摘要
城市信号交叉口作为整个城市的交通要塞，关乎着城市整个交通网的正常运行。为了达到降低交通事故的发生率、提高城市信号交叉口的安全性和通行效率的目的，有必要对信号交叉口的交通安全现状做出客观的评价，并根据评价结果结合信号交叉口的现状提出相应的改进措施。本文选用交通冲突技术作为信号交叉口的交通安全评价研究方法，与事故统计评价方法相比较，非事故统计的交通冲突技术观测周期短、样本采集多、定量等优点突出，能够很好的弥补传统评价方法的缺陷，使得信号交叉口交通安全评价的有效性有了显著提升。
首先，本论文对城市信号交叉口交通安全评价的目的及意义进行了相关阐述，并综述了国内外对信号交叉口交通安全的研究现状，随后确定本论文研究信号交叉口的内容及技术路线。
其次，对交通冲突理论进行概述，并对交通冲突的严重程度进行判别，选取本论文研究的冲突类型，并随后选取本论文的评价指标，即通行效率、安全水平和环保水平，其中通行效率通过停车延误和通行能力来衡量，安全水平通过时均冲突数（TC）/时均混合当量交通量（MPCU）的比值来衡量，环保水平通过绿化水平和空气质量指数来衡量。
最后，依据所选取的交叉口影响因素，运用层次分析法构建交叉口交通安全评价模型，并选取济南市二环东路与花园路交叉口作为实例，对其评价结果的评分标准采取定性与定量相结合的评分形式，保证其结果的合理性，并最终对交叉口提出改进措施，以便安全、高效地提高交叉口的交通运行能力。
关键词：交通冲突；层次分析法；交通安全评价
Abstract
As the traffic fortress of the whole city, City signaling intersection is related to the normal operation of the whole city transportation network.In order to reduce the incidence of traffic accidents, improve the safety and traffic efficiency of urban signalized intersections, it is necessary to make an objective evaluation of the traffic safety status of signalized intersections, and put forward corresponding improvement measures based on the evaluation results combined with the status of signalized intersections.This paper chooses traffic conflict technology as the research method of traffic safety evaluation at signalized intersections. Compared with accident statistical evaluation methods, traffic conflict technology of non-accident statistics has advantages such as short observation period, large sample collection, quantitative, etc. It can make up for the defects of traditional evaluation methods, and make the traffic safety evaluation at signalized intersections more effective.
Firstly, this paper describes the purpose and significance of traffic safety assessment at urban signalized intersections, summarizes the research status of traffic safety at signalized intersections at home and abroad, and then determines the content and technical route of this paper.
Secondly, the traffic conflict theory is summarized, and the severity of traffic conflict is discriminated. The types of conflicts studied in this paper are selected, and then the evaluation indicators of this paper are selected, namely, traffic efficiency, safety level and environmental protection level. The traffic efficiency is measured by parking delay and capacity, and the safety level is measured by the number of time-averaged conflicts (TC)/time-averaged mixed equivalent traffic.The ratio of flux (MPCU) is measured, and the level of environmental protection is measured by greening level and air quality index.
Finally, according to the selected intersection influencing factors, this paper uses the analytic hierarchy process to build the traffic safety evaluation model of the intersection, and selects the intersection of East Second Ring Road and Garden Road in Jinan City as an example, and takes the qualitative and quantitative evaluation criteria as the evaluation criteria to ensure the rationality of the results, and finally puts forward improvement measures for the intersection in order to ensure the safety and quality of the intersection.Improve the traffic capacity of intersections efficiently.
