（交通运输规划与管理专业论文）事故多发路段鉴别方法研究.pdf

摘簧 摘要 近年来，髓着我翻社会缀济的蓠速发袋。交遴运输行业也出现了迅猛发展， 交通运输总量、运输车辆数最和从业人员数量迅速攀升。与此同时，交通安全问 题也日渐成为影响交通运输行业发展，甚至关系到社会和谐发展的关键问题。因 此，进彳亍道路交通安全研究必终具饪重要豹现实意义。 论文研究工作包括划分道路单元、建立安全水平评价模型和建立基于贝叶斯 统计的道路安全评价方法。蓑中以划分道路单元为研究罄础，激建立豢于广义线 性回归模型和贝时斯统计的道路安会评价方法为核心研究内容。 道路单元划分是建立道路安全评价方法的必要前提。本文给出了动态道路单 元划分的基本思想，并且基于s u a lb a s i ca p p l i c a t i o n 语言编制了相应的计算程 序。该程序的计算结果有效的截取出了事故集聚的道路单元。 回归分橇是数理统计应建最广泛的分支之一。本文分析了传统线性回l 鹚模型 作为事故回归模型的不足，确定了非线性回归中的广义线性回归模型作为事故评 价模型的适用性。利用s p s s 统计分析软件，建立并标定了横断面为双机动车道 双 # 机动车道有标线有标线邋路、双机动车道无非机动车道有标线道路和双机动 车道无非机动车道无标线道路的事故广义线性回归模型。对于前两类道路建立的 攘趔比较理想，强鏖方程和潮妇系数显著。嚣双机动车道无 # 极动车道无标线道 路的模型不够理想，回归系数显著水平较差，经分析其原因为样本量小和事故的 随机性。 多元回归经验贝叶斯法利用事敖模型来获得事前分布的均值和方差，从箍克 服了经验贝叶斯法需要大量参照道路单元的缺陷。本文利用多元回归经验贝叶斯 法分析了j 0 京市遥州熬某道路的安全承平，分析结果有效豹克服了历史事赦数据 的偶然性。 关键词：交通安全评价；道路单元划分；广义线性回归：多元回归经验贝叶期法 耋鬟季妻妻疆鼋雪翟窭= 耄孽荔 荔；：i l 芎川赫 圳! j = * i ! 薄 i ? ；i ；! 菱豢嚣囊薯姜秀墨量委零蠢誉磊羹 藿妻 i? ；j 毒型li 秀睦睛j 譬番l 毛一。至要孝 i主； 1 1 道路交通安全现状 第1 章绪论 交通运输业是国民经济中重要的物质生产部门，被马克思称为“除了采掘业、 农业、加工业以外的第四物质生产领域”。它对推动社会生产力发展，促进物资 流通，改善人民生活以及保卫国防都具有十分重要的作用。公路交通以其机动灵 活、活动面广的特点在经济建设和社会进步中发挥着“先行、纽带、桥梁”的 作用。但任何事物都具有两面性，随着我国交通运输业的突飞猛进，一方面促进 了社会经济的繁荣，另一方面以交通为“致病源”的交通事故也在不断地增加， 严重威胁着人民的生命和财产安全。应该说，道路交通安全问题的严重性是由道 路交通本身的危险因素决定的。根据美、英等国交通研究机构调查，在各种交通 事故死亡人数中，道路交通事故占9 3 铁路占2 ，航空占2 ，水运占3 。 随着我国汽车保有量的持续增加道路交通安全将日渐成为交通系统中的首要问 题吐 2 0 0 4 年，交通部投入约3 0 0 0 万经费设立了大型科研项目“公路交通安全应 用技术”。本文研究内容“事故多发路段鉴别方法研究”系其中分项目“公路交 通安全数据库技术研究”的主要研究内容之一。 1 1 1 国外道路交通安全现状 道路交通的安全形势，即道路交通事故的增多或减少，通常与一个国家和地 区的经济社会发展存在着内在的鞋系。其一般规律是：发展中国家交通事故普遍 上升，特别是经济高速发展的时期，交通事故更是大幅上升；发达国家开始步入 良性循环，交通安全形势平稳。进入2 0 世纪6 0 年代，由于汽车保有量急剧增长， 工业发达国家的每公里公路平均汽车密度逐渐趋于饱和，使得交通拥堵现象严 重，交通事故与日俱增【2 】。日本和美国经济高速发展时期，都出现了交通事故高 速增长现象。 日本从1 9 5 2 年到1 9 7 0 年间的1 8 年间是其历史上经济发展最快的时期，全 国交通事故迅猛上升，交通事故死亡人数由4 6 9 6 人增至1 6 7 6 5 人，增长2 5 70 ， 年均增长率为7 7 。 美国从1 9 5 2 年至1 9 7 2 年的2 1 年间，是二战后美国经济发展较快的时期， 其交通事故死亡人数由3 7 7 9 4 人增加到5 6 2 7 8 人，增长4 9 ，年均增长率为2 3 。 其交通事故死亡人数由3 7 7 9 4 人增加到5 6 2 7 8 人，增长4 9 ，年均增长率为2 3 。 北京工业大学工学硕士学位论文 近年来，这些发达国家的汽车保有量、汽车密度虽然已接近饱和，但由于道路条 件的不断改善和管理水平的不断提高，其交通事故率持续下降并趋于稳定p j 。 在道路交通的发展历史中，发达国家都曾经历过高速发展时期。这一时期基 本上是在第二次世界大战之后，伴随着国民经济的高速发展而开始的。在高速发 展的初期，由于道路交通条件、交通管理水平以及广大民众的交通素质等与迅速 提高的机动化水平还不相适应，交通事故特别是交通事故死亡人数迅速增加，这 一阶段大概持续了2 5 年的时间，在1 9 7 0 年前后达到高峰。此后，各国先后制定 了大量行之有效的对策，使得交通安全状况得到改善。