一种提高公路安全性的优化模型外文翻译资料

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一种提高公路安全性的优化模型

摘要

为了提高怀俄明州县道路的安全性，本文开发了一套交通安全管理系统（TSMS）。TSMS是提高巷道网络安全性的战略性和系统性过程，在资金有限的情况下，重要的是确定安全改进项目的最佳组合，以便在减少碰撞方面为社会提供最大收益。包括在建议的优化模型中的因素包括年安全预算，道路库存，道路功能分类，历史事故，安全改进对策，与安全改进对策相关的成本和减速因子（CRT）以及平均日常交通量（ADT）。本文论证了所提出的模型如何确定安全改进项目的最佳组合，以最大限度地降低总体事故频率的安全效益。虽然所提出的方法在怀俄明州的县道路网上实施，但它可以很容易地修改为在怀俄明州高速公路系统上的潜在实施。其他州也可以在其管辖范围内实施类似计划并取得效果。

关键词：交通安全管理系统；县道路优化模型；事故缩减因子

1.简介

2014年，怀俄明州共发生14,699起车祸，其中包括131起致命事故，2818起受伤事故以及11,750起财产损失事故（WYDOT，2015b）。与这些事故相关的金钱损失约为5.5亿美元。怀俄明州，联邦州和地方实体拥有和维护的道路共有27,831英里（WYDOT，2008）。虽然大多数州都有自己的交通安全管理体系（TSMS），但怀俄明州还没有TSMS（Mishra等，2015）。这项研究的重点是为县道路开发TSMS。

在怀俄明州，有2444英里的县道路（约8.8％）（WYDOT，2015a）。怀俄明州技术转移中心（WYT2/LTAP）正在为这些县道路开发路面管理系统（PMS）。作为这项工作的一部分，WYT2/LTAP和WYDOT在2014年夏季开展了一项全面的数据收集计划。这项工作扩展到安全领域，包括开发TSMS，因为收集的一些PMS数据可用于开发TSMS。收集到的PMS数据包括道路识别信息、交通数据、道路宽度、车辙深度、国际粗糙度指数（IRI）、路面状况指数（PCI）和路面使用性指数（PSI）（WYDOT，2015a），其中一些信息有助于开发TSMS模型。

许多怀俄明县的道路建于40多年前，维护不一致，导致整体道路条件差（Saha和Ksaibati，2015）。此外，石油和天然气工业的发展增加了县道上的卡车运输量，卡车交通量的增加导致了由于碰撞而造成的重大经济损失，因此需要开发创新的TSMS以更有效地利用有限的资源。

所开发的方法将确保选定的安全措施将最大限度地减少事故次数，特别是预设预算内的致命性事故。在所提出的方法中，选择安全改进不仅取决于交通量，而且还取决于对策的事故缩减因子（CRF）。事故缩减因子是在特定热点实施对策后事故减少可能会达到的百分比。根据最高级别的事故次数减少来选择安全改进。怀俄明州有917条县道路，全长2444英里。本研究利用所有这些道路来展示所提出的优化模型的实施。

2.文献综述

总结近期交通安全管理系统（TSMS）研究的文献综述可分为安全性能指数（SPF），事故热点和安全管理系统优化方法三部分。

2.1安全性能指数

为了提高安全性，了解事故发生的原因很重要。有大量研究模拟了事故发生（Abdel-Aty和Radwan，2000;Ahmed，2011;Cafiso，2010;Chin和Quddus，2003;Jovanis和Chang，1986;Miaou和Lord，2012;Tegge，2010）。Abdel-Aty和Radwan（2000）研究了交通事故发生和损失的建模。结果表明，年平均日交通量（AADT）、车速、车道宽度、车道数量、土地利用、肩宽和中值宽度对碰撞事故的发生有显著的影响。Tegge等人（2010）研究了伊利诺伊州的SPFs，发现年平均日交通量、流量控制、土地利用、肩型、肩宽、国际粗糙度指数、车道数量、车道宽度、车辙深度、中值类型、路面类型、交叉点数量等对安全产生重大影响。Cafiso等人（2010）开发了双车道农村公路综合事故模型，发现路段长度、交通量、车道密度、路边危险等级、曲率比以及高于10km/h的速度差异数显著增加了交通事故发生率。公路安全手册（HSM）为分为农村双车道双向道路，农村多车道公路，城市和郊区干线（AASHTO，2010）的道路提供安全性能指数。安全性能指数为道路段基础条件提供预测的总事故频率。考虑到几何设计和交通控制功能的CRF，可以测量更准确的预测事故频率。

研究人员利用多元线性回归、泊松回归、零膨胀泊松（ZIP）回归、负二项回归（NB）、零膨胀负二项（ZINB）回归等回归统计模型，利用不同的方法建立碰撞事故，几何特征和交通相关解释变量之间的关系。1986年，Jovanis和Chang（1986）研究了为什么多重线性回归不适合模拟事故发生的原因，因为事故频率数据不符合模型基本假设。线性回归模型的主要假设是观测频率分布必须是正态分布的，大多数事故频率数据违反了这个假设。还观察到事故频率数据具有诸如计数数据和过度分散的特殊特征。1993年，Miaou和Lord（2012）研究了泊松和负二项回归模型的性能评估，以模拟卡车事故与路段几何设计之间的关系。这项研究建议，泊松回归或ZIP模型可能是由于碰撞频率而建立关系的初始模型，但在大多数碰撞数据中，事故频率的平均值低于方差，这被称为过度分散（Sahaetal。，2015）。如果碰撞频率数据中存在过度分散，NB或ZINB将是适当的模型，因为它们导致过度分散。在大多数事故数据中，碰撞频率显示出明显的的过度分散并表现出过量的零点，其中ZINB回归模型似乎是最好的模型。

