。

通過道路方案設計與交通安全分析的交互，綠梓大道主線部分基本實現了全線整體事故（量）率的下降。調整后的主線方案相對于調整前，總事故量、傷亡事故量及僅財產損失事故量分別下降了6.98%、6.45%和7.19%，總體事故率、傷亡事故率及僅財產損失事故率則分別下降了7.32%、4.35和8.47%，方案優化效果較為顯著。針對現實中事故高發的主線加減速車道段（互通立交局部），方案調整前后的事故風險變化則更為顯著。其中，加減速段的總事故量、傷亡事故量和僅財產損失事故量的降幅分別達到了8.59%、5.88%和9.76%，加減速段的百萬車千米總體事故率、傷亡事故率和僅財產損失事故率則分別下降了8.77%、5.88%和10.00%，方案優化調整效果顯著。

3 結語

寬容性道路設計發展至今已基本形成了標準化和定量化的設計方法與規范化的預測分析模型，并借助信息化技術實現了與傳統道路設計的交互。然而，國內由于相關技術起步較晚、相關數據分析基礎不足等，在寬容性道路相關的定量分析模型方面還有很大的研究和發展空間，包括相關事故預測與分析模型的改進、參數的本地化及補充歷史事故數據等。

參考文獻：

[1]National Highway Traffic Safety Administration.Traffic safety facts annual report tables[EB/OL].（2020-06-30）[2021-09-30].https：//cdan.nhtsa.gov/tsftables/tsfar.htm.

[2]MAK K K，SICKING D L.Roadside safety analysis program（RSAP）：engineer's manual[R].Nchrp Report，2003：1-74.

[3]中華人民共和國交通運輸部.公路交通安全設施設計規范：JTG D81—2017[S].北京：人民交通出版社，2018.

[4]段萌萌，唐伯明，劉飛.IHSDM在山區高橋隧比高速公路事故預測中的適用性研究[J].公路工程，2018（3）：74-80.

[5]孟祥海，侯芹忠，史永義，等.IHSDM高速公路事故預測模型[J].交通運輸工程學報，2016（1）：123-132.