基于交通仿真的道路安全评价方法

1、基于交通仿真的道路安全评价方法(1.浙江省建德市交通局，杭州311600；2.上海璞辉交通咨询有限公司，上海200092)摘要：交通仿真技术已经渗透到交通工程领域的方方面面，鉴于此，本文根据国内外道路交通安全相关研究，选用等效最小安全距离和速度标准差的变化系数作为评价指标，提出了一种基于交通仿真的道路安全评价方法。关键词：交通仿真；道路安全评价；等效最小安全距离；速度标准差变化系数TheMethodofRoadSafetyEvaluationBasedonTrafficSimulationTANGJian-feng1，CHENHong-xing2(1.JianDeMunicipalBureau

2、ofTransportation,Hangzhou311600,China;2.ShanghaiPuHuiTrans-consultantInstitute,Shanghai200092,China)Abstract:Trafficsimulationtechnologyhaspenetratedintoeveryaspectofthefieldoftrafficengineering,inviewofthis,accordingtodomesticandinternationalroadsafetyresearch,choosingtheminimumsafetydistanceequati

3、onandthespeedoftheequivalentstandarddeviationcoefficientofvariationasanevaluationindex,thispaperproposedaroadsafetyevaluationmethodwhichisbasedonthetrafficSimulation.Keywords:Trafficsimulation;Roadsafetyevaluation;MSDE;VC随着我国运输经济的飞速发展，道路交通的安全问题已经成为一个不得不面对的严重问题。统计数据表明，中国每年交通事故50万起，因交通事故死亡人数大约有10万人，连续

4、十余年来稳居世界第一，这相当于每5分钟就会有一人丧身车轮，每1分钟都会有一人因为交通事故而伤残。每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元。由此可见，道路交通安全问题日益严重，有必要对道路进行安全性分析和评价，并在此基础上采取最有利措施来改善道路的安全水平。1交通仿真技术在交通研究中的应用交通仿真是20世纪60年代以来，随着计算机技术的进步而发展起来的采用计算机数字模型来反映复杂道路交通现象的交通分析技术和方法。从试验角度看，道路交通仿真是再现交通流时间和空间变化的模拟技术。交通仿真作为仿真科学在交通领域的应用分支，是随着系统仿真的发展而发展起来的，它以相似原理、信息技术、系统工程和交通工程领域

5、的基本理论和专业技术为基础，以计算机为主要工具，利用系统仿真模型模拟道路交通系统的运行状态，采用数字方式或图形方式来描述动态交通系统，从而实现对现有交通系统或未来交通系统的行为进行虚拟再现或预先把握12。交通仿真的优势：经济性。有些数据无法通过调研和试验得到，或者这一过程花费的人力、物力过大，这种情况下，这些数据可以通过交通仿真的方法得到；安全性。利用计算机进行仿真试验，可以避免实地调研和试验（如交通调查）中可能出现的意外伤害；可重复性。一旦建立了一个仿真模型，可以任意重复仿真过程；易用性。仿真方法比以往的方法更容易应用，不需要太多的数学知识去建立一些解析模型；可控制性。交通仿真可以针对单一影

6、响因素进行仿真实验，确定单一因素对交通流的影响，如信号交通量、速度、周期等，从而找出主要的影响因素；快速真实性。与实际交通调查相比，交通仿真可以快速获得结果，缩短了数据获取周期，还可以避免由于人为因素发生交通中断等干扰而造成的数据丢失或失真。可拓展性。由于利用计算机模拟是对一种设想进行验证，它可以使某些参数（如车速、交通量等）超出实际调查所能得到的范围。利用交通仿真进行模拟预测还可以再现复杂交通环境条件下的车流运行特性，弥补观测数据的不足。一般而言，研究交通问题的方法一般有三种：经验实测法；理论分析法；计算机仿真方法。在这三种方法中，经验实测法需要大量的调查数据，且结论的可移植性差；理论分析法

7、在研究交通的子系统、子问题时，常常受到限制。交通仿真技术凭着其独特的优势，有时是交通分析中不可替代的工具，目前仿真技术已经渗透到交通工程领域的方方面面。2现有道路安全评价方法分析目前道路安全评价方法大致可分为两类：一类是基于事故统计的安全评价方法；另一类是基于交通冲突技术的安全评价方法3。（1）基于事故统计的评价方法基于事故统计的道路安全评价方法是一种以交通事故数据为基础的、以数理统计分析作为工具的方法。但是，由于交通事故生成特点与统计周期过长等缺陷的客观存在，常常使得这一评价体系的质量，尤其是小区域地点的安全评价的效度和信度不尽人意。其弊端主要可概括为：事故瞬间发生的不可观测记录性影响事故信

