高速公路出入口匝道安全性评价方法研究

曹　实，熊　刚

（1.河海大学土木与交通学院，南京　210098；2.新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐　830016）

高速公路出入口匝道安全性评价方法研究

曹实1，熊刚2

（1.河海大学土木与交通学院，南京210098；2.新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐830016）

为了解决出入口匝道安全性问题，减少高速公路出入口匝道事故率，从道路因素、车辆因素及其他因素选取评价指标构建模糊综合评价模型，对高速公路出入口匝道的安全性进行评价，并采用层次分析法计算各因素的权重。应用该评价模型对仁赤高速公路K15+225 m出口匝道进行详细的安全评价，并针对评价结果给出相应的安全改善措施。另外，应用该模型还对仁赤高速公路全线12个出入口匝道的安全性进行评价，结果表明：58%以上的出入口匝道处于临界安全状态。

高速公路出入口匝道；层次分析法；模糊综合评价；安全改善措施

截止2013年12月底，我国高速公路通车里程已突破10万km，超越美国的9.2万km，居世界第一。随着通车里程不断增长，高速公路在道路运输领域中的地位越来越不可替代。而高速公路出入口匝道是车辆合流、分流的特殊路段，其承担着高速公路与其他各等级公路连接的任务，存在车辆加速、减速等复杂的驾驶行为，容易造成驾驶员心理紧张、操作失误，引发交通事故。通常，高速公路出入口匝道属于事故多发路段，事故率是普通路段的4～5倍，安全问题比较突出［1］。

目前，国内外学者对高速公路出入口匝道安全性进行了大量研究。1998年，M Aldrin对加速车道的合流特性进行了研究，并提出了延误理论，以延误时间为安全评价指标［2］。2000年，Yasser Hassan和S.M.Easa利用计算机仿真研究了匝道线性对驾驶员与匝道安全的影响［3］。2002年，Huajing Shi通过分析入口匝道汇入延误特性，以汇入车辆延误作为指标，建立了安全评价指标的模型［4］。2003年，李嘉等从行车安全性角度出发，对事故多发的高速公路出入口匝道和加减速车道的设计进行了安全性分析［5］。2005年，毛子珍在分析出入口匝道交通运行特征的基础上，提出了匝道拥堵后的改善对策［6］。2011年，阎莹等在分析了出入口区域交通特征基础上，提出了以制动减速度和不安全密度指数作为出入口安全评价的指标，并建立了风险评价模型［7］。2013年，Zheng Z和AHN研究了高速公路与出入口匝道连接处的合流特性，并构建了高速公路事故与匝道交通量的函数及预测模型［8］。

为了提高出入口匝道的安全服务水平，使高速公路更好地服务于社会，迫切需要对高速公路出入口匝道的安全性问题进行研究。本文针对高速公路出入口匝道，从设计、道路、车辆等因素选取评价指标对出入口匝道进行安全性分析，并应用模糊综合评价法对高速公路出入口匝道进行安全评价，针对评价结果划分不同的安全分级，并给出相应的安全改善措施。

1　高速公路出入口匝道安全现状

高速公路出入口匝道是供车辆驶出或驶入高速公路主线的路段，其具有利用匝道端部及匝道圆曲线来控制半径之间车辆运行速度的过渡功能。研究表明［9］，高速公路交通事故中，很大一部分发生在出入口匝道及其附近，而由于缺乏对高速公路出入口匝道安全性的研究，致使近年来出入口匝道事故率逐年增长，严重影响高速公路的服务水平和安全状况，主要表现在以下几个方面［10］：

1）出入口匝道交通流导入方式不尽合理。

由于高速公路加速和减速车道划分不够明显，导致出入口匝道流出点不明确，驾驶员不能够提前辨识出入口匝道而出现心理紧张，导致操作失误，引发交通事故。

2）出入口匝道设计选位比较模糊。

合理的高速公路出入口匝道选位能够提高出入口匝道的通行能力和交通安全，节省行驶时间。而目前出入口匝道的设计选位存在不重视相关路网规划的调查、对出入口交通流量缺乏调查以及未结合城镇发展规划来考虑等问题，导致选址不合理，致使出入口匝道附近经常发生交通冲突，从而影响高速公路主线交通。

3）出入口匝道间距过小或渠化不明确。

我国高速公路设计过程中，由于对出入口匝道间距的合理设置缺乏研究，因此经常出现相邻2个或多个出入口匝道间距过小，导致驾驶员在选择出入口匝道时犹豫不决，甚至出现错误判断的现象。有些驾驶员由于精力过度集中于出入口匝道而忽略了左后侧车辆，导致事故发生。加之高速公路出入口匝道渠化不够明确，出入口匝道经常会出现车辆抢道的现象，从而更增大了事故发生的可能性。

通过以上分析可以发现，高速公路出入口匝道安全状况较差，属于事故易发路段。因此，本文将选取对高速公路出入口匝道安全影响最大的因素，应用模糊综合评价法对其进行评价，并给出相应的改善措施。

