高速公路改扩建交通安全性能评估手册

交通安全绩效评估,特别是在负责安全投资机构，主要是遵循公路安全手册中的方法(HSM)。HSM在引导安全评估走向一个系统化的方式领域是一个开创性的开始。本文通过对先进方法的文献综，提出了一个更全面的框架，使其能够对安全性能进行更广泛的评价。

该框架将网络筛选方法与纯基于输出的方法、多变量固定参数扩展和多变量随机参数扩展结合在一起。本文建议相关的机构在评估和选择安全性能评价方法时应基于三个标准：（1）网络筛选技术的可积性（2）数据需求（3）模型预测性能。

本文旨在帮助实践者和研究人员确定建立基础的关键问题即建立基础的综合安全性能评估框架。为此，本文讨论了各种方法的利弊，方法的数据库以及处理诸如路边库存等新兴数据库的方法的重要性。所提出的框架旨在在国家机构选择安全评估方法的基础上给予组织制约的指导。

1、介绍

本文的目的是提出一个评估交通安全绩效的方法框架。由于在数据需求，模式开发和实施方面的准备工作有很大的工作，在实践和研究界都已经建立了既定的实践标准（AASHTO，2010）。但是，需要在几个方面做更多的工作：（a）需要一个可以评估安全政策的框架，而不仅仅是简单模型中的功能形式识别和参数估计;（（b）需要对对网络筛选和高碰撞浓度识别有影响的安全性能进行多层面评估，（c）有一个需要对交通模式的协调性存在问题的（如在动脉和收集器系统）高速公路安全性能进行多式联运评估，最后（d）需要引入对预测应用有导向性的新兴的复杂性的方法。文献一般通过应用（Abdel-Aty等，2007; Ahmed等，2011; Anastasopoulos and Mannering，2009，2011年Carriquiry和Pawlovich，2004; Savolainen等，2011;Srinivasan等，2011; Venkataraman et al。，2011;华盛顿和，2006），偶尔通过全面审查工作（Lord and Mannering，2010）试图去解决这些问题。研究方法已经得到审查，突出的局限性和基于新兴数据来源的未来方法论发展的讨论渠道（Mannering和Bhat，2013）。本文试图整合文献中的见解，为机构、其他从业人员和研究人员提供指导。

本文的组织结构如下：首先简要讨论一个综合框架的方法需求，然后讨论机构在安全绩效函数发展过程中面临的“商业案例”。 然后，本文讨论了一个框架，可以将业务案例与模型开发需求和数据库驱动的重要方法问题相结合，以及与整合路边和道路综合评估安全性相关的问题。本文最后讨论了方法的优缺点，以及应用于交通安全多维多模式评估的潜力。

1.1框架的方法论动机

具有修改截距的单个安全性能函数可能不适用于所有高速公路，例如功能的斜率也可能需要根据条件而变化。通过调整与交通量相关的坡度参数，已经提出了修改截距方法的替代方案变量。传统的安全绩效函数（SPF）包括各类公路的长度偏移量和平均日交通量（ADT）参数（AASHTO，2010）。 这种方法仍然是高度集中的，因为每一类高速公路仍然包含许多具有不同几何和条件的高速公路。用单一的ADT效应来描述每个类，它不可避免地省略了可以偏置ADT参数的可变效应。Mannering和Bhat（2013）最近已经对当前研究方法的审查进行了讨论。

如果区域需求需要本地化模型，这将成为一个重大的问题，因为该模型对当地的影响是不敏感的除了ADT之外。模型可转移性受到质疑，“校准”的努力在理论上是不合理的，因为忽略了变量偏差效应。这是因为省略的变量偏差基本上导致模型转移失败，从而导致局部估计需求和独立模型开发。在这种背景下，重要的是要考虑可在地方层面运作，对区域旅游行为，环境和几何影响敏感的框架，同时也为基于HSM参数基准预测提供机会。

现代的实践始于对基于HSM的参数本身作为本地或区域SPF开发的基准的测试。在本文中，提出将前基线计划纳入更广泛的框架，其中有基于纯粹的基于结果的方法的机会。这允许建模者与不受忽略变量偏差影响的本地实证基准进行比较，同时提供了一个机会去评估HSM参数本身的预测能力。

HSM之外的其他好处可能发生在多变量框架下，并考虑到道路段之间SPF行为的差异。 例如，有人建议，由于监管和咨询签署（如速度限制）和司机行为之间的内在性，社会最佳安全是不可达的（Delhaye，2006）。社会最佳问题的可达性进一步加剧了驾驶员活动的异质性（如驱动程序驱动程度以及他们的选择速度如何与他们开车的速度有一致）。通过在道路段等级上准确地了解几何基础，建立一个可以评估驾驶相关问题本质联系的框架是有用的。通过这样做，它可以指导实验设计来评估驾驶程度和速度选择影响。

