劉　星，羅　佳

(重慶交通大學(xué)　交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶　400074)

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，第16卷第2期，2015年6月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.16 No.2,Jun.2015

基于故障樹(shù)分析的城市道路平面交叉口事故致因研究

劉星，羅佳

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074)

摘要:在城市道路交通事故中，交叉口事故長(zhǎng)期占很大比例，為快速有效的找出交叉口事故主要致因，將系統(tǒng)安全分析法中的故障樹(shù)分析(FTA)應(yīng)用到城市平面交叉口事故研究中，根據(jù)影響交叉口事故各個(gè)因素及其邏輯關(guān)系建立故障樹(shù)，并通過(guò)定性和定量分析找出交叉口事故主要致因，便于提出防控事故的有效措施，有效提高城市平面交叉口安全性。

關(guān)鍵字：平面交叉口；故障樹(shù)分析

0引言

在城市中，由于道路的縱橫交錯(cuò)而形成許多交叉口，城市道路交叉口作為城市道路的重要組織部分，與道路其他地點(diǎn)相比更容易受到車(chē)流、人流、交通環(huán)境的影響，在城市道路發(fā)生的交通事故中，交叉口事故占很大的比例。美國(guó)交叉口及其附近的交通事故約占總交通事故的40.1 %；日本發(fā)生在交叉口的交通事故占總交通事故的33.3 %；英國(guó)大約有33%的交通事故發(fā)生在交叉口；中國(guó)城市的交通事故大約30%發(fā)生在交叉口[1]。

道路交叉口對(duì)整個(gè)城市道路的交通安全水平和通行能力有著十分重要的影響，因此分析研究導(dǎo)致城市道路交叉口事故的主要原因，減少事故的發(fā)生，是提高城市交通安全水平和通行能力的基礎(chǔ)性工作。目前有許多學(xué)者提出了不同的交叉口事故預(yù)測(cè)方法和安全評(píng)價(jià)方法。如[2]運(yùn)用四項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)字評(píng)價(jià)交通安全狀況，表征的交通事故情況直接且直觀，但需要大量的數(shù)據(jù)資源；基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的城市平面交叉口交通事故分析[3]，可以從復(fù)雜的因果關(guān)系網(wǎng)中和大量的數(shù)據(jù)中推理出事故原因，但工作量較大，過(guò)程較復(fù)雜；基于交通沖突技術(shù)的交叉口事故多發(fā)點(diǎn)判別及致因分析[4]，該方法具有觀測(cè)周期短、可定量研究交通安全現(xiàn)狀等優(yōu)點(diǎn)，但目前交通沖突技術(shù)在應(yīng)用方面存在亟待改進(jìn)的地方；采用汽車(chē)碰撞理論分析與專(zhuān)家調(diào)查結(jié)合的方法[5]，進(jìn)行各事故類(lèi)型的嚴(yán)重性分析，確定不安全因素的危險(xiǎn)指數(shù)，但沒(méi)有考慮各個(gè)條件之間的相互影響。故障樹(shù)分析方法描述事故的因果關(guān)系直觀、明了，思路清晰，邏輯性強(qiáng)，既可定性分析，又可定量分析，因此本文將基于故障樹(shù)原理建立城市平面交叉口事故的故障樹(shù)模型，找出交叉口事故主要原因。故障樹(shù)的原理、建造方法和常用符號(hào)詳見(jiàn)[6]。

1故障樹(shù)基本原理

故障樹(shù)分析(Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)FTA)是一種圖形演繹方法，從要分析的特定事故或故障開(kāi)始(頂上事件)，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因，即故障樹(shù)的底事件，并用事件符號(hào)、邏輯門(mén)符號(hào)和連接線等符號(hào)把導(dǎo)致事故的各種因素之間的因果和邏輯關(guān)系表達(dá)出來(lái)，繪制成一種樹(shù)狀圖，即故障樹(shù)。通過(guò)對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，得到故障樹(shù)的最小割集和最小徑集，再通過(guò)最小割集和最小徑集找到防止頂上事件發(fā)生的途徑和城市道路平面交叉口系統(tǒng)保證安全的可靠方案，同時(shí)把頂上事件用布爾代數(shù)表示，自上而下展開(kāi)，即可得到故障樹(shù)的布爾代數(shù)表達(dá)式，確定頂上事件的發(fā)生概率和各基本事件的概率重要度，進(jìn)而提出防控事故的有效措施。

2編制平面交叉口事故的故障樹(shù)