2　评价指标选取

运用模糊综合评价法对高速公路匝道出入口进行安全评价，选取高速公路出入口匝道安全影响因素作为评价指标，构建模糊综合评价模型。

虽然道路因素在交通事故原因中不及人的因素占的比例大，但人的因素较难控制和把握，而道路因素在一定程度上是引起驾驶员失误的诱因，因此，道路因素是交通事故发生的深层次原因［11］。本文从道路因素、车辆因素及其他因素3方面选取指标对高速公路出入口匝道安全进行分析。道路因素包括平面因素、纵断面因素以及横断面因素；车辆因素包括交通量因素、交通组成因素以及运行车速因素；其他因素包括视距以及匝道端部设计因素，见表1。

3　高速公路出入口匝道安全性评价

3.1评价因素集和评价等级建立

3.1.1评价因素集建立

本文将影响高速公路出入口匝道的安全性评价因素分为3级。

第1级因素：

第2级因素：

第3级因素：

式中各字符含义如表1所述，建立评价指标体系，如图1所示。

3.1.2评价等级确定

评价等级为刻画各评价因素所处状态的决断，本文将高速公路出入口匝道综合评价结果划分为4个等级［12］：

3.2隶属度矩阵及指标权重确定

表1　高速公路出入口匝道安全评价指标体系

图1　评价指标体系

3.2.1隶属度矩阵确定

评价矩阵R表示评价对象U到V的模糊关系，根据构造的3级评价因素集来分级构造单因素的评价矩阵。以第3级因素平面因素为例构造成单因素评判矩阵表示第3级因素平面因素的圆曲线半径、超高和曲线转角3个因素相对于4个评价等级的模糊关系，如式（1）所示。

同理，可得第3级隶属度矩阵R12、R13，第2级隶属度矩阵R1、R2和R3。以R1为例，对第2级隶属度矩阵进行分析，R1表示第2级因素平面、纵断面和横断面因素相对于4个评价等级的隶属关系；第1级隶属度矩阵R表示道路因素、车辆因素及其他因素3个第1级因素相对于4个评价等级的隶属关系。

第2级因素集的隶属度矩阵R1如式（2）所示。

第1级因素集的隶属度矩阵R如式（3）所示。

3.2.2指标权重确定

评价因素的权重反映各个因素在评价过程中的重要程度，其直接影响到综合评价的结果。本文采用层次分析法（AHP）确定各个因素的权重。

邀请专家甲、乙、丙、丁对目标层的1级影响因素构建判断矩阵，求平均值的判断矩阵，见表2。

表2　第1级因素评判矩阵

为检验第1级因素权重的合理性，须进行一致性检验。利用求得矩阵最大特征值计算一致性指标C.I和一致性比例C.R，对目标层的判断矩阵进行一致性检验。其中：

由于一致性比例C.R小于0.1，故判断一致性可以接受。

同理，对第2级、第3级评价因素权重进行计算，结果见表3、表4。

表3　第2级指标因素权重

表4　第3级指标因素权重

3.3出入口匝道安全性评价

由各级因素的权重值W和评价向量R可计算得综合隶属度向量B，然后利用最大隶属度法即可得到对应的高速公路出入口匝道安全等级，其中隶属度向量B为：

评价结果向量B为包含4个元素的行向量，这4个元素与评价等级的4个评价等级一一对应。

模糊综合评价中，对评价结果的解释有2个基本方式［13］。一个是最大隶属度原则，即选取bj（j= 1，2，3，4）最大值所对应评价等级向量V中的vj（j= 1，2，3，4）作为评价结果；另一个是模糊分布原则，即用bj（j=1，2，3，4）直接作为评价结果，各个评价结果具体反映评价对象在4个评价等级占的比例。本文采用最大隶属度原则对评价结果进行解释。

4　实例分析

利用得到的高速公路出入口匝道安全性评价模型对贵州省任赤高速公路出入口匝道安全性进行评价。首先对位于K15+225 m处的一个典型出口匝道进行详细的安全评价，然后对仁赤高速公路全线12个出入口匝道进行安全评价，以得到全线出入口匝道的安全状况。

4.1工程概况

贵州省仁赤高速公路全线长163.476 km，双向4车道，设计速度为80 km/h。公路路线所经过地区为典型山区地貌，并毗邻大江大河，地形起伏大。调研发现，该高速公路沿线共有出入口匝道12处，其中视距不良的出入口匝道6处，曲线转角过小的3处，路缘带宽度过窄的8处。

4.2典型出入口匝道评价

仁赤高速公路K15+225 m出口匝道如图2所示。运用本文提出的安全评价模型对该出口匝道进行安全性评价，确定其安全等级，并提出相应的安全改善对策。

图2　仁赤高速公路K15+274 m出口匝道

根据构建的影响高速公路出入口匝道安全的3级指标U，相对于评价等级V，构建该出口匝道的模糊综合评判矩阵，见表5。

表5　仁赤高速公路K15+225 m出口匝道的综合评判矩阵

4.2.1第3级因素综合评判

第3级因素综合评判，即对圆曲线半径超高曲线转角进行评价，由表5中对圆曲线半径、超高以及曲线转角的综合评判，可得对的模糊评判构成的单因素评判矩阵R11，由3.3节得到相应的权重

