基于风险分级的道路限速设计方法研究*

戴 英，罗 云，裴晶晶，高聿德

(中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083)

0 引言

道路交通是经济社会活动中最为活跃的因素，但其安全问题也日益凸显。据统计，从第一起交通事故发生至今，全球死于道路交通事故的总人数已超过同期战争导致的死亡人数[1]。道路交通安全问题一直是国内外安全领域科学研究的重点和热点问题，石红星等[2]简要介绍了道路限速指标的定义、作用，提出了限速指标确定的原则和思路；李沙沙[3]阐释了以设计速度作为道路限速标准的弊端，结合国内外道路限速方法的比较，提出了限速标准确定的思路；于立民等[4]对安全风险管理的理念和传统安全管理的理念进行了对比分析，提出了风险管理应作为一种成熟的科学方法在我国安全标准中普遍应用的论点；冯杰等[5]采用基于风险分级的方法，研究了特种设备的安全监管问题，提出一种更加有效的特种设备安全监管方法，值得借鉴。

尽管目前针对道路安全问题的研究成果有很多，但着眼于道路交通安全性与经济性的限速研究仍不够充分，目前限速基本都直接采用设计速度，这种限速方法虽简单易行，但由于设计速度存在不合理性和道路条件的多变性，事实上难以达到预期的效果，仍存在较高的事故率。因此，本文尝试将风险管理的思路引入道路限速问题中，通过提出风险分级三维评价模型，构建道路风险评价指标体系，最终形成一套道路风险分级评价方法，科学合理的指导我国道路限速标准的优化设计，以期成为一种更为有效的交通管控手段，提高我国道路安全水平。

1 研究基础

1.1 我国高等级道路系统

我国道路系统主要由公路和城市道路组成。公路按照交通量及其使用任务和性质，可分为：高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路。城市道路按照地位、交通功能和对沿线建筑物的服务功能，可分为：快速路、主干路、次干路、支路。本文的研究对象是高等级道路系统，主要包括城市快速路、高速公路和一级公路。高等级道路系统车速快、事故死亡率高、后果严重，且具有相近的道路特征，故确立了以高等级道路系统为对象进行风险分级研究。

1.2 风险三维理论及分级三维模型方法

1.2.1 风险三维理论

风险是指可能发生的危险，传统的风险矩阵常用可能性P和严重性L来表示[6]。道路交通与我们的社会生活息息相关，它在不同时间、不同地点发生事故而导致的后果严重程度不同，即时间和空间对事故产生敏感影响。例如，一起交通事故发生在人烟稀少的郊区和在重点安保地区(如天安门广场)，其后果显然不同。通过研究道路交通事故的特点，笔者发现交通事故发生在某些敏感环境(如居民区、老人小孩密集区等)或者特殊时间段(如节假日高峰期或重大活动时间)，比日常事故所导致的后果更严重，损失更大。因此，针对于道路安全的研究范畴，本文在原始安全风险的概念中增加敏感性因素，它表明影响道路安全的时间与空间因素，即：

R=f(P,L,S)

(1)

式中：R为风险，风险是事故发生可能性、严重性和敏感性的函数；P表示可能性，指导致事故发生概率的大小，文中指可能性影响因素，即道路线性、视距等；L表示严重性，指事故发生可能导致的后果严重程度，文中指后果严重度影响因素，即人员数量、车辆数量等；S表示敏感性，指导致事故发生的时间或空间敏感程度，外界条件越敏感，事故后果可能越严重，文中指敏感性影响因素，即道路所处环境功能区(例如学校)等。

1.2.2 风险分级三维模型方法

根据上述安全风险分级理论模型从事故后果严重性(以A，B，C，D依次表示严重程度)、可能性(以a，b，c，d依次表示可能性大小)及敏感性(以1，2，3，4依次表示敏感程度)3个维度定义风险，并形成安全风险分级三维模型。根据ALARP(As Low As Reasonably Practicable 最低合理可行)原则，可将风险分为4个等级。其中，不可接受区域用红色表示，ALARP区均分为橙、黄两级，可接受区域用蓝色表示，详见图1。