Key words: Traffic Conflict; Analytic hierarchy process; Traffic Safety Assessment
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
城市交叉口引导着整个城市道路的交通流，随着交通参与者数量增多、运动状态改变，复杂的交通流之间的冲突几率也在随之增加，使得城市交叉口的事故发生率有增无减。根据相关调查表明，交通事故是导致15~29岁青年群体死亡的主要原因，且交通事故伤害已经位列全球死因排名第8位，若再任由其恶性发展下去，10年后将会上升至全球死因排名第5位[1]。全球每年在交叉口处发生的交通事故约占总事故的10％~40％，在我国发生的交叉口交通事故数约占30％，且降低了交叉口 40％~50％的道路通行能力[2]。因此，提高对城市信号交叉口的安全评估能力、改进评估方法对道路安全显得尤为重要。
目前而言，城市信号交叉口的交通安全问题愈发严重，为降低事故发生率、提高交叉口运行效率，对其交通安全进行客观的评价是保障整个交通网有效运行的前提条件。通常交叉口的交通安全通过交通事故的发生率表现出来，但交通事故的统计时间过长、发生几率低，导致评价结果偏差过大，可信度降低，而信号交叉口的交通事故发生率与交通冲突息息相关，交通冲突越严重交通事故的发生率就越高，因此，为提高对信号交叉口交通安全间接研究的准确性，可通过对信号交叉口交通冲突的深入研究来实现。通过实地考察，准确掌握具体的交通流运动规律，发现其存在的冲突问题，在此基础上，与科学理论相结合，确保能更加科学、准确、合理地研究交叉口的交通安全，进而为提出有效的改善措施提供科学的依据。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对基于交通冲突理论的交通安全评价研究起步较早，已经形成了比较成熟的体系及发达的技术措施。
对于交通安全的评价研究，Hu W等（2003）基于三维模型构建了车辆跟踪交通事故概率预测模型，采用模糊自组织神经网络算法实现了对车辆轨迹识别以及对事故发生概率的预测[3]。Songchitruksa等（2006）提出了基于可观测交通特征进行安全评价的方法，并对此加以验证[4]。对基于交通冲突的安全评价相关研究，Saunier等（2007）建立了基于视觉的自动道路安全分析系统，在此系统中达到了交通冲突可通过对碰撞概率的计算来识别的效果[5]。Gary等（2011）构建出了碰撞与冲突之间关系的模型，并提出了对潜在碰撞严重度进行分级的依据方法，通过验证得出碰撞事件与非碰撞事件之间的相关性，并且发现规避行为与碰撞之间呈线性关系，进而得出研究冲突的有效区间[6]。Ismail等（2011）提出了客观研究交通冲突的众多指标，并把相应的安全等级测量方法转变成安全指数[7]。Suwarto等（2016）为判别严重冲突和轻微冲突，提出了TA（Time to Accident）指标判别法[8]。Cafiso等（2017）在车载技术迅速发展的背景下，运用GPS和立体视觉相结合的方法对交通冲突进行监测，进而得出车辆与行人之间的风险参数[9]。基于交通冲突的交叉口安全评价研究，Alhajyaseen（2012）构建了转向机动车在信号交叉口的运行模型，得出车辆的速度以及交通冲突的严重程度受交叉口几何特征的影响[10]。
1.2.2国内研究现状
交通冲突理论的研究在我国起步较晚，起步于 20 世纪 80 年代，且仅在论证有效性、可靠性、判别标准的划定和分级标准等部分进行零散研究，并没有形成系统的研究体系[11]。
对国内交通安全的研究，任彦铭（2010）以万人事故率、万车事故率、万人死亡率和万车死亡率等相对指标作为预测结果指标，构建了城市道路交通安全预测指标体系[12]。基于交通冲突的交通安全研究，王俊骅等（2010）提出基于OpenCV和Halcon的从视频中自动检测交通冲突，提取相关参数的方法[13]。黄明芳等（2012）建立了以冲突率作为指标制定交通安全等级的模糊聚类安全评价模型[14]。在基于交通冲突技术的交叉口安全评价研究上，朱彤（2008）分析了传统的交通安全评价方法失效的原因并提出了新的改进方法[15]。王铨登（2012）依据已有的交通理论和数理统计方法，构建了基于综合交通冲突技术的城市道路交叉口安全评价模型[16]。孙林（2015）运用vissim软件进行车流实况仿真，通过SSAM识别仿真过程中存在的交通冲突，进而实现对交叉口的安全评价，文中把货车和交通流量所占比例深入分析，发现随着二者所占比例的增大，交叉口冲突数也随之增加[17]。郭延永（2016）在基于交通冲突产生原理之上，提出了从视频中自动识别交通冲突的方法，并根据所提取的参数构建了交通安全评价模型[18]。蒋春艳（2017）采用Tracker对视频中直行车辆与左转车辆的运行轨迹进行提取分析，并检验了所提取参数的有效性[19]。丁柏群（2019）等以N-K模型和改进的耦合度模型为基础，建立了城市交叉口风险因素耦合模型，并分析了城市交叉口影响因素之间的耦合作用[20]。
