城市道路信号交叉口安全评价体系的构建与应用

汪 莹，黄 新

(1.南京交通职业技术学院，南京 211188；2.南京林业大学 土木工程学院，南京 210037)

城市道路交叉口是城市道路系统中重要的节点，其功能是把不同方向的道路连接起来，构成路网，从而使得车辆可以在路网中实现自由转向和交叉。在城市道路交叉口处，各种方向和各类交通流互相穿梭、交汇，彼此之间互相作用、相互冲突，再加上信号灯的存在使交通流进一步被中断，又存在着闯红灯，不遵守交通规则等驾驶不良习惯，从而导致了交叉口成为城市道路的交通事故多发地。如何在确保交叉口通畅的同时，提高交叉口的安全性能，不仅对整个交通系统的安全水平有着十分重要的影响，而且也关系到整个城市的发展。要想提高交叉口的安全性能，首先必须明确何种交叉口才是安全交叉口，而要想明确所谓的安全交叉口，就离不开对交叉口进行科学合理的安全评价。

1 城市道路交叉口安全评价研究

对于交通安全的定义，目前主要有两种基本观点：一是传统安全理论，认为安全就是无危险、无事故；二是现代安全论，认为安全是指事故对人造成的危害低于人类所能承受的限度，安全是在具有一定危险性条件下的状态，并非绝对无事故。本文研究的交通安全问题是指现代安全论的相对安全[1]。

1.1 安全评价的目的

所谓的交通安全评价就是以保证使用者安全为目的，从预防交通事故发生的可能性和降低交通事故发生后的严重性出发，对交通系统所进行的全方位安全评价，是一种预防交通事故和提高交通安全性的重要手段。

交叉口交通安全评价的目的是通过分析交叉口潜在的安全隐患，提出合适的安全对策，消除安全隐患或者以最低成本降低安全隐患的负面影响，从而保证交通项目在全寿命周期内都满足使用者的需求，为使用者提供可靠合格的交通安全服务。

1.2 安全评价的步骤

交叉口交通系统是由人、车、路和环境等各个子系统组成的复杂大系统，在这个复杂的大系统中，各个子系统彼此之间相互依赖、影响和作用。在安全评价过程中，如果忽视了相关子系统之间的彼此影响，评价结果都将是不全面的、不客观的和不科学的。因此，交叉口交通安全的评价应是对交通各系统的一个综合评价，一般包括以下几个步骤(如图1所示)。

图1 系统综合评价步骤

1.3 安全评价方法的选择

目前，国内外对于交叉口的安全评价方法主要有两大类，一类是从交叉口不安全的表现结果和形式出发的评价方法，称为结果评价方法，如基于交通事故统计的评价方法和基于交通冲突技术的评价方法；一类是从导致交叉口不安全的因素出发的评价方法，称为原因评价方法，如交通安全诊断技术等。在上述安全评价方法中，不管是以交通事故统计为基础的评价方法与基于交通冲突技术的评价方法都存在着一定的缺陷，都不能够在较短的时间内，比如几个小时，对交叉口的交通安全情况作出正确的评价；或者由于有些国家或地区不具有事故统计资料，而无法进行基于事故的评价；或者由于人力、财力的问题，不能展开交通冲突的调查观测，而无法进行基于交通冲突的评价。基于以上考虑，为了更加准确、有效地评价交叉口的交通安全，以及考虑到不同国家获得评价数据的能力，通过参考大量国内外文献，本文套用众多研究和设计人员都熟悉的服务水平的概念来应用于交叉口的安全研究方面，选择基于安全服务水平的原因评价方法来评价交叉口的交通安全性[2]。

安全服务水平(Level of Service of Safety 简称LOSS)是一种通过衡量各类交通设施运行状况及其安全好坏的感受标准。交叉口的安全服务水平是指交叉口使用者从交叉口范围内的几何特征、交通控制和交通环境等方面可能得到的交通安全服务质量。在国内外相关文献中提到有关安全服务水平这个说法，最早可以追溯到1972年Yu提出的公路通道的安全服务水平(Safety Level of Service)。Yu 基于美国弗吉尼亚州交通事故数据，以百万车英里受伤率为指标，对公路通道的安全服务水平进行了划分[3]。目前国内外对于交叉口交通安全服务水平的研究主要集中在以下两大方面：一方面是对交叉口事故预测模型的研究，例如张苏[4]、钟小明[5]、孙明玲[6]、冯丽生[7]、刘小明[8]和张杰等[9]；另一方面是对交叉口交通安全服务水平划分的研究。