图1 - l 是美国、日本、德 国和英国1 9 7 0 年以后1 0 万人口交通事故死亡人数的变化曲线。由图l l 可以看 出，这些国家的交通事故死亡人数总体上呈现出持续下降的趋势，尽管这一时期 这些国家的机动车保有量有较快增长。由于这些国家人口的自然增长率极低，这 些曲线基本上也反映了各自交通事故死亡人数总量的变化规律【4 】。 、 、 u h ，、 如搿皿 、 “ 、- 7 0 7 5 s 0 8 59 0 9 52 0 0 00 5 图1 1 1 9 7 0 年后美、日、德、英四国的l o 万人口交通事故死亡人数的变化 f i g u r e1 - lc h a n g eo f c a s 岫l t yi n 衄伍ca c c i d 朋tp 盯1 0 0l h o 嘴弛d si l lu s a 、j 叩触、g e r m 柚y 姐d u ka f 【e r1 9 7 0 相比之下，发展中国家的道路交通事故从1 9 6 8 年以来基本上都处于上升趋 势。在发展中国家，由于财政困难，加上国内需要大量投资加以解决的问题很多， 建设道路网的投资比例相对很小，路面设施特别是交通安全基础设施的投资比例 则更少，导致交通事故逐年增加。 2 第l 章绪论 1 1 2 我国道路交通安全现状 与发达国家道路交通安全状况相比，我国的交通安全现状要差得多，由于道 路交通事故所造成的损失也比较高。 解放以来，我国交通事故几乎一直处于上升趋势，1 9 5 1 年我国共发生交通 事故5 9 2 2 次。八五计划期间，随着经济高速增长，交通需求不断增加，1 9 9 5 年 全国机动车保有量已经达到3 1 8 0 万辆，比1 9 9 4 年增长了1 6 2 ；而全国的公路 总里程只由1 9 9 4 年的1 1 1 7 8 万公里增加到1 1 5 7 0 万公里，增长幅度仅为3 5 。 迅速增长的交通需求与落后的道路基础建设之间的矛盾进一步加剧，导致交通拥 堵现象严重，交通事故频发。到1 9 9 9 年，我国的交通事故次数已经达到4 2 1 8 6 0 次，因交通事故死亡人数达8 3 5 2 9 人，受伤人数达2 8 6 0 8 人，直接经济损失为 2 1 2 亿元，交通事故死亡人数列世界第一位。近年来，我国的机动车拥有量只是 世界汽车数量的2 ，而交通事故的年死亡人数却是世界的1 0 5 】。据公安交通 部门统计，2 0 0 3 年发生交通事故6 6 7 万起，造成l o 4 人死亡，4 9 万人受伤，直 接经济损失3 3 7 亿元。2 0 0 4 年发生道路交通事故5 6 8 万起，造成9 9 万人死亡， 4 5 万人受伤，直接财产损失2 7 7 亿元。2 0 0 5 年发生道路交通事故4 5 o 万起，造 成9 8 7 万人死亡，5 0 万人受伤，直接经济损失1 8 8 亿元。近年来我国每年因交 通事故所造成的间接经济损失往往是直接经济损失的1 0 1 5 倍，若把事故现场 堵塞所造成的经济损失算上，按最保守的方法计算，每年也要达到3 0 0 亿元【6 。 如图l 一2 和图1 3 所示，我国1 9 9 0 2 0 0 2 年间交通事故总量及交通事故死 亡人数发展情况均呈增长态势，特别是1 9 9 9 2 0 0 1 年间，其增长速度极为明显， 但2 0 0 2 2 0 0 5 年交通事故总量则出现了较大的下降趋势，交通事故快速增长的 势头似乎得到了遏制【7 】。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 2 我国1 9 9 0 2 0 0 5 年交通事故总量统计 f i g u r el - 2s t a t i s t i c so f 白阻伍ca c c i d 朋t s 矗肼n1 9 9 0t o2 0 0 5i nc h i i l a 图1 3 我国1 9 9 0 2 0 0 5 年交通事故死亡人数统计 f i g i l 托l - 3s t a t i s n co f c 踟a l t yi n 仃a 师ca c c i d e n t s 肋m1 9 9 0t o2 0 0 5i nc h i i i a 从国际交通发展的一般规律来看，我国交通事故的死亡人数似乎应当达到了 顶峰，之后应逐渐减少。但从多方面来看，目前我国交通安全的情况并不乐观。 首先，发达国家交通安全形势的改观是一系列相关措施奏效的结果，但我国近年 来在这方面并没有大的举措；其次，我国道路交通的发展滞后于国民经济的发展， 4 第1 章绪论 开始于2 0 世纪9 0 年代初。若以此分析并根据国外经验，我国道路交通事故死亡 人数增长的局面还将持续1 0 年左右即。但这一时期的长短也并非绝对，它会随 着交通管理水平的变化而变化。如果我国从现在开始，重视减少交通事故、提高 道路交通安全水平的研究工作，重视吸收发达国家的先进经验，交通事故数量逐 年增长的过程将会大大缩短。 目前交通需求的日益增长与道路基础设施承受能力之间的矛盾，使得道路交 通的不安全因素继续存在，这对于我国道路交通安全管理工作而言仍然是一个极 大的挑战。 1 2 研究内容 道路交通安全评价分为三个层次：事故多发路段鉴别、不同路线评价、不同 区域评价，最终形成道路安全性能的综合评价系统。