高速路分流区左侧出口匝道安全性评价
作者： Hongyun Chen, Huaguo Zhou, Jiguang Zhao , Peter Hsu
出版期刊： 《事故分析及预防》
时间： 2010.8.18
摘要
本文通过与高速公路分流区右侧出口匝道安全性能的比较来评价左侧出口匝道的安全性能。在佛罗里达州收集了11个左侧出口和63个类似的右侧出口分流区域的碰撞记录。基于上述收集的数据，本文分别进行了交通冲突研究和碰撞的横向对比，确定并统计了四种类型的交通冲突。研究发现：匝道附近的平均碰撞率约为每1000辆冲突车辆中有10辆发生碰撞。以单车道出口和双车道出口(可选车道)两种出口匝道类型为例，比较左侧出口和右侧出口的碰撞数据。结果表明，左侧出入口匝道的平均碰撞次数、碰撞率和严重碰撞的百分比确实较高，但只有在10%的严重碰撞水平上，这种差异才具有统计学意义。进而建立了单车道出口事故预测模型，确定了造成高速公路部分路段发生事故的因素。所得结论与横向比较一致。希望本研究能帮助工程技术人员更好地了解高速公路分流区左侧匝道，制定出合适的对策和实用性设计。
关键词：高速路分流区 左侧出口匝道 出口匝道类型 冲突研究 碰撞预测模型
1. 绪论
高速路上不常见的左侧出口匝道形式通常被认为是导致与驾驶员期望有关的安全问题的原因，最近，在佛罗里达州坦帕市的I-275高速公路段左侧出口匝道发生的一起重大交通事故引起了人们对这一形式出口匝道安全性的极大关注。
虽然近几十年来，已经有研究对高速公路出口匝道的安全性能和运行效果做出了评价，但均未研究左侧出口匝道的安全性。为了研究匝道位置对交通安全的影响，Cirillo等人(1969)对州际系统的交通研究进行了一项完全创新性的调查。研究发现，碰撞频率和几何因素之间是有关系的，大约30年后，另一个研究团队(Garber and Fontaine, 1999)开发了一个指南，用于查找最佳斜坡设计的运行和安全特性。匝道设计的最新指南是由交通工程师协会(ITE)于2006年出版的《高速公路与立交几何设计手册》(Leisch, 2006)。这本手册侧重与高速路或者立体交叉道的几何和运行特征，包括上下匝道。它还指出立体交叉道和高速公路的几何设计程序有可能不同，它被认为是AASHTO(绿皮书(2004年《公路与街道几何设计政策》)、《公路通行能力手册》(HCM, 2000)和《交通工程手册》第五版(Pline, 1999)的补充。
过去的一些研究探讨了影响高速公路出口匝道安全的因素。Bared等(1999)发现高速公路坡道上的碰撞频率随着高速公路年平均日交通量(AADT)的增加而增加。结果还表明，与在进口匝道上相比，在出口匝道发生的碰撞事故更多。Bauer和Harwood(1998)开发的统计模型发现，匝道的AADT解释了选定地点碰撞数据报告的大部分变化，其他重要的变量包括:高速公路AADT、区域类型(农村、城市)、坡道类型(上、下)、坡道结构、坡道长度和变速车道(减速车道、加速车道)。然而，这些研究中没有包括左侧出口匝道。
Maher和Summersgill(1996)建立了一个数学方法来比较日本城市高速公路上入口匝道的外匝道和内匝道的合并概率。右侧汇入车道相比于左侧汇入车道提供给驾驶员更舒适的合并交通运行，并建议左侧汇入匝道长度应比右侧汇入匝道长度长50%，并注意调速器、匝道计量等运行对策，以保持车辆之间较大的间隙。本研究仅仅针对驶入匝道，没有对出口匝道做出进一步的结论。McCartt等人(2004)研究了1150起发生在弗吉尼亚州北部繁忙的城市州际公路匝道上的撞车事故。在所有这些撞车事故中，大约有一半是驾驶员驶出州际公路的过程中出现操作失误，并且与驶出匝道有关的碰撞事故类型中最常见的是脱离匝道，研究还发现，当车辆在夜间驶出州际公路、天气恶劣或在弯弯曲曲的匝道上行驶时，经常发生撞车事故，但是上述研究没有涉及出口匝道的位置信息，即左边或右边。
南佛罗里达大学研究小组最新研究(Chen et al.， 2009;Chen and Lu, 2009;(Pan et al.， 2010)是为了探索高速公路右侧出口匝道车道数量和车道布置对安全的影响。研究评估了不同的车道设计结构，结果表明，高速公路分流段的车道平衡设计可以提高30%的安全性能。另一项研究(Wang et al.， 2009)比较了不同设计类型的高速公路分流区的事故损伤程度。结果表明，减速车道长度、高速公路车道数、ADT、路面类型、光照和天气条件对研究区域的交通事故严重程度有显著影响。然而，他们在研究中没有考虑到左侧出口匝道。