1.4 安全评价的思路

利用交叉口的安全服务水平来评价交叉口的安全性，主要是通过采集关于交叉口的类型、交通流量状况、几何特征和配套设施等可能影响交叉口交通安全的因素，构建出交叉口安全评价指标体系，通过计算模型确定出安全服务水平大小，并在此基础上对安全服务水平进行分级量化，从而可以客观评价城市道路各交叉口所能提供的安全服务程度，进而可以为危险性较大的交叉口的安全设计和安全改造提供借鉴和参考。

2 城市道路信号交叉口安全评价指标的确定

2.1 交叉口交通安全影响因素分析

交通系统是由人、车、路和环境等多种要素综合构成的一个动态系统，在城市道路交叉口的各组成部分中，“人”是中心，“车”是纽带，“路”是基础，“环境”是条件，彼此之间相互制约、相辅相成。交叉口交通事故是在特定的交通环境下，因人、车、道路和环境所构成的动态影响因素在某些环节上不可靠、不平衡、不稳定所导致种种的冲突与矛盾，从而引发的。

其中人的因素主要包括了交通安全意识、驾驶行为等；车的因素主要包括了车辆的主动安全性和被动安全性等；而路的因素主要包括了交叉口的几何条件、交通控制和交通流特性等；环境因素则包括自然环境和社会环境。

2.2 交叉口交通安全评价指标的择选

由于上述影响交叉口交通安全的因素既有主观方面的因素，又有客观方面的因素，而安全服务水平概念的本意更多地是从交叉口本身所具有的物理条件出发，研究在正常交通运行条件下，交叉口本身所能够提供的交通安全水平。基于上述原因，结合评价指标筛选的原则，本文采用定性分析与定量计算相结合方法，首先通过定性分析和利用专家知识、经验对影响因素进行归类合并，完成初步筛选，然后通过定量分析，进一步筛选出主要的与合理的评价指标。具体操作中，考虑交叉口相对固定的物理特征，隐含交通安全性能特性的交通冲突，以及具有空间和时间变化性的交通特性，将基于安全服务水平的交叉口交通安全的评价指标体系划分为交通冲突、交通特性和交通物理特征3大类，构建确定城市道路信号控制交叉口安全评价指标体系(如图2所示)。

图2 信号控制交叉口安全评价指标体系

3 城市道路信号交叉口安全评价结构的构建

3.1 评价结构的构建思路

在上述构建的评价指标体系中，考虑到城市道路平面交叉口在规划、设计和建造完毕并投入使用以后，它的交通物理特征情况将不会发生大幅度或者频繁的改变，所以可以将其归结为影响交通安全的静态影响因素，而交通冲突情况和交通特性情况则是影响交通安全的动态影响因素。由于这3类评价决策层的特点不一样，所以本文参照常见的城市道路交叉口安全性能的研究方法，首先假设静态因素处于理想状况，选择动态影响因素(交叉口交通冲突情况和交通特性情况)来建立安全评价主模型，然后再考虑静态影响因素(交叉口交通物理特征情况)对交叉口安全可能造成的影响，建立安全评价的修正模型，通过修正模型计算出修正系数，最后用此修正系数修正得到的基于主模型的安全服务水平，从而得到实际交叉口的安全服务水平。

3.2 评价结构的模型及参数

3.2.1 主模型的构建

由于冲突点的存在是导致交叉口不安全的根本原因，也是交叉口发生交通冲突或交通事故的根本原因，为了比较好的表达交通冲突点对交通安全的重要性，在此引用潜在危险度的涵义来评价交叉口的安全状况。潜在危险度是指交叉口内存在的不同种类的冲突点可能造成的实际交通冲突或事故的严重程度，潜在危险度越大，说明交叉口内可能发成的实际交通冲突或事故越严重，交叉口越不安全。考虑到信号控制交叉口有信号灯的控制，一方面交叉口的冲突点数量会减少，另一方面交叉口内所存在的冲突点并不能同时发生作用，所以在分析冲突点导致的潜在危险度时，根据每个相位实际所获得的通行时间，来加权计算一个信号周期内的总的冲突点数，鉴于黄灯时间仍然有可能通过交通量，故通行时间取绿灯时间与黄灯时间之和[10]。按照这一思路，构建交叉口冲突点造成的潜在危险度计算模型见公式(1)：