8、息收集的真实性；事故的稀有性导致安全评价的周期延长；事故的随机性导致安全评价的信度降低；事故过程的不可重现性影响安全对策的准确性。由于传统的事故统计评价理论方法普遍存在着的小样本、长周期、大区域、低信度的缺陷，因此仅以交通事故统计样本作为道路交通安全评价的基础和制定交通改善措施的依据，就明显地表现出一定的不适应性。（2）基于交通冲突技术的评价方法基于交通冲突技术的评价方法是一种以交通冲突技术为基础的评价方法。交通冲突技术（TCT）是国际交通安全领域中新近开发出的一种非事故统计评价理论方法。经过西方各国交通安全专家们的多年努力，现已趋于完善。虽然西方各国对TCT的研究方向和应用侧重上不尽相同，各

9、有特点，但是冲突测量与判别的基础测量标准上趋于明显一致。交通冲突技术可以通过短时间的观测来获取大量的交通冲突样本，从而实现对已有道路的安全评价。虽然基于交通冲突技术的评价方法有以上的一些优点，但它也有其不足之处。首先，在观测获取交通冲突样本时必须耗费大量的人力。以交通冲突技术为基础的现场勘测，主要受调查人员的主观判断、调查时间、地点和交通情况等变化因素的影响，不同调查人员冲突判断能力不同，调查结果也不一样，如何提高调查的客观性和准确性尚待研究；虽然已经有自动化的交通冲突观测仪，但其价格非常的昂贵。其次，这种方法通常只能对已有道路进行评价，对规划中的道路或新建道路由于没有交通冲突样本，就无法进行

10、安全评价。3基于交通仿真的道路安全评价方法由前面分析可知，交通仿真是再现交通流时间和空间变化的模拟技术，可以得到交通流状态变量随时间与空间变量的变化分布规律及其与交通控制变量间的关系，具体来说就是车辆长度、车速、加速度、路网中所处位置、前后车辆的距离等车辆行驶数据。本文研究了上述因素对道路交通安全的影响，从而选取对道路交通安全影响较大的指标对道路交通安全进行评价。3.1速度的离散性与交通安全的关系由于养护施工区的出现，高速公路的连续车流必然受到阻挡和干扰，必然引起车头时距变小、交通干扰频繁、车速的离散性变大，从而引起交通流的不稳定。而交通流不稳定就会导致车辆在队列中走走停停的拥挤现象，引起交通

11、拥挤甚至交通事故。如果把养护施工区看作一个系统，那么系统内要素间有很强的制约关系，此时的系统是一个不稳定的系统。国内外大量研究已经证明速度的离散性与安全密切关联。下面做简单介绍45。6关于车速与事故数，人们的直观感觉是：速度越高，相应事故数越多。但很早就有研究表明事故数与速度不是简单的线性关系。1964年，Solomon就研究过道路交通事故和速度两者之间的关系。Solomon在600km公路上观测10000辆车的车速与交通事故的情况，发现车速与交通事故数之间是一个“U”形曲线（如图1所示）。从图1中可以看出车速越接近平均车速，交通事故率越低；随着车速与平均车速的差增大，无论是大于平均车速还是小

12、于平均车速，事故数都呈增加趋势。即车速离散性越大，事故率就会越高。图1车速差与交通事故数的关系Solomon对四车道的高速公路进行了交通观测，对不同道路断面的交通事故率进行了计算和分析，开发出最初的车速-事故率模型。公式如下：I二100.000602Av2-0.006675Av+2.231）式中：I1万车公里事故率（次/10万车公里）Av速度梯度，即断面的运行车速与平均运行车速的差值（km/h）蒙纳斯大学事故研究中心在1993年也对车速与平均速度的关系进行了研究。结果也表明，车速与平均车速差值越大，事故率越高，这与Solomon研究结果是一致的，但是该研究没有得出车速低于平均车速时其差值与事故

13、率的关系。具体模型为：I=500+0.8Av2+0.014Av3（2）Liu和Poff曾对平均车速以及85%位车速和15%位车速之差与伤亡率的关系进行了研究，结果表明，平均车速每降低1km/h，伤亡率降低7%,得出的两个线性模型位：CR=190.7V17126.1-（3）CR=0.00298v+0.0405D3.336iff式中：CR百万车伤亡率（次/百万车公里）V平均车速（km/h）D,85%位车速与15%位车速之差iff英国交通研究实验室的A.Buruga研究出的EURO模型证实，事故率和平均车速与超速行驶者的比例有很大关系，平均车速和车速差异都会对事故率产生影响，当平均车速为60km/h