1.3研究内容及技术路线
本文首先阐述了研究交叉口交通安全的意义，查阅了国内外对交通安全的研究现状，再基于交通冲突理论论述了定义及分类、产生过程、相关特性和计算方法，又着重从距离、速度和时间三个方面分析严重冲突与非严重冲突的判别方法。随后选取通行效率、安全水平和环保水平作为评价信号交叉口的评判指标，并采用层次分析法构建交通安全评价体系，最后选择济南市某信号交叉口进行实例验证，并详细记录了调查的方法、过程以及确切的数据分析，并最终分析得出此交叉口的安全水平，根据评价结果，提出符合社会实际的改进措施。对应的技术路线如图1-1所示：
图1-1 技术路线结构图
第2章 交通冲突技术相关理论
交通冲突技术（TCT）主要应用于道路交通安全的评价和事故的预测，是一种采用非事故数据统计的安全评价方法[21]。交通冲突本质属于一种不安全隐患，其发展方向可导致事故也可通过采取应急措施防止事故发生，冲突的严重程度一定程度上影响着事故发生率，就间接影响着整个交叉口的交通安全。由于事故数据的测量耗时长、数量少，单一的利用事故数据对交叉口进行安全评价时，使得交通安全评价的有效性过低，而交通冲突技术代替了传统的事故统计方法，很好的解决了数据统计中局限性过大的问题。
2.1 交通冲突理论
2.1.1 交通冲突定义及分类
研究人员对于交通冲突的研究有着不同的方向和目标，因此在完善交通冲突的定义方面也有着不同的见解，所以在一定程度上有利于我们完善对交通冲突的理解。1977年在首届国际交通冲突学术年会上正式提出了交通冲突的标准定义[22]：在可观测条件下，位于交叉口同一时间、同一空间的两个或者两个以上的交通参与者发生运动或者静止状态，如果其中一方采取交通行为，而致使另一方必须采取相应的交通行为来避免与其发生碰撞（交通事故），这种行为称为交通冲突。
不同的分类标准产生不同的交通冲突类型[18]：
根据常用的冲突类型，本文选取机动车与机动车冲突、机动车与非机动车冲突和机动车与行人冲突三种冲突类型作为研究对象。
2.1.2交通冲突的产生过程
整个城市道路信号交叉口交通系统由交通环境、交通参与者与交通行为三个部分组成。其中交通环境包括道路环境、交通流特性、交叉口几何设计、交通管制等；交通参与者包括机动车、非机动车和行人，其中冲突产生的很大一部分原因是由于机动车驾驶员的行为活动造成的；交通行为包括无干扰通过和避险行为。当机动车驾驶员受到生理、心理和交通环境等多重因素影响时，会对自身的驾驶行为产生一定的影响[23]。与此同时，驾驶员的驾驶行为又反作用于交通环境，使交通环境发生改变，对应地，交通环境在一定程度上也对车辆的运行特性产生影响，通过各种因素相互影响而扰乱系统平衡，从而发生交通冲突[24]。
交通冲突的产生过程如图2-1所示[16]，根据图2-1可发现，驾驶员的驾驶行为受到交通环境和交通参与者的影响，当驾驶行为无干扰时，整个交通系统可以保持正常运行，但当驾驶行为产生避险行为时，此时发生交通冲突，则需要根据避险行为的成功与否来判定确切的结果：若避险成功，交通保持正常运行；若避险失败，则发生交通事故。
图2-1 交通冲突的产生过程
2.1.3交通冲突的特性
由交通冲突的产生过程可知，交通冲突与交通事故之间存在着一种特定的关系，虽然两者之间造成的结果不同，但两者产生的过程相似性极高，不同之处在于两者之间是否造成了直接损害。
（1）相关性
交通冲突与交通事故之间暗含着一定的规律性，交通冲突本身就属于一种不安全的交通行为，当把交通冲突的严重程度无限发展时，就会演变成交通事故。两者之间的发生关系可由金字塔型来确切地描述其分布特点，如图2-2所示：
图2-2 交通冲突与交通事故的相关性
（2）替换性
根据相关的数据资料统计，发生平均8000次左右的交通冲突可造成一次交通事故的发生，并且二者的相关性系数高达0.97[25]。综述，交通冲突和交通事故二者之间的关系可表示为：交通冲突可作为独立的指标代替交通事故用以交通安全的评价，相应地，把交通冲突技术应用于交通安全评价可使评价过程更具可靠性。