1.2背景/商业案例

由于现有SPF类型方法的局限性以及国家机构使用的基于历史的纯粹方法的性能较差，因此需要一种对以下一个方面更有效方法：（1）多年来碰撞的时变效应;（2）由于定位和地理位置而变化的道路几何影响的非均匀性影响; 最重要的是，（3）这些因素对最佳安全改善质量的鉴定有影响。然而，在没有多维碰撞类型分类的情况下，安全改善质量可能是次优的。

由于缺乏国家模型的可移植性，在建模复杂性方面，投资回报的重要性显得很重要。存在这种缺乏便携性的几个原因：（a）道路几何和交通量对道路段水平的安全性能的影响的多样性，（b）功能形式的错误设定，（c）驾驶行为的多样性由于局部效应、土地利用影响及道路功能的地方运作等影响典型的商业案例植根于需要进行网络筛选的一些混乱，以帮助表征道路的安全性能。。HSM（AASHTO，2010）建议将滑动窗口和峰值搜索方法作为识别路段的方法，例如使用十三项性能测量的网络筛选应用。另外，推荐了交叉路口和设施简单排名的方法（AASHTO，2010）。这些是基于结果的技术，其使用结果作为变量通过时间方法，经验贝叶斯或负二项式回归来建模。在所有这些案例中，在事故报告和回归到平均效应的方面都有关于历史充分的假设。从现有文献中可以清楚地看出，基于结果的技术运用的可靠性存在，同时考虑到平均效应的回归或SPF问题的本地校准。

2.拟议的方法框架

图1显示了提出的与HSM推荐实践相结合的方法框架，为交通安全性能评估提供了多个基准测试的机会。

图1交通安全性能评估方法的一个框架

2.1基于成果的方法

在安全绩效分析的时间历史中，建议使用诸如监控或无监督聚簇等强大的数据挖掘技术对滑动窗口或峰值搜索方法等网络筛选方法进行评估，从而可以产生道路分段以及段的替代定义，甚至交叉点。目前在突出的安全文献中交叉口的定义似乎限于交叉点附近的250英尺边界。无监督或监督的聚簇技术将允许通过考虑“交叉路口相关的事故”，以及由于在传统交叉口边界的上游或下游的排队效应而发生的“交叉影响”类型事故。对于这样的地理聚类方法来提供这种好处，数据必须包含准确的事故地理位置，理想的地理坐标。

虽然文献上的研究已经尝试了一些基准（例如，Hanley等，2000; Haselton等，2002）去分析交通事故减少因素和速度限制对冲突的影响，他们未能建立如时间序列方法等已经被验证的统计特性的方法的基准。时间序列方法，正如它们在本例中所应用的那样，将涉及在多个维度上计数的时间历史，其中包含长期依赖于年度或次年度历史记录的技术。。

在回归框架中，先前历史被用作独立变量，以表示纯粹的基于结果的功能关系。在这种类型的框架中没有使用几何和流量的影响。这样的框架作为一个客观基准是很有用的，因为它是被观察到的结果所保留的可信度，而不是道路的几何图形和交通量。

这种方法的效用是多方面的：（a）它提供了长期依赖性的洞察力，这可能反过来提供对建立适当“滞后”的必要时间历史的了解。“滞后是具有先前时间标记的结果测量 ，如“年-1”，“”年-2“等等。它也可能是不同规模的长期依赖的交通事故的次年历史。

简而言之，时间序列方法允许在空间和时间方面进行网络筛选。此外，作为延长以前在评估政策手段的框架的可行性方面所提出的论点，重要的立法问题，如手持设备的禁令及其对网络安全性的影响目前的SPF方法无法达到目标。

Jacobson等人(2012)通过对手持设备的禁令，通过对时间趋势的综合评估来说明时间序列类型的有效性。在这样做的过程中，它们隔离了驾驶强度组的影响（就像在驾驶曝光中表述的一样）。本研究提出的一个特殊论据是手持设备上的禁令可能会影响驾驶密度水平，从而影响测量碰撞率计算的分母变量ADT。因此，时间序列方法允许基础设施超越功能形式识别——它允许基准政策的抵消影响。

因此，时间序列分析是建立时间和空间基准的重要一步。在文献中，几乎没有网络筛选方法包含时间间隔的证据或建议。Oh和Shankar（2011）验证了多尺度的参数评估方法。他们的工作表明，在确定道路分段事宜（包括空间和时间）方面需要做很多工作。在最近的安全研究历史中已经采用了其他道路分割方法，但没有关于适用于时间和空间的道路段定义技术的适用性的确凿证据。

