几何设计对快速路立交匝道行车安全性的影响*

李宙峰　孙　剑

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室　上海 201804；

2.深圳市交通控制与仿真工程中心　深圳 518004)



几何设计对快速路立交匝道行车安全性的影响*

李宙峰孙剑▲

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海 201804；

2.深圳市交通控制与仿真工程中心深圳 518004)

摘要由于城市快速路转向交通流量大、线形设计标准低，快速路立交匝道成为交通事故的多发点。利用上海市快速路3年事故数据和交通流量检测数据，以上海市浦西地区快速路立交匝道为研究对象，根据车辆在匝道上的行驶特征以及车辆交互特性，将立交匝道划分成出口段、衔接段和入口段及左转匝道、右转匝道等5个研究单元，针对各单元分别建立负二项模型分析匝道几何设计及其组合参数、交通流特征对于安全的影响。结果表明，出口段及入口段的安全性与几何特征的联系较为紧密；迂回式左转匝道相较于右转匝道受几何线形影响大；流量越大、长度越长，事故风险越高，但出口段的长度与事故发生呈负相关关系；出口处为直线、入口处存在长直下坡路段、入口处线形与主线差异大的立交匝道安全性差；迂回式左转匝道上存在过小半径曲线，特别是将小半径曲线设置在出口处，会极大增加事故几率。

关键词交通安全；快速路立交匝道；安全分析；负二项模型；几何设计；行驶特征

*国家科技支撑计划(批准号：2014BAG01B01)、深圳市政府科技计划(批准号：CXZZ20130322101420409)资助

0引言

快速路立交匝道连接两相交快速路，是交通流相互转换的关键通道。一方面，由于其几何线形以曲线为主，同时受城市用地的严重制约，因此相关的立交匝道类型、几何设计等无疑会对行车安全产生重要影响。然而，现行的国内外相关设计规范却缺乏参数指导。另一方面，现有针对快速路安全方面的研究多侧重于基本路段及辅道驶入、驶出匝道，对立交匝道安全研究未引起足够的重视。

城市快速路立交无固定设计形式可遵循，其几何线形的复杂性对安全分析工作提出了更高的要求。目前国内对于立交安全的研究大多处于偏理论、偏宏观定性的分析，基于实际事故数据细致、深入的基础性研究仍然十分缺乏。本文的目的是在详细分析不同立交匝道几何特性的基础上，建立事故发生频数与立交匝道特征之间关系的统计分析模型，以期全面、精细化分析影响不同类型立交匝道，特别是不同线形组合对安全的影响，为立交匝道的规划、设计、管理及相关工程改善措施提供依据。

1研究综述

国外围绕匝道安全影响因素进行了一系列研究，按照研究对象可分为立交匝道和地面辅路驶出、驶入匝道两类。Twomey等[1]通过对以往大量研究的回顾与总结，探讨了几何布局、立交间距等对于立交安全性的影响。得出的结论与建议包括：立交匝道的平曲线应尽可能平缓，且避免使用最小半径的极限值；匝道出口段应避免使用小半径平曲线；匝道中不应出现长直线末端接小半径平曲线这一不利线形组合。Bauer等[2]随后建立了统计模型分析立交匝道及其相邻的变速车道上所发生的事故数与几何设计、交通流量和区域类型等影响因素之间的关系。结果表明，交通流量与事故发生联系最为紧密，除此之外，区域类型、匝道类型、匝道长度、变速车道长度也对事故发生存在显著影响。Janson等[3]则对高速公路匝道及其附近分、合流区域所发生的卡车事故特征进行了研究。研究指出，事故率并不与匝道类型显著相关，但是和事故类型以及事故发生位置的关系显著；流量高的匝道其事故率较低，但是这样的匝道仍然可能是一个事故黑点。McCartt等[4]应用统计学方法对立交事故的特征进行了研究。将立交划分为主线、匝道、集散道路、匝道端部及被交线5个部分。统计结果表明，50%以上的立交事故发生在入口匝道端部，另有约36%发生在出口匝道端部；匝道事故多发生在夜晚、恶劣天气时段或匝道的曲线部分。Chen等[5-6]围绕驶出匝道的安全影响因素也进行了大量研究。将车道数、车道布置类型作为考察重点，建立了事故频数与几何设计、交通流量以及管理控制方式等因素之间关系的统计模型。结果表明，车道布置类型、主线AADT、匝道AADT、减速车道长度、右路肩宽度及主线限速等都会对事故发生产生显著影响。Kim等[7]则针对韩国地区喇叭形立交的S形匝道进行了专门研究，结果表明，随着流量的增加，事故几率增加；增加小圆半径有利于减少事故的发生。