本论文重点研究事故多发路 段鉴别。 在对危险的道路条件做出正确的分析与评估之前，首先要找出相对危险的道 路，也就是说要对道路安全性能做客观的分析与评价。这种评价的基础是事故数 据，评价目的是为了分析危险路段的道路条件，以便得出什么样的道路条件会威 胁到道路交通的安全。本文主要阐述的就是以事故统计分析为依据对双车道公路 安全水平进行评价。 具体研究内容如下： ( 1 ) 分析现有道路单元划分方法，建立更合理的道路单元划分方法； ( 2 ) 分析总结现有道路事故多发路段鉴别方法的优缺点，标定了三类双车 道公路的事故广义线性回归模型的参数： ( 3 ) 应用多元回归经验贝叶斯评价方法评价路段的安全水平，并从实践角 度检验了其适用性。 1 3 研究意义 本文深入分析道路条件与交通安全程度之间的内在关系，建立了合理的道路 安全水平评价方法。 ( 1 ) 事故多发路段排查是改善交通安全状况的重要措施 纵观发达国家交通安全的发展历程，改善交通安全状况的措施可分为以下几 个方面；交通安全教育、交通管理、事故多发路段排查、汽车传统被动安全技术、 智能交通等。即从人、车、路三种道路交通的组成要素着手，改善系统的安全性 北京工业大学工学硕士学位论文 能。 事故多发路段排查是查找道路缺陷，改善交通环境因素的有效方法。分析典 型是科学研究的基本方法，事故多发位置对研究交通事故与道路的关系具有典型 意义，它是事故的集中表现，事故达到一定数量特别是事故的某些特征的重复出 现，有利于分析事故的特征、原因，从而发现道路交通事故的规律性。因此，对 事故多发路段的研究在国内外都开展得比较多，并成为道路交通安全严究的一个 重大领域。 我国正处于道路交通事故多发时期。车辆性能提高，运行速度加快，交通量 迅速增加，加上原有道路设计中存在的一些问题，使现有道路环境跟不上交通运 输事业的发展步伐，道路缺陷在新的交通环境下充分暴露出来，形成了一个又一 个的“魔鬼路段”、“老虎口”。因此，我们在新建道路把好安全审计关之外，还 要对设计经验进行总结，改善现有道路的交通安全状况。从事故多发位置本身来 看，它所占道路的长度通常较小，却集中了较大比例的交通事故，具有极大的危 害性。鉴别并对鉴别出的事故多发路段采取针对性的改善措施，能以最小的投入， 最大限度地降低整条道路的事故率；取得较大的社会效益和经济效益。 每一次交通事故的发生，都是由驾驶员、车辆、道路及环境因素组成的系统 的协调性受到破坏的结果，系统任一部分的正常机能受到破坏都会引发交通事 故，因此，要解决交通安全问题，必须从多方面着手。道路因素和交通环境是保 障汽车安全行驶的重要条件。道路的几何线形、技术指标、道路质量、通行能力 等对道路交通安全都会产生重大影响，进行事故多发路段研究，是改善道路及环 境因素的重要手段，对提高道路交通的安全性能有着重要的作用。 ( 2 ) 为道路安全审计提供技术支持 在2 0 世纪8 0 年代以前，世界各国为降低道路事故率采取的主要措施是对道 路交通事故多发路段进行鉴别和处理。约从1 9 8 5 年开始，道路管理者、道路与 交通工程师开始注意到应在道路的整个建设与运营过程中都采取一定的措施，以 尽可能在早期消除道路的不安全因素。于是世界各国开始研究并逐步推广应用道 路安全审计技术，在道路的规划、设计、施工、运营的每个阶段，检查道路的不 安全因素和事故隐患，从而降低事故率。 进行道路安全审计，不能只凭专业技术人员的主观意志来检查道路的不安全 因素和事故隐患，必需有一定的技术准则的支持，如澳大利亚在1 9 9 4 年推出的 道路安全审计指南。这一准则的建立，必须考虑现实情况下道路条件与道路 交通事故的关系，事故多发路段的研究能揭示道路条件、交通环境与交通安全的 深层关系，建立道路安全水平的量化模型。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 交通事故评定指标 要确定事故多发路段，首先要对全段或某一路段事故严重程度做出评定，常 用的评定指标有以下几种。 2 2 1 绝对指标 绝对指标是指依据基础事故统计资料，通常以单位长度( 1 k m ) 内历年( 或 每年) 发生的事故次数作为评价指标来反映各路段的事故状况，也可以是以死亡 人数、受伤人数等为指标。绝对数指标简单明了，但与道路交通环境因素、道路 等级、交通量等联系不型1 5 l 。 2 2 2 相对指标 相对指标是将事故数与道路的长度、交通量、地区人口、汽车保有量等因素 联系起来考虑，计算一定道路及环境条件下的相对事故率，如亿车公里事故率、 人口事故率、车辆事故率。 2 3 道路单元划分方法 2 - 3 1 固定长度分段法 在传统的事故黑点鉴定的研究中，通常采用固定分段的方法，人为地把道路 按l 妇1 或5 0 0 m 的长度分为均匀的小段，然后把落在该长度内的事故频数作为评 价事故率高低的基数按照累积频率曲线法、事故数法或概率分析法等鉴定方法确 定事故黑点。采用固定分段的方法简化了鉴定对象，从而使得事故黑点鉴定具有 较好的操作性。但是，这种处理方法也同时带来了很多的问题，具体表现在： ( 1 ) 相临事故位置很可能被划分到不同的道路单元中去，这使得事故集中 的位置的事故数被一分为二，从而该处被反映的事故率比实际情况要低。 ( 2 ) 事故特别集中的位置，如：交叉口、桥头、隧道口，这些具有明显特 点的事故位置被分散到l l q i l 或5 0 0 m 的范围内，使得事故黑点鉴定 x 第2 章交通安全评价方法综述 2 3 2 可变长度分段法 可变长度的分段是指路段的划分根据事故实际发生的位置来确定。简单地 说，当相邻的事故点的位置相距较近时，可以合并它们的事故位置并相应地延长 分段长度；当相邻事故点的位置超过一定的距离时，它们就应该分割开来。由于 采集的数据一般是从公安部的事故情况登记表得到的，存在一定的误差，例 如，实际事故发生位置k 2 0 + 4 8 0 和k 2 0 + 5 2 0 往往会在登记表上表现为k 2 0 + 5 0 0 ，另外，我们一般可以用当量事故率来表征某段道路的事故严重程度，因此， 我们需要对采集的数据进行一定的处理【l ”。主要有下面几个方面： ( 1 ) 确定为同一事故分段的最大相邻事故点的距离。这是一个很重要的指 标，它一般根据调查年限的事故位置大致分布确定的。一般情况下调查年限长， 累积的事故发生次数就多，相应的事故点之间相对来说就间隔小，这时候应该取 较小值如2 0 0 m 。反之，事故发生的次数本身就少时，我们应该考虑取较大值， 如4 0 0 m 。 ( 2 ) 确定最短分段长度。最短分段长度是为了避免出现把极为相近的事故 点单独分段，造成事故率极高的现象。最短分段长度的确定主要考虑事故位置记 录的精度和事故量的多少。一般可以定为5 0 m 。 ( 3 ) 当量事故率的计算。当量事故率= 当量事故次数当量分段长度( k m ) 。 一般情况下，当量事故次数为该分段长度内发生的事故次数减1 ，当量分段长度 是指分段长度。如果该分段的一个端点有重合的事故位置，那么，当量事故次数 为该分段长度内发生的事故次数，分段区间应变为原分段区间向有重合事故位置 的端点的外侧延长5 0 m ( 或2 5 m ，视事故位置记录的精确程度确定) ，如果两个 端点都有重合的事故位置，那么，当量事故次数为该分段长度内发生的事故次数 再加l ，分段区间应变为原分段区间向两端点的外侧各延长5 0 ( 或2 5 ) m 。如果 整个划分区段内有两个或两个以上的重合位置，那么，当量事故次数为该分段长 度内发生的事故次数，分段区间为该重合点向外侧各延长5 0 ( 或2 5 ) m 。5 0 ( 或 2 5 ) m 的确定是基于这样的考虑：事故登记的位置和实际发生的位置的平均误差 为5 0 ( 或2 5 ) m ，并且，这样处理，使得当量事故率不会出现无穷大的情况。 2 3 3 研究现状评价 综上所述，可变长度分段法优于固定长度分段方法。 采用非定长分段的方法，可以使事故实际发生位置与路段的划分很好地对应 起来，并且可以通过当量事故率的大小比较直观地判断事故多发的地段。当然， 北京工业大学工学硕士学位论文 具体确定事故多发路段的方法还需要相应地理论分析和计算。 2 4 事故多发路段鉴别方法 目前，国内外有关事故多发路段的鉴别方法众多，大致可以归纳划分为两类： 直接分析类、间接分析类。直接分析类是指借助交通事故的历史数据进行分析的 方法；间接分析类是指利用某种中介来取代交通事故的历史数据进行分析的方 法。 2 4 1 直接分析类 2 4 1 1 事故数法 ( 1 ) 事故数法 统计一个时间段内的交通事故绝对数据，选取临界事故次数为鉴别标准，如 果某一路段的事故次数大于临界值，则被认为是事故多发路段。该方法的优点是 简单直接，容易应用，但没考虑交通量和路段长度的影响。适用于鉴别较小交叉 口、街道或道路系鲥1 8 1 。 ( 2 ) 当量事故数法 基于受伤与死亡事故的次数及严重程度，通过计算方法赋予受伤及死亡事故 的权限来计算事故的严重程度。该方法没有考虑交通量和路段的长度，同时权值 对结果的影响很大。 2 4 1 2 事故率法 ( 1 ) 简单事故率法。 简单事故率法是以相对事故率作为指标，对交通安全水平直接进行评价比 较，具有较强的可比性。使用最广泛的是万车死亡率、亿车死亡率以及当量死亡 率等，但单独使用某种事故率来评价交通安全，往往会出现片面假象，甚至得出 互相矛盾的结果，因此利用相对事故率法对交通安全水平进行评价不能得到明确 的结论。 该法是将相关基础统计数据，经简单的计算来表示安全水平的好坏。其概念 明确，常见的有： 人口事故死亡率： r p = ( d p ) 1 0 5( 2 1 ) 车辆事故死亡率： 1 2 第2 章交通安全评价方法综述 r 。= ( d n ) 1 0 4 ( 2 2 ) 运行事故死亡率： r 。= ( d t ) 1 0 8 ( 2 3 ) 其中： r o _ 一十万人口道路交通事故死亡率 r r 万车道路交通事故死亡率 r 广啦。车公里道路交通事故死亡率 p 嘲z 价范围内相关年度的道路交通事故死亡人数 p 评价范围内相应年度的人口数 n _ 一评价范围内相应年度的机动车拥有量 卜评价范围内相应年度的运行车公里数 在简单事故率法中，人口平均死亡率和车辆事故死亡率的统计及计算都较简 单，而运行事故死亡率在统计计算运行车辆公里数时，较困难。对于应用简单事 故率法，单独使用某种事故率来评价，往往会出现片面的假象。