从工程设计角度看道路交通安全关键指标

    1 问题的提出
    2003年高达十几万的交通事故死亡人数，充分揭示了约占世界20％人口，但只拥有世界1.5％机动车辆的中国道路安全的严峻形势。如以当量机动车数计算，中国交通事故死亡率为美国的30倍左右(美国拥有世界5％的人口，却占有世界20％的机动车辆，但每年交通事故死亡人数只有42 000)  。随着中国私人汽车销售量的激增、城市化进程和公路建设的快速扩张，我国的整体道路交通系统在逐年膨胀之中。它给国民带来前所未有的机动性的同时，相伴生的负面效应，交通安全的压力也与日俱增。

    笔者认为，从目前开始，应将道路安全和道路建设同等重视，才能降低交通事故对人民生命与财产安全上造成的巨大损失，从而显示中国做大国强国的气魄和水平。

    道路交通是由人车路组成的一个复杂系统，这个系统的三个部分之间的相互关系不协调就会造成道路安全问题。国外所提倡的道路安全"三E"(Education，Enforcement and Engineering)就是要从驾驶人员的教育，执法和工程(道路及车辆)的方法上人手来提高道路安全水平。本文作者均为国内外从事道路工程多年的研究人员，在此从工程角度为我国道路安全的发展进行一定的探讨。

    2 道路交通事故的统计学本质性研究及关键指标的提取
    一般说来交通事故是一小概率事件其特性可用概率统计模型来描绘。

    其中：P(n≤N)--某路段交通事故发生次数等于或小于N的概率
    n--年交通事故发生频率(随机变量)
    f(n)--随机变量n的概率密度分布函数
    μ--事故发生次数(随机变量n)的期望值

    这一公式给予我们的启示是道路交通事故是小概率的随机事件，它的发生频数的波动是非常正常的现象。如果简单地采用交通事故率作为判定道路安全的标准，则会造成一定的误导。这其中的起因是"回归均数"(Regression to the Mean)的现象。这方面一个典型的案例来自于美国旧金山1 000多个路口的安全调查的结果，数据见表1所示。在这个调查中，研究人员发现即使在没有实施任何改进措施的背景下，高事故发生率的地点会产生下一年交通事故次数下降的结果，研究者认为这是交通事故随机波动，以及驾驶人员对于事故多发地点的本能的谨慎所导致的，它不能说明这些交叉口的安全性能已经实质性地改善，因为若干时段后其交通事故次数还有回升。

    "回归均数"的现象会导致过高或过低估计项目的改进效用。从这一事例中获得的信息是，任何具有随机事件特性的指标，其某一时段或某一地点的单一的样本部不能够直接用于表征这一事物的本质规律，而具有代表性的指标其实是这一随机变量的期望值μ，它反映了经过时间与空间跨度后的道路交通事故的趋势性、集聚性以及平均程度等概念。交通事故的期望值μ也不再只是描述事故水平的变量，它体现的是一个地点的稳定的、收敛的事故形态，而这其实是该地点的安全性能的外在表征。

    由此可推知，道路交通事故历史数据的期望值μ可以作为表征道路安全性能的关键指标，同时它也是衡量道路交通安全改善措施有效性的指标。

    3 道路安全性能的相关因素集
    影响交通安全的因素是多样的，涵盖了从道路基础设施、交通流到交通管理方案的诸多方面。
    某一给定路段年交通事故发生次数的期望值(均数)可用下列数学模型来表示：
    式中，μn为道路交通事故的期望值；X1、X2、……、Xn，为道路交通事故的相关影响因素。上述模型概括了道路交通事故的本质性的规律，即道路交通事故的统计数据本身是一个随机变量，但其期望值与许多影响因素之间能够建立相关模型。由于该期望值是道路安全性能的表征，因此这种模型构成了道路交通性能的相关因素体系。以下将分类探讨该因素体系中的核心指标及其影响安全性能的作用方式。
    3.1 道路安全性能的交通流特征指标
    3.1.1 交通量
    一般说来，日交通量是影响年交通事故发生次数的最主要因素。但是研究表面，道路交通安全的性能与该路的交通负荷程度并不呈现单调递增的变化趋势。交通量与交通事故率的关系如图2-1所示：

    图中，道路交通事故率  

    即它是交通事故数N，相对于交通量V、长度L的相对比率。

    3.1.2 车速分布
    速度是公认的评价道路交通服务质量的重要指标。国内近年来已有科研人员在进行这方面研究工作，但内容主要是集中在揭示探讨设计速度与运营速度的关系(平均速度或85th速度)及相邻路段速度一致性的预测和评价问题。而对在道路安全中起重要作用的车辆行驶速度分布的研究还尚未引起应有的重视。
    车速的不同是由人之间或人车单元之间的差异而造成的。这种差异对车速分布的影响程度会随着道路环境和车辆组成而变化。车辆间的行驶速度差异越大，发生交通事故的风险就越大。平均速度或85th速度相等的两个路段，车速差异大(车速分布的方差大)的路段，其事故发生期望值会远远大于车速差异小的路段。
    揭示探讨车辆行驶速度的分布与道路设计及道路安全的关系是非常重要的。它可以构筑起道路设计与交通安全之间的媒介指标。

