双车道公路交通安全设施有效性评价方法研究

王 凯, 姜文龙

(中国人民公安大学交通管理学院， 北京 102623)

0 引言

交通安全设施主要包括交通标志、交通标线、护栏和栏杆、视线诱导设施、隔离栅、防眩设施、避险车道和其他交通安全设施[1]，其设置为预防和减少事故发生、降低事故严重程度起着不可或缺的作用。交通部在全国实施的“安全生命防护工程”重点对农村及山区等级较低的双车道公路进行道路条件及交通设施的改善，为客观评价其交通安全设施的实际改善效果，其有效性能否满足交通安全的需求，特需要开展交通安全设施的有效性评价研究。在评价方法研究方面，赵利苹等[2]将经验贝叶斯法用于安全设施有效性的评估中，并提出了评估的流程和步骤，但对于低等级公路来说，事故数据往往难以获得或者统计不全面，使得此方法的适用性受到一定限制。米晓艺等[3]提出了评价农村公路交通安全设施有效性的5个指标，并对某双车道急弯路段速度和运行轨迹的数据进行了分析，但其指标中农村公路的交通事故指标往往难以准确获得，且生理指标和满意度指标的测量过程相对繁琐，不利于实施。王艳辉等[4]建立了安全设施评价指标体系，并将跨部门信息等理论和方法用于安全设施评价中，但在评价过程中指标体系的构建很少涉及到设施对车辆运行的影响，难以衡量设施的实际作用效果。黄承锋等[5]将美国《公路交通安全手册》中双车道事故预测模型应用于农村交通安全设施评价和选用。高振鑫等[6]分析评价了双车道公路中各类减速设施的减速效果，张铁军等[7]分析了减速设施设置位置，以提高减速设施有效性，这些研究均有利于提高道路安全性。本文在对先前研究的总结发展基础上，从设施的作用效果——对驾驶人和车辆运行影响的角度出发，构建双车道公路交通安全设施有效性评价指标体系，用于对二级公路和农村低等级公路中双向两车道的公路进行交通安全设施有效性评价，以促进交通安全设施对交通安全的积极作用。文章最后以吉林省三莫公路为例，进行了交通安全设施有效性的评价分析。

1 交通安全设施有效性评价指标

1.1 一级指标选取

一级指标的选取主要从以下几个方面出发：指标应包括交通安全设施对驾驶人和车辆两个方面的作用效果；双车道公路一般为中、低等级公路，设施种类相对高等级公路较少，但其评价应至少包含公路常见交通安全设施；选取的指标应具有可操作性。根据以上几个方面，最终选定交通标志、交通标线、护栏设施、速度、运行轨迹5个一级指标，其中交通标志、标线反映了设施对驾驶人视线诱导作用的效果，护栏设施反映了事故发生后设施对驾驶人安全防护作用的效果，速度和运行轨迹反映了通过设施对驾驶人的作用进而对车辆运行产生的效果。

1.2 评价指标体系

在对双车道公路中的安全设施进行评价时，细化5个一级指标，根据可操作性的原则最终选取14个二级指标构成双车道公路交通安全设施有效性评价体系，如图1所示。

图1 双车道公路交通安全设施有效性评价指标体系

1.3 权重计算

权重是各个指标在整个公路交通安全设施有效性评价指标体系中重要程度的体现，权重的合理与否直接影响着最终的评价结果。层次分析法(Analytic Hierarchy Process, 简称AHP)是把复杂的系统按照一定的结构分解为若干个子系统，然后通过两两比较的方式确定层次中各个子系统相对重要性的一种方法，该方式不仅可以结合定性指标和定量指标，而且对于确定多个权向量方面也十分有效，因此本文使用该方法确定指标体系中各指标的权向量。为简化运算过程，本文使用AHP辅助软件Yaahp构建层次结构模型并计算判断矩阵，经计算后最终得到各评价指标的权重值，如表1所示。