道路交叉口事故包括側(cè)面相撞、正面相撞、尾隨相撞、刮撞行人、同向刮擦、對(duì)向刮擦、撞固定物等多種。事故發(fā)生的原因有很多種，往往都會(huì)涉及到“人-車(chē)-路-交通環(huán)境”四個(gè)方面。其中交通參與者包括駕駛?cè)?、行人、乘客及居民，駕駛?cè)司哂刑貏e重要的作用，因?yàn)槌诵腥撕妥孕熊?chē)交通以外。

其他客、貨運(yùn)輸都要由駕駛?cè)送瓿桑瑫r(shí)，行人和自行車(chē)交通受到機(jī)動(dòng)車(chē)交通的影響，因此，絕大多數(shù)交通事故直接或間接地與駕駛?cè)擞嘘P(guān)。車(chē)輛是交通參與者的主要工具，因此在城市平面交叉口交通事故中，車(chē)輛是關(guān)鍵因素之一。道路是交通的基礎(chǔ)、支撐物，必須符合其服務(wù)對(duì)象的交通特性，道路性能的好壞直接影響到交叉口交通安全水平。交通環(huán)境指不僅包括道路環(huán)境，還包括車(chē)流組成，對(duì)于交通參與者有著直接的影響。因此作者將城市平面交叉口事故確定為頂事件，從“人-車(chē)-路-交通環(huán)境”四個(gè)方面與交叉口事故相互關(guān)系入手，運(yùn)用演繹推理的分析方法，逐層構(gòu)造城市平面交叉口事故各因素之間的邏輯關(guān)系，建立平面交叉口事故的故障樹(shù)，如圖1所示。

圖1　城市道路平面交叉口事故的故障樹(shù)

3故障樹(shù)的定性和定量分析

3.1　定性分析

求最小割集的方法很多，如：下行法、結(jié)構(gòu)法、質(zhì)數(shù)代入法、布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法等，鑒于故障樹(shù)中中間事件、基本事件較多，本文用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法求最小割集，得到如下故障樹(shù)的布爾代數(shù)式:

T=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7=(M8+M11+M12)+M11+(M9+M11+X17X18)+(M11+M12)=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17X18

運(yùn)用布爾代數(shù)方法，該結(jié)構(gòu)式已不能化簡(jiǎn)，于是得到故障樹(shù)的最小割集為：{X1}，{X2}，{X3}，{ X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17，X18}。

經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)求得最小割集后，根據(jù)化簡(jiǎn)后的故障樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)，重新繪制故障樹(shù)得到最小割集表達(dá)的等效樹(shù)。根據(jù)圖1的故障樹(shù)化簡(jiǎn)后的結(jié)構(gòu)函數(shù)繪制的等效樹(shù)如圖2。

圖2　故障樹(shù)最小割集表示的等效樹(shù)

由此可見(jiàn)，導(dǎo)致平面交叉口事故發(fā)生的直接原因?yàn)椋航徊婵谖恢貌缓侠恚唤徊婵谝暰嗖怀浞?；通視三角區(qū)內(nèi)有障礙物；信號(hào)燈位置不合理；信號(hào)燈可見(jiàn)性不好；超速行駛；不按規(guī)定會(huì)車(chē)超車(chē)；未按規(guī)定讓行；前后安全距離不足；不按規(guī)定車(chē)道行駛或逆向行駛；橫向安全距離不足；駕駛員操作不當(dāng)；道路擁堵；路面過(guò)滑；混行情況嚴(yán)重；剎車(chē)制動(dòng)失靈；車(chē)輛制動(dòng)距離不足情況下行人闖紅燈。

3.2　定量分析

故障樹(shù)的定量分析首先是確定基本事件的發(fā)生概率，然后求出頂上事件即平面交叉口事故的發(fā)生概率，并且對(duì)基本事件的概率重要度系數(shù)進(jìn)行分析，反映出各個(gè)基本事件發(fā)生概率的變化對(duì)頂上事件發(fā)生概率的影響程度，便于提出防控事故的有效措施。

3.2.1頂上事件發(fā)生概率分析

本文從前人研究成果[2-5]及報(bào)告中分析獲得基本事件的發(fā)生概率，鑒于各基本事件發(fā)生概率存在一定波動(dòng)范圍，數(shù)據(jù)存在相對(duì)誤差，用加權(quán)系數(shù)法加以修正得到的基本事件發(fā)生概率如下：

P(X1)=0.3074，P(X2)=0.2732，

P(X3)=0.1023，P(X4)=0.268，

P(X5)=0.0147，P(X6)=0.1826，

P(X7)=0.2658，P(X8)=0.3416，

P(X9)=0.0013，P(X10)=0.0373，

P(X11)=0.1437，P(X12)=0.0208，

P(X13)=0.2015，P(X14)=0.0192，

P(X15)=0.3028，P(X16)=0.7034，

P(X17)=0.6207，P(X18)=0.0358，

用以上基本事件概率求出頂上事件的發(fā)生概率，用q1，q2，…，qn，(n=1，2，．．．，18)表示上述18個(gè)基本事件的概率，整個(gè)事故樹(shù)只有與門(mén)和或門(mén)2類(lèi)邏輯門(mén)，有與門(mén)相連接事件概率積函數(shù)為

g(q)==q1q2…qn

(1)