    3.2 道路设计要素
影响交通安全的道路设计的主要因素集中在诸如路面宽、路肩宽。路侧净空、平曲线的半径及曲度，纵曲线坡度及长度、与其它道路交叉的密度等方面．交叉口的设计和交通控制方式也会对交通事故发生次数有一定影响。
    例如，描述平面曲线设计与交通事故数之间的相关关系的Zeeger模型：
A为预测事故数；L为曲线长度，V为交通量；D为平曲线的曲度；S表述曲线上是否有缓和曲线，无缓和曲线，S为0，有缓和曲线，S为1；N／为行车道宽度(包括路肩宽度在内)。
Zeeger模型所描述的是平面曲线中的曲度，曲线长度。有无缓和曲线，在特定的交通量水平下，所对应得到的预期交通事故数。从模型中可以得出，平曲线路段的预测事故数的基本规律是随着曲线长度、曲度的增加增大，随着缓和曲线的设置，以及行车道宽度的增加而减少。
    道路设计中的安全要素还包括沿线交通工程设施的设计、交通工程设施与道路线形设计的适配性等，这方面也是决定驾驶行为，进而影响行车安全的重要指标之一，尤其是标志、标线，诱导设施等，与道路主体构造物共同构成了驾驶员的视觉信息界面，这是决定驾驶信息负荷度的主要来源。而长期的研究表明，驾驶信息负荷度与行车安全具有显著的相关关系。

    3.3 路侧设计要素
    路侧安全设计(Roadside Safety Design)是在六十年代末期，世界各国公路建设发展比较快的时候得到重视的。路侧一般定义为路面边缘以外的区域，其安全设计是公路设计中一种较新的理念。路侧安全设计的重要性是建立在对大量交通事故数据分析的基础上的。据发达国家的事故数据统计，至少有30％的伤亡事故是由于单个汽车冲出路外而造成的。车辆在行驶中；中出路面的事故可由下列因素造成：
    *司机的疲劳或暂时的注意力不集中；
    *超速行驶；
    *为避免和其它同向或异向行驶的车辆相撞
    *由于冰雪雨所造成的路面不利条件
    *车辆机械故障；
    *视距不足。

    4 道路安全工程的思维主线
    从工程的角度，以上述的道路安全相关因素为对象，所开展的道路的安全综合维护与改善的项目，统称为道路安全工程。如上所述，它是道路交通安全改善的教育、法制、工程中的重要组成部分，也是道路建设者与交通管理者的职责所在。道路安全工程的思维主线，即主要研究目标。研究内容和研究方向，均与道路安全的相关因素集直接对应。就目前我国的具体形势，道路安全工程的主体内容应焦躁于以下几个方面。

    4.1 建立全国一体化的道路安全数据储备
    建立交通事故数据库是揭示事故发生率与道路设计的关系，提出有效改进方案的基础。目前我国道路交通安全研究的重大障碍就是缺乏数据的采集、处理，分析的一体化的数据平台。没有对交通事故数据的科学分析，改进道路安全的工作很难落到实处。这个数据系统必须同时具有建立起相互关联的两种信息：第一类，详细的、微观的道路交通事故信息；第二类，与道路安全相关的各项道路、交通、环境的属性数据。上述任意单一类别的数据自身，都无法满足道路安全性能的研究的需求。
    另外，国外先进的经验是数据信息必须仓储化(Inventory)，即是以便捷。高效的平台对数据加以存储和管理。长期的实践表明，零散、不同介质、互不关联的数据几乎是道路安全研究中的最大障碍。
    现阶段较先进的是以地理信息系统(GIS)为平台，组织和管理道路安全相关数据，使道路交通事故数据、道路安全相关数据以图形化的空间组织形式加以整合。与此同时，在数据功能模块的设计中，强调多对象的理念，即将包括视频、图像。工程设计图形、数字地模。文本数据等不同源头的数据都以对象(Object)的格式嵌入到数据平台中，使其整合与互联，实现数据的有序与统一管理与应用。