某一种简单事故 率只是反映影响交通事故的人、车、路、环境、管理中的某一方面的因素，并不 能反映多方面因素综合所表现出来的真实结果。因此，应将有代表性的事故率加 以综合。 ( 2 ) 综合事故率法 该法考虑了两个以上影响道路交通安全的主要因素，并对统计的基本数据进 行当量变换计算，以表达道路交通安全综台水平，典型代表见式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 。 k = d px ( 2 4 ) k 一2 n 7 尸。m 。厶p ( 2 5 ) 其中： k 死亡系数 k ( 卜一当量综合死亡率 卜评价范围内相应年度的道路交通事故死亡人数 p 评价范围内相应年度的人口数 n - _ 平价范围内相应年度的机动车拥有量 d 广评价范围内相应年度的道路交通事故当量死亡人数 i 广评价范围内相应年度的道路里程数 北京工业大学工学硕士学位论文 n d _ _ ，平价范围内相应年度的当量机动车拥有量 对路段而言，以每年百万车公里的交通事故次数作为评价标准，对交叉口则 以百万车的交通事故次数作为标准。当路段或交叉口的事故率超过某一可接受的 临界值时，即认为是事故多发路段和交叉口。虽然考虑了交通量和路段的长度， 但该方法不能准确描述交通量、路段和交通事故率的关系。 2 4 1 3 矩阵法 鉴于事故次数法和事故率法各有优缺点，单独使用对反映事故状况都有片面 性。作为一种修正，一些专家提出了将两者结合起来考虑的矩阵法。 结合事故频率法和事故率法作为鉴别标准，水平轴代表事故次数，纵轴代表 事故率，每一路段在矩阵上表示为一矩阵单元，矩阵单元的位置就表示路段的危 险程度。 矩阵法对每一个被研究的道路单元进行事故数和事故率计算，然后将事故次 数作为横坐标，车公里事故率为纵坐标，点出两者的分布。整个坐标可分为4 个 区：1 区为高事故率、高事故数区；2 区为高事故率、低事故数区；3 区为低事 故率、高事故数区；4 区为低事故率、低事故数区。如数据落入l 区则可列为事 故多发路段，落入4 区则为安全路段，落入2 、3 区则应对这些点进行进一步分 析后做出判断。如图2 1 所示 事故次数 图2 1 矩阵法计算事故率示意图 f i g u r e2 - lt h es k e t c hm p o f a c c i d 锄t 糟t ec a l c u l a 血gb ym 枷xm e 也o d 其优点在于可以根据使用者的需要确定矩阵的大小，但是该方法只表示了路 段的危险程度，而不能对低事故次数高事故率与高事故次数低事故率做出质的区 别。 2 4 1 4 质量控制法 事故率质量控制法( r a t eq u a l 时c o n 廿o l ，r q c ) 的基本思路是：交通事故 1 4 第2 章交通安全评价方法综述 是偶然的小概率事件，在特定区段上交通事故的分布应当符合统计规律a 在此方 面，国内外的学者已经做了较为深入的研究，比较一致的看法是，特定区段上交 通事故的发生次数服从泊松分布。在特定的置信度条件下，若所选区段发生事故 的概率p ( k ) 小于实际发生在该路段的事故的频率q ( k ) ，则可认为该区段存在 较大的危险，应属于危险地点。 此法考虑了事故数与交通量，因此计算公式为： 厂了1 r ：4 + _ i ，兰+ 三一 ( 2 6 ) 巧= 爿一昙一击 c z 。， 式中： r 厂临界比率，彤为上限值，巧为下限值： a 相似类型交叉路口或路段的平均事故率； k 统计常数，如取9 5 置信度，k = 1 9 6 ： m 特定地点在调查期间的平均车辆出现次数。 该方法比传统统计方法要好，但没有表明事故多发路段改善优先次序，也没 考虑事故的严重程度。 2 4 1 5 累计频率法 把道路条件相似的道路上发生的交通事故，按每1 k m 长度来划分路段，找 出研究道路中发生事故数相等的路段个数，求出其占总路段数的频率及累计频 率，绘制事故累计频率的散点图，并寻求相关曲线进行拟合，分析拟合曲线的突 变点，以此界定事故多发路段该法虽然没有考虑交通量因素，但当研究道路的 交通状况相同时，特别是对于同一条道路，使用该法比较简单，效果较好，并有 一定的理论依据 2 4 1 6 灰色理论法 ( 1 ) 交通事故灰色性 交通事故是随机事件，其本身具有偶然性和模糊性。如果把某地区的道路交 通作为一个系统，则此系统中存在着一些确定因素，如道路状况、照明条件等， 也存在一些不确定因素，如交通流量、气候情况、驾驶员心理状态等。因此，可 以认为一个地区的道路交通系统是一个灰色系统，并可应用灰色系统的理论进行 研究、处理。概率统计、模糊数学和灰色理论是3 种常见的对不确定系统的研究 北京工业大学工学硕士学位论文 方法，研究对象都具有不确定性。但与研究“随机不确定性”的概率统计和研究 “认知不确定性”的模糊数学不同的是，灰色系统着重研究概率统计、模糊数学 所不能解决的“部分信息已知，部分信息未知”、“小样本、贫信息”的不确定问 题，并根据信息覆盖，通过序列生成寻求现实规律。其特点是“少数据建模”， 研究“外延明确、内涵不明确”的随机对象。 ( 2 ) 灰色预测方法的特点 灰色预测方法的特点表现在： 1 ) 所建立的数学模型是一阶单变量微分方程。