基于交通安全度的无信号控制交叉口交通安全评价方法

2022-03-26余培恒

山东交通科技 2022年1期

余培恒

（中国人民公安大学交通管理学院，北京 100038）

引言

作为道路网络节点，交叉口范围内各流向车辆之间交通冲突频繁，机非混行、违法行驶等现象较为普遍。现有调研结果表明，交叉口处交通事故约占事故总量的一半，而无信号控制交叉口的交通冲突、交通混行以及交通事故状况最严重，其安全设计要求也最高。因此，对无信号控制交叉口交通安全状况进行客观评价至关重要，是交通管理部门进行针对性措施的基础和依据。

国内外学者在交叉口交通安全评价方面做了大量研究。针对十字形无信号控制平面交叉口处的交通事故起数提出预测方法，该方法将四个进口方向的交通流量进行计算处理，将得到的计算值作为事故起数预测值[2]。以主要道路与次要道路进口的交通量为参数建立数学模型对交叉口一定范围内的交通事故起数进行预测计算[3]。巴布可夫[4]对各方向车流量、车流交角、转弯半径等因素进行分析，提出了对交叉口交通流交错点处的交通事故起数进行预测的交叉口危险度评价模型。张春平和景天然[5]对上海部分地区的交叉口交通事故历史数据进行分析，提出了根据交叉口的交通饱和度、车辆组成、交叉口间距、交叉口形状等相关因素确定交叉口事故率综合影响系数的方法对，交叉口交通安全水平进行评价。李凯[6]针对道路交叉口车辆追尾建立预测模型，并发现车辆行驶的间距、车辆制动效果及速度差对追尾事故发生概率的影响尤为显著。

目前，交叉口交通安全评价方法主要是对交通事故所涉及的来自人、车辆、道路环境等方面的风险因素进行分析，根据交通事故的特征规律描述这些风险因素对交叉口的安全影响，进而对交叉口交通安全进行评价。这些评价方法对事故样本的数量要求巨大，评价周期长，在实际应用中这些方法还会受到事故统计体系不完善和录入失误的影响[7]，局限性明显。

1 无信号控制交叉口交通安全风险影响因素分析

1.1 交通冲突与交通事故的相关性

依据交通冲突与交通事故的定义可知，二者的成因与前期过程完全一致，唯一的区别在于是否发生了损害结果。张苏［8］假设并证明了交通冲突与交通事故二者发生概率的差异存在规律性特征，即二者各项代表性参数存在强相关关系。

以所选取各市区交叉口的交通冲突与事故数据对二者相关性做进一步阐释，表1 是利用所选交叉口在一定时段内的年均交通事故数量与时均交通冲突量进行相关性检验的结果。

表1 6 个市区54 个交叉口的事故数与冲突数相关统计

交叉口交通事故与冲突相关性检验的结果表明，交通事故与冲突的发生数呈强相关关系，R 值＞0.9；取a=99%置信水平，P 值＜0.01。由此可知，交通冲突与交通事故的相关性较强。

1.2 无信号控制交叉口交通安全风险影响因素与交通冲突的关系

交通冲突指交通过程中的驾驶人与其他驾驶人发生会车、超车、追尾等交通遭遇时，有可能引起损害后果发生的交通现象，也可表述为一方驾驶人在感知到事故危险后采取有效避险行为的交通事件。由定义可知，交通冲突由驾驶人的驾驶行为造成，而交叉口的交通流特性直接对驾驶行为造成影响。从交通流与交通冲突的关系入手，选取与交通流运行相关的无信号控制交叉口交通安全风险影响因素，分析这些风险影响因素与交通冲突的关系。

选取观测小时的时均冲突数与时均混合当量交通量的比值（TC/VPH）作为交通冲突率，以反映风险因素对交叉口冲突的影响程度。对交通流特性与交通冲突的关系进行阐述[9]。

1.2.1 交叉口总流量与交通冲突

在无信号控制交叉口总流量在不高于1 600 veh范围内，交通冲突率随总流量的增加而增加；当交叉口总流量高于1 600 veh 时，冲突率的变化区域平稳且有下降趋势。