根据式（4）计算得

同理可得

4.2.2第2级因素综合评判

根据公式（4）计算得

同理可得

4.2.3安全性评价

利用最大隶属度原则，并对应于安全评价等级的划分，其中临界安全对应的评判结果为0.967 1，在4个评判结果中比重最大，因此该出口匝道处于临界安全状态，须进行改善。下面针对其存在的问题给出相应的安全改善对策。

针对图2中的出口匝道，表5中偏向不安全的影响因素有路缘带宽度、运行车速及视距，因此可以考虑如下安全改善措施。

1）加大路缘带宽度。图2中出口匝道路缘带宽度过窄且宽度不连续，不能起到诱导驾驶员视线的作用，因此加宽路缘带宽度并保持宽度一致，则可减少驾驶员由于车道减少变窄带来的紧张感。

2）控制匝道运行车速。调研发现，图2中出口匝道行驶车辆存在明显的速度差，故可以通过设置限速标志、横向减速标线、摄像头等设施来控制匝道车辆运行车速，降低车辆间的速度差。

3）可在出口弯道外侧设置凸面反光镜，清除出口匝道区域的树木及障碍物以保证视距，使驾驶员能够提早准确地获取交通信息，作出正确的反应。

4.3出入口匝道评价

根据本文建立的模糊综合评价模型，本文对贵州省仁赤高速公路全线的出入口匝道进行安全性评价，并根据安全等级划分得到各出入口匝道的安全状况，结果见表6。

表6　贵州省仁赤高速公路出入口匝道安全状况

5　结束语

本文从分析影响高速公路出入口匝道安全因素入手，构建了3级评价指标体系，并基于模糊综合评价方法，建立了高速公路出入口匝道安全性评价模型。另外，利用本文建立的评价模型对贵州省仁赤高速公路出入口匝道进行了安全性评价，并针对K15+225 m的出口匝道进行了详细安全评价，且根据评判结果给出了相应的安全改善措施。

［1］张腾飞.基于冲突能量法的高速公路出入口匝道安全性分析［D］.大连：大连交通大学，2011.

［2］ALDRIN M.Traffic volume estimation from short-period traffic counts［J］.Traffic Engineering&Control，1998，39 （12）：656-660.

［3］HASSAN Y，EASA S M.Modeling of Required Preview Sight Distance［J］.Journal of Transportation Engineering -ASCE，2000，126（1）：13-20.

［4］ HUAJING SHI，ATHANASIS ZILIASKOPOULOS.Traffic flow control using variable speed limits［J］.Traffic and Transportation Studies，2002，20（2）：658-665.

［5］李嘉，方霞.高速公路出入口设计与安全性研究［J］.中南公路工程，2003，28（2）：31-34.

［6］毛子珍.城市道路立交桥匝道交通分析及其应用［J］.公路工程，2005，30（4）：214-216.

［7］阎莹，盛彦婷，袁华智，等.高速公路出入口区域行车风险评价及车速控制［J］.交通运输工程学报，2011，11（2）：90-96.

［8］ZHENG Z，AHN S，CHEN D，et al.The effects of lanechangingontheimmediatefollower： Anticipation，relaxation，and change in driver characteristics［J］. Transportation Research Part C：Emerging Technologies，2013，26（1）：367-379.

［9］郭忠印，苏东兰，卢辉，等.基于运行速度的高速公路隧道出入口安全设计［J］.公路工程，2013，38（5）：146-150.

［10］宋成举.高速公路出入口匝道行车安全性分析和评价研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

［11］赵鑫.高速公路出入口危险行车事件监控与预警研究［J］.交通信息与安全，2013（13）：21-23.

［12］张腾飞，左忠义.高速公路出入口匝道交通安全评价指标研究［J］.内蒙古科技与经济，2010（21）：99-100.

［13］王科，李杰，张明武.基于神经网络的高速公路出入口OD矩阵估计方法研究［J］.交通信息与安全，2007，25（4）：35-37.

Research on Safety Evaluation for Access Ramp of Express Ways

CAO Shi1，XIONG Gang2

In order to settle the access ramp safety issues，reduce accident rate at access ramp of express ways，we set up fuzzy comprehensive evaluation model based on evaluation indices selected from road factors，vehicle factors and miscellaneous，so to evaluate the safety of access ramp of express ways，weight of each factor shall be calculated by analysis hierarchy process.With this evaluation model，we paid detailed safety evaluation to exit ramp at K15+225m of Renhuai-Chishui Express Way，relevant safety improving measures were given based on the evaluation result.Besides，this model was also used to evaluate all 12 access ramps on Renhuai-Chishui Express Way，results showed：over 58%access ramps are in critical safety status.

Access ramps of express way；analysis hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation；safety improving measures

1009-6477（2016）04-0128-06

U412.36+6

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.029

贵州省交通运输厅科技项目（2013-122-028）

2016-01-20

曹实（1990-），男，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市人，硕士研究生。