国外针对事故频数分析模型也进行了大量探讨。泊松模型是最基本的计数模型，早期应用泊松回归对事故的安全影响因素进行了分析[2,8]。但是，大部分事故数据过于离散，并不符合泊松模型中均值等于方差的基本假设[9-11]，负二项模型则能够很好的适应事故数据过度分散的特点，因此被广泛运用[5-6,9-12]。除此之外，随机参数计数模型[13]、人工神经网络[14]和广义估计方程[15]等也相继应用到事故频数数据的分析工作中。

国内也有一些学者对立交匝道的安全进行了研究。李爱增等[16]对城市快速路互通式立交的最小间距，王春娥[17]对高速公路立交变速车道的长度分别进行了探索。梳理国内外的这些研究工作，大多数研究均将立交作为一个整体进行考察，分析不够细致深入。同时，对于匝道几何设计的影响，大部分也集中在如半径、坡度等单一衡量指标上。然而，城市快速路立交匝道形式多、线形组合复杂，单一线形特征不能完全反映事故致因。本文的贡献在于，基于海量的事故统计数据，将立交匝道细分为多个研究单元，从微观角度对事故和几何设计关系进行深入挖掘，重点分析不同线形组合对安全的影响。

2研究对象及分类

笔者以上海市浦西地区所有快速路与快速路相交的10座立交匝道为研究对象(由于受事故数据采集所限，仅能分析以上路段立交)。为了对立交匝道的安全影响因素进行精细化分析，同时结合上海市快速路立交的实际特点，将立交匝道分类成如下研究单元：根据车流转向将匝道划分成左转匝道和右转匝道；根据车辆在匝道上行驶过程将匝道划分成出口段、衔接段和入口段。分类的具体说明如下。

1) 左转匝道和右转匝道。右转匝道线形简单且易于布置，形式较单一；左转匝道相较于右转匝道，所需提供的转角更大，其形式更为复杂多样。根据上海快速路左转匝道的实际特点，笔者将左转匝道又细分为3类。类型1为环圈式匝道，其特点是左转车辆驶过正线跨线构造物后向右回转约270°达到左转目的，无需额外跨线构造物；类型2为迂回式匝道，其特点是左转车辆采用绕行、迂回的方式到达相交道路，车辆行驶距离较长；类型3为类环圈式匝道，它与环圈式较为相似，不同点是车辆在匝道入口、出口部分均有较长的直线路段作为缓冲，因此其长度要大大长于类型1。

2) 出口段、衔接段和入口段。一般可将车辆在匝道上的行驶过程划分为三部分，即分流减速行驶、匀速或变速行驶和加速合流过程，相应的可将1条转弯匝道的组成分为三部分，即驶出道口部分、中间匝道路段部分和驶入道口部分[18]。根据车辆在匝道上这一运行特征，同时结合立交匝道几何设计的实际特点(许多匝道上存在分、合流点)，将匝道划分为出口段、衔接段和入口段3部分。若匝道上存在分流点，则分流鼻与分流点之间的部分为出口段；若1条匝道上同时存在分流点及合流点，则处在分流点与合流点之间的部分为衔接段；若匝道上存在合流点，则合流点与汇流鼻之间的部分为出口段。

3 数据准备

3.1数据来源

本研究收集了从2010年9月1日到2013年8月31日共3年发生在所有研究对象立交匝道上的异常事件数据，并从中进行筛选、分析和质量校核，得到2 233条碰撞事故信息。所研究的立交共包括23条左转匝道(17条为迂回式左转匝道)、26条右转匝道、17条出口段、25条衔接段以及18条入口段，将这2 233条事故数据按其发生位置进行归类整理，得到各条左转匝道、右转匝道及出口段、衔接段和入口段的事故记录。

