國省干線公路出入口管理系統性安全評價

盧為杰，陸 鍵，陸林軍，蔣愚明

（上海交通大學交通研究中心，船舶海洋與建筑工程學院，上海200240）

建設安全和高效的干線公路出入口服務水平是交通研究者追求的共同目標，統計分析得到發生在國省干線公路出入口的交通事故占道路交通事故總數的47%，其中又有52%的事故是具有致命損傷事故，遠高于一般公路19%的事故死亡率[1]。干線公路出入口安全性評價是衡量道路安全運行狀況的基礎，國內外在交叉口交通安全評價方法可以歸結為兩大類：一類是基于交通事故的評價方法，另一類是交叉口安全綜合評價法?；诮煌ㄊ鹿拾踩难芯考性谑鹿事蔥2-3]、事故嚴重程度[4～6]以及事故成因[7]分析。交通事故評價方法是一種直接的評價手段，是評價出入口安全水平的重要參考。由于道路交通事故的偶發性影響該評價法的準確性，且由于事故發生在公路驗收通車之后，未能發揮在道路前期的出入口安全設計階段應有的評價作用。交叉口安全綜合評價法則從影響出入口安全的因素出發對安全水平進行客觀評價，該方法是一種間接的安全評估方法，不依賴道路事故數據，因具有較高準確性和時效性得到廣泛應用。出入口安全影響因素眾多，陸鍵等[8]通過不同類型交叉口內在沖突點的數目、交通流量狀況、交叉口幾何特征、交通安全設施狀況等主次因素評價交叉口的安全，構建了基于車輛沖突點潛在危險度的出入口安全模型。王雪松等[9]認為在建立道路出入口安全評價時需要考慮出入口之間的空間相關性，空間相關性由出入口間距決定，隨著間隔的增加，彼此的關聯系數降低。郭忠印等[10]分析了不同地域環境下影響出入口安全的因素，指出干線公路在出入口位置的線型設計和車速限制是保障出入口安全的重要手段。針對不同的地域環境和幾何線形特征，可以考慮采取可變限速的交通管理方式。劉兆惠等[11]運用灰色定權聚類-層次分析法相融合的綜合方法進行道路安全評價，包含了“安全設施、道路線形、路面狀況、沿線交通環境”4 個評價目標，在評價指標權重獲取上，采用專家打分法等主觀評價方法獲得。

現有的出入口安全綜合評價方法多基于交叉口層面，未能滿足全面系統地評價干線公路出入口安全水平的需求。本研究充分利用“G205 國道江蘇段出入口安全評價”項目長期調研獲得基礎數據，利用潛聚類方法進行出入口安全影響因素類別劃分，劃分為3 個層次，分別為宏觀-中觀-微觀層面。結構方程模型（SEM）在道路安全領域應用逐漸增多[12－13]，為量化干線公路出入口安全影響因素之間的內在關聯，首次將結構方程模型（SEM）應用到干線公路的出入口安全的評價上。SEM 融合了多變量統計分析技術如因素分析、回歸分析等方法，與傳統的回歸分析方法相比，SEM 模型可同時處理多個變量的因子結構和因子關系并且容許自變量和因變量含測量誤差。利用SEM 方法分析影響出入口安全的內生變量和外生變量之間關系，建模得到量化的出入口安全指數和評價指標權重，能較好地克服專家打分法客觀性不足的問題，為道路安全的研究提供了新的視角和經濟手段。

1 研究方法

1.1 模糊聚類分析方法

在出入口安全影響因素分析中，各種因素對安全的影響程度彼此界限并不明顯，具有一定的模糊性；因此運用模糊數學處理這類樣本是合理的。以出入口安全影響因子層面作為論域，根據問卷調查結果，在每個影響因素中，選擇“重要程度”各等級的問卷數分別累加，得到每個影響因素各等級重要程度的原始評分矩陣。聚類分析K-mean[14]算法基本思路為：假設共有N 個數據點需要分為K 個類別，K－means 標法使n 個向量xi（i=1，2，…，n）的簇內方差和達到最小，其目標函數為：J（u，v）=，其中

