基于HSM的山区农村公路交通安全设施评价和选用——以弯道路段为例

黄承锋，赵光惠，王 平

(1. 重庆交通大学 西部交通经济研究中心，重庆400074；2.重庆市规划设计研究院，重庆 401147； 3.重庆交通大学 管理学院，重庆400074)



基于HSM的山区农村公路交通安全设施评价和选用
——以弯道路段为例

黄承锋1，赵光惠2，王 平3

(1. 重庆交通大学 西部交通经济研究中心，重庆400074；2.重庆市规划设计研究院，重庆 401147； 3.重庆交通大学 管理学院，重庆400074)

针对山区农村公路交通事故多发的情况，引入了美国《公路交通安全手册》(HSM)中双车道乡村公路事故预测模型，并结合投影法对交通安全设施选用方案进行评价，提出了适用于山区农村公路的交通安全设施选用方法，并以弯道路段进行了示例。研究对于我国山区农村公路安保措施的选用，提高山区农村交通安全水平具有一定意义。

交通工程；HSM；山区农村公路；安全设施；投影法

农村公路是公路网的重要组成部分，是保障农村社会经济发展最重要的基础设施之一。农村公路包括县道、乡道和村道三个层次。县道一般采用三级、四级公路标准；乡道及村道采用四级公路或等外路标准[1]。笔者研究山区农村公路主要指三级、四级及等外公路。

山区农村公路受到山区复杂地形和建设资金限制，技术水平较低，潜在危险路段多，近年来山区农村公路交通事故数量逐年上升，恶性事故时有发生。合理设置安保设施是减少交通事故数量，降低事故烈度的有效措施，但山区农村公路安保建设中存在建设资金不足、技术人员专业水平低等问题，如何科学合理的选用安保措施成为一个亟需解决的问题。

通过引入美国《道路交通安全手册》(HSM)中双车道乡村公路事故预测模型中相关研究成果，以山区农村公路弯道路段为例对交通安全措施的选用进行了分析，计算了各类安保设施的安全性系数，并利用投影法对安保设施的安全性、适用性进行了综合评价，为山区农村公路安保设施选用提供了依据。

1 HSM模型概述

1999年美国运输研究委员会(TRB)经过讨论认为需要一个定性的模型和标准来判断道路的安全水平，于2000年成立了专门的小组对道路交通安全以前的研究成果进行了归纳整理，并进行了更加深入的研究和系统分析，于2006年出版了第一版的《道路安全手册》(HSM)，经过不断调整和完善，2010年形成第二版HSM。HSM通过对美国各州数10年来的大量事故资料统计分析和研究，总结了各种道路条件下(包括道路类型、线形条件、设施设置)的交通事故发生规律，建立了道路交通事故预测模型，并提出了安全问题诊断和改善对策。

HSM中包含了乡村双车道道路交通事故预测方法、乡村多车道路交通事故预测方法、城市及城市主干道交通事故预测方法。美国首先区分城市、郊区和乡村，将乡村描述为人口不超过5 000人的区域，进而定义乡村公路为在乡村中或在乡村附近的公路。乡村双车道道路交通事故预测方法中包括了所有类别和设置不同设施的乡村双向双车道公路，不包括4车道及4车道以上车道的公路，该模型涉及道路形式与我国农村公路较为相近。其基本预测模型[2]为：

(1)

式中：Npredicted为分段类型X在具体1年中的预测平均事故率；Nspfy为分段类型X通过SPF所确定的基本类型的平均事故频率；AMFyx为分段类型X特定的事故修正系数和具体的几何设计及交通特征y；Cx为调整SPF以适应分段类型X的当地特征。