(1)

式中：PDS为信号控制交叉口潜在危险度；c为交叉口冲突点的类型，包括机-机冲突、机-非冲突和机-人冲突；Wc为各类型冲突点的权重；PDSC为c类型冲突点造成的信号交叉口潜在危险度，包括了PDs机-机，PDs机-非，PDs机-人，可按公式(2)计算：

(2)

式中：i为c类型冲突点的种类；Ni为i种类冲突点的个数；gr为r相位的绿灯时间(s)；yr为r相位的黄灯时间(s)；T为相位信号周期长度(s)；GMi为i种类冲突点的恶性程度。

由于影响交叉口安全的动态因素还包括了交通特性方面的因素，该因素能够影响冲突点实际发生的概率，所以还应考虑不同交通主体的交通状况对交叉口潜在危险度带来的影响，在此取影响系数Kc来对上述模型进行修正，所以构建主模型见公式(3)：

(3)

式中：PDS′为信号控制交叉口修正潜在危险度；Kc为交通特性影响系数，包括K机，K机-非，K机-人.

3.2.2 修正系数模型的构建

如前面分析，交叉口的静态因素——交通物理特征也对交叉口的交通安全有较大影响，如果交通物理特征在实际交叉口中被合理的设置，并且状态良好或维护及时，将对交叉口的安全产生积极的作用；反之，这些交通物理特征在实际交叉口中没有被合理的设置或实际状态很差，将对交叉口安全产生较大的负面作用。

考虑到交通物理特征指标包含了很多影响因素，本文选用基于灰色关联度的模糊层次评价方法来确定交叉口交通物理特征的修正系数，具体步骤如下。

(1)评价指标集的确定

根据确定的信号控制交叉口安全评价指标体系(如图2所示)，建立物理特征指标部分的评价指标集如下。

C={P7，P8，P9，P10，P11}={几何特征，路面属性，信号灯，标志标线，照明条件}。

其中：P7={P7，1，P7，2，P7，3，P7，4，P7，5}={纵坡度，交叉角度，交叉口视距，车道设置情况，物理渠化措施}；

P8={P8，1，P8，2}={路面平整性，路面抗滑性}；

P9={P9，1，P9，2，P9，3}={信号灯相位设置，绿灯间隔时间，信号灯可视性}；

P10={P10，2，P10，3，P10，4}={标志标线的设置，标志标线的可视性，标志信息量}；

P11={P11，1，P11，2}={路灯设置情况，路面完整性}；

(2)评判集的确定

根据交通物理特征对交叉口危险度的影响情况，确定评判集V={V1，V2，V3，V4}={严重，较严重，一般，无}。

(3)确定指标权重集

根据上述评价指标集，采用层次分析法分别确定各物理特征指标权重集W={W1，W2，W3，W4，W5}及其子指标权重集Wj={α1，α2，…，αk}，具体确定过程见下文。

(4)构建模糊评价矩阵

通过对各类物理特征指标进行采集打分，从中选出各个子指标的打分均值Pk作为最优值，构成最优指标序列P0=(P01，P02，…，P0k)，式中P0k(k=1，2，…，n)为第k个子指标在各个评价指标中的最优值，通过标准化法对原始序列进行无量纲化处理，取分辨系数ρ=0.5进行关联系数计算，按照评判集的要求，构造出各物理特征指标对交叉口安全服务水平影响的模糊评价矩阵。

(5)综合修正系数计算

确定完各评价指标的模糊评价矩阵后，利用公式B=A×R确定出交通物理特征总修正系数，确定信号交叉口修正系数计算见公式(4)：

(4)

式中：MF为信号控制交叉口交通物理特征总修正系数；j为交通物理特征评价指标索引，包括几何特征、路面属性、信号灯、标志标线和照明条件；Wj为j评价指标的权重，以反映不同交通物理特征评价指标对交叉口安全服务水平的不同影响程度；Kj为j评价指标的模糊评价矩阵。

3.2.3 总模型的构建

根据上述主模型和修正系数模型综合得到信号控制交叉口安全评价的总模型，见公式(5)：

Ds=PDs′×MF。

(5)

