《Accident Analysis & Prevention》：Redefining ramp influence area for curved diverging and merging freeway segments using crash data
编辑推荐：
本研究针对高速公路匝道影响区（RIAs）传统固定缓冲距离不合理的问题，提出基于数据驱动的方法，结合NBGAM和XGBoost模型，分析几何设计与交通需求对事故频率的影响，确定不同匝道类型的事故风险稳定距离，为优化RIAs定义提供依据。
Norran Kakama Novat|Valerian Kwigizile|Sia Isaria Mwende|Upendo Gerald Bitaliho|Norris Novat|Hellen Shita
西密歇根大学土木与建筑工程系，美国密歇根州卡拉马祖市西密歇根大道1903号，邮编49008
摘要
问题
尽管有证据表明驾驶员行为、道路几何形状和交通运行会在匝道附近产生空间异质性的碰撞模式，但高速公路匝道影响区域（RIAs）通常仍使用固定的缓冲距离来定义。本研究提出了一个数据驱动的框架，通过分析2018年至2023年华盛顿州的碰撞数据，实证确定匝道相关碰撞影响稳定的位置，而不是假设一个预先确定的距离。
方法
本研究开发了一个分析框架来划定匝道影响区域。首先，使用负二项广义加性模型（NBGAMs）来量化几何设计、交通需求和运营特征对曲线和直线进出匝道碰撞频率的影响。其次，采用负二项梯度提升（XGBoost）结合分组站点级交叉验证生成外部折叠预测的碰撞风险曲线，然后使用分段变点估计器和站点级空间自助重采样方法来确定每个匝道配置的碰撞影响距离（τ）及其不确定性。
结果
研究结果表明，影响距离存在依赖于几何形状的层次结构。曲线入口匝道的下游扰动距离最长（τ ≈ 1,800 英尺），远超传统阈值。直线入口匝道的影响范围有限且受需求影响（τ ≈ 300–1,000 英尺）。曲线出口匝道的影响区域较小（τ ≈ 500–900 英尺），而直线出口匝道的影响范围非常有限（τ ≈ 300 英尺）。这些发现表明碰撞传播存在方向性不对称：合并扰动会向下游扩散，而分流扰动则在匝道附近迅速减弱。
对行业的影响：
本研究提供了一个基于数据驱动的框架，用于根据几何形状细化RIAs的定义。通过确定特定于几何形状的阈值，交通机构可以制定更准确的安全评估标准，并改进高速公路匝道设计。研究结果支持采用灵活的、基于风险的RIAs划定方法，以增强复杂匝道环境中的碰撞缓解措施。
引言
匝道影响区域（RIAs）是指高速公路入口和出口匝道上游或下游的区域，在这些区域，合并、分流和变道操作会显著影响碰撞风险（McCartt等人，2004年）。尽管这些路段仅占高速公路总里程的一小部分，但研究表明它们与大量高速公路碰撞事件有关（Yang等人，2019年）。特别是在匝道交汇点附近，由于高速互动和驾驶员在受限空间内的突然决策，碰撞往往更为严重。
为了评估这些区域的安全性，大多数设计手册和碰撞研究采用固定的RIAs长度，通常在入口匝道上游1500英尺和出口匝道下游1000英尺处设定（Z. Wang等人，2009年；Yang等人，2019年）。然而，这些标准化定义很少考虑道路的几何复杂性，尤其是水平曲率，而曲率会影响驾驶员行为和碰撞发生（Fitzpatrick等人，2011年）。曲线路段会降低视线距离，增加侧向摩擦需求，并带来额外的导航挑战，但相同的RIAs缓冲长度通常均匀应用于曲线和直线路段。
尽管关于匝道安全的研究很多，现有研究通常使用固定的缓冲距离或运营性能指标来定义匝道影响区域，而不是直接建模碰撞风险在空间上稳定的位置（Yang等人，2019年；Y. Zhang等人，2023年）。此外，以往的研究很少使用统一的分析框架区分曲线和直线配置之间的空间安全范围。因此，当前的指导原则隐含地假设了一个普遍的影响距离，尽管驾驶员的工作负荷、视线距离和操作复杂性会随着几何形状的不同而显著变化。
本研究通过两部分建模框架解决了这一不足。首先，使用NBGAM来研究几何形状和运营变量如何影响不同类型匝道的碰撞频率。其次，使用空间验证的NB-XGBoost和变点程序来估计碰撞风险稳定的位置，从而定义出对几何形状敏感的匝道影响距离。
因此，本研究的目标是：（1）量化几何设计、交通需求和运营特征对进出匝道碰撞频率的影响，并研究这些关系在曲线和直线对齐方式之间的差异；（2）开发并应用数据驱动的建模方法来确定有效的碰撞影响距离。通过填补这一空白，本研究为匝道安全评估提供了一种基于统计数据和几何响应的方法，具有理论和实际价值。
文献综述
匝道影响区域（RIAs）是高速公路入口和出口匝道上游或下游的关键路段，在这些区域，合并、分流和变道操作会显著影响碰撞风险（McCartt等人，2004年）。尽管这些路段仅占高速公路总里程的一小部分，但研究表明它们与大量高速公路碰撞事件有关（Yang等人，2019年）。特别是在匝道交汇点附近，由于高速互动和驾驶员在受限空间内的突然决策，碰撞往往更为严重。