通过仔细研究文献，目前还没有关于左侧出口匝道安全性能的结论。而且在大多数州际公路上，左侧坡道并不常见，它们对高速公路安全的影响也不清楚。因此，FDOT资助的项目对左侧出口匝道与类似右侧出口匝道的安全性能进行了评估。本研究旨在达成以下目标:
1. 运用交通冲突理论方法，研究了高速公路分流区左侧出口匝道的作用;
2. 评估高速公路分流区左侧出口匝道与右侧出口匝道的安全性能，并确定导致在选定的高速公路路段发生撞车事故的原因。
2.方法论
为评价左侧出口匝道对高速公路安全的影响，选取三个左侧出口匝道进行了交通冲突研究。对11个左侧出口匝道和63个右侧出口匝道进行了横向安全性比较。建立了高速公路分流区左右两侧单车道出口匝道的碰撞预测模型。
2.1交通冲突研究
长期以来，人们一直认为机动车事故记录不足阻碍了对十字路口交通安全问题的全面了解。交通冲突技术(TCT)的发展可以提供额外的信息，从而帮助弥补事故记录的不足。交通冲突被定义为“在涉及两个或更多道路用户的事件中，其中一个用户的行为导致另一个用户采取规避策略以避免碰撞”(Upchurch et al.， 2005)。规避动作，如刹车、急转弯或明显减速以避免碰撞，可视为冲突。TCT自20世纪60年代问世以来，在交通安全研究中得到了广泛的应用。佛罗里达中西部地区的一项研究开发了预测冲突值表，用来估计无信号控制的三路交叉口的预测撞车次数、相对安全效率和操作问题(Weerasuriya和Pietrzyk,1998)。Sayed(1998)将交通冲突技术应用于非信号交叉口的安全评估。基于附加性冲突流的方法，提出了一种确定无信号交叉口通行能力的简化理论方法(Brilon and Wu, 2007)。
这里的冲突研究的目的是确定在三个左侧出口匝道上是否存在任何安全问题，冲突率由每1000辆冲突车辆的冲突次数定义，在假设冲突次数与实际碰撞频率相关的基础上，采用冲突率来衡量研究对象的安全性能。
交通冲突研究中常用的冲突类型有四种，分别是分流冲突、合并冲突、交织冲突和交叉冲突。在本研究中，我们共定义了左侧出口匝道附近的四种交通冲突类型。第一类冲突是换道冲突，一般发生在第一辆车从出口车道切换到直行车道，以及随后的车辆从直行车道切换到第一辆车所在的位置之间。当直行车辆错误地停留在左侧出口车道时，就会发生这种冲突。为了在高速公路上继续行驶，车辆需要从出口车道转向直行车道。当第一辆车和第二辆车之间的距离太短，无法进行换道时，第二辆车必须减速或转向以避免碰撞。本研究将这种变道冲突定义为“1型”冲突。第二类冲突也是由车辆在直行车道上驶入左侧出口车道引起的。这种类型的冲突经常因为司机认为出口匝道位于高速公路的右侧。3型冲突是由于出口车辆在可选车道上减速造成的，这类冲突发生在行驶在同一车道上的相邻车辆之间。当第一辆车偏离原方向时，后者可能会减速以进行必要的制动。如果后面的距离太近，就会发生3型交通冲突。第4类冲突是由上述三种冲突情况引起的次要冲突。当第二辆车躲避时，它可能会使另一名道路使用者(第三辆车)处于碰撞的危险中。次要冲突几乎总是看起来像一个慢速车辆，相同方向的冲突或换道冲突。不同之处在于，在二次冲突中，第三辆车对处于冲突局势中的第二辆车作出反应。
对于所选择的左侧出口匝道，通过现场录像统计上述四种类型的交通冲突，并计算相应的交通冲突率。
2.2横向比较
主要目的之一是比较高速公路分流区左侧出口匝道与右侧出口匝道的安全性。在这种情况下，实体的安全性能在“之前”期间，当出口匝道位于右侧是不可用的。横向研究可以通过比较具有某些特殊特征的实体与不具有这些特殊特征的实体的安全性能来实现。在本研究中，该特征是指出口匝道的位置。为横向比较，除处理外，两组位点应具有相似的控制因素。
对于每个左侧出口匝道，都选择几个右侧出口匝道作为配对，注意这些右侧坡道应该与左侧坡道具有类似的特性。在本研究中，选择相似的右侧坡道的标准则是几何设计类型和交通量，对于每个左侧出口匝道，选择配对右侧出口匝道的具体准则如下:
1. 对于每一个高速公路左侧路段，其基本车道数应与相应右侧高速公路段基本车道数相同，本研究中车道数范围为2 ~ 4条;