3.2变量筛选与采集

安全影响因素的筛选来源于3个方面：①已有研究；②设计规范；③工程经验(通过立交设计人员访谈)。已有的研究主要考虑几何设计、交通特性及环境3类变量，包括：交通流量、长度、匝道类型、减速车道长度、匝道车道数、主线车道数、匝道路肩宽度、匝道纵坡、曲线半径、曲线密度、曲线转角、匝道设计车速、主线设计车速、匝道出、入口布置类型、用地类型、大车比例、路表状况、天气状况、光线条件等[1-2,5-7,9-15,19]；设计规范中对车道宽度、路肩宽度、路缘宽度、视距、圆曲线最小半径、竖曲线最小半径、最大纵坡、纵坡长度和直线最大、最小长度等有相应规定；实际工程中主要考虑避免一些不利的平、纵线形组合，如反向曲线之间插入短直线、连续急弯线形、长直线上设置陡坡、短直线接小半径平曲线、弯坡路段等。以上3方面是变量来源的基础，同时需要结合实际情况对这些变量进行筛选。首先，快速路立交匝道有其自身特点：多为2车道，车道宽度、路肩宽度遵循相同的标准，各主线及各匝道限速基本相同，匝道线形复杂多变；其次，笔者的研究分类较多(出口段、入口段和衔接段及左转、右转匝道)，不同研究对象特点不同，影响其安全的因素也不尽相同。

根据上述原则，对已有研究、设计规范和工程经验中包含的大量潜在因素进行认真分析、辨别，反复筛选后最终确定了13个研究变量，见表1。

由于本文包含多个研究分类， 因此表1对各个研究分类所考虑的变量进行了说明。利用立交设计图纸，同时通过Google Earth卫星地图、实地测量进行补充，采集匝道长度、曲线半径等几何设计信息；交通流量通过线圈检测器采集的数据计算得到。以下对其中一些相关变量进行补充说明。

1) 出口布置类型及入口布置类型各有3种，见图1～2。

2) 曲直比是一个衡量弯曲程度的指标，能够综合反映路段的半径、转角大小及平直程度。

3) 小半径平曲线指半径小于150 m的曲线。

4) 长直下坡路段指路段平面线形为直线，长度不短于150 m，且纵断面为上坡。

5) S形曲线数目指存在反向曲线的数目。

6) 入口处线形与主线一致指入口段平面线形与主线基本平行，流入角较小。

7) 主要纵坡的分类依据的是研究段起、终点的高差，同时考虑是否存在竖曲线。凸形纵坡和凹形纵坡分别表示纵断面中存在“凸形”和“凹形”竖曲线。

表1　自变量说明

图1　出口布置类型Fig.1　Types of exit-layout configurations

图2　入口布置类型Fig.2　Types of entrance-layout configurations

注：A，B，C，D，E分别代表出口段、衔接段、入口段、左转匝道和右转匝道。

4结果分析

根据快速路事故数据的实际特点，采用负二项模型分别对出口段、衔接段、入口段、左转匝道和右转匝道进行建模分析。由于负二项模型已经广泛应用，笔者不再对模型形式赘述。在左转匝道中，由于环圈式和类环圈式的样本较少，且这两者与迂回式的线形差异较大，因此仅对迂回式左转匝道进行建模分析。本文的事故数据集计长度为1年，共包括3年的数据。对于集计长度为1年、且存在多年事故数据情况的处理，Miaou[10]和Milton等[19]是将每1年的数据视作一个单独的样本，笔者也采用类似的做法。在应用负二项模型时，通常会将暴露变量处理成对数形式[5-6,9,12]，因此将代表事故暴露的研究段流量和长度分别处理成对数AADT和对数长度2个变量。