式中：Ds为信号控制交叉口危险度，即信号控制交叉口安全服务水平评价指标；PDS′为信号控制交叉口修正潜在危险度；MF为信号控制交叉口交通物理特征总修正系数。

3.2.4 模型参数权重的确定

上述确定的交叉口安全评价模型中，涉及到各类评价指标参数，而这些评价指标的权重大小将直接影响到模型的最终计算结果。

(1)不同类型冲突点造成的交叉口潜在危险度权重Wc确定

由于目前交通事故没有按照冲突类型进行分类以及统计其经济损失，故不能从交通事故造成的经济损失角度来计算得到该权重，所以本文利用专家对不同冲突点可能造成交通危险的认识，通过专家调查法获得数据，应用层次分析法进行分析得到权重，结果见表1。

(2)同一类型冲突点中不同种类冲突点恶性程度GMi的确定

在交叉口安全评价主模型中，需要确定同一类型冲突点中不同种类冲突点的恶性程度。这些冲突点是指机动车与机动车冲突点中的交叉冲突点、合流冲突点和分流冲突点；机动车与非机动车冲突点中的直行机动车与非机动车冲突点、左转机动车与非机动车冲突点、右转机动车与非机动车冲突点；机动车与行人冲突点中的直行机动车与行人冲突点、左转机动车与行人冲突点、右转机动车与行人冲突点。本文在分析不同种类冲突点的恶性程度时，主要根据收集到的交叉口事故资料的状况，适当的对其统计分类进行微小调整，采用事故率方法来计算得到，结果见表1。

(3)物理特征评价指标权重Wj以及其子评价指标的权重αk确定

参照上述参数权重确定的思路，本部分的权重确定仍然通过专家调查法和层次分析法来获得，结果见表1。

表1 模型参数权重汇总表

4 城市道路信号交叉口安全评价准则的划分

通过上述建立的评价结构，确定了以模型的计算结果——交叉口的危险度这一综合指标来反映交叉口安全服务水平，危险度数值越小的交叉口，其安全服务水平越高，所对应的交叉口越安全；反之，危险度数值越大的交叉口，其安全服务水平越低，其对应的交叉口越危险。

4.1 安全服务水平的量化

为了使交叉口安全服务水平具有区分性，以及与我国城市道路设施的服务水平等级相协调，本文参考相关文献，把交叉口安全服务水平分为4级(1～4级)，分别对应交叉口安全、一般安全、不安全、危险。通过实例数据采集，依据计算出来的危险度数值的分布情况，按照±1.5σ的偏差范围，并考虑实际城市道路信号控制交叉口的变化性、多样性，及以后交叉口采用接入管理技术的可能性，分别确定信号控制干线性交叉口安全服务水平建议等级标准(见表2)和信号控制集散性交叉口安全服务水平等级建议标准(见表3)。

表2 信号控制干线性交叉口安全服务水平等级标准

表3 信号控制集散性交叉口安全服务水平等级标准

4.2 实例验证

为了更好的验证上述安全评价模型，项目组选取了浙江省衢州市6个典型交叉口[10-14]进行了实例分析，通过调查交叉口典型交叉口高峰小时流量[15-17]表(见表4)、交通特性和交通物理特征指标情况，计算交叉口冲突点数量，代入模型，最终确定上述6个交叉口的安全服务水平见表5。

表4 衢州市典型城市道路交叉口高峰小时流量表

表5 衢州市城市道路典型交叉口安全服务水平等级

通过和相关规划参考资料[16]比对，发现上述评价结果和以主观验证方法、安全问题诊断方法或交通冲突方法来评价交叉口安全性的结果基本上吻合，从而证明利用安全服务水平来评价交叉口的交通安全性具有良好的合理性。

5 结束语

安全服务水平是一种通过衡量各类交通设施运行状况及其安全好坏的感受标准，利用本文所述安全评价模型，除了可以对已建成交叉口进行安全分析外，还可以将其作为对交叉口进行安全设计、安全分析和管理的基本依据，贯穿于我国交通工程建设的各个阶段。

(1)用于交叉口的安全设计

利用安全服务水平，可以通过比对不同交叉口设计方案下预估的安全服务水平的高低，间接的衡量其安全效果的优劣，从而为安全标准的制定提供一种思路和方法。

(2)用于交叉口的管理和养护

交叉口的安全服务水平实际是一种动态的水平，它会随着交叉口的使用时间的推移而发生变化，在对交叉口的管理与养护措施进行时机分析时，安全服务水平高低也可作为衡量的依据，在进行基于安全服务水平的交叉口评价时，如果交叉口的安全服务水平等级判断为3级，建议进行安全改善；如果交叉口的安全服务水平等级为4级，则必须进行安全改善。

【参 考 文 献】

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