表1 评价指标权重值

2 交通安全设施有效性评价

评价体系中标志、标线和护栏设施指标通过定性评价方法进行评价，速度和运行轨迹指标使用定量评价，其中定性指标经由交通专业人员采用打分法确定评价值，定量指标通过实地调查获取数据并进行处理进而得到评价值。然后将各指标的评价值通过隶属函数确定其隶属于各个评价等级的隶属度。最后由各指标的单因素模糊评价集构成模糊评价矩阵并进行计算评价。

2.1 定性指标的等级评判

定性指标由交通专业人员根据《道路交通标志和标线》(GB 5768—2009)《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D8l—2017)《公路交通安全设施施工技术规范》(JTG F71—2006)以及《公路交通标志和标线设置手册》(JTG D82—2009)等相关标准或规范中关于标志、标线和护栏设施的规定进行综合评分。评分等级分为好(90～100)、较好(80～90)、一般(60～80)、较差(40～60)、差(0～40)共5级。

2.2 定量指标的等级标准

2.2.1 速度

(1)大小型车速度离散率

车速值分布的离散程度越高，越会增加路段交通冲突的等级，进而对道路交通安全的影响也越大[8]。吕晓宇等人[9]对速度离散性和事故率之间的关系进行了研究，引入了大小型车速度离散率(式1)，并通过对海南省两条公路的速度和事故情况的分析，得到了大小型车离散率和事故率的关系模型，如图2所示。

(1)

图2 大小型车速度离散率与事故率关系模型

根据大小型车速度离散率和事故率的关系模型及美国联邦公路署研究报告(FHWA-RD-99-174)中安全水平和事故率的对应关系见表2，对大小车型速度离散率等级划分，如表3所示。

表2 安全水平和事故率对应关系

表3 大小车型速度离散率等级划分

(2)运行速度与限制速度差

由于不同路段的坡度、曲线半径、路侧危险程度等道路环境以及历史事故等方面存在差异，若直接采用速度作为评价指标，将无法建立一个适用于所有路段的速度评价等级范围，所以使用运行速度与限制速度差这一指标对道路的限速效果进行衡量。宋津[10]通过实验仿真的方式对一条S型双车道的二级公路进行了车速评价，在整个路段中共3个直道和2个弯道，分别对40～80 km/h区间内共五个限速条件下的车辆速度进行采集。经过仿真分析，最终得到各种限速值条件下运行速度与限速值的差值分布，参考其研究成果对运行速度与限值速度差的等级标准进行划分，如表4所示。

表4 运行速度与限制速度差等级划分

2.2.2 运行轨迹

运行轨迹和车速一样，均为交通安全设施作用于车辆运行状况的外在表现，当车辆的实际运行轨迹与期望运行轨迹出现较大偏差时，容易引发刮擦或碰撞交通事故。因此，需要将道路中心线越线率和第85%位行车轨迹偏移量作为评价指标来衡量交通安全设施对车辆运行轨迹的控制效果。

道路中心线越线率是指某一断面越过道路中心线的车辆数量所占总体车辆数的比例，行车轨迹偏移量是车辆实际行驶轨迹(车辆左右轮轴线与道路中心线的距离)和期望行驶轨迹(行车道中心线与道路中心线的距离)的差值，根据相关学者[11-14]对不同曲线半径的弯道中道路中心线越线率和行车轨迹偏移量的统计分析，对其等级标准进行划分，如表5所示。

表5 道路中心越线率和第85%位行车轨迹偏移量等级划分

2.3 指标体系的计算

本文采用模糊综合评价法进行指标体系的计算，该方法是一种运用模糊集合理论对被评价对象进行综合评价的方式。此方法将定量和定性相结合，对多要素、多层次的复杂问题有着较好的评价效果。

2.3.1 建立模糊集

根据已构建的指标体系，将二级指标作为交通安全设施有效性评价的因素集，共13个指标：标志设置完整性U1，标志信息过载率U2，标志信息识读性U3，标线识别性U4，标线与标志协调性U5，以此类推，即U=(U1，U2，U3，U4，U5，……，U13)。