4.1模型估计结果

应用STATA软件，按照以上要求将数据输入，得到各个模型参数估计值及模型检验结果，见表2。5个模型离散系数的p值均小于0.01，即可认为离散系数均显著大于0，这说明事故数据具有过度离散的特征，选用负二项模型是合适的。在表2中，由于受实际数据所限，主要纵坡在各个模型中的分类结果不尽相同。在出口段模型中，主要纵坡分成3类：上坡、平坡和下坡，以上坡作为参考；在迂回式左转匝道、右转匝道模型中，则被分成了上坡、下坡及凸形纵坡3类，同样以上坡作为参考。

4.2安全影响因素分析

结合表2中5个模型的估计结果，对匝道安全影响因素的分析如下：

对数AADT、对数长度作为暴露变量，在5个模型中均对事故发生存在显著影响，这也被其它研究所证实[1,5-6,9-11,13-15,19]。在这些研究中，暴露变量都与事故发生频数呈正相关关系。但在出口段模型中，长度增加反而会降低事故可能性。车辆在驶出出口段时，需经历分流过程。在流量大、车速快的情况下，如果出口段长度过短，则会造成驾驶员分流操作困难，增加碰撞可能性。

出口处存在曲线在出口段、迂回式左转匝道及右转匝道3个模型中的系数都为负，表明出口处的曲线相较于直线而言，能够降低事故可能性。一般认为，车辆从主线驶入匝道时的车速较高，出口处设计成曲线，则可能会造成驾驶员因转弯困难而发生碰撞。但模型结果却给出了相反的答案。实际数据中，若出口处存在曲线，其半径一般都在150 m以上，高于匝道设计车速所对应的最小半径一般值。这些曲线的存在，不仅不会造成危险，反而有利于驾驶员在出口处减速，以较低的速度在匝道上行驶。

存在小半径平曲线在不同分段模型中的显著

表2　负二项模型估计结果

注：p值大于0.1时变量不显著；表中空白处表示该变量不在相应模型中应用。性有所差异。在出口段模型中，存在小半径平曲线会显著增加碰撞可能性，Twomey等[1]的研究也证实了这一点。结合前面得到的结论-出口处的曲线有利于安全，两者进一步说明，出口处存在适宜半径(不低于极限一般值)的曲线才能够对行车安全有利。车辆在匝道上行驶是一个先减速后加速的过程，刚驶入匝道的车辆速度较高，此时不宜采用过小半径的曲线。当车辆行至入口段，此时车辆仍然处于一个低速的状态，因此能够适应较小半径的曲线。衔接段模型的结果进一步验证了这一想法。在衔接段模型中，作为反应线形弯曲程度的2个指标-曲线最小半径和曲直比，在模型中都是不显著的，这说明车辆在匝道中间部分行驶时受几何线形的干扰小。但从整条匝道来看，迂回式左转匝道的回归结果表明，曲线最小半径越小，事故可能性越大，且其系数绝对值较大，说明影响程度较大，因此仍然应该避免在匝道设计时使用最小半径的极限值，文献[7]，[10]，[14]和[19]也证实了这一结论。

入口处存在长直下坡路段在入口段、迂回式左转匝道模型中的系数都为正且显著，这表明入口处存在长直下坡路段会导致发生事故的几率增加。长直下坡路段本身为不利线形组合；布置在入口段更会使得驾驶员在匝道上提前加速。入口处线形与主线一致也在入口段、左转匝道模型中显著，但是它将降低事故发生的可能性。车辆以较小的角度驶入主线使得汇入过程更顺畅，更有利于行车安全。

在迂回式左转匝道模型中，下坡与凸形纵坡2个变量均显著，回归系数分别为1.09和1.61，表明主要纵坡为下坡或凸形纵坡要比上坡发生事故可能性分别增加exp(1.09-0)-1=196%，exp(1.61-0)-1=399%。这可能是由于将匝道的整个纵断面设计成上坡形式，车辆会始终以相对较低的速度在匝道上行驶，更易于驾驶员应对平面线形的变化。