这与以往的概率统计方法利 用离散数据所建立的、按时间进行逐段分析的、递推的、离散的模型，有着本质 的区别。 2 ) 交通事故灰色预测方法认为，某地区在某时间区间内的交通事故指标值 是一定范围内变化的与时间坐标有关的灰色量。该法将杂乱无章的原始数据整理 成较有规律的生成数列后，再研究、处理，从而避免了概率统计方法的大样本、 大工作量而其结果不理想的状况。 3 ) 通过事故灰色预测方法建立的数学模型不是交通事故原始数学模型，而 是生成数据模型。其预测模型不能直接从生成模型中获取，必须通过还原处理才 能获得结果。 ( 3 ) 交通事故灰色预测的方法 交通事故灰色预测可分成5 个步骤：数据处理、建模计算、精度检验、优化 修正、还原处理。道路交通事故常用以下4 项评价指标来评价：死亡人数r 、事 故次数s 、受伤人数n 、经济损失数m 。 这里以交通事故的死亡人数r 的预测分析为例，演示灰色预测方法。 1 ) 数据处理： 交通事故的原始数据具有随机性，为了找出其内部规律，可以借助于累加或 累减生成的方法进行必要的处理。设r 为某区域对应时间t 序列的交通事故死 亡人数r 的原始数据序列，即有： r ( 0 ) = ( r o ( i 】t _ l ，2 ，3 n ) ( 2 8 ) 为了弱化原始数据的随机性，对其进行累加处理，由此生成的数列为： r o ) = ( r 1 ( t l t = 1 ，2 ，3 ，n ) ( 2 9 ) 式中 r o ) = 圭r 。o ) ( 2 - 1 0 ) 1 6 第2 章交通安全评价方法综述 2 ) 建模计算： 建立灰色预测模型的微分方程： 报( 1 ( t ) d t + a r ( 1 ( t ) = u ( 2 - 1 1 ) 式中，a 和u 为由原始数据决定的模型参数。上式解的形式如下： 五。+ 1 ) = i r ”( 1 ) 一：l 矿“+ ： 2 _ 1 2 3 ) 精度检验： 可以通过残差大小检验和后验差检验的方法进行。前者检验在t 时刻原始数 列的实际值与预测值之羞e ( t ) ；后者根据模型计算值与实际值之间的统计情况 进行检验。评价指标为后验差比值c 和小误差频率p 值。 4 ) 优化修正：在按原始数列建立的预测模型经精度检验不合格时，应对模 型进行修正。 5 ) 还原处理：作“生成数列”的逆运算，即进行还原处理，得到交通事故 预测模型。 2 4 1 7 时间序列分析法 时间序列分析法以事故率随时间变化情况作为交通安全水平的指标，简要表 达式如下： r ，= e “一4 ( 2 - 1 3 ) 式中：r t 为第t 年的车公里死亡率；t 为时间，a ，p 为常数。 2 4 1 8 安全评价回归方法 ( 1 ) 多元线性回归法 美国的伊阿拉加尔公式，伊阿拉加尔通过对美国4 8 个州的道路交通死 亡人数的3 0 多个相关因素的分析，选出影响较大的6 个因素，然后用回归方程 预测百万辆汽车的事故死亡率y 【。经实践检验，预测值与实际值基本相符。 y = 0 5 2 1 5 x l + o 8 5 4 2 x 2 0 2 8 3 l x 3 一o 2 5 9 7 x 4 + o 1 4 4 7 x 5 一o 1 3 9 6 x 6 ( 2 1 4 ) 式中： y _ 一死亡数百万辆汽车； x l 公路通车里程总里程； x 2 _ 一汽车经检验的数量； x r 一道路面积地区面积： x 第2 章交通安全详债方法综述 事故率系数法采用相对比较和统计分析的方法，孤立地分析各道路因素与事 故的关系，箨出各道路因素对交通安全的影响系数，菜鼹段上的各因素安全系数 的乘积作为路段的安全系数。事故系数超过鉴别标准的，可列为交通事故多发地 点。这种方法虽简便翁行，充分考虑了各种道路因素对交逶事故的影响，健分析 中来考虑各因素间的综合作嗣 x 北京工业大学工学硕士学位论文 权重分配特性如下： 1 ) 集合a 中各指标权重均为正数，小于等于l ，即：0 a s 1 2 ) 集合a 中各指标权重代数和等于l ，即a ；= l i _ 1 ( 5 ) 计算综合评价矩阵 百= 4 豆= g 。，以：，口。 r 1 2 。 r l “ ，2 2 ，2 。 ，。2 ， = 岛，6 ：，6 。) ( 2 1 8 ) 根据上述结果对模糊综合评价结果向量进行分析，可以对系统作出综合评 价。 2 4 2 2 人工神经网络模型 人工神经网络是在现代神经科学研究成果的基础上提出来的，它反映了人脑 功能的若干特性，是以模拟人脑信息处理机制为基础的非线性动力系统，按照人 脑的组织和活动原理将大量的、同时也是很简单的处理单元( 神经元) 广泛地互 相连接而形成的复杂的网络系统。人工神经网络系统具有一般非线性系统的共 性，但其个性特点十分显著，比如高维性和神经元之间的广泛连接性、自适应性 以及自组织性等【2 4 1 。 ( 1 ) 反向传播b p 网络基本原理 反向传播网络( b a c 卜p r o p a g a t i o n n 酏w o r k ，b p 网络) 可实现对非线性可微 分函数进行权值训练的多层网络。b p 网络模型处理信息的基本原理是：输入信 号x i 通过中间节点( 隐层点) 作用于输出节点，经过非线形变换，产生输出信 号y 。