李 佳 王雪松 周清雅

（1.北京工業(yè)大學北京市交通工程重點實驗室 北京 100124；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804；3.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院 廣州 510060）

0 引 言

服務水平（level of service, LOS）是美國《道路通行能力手冊（Highway Capacity Manual，HCM）》[1]推薦的衡量道路設施運行狀況的指標。信控交叉口的服務水平和車均控制延誤有關，其計算參數包括綠信比、飽和度和通行能力，可通過計算實際出行時間和預定條件下的基礎出行時間之差得到；預定條件指的是不存在交通控制、幾何設計造成的延誤和交通事件。LOS 以A～F 表示運行狀況由最佳到最差。盡管在服務水平的定義中并沒有考慮安全，但由以往研究可知道路設施的服務水平會影響安全水平[2]，同時事故的發(fā)生也會影響道路設施的服務水平。由于本文采用的數據是信控交叉口統(tǒng)計年份內集計的事故數與服務水平，而不是事故發(fā)生前后實時的服務水平，因而本文重點研究服務水平對安全的影響。

為詳細研究服務水平對交通安全的影響，需要針對不同事故碰撞類型進行分析。追尾事故發(fā)生在交叉口安全影響區(qū)（停車線上游）[3]，受進口道運行狀況影響較多；左轉事故發(fā)生在交叉口內部（在交叉口中心和停車線之間）[4]，受進口道運行狀況影響較少。在早高峰、中午和晚高峰，交通流特征顯著不同[5]，事故發(fā)生機制不一樣，因此有必要分析不同時間段內服務水平和交通安全的關系。

Persaud 等[6]發(fā)現對于郊區(qū) 4 肢交叉口，LOS D和LOS E 的交叉口事故數高于LOS B 和LOS C的交叉口，該研究沒有區(qū)分事故類型。Wang 等[7]針對信控交叉口總事故、追尾、側碰、左轉和直角碰撞事故分別研究了服務水平與安全的關系，結果表明，服務水平與不同類型事故均相關，LOS D的交叉口事故數少于LOS E 和LOS F 的交叉口，且LOS E的交叉口事故數最高。Almonte等[8]進一步分清晨、早高峰、平峰、晚高峰、深夜研究了服務水平與事故的關系，發(fā)現深夜易發(fā)生嚴重事故。上述研究都是在整個信控交叉口水平上探討服務水平和安全的關系，然而，同一交叉口的不同進口道，幾何設計、信號控制、交通流特征和事故類型都不同，交叉口水平的研究無法深入揭示服務水平和事故類型的關系[9]。本研究在交叉口進口道水平針對不同事故類型探討服務水平和安全的關系。

Hauer等[5]針對早高峰、中午和晚高峰分別建立事故預測模型，模型結果表明，在不同時間段，交通、幾何設計和信號控制變量對安全的影響不同。Wang 等[7]計算了早高峰、中午和晚高峰的信控交叉口服務水平，并采用分類變量描述時間段，分析了不同時段服務水平與安全的關系，結果表明時間分類變量的估計結果顯著，說明有必要考慮不同時段服務水平對安全的影響。

隨機參數建模方法針對不同樣本群體估計不同系數[10]。El-basyouny等[10]研究了位于58個交通走廊上的392 個路段，考慮到同一條交通走廊上路段的交通特征、環(huán)境因素、駕駛員行為相似，對每1 個交通走廊分別估計其影響變量的隨機參數。由于隨機參數模型考慮了不同走廊的影響變量對事故影響的差異，擬合度優(yōu)于固定參數模型。

綜上所述，目前國內外研究中針對交叉口服務水平與安全關系的研究較少，且沒有考慮服務水平與不同事故類型的關系。為分析信控交叉口進口道服務水平對不同事故碰撞類型的影響，本文以美國中佛羅里達地區(qū)信控交叉口為研究對象，基于HCM 計算交叉口進口道服務水平，進一步建立隨機參數模型分析不同時段服務水平與事故間的變化關系。

1 數據準備

本文采集了美國中佛羅里達地區(qū)奧蘭治縣和希爾斯伯勒縣164 個4 肢信控交叉口共656 個進口道的數據。

1.1 數據描述及來源

本文采用了2001—2003 年3 個時段（早高峰06：00—09：00，中午11：00—14：00，晚高峰16：00—19：00）的交通流量及各轉向流量數據。通過Google Earth獲取每個交叉口的幾何設計信息，包括直行、左轉、右轉車道數，左轉車道設置，進口道角度，中央分隔帶設置和各進口道方向。路面的摩阻系數信息從佛羅里達州交通部（Florida Department of Transportation, FDOT）獲得。交通控制信息來自縣交通部門，包括左轉相位設置（允許左轉相位，混合相位，保護左轉相位）、是否為信號聯(lián)控、黃燈時間、全紅時間和限速。