2.1.4交通冲突指标计算方法
交通冲突技术是一种非事故数据分析方法，能够有效解决数据的局限性问题，且有利于安全风险的事前防控[26]。交通冲突技术选取时均冲突数（TC）和时均混合当量（MPCU）的比值作为评价标准，但由于综合评价体系中的冲突类型包含机-机冲突、机-非机冲突和机-行人冲突三种类型，则应给每一部分类型的交通冲突率赋予权重系数，最终得到整体交通冲突率，具体算法如下[27]：
（1）单个冲突类型的交通冲突率：
式中：—冲突对象
和
之间的冲突率；
—交叉口冲突类型
的小时严重冲突数量；
、
—参与对象
与
的当量交通量。
- 整个交叉口系统交通冲突率：
式中：—综合交通冲突率；
2.2信号交叉口交通冲突严重性的判别
根据交通冲突与交通事故的相关性显示，能演变成交通事故的交通冲突只有极少数，因此，就必须对交通冲突的严重程度进行准确的衡量，在此前提下，选择其相应的严重等级作为评判依据，才能确保二者相互替代的准确率。从理论角度来说，选择衡量交通冲突严重程度的指标有很多，但有些指标的测量缺乏实际性，通常情况下会选择从距离、速度和时间三个指标来判别交通冲突的严重程度。
2.2.1交通冲突距离
空间距离法是以冲突双方最直观的相距距离来作为评判依据，交通冲突的严重程度由双方之间的距离与临界距离进行比较的结果而决定。当双方距离大于临界距离时，表示冲突的严重程度较低，视为非严重冲突；当双方距离小于临界距离时，表示冲突的严重程度较高，视为严重冲突；当双方距离为0时，此时会发生交通事故。不同车型在不同速度下有不同的临界距离，如表2-1所示：
表2-1 不同情况下临界距离一览表
| 速度/（m/s） | 临界距离/m | ||
| 小型车 | 中型车 | 大型车 | |
| 1.0 | 0.28 | 0.35 | 0.42 |
| 1.5 | 0.47 | 0.59 | 0.69 |
| 2.0 | 0.69 | 0.86 | 1.01 |
| 2.5 | 0.95 | 1.18 | 1.38 |
| 3.0 | 1.24 | 1.53 | 1.79 |
| 3.5 | 1.56 | 1.93 | 2.25 |
| 4.0 | 1.92 | 2.37 | 2.75 |
| 4.5 | 2.31 | 2.84 | 3.30 |
| 5.0 | 2.74 | 3.37 | 3.89 |
| 5.5 | 3.20 | 3.92 | 4.53 |
| 6.0 | 3.69 | 4.52 | 5.22 |
| 6.5 | 4.22 | 5.16 | 5.95 |
| 7.0 | 4.78 | 5.84 | 6.72 |
| 7.5 | 5.38 | 5.56 | 7.55 |
| 8.0 | 6.00 | 7.32 | 8.42 |
| 8.5 | 6.67 | 8.12 | 9.33 |
| 9.0 | 7.36 | 8.96 | 10.29 |
| 9.5 | 8.09 | 9.84 | 11.29 |
| 10.0 | 8.86 | 10.76 | 12.34 |
2.2.2交通冲突速度
根据能量理论，在相同的外界条件下，当冲突双方的行驶速度越大时，其自身对应所携带的能量就越大。由物理碰撞理论，当冲突双方在发生碰撞之前携带越大的能量，发生碰撞后造成的损失就越严重[28, 29]。国外的研究学者调查分析得出结论：当冲突双方的碰撞速度超过60km/h时，人体产生重伤或者死亡的几率较高；当速度在30km/h以下时，产生的伤害几率较低，仅体现在财物损失或轻伤；当速度在30~60km/h时，则会对人体产生一定程度的危害[30]。
2.2.3交通冲突时间
TTC（Time To Collision）和PET（Post-Encroachment Time）是时间距离法最常用的两个指标[18]，时间距离法综合了距离与速度两个因素，其中TTC是指冲突双方保持原来的路径和速度不变，从当前时刻到双方发生碰撞时的时间差，按照冲突方向不同，详细可分为三种情况，如图2-3、2-4和2-5所示：
图2-4 追尾冲突
图2-5 对向冲突
采用此方法时若将汽车自身的形状、大小忽略，看成一个理想的质点，则三种情况的TTC计算如下：
- 正向冲突
- 追尾冲突
- 对向冲突
而PET是指冲突双方位于交叉轨迹上时，双方各自通过冲突点所用时间之差。记前车离开冲突点时刻为，后车到达冲突点时刻为
，则PET的计算为：
将测量的时间差与交通冲突判定的临界时间作对比，可判别出交通冲突的严重程度，其中，美国提出的严重冲突临界值 1s 作为标准，瑞典采用的为1.5s。