，对于期望输出t ，通过调节输入节点与隐含节点的联接强度w i i 和隐含层 节点与输出节点之间的联接强度t 。以及阈值，使误差沿梯度方向减小，确定与 最小误差相对应的网络参数( 权值和闽值) 。神经网络能自行处理输入误差最小 的经过非线性转换的信息【2 卯。典型的b p 网络结构模型如图2 2 所示。 n n nrul 第2 章交通安全评价方法综述 将随着社会的发展逐步完善。所以，本论文以事故数指标作为研究对象，拟在现 有的研究背景和研究基础上，进一步完善并扩展交通安全评价方法a 本章小结 本章对国内外交通安全评价方法的相关研究进行了回顾与总结。 从国内外研究可以看出，现有交通安全评价方法众多，这些方法从不同的角 度对交通安全做出了评价。现有评价方法对于评价交通系统运营安全水平都是有 效的，但同时也都存在一定的局限性。 第3 章动态道路单元划分方法 值。 若给定分析窗口中有n 起事故。其中第i 起事故导致的死亡人数为c i ；受伤 人数为w i ：直接经济损失为d i ；涉及车辆数量为v i 。则该分析窗口内的交通事 故累计相对加权值d 。训为： d = ( 1 2 c i + 3w l + d i + o 7 v i ) ( 3 1 ) i _ l 若d 。诅l 大于3 6 ，则该分析窗口中的显露路段为事故集聚段，将其作为一个 道路单元。 循环执行以上步骤即可依次判断各个分析窗口中的显露路段是否为事故集 聚段。当道路分析段落中不存在未分析出的事故集聚段时，停止循环。 ( 2 ) 寻找事故最严重路段 步骤1 中得到了各个分析窗口内的交通事故累计相对加权值，累计相对加权 值最大的路段即为交通事故最严重的路段。将该路段的里程桩号数据和事故数据 剪切后，再次执行步骤1 ，即可找到事故严重程度处于第二位的路段。经历若干 次循环后，可以筛选出道路分析段落中的所有事故集聚段。这些事故集聚段均可 作为道路分析单元。 ( 3 ) 数据整理 通过步骤1 和步骤2 ，可以筛选出道路分析段落中的事故集聚段。处于两个 邻近事故集聚段之间的路段亦可作为道路分析单元。 将步骤2 中历次剪切出的里程桩号数据和事故数据与剩余数据进行整理汇 总，即可确定各个道路单元的起终点以及该单元内的交通事故累计相对加权值， 从而完成道路单元划分工作。 3 2 _ 2 动态道路单元划分实例 给定一个道路分析段落，其里程桩号数据和事故数据如表3 1 所示。 第3 章动态道路单元捌分方法 表3 2 数据分析 t a b l e3 - 2d 鑫t aa n 8 l y s i s 里程桩号事故相对加权值累计事故相对加权值 2 125 8 ，7 2 758 5 7 3 。62 5 7 9 5 ，l 3 8 1 36 9 4 3 81 35 6 4 4 s1 54 3 4 4 5 1 4 4 8 3 4 82 5 29 4 83 4 83 8 3 1 2 1 2 653 6 4 1 3 223 8 。l 1 3 2 5 43 6 1 1 3 53 1 3 51 3 1 3 9 3 1 4 55 1 4 63 ，7 1 4 73 其中，第三列第二行数据5 8 7 的物理意义是：从2 1 公里到4 1 公里( 不含 4 1 公里) 范围内交通攀故的累计相对加权值为5 8 7 。第三列第八行没有数据， 其物理意义是：从4 5 公里翻6 5 公里( 不会6 5 公里) 范围内交通事教的累计 相对加权值小予3 6 ，该路段不是事故集聚段。 执行程序中的步骤2 ，帮可确定累计相对加权值中的最大值，并且自动剪切 该路段的里程桩号数据和事故数据。分别如图3 2 和图3 3 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 再次执行程序中的“判断事故集聚段”步骤。如图3 6 所示。 图3 6 程序操作界面 f i g u r e3 _ 6o n e 洫t e 娟l c eo f 也ep r o g m m 图3 6 表明，剩余数据中已经不存在事故集聚段。按图中的“分析结果汇总” 按钮，可以自动进行数据整理工作，完成道路单元划分工作。图3 7 经汇总的道 路单元划分结果。 图3 7 程序操作界面 f i g i 】雌3 7o n ei n t e r f a c eo f t h ep m g 姗 从图3 7 中可以看到，这段道路被划分为4 个道路单元，具体结果如表3 3 所示。 第! 午面天擎土擘硕士学位论 蒡l 一；牛膏甜品馨鞋 甬搿l ；蚕- 萌攀襄? 辐? 嚣i 半骘崩； 耋未t 薹蓦三叁嚣 饔躺霹餐登嚣器释笤酆盼熬m 张髂髓。魏疆 三? i臣j i誓 耄主囊囊 羹型、l 耋i i ：妻簟0 。鼍 l j 蚕| 鬈j 晕羹l 。! 况疆i 。| 麓矬芈翟避；戳辫强坠蹇差叠固逗望歪复辫夔赛骜碡等i 雩j 冀羹鍪垂鋈黧 霎嚣妻萎霎囊薹蕈霪薹攀羹奏誉参俺绣； = ：翻潮鞘务酽求的交通事故历史数 据 比较长，道路交通条件也随历史的变化有所变化，因此不同历史时期的交通事故 数据也有历不网，不遥合现实的识别。同时，交通事故数握的统计也存在不完善 之处，一些较小事故并未进行记录，造成数据不准确。此外，事故在事故多发路 段移 剐磷究之前已经发生，采用历史数据作为识别事故多发掰段的依据，造成了 不可挽回的人员伤亡和经济损失【2 。 