Oh et al。（2006）研究了使用感应环路检测器识别后端碰撞风险的方法。这些方法可以被广泛地归类为“纯粹的基于结果的”技术。持续风险概况（CRP）方法（Hwang et al，2008; Oh et al，2009b）是广义上这个类别的另一个延伸——虽然，有很大的局限性。尽管CRP方法在HSM中目前的方法有了显着的改进，假设风险函数平滑，在多维度中确定浓度有局限性。风险的平滑性并没有得到保证;事实上，在风险函数中不考虑平滑性是更好的，这完全是由于异构效应造成的，而这一方法强调了这一点。这显示了综合安全性的基准测试问题的复杂性，特别是在政策评估领域。

如图1所示。在图左下方的时间序列模型可以作为比较弱的忽略变量效果的基准(这里的任何效果主要是功能形态或缺失的滞后类型，与传统外生案例中大量缺失的几何和环境影响相反)。那么比较基于HSM的“基准SPF”来评估传统SPF在HSM中推荐的相对预测能力是有用的。

2.2具有固定或随机效应的固定参数计数方法

基线SPF可以使用单变量面板模型(AASHTO，2010)来更新，图1中显示了时间序列效应，包括在连续的个别年份中所获得的ADT测量数据所捕获的时间序列。保持长度偏移量不变，这就意味着在ADT效应的历史记录中，所有的碰撞历史动态都被记录下来了。通过随机截距或随机误差项的固定或随机效应将仅有助于改善道路段级别的空间捕获。使用面板方法的基准SPF的此特殊扩展暴露了HSM方法中建议的基准SPF的局限性。

固定效应和随机效应模型在事故统计中具有众所周知的特性（Shankar等，1998）。如果自变量不随时间变化，则无法使用条件似然法估计效应模型。一个随机效应计数模型可以代替；但是，拟合性不能保证。考虑到具有已知属性的模型的这些局限性，HSM中建议使用本地“校准”来调整基准SPF参数是有问题的。这不是说固定和随机效应计数模型也没有局限性。对于固定效应模型在条件和无条件可能性意义上工作，最好每年对主题路段进行一致的ADT测量。这对数据收集造成了一些不切实际的负担。相反，随机效应模型允许通过误差项对观察到的碰撞计数进行调节，这允许在时间面板中进行零星的ADT测量。然而，随机效应模型的局限性在于它们假设严格的异质性与集团效应，这不能用ADT变量来保证。随机效应模型的第二个限制是，过度分散效应的潜在分布有时可能是无关紧要的。通常，beta;分布被假设包含组特定的过度分散效应。尽管存在这些限制，随机效应模型已被证明在捕获群体时间动态方面相当有效，同时提供一些预测能力。

图1的中间块被广泛地归类为固定参数模型。由于固定和随机效应模型在这一类别中被认为是具有与ADT变量和道路几何相关的固定参数的模型，而且具有类属性特异性的效果。固定和随机效应方法的多变量扩展涉及到由于道路几何和环境影响的附加信息来评估碰撞可能性。

Shankar等人（2004）指出，天气影响对事故的影响可能是显著的。然而，由于通过建模细化来捕获可能信息的额外信息的能力也有所提高，因此数据负担也会增加。在道路段段，特别是对固定和随机影响模型的构造，根据结果变量的规模，在年或次年度的基础上进行微天气测量。几何效应通常不会随时间改变，除非有处理，它指的是“时间块”的变化，而不是每年或次年度水平的周期性变化。

总而言之，多元固定参数模型将比使用事故修正功能的基线方法(AASHTO，2010;Oh.et，al, 2009a;Zegeer et al，2004)对事故修正的基线方法做了实质性的改进。

尽管如此，一个“有限规范”的模型—例如以多变量固定参数负二项式的形式—将不会影响公路几何中的区域和次区域效应，因为它影响安全性结果。先前的研究证据（Pfefer和Neuman，1999; Pendleton，1996; Kockelman and CRA International Inc.，2006）表明需要改进安全性信息。研究意味着，在没有改进的安全信息的情况下，异质性效应不仅可以包括“真正的细分特定或走廊特异性”效应，而且还可能缺少可能通过固定参数方法充分捕获的变量效应。最近在分析州际交通事故可能性方面的工作（Venkataraman等人，2011年，2013年）支持了这一期望。

例如，由Zhong et,al. (2012)与变量相关的一项研究信息标志(VMS)表明，关键的影响因素，如驾驶风格和熟悉道路网络，影响了遵守程度，而不仅仅是司机是否遵守。驾驶风格受道路几何影响，道路网络的熟悉程度可能受到驾驶员驾驶路线对设计要素的期望的潜在影响的影响。

在固定参数横截面模型

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