1.2 服務水平計算

依據2002 年各轉向流量數據計算工作日3 個時間段的服務水平。通過道路通行能力軟件(highway capacity software, HCS)基于轉向流量、信控參數和設計參數計算平均控制延誤，進一步得到服務水平。表1 為HCM 中規(guī)定的信控交叉口服務水平閾值。

表1. HCM 中 LOS 分類Tab.1 Classification of LOS by average control delay in HCM

圖1 分時段展示了交叉口進口道服務水平分布。早晚高峰時段，受通勤車流的影響，LOS F 最常見；而中午時段最常見的為LOS D。不同時間段服務水平和事故數變化顯著，因此有必要分時段研究服務水平與安全的關系。

1.3 事故數據

圖1 各時間段交叉口進口道服務水平分布Fig.1 Intersection approach LOS distribution for three time periods

2001—2003 年的事故數據來自FDOT，共計1 665 起追尾事故，716 起左轉事故，141 起側碰事故，172起直角撞擊事故，以及65起其他事故。由于側碰與直角撞擊事故數較少無法建立統(tǒng)計模型，因而在本文中未做討論。圖2描述了本研究中的追尾事故及左轉事故模式。交叉口進口道分為進口道、近側、遠側及對向進口道。由Wang 等[4]的研究可知，左轉事故模式分為9 種，文中僅考慮了2 類最主要的左轉事故類型，共549起：左轉車與對向直行車碰撞事故（占左轉事故72.5%）；左轉車與近側直行車碰撞事故（占左轉事故14.1%）。左轉事故分配到左轉車輛所在進口道上。

圖2 按沖突車輛行為劃分事故類型Fig.2 Crash types classified by conflicting vehicle maneuvers

1.4 數據統(tǒng)計

研究中涉及到的自變量和因變量統(tǒng)計見表2，且晚高峰事故數最高，早高峰最低。

表2 自變量和因變量描述性統(tǒng)計Tab.2 Descriptive statistics for independent and dependent variables

2 模型方法

同一信控交叉口4 個進口道間的流量、運行狀況互影響，導致進口道相互關聯(lián)，在劃分進口道進行分析時，必須要考慮進口道的相關性。隨機效應被用在多個研究中[9,11]。Wang 等[9]針對追尾、直角撞擊、側碰和2 種左轉事故類型建立了交叉口進口道水平的負二項模型。研究表明，負二項模型加入隨機效應后，考慮了同一交叉口進口道間的相關性，模型表現優(yōu)于普通負二項模型。

考慮到服務水平與安全的關系隨時間段變化，本文采用了隨機參數負二項模型（random parameter negative binomial, RPNB）模型。自變量系數的變化用來解釋不同時間段自變量對事故的影響，該建模方法在以往研究中多次應用[10，12-14]。RPNB模型形式見式（1）～（3）。

式中：yij為交叉口i進口道j的事故數；θij為yij的期望值；r為負二項分布的過度離散系數，設其服從gamma 分布，即r～Γ(0.01,0.01)；β0和β0是固定參數的待估系數；Bc(ij)為自變量在3 個時間段的隨機參數；Xij為交叉口i進口道j具有隨機參數的自變量；為交叉口i進口道j具有固定參數的自變量；zi為交叉口隨機效應項，服從正態(tài)分布zi～N(0,a)，其中a服從gamma分布，a～Γ(0.01,0.01)；B為個體水平上的C×K系數矩陣；C為分組數量（本研究中是3組），K為個體水平上的預測因子數（本研究中是5個）。Uc為分組水平上的C×L預測因子矩陣；L為分組水平上的預測因子數（本研究中是5個）。G為分組C的L×K維系數矩陣，故UcG為長度為K的向量。為便于計算，設方差-協(xié)方差矩陣∑B服從逆威沙特分布。

本研究采用全貝葉斯方法，使用WinBUGS進行參數估計。對每一個模型，采用5 000 次預熱，15 000 次正式迭代。采用方差信息標準（deviance information criterion, DIC）對模型進行評估。DIC是模型擬合度和參數有效性的評估標準，DIC越小，表明模型越好。在進行模型比較時，DIC之差為5～10 則可認為模型間無較大差異；若DIC差異大于10則可篩除DIC較大的模型[15]。

3 模型結果

為確定不同事故類型的影響變量，分別針對追尾事故和左轉事故建立了RPNB模型。

3.1 追尾事故模型

表3 列出了追尾事故模型結果，表格中為自變量系數95%置信區(qū)間，其中用字母標出的變量在90%置信水平顯著。

由表3可知，服務水平與所在縣2個自變量為隨機參數。基于不同的基變量（從LOS F 至LOS A），可分別建立模型分析服務水平與追尾事故的關系。表3 是將LOS D 作為基變量建模的結果。與LOS D的進口道相比，LOS E和LOS F的進口道事故數無顯著差異；LOS E 和LOS F 的進口道事故數之間也無顯著差異。LOS C 進口道事故數顯著低于LOS D 進口道。LOS A 和LOS B 進口道事故數沒有顯著差異，但均低于LOS C 進口道?？梢哉J為，較低的服務水平(LOS D, E, F)意味著較高的平均控制延誤和更長的進口道排隊，造成駕駛員在交叉口安全影響區(qū)頻繁的啟動、制動以及更冒險的駕駛行為。針對追尾事故，在研究服務水平與事故的關系時，可將服務水平分為3類，見表4。