直接分析的评价方法的另一缺点是程一定时期内在某一路段上发生的事故 次数共不能反映这一对期内道路的真正安全水平。原因是交通事赦是随机事件， 第4 章事故多发路段安全水平评价模型 第4 章事故多发路段安全水平评价模型 鉴于直接分析评价方法采用直接反映道路安全水平的交通事故数据作为评 价依据，能有效的反映道路的安全水平；且道路资料和事故资料收集统计方法也 将随着社会的发展逐步完善。所以本章采用直接分析评价方法，在现有的研究背 景和研究基础上，进一步完善并扩展该方法。 本章在分析对比线性模型与非线性回归模型适用性的基础上，确定合理的模 型，并确定方程中的参数。 4 1 回归模型形式的选择 4 1 1 线性回归模型分析 4 1 1 1 线性模型的形式 一般传统线性模型的形式为： t z = 风+ ，x f + 占f ( 4 1 ) j = l 对于线性回归模型，我们一般要做如下一些假定： ( 1 ) e ( y ) 是x 1 ，x 2 ，x t 的线性函数，t 1 ； ( 2 ) 各次试验的误差项l ，8 2 ，相互独立； ( 3 ) 各次试验的误差项的方差相同，即d ( i ) = a 2 ，i = 1 ，2 ，n ； ( 4 ) 各次试验的误差服从正态分布【3 2 1 。 4 1 1 2 传统线性回归模型的不足 1 9 8 6 年，j o v a n i s 和c h a n g 提出利用线性回归建立事故模型存在三个问题吲。 第一个问题是建立模型时假定各次试验的误差项的方差相等。认为事故的发生一 般服从泊松分布，且对于泊松分布，方差与期望值相等，这就意味着如果事故数 的期望值增大，那么事故数的方差也增大。 在事故回归模型中必须包含对安全影响显著的基数变量，包括路段长度和交 通量。无论用什么回归方法建立模型，回归事故数的期望和方差都将随着基数变 量的增大而增加。此外，基数变量的取值误差项方差不可能全部相同，相应的会 影响回归系数置信区间和显著性检验的有效性。因此，线形回归不适合建立事故 模型。 北京工业大学工学硕士学位论文 利用线性回归建立事故模型的第二个问题是交通事故具有非负性。利用线性 回归得到的模型预测出的事故数常会出现负值，尤其是当事故数据中有大量的较 小的事故数时。j o v a n i s 和c h a n g 也认识到将线性回归与某些分析方法相结合可 以克服预测出负的事故值的问题，但其他的问题将随之出现。 利用线性回归建立事故模型的第三个问题是假定误差项服从正态分布。尽管 当随机变量的期望值e ( y i ) 足够大时，正态分布能很好接近变量y i 的真实分布， 然而正态分布用于描述像交通事故这样的小概率、离散、非负的随机变量是不合 适的。这将会导致错误的回归系数的置信区间和回归系数的显著性检验的无效。 j o v a i l i s 和c h 肌g 认为建立非线性事故模型时假定误差结构服从泊松分布能有效 的克服这些问题。 1 9 9 3 年，为了确定线性模型和非线性模型对于建立关于交通事故与交通量 和道路几何特征的模型的适用性，m i a o u 和l u m 研究了两个线性回归模型和两 个非线性回归模型的统计特性。他们的结论是线性回归缺乏描述随机、离散、非 负、零星的交通事故的分布特性；泊松分布基本具有描述交通事故的统计特性， 但其局限性在于要求事故数的方差和事故数的期望值相等 3 4 】。 线性模型的局限性使得许多研究人员放弃了利用其建立事故模型的想法，而 是采用了更合适的非线性回归方法。 4 1 2 广义线性回归模型分析 以往研究实践表明，非线性回归中的广义线性回归模型有效的克服了利用线 性回归建立事故模型的局限性。以下是相关研究： 1 9 9 1 年，p e r s 卸d 利用4 0 4 段高速公路上的交通和事故资料，建立了如下负 二项回归模型【3 5 l ： y ：o 6 2 7 配( j l ) 1 m _ ( 4 2 ) 儿j u o 式中： y _ 年事故数： i ，路段长度； q 年均日交通量。 p e 糟a u d 解释了模型中没有考虑线形设计指标这一因素的原因，高速公路通 常采用较高的线形设计指标，所以线形参数的加入不会使模型的精度显著提高。 p e r s a u d 将路段的长度均转化为1 ，这样模型的预测结果就表示每年每公路的事 故数，这也使得预测事故数与路段长度为线性关系，而与交通量为非线性关系。 3 6 北京工业大学工学硕士学位论文 几何参数为零时预测事故数不为零，这是符合实际的。 m o u n t a i ne t a 1 利用英国城市和乡村区域的单双车道道路，借助负二项误差结 构建立了事故预测模型3 8 】。模型中采用的数据为英国7 个县内主要道路上5 年到 1 5 年的数据，其中包括道路特征参数事故数交通量。这一区域内的道路总长度 为3 8 0 0 公里。下面是m o u n t a i ne t a 1 建立的a 级双车道城市道路的事故预测模型： 】，= 0 8 0 8 f o 6 1 4 ，o 6 3 0 e ( o1 0 4 ”7 1( 4 5 ) y _ 一路段上每年的交通事故数，单位为百万辆每年； 卜_ 双车道路段双向年交通量； l 路段长度，单位为公里； n 一路段内较小的交叉口的