第3章 信号交叉口交通安全的评价指标选取
在城市信号交叉口中，多个交通参与者同时进入交叉口，根据各自行驶方向的不同，车辆、行人之间会形成直行、左转和右转等交通行为。在进行这一系列交通行为的过程中，多方之间会形成不同的交通流，当交通流达到一定数量之后，各交通流之间会产生干扰，同时也致使了冲突点产生。交叉口的通行效率与冲突点个数息息相关，冲突点就越多，交叉口通行效率越低，而通行效率是管理城市道路交通拥挤及事故的关键所在。因此，若想对交叉口进行客观评价，首先应先分析其通行效率。此外，最重要的就是安全，安全是交叉口正常运行的前提，保证各子系统的稳定性才能使整个交叉口处于一个动态平衡的环境。另外，根据相关统计数据，交通系统的碳排放量占全球碳排放量的25%，我国的交通能耗已占全社会总能耗的20%，其中，城市道路交叉口又是城市交通污染的重点区[31]。为响应保护生态环境、实现绿色发展的发展要求，所以本文将环保作为了一个评价指标。综上所述，本文选取通行效率、安全水平和环保水平作为评价指标。
3.1评价指标的确定原则
（1）系统性
系统性一方面指整体性，从整体性来说，交叉口是由人、车、路和环境共同组成的一个系统的整体，若对其进行综合评价，就要保持整个交叉口的动态平衡；另一方面指综合性，从综合性来讲，交叉口系统包括了经济、政治、社会、地理等诸多因素，需要综合考虑各种因素的影响。
（2）科学性
对于交叉口的安全评价，要秉持科学、合理性。从理论的提出到评价指标的选取，再到数据的收集以及最后的改善措施等流程中，都要讲究客观性，也是实现评价模型可行性的前提。
（3）定量与定性相结合
对于系统的评价，为确保评价的精确性与可操作性，应极大程度的追求科学、客观，所以对评价指标的选取及测量，都需要有具体的数量统计。但由于某些难以量化的因素也可能会对整个系统的运行造成一定的影响，所以有时也会把此类因素作为评价指标，利用人们的主观意识对其进行量化，从而使得综合评价更具全面、综合性。
3.2信号交叉口通行效率的分析
本文选取车辆在信号交叉口的停车延误和通行能力来作为判别交叉口的通行效率的指标。
（1）停车延误
交叉口延误反映了道路的受阻情况及服务水平，对评价交叉口的通行效率和分析交通规划具有重要意义。交叉口的延误可分为停车延误、控制延误和引道延误，其中停车延误是指车辆由于某种原因处于静止状态所产生的延误，包括停车时间和车辆由停止再到车辆再次起动时驾驶员的反应时间之和[32]。信号交叉口的延误过程如图3-1所示：
图3-1 信号交叉口延误过程
图中，横坐标表示通行观测线AB所用时间，纵坐标
表示在观测线AB内的通行距离。其中
指车辆不受干扰时按正常速度通过的所需时间，但通常情况下由于受到红灯和其他车辆、行人等的影响，车辆在行驶过程中会产生减速、停车和重新启动加速等行为，会使得车辆行驶时间产生延误。其中
为减速延误时间，
为停车延误时间，
为重新启动加速延误时间，
为车辆在整个延误过程所耗的总时间。本文选用的指标为
，对于停车延误的数据获取方法通常有现场调查法、数学模型估算法和计算机模拟法，本文选用现场调查法。
（2）通行能力
由于每个国家的交通设计不同，所对应的交通流特性也不太不同，因此选用的计算方法也不同。通常采用城市道路设计规范法、冲突点法和停车线法对我国交叉口通行能力进行判别，其中城市道路设计规范法被广泛采用，其具体的算法如下[33]：
1）一条直行车道的通行能力：
式中：—一辆直行车道通行能力，辆/h；
—信号周期内的绿灯时间；
—信号灯周期；
—绿灯亮后，第一辆车启动通过停车线的时间，通常取2.3s；
—折减系数，通常取0.9；
—直行车或右转车辆通过停车线的平均时间(平均车头时距，见表3-1）。
表3-1 混合型车队平均车头时距取值
| 大型车：小型车 | 2:8 | 3:7 | 4:6 | 5:5 | 6:4 | 7:3 | 8:2 |
| ti | 2.65 | 2.96 | 3.12 | 3.26 | 3.30 | 3.34 | 3.42 |
2）直左车道通行能力：
3）直右车道通行能力：
式中，指直左车道中左转车辆的占比；
4）直左右车道通行能力：
5）进口道设专右车道而未设专左车道时，此进口道的通行能力：
式中：—设专右车道而未设专左车道时，此进口道的通行能力；
—本进口道直行车道通行能力总和；
—本进口道直左车道通行能力；
另外，专用右转车道通行能力为：
6）进口道设专左车道而未设专右车道时，此进口道的通行能力：