图1 风险分级三维模型整体与分级Fig.1 3D quantitative ranking model of risk evaluation

2 道路风险分级指标体系的建立

人、车、路、环境4个基本要素构成了道路系统，本文的目的是指导优化道路限速标准，需针对道路长期的使用情况进行风险评价，属于静态道路风险评价。因此，文章从客观因素出发，分析各种道路因素对道路交通安全的影响(不考虑人、天气等动态因素)，参考相关文献中对道路影响因素的研究，遵循SMART原则，通过多轮德尔菲法进行指标筛选，最终选取以可能性、严重性和敏感性3个维度为以一级指标，以平面线形、坡度等9项为二级指标的道路风险评价指标体系。

2.1 可能性影响因素指标

平面线形(P1)：驾驶员在行驶过程中，习惯于使视线平顺的合乎思维的前进[7]。道路的基本线形有直线和曲线两种形式，交通事故约有1/3都是发生在平、纵曲线上，随着平曲线曲率增大，事故发生的频率也会增加[8]。据美国公路部门统计，在弯道上发生的事故次数明显高于直线路段上事故次数[9]。

坡度(P2)：道路的坡度对于交通安全的影响表现为，处于下坡阶段，随着坡度的增加，交通安全性降低；处于上坡坡度时，事故率基本无太大的变化[10]。

车道数(P3)：车道数等横断面设计对道路安全也有着重要的影响。一般情况下，两车道比三车道交通事故率高，四车道与三车道事故率略低，基本随着车道数的增加交通事故率而减少。

路桥、路口(P4)：根据高速公路及城市快速路事故率分布特点来看，路桥、路口多为事故多发地点。相关数据统计表明，每年在高速公路匝道(路桥路口的引路路段)发生的交通事故占总事故30%以上[11]。

视距(P5)：驾驶员应该能随时看到前方一定距离的路程以保证行车安全，一旦发现前方道路有障碍物、对向来车或出现紧急情况的时候，能够及时采取措施避免碰撞，这一距离称为行车视距[12]。由于视距是随着驾驶员行车位置的变化以及道路条件的变化而不停地变化，所以道路上的任何一点的视距都不相同[13]。在道路风险评价对视距测量的过程中，可以考虑在道路上划分若干个区域，在每个区域内视距的大小看作是相同的，区域划分得越细，视距的大小越接近真实情况。

2.2 严重性影响因素指标

车流量饱和度(L1)：不同道路因为连接的地点不同等因素，历年车流量规模也不等。交通量越大，则发生交通事故时的影响就越大，车流量密集的地点一旦发生事故，很可能出现多车连环事故。同时，交通量越大，发生事故时对道路的通行能力影响越大，造成的经济损失、时间损失越大。车流量的饱和度就是该车流的实际交通流量与该车流的饱和通行能力的比值[14]，本文采用车流量饱和度来反映道路车流量情况。

安全设施(L2)：安全设施是保证高等级道路车辆高速安全行驶的必要物质条件，是减少、减轻和杜绝交通事故的有力措施。道路是否根据实际安全需要，根据国家标准合理设置交通安全防护设施，并保证其状态完好，对交通安全有十分重要的影响[15]。具体评价内容如下：有完好的路侧防护设施，并布设合理；有完好的中央分隔设施，并布设合理；有完好的防眩设施，并布设合理；有完好的视线诱导设施，并布设合理。

2.3 敏感性影响因素指标

所处时间敏感性(S1)、所处环境功能区(S2)：高峰期节假日、重大活动等特殊时间或者水源保护区、文物保护区等特殊地点发生道路交通事故会造成更为严重的影响，同时更受关注和议论，敏感性高。