SPF是在同一基本条件下，根据大量条件相同站点的观测数据建立的统计回归模型，决定的预测平均事故频率。

基本预测方法为将路段根据其线形要素、功能进行分段，通过大量统计规律得到特定道路情况下预测路段总体事故频率Nspfy，并消除当地实际事故率与总体事故平率的差异，得到该段的基本事故率；再根据分段道路具体特征，计算道路要素对整体事故预测的影响系数AMFyx，对预测模型进行修正，得到某个分段的预测事故数。对于同一路段Nspfy与Cx为固定的某个数，因此决定Npredicted大小的关键因素是AMF的值。其中AMF包含道路线形、环境、设施等各种道路特征对交通事故频率的影响，特定因素的AMF值是固定的，具有广泛适用性。

2 弯道路段安全分析

2.1 弯道路段存在的安全隐患

山区农村公路由于地形限制，存在大量小半径曲线，具有较大交通安全隐患。不考虑路侧情况下小半径曲线路段主要存在的安全问题通常有：

1) 线形突然改变，驾驶员未收到应有的提示信息，使车速过快而冲出路侧。

2) 弯道处视距三角区内存在植物、土方、建筑等障碍物，无法保证会车视距，导致对向车辆碰撞事故。

3) 由于车道宽度不足或驾驶行为原因，车辆占道行驶，在车速较快的情况下导致碰撞事故[3]。

2.2 弯道路段安全隐患解决对策

针对上述弯道路段存在的交通安全隐患，在山区农村公路上常采用以下措施对弯道路段进行改善：

1)改善道路条件：一般情况下影响弯道交通安全的主要因素为路段设计参数不合理，如弯道半径过小、未设置弯道加宽、超高设置不合理等。因此，改变弯道道路条件为改善弯道路段交通安全的有效措施。具体措施包括：改变道路线形、合理设置超高、弯道路面加宽。但这些措施往往工程费用较高且山区农村公路安保建设资金紧张而难以实施。

2)完善交通标志(A1)：设置交通标志有利于提示驾驶员前方道路线形变化，使驾驶员有充足时间进行操作，顺利安全通过弯道。适用于弯道路段的主要标志有：急弯标志、限速标志、建议速度标志等。

3)视线诱导设施(A2)：弯道路段线形变化往往较为突然，特别是夜间，驾驶员不易辨别线形走向。设置线形诱导标、路侧突起路标等诱导设施有助于引导驾驶员按照正确的路线行驶，避免冲出路侧等交通事故的发生。

4)车道隔离措施(A3)：车辆在弯道路段行驶时往往占道行车行为严重，占道行车易造成对向相撞事故。设置道路中心线、突起路标、橡胶隔离柱等车道隔离设施能有效减少占道行车行为，提高交通安全水平。

5)视距改善设施(A4)：弯道路段往往由于植被、土方、建筑等障碍物遮挡，导致平曲线内侧视距不良，对于行车安全具有较大隐患。因此，弯道路段视距不良时应采取视距改善措施，常采用的措施有安装反光镜、开挖视距台等。

3 弯道路段交通安全设施评价

在选用安保设施时首先应保障最基本的交通安全水平，在此基础上根据各地不同情况，在缺乏安保资金时应选择安全性及适用性最优的方案。选用程序如图1。

图1 交通安全处治方案选用流程Fig.1 Flow chart of selection of traffic safety treatment scheme

3.1 基于HSM的安全性系数计算

根据相关研究[4]得到弯道路段的安全性系数S路如表1。

表1 弯道路段安全性系数

(续表1)

评价参数运行速度/(km·h-1)弯道半径/m安全性系数S路40±535

从HSM中选取适用于弯道的各类安全设施中的典型设施AMF值作为各类设施的AMF值[2],如表2。为定量描述各类安全设施的效果，现将每类交通安全设施对道路安全水平的提升效果定义为设施的安全性系数Sx，其含义为：

(2)

表2 部分弯道路段安全设施AMF值

根据道路事故多发路段常用定义，1年内1段道路发生3起或以上道路为事故多发路段。取危险段最低标准3起事故[5]，即Nspfyx=3时，当道路条件发生改善时预期交通事故发生概率为小概率事件时(小于5%)为最基本安全条件，此时不考虑地区差异(Cx)AMFx≥0.016，根据式(1)得到安全性系数S≥60，即：

(3)