2.2.事故热点

在HSM中讨论了12种事故热点分析技术（AASHTO，2010），这些技术基本上排列具有潜在安全问题的地点。对于地点排序的标准是基于平均碰撞频率、事故率、相对严重程度指标、临界事故率、安全的服务水平，并预测碰撞频率，有些州有自己的识别方法，除了12HSM事故热点现场分析技术。此外，使用不同的识别方法和筛选方法，例如滑动尺度分析，经验贝叶斯（EB）方法，核密度估计（KDE），Moran#39;sI指数方法和Getis-Ord方法，已经进行了大量研究以识别碰撞热点Gi*（Anderson，2009;Cheng和Washington，2008;Elvik，2008;ESRI，2010;Getis和Ord，1992;Hauer等人，2004;Montella，2010;Persuad等人，1999;Saha，2014）。可以基于两个方面考虑，这是占碰撞频率或碰撞的严重程度{AASHTO，2010）的阈值水平的回归TO-的均值和偏差估计来选择最精确的技术。在可用的技术中，EB方法应该是识别碰撞热点的标准方法。

2.3安全管理体系的优化方法

在有限的预算范围内确定安全项目是交通规划的重要内容。应该确定事故热点，因为由于资金限制，并不是所有这些景点都可以用来实施安全对策。为了确定预算范围内的最佳事故热点，优化技术提供了优先于项目优先级的最佳方法。

TSMS是一个多目标优化问题，原因有三：首先，“工程师或决策者希望在预算范围内尽量减少整体碰撞频率;其次，应该尽量减少致命的撞车事故;在选择安全项目时，第三个高交通量道路应该具有更高的优先权。这个问题在许多研究中被定性为一个多目标优化（Mishraetal。，2015）。

优化技术通常用于运营研究、运输、管理、金融和制造业的资源分配。在运输方面，优化技术已应用于PMS，也可以在TSMS中实施（Saha和Ksaibati，2015）。在TSMS中，优化通常涉及最小化预测碰撞频率，包括一组受决定因素影响的决策变量，如预算和风险。有不同的优化技术、线性、整数、非线性和动态规划（Mishra等，2015）。TSMS中的优化技术包括线性编程和整数编程。

3.建模方法

本节介绍本研究中使用的TSMS模型的制定。简要讨论这个模型的主要参数，即碰撞热点识别。识别事故热点需要事故数据分析，随后进行现场调查以确定适当的改善措施类型。图1说明了确定安全项目最佳组合的算法。该过程包括两个主要步骤，即确定事故热点和潜在对策以及资金分配。以下小节将详细讨论每一步。

3.1识别事故热点

交通事故是罕见的随机事件，倾向于在某些地点聚集在一起。绘制碰撞图的直观过程揭示了碰撞发生的聚类特征。道路条件、天气状况、道路水平对齐、坡度和照明条件是造成事故的最主要因素。在本研究中，使用五年的碰撞数据（2010-2014）为每个部分计算碰撞频率。由于每段的长度不同，碰撞频率正常化一英里，因此可以比较段。为了识别事故热点，EB方法已经实施。在这种方法中，使用来自HSM的双车道双向道路的SPF计算预期的碰撞事故。

有时，决策者或工程师可能会有不同的目标来提高网络的安全性，例如减少整体碰撞频率并减少严重的碰撞事故。这项研究考虑了确定安全改进项目的最佳组合的两个目标。在确定项目的过程中，优先处理了与致命伤害事故有关的热点。

3.2分配分配策略

在确定事故热点后，下一步是进行现场评估以确定安全对策。表1总结了县级公路单元成本可能的低成本安全对策清单。WYT2/LTAP采用这些低成本安全对策来提高县道路的安全性。当需要重大安全改进时，通常与其他主要的路面修复项目结合使用。在每个地点，最好的对策是基于CRF选择的，而成本与开发模型的目标是最大限度地减少交通流量较高的路段上的整体预测碰撞事件，从而优先考虑发生致命伤害事故的路段。该模型被描述为公式

（1）

其中Ni和Nf＆Ii代表预测的事故和分别在道路i上发生致命的撞车事故。

这是一个组合优化问题，其中必须在满足某些约束的同时选择一组最小值的项目。预测事故N，-如果段被选择用于改进，则该段的事故乘以事故缩减因子（CRF）。这个模型是一个多层次的优化，其中两个目标函数被认为如方程（2）。考虑整体安全预算，这是一种优化方法，其目标函数是通过在道路上选择安全改进项目与更高ADT的最佳组合来最小化预算内的预测碰撞频率。

3.3优化模型

拟议的县道路TSMS考虑CRF以及当地的事故频率和ADT条件。

表1-铺设县道路的安全对策CRF和成本

4.数据收集的案例研究（怀俄明州县道路）

表2总结了数据来源与案例研究收集的数据单元的类型和数量。图2显示了研究区域代表了县道路总共2444英里分为917路线。以下小节简要介绍了从WYDOT和WYT2/LTAP获得的数据集。

表2 - 为县道收集的特征和数据

图二 县铺路的地点

4.1铺砌道路

本研究中使用的县道路的道路目录是从WYDOT获得的，其中包含道路识别号（RIN），道路名称，起止点的信息。怀俄明州有917条县道路，全长2444英里。

4.2事故数据

更正式地说，这个问题可以写成

（2）

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