2. 高速公路左侧路段的最高限速与右侧路段相同，分别为112公里/小时(70英里/小时)和88公里/小时(55英里/小时);
3.AADT在左侧段和所选右侧段的范围应接近;
4. 单车道左侧出口匝道减速车道全部采用胶带设计，右侧出口匝道设计相同;
5. 左侧段减速车道长度从0.03 km (100 ft)到0.25 km (825 ft)不等，因此所选择的右侧段也需要满足这一条件。
本研究比较了单车道和双车道不同出口类型的碰撞频率、碰撞率和碰撞严重程度。碰撞频率是在特定的时间或间隔内，在特定的位置或路段发生的实际碰撞次数。碰撞率定义为每公里每百万辆车发生的撞车事故次数。对于特定的高速L路段，可以用以下公式计算:
（1）
其中:R为高速公路段的事故率(每百万辆车每公里的事故率);
A是碰撞次数(时间范围内的总崩溃数);
T是年个数;
V为日均交通量(日交通量);
L为高速公路段的长度(km)。
采用t检验检验左侧出口匝道与右侧出口匝道的碰撞率是否存在显著性差异。因为样本量太小，使用正态性假设和相关的z检验将导致不正确的推论，所以采用t检验。t检验的假设是，左侧出口匝道和右侧出口匝道的碰撞率相等。
车祸的严重程度被定义为两类，财产损失(PDO)和伤害/致命的车祸。检验两个独立样本的两个比例之差的显著性常用比例检验法。假设p1和p2是特定类型碰撞的比例，或者是与左侧出口匝道和右侧出口匝道相关的碰撞严重程度级别。为检验原假设，假设选定地点的这两种不同出口坡道的碰撞总数分别为m和n:
H0: p1 = p2 (2)
与
Ha: p1ne;p2 (3)
H0可以被拒绝，如果:
（4）
2.3广义线性模型
广义线性模型已被广泛应用于路段碰撞的建模。广义线性模型是经典线性回归模型的扩展。碰撞本质上是非负、随机和离散事件。众多以往的研究建议使用泊松模型和负二项(NB)模型来建模碰撞数据。利用泊松模型，给出了某高速公路i段在一定时间内发生yi碰撞的概率：
（5）
其中mu;i为高速公路段i的预计撞车次数。对数链接函数连接到线性预测器。负二项模型假设崩溃计数是泊松分布的。泊松伽马结构的概率密度函数为:
（6）
其中alpha;是色散参数决定Poisson-gamma分布的方差。然而，当样本容量有限且平均值较低时，使用泊松-伽马模型会对碰撞特性产生明显的误判。为了减少偏差，必须在这种情况下使用泊松回归(Lord, 2006;帕克和洛德，2008)：链接函数和线性预测器决定了碰撞预测模型的函数形式，如果线性预测器是一个线性函数的解释变量,安装事故预测模型的函数形式beta;0，beta;1hellip;beta;k为系数，xi1,xi2hellip;xik为解释变量;如果线性预测器是解释变量对数的线性函数，则函数形式为:
广义线性模型的拟合优度通常采用两个参数.分别是标度偏差(SD)和Pearson统计量，标准偏差等于最大模型下的对数似然与约简模型下的对数似然差的两倍。比例偏差可计算为：
（7）
其中Ls是最大模型下的似然，Lbeta;是约简模型下的似然。Pearson统计量可以计算为：
（8）
其中yi为第i路段的碰撞次数，mu;i为第i路段的预计碰撞次数，i为第i段的估计误差，模型应近似服从(N - p)个自由度的卡方分布，其中N为观测次数，p为模型参数个数(Dobson, 1990)，如果SD和Pearsonrsquo;s 统计量均接近(N-p)，则可以认为模型拟合充分(Maher and Summersgill, 1996)，但是，由于样本量有限，我们也使用了额外的Akaike Information Criteria (AIC)来衡量模型的优度。在一般意义上，AIC最小的模型表示最逼近真实模型。
- 数据采集
3.1交通冲突数据
为了收集冲突数据，研究小组选择了坦帕湾附近的三个地点。冲突研究的几何设计有两种类型:内选车道的两种出口车道和专用出口车道，带有可选车道的两个左侧出口车道各有两个出口车道，其中外侧车道为专用出口匝道，内侧车道为可选车道。在内车道上，车辆可以向左出口，也可以继续行驶在高速公路上。275号州际公路/第375号州际公路和第4/50号州际公路的坡道属于这种几何设计。另一种类型的左侧出口车道配置有两个专用出口车道。275号州际公路/31街的出口匝
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