3.2 处治方案评价指标体系建立

3.2.1 安保设施处治因素分析

在选用山区农村公路弯道路段的处治方案时除考虑设施的安全效果外，还应综合考虑资金状况、可实施性等方面，以选取最佳方案。由于山区农村公路安保建设施工机械缺乏，施工水平低，选用处治方案时应考虑施工难度、养护难度、养护频率等，同时也应考虑方案对环境的影响。另外，方案对交通的影响也是处治方案选用时需考虑的因素。经济性方面，主要涉及建设费用及养护费用两方面。

3.2.2 指标体系构建

综合考虑影响山区农村公路弯道路段交通安全处治的因素，构建评价指标体系，确立评语集U，如表3。

表3 处治方案评语集

3.2.3 权重确立

权重是各个指标在评价指标体系中的重要程度的度量，权重数的确定直接影响着评估的准确性。权重的确定方法有主观赋权法和客观赋权法，为了保证评价结果的客观性，并使评价更趋于实际，笔者利用AHP法[6]确定评价指标中的权向量。

通过制作评分表，由专家(共20人，9名交通安全专业，3名交通工程专业，3名道路施工管理专业，5名农村公路管理人员)评分确定。评分内容包括两方面。首先专家根据自身专业和知识经验，自我评价对该问题的权威程度，取[0,1]，0表示完全不了解，1表示完全了解，对各位专家的打分进行归一化处理，得到先验权重W先。其次，专家针对三级公路、四级公路和等外公路的侧重点不同，确定指标中不同的因素相对于上个指标而言的重要性，利用9分制对其进行赋值，建立判断矩阵，解出对应的特征向量，归一化处理后可得到对应的后验权重W后。由W先乘以W后得到3组矩阵，对于单个指标权重的统计服从正态分布，专家意见较为集中。通过求加权平均数得到最后的权重W，如表4。

表4 评价指标权重确立

3.2.4 指标测评

各子指标评价量值的确定分为定量和定性指标。定量指标是通过实际计算获取，包括安全系数、建设费用。其他指标通过德尔菲法得到。设定评语集V={优、良好、一般、差}。各指标属性值与对应级别之间的关系如表5。

表5 评价指标等级划分区间

3.3 基于投影法的处置方案综合评价

采取投影法对多种处治方案进行评价。投影法[7]是把每1个指标类作为1个维度，从而将1个多指标的方案化为多维的方案向量，通过备选方案的决策向量在理想方案决策向量方向的投影值大小来进行综合评价。

3.3.1 建立决策矩阵

设安保设施选用方案集为F={F1，F2，F3，…，Fn}，评价指标集U={U1，U2，U3，…，Um}，方案Fi对指标Uj的属性值(指标值)yij(i=1,2,…n;j=1,2,…,m)，用Y=(yij)n×m表示多目标决策矩阵[8]，即：

(4)

3.3.2 指标处理

不同的评价指标往往具有不同的属性值，因此在决策前应将决策矩阵Y中的各项指标进行量化处理。

收益型指标：

(5)

成本型指标：

例2:(ST)东亚中国2010年12月31日的资产负债表、2010年度的利润表和现金流量表根据中华人民共和国财政部颁布的企业会计准则（2006）的规定编制，并经毕马威华振会计师事务所上海分所审计(东亚银行年度报告：2010)[6]。

(6)

记量化处理后的决策矩阵为：

Z=(Zij)n×m，Zij∈[0，1]。

3.3.3 加权无量纲决策矩阵

在权重的作用下，增广型加权规范化决策矩阵C=(Cij)n×m，Cij∈[0，1]。

3.3.4 确立最优方案

如果把每个方案的指标属性值看成一个行向量(矢向量)，则每个决策方案Ai与理想方案A*之间的关系可用三角余弦表示。决策方案Ai与理想方案A*之间的夹角余弦值为

(7)

决策方案Ai的模为

(8)

Di=di×ri，i=1，2，…，n

(9)