以往研究表明，出口车道布置类型和减速车道长度均会对匝道安全产生显著影响。然而根据表2的结果，出口布置类型在模型中并不十分显著。同样的，减速车道长度在各个模型中也几乎不显著。从原始数据中发现，上海市立交匝道减速车道的长度较长，普遍都在150 m以上，甚至更长。较长的减速车道使得3种出口布置类型之间的差异性变小，也使得驾驶员对于减速车道的长度变化不敏感。入口布置类型在入口段、迂回式左转匝道、右转匝道模型中也几乎全不显著。

曲直比和S形曲线数目是表征匝道整体弯曲程度的2个变量，它们在所有模型中的p值都基本大于0.1，表明对事故发生不存在显著影响。事实上，路段上存在较多曲线并不一定会增加事故可能性。Haynes等在针对新西兰地区交通事故的研究中就发现，道路曲率最大的区域其事故率并不比其它区域事故率高[12]。

5结论

1) 出口段、入口段其安全性与几何特征的联系较为紧密，而驾驶员在衔接段行驶时受几何线形的干扰较小；左转匝道与右转匝道相比较，左转匝道在模型中的显著变量要多于右转匝道，受几何线形的影响更大。

2) 流量越大、长度越长，事故产生的风险越大，但在出口段中，长度越长反而有利于降低事故发生几率。

3) 出口处为直线、入口处存在长直下坡路段、入口处线形与主线有较大差异的立交匝道事故几率分别要高于出口处为曲线、入口处不存在长直下坡路段、入口处线形与主线一致的立交匝道。

4) 出口处的小半径平曲线会增加事故发生可能性，设置在衔接段和入口段则对事故发生无显著影响，但从整条左转匝道看，使用过小半径的平曲线会显著增加事故几率；纵断面为上坡的迂回式左转匝道安全性要优于下坡、凸形纵坡两种类型。

尽管由于受事故数据采集所限，本文的研究对象数量偏少，但本文的研究结果仍可以为立交匝道的规划、设计、管理提供参考。在规划设计层面上，应当对左转匝道，特别是出口处和入口处的几何线形进行精心设计，适当提高出口处的长度与曲线比例，尽量使用较高的设计标准。在管理层面，需要重点关注那些入口处为长直下坡路段、入口线形和主线差异较大、存在较小半径平曲线的立交匝道，这些匝道往往可能是事故的多发点。

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An Analysis of the impact of Geometry Design to the safety

of Interchange Ramps of Urban Expressways

LI Zhoufeng，SUN Jian

(1.KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China;

2.EngineeringCenterforTrafficControlandSimulation,Shenzhen518004,Guangdong,China)

Abstract：interchange ramps of Urban expressways, serving a large number of turning flow and with a low design standard, are accident-prone. In order to evaluate the safety of interchange ramps, accidents data and traffic flow data in recent 3 years at Puxi Expressway in Shanghai are collected. Based on vehicle behavior and interactive features of vehicles on the ramps, interchange ramps are divided into 5 study units: exit segment, connecting segment, entrance segment, left-turn ramp and right-turn ramp. For each unit, a Negative Binomial Model is developed to analyze the relationship among road geometry design features, their composite effect and traffic flow, and their impacts on safety. The results show that the safety of exit and entrance segments is closely related to geometry design. Compared with right-turn ramps, the left-turn roundabout ramps are more likely to be affected by geometry design. With a higher traffic flow or longer road segment, the risk of traffic accidents is higher. However, longer exit segments are safer. The ramps that have straight line at the exit, or have long-straight downhill section at the entrance, or have a large design difference between entrance and main segment, are less safe. There are more traffic accidents taking place on left-turn roundabout ramps with small radius curve, especially when the curve is located on the exit of ramps.

Key words：Traffic safety；expressway interchange ramps；safety analysis；negative binomial model；geometry design；driving characteristics

通信作者：▲孙剑(1979-)，博士，教授.研究方向：交通仿真与实验、交通系统分析与优化.E-mail: sunjian@tongji.edu.cn

作者简介：第一李宙峰(1990-)，硕士研究生.研究方向：城市交通系统建模与仿真.E-mail: lzf901022@126.com

收稿日期：2015-10-07修回日期：2015-11-24

中图分类号：U491.3

文献标志码：A

doi：10.3963/j.issn 1674-4861.2015.06.014