2.4 道路风险评价指标权重设定

确定评价指标后，采用层次分析法和专家打分法，确定各项指标权重。首先构建层次结构模型：顶层为道路风险，中间层为可能性、严重性和敏感性影响因素，底层则为各二级指标，即平面线形、视距等。然后构造判断矩阵，请专家按照1～9比率标度法填写判断矩阵，将专家打分值录入Yaahp层次分析法软件计算确定权重。通过计算得出判断矩阵的一致性检验合格，各二级指标对于一级指标权重见表1。综合各项指标以及对应权重，即可得到道路风险评价指标体系。将每个指标按风险程度分为4个等级：Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，分别赋风险值4,3,2,1分，见表1。

表1 道路风险评价指标体系及分级

3 道路风险分级评价方法

建立道路风险评价指标体系后，结合风险分级三维模型，可形成一套道路风险分级评价方法，达到科学设计限速标准的目的。

3.1 道路风险分级模型

根据道路各项指标的实际情况，对应道路风险评价指标体系及分级表，可得到各项指标的风险值。将各项指标对应的风险值与其对应的权重相乘、累加计算分别得出可能性风险值、严重性风险值和敏感性风险值。计算公式如下：

(1)

(2)

(4)

式中：r为风险值；di，dj，dk分别为第i,j,k个指标的现实得分；ωi，ωj，ωk分别为第i,j,k个指标的权重；P,L,S分别表示可能性、严重性、敏感性。

将得出的可能性、严重性和敏感性风险值，对应下表2到4，得到风险可能性等级，严重性等级和敏感性等级，从事故后果严重性(以A，B，C，D依次表示严重程度)、可能性(以a，b，c，d依次表示可能性大小)及敏感性(以1，2，3，4依次表示敏感程度)3个维度，将道路风险定性分级。

表2 风险可能性(a，b，c，d)等级描述

表3 风险严重性(A，B，C，D)级描述

表4 风险敏感性(1，2，3，4)等级描述

3.2 道路限速优化设计

本文采用帕累托定律定性分级，确定道路风险分级ALARP边界。根据风险分级三维模型，得到道路风险等级的组合共有64种，将表示最高风险与最低风险组合之间分成4个等级，即按图1所示分为蓝、黄、橙、红4个区，此时Ⅳ级(蓝色)有11个组合值，Ⅲ级(黄色)有21个组合值，Ⅱ级(橙色)有21个组合值，Ⅰ级(红色)有11个组合值，见表5。

我国《道路交通安全法实施条例》第七十八条规定：“高速公路最高车速不得超过每小时120 km，最低车速不得低于60 km”。城市快速路最高时速不得高于100 km[16-17]。进而可确定：

1)可忽略区

在道路风险分级中评估结果落入蓝色区，则属于风险可忽略区(Ⅳ级风险)。此时的高速公路和一级公路的限速设计为120 km/h，城市快速路的限速设计为100 km/h。

2)ALARP区

在道路风险分级中评估结果落入黄色和橙色区，则属于ALARP区。黄色区(Ⅲ级风险)，高速公路、一级公路限速可规定为100 km/h，城市快速路限速可规定为80 km/h；橙色区(Ⅱ级风险)，高速公路、一级公路限速可规定为80 km/h，城市快速路限速可规定为60 km/h。

3)不可容忍区

在道路风险分级中评估结果落入红色区，则属于不可容忍区(Ⅰ级风险)，该道路的风险是不可以被接受的。此时高速公路和一级公路的限速可规定为60 km/h，城市快速路限速可规定为40 km/h。见表5。

表5 道路风险分级要素组合及限速优化设计

4 北四环西路限速设计实证研究

四环路是北京市城市总体规划中一条全封闭的快速环路[18]，全长65.26 km，全线共建设大小桥梁147座，共53个出口，并设有完善的交通安全设施。主路双向八车道，全封闭、全立交，设计时速为80 km/h。北四环西路：四海桥—火器营桥—六郎庄桥—万泉河桥—海淀桥—中关村二—中关村三桥—保福寺桥。北京市四环路是城市快速路，属于本文研究的高等级道路系统范畴，本文以北四环西路为实例，通过数据搜集分析，以及实地调研考察，应用上述提出的基于风险的道路限速管控优化设计方法，进行道路风险分级评价，并进行限速管控优化设计，从而得到合理的北四环西路分段限速值。