式中：—设专左车道而未设专右车道时，此进口道的通行能力；
—本进口道直行车道通行能力总和；
—本进口道直右车道通行能力；
另外，专用左转车道通行能力为：
7）进口道同时设有专左和专右车道时，此进口道的通行能力：
式中，—本进口道直行车道通行能力总和；
—此进口道左转车占比；
—此进口道右转车占比；
其中，专用左转车道通行能力为：
专用右转车道通行能力为：
在一个信号周期内，如果对向的左转车辆达到3~4辆时，会减弱此侧进口道的直行车道的通行能力，当时，此进口道折减后的通行能力为：
式中：—此进口道折减后的通行能力；
—此进口道各种含直行功能的车道数总和；
—此进口道的通行能力；
—此侧进口道各种直行车道的设计通行能力；
—不折减此侧进口道各种直行车道通行能力时对面的左转车数（小交叉口为3n，大交叉口为4n，n—每小时信号周期数）。
3.3信号交叉口安全影响因素分析
城市道路交通系统由人、车、路和环境四个部分组成，各个要素之间相互联系，组合成一个动态平衡。当整个系统内部由于某种关系导致动态平衡失调时，则系统的安全性将会受到破坏，进而引发交通冲突或者交通事故。
在选用交通冲突技术进行交通安全评价时，为规避传统事故率法的耗时长、样本量不足的缺点，本文选用时均冲突数/时均混合当量交通量作为安全评价标准，其中
衡量了交叉口的绝对交通安全水平，可通过交通的安全设施和交通管制水平来体现，
反映了交叉口处整个交通网的交通运行水平，可以通过交通参与量、交通流的流向、交通组成和交通分配情况等来衡量。另外，针对交通冲突的评价衡量指标，本文选用的是严重冲突数，具体包括机-机严重冲突、机-非机严重冲突和机-行人严重冲突，其对应的交通冲突率可由章节2.1.4求出。
3.4信号交叉口环境因素分析
针对环保方面，本文的研究主要从交叉口的绿化水平和空气质量指数两个方面考虑。
（1）信号交叉口绿化水平
从对污染物的吸收角度考虑，不管是对于废气还是悬浮物，绿色植被都能起到良好的净化作用。本文选用交叉口范围内的绿化指数来衡量交通系统的环保水平，其具体计算步骤如公式3-13所示：
式中：—绿化指数；
—位于交叉口范围内的绿化面积；
—位于交叉口范围内的道路总面积。
其中，交叉口范围特指位于各停车线后方200米内的道路范围[31]。
（2）信号交叉口空气质量指数
机动车数量的增加也使道路的使用压力增大，尤其在交叉口处，随着车辆的各种操作反应，车辆对动力的消耗增加，同时也排放出大量的污染物，这就使得交叉口的空气质量随之降低，对整个城市的空气质量造成一定负担，因此，研究交叉口的空气质量水平对整个交叉口的综合评价至关重要。
第4章 信号交叉口交通安全评价方法研究
若要对城市道路交叉口进行准确的安全评价，选择合适的评价方法尤为重要。对于交通安全评价方法而言，传统上认为评价精确率较高的有两种方法：一是概率数理统计法；二是强度分析法。但是结合实际情况，在短时间内不可能多频次的出现交通事故，这就使得上述两种评价方法一方面受到时间的限制，另一方面在一定程度上导致数据采集不充分，影响评价结果的精确性。另外，对交通安全的综合评价，受到多种因素的影响与制约，从影响因素的性质及多样性考虑，本文采取交通冲突技术与层次分析法相结合的方法评价城市交叉口交通安全。
4.1层次分析法
层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是一种把影响系统的各种因素分层次进行深入探讨的方法，通过把复杂的系统简单化来清晰地解释出各因素之间的联系。城市交叉口系统作为一个复杂的综合体系，需要选取多种因素作为评价指标，采用层次分析法，可以涵盖各种能触及到的影响因素，使评价结果更具有全面性。另外，综合评价系统涉及到定性与定量相结合的方法，通过层次分析法能把主、客观因素分析的更具条理性。其一般步骤如下：
（1）建立层次结构
在对研究对象深入了解的前提下，将其影响因素根据属性不同由上而下划分成多个层次结构，对于同一层次的因素而言，不仅受下一层因素的影响同时也对上一层因素产生影响。一般情况由上而下分为三种层次：目标层、准则层和方案层，其中目标层代表研究对象，只有1个，准则层可以有1个或多个，准则层过多时可衍生出子准则层，方案层代表为解决研究对象所涉及的问题而提出的方法。详细步骤如下图4-1所示：
图4-1层次分析法构造模型
（2）构造成对比较矩阵
从第二层开始，判断此层次的因素对上一层因素而言重要性的大小，构造矩阵如下：
式中，表示对于
