基于故障树分析的城市道路平面交叉口事故致因研究

刘　星，罗　佳

(重庆交通大学　交通运输学院，重庆　400074)

浙江交通职业技术学院学报，第16卷第2期，2015年6月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.2,Jun.2015

基于故障树分析的城市道路平面交叉口事故致因研究

刘星，罗佳

(重庆交通大学交通运输学院，重庆400074)

摘要:在城市道路交通事故中，交叉口事故长期占很大比例，为快速有效的找出交叉口事故主要致因，将系统安全分析法中的故障树分析(FTA)应用到城市平面交叉口事故研究中，根据影响交叉口事故各个因素及其逻辑关系建立故障树，并通过定性和定量分析找出交叉口事故主要致因，便于提出防控事故的有效措施，有效提高城市平面交叉口安全性。

关键字：平面交叉口；故障树分析

0引言

在城市中，由于道路的纵横交错而形成许多交叉口，城市道路交叉口作为城市道路的重要组织部分，与道路其他地点相比更容易受到车流、人流、交通环境的影响，在城市道路发生的交通事故中，交叉口事故占很大的比例。美国交叉口及其附近的交通事故约占总交通事故的40.1 %；日本发生在交叉口的交通事故占总交通事故的33.3 %；英国大约有33%的交通事故发生在交叉口；中国城市的交通事故大约30%发生在交叉口[1]。

道路交叉口对整个城市道路的交通安全水平和通行能力有着十分重要的影响，因此分析研究导致城市道路交叉口事故的主要原因，减少事故的发生，是提高城市交通安全水平和通行能力的基础性工作。目前有许多学者提出了不同的交叉口事故预测方法和安全评价方法。如[2]运用四项统计数字评价交通安全状况，表征的交通事故情况直接且直观，但需要大量的数据资源；基于贝叶斯网络的城市平面交叉口交通事故分析[3]，可以从复杂的因果关系网中和大量的数据中推理出事故原因，但工作量较大，过程较复杂；基于交通冲突技术的交叉口事故多发点判别及致因分析[4]，该方法具有观测周期短、可定量研究交通安全现状等优点，但目前交通冲突技术在应用方面存在亟待改进的地方；采用汽车碰撞理论分析与专家调查结合的方法[5]，进行各事故类型的严重性分析，确定不安全因素的危险指数，但没有考虑各个条件之间的相互影响。故障树分析方法描述事故的因果关系直观、明了，思路清晰，逻辑性强，既可定性分析，又可定量分析，因此本文将基于故障树原理建立城市平面交叉口事故的故障树模型，找出交叉口事故主要原因。故障树的原理、建造方法和常用符号详见[6]。

1故障树基本原理

故障树分析(Fault Tree Analysis，简称FTA)是一种图形演绎方法，从要分析的特定事故或故障开始(顶上事件)，层层分析其发生原因，直到找出事故的基本原因，即故障树的底事件，并用事件符号、逻辑门符号和连接线等符号把导致事故的各种因素之间的因果和逻辑关系表达出来，绘制成一种树状图，即故障树。通过对故障树进行定性分析，得到故障树的最小割集和最小径集，再通过最小割集和最小径集找到防止顶上事件发生的途径和城市道路平面交叉口系统保证安全的可靠方案，同时把顶上事件用布尔代数表示，自上而下展开，即可得到故障树的布尔代数表达式，确定顶上事件的发生概率和各基本事件的概率重要度，进而提出防控事故的有效措施。

2编制平面交叉口事故的故障树

道路交叉口事故包括侧面相撞、正面相撞、尾随相撞、刮撞行人、同向刮擦、对向刮擦、撞固定物等多种。事故发生的原因有很多种，往往都会涉及到“人-车-路-交通环境”四个方面。其中交通参与者包括驾驶人、行人、乘客及居民，驾驶人具有特别重要的作用，因为除了行人和自行车交通以外。