1.2.2 相交道路流量比与交通冲突

交叉口总流量确定时，相交道路的流量分布差异也会对交通冲突率产生影响。相交道路其中一条的流量占无信号控制交叉口总流量比例小于40%时，该条道路流量占比上升会导致交叉口冲突率大幅升高；而占比在40%～60%的范围内，则冲突率的上升速度相对平缓。

1.2.3 小型车比例与交通冲突

交通组成是交通流运行的重要特征。在缺乏管控措施的无信号控制交叉口，不同类型的车辆在行驶速度、转向、变速等方面存在的差异会对交通冲突率产生较大影响。将车型分为小型车与大型车，无信号控制交叉口的交通冲突率在小型车比例上升至0.7 之前呈上升趋势，超过0.7 之后交叉口冲突率随小型车比例的上升而快速下降。

1.2.4 左转车比例与交通冲突

左转车辆是交叉口组织管理的重点和难点，无信号控制交叉口的左转车辆与交叉口各个进口道车辆均存在交通冲突，且左转车辆在交叉口内停留的时间较长，进一步提升了冲突发生的可能性。左转车比例在达到0.15～0.25 时对无信号控制交叉口的影响最大。

2 基于交通安全度的安全评价过程

2.1 基于交通安全度的交通安全评价原理

交通安全度是一个“数”，是通过分析评价对象的交通安全风险影响因素、构建评价对象的评价指标以及确定指标权重等分析、统计、计算过程得出的。根据交通安全度数值所在的区间，确定交叉口所处的交通安全等级，进而可根据交通安全等级，采取有针对性的交通安全防范措施，来提高交叉口的交通安全水平，服务于道路交通安全管理工作。提出基于交通安全度的无信号控制交叉口交通安全评价方法的原理思路，交通安全度的计算是本方法的重点，结合实测数据，对交通安全度的计算过程进行阐述。

2.2 交通安全评价指标的确定

定义与各个交通安全风险因素对应的评价指标，基于实测数据，采用曲线拟合的方法，得到各个评价指标的量化表达式，从而各个交通安全风险因素的动态变化将反映在相应的评价指标上，也使评价指标更能体现风险因素对交通安全的影响。

2.2.1 交通安全评价指标与风险影响因素的定量关系

（1）与交叉口总流量对应的评价指标及其定量

当交叉口总流量上升至1 600 veh 时，交通冲突率由持续上升转变为下降趋势。故引入与交叉口总流量对应的评价指标R1，设交叉口总流量为P1，则R1取值：

将与交叉口冲突率进行二次抛物线拟合，得到R1关于P1的回归方程：

（2）与相交道路流量比对应的评价指标及其定量

相交道路其中一条的流量占比在40%～60%的范围内时冲突率的上升速度相对平缓，流量占比在55%左右时冲突率的变化最大。故引入相交道路流量比对应的评价指标R2，设道路流量比为P2，则取值：

将P2与交叉口冲突率进行二次抛物线拟合，得到R2关于P2的回归方程：

（3）与小型车比例对应的评价指标

交叉口交通冲突率的变化趋势在小型车比例到达0.7 前后由上升转变为下降。引入小型车比例对应的评价指标R3，设小型车比例为P3，则R3取值：

将与交叉口冲突率进行二次抛物线拟合，得到R3关于P3的回归方程：

（4）与左转车比例对应的评价指标

引入左转车比例对应的评价指标R4，设左转车比例为P4，则取值：

将P4与交叉口冲突率进行二次抛物线拟合，得到R4关于P4的回归方程：

2.2.2 交通安全评价指标权重分析

当评价指标一定时，指标权重对评价结果有很大影响。为使指标权重更加合理，采用层次分析法与熵权法相结合的综合方法确定评价指标的权重。

层次分析法根据问题的性质与总目标，将问题分解为不同因素，并将这些因素按不同层次聚集组合，从而使问题归结为最低层相对于最高层优劣次序的排定。熵权法根据指标值变化波动的程度确定客观权重，某个指标变化程度越大往往该指标所提供的信息量也越多，其权重也就越大。层次分析法依赖专家的主观打分，而熵权法取决于数值的客观变化情况，两者相结合既能避免所得权重过于主观又能避免一味地注重指标数据而对评价总目标的忽略。