2.3.2 建立评语集

评语集V={好，较好，一般，较差，差}={100，85，70，50，30}。

2.3.3 确定隶属度函数

隶属度是对事物模糊性的一种度量，在综合模糊评价中含义为因素Ui属于Vi评价等级的程度，取值范围为[0，1]，值越接近于1说明隶属于此评价等级的程度越高。本文中从一个评价因素Ui(i=1，2，……13)出发进行评价，利用半梯形和梯形分布函数确定评价对象对评语集元素Vi(i=1，2，3，4，5)的隶属度rij。

2.3.4 模糊综合评判

依据隶属度函数计算每个评价指标的单因素模糊评价集：

R1=(r11,r12,r13,r14,r15)
R2=(r21,r22,r23,r24,r25)
⋮
Rn=(rn1,rn2,rn3,rn4,rn5)

(2)

然后由各单因素评价集构成模糊评价矩阵：

(3)

利用矩阵乘法运算，将权向量A=(a1,a2,a3,…,an)与模糊评价矩阵进行计算，得到关于评价对象的模糊综合评价向量B。最后，将评价向量与标准向量进行运算，便可获取交通安全设施有效性评价的最终评分。

(4)

3 实例分析

吉林省三莫公路处于延边朝鲜族自治州，大部分路段属于二级公路，本文选取其中的K142+700至K143+000这一路段进行交通安全设施有效性评价，该路段为双车道二级公路的回头弯路段，路段限速值为40 km/h，且属于路侧险要路段，因此，对该路段进行交通安全设施有效性的评价对于提升本路段道路安全水平有着重要的意义。

针对交通标志、交通标线、护栏设施3个方面中的定量指标，由10名交通专业人员对其进行综合评价，速度数据使用雷达测速仪进行现场测量并记录，运行轨迹数据使用录像法获得，经处理后各指标评判值整理如表6所示。

表6 指标评判值

根据评判值和阶梯形和半阶梯形隶属度函数计算各指标的隶属度，结果如表7所示。

根据上表得到单因素评价矩阵如公式(5)所示。

表7 各评价指标的隶属度值

(5)

该路段的交通安全设施有效性评价结果B=A·R=(0.398，0.507，0.515，0.410，0.088)，将B进行归一化处理，得到B=(0.207，0.264，0.269，0.214，0.046)，根据标准向量{100，85，70，50，30}进行得分值的计算，最终评分为74.08，说明该路段中交通安全设施的有效性属于一般水平。现有交通安全设施的作用效果不足以满足道路交通安全的需要，在对车辆运行速度和运行轨迹的控制方面效果略差，应增加交通安全设施以降低运行速度、矫正车辆运行轨迹，进而提高道路安全水平。

4 结论

本文将运行速度和运行轨迹等指标用于双车道公路交通安全设施有效性评价指标体系中，使用Yaahp软件辅助确定各指标权重，并构建数学模型对交通安全设施进行模糊综合评价，通过实例分析证明这一方法是可行的。先前曾有学者将速度和运行轨迹作为交通安全设施的评价指标，但是，并没有给出其等级标准，本文在相关学者对于双车道公路中速度与事故率的研究以及对于运行轨迹的相关研究基础上，根据其研究成果对等级标准进行了划分，补充完善了评价过程，对于双车道公路中的交通安全设施有效性的评价具有积极作用。

但是，本文中评价指标的等级标准划分方面仍然需要进一步改进。由于缺少在不同技术指标的路段的轨迹越线率和越线距离观测数据以及轨迹与事故数据之间的关联分析，并且不同地区、不同路段的速度和事故率关系也会不同，因此，本文中给出的速度指标和运行轨迹指标的等级标准其精确性仍然需要通过实测数据的补充来进一步完善。并且由于本文在等级标准划分时所引用的数据均来自对双车道公路的研究，所以本方法目前还只能适应于双车道公路，对于双车道以上的公路需要重新划定指标评价的等级标准，这使得其适应性受到限制。