而言，因素与相比相对重要程度，为了使定性的因素进行量化，AHP法中先把两两因素之间进行比较，采取一个相对尺度来减少不同性质的因素之间的比较，提高了评价的准确性，其采用的比例标度如表4-1所示，其中
且
。
表4-1 九分位比例标度
| A比B | 极次要 | 很次要 | 次要 | 略次要 | 同等 | 略重要 | 重要 | 很重要 | 极重要 |
| 取值 | 1/9 | 1/7 | 1/5 | 1/3 | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 |
注：也可取2、4、6、8及其相应的倒数，表示重要程度的过渡性。
（3）层次单排序及一致性检验
对上述步骤构成的比较矩阵进行最大特征值及特征向量的计算，即对层次的判断矩阵，确定
各因素的权值，使其满足
，其中
的分量
为
对应权值，再根据一致性指标进行检验，若其检验通过，特征向量归一化后可得到权向量；若未通过检验，则需要返回到起点再次构造比较矩阵。
（4）层次总排序及一致性检验
整个过程为计算方案层所有因素对研究对象的权值，如表4-2所示，并按照相应计算方法判断一致性，若检验通过，可作为评价的依据，若不通过，则需重新构造矩阵或者改变评价指标。
表4-2 层次总排序权值
4.2信号交叉口交通安全评价模型构建
4.2.1模型的构建
通过第3章对评价指标的选取以及上述层次分析法的论述，构建信号交叉口交通安全评价模型。首先，信号交叉口交通安全评价A为目标层，受下一准则层中通行效率、安全水平
和环保水平
因素的影响，三种影响因素
对目标层A的对应权值为
。相应地，因素
也对应相应的方案层
：准则层的通行效率
对应的方案层为停车延误
和通行能力
；准则层的安全影响因素
对应方案层为
——
；准则层的环保水平
对应方案层绿化水平
和空气质量
。其中，方案层
对准则层
的对应权值为
。按其构建原理得到信号交叉口交通安全评价结构模型如图4-2所示：
图4-2 基于层次分析法的信号交叉口交通安全评价模型
相对应的数字模型如式子（4-1）：
式中，—信号交叉口综合评分；
—指标
对应的得分；
—指标
对目标层A对应的权值。
上式中需满足：
4.2.2评价指标的界定与分级
（1）通行效率
在交通量迅速增长的社会，为保证交叉口交通的正常通行，通行效率是对交叉口最基本的评价基准。针对3.2节选取的指标，对其进行如下界定：
①停车延误
基于停车延误分析的交叉口等级划分如表4-3所示：
表4-3 基于停车延误的交叉口等级划分
| 等级 | A | B | C | D | E |
| 停车延误/（S/辆） | ≤5.0 | 5.0~15.0 | 15.0~30.0 | 30.0~50.0 | ＞50.0 |
| 相应得分 | （90，100] | （80，90] | （70，80] | （60，70] | ≤60 |
注：具体得分按相关比例得出
对应等级状态如下：
A级——每辆车的延误时间小于5s，大多数车辆在绿灯内可以不用停车；
B级——每辆车的延误时间在5~15s内，有较多车辆在绿灯内发生停车；
C级——每辆车延误时间在15~30s内，有车辆通过交叉口但停车数量在增加，可能会出现个别绿灯周期不足；
D级——每辆车延误时间在30~50s内，许多车辆被迫停车，阻塞现象开始严重，通行比例下降，通行需要1个或以上的绿灯周期；
E级——每辆车延误时间在50s以上，绿灯周期不足，阻塞现象严重，几个周期内才可通行。
②通行能力
根据查阅相关资料，得出交叉口适应的交通量范围，根据此范围划分适用于所研究交叉口的评价等级，如表4-4所示：
表4-4 基于通行能力的交叉口等级划分
| 等级 | 差 | 较差 | 一般 | 较好 | 很好 |
| 通行能力（pcu/h） | （3000，4000] | （4000，5000] | （5000，6000] | （6000，7000] | （7000，8000] |
| 相应得分 | ≤60 | （60,70] | （70,80] | （80,90] | （90,100] |
注：具体得分按相关比例得出
（2）安全水平
城市交叉口的安全水平是保障交叉口正常运行的基本前提，本文选择以时均冲突数（TC）/时均混合当量交通量（MPCU）的比值来判别交叉口的安全水平。由于本文选取的冲突类型为机-机、机-非机、机-行人三种类型，因此，此比值应为三种冲突类型的综合交通冲突率。基于安全水平的交叉口等级划分如表4-5所示：
表4-5 基于安全水平的交叉口等级划分
| 等级 | 特别安全 | 安全 | 安全边缘 | 不安全 |