4 处治示例

某乡道急弯危险路段，弯道半径12 m，运行速度28 km/h，弯道外侧设有混凝土护栏，弯道处视距不良。该弯道路段曾经发生1起轻微事故。现提出如下5个整改方案：

方案1：粘贴式诱导标+反光镜+警告标志+振荡中线；

方案2：立柱式诱导标+开挖视距台+警告标志+中心实线；

方案3：警告标志+中心实线；

方案4：粘贴式诱导标+警告标志+中心实线；

方案5：开挖视距台+警告标志+粘贴式诱导标+反光镜

根据条件，确定该路段属于等外公路。由表1可知，该路段安全性系数为25，根据表2得到各方案采取设施的安全性系数。该路段的道路管理人员、交通安全设施设计人员、道路施工人员等共5人进行方案打分，通过计算均值得到如表6数据。

表6 路线评价指标及数据

首先，根据公式计算得到，各方案的安全系数总计分别为69.25，69.25，33.3，60.97，67.83，其中方案3的安全系数总计为33.3≤60，因此达不到安全标准，直接剔除方案3。

现根据方案1，2，4，5，得到多目标矩阵，如下：

对指标进行量化处理，于安全性系数指标利用式(5)，其他指标根据式(6)，量化处理后得到：

根据表4可以得到该路段的权重W=(0.371 2, 0.147 8, 0.070 1, 0.290 1, 0.120 8),由此得到增广矩阵C=(Cij)n×m，Cij∈[0，1]。

模型式(7)，得到决策方案与理想方案的夹角余弦ri为：

r1=0.893 5，r2=0.242 2，r4=0.181 1，r5=0.483 1

根据式(8)，得到决策方案的模di为：

d1=0.361 5，d2=0.089 8，d4=0.067 1，d5=0.278 9

根据式(9)计算得到决策方案在理想方案上的投影Di为：

D1=0.323 0，D2=0.021 7，D4=0.012 2，D5=0.134 7

根据各决策方案在理想方案上的投影值大小排序为D1>D5>D2>D4，故方案1为最优方案，与实际情况相符，如图2。

图2 弯道路段处治方案Fig.2 Treatment scheme of bend section on rural road

5 结 语

引入美国《公路安全手册》中交通事故模型中道路线形指标及道路安全设施对交通事故的影响系数，采用投影法对山区农村公路的安保设施选用方案进行了定性和定量评价，综合考虑道路条件及设施的安全性、经济性、可实施性等，提出了安保方案的选用方法，并以山区农村公路最常见的弯道路段的安保方案选用作为示例，确定了最佳方案，在我国安保建设资金缺乏，基层工作人员技术水平较低的情况下，提高山区农村公路交通安全水平具有一定现实意义。

在山区农村公路危险路段处治时，应根据实际情况进行考虑，如景观、经济等因素在每条路上要求及条件不尽相同，但均应保障最基本的安全。提出了一种安保方案选择的思路和模型，可供基层工作人员及相关研究人员进行参考。

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Evaluation and Application of Traffic Safety Facilities on Rural Roadin Mountain Area Based on HSM —A Case Study of Bend Sections

Huang Chengfeng1, Zhao Guanghui2, Wang Ping3

(1. Western China Transportation Economy Society Development Study Center, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Chongqing Planning & Design Institute, Chongqing 401147, China; 3. School of Management, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to more accidents happened on rural roads in mountain area, the two-lane rural highway accident prediction model of American “Highway Safety Manual” (HSM) was introduced. HSM was combined with the projection method to evaluate the traffic safety facilities selection program, and the selection method of safety facilities on rural roads in mountain area was proposed, and the sharp bends sections were taken as examples. The study is meaningful to the selection of security measures on rural roads in mountain area and the enhancement of the mountainous rural transport safety.

traffic engineering; HSM; rural roads in mountain area; security measures; projection method

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.18

2013-09-10；

2013-10-12

黄承锋(1965—)，男，重庆人，教授，博士，主要从事交通经济方面的研究。E-mail：805011870@qq.com。

U 491.5

A

1674-0696(2015)05-089-06