1.2 結構方程理論

結構方程模型中有兩個基本的模型：測量模型與結構模型[15]。測量模型主要由兩部分構成，分別為外生變量（公式1）和內生變量（公式2），對于潛變量間（出入口交通安全性與出入口設計安全性）的關系，可以寫成以下方程結構（公式3）。模型表達式如下：

式中：x 為外生指標組成的向量； y 為內生指標組成的向量；Λx為外生指標與外生潛變量的關系矩陣；Λy為內生指標與內生潛變量的關系矩陣；δ，ε 為指標誤差項；η 為內生潛變量；ξ 為外生潛變量；B 為內生潛變量的關系；Γ-1為外生潛變量對內生潛變量的影響；ζ 為方程殘差項。

2 評價指標體系與建模

2.1 安全評價層次分析

在聚類分析中，增加集群的數量會降低BIC（貝葉斯信息準則)、AIC（赤池信息準則)及CAIC（一致赤池信息準則)的值，在統計上具有更高擬合性，但更高的集群數量也暗含更高的復雜度，導致集群結構不明顯。當層級為3 時結構的熵值達到0.942，兼顧了擬合性和結構層級要求，因此我們選用3 層結構分別定義為宏觀，中觀，微觀方面。為分析各種影響因素對出入口安全的重要程度，以典型干線公路G205 江蘇段出入口特征為研究對象進行影響因素主從排序和重要程度評價。在道路沿線路政管理部門人員進行的問卷調查表中，每個影響因素的重要程度設計了“不重要、重要、很重要”3 個等級。經過綜合評定，指標“不重要”的權重為0.167，“重要”的權重為0.333，“很重要”權重為0.5。將評分加權平均，得到標準評分矩陣。利用SPSS 統計軟件進行聚類分析，得到3 個層次的聚類，通過冰柱圖展現，以微觀分類從冰柱圖 （圖1） 分析為例，當分成3 類時，其聚類過程可以描述為：2 和7 聚為一類，再與6 聚為一類，再依次與3，4，5 聚類，其中第4 因素的相關性最低，在評價體系建立時考慮去除，最后建立的指標體系見表1。

圖1 微觀分類結果冰柱圖Fig.1 Icicle of microscopic ciassification results

表1 道路影響因素聚類分析結果Tab.1 Clustering analysis result of highway influencing factors

2.2 道路事故數據處理

依托江蘇省干線公路安全保障技術項目，統計分析了G205 江蘇段（2007—2011年）出入口發生的事故類型及成因，包含事故發生的道路環境、事故的嚴重程度、接入道路等級、事故路段出入口間距、土地利用等信息，還包含出入口沖突點數、交叉口渠化、交叉口標志標線等內容。將發生在出入口上下游30 m 范圍的事故都納入統計范圍，利用獲取的事故類型作為相關性分析的依據。按照表2和表3對事故出入口因素及安全表現進行量化。

表2 外生變量定義Tab.2 Exogenous variable definition

2.3 SEM 建模

利用G205 事故安全分析報告獲得出入口事故的事故發生道路統計資料，進一步獲得的統計向量（X1，X2，，…，X13，Y1，Y2，Y3）形成原始數據矩陣。構造結構方程模型并將得到的變量方差矩陣與結構模型輸入AMOS結構方程模型軟件，得到圖2所示的路徑關系圖，路徑圖中a1，a2，…，a13 為顯性變量?；赟EM 分析結果得到出入口模型測量公式見表4。

表3 內生模型變量描述Tab.3 Endogenous variable model description

圖2 宏觀-中觀-微觀變量與道路安全事故的影響結構模型Fig.2 Roacl safety structure equation modeling based on SEM luodel