为了评估这些区域的安全性，大多数设计手册和碰撞研究采用固定的RIAs长度，通常在入口匝道上游1500英尺和出口匝道下游1000英尺处设定（Z. Wang等人，2009年；Yang等人，2019年）。然而，这些标准化定义很少考虑道路的几何复杂性，尤其是水平曲率，而曲率会影响驾驶员行为和碰撞发生（Fitzpatrick等人，2011年）。曲线路段会降低视线距离，增加侧向摩擦需求，并带来额外的导航挑战，但相同的RIAs缓冲长度通常均匀应用于曲线和直线路段。
尽管关于匝道安全的研究很多，现有研究通常使用固定的缓冲距离或运营性能指标来定义匝道影响区域，而不是直接建模碰撞风险在空间上稳定的位置（Yang等人，2019年；Y. Zhang等人，2023年）。此外，以往的研究很少使用统一的分析框架区分曲线和直线配置之间的空间安全范围。因此，当前的指导原则隐含地假设了一个普遍的影响距离，尽管驾驶员的工作负荷、视线距离和操作复杂性会随着几何形状的不同而显著变化。
本研究通过两部分建模框架解决了这一不足。首先，使用NBGAM来研究几何形状和运营变量如何影响不同类型匝道的碰撞频率。其次，使用空间验证的NB-XGBoost和变点程序来估计碰撞风险稳定的位置，从而定义出对几何形状敏感的匝道影响距离。
因此，本研究的目标是：（1）量化几何设计、交通需求和运营特征对进出匝道碰撞频率的影响，并研究这些关系在曲线和直线对齐方式之间的差异；（2）开发并应用数据驱动的建模方法来确定有效的碰撞影响距离。通过填补这一空白，本研究为匝道安全评估提供了一种基于统计数据和几何响应的方法，具有理论和实际价值。
方法部分
数据来源
本研究使用了华盛顿州2018年至2023年的碰撞数据、道路库存数据和水平对齐数据。数据来自由联邦公路管理局（FHWA）维护的多州数据库——公路安全信息系统（HSIS）。分析重点关注高速公路匝道段落。定义了入口和出口匝道的匝道影响区域，以支持对曲线和直线路段上碰撞分布差异的实证研究。
方法论
本研究旨在通过确定碰撞风险随距离从匝道交汇点减少的位置来重新定义高速公路匝道影响区域（RIAs）的空间范围，重点比较曲线和直线几何形状对入口和出口匝道的影响。整个分析工作流程如图3所示。
为了解决本研究中的两个研究目标，方法论包括两个分析阶段。
结果
结果部分分为两部分，对应于两个研究目标。首先，展示了NBGAM的结果，解释了几何和运营因素如何影响碰撞频率。其次，展示了基于NB-XGBoost的影响曲线和变点估计，以确定有效的匝道影响距离（τ）。
结论
本研究评估了一种基于几何形状响应的数据驱动方法，用于定义高速公路匝道影响区域（RIAs）。该方法不依赖于固定的缓冲长度，而是结合了可解释的负二项回归模型（用于量化设计和运营变量如何影响碰撞可能性）和负二项XGBoost空间学习流程（用于生成外部折叠影响曲线）以及数据驱动的变点估计器（τ），以确定与匝道相关的碰撞风险稳定的位置。
实际意义
研究结果支持从固定匝道影响区域（RIA）缓冲区向基于几何形状和需求响应的定义转变，在高速公路安全评估和设计实践中进行改进。目前《公路安全手册》（HSM）C部分设施划分程序和州交通部网络筛选手册中的指导建议通常使用统一的1,000–1,500英尺影响长度来评估匝道，应进一步完善这些建议，以纳入基于实证变点的距离阈值（τ）。
局限性与未来研究
虽然本研究利用碰撞数据提供了关于匝道影响区域几何形状特定划分的宝贵见解，但仍需承认一些局限性。首先，分析仅限于距匝道交汇点2,500英尺的范围内。虽然这个距离涵盖了大部分合并和分流活动，但它可能排除了更远范围的影响，特别是在涉及复杂互通式立交、延长加速车道或重型卡车流量的情况下。
作者贡献声明
Norran Kakama Novat：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，项目管理，调查，正式分析，数据整理，概念化。Valerian Kwigizile：监督，概念化。Sia Isaria Mwende：撰写 – 审稿与编辑，正式分析，数据整理。Upendo Gerald Bitaliho：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，正式分析。Norris Novat：Hellen Shita：撰写 – 审稿与编辑，验证，正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢由美国联邦公路管理局（FHWA）维护的公路安全信息系统（HSIS）提供本研究所需的碰撞数据、道路库存数据和水平曲线数据。本文表达的观点、发现和结论仅代表作者本人，并不一定反映其他组织的观点。