| TC/MPCU | ＜0.01 | 0.01~0.02 | 0.02~0.03 | ＞0.03 |
| 相应得分 | (85，100] | (70，85] | (55，70] | ≤55 |
注：具体得分按相关比例得出
（3）环保水平
①绿化水平
从环保角度来讲，本文选择从交叉口的绿化水平和空气质量指数来衡量交叉口安全等级。可将绿化水平划分为4个等级，如表4-6所示：
表4-6 交叉口绿化水平评分标准
| 等级 | 差 | 一般 | 较好 | 很好 |
| L/% | （0，3] | （3，6] | （6，9] | >9 |
| 得分 | [0，60） | [60，75） | [75，90） | [90，100] |
注：具体得分按相关比例得出
②空气质量指数
根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》标准，将空气质量指数按以下等级进行划分，如表4-7所示：
表4-7 空气质量指数等级划分
| 等级 | 优 | 良 | 中 | 较差 | 差 |
| 空气指数 | ≤50 | ≤100 | ≤200 | ≤300 | ＞300 |
| 相应得分 | [90，100] | [80，90） | [70，80） | [60，70） | ＜60 |
注：具体得分按相关比例得出
4.2.3权重系数的确定
权重系数的计算流程如图4-3所示：
图4-3 权重系数的计算流程
（1）构造成对比较矩阵
由本文研究的评价层次结构，将其评价指标划分层次如下：
目标层A：信号交叉口综合评价
准则层B:通行效率B1、安全水平B2、环保水平B3
指标层C：停车延误C1、通行能力C2、时均冲突数/时均混合当量交通量（TC/MPCU）C3、绿化水平C4、空气质量C5
通过咨询专家以及相关的指标分析，在不同的准则之下，构造的比较矩阵如下：
在总目标A下，构造比较矩阵如下：
在通行效率准则B1下，构造比较矩阵如下：
由于本文在安全准则B2上只采用了一个指标，故在此准则下不再构建比较矩阵。在环保准则B3下，构造比较矩阵如下：
（2）层次单排序及一致性检验
1）根据比较矩阵计算相邻两个层次之间下层因素对应上层因素的重要权重系数叫做层次单排序。对比较矩阵求最大特征值
相对应的特征向量
，即
，其中
的分量
就是对应因素的单排序权值。计算权重系数有两种方法，即和积法和方根法，本文选用和积法来计算，计算步骤如下：
2）一致性检验
一致性检验如下：
通常情况下，认为CI≤0.1时，比较矩阵具有一致性。但随着n的增加，误差会变大，为了确保准确性，采用随机性一致性比值来作为一致性判断指标，当CR≤0.1时，认为比较矩阵有一致性。其中，RI的取值如表4-8所示：
表4-8 RI取值
| 阶数n | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| RI | 0.00 | 0.00 | 0.58 | 0.90 | 1.12 | 1.24 | 1.32 | 1.41 | 1.45 |
（3）层次总排序的一致性检验
若B层对A层中对应
因素的单排序指标为
，随机一致性指标为
，则层次总排序的一致性检验如下：
若CR≤0.1时，则层次总排序具有一致性。
（4）权重值计算
针对上述计算方法，对本文的评价体系进行相关权重系数的计算：
1）各比较矩阵单层次排序及一致性检验
比较矩阵A-B：
计算得到：
比较矩阵B1-C:
比较矩阵B3-C：
上式中，—
对
的权重；
—
对
的权重。
经计算，上述单层次排序具有一致性。
2）层次总排序及一致性检验
表4-9 层次总排序权重计算
| 层次排序 | 对A的权重 | 组合权重 | ||
| 0.429 | 0.429 | 0.143 | ||
| 指标 | ||||
| 0.250 | 0 | 0 | 0.107 | |
| 0.750 | 0 | 0 | 0.322 | |
| 0 | 1 | 0 | 0.429 | |
| 0 | 0 | 0.667 | 0.095 | |
| 0 | 0 | 0.333 | 0.048 | |
4.2.4综合评价
根据交叉口的综合评价得分，采用百分制将评价等级划分为4个等级，见表4-10[31]：
表4-10 交叉口综合评价等级划分标准
| 等级 | 优良 | 中 | 较差 | 差 |
| 得分 | [100，80] | （80，70] | （70，60] | ＜60 |
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