其他客、货运输都要由驾驶人完成，同时，行人和自行车交通受到机动车交通的影响，因此，绝大多数交通事故直接或间接地与驾驶人有关。车辆是交通参与者的主要工具，因此在城市平面交叉口交通事故中，车辆是关键因素之一。道路是交通的基础、支撑物，必须符合其服务对象的交通特性，道路性能的好坏直接影响到交叉口交通安全水平。交通环境指不仅包括道路环境，还包括车流组成，对于交通参与者有着直接的影响。因此作者将城市平面交叉口事故确定为顶事件，从“人-车-路-交通环境”四个方面与交叉口事故相互关系入手，运用演绎推理的分析方法，逐层构造城市平面交叉口事故各因素之间的逻辑关系，建立平面交叉口事故的故障树，如图1所示。

图1　城市道路平面交叉口事故的故障树

3故障树的定性和定量分析

3.1　定性分析

求最小割集的方法很多，如：下行法、结构法、质数代入法、布尔代数化简法等，鉴于故障树中中间事件、基本事件较多，本文用布尔代数化简法求最小割集，得到如下故障树的布尔代数式:

T=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7=(M8+M11+M12)+M11+(M9+M11+X17X18)+(M11+M12)=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17X18

运用布尔代数方法，该结构式已不能化简，于是得到故障树的最小割集为：{X1}，{X2}，{X3}，{ X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17，X18}。

经过化简求得最小割集后，根据化简后的故障树结构函数，重新绘制故障树得到最小割集表达的等效树。根据图1的故障树化简后的结构函数绘制的等效树如图2。

图2　故障树最小割集表示的等效树

由此可见，导致平面交叉口事故发生的直接原因为：交叉口位置不合理；交叉口视距不充分；通视三角区内有障碍物；信号灯位置不合理；信号灯可见性不好；超速行驶；不按规定会车超车；未按规定让行；前后安全距离不足；不按规定车道行驶或逆向行驶；横向安全距离不足；驾驶员操作不当；道路拥堵；路面过滑；混行情况严重；刹车制动失灵；车辆制动距离不足情况下行人闯红灯。

3.2　定量分析

故障树的定量分析首先是确定基本事件的发生概率，然后求出顶上事件即平面交叉口事故的发生概率，并且对基本事件的概率重要度系数进行分析，反映出各个基本事件发生概率的变化对顶上事件发生概率的影响程度，便于提出防控事故的有效措施。

3.2.1顶上事件发生概率分析

本文从前人研究成果[2-5]及报告中分析获得基本事件的发生概率，鉴于各基本事件发生概率存在一定波动范围，数据存在相对误差，用加权系数法加以修正得到的基本事件发生概率如下：

P(X1)=0.3074，P(X2)=0.2732，

P(X3)=0.1023，P(X4)=0.268，

P(X5)=0.0147，P(X6)=0.1826，

P(X7)=0.2658，P(X8)=0.3416，

P(X9)=0.0013，P(X10)=0.0373，

P(X11)=0.1437，P(X12)=0.0208，

P(X13)=0.2015，P(X14)=0.0192，

P(X15)=0.3028，P(X16)=0.7034，

P(X17)=0.6207，P(X18)=0.0358，

用以上基本事件概率求出顶上事件的发生概率，用q1，q2，…，qn，(n=1，2，．．．，18)表示上述18个基本事件的概率，整个事故树只有与门和或门2类逻辑门，有与门相连接事件概率积函数为

g(q)==q1q2…qn

(1)

与门相连接事件概率和函数为:

g(q)=qi=1-(1-qi)

(2)

城市平面交叉口事故发生的概率函数为：

P(t)=1-(1-q17q18)1-qi

(3)

计算得到P(t)=0.9778，由此可见城市道路平面交叉口事故发生的概率非常大。

3.2.2基本事件概率重要度分析

考虑基本事件发生概率的变化对顶上事件发生概率的变化，则通过概率重要度予以计算。概率重要度的定义式为：

Ig(i)=

(4)