    4.2 建立道路安全手册以科学评估道路、交通中的安全性能
    道路安全是一个实践性很强的领域。传统道路设计对安全的考虑仅限于一些基本理论计算比如最小半径，最大超高和最小视距的要求。世界各国多年道路使用经验表明，仅考虑这些道路设计的基本元素远远不能满足道路安全的要求。道路与人，车之间的相互关系不协调而造成的道路安全问题需要在传统的道路设计方法上引入新的设计理念来解决。国外在道路安全上已做了大量工作，取得了不少在实践中证明切实有效的方法。我国正处于道路建设大发展阶段，资源有限，目前道路安全方面的研究不能一开始就像有多年道路设计使用经验的许多西方国家所做得那么细致深入，但我们可以借鉴国外在道路安全上的许多经验和教训。其中，建立道路安全手册是目前可借鉴的核心任务之一。
    制定建立道路安全手册是道路安全工作深入发展的必然趋势。根据国外多年的道路安全研究及实践，道路交通安全不仅需要定性的分析，而且需要一套采用科学方法建立的，在理论上和实践上都可行的定量分析评价的参数和方法。只有定性与定量方法相结合，才能从安全的角度出发对道路的规划设计，维修改造、路侧环境的改良提供有效的方案。这种定量分析的方法与结论的集成，即是道路安全手册。
    道路安全手册应类似于道路通行能力手册，它是评价道路安全服务水平的工具。它的目的是为从事实际工作的道路设计和管理人员提供一个定量安全分析评价的方法，使决策人员能将眼前所采取的方案与未来道路使用期间的安全水平联系起来。
    如果建立了道路安全手册，中国的道路安全工程将从目前的经验性项目跃升至体系完整。方法可靠的科学分析的新层面。
在道路安全手册的研制过程中，应该将上述的运行速度分布的安全研究，道路设计的安全研究等的基础理论体系研究作为重点和突破点，以这些研究的核心成果构建道路安全手册的框架结构。

    4.3 重视路侧安全分析与路侧安全治理的实践
    无论是由上述什么原因造成车辆；中出路面的事故，安全的路侧设计都会降低事故发生的概率并大大地减轻事故的严重性，这就形成了目前所倡导的"宽恕型的设计"(Forgiven Design)，它的思想前提是驾驶员的某种程度的过失应该在道路交通系统中被化解，避免碰撞事件的产生。这就要求道路交通系统的安全空间更加广阔。虽然从表面上看，冲出路面的事故主要是人和车的原因，但实质上是人车路三个方面的关系不协调而造成的。道路工程人员必须认识到道路使用者是不可能在驾驶技术上是百分之百的完美无缺，"宽恕型道路"的目的就是在设计中为道路使用者提供改正错误的机会。七十年代末期，一些发达国家在"宽恕型道路"设计的概念已被广泛接受的基础上，开始将路侧安全设计引进，整合到道路设计的过程中。目前路侧安全设计已成为提高道路安全性能的不可缺少的一个重要部分。由于我国土地资源缺乏，可供道路使用面积非常有限，路侧安全设计及其优化更为重要。
    路侧安全设计内容包括道路边坡的坡度和地形整治、排水设施的处理、树丛及灌木林的布局、防护栏杆、中央分隔带(栏)、桥边护栏、碰撞衬墩等的设置。其主旨有两条主线：第一，尽可能防止车辆驶出路外，侵入路侧区域；第二，在车辆驶出路外的不利情形下，应在路侧区域中避免碰撞的发生，或致力于减弱可能碰撞的严重程度。
    目前我国应深入调查分析各地各等级道路汽车冲出路外事故的原因，针对不同原因提出减轻由路侧环境造成交通事故严重性的措施，建立评价路侧安全措施的科学方法(比如防护栏杆不同角度碰撞承受能力，反弹碰撞体的角度和力度，及其弹性变形能力的要求等)。并在此基础上建立路侧安全性能设计指南。路侧安全设施的需要会带起一个规模不小的商品市场，其产品的质量及安全效果也需要有系统和科学的评价方法。

    4.4 统一并完善山区公路货车避险道的设计规程
    目前国内短短几年的山区高速公路的使用经验证明，避险道是一个安全有效的措施，是道路安全工程的重要组成部分。避险道的工作原理是将在下坡中失控车辆的动能转化为势能，因势利导而化险为夷。国内个别已修建的避险道，因施工设计者没有充分领会避险道的作用，出于对施工造价的考虑，使避险道的坡度和线型设计不协调，导致避险道没有起到避险的作用，反而造成了不必要的伤亡和损失。

    在目前的状况下，考虑到许多山区公路还需修建避险道。因此有必要尽快制订统一的高等级公路避险道设计指南，就避险道的铺面材料、坡度、道长及道宽做标准化的要求，以供施工人员参考和使用，从而防止盲目修建不安全的避险道的事件的发生。

    5 结语
    笔者从中外的道路安全实践中，提取了一些思维方式加以分析和整理，以本文作为载体，旨在探讨适合中国特色的，能够发挥实质性作用的道路安全工程解决方案与发展路线。囿于研究深度与广度，所提观点难免有不足之处，请各方专家多加赐教。

    信息来源：北京工业大学交通研究中心 北京交通工程科研所 孙小端 刘小明 陈永胜 邵杰