14、时，车速差每降低1km/h，事故率将降低2.56%，具体模型为：1.536AInN=（）Av（4）v式中：N年平均事故次数（次/年）根据我国成渝、石太、广佛、京石等部分高速公路平均车速、车速标准离差与事故的统计数据，对平均车速、车速标准离差和亿车公里事故率进行回归分析，结果表明事故率随着车速标准离差的增大而呈指数增长，即车速分布的越离散事故率越高，具体模型如下：AR二0.0372：2-5.216V+201.71z、（5）AR=9.5839eo.o553b式中：AR亿车公里事故率（次/亿车公里）v平均车速b车速标准离差Garber和Gadiraju研究了速度分布指标与事故记录之间的关系，得到的与

15、交通安全相关的结论是：对于所有等级的道路，速度方差增大时，交通事故率上升；当公路区间的平均速度增高时，其事故率并不一定上升。此外，国外的研究人员Munden、WestandDunn、Harkeyetal、Fildesetal等都通过各自的实验分析证实了速度方差与交通事故有紧密的联系。综上所述，尽管采用的指标不一样，但是所有的研究都一致认为车速离散程度与事故率之间存在真正相关的关系，车速标准差越大的地点其安全性能也越差。由于不同断面上车辆的平均速度是不一样的，为了消除车辆平均速度的影响，采用了标准差的变化系数cv值来评价断面安全的指标，通过分析各断面cv值变化来确定车流的稳定距离。6）速度标准差

16、速度均值3.2前后车辆的距离与交通安全的关系当前后车辆间的距离太小时，就很容易发生追尾事故。车头时距基本可以反映此时的交通安全状况，但这时前后两车的安全性考虑的是两车的距离和后车的速度，和前车的速度没有关系。从前面介绍的车速差值法可知，跟驰两车的交通安全和两车的速度差也有一定的关系，在不同的后车速度和前车速度的情况下，同样车头时距的安全状况并不相同。跟驰两车安全行驶的最短车头时距称为极限车头时距或临界车头时距。在车辆跟驰过程中当前车速度大于后车速度，那么两车之间的距离会逐渐增大，此时车头时距小于极限车头时距仍能保证两车的安全。相反当跟驰过程中后车车速远远大于前车车速，就算当时车头时距大于极限车

17、头时距，两车仍可能具有极大的危险性，且这种危险程度随着前后车速差变大而增加。因此用车头时距来评价前后车辆的安全性具有一定的局限性。美国SivanagaS.Yadlapati等人在开发和测试施工作业区的可变速度限制系统中，首次提出了最小安全距离MSDE(minimumsafetydistanceequation)这个道路的安全性指标。它代表的含义见以下的公式0:TOC o 1-5 h zV2一V2/、MSDE=1.47(Vxh-VxPRT)+(7)LF30(f土g)PRT=t1+t2+t3(8)式中：V前车车速(mph)LV后车车速(mph)Fh车头时距(s)PRT车辆安全时距(s)f路面摩擦力

18、系数g道路纵坡t1后车驾驶员感知反应时间t2抬脚至制动生效时间t3制动开始到制动结束时间通常条件下t1取决于驾驶员的生理、心理和气象条件，t2取决于操作经验和车辆性能，t3是由车辆性能、高速公路条件、气象条件所决定。根据美国各州公路工作者协会规定，t1为0.18S,t2为0.17S,t3为11.15S,即PRT=2.53.0S。特殊气象和路面条件下需对t1和t3分别进行修正。在本文中车辆安全时距取2.5S。MSDE随着车头时距h的减小、前车车速的减小以及后车车速的增大而减小。当MSDE0时，代表两车之间保持着安全车距；当MSDEW0时，代表两车间存在着潜在的危险,且当MSDE负值绝对值越大,事

19、故风险性也越大。通常人们在考虑前后车辆的事故风险性时，一般都只考虑前后车辆的距离，或者单独考虑前后车辆的速度差。当单独考虑前后车辆的距离时，前后车辆距离越小，则发生事故的风险性越大；当单独考虑前后车辆的速度差时，前后车的速度差越大，则发生事故的风险性越大。而等效最小安全距离MSDE将前后车辆的距离和速度差结合在一起，同时综合考虑了这两个因素对事故风险性的影响。3.3道路安全评价指标的选取道路上发生交通事故，通常在两种不同的区域的分界面出现交通冲突，一种为车辆间的纵向冲突，另一种为两个车道间的横向冲突。横向冲突主要是车辆之间的侧向摩擦、车辆与固定物之间的摩擦等，纵向冲突主要是车辆之间的追尾。提高道路的安全特性也就是要减少车辆之间的纵向冲突和横向冲突。而从MSDE公式中可以看出等效最小安全距离MSDE可以评判两辆相互跟驰车辆的安全性能，也就是可以评价出车辆纵向间的安全性能；而速度标准差的变化系数cv又可以反映出车辆横向之间速度的差异，由此评价车辆横向之间的安全性能。4结束语本文通过分析道路交通流特性和交通冲突的类型，选取速度标准差的变化系数和等效最小安全距离作为评价道路安全的指标。这种方法相对于现有的方法有着明显的