3 模型的統計學驗證和現實解釋

3.1 統計學驗證分析

SEM 作為驗證性分析的一種方法，在參數估計后必須對模型的合理性進行評價以評價模型的擬合效果。Marsh 等將模型檢驗擬合指數分為3 大類：絕對指數、相對指數和簡約指數[12]。模型的擬合程度通常會考慮絕對指數x2統計量，但對于本例中樣本量較大（N =3245），卡方擬合容易拒絕擬合較好的模型函數，采用相對指數參數來表征擬合度。表5為SEM 模型擬合優度指數輸出結果，擬合優度（CFI）結果顯示，“卡方x2/自由度”的統計值在3 周圍，是一個可以接受的統計結果；比較擬合指數（CFI）=0.967，大于0.9 接近1，說明SEM 模型可很好地擬合變量的相關性，也就是說建立的評價體系能較好擬合道路實際安全狀況。漸進殘差均和平方根RMSEA= 0.046 ＜0.08，90%的置信區間在0.052:0.054，全部置信區間在位于臨界值0.05 左右，顯示該模型在統計學上是重要的且擬合性好，模型可被接受。

表4 干線公路出入口安全模型測量方程安全事故的影響結構模型Tab.4 Arterial access safety measurement equatiens

表5 SEM 模型擬合優度指數輸出結果Tab.5 GFI output of SEM

3.2 SEM 現實解釋

通過SEM 建模，得到干線公路出入口安全水平與各變量的量化關系（見圖2），干線公路出入口的安全指數SPI 值越高，道路安全性降低。研究結果驗證了推薦的安全評價體系的合理性，顯示公路出入口的安全性以較低的事故嚴重程度即每一起沖突事故中更少的傷害、 死亡和損毀車輛為特征。SEM 模型路徑系數標準化后可以得到宏觀-中觀-微觀影響因素分別對出入口安全性指數的影響權重。宏觀影響因素對安全性指數的貢獻程度或是對安全性指數的綜合作用均達到0.47，中觀影響因素對安全性指數的貢獻程度達到0.31，微觀影響因素對安全性指數的貢獻程度達到0.18，因而通過增強宏觀水平的出入口管理對于減少與出入口相關的事故率，提高公路出入口安全水平具有顯著社會經濟價值。

進而分析SEM 模型各個層面的現實意義，從宏觀影響因子來說，在整個公式的正值系數表明，增加任何變量會對安全產生不利影響。道路環境因素中集鎮區域是事故安全多發地段，該道路環境對主路交通干擾較大。土地利用形式中如學校、居民區等對安全影響較為顯著。低等級道路如村道鄉道的大量接入導致干線公路事故率居高不下，需要從合理的交通流導入控制和設計減少事故發生。中觀影響因子說明合理的接入密度是出入口安全的重要保障，對于交叉口功能區設置的出入口應與等級交叉口保持合理距離。微觀影響因子中的變量增加也會對安全產生不利影響，微觀層次路徑系數能很好解釋現有的研究結果，例如許多研究已經發現改善出入口的視距和渠化設計能有效降低車輛在出入口的沖突，此外改造異形交叉口如（Y型，X 型等交叉口）也是減少惡性沖突點的重要方法。

4 結論與展望

分析了影響出入口安全的諸多因素，對這些因素進行系統的整理形成安全評價的方法是非常有意義的。根據聚類分析方法，對變量進行篩選，剔除影響因素較小的變量，建立包含13 個出入口安全變量因素的宏觀-中觀-微觀3 層評價體系并將該方法應用到出入口安全的分析中。G205 江蘇段2008年到2011年3 495 個出入口的安全事故統計提供了最佳樣本。采用SPSS 進行變量聚類分析，SEM 模型的求解則采用AMOS 軟件。SEM 優度擬合結果顯示該方法具有較好的擬合性，變量的殘差值較小，顯示建立的評價體系和選擇的評價指標能較好地解釋出入口安全影響因素與道路安全事故的關系。

基于SEM 建?？梢暂^好地應用于干線公路出入口管理實踐，得出的結論可以用于指導干線公路出入口管理的重點層次，各個影響因素的權重值有助于分析安全措施的優先順序，對于指導出入口規劃建設及改造有社會經濟價值。未來出入口安全評價體系研究將更多研究基于整個路網的安全性評價，盡管建立起更加普遍適用的安全評價方法有難度，但是本文所建立的評價體系和建模機理為道路安全研究提供了新的分析視角。

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