（1）熵权法确定权重

经实地调研，采集实际交叉口的相关指标数据，并使用熵值法判断上述评价指标的指标权重。交叉口是G112 国道与S356 省道位于河北省遵化市的无信号控制十字形交叉口，交叉口内无物理渠化，交通标志设置不全且部分标志设置位置不恰当，交通标线存在褪色、磨损现象，路面状况较为良好。调取该交叉口两个工作日全天8 h 的监控录像，调取时段分别为7 ∶00—11 ∶00、14 ∶00—18 ∶00。根据调查监控内容整理出所需数据见表2。

表2 G112/S356 交叉口调查数据

①数据标准化

假定给了m项指标X1，X2，…，Xm，其中Xi={X1，X2，…，Xn}.假设对各指标标准化后的值为Y1，Y2，…，Ym。

若指标为正向指标（指标值越大越好），则Yij：

若指标为负向指标（指标值越小越好），则Yij：

所研究的评价指标均为负向指标，经计算得到各指标的标准值，结果见表3。

表3 评价指标标准值

② 各指标在各进口道下的比值

计算各项指标在各进口道中占该指标的比值。计算结果见表4。

表4 各指标比值

③各指标的信息熵及权重

根据信息论中对信息熵的定义，令第j 项指标在第i 个方案中占该指标的比重为Pij，则一组数据的信息熵Ej：

通过信息熵计算得到各指标的权重Wj：

式中：n—进口道个数；Ej≥0，若Pij=0，Ej=0。

各指标熵值及指标权重见表5。

表5 各指标熵值及权重

（2）层次分析法（AHP）确定权重

①根据专家打分法构造评价指标判断矩阵

评价指标重要性判断矩阵见表6。

表6 评价指标重要性判断矩阵

② 对构造结果进行一致性检验

一致性指标CI：

式中：λmax—判断矩阵的最大特征值；n—判断矩阵的阶数。

查找其对应平均随机一致性指标RI，见表7。

表7 RI 数值

计算一致性比例CR：

若CR ＜0.1，则认为判断矩阵的不一致程度在可接受的范围之内，即一致性合格通过检验。

将结果代入MATLAB 计算程序得到CI 的对应数为0.046 3，CR 的对应数值为0.051 4（＜0.1），符合一致性检验；AHP 权重见表8。

表8 AHP 权重

（3）指标组合权重

假设熵权法所求得指标的权重为vi，AHP 法求得权重为wi，则无信号控制交叉口交通安全风险评价指标的组合权重：

求得组合权重见表9。

表9 指标组合权重

3 无信号控制交叉口安全评价模型构建

3.1 评价模型的构建

在得到四项风险因素指标值及权重的基础上，将各风险指标乘以对应的指标权重，再将各指标乘积求和得到一个综合影响系数，这个系数就是交通安全度。用计算得到的交通安全度评价无信号控制交叉口的交通安全程度。

式中：K1n—无信号控制平面交叉口交通安全度；Ri—无信号控制平面交叉口风险评价指标值；—无信号控制平面交叉口风险评价指标权重；n—指标个数，n=4。

3.2 安全等级的划分

交通安全度的数值大小一定程度上表征了交通安全水平，但数值难给人以直观的交通安全程度的印象，需按一定标准将计算结果划分给对应的安全等级。在采集了江西省、北京市多个无信号控制交叉口安全评价模型所需数据并带入模型后得到各个交叉口的交通安全综合影响系数，根据交通安全度数值分布结合实地调查的主观感受，将无信号控制交叉口的交通安全等级分为3 个等级，划分结果见表10。