表3 追尾事故模型結果Tab.3 Modeling results for rear-end crashes

表4 追尾事故的服務水平-安全關系Tab.4 LOS-safety relationship for rear-end crashes

服務水平對追尾事故數的影響隨時間變化見圖3。由圖3 可知，不同時間段，服務水平與追尾事故的關系相似，均表現為相對于LOS D 進口道，LOS A，LOS B與LOS C進口道追尾事故數較少，而LOS E 與LOS F 進口道與LOS D 進口道無明顯差異，與上文的結論一致。從另一個角度，同一服務水平在不同時段對追尾事故數的影響不同。①對于LOS A 的進口道, 在3 個時段中，早高峰LOS A 系數最高, 這表明相比于中午和晚高峰，LOS A的進口道在早高峰時段追尾事故數較高；②對于LOS B的進口道, 相比于早晚高峰，中午追尾事故更多；③對LOS C的進口道，相比于中午及晚高峰，早高峰追尾事故更少。

圖3 LOS的系數隨不同時間段變化-追尾事故Fig.3 Estimated coefficients ofLOS during different time periods in random parameter NB model:Rear-end crashes

除服務水平與所在縣，模型中其他的自變量為固定系數。交通量（即進口道交通量對數值）系數為正，說明進口道交通量與追尾事故數正相關，與之前的研究結論一致[9,16]。相對于左轉許可相位，左轉保護相位和混合相位進口道的追尾事故更多，這可能與復雜的信號控制方案會造成車輛頻繁起動和制動相關，與以往的研究[17]結果一致。模型中路面摩阻系數變量符號為負，即摩阻系數越大，追尾事故越多，與之前的研究[7,18]結論一致。

3.2 左轉事故模型

在左轉事故模型中，每條進口道的事故數是左轉事故模式1和左轉事故模式2的事故數之和，這2種模式在數據準備部分已經提及。研究發(fā)現進口道的服務水平與左轉事故發(fā)生沒有顯著相關性。表5列出了左轉事故建模的結果。

對于左轉事故，進口道服務水平與安全的關系不顯著。然而，有研究[7]認為，交叉口服務水平與左轉事故數相關。這2 個矛盾的結論表明，在微觀水平上研究運行狀況和安全的關系會更為復雜。在進口道層面，左轉交通服務水平在與左轉事故無顯著關系，左轉事故的主要致因是直行或左轉車未遵守交通規(guī)則而駛入交叉口，導致沖突在交叉口內部區(qū)域發(fā)生，而服務水平的計算是針對車輛所在的進口道，也就是交叉口安全影響區(qū)內。

交通沖突流量為進口道左轉車道組和近側直行車道組或對向直行車道組流量乘積的對數，系數為正，表明交通沖突暴露量與左轉事故數正相關。該結果與Hauer等[5]和Chen等[19]的結論一致。

表5 左轉事故建模結果Tab.5 Modeling results for left-turn crashes

進口道左轉相位的系數為隨機系數，相對于左轉允許相位，左轉保護相位與事故數負相關，這與Benioff等[20]的結論一致；然而相對于允許相位，混合相位的事故數較高，這與以往研究[3-4]結論一致。混合相位變量系數為正，推測與混合相位交叉口左轉和對向或近側直行交通量較高有關。

4 結束語

為了在交叉口進口道層面理解服務水平與不同事故碰撞類型的關系，筆者基于164 個信控交叉口共656 條進口道的數據計算3 個不同時段內進口道服務水平，并分別建立了追尾事故和左轉事故模型。采用RPNB模型分析不同時段服務水平對事故影響?；谀Ｐ徒Y果，可總結服務水平與安全的關系如下。

1）針對追尾事故，以LOS D為基變量，當進口道交通量相同時，LOS A，LOS B和LOS C追尾事故數較少。LOS A 和LOS B 安全性最高，但設計LOS A 和LOS B 的進口道在工程上難度大，建設費用高，因此，建議采用LOS C 平衡交通運行狀況和安全。而左轉事故與服務水平不顯著相關。

2）針對同一服務水平在對追尾事故影響的時變性：①LOS A的進口道在早高峰時段追尾事故數比其他時間段較高；②LOS B的進口道中午的追尾事故比其他時間段更多；③LOS C的進口道中午及晚高峰的追尾事故比其他時間段更多。

3）對追尾事故，了解服務水平和安全的關系及其時變特征，有助于交通設計者和管理者在不同時間段選擇適當的信號控制、車道設置策略等改變交通運行狀況以改善安全狀況。左轉事故與進口道服務水平無統(tǒng)計關系，應通過加強交通管理措施減少駕駛人違法行為從而改善左轉交通的安全狀況。