式中p(t)为顶上事件发生的概率q(i)为第i个基本事件发生的概率；Ig(i)为第i个基本事件的概率重要度。经计算得到各基本事件概率重要度如下：

Ig(1)=0.0319,Ig(2)=0.0301,Ig(3)=0.0243,

Ig(4)=0.0225,Ig(5)=0.0319,Ig(6)=0.0221,

Ig(7)=0.0297,Ig(8)=0.0331,Ig(9)=0.0218,

Ig(10)=0.0227,Ig(11)=0.0225,Ig(12)=0.0223,

Ig(13)=0.0273,Ig(14)=0.0223,Ig(15)=0.0218,

Ig(16)=0.0736,Ig(17)=0.0080,Ig(18)=0.1387,

由以上分析得知，在故障树中的18个基本事件中，X16(道路拥堵)、X8(未按规定让行)、X1(交叉口位置不合理)、X5(信号灯可见性不好)、X2(交叉口视距不充分)、X7(未按规定会车超车)对城市平面交叉口事故的概率重要度最大，也就是说降低这几个基本事件的概率能迅速有效地降低交叉口事故的发生概率，因此防控交叉口事故的主要措施为：①提高交叉口通行能力，缓解交叉口道路拥堵，②加强交通整治与管理，强制要求驾驶员按规定让行和会车超车，③对位置不合理的交叉口重新设计，④提高信号灯可见性，⑤针对不同情况采取相应措施提高交叉口视距。

4结语

本文基于故障树原理建立城市道路平面交叉口事故致因分析模型，并以18个常见且易引起交叉口事故的因素为故障树的基本事件，通过对前人研究成果与报告分析确定基本事件的发生概率，对城市平面交叉口事故故障树模型进行定性和定量分析，最终找出6个导致交叉事故的显著致因并提出相应防控措施，对改善城市道路平面交叉口交通安全水平有积极的指导意义。但是基本事件存在一定的相对误差，模型的精准性和实用性还需进一步优化。

参考文献：

[1]潘福会，陆键，项乔君，等，公路信号平面交叉口安全服务水平研究[J]．东南大学学报:自然科学版，2008，38(2)：298-303.

[2]孙立强，高惠瑛．城市道路平面交叉口交通事故分析[J]．中国水运，2007,7(2)：103-105．

[3]赵金宝,邓卫,王建．基于贝叶斯网络的城市平面交叉口交通事故分析[J]．交通信息与安全，2012，30(2)：88-91.

[4]邓蕙菁,王雪松,谢琨．基于交通冲突技术的交叉口事故多发点判别及致因分析[J]．武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2012,36(2):370-373.

[5]吴寻，陆键，项乔君，等．平面交叉口交通控制与管理不安全因素分析[J]．中国市政工程，2007，(1)：8-10.

[6]胡毅亭,陈网桦,卫延安.安全系统工程[M]．南京：南京大学出版社，2009.

Fault Tree Analysis for City Road Intersection Accidents

LIU Xing, LUO Jia

(School of Traffic & Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Abstract:Among city road traffic accidents,intersection accidents account for a large proportion of long term, effective and find out the main cause of the accident intersection, the fault tree analysis method of system safety analysis(FTA)applied to the city intersection accident research,establish the fault tree according to the influence factors of accident intersection and logical relati on the intersection, and find out the main cause of accidents throu-gh qualitative and quantitative analysis, to put forward effective measures to prevention and control of accidents,improve the safety of city intersection.

Key words：plane intersection;fault tree analysis

文章编号：1671-234X(2015)02-0001-04

中图分类号:U412.35-

文献标识码：A-doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.02.001

作者简介：刘星(1990-)，男，江西抚州人，硕士研究生，E-mail：starliu1990@163.com。

收稿日期：2015-04-27