與門(mén)相連接事件概率和函數(shù)為:

g(q)=qi=1-(1-qi)

(2)

城市平面交叉口事故發(fā)生的概率函數(shù)為：

P(t)=1-(1-q17q18)1-qi

(3)

計(jì)算得到P(t)=0.9778，由此可見(jiàn)城市道路平面交叉口事故發(fā)生的概率非常大。

3.2.2基本事件概率重要度分析

考慮基本事件發(fā)生概率的變化對(duì)頂上事件發(fā)生概率的變化，則通過(guò)概率重要度予以計(jì)算。概率重要度的定義式為：

Ig(i)=

(4)

式中p(t)為頂上事件發(fā)生的概率q(i)為第i個(gè)基本事件發(fā)生的概率；Ig(i)為第i個(gè)基本事件的概率重要度。經(jīng)計(jì)算得到各基本事件概率重要度如下：

Ig(1)=0.0319,Ig(2)=0.0301,Ig(3)=0.0243,

Ig(4)=0.0225,Ig(5)=0.0319,Ig(6)=0.0221,

Ig(7)=0.0297,Ig(8)=0.0331,Ig(9)=0.0218,

Ig(10)=0.0227,Ig(11)=0.0225,Ig(12)=0.0223,

Ig(13)=0.0273,Ig(14)=0.0223,Ig(15)=0.0218,

Ig(16)=0.0736,Ig(17)=0.0080,Ig(18)=0.1387,

由以上分析得知，在故障樹(shù)中的18個(gè)基本事件中，X16(道路擁堵)、X8(未按規(guī)定讓行)、X1(交叉口位置不合理)、X5(信號(hào)燈可見(jiàn)性不好)、X2(交叉口視距不充分)、X7(未按規(guī)定會(huì)車(chē)超車(chē))對(duì)城市平面交叉口事故的概率重要度最大，也就是說(shuō)降低這幾個(gè)基本事件的概率能迅速有效地降低交叉口事故的發(fā)生概率，因此防控交叉口事故的主要措施為：①提高交叉口通行能力，緩解交叉口道路擁堵，②加強(qiáng)交通整治與管理，強(qiáng)制要求駕駛員按規(guī)定讓行和會(huì)車(chē)超車(chē)，③對(duì)位置不合理的交叉口重新設(shè)計(jì)，④提高信號(hào)燈可見(jiàn)性，⑤針對(duì)不同情況采取相應(yīng)措施提高交叉口視距。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于故障樹(shù)原理建立城市道路平面交叉口事故致因分析模型，并以18個(gè)常見(jiàn)且易引起交叉口事故的因素為故障樹(shù)的基本事件，通過(guò)對(duì)前人研究成果與報(bào)告分析確定基本事件的發(fā)生概率，對(duì)城市平面交叉口事故故障樹(shù)模型進(jìn)行定性和定量分析，最終找出6個(gè)導(dǎo)致交叉事故的顯著致因并提出相應(yīng)防控措施，對(duì)改善城市道路平面交叉口交通安全水平有積極的指導(dǎo)意義。但是基本事件存在一定的相對(duì)誤差，模型的精準(zhǔn)性和實(shí)用性還需進(jìn)一步優(yōu)化。

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[6]胡毅亭,陳網(wǎng)樺,衛(wèi)延安.安全系統(tǒng)工程[M]．南京：南京大學(xué)出版社，2009.

Fault Tree Analysis for City Road Intersection Accidents

LIU Xing, LUO Jia

(School of Traffic & Transportation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Abstract:Among city road traffic accidents,intersection accidents account for a large proportion of long term, effective and find out the main cause of the accident intersection, the fault tree analysis method of system safety analysis(FTA)applied to the city intersection accident research,establish the fault tree according to the influence factors of accident intersection and logical relati on the intersection, and find out the main cause of accidents throu-gh qualitative and quantitative analysis, to put forward effective measures to prevention and control of accidents,improve the safety of city intersection.

Key words：plane intersection;fault tree analysis

文章編號(hào)：1671-234X(2015)02-0001-04

中圖分類(lèi)號(hào):U412.35-

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A-doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2015.02.001

作者簡(jiǎn)介：劉星(1990-)，男，江西撫州人，碩士研究生，E-mail：starliu1990@163.com。

收稿日期：2015-04-27