4.1 道路单元划分

计算道路风险时，不可能计算每一点的风险值对其进行限速，因此当道路的自身属性或所处环境发生较大变化时，就需要按照一定规则划分为若干逻辑路段，对每个路段进行独立分析，以便反映道路的真实风险水平。道路单元划分的依据以及划分的粗细程度会直接影响道路的风险评价结果，如果划分的太粗，无法反映道路的真实情况；相反如果划分太细，道路单元过短会导致道路限速变化频繁，适得其反。本文建议考虑以下因素来划分逻辑路段，逻辑分段的原则如图2。

图2 道路单元划分示意Fig.2 Sketch map of road unit division

根据上述道路单元划分原则结合北四环西路实际情况，将北四环西路路段，共计6.1 km，其中2处弯道，2处坡道，6处入口及4处出口，共划分为15个单元路段，见表6。

4.2 北四环西路风险等级计算及限速优化设计

北京市四环设有完善的交通安全设施，其余各项指标内容根据实际情况或数据资料收集获得实际风险值，如1号单元路段各项指标根据实际情况及风险值见表7。

表6 北京市北四环西路路段单元划分

表7 1号路段单元各项指标情况与风险值

用公式(1)，(2)，(3)计算各单元路段可能性、严重性和敏感性风险值，根据表2到4，从事故后果严重性(A，B，C，D)、可能性(a，b，c，d)及敏感性(1，2，3，4) 3个维度，将道路风险定性分级。再对应表5道路风险分级要素组合表，得到该路段单元风险等级。对1～15号单元重复上述计算方法，得到1～15号单元路段的风险等级，见表8。

由于北京市四环路出入口、路桥等性质变化非常频繁，同时城市内环境功能区范围较小，道路所处环境功能区变化较为频繁，所以根据单元划分原则得到的路段单元比较短。从道路限速角度考虑，为避免较为频繁的限速，提高限速设计的可操作性，可根据北京市四环路得实际情况将风险等级相当的相邻单元合并进行限速，但Ⅰ级风险路段限速值应严格按照限速设计原则实施。其中7号单元为Ⅳ级风险等级，但由于考虑到道路限速变化不应太频繁，同时考虑下一单元为Ⅰ级风险等级，应提前减速准备进入高风险单元，因此，将此段单元与前面路段合并，依据Ⅱ级风险路段限速。14号单元为Ⅱ级风险等级，但我们考虑下一单元为Ⅰ级风险等级，且下一单元距离短，应提前减速，准备进入高风险单元，因此将此单元与下一单元合并，按Ⅰ级风险等级设计限速。具体限速设计如下表8。

表8 各单元风险等级计算结果及北四环西路分区限速

5 结论

1)建立了道路风险评价指标体系。通过文献资料分析法，系统分析法与德尔菲法，选定了9项指标，并运用层次分析法，计算得出各项指标的权重。

2)从可能性、严重性和敏感性3个维度构建了道路风险分级评价模型。由于事故在敏感环境或者特殊时间段内发生导致的后果比日常事故后果更严重。因此，本文增加了风险敏感性概念，强调在敏感时间或敏感空间内事故风险增大。从可能性、严重性和敏感性三个维度全面系统的评价道路风险。

3)根据ALARP准则研究确定了道路风险的分级标准。利用可接受上下限水平衡量道路风险水平的可接受性，针对不同ALARP分区提出了相应的限速优化设计值。

4)以北京市四环某路段为例进行了实证研究。应用本文提出的基于风险的道路风险分级评价模型，验证了此模型在道路限速优化问题上有较好的实用性，并得出北京市北四环西路的分区限速优化设计值。

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