基于道路环境的干线公路安全性评价

杜　磊，杜　晶

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆　400074；2.四川理工学院建筑工程学院，四川　自贡　643000)



基于道路环境的干线公路安全性评价

杜磊1，杜晶2

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；2.四川理工学院建筑工程学院，四川自贡643000)

公路安全性评价能为设计提供依据，减少事故的发生。文章针对道路安全性评价因素的复杂性和不确定性，对影响干线公路安全性的道路环境因素进行分析，建立了公路安全性树状结构模型，并对评价体系运用层次分析法赋权，将评价过程量化，确定出隶属函数，建立了模糊综合评价模型。最后结合实例，得出由专家评分的干线公路安全性等级。

道路环境；公路安全性；树状结构；层次分析法；模糊综合评价

0　引言

进入21世纪，我国道路建设取得了跨越式发展，2009年年底，高速公路通车里程仅次于美国，跃居世界第二位[1]。但是，目前道路质量评价系统还不成熟，对于线形组成、结构组成、安全设施组成、交通复杂度的评价指标还不够明确，在定性分析和定量评价方面仍有待完善[2]。对道路设计者而言，道路的安全性、舒适性、经济性、快速性是最主要的方面，而对道路安全性的评价则是道路设计的重要环节。

模糊综合评价是美国控制论专家(L.A.Zadeh)开创模糊数学以来，发展出对一事物作出综合决策的方法[3]。该方法是在模糊环境下，考虑多种因素的影响，建立隶属函数，再进行模糊变换，得出评价结果。对于多目标决策问题，该方法具有实用性。

1　公路安全性评价的环境因素

造成道路交通安全事故的原因很多，其中道路环境对于道路安全性的影响最为严重[4]。公路是线形结构物，包括线形和结构两个组成部分，直接影响公路安全性，是道路的实体环境；公路的附属安全设施、交通复杂情况，间接影响公路安全性，是道路不确定环境。以下给出环境因素及其子因素，如表1所示。

表1　道路安全性评价的环境因素表

2　公路安全性模糊综合评价模型

2.1层次分析法赋权

层次分析法是美国运筹学家萨汀(T.L.Saaty)等人于20世纪70年代提出的对复杂问题作出决策的一种新方法[5-7]，该方法可以处理树状结构评价问题。

模糊综合评价需要在评价前确定指标的权重，层次分析法能将定性问题定量化，通过对各指标重要性的比较，给出其定量表示，计算出权重[8]。

2.1.1构造判断矩阵

对指标体系中，同一层次的各个因素关于上一层次因素的重要性进行两两比较，即可得到判断矩阵A=(aij)n×n，其中aij的取值可对照比例标度表得到。

2.1.2权重计算

判断矩阵A确定后，求其最大特征值(绝对值)λmax，根据其特征方程AW=λmaxW解出特征向量W，将特征向量归一化，即可得到因素间重要性的权重。判断矩阵A=(aij)n×n的最大特征值对应的特征向量W=(w1，w2，…，wn)的常用方法是和法。

和法的具体步骤为：先将矩阵A的每一列归一化，再得到矩阵B=(bij)n×n，然后按B的行求和，即

(1)

2.1.3一致性检验

由于事物的客观性和复杂性及我们的主观认识的局限性和片面性，在构造判断矩阵时，对两两间因素重要性判断时的思维标准是不一致的，当判断偏移过大时，计算的权重会为我们的决策带来误导，以致无法作出最优决策。因此需要进行一致性检验。一致性检验方法为：

(2)

其中，CI——一致性指标，为RI随机一致性指标；

CR——一致性比率。

(3)

对于1～9阶的判断矩阵，RI的值可查询得到。

当CR>0.1时不满足一致性要求，判断矩阵需要重新建立，直至判断矩阵具有满意的一致性为止。这时的最大特征值对应的特征向量才可以作为层次分析法求得的权重。

2.2模糊综合评价

对于一些复杂系统，评价因素过多，单个因素的权重很小，通常会出现运算结果不能显现出真实值。另外，这些评价因素具有层次结构，难于在同一水平下确定出权重。这时，这类问题可以运用模糊多目标决策系统求解，也就是二级模糊综合评价[9]。

2.2.1建立因素集

2.2.2建立择备集

2.2.3隶属函数及模糊判断矩阵的建立

根据以上因素集和备择集，采用梯形隶属函数，对每一个子因素Bi作一级多目标决策隶属函数，若vi

表2　各择备集的隶属函数表

根据上述隶属函数，由专家对指标层对道路安全性影响打分，即可得到模糊判断矩阵Ri=(kpq)p×q(i=1，2，…，4)，其中kpq表示准则层的第i个指标对应的一级多目标的隶属度。

2.2.4构造模糊变换

图1　二级多目标模糊综合评价模型图

由层次分析法可以得到Bi中各因素相对于V的权重分配，Ai=(ai1，ai2，…，aim)，因此可以得到一级评价：

(4)

Bi作为一个因素，则其单因素评价矩阵由一级评价向量组成：

(5)

由层次分析法可以计算得出Bi对V的权重分配A=(a1，a2，a3，a4)，从而得到二级多目标决策：

(6)

如果根据最大隶属度原则，无法得到评价结果，则将K归一化，通过计算安全性评价的最终得分确定安全性等级，得分计算方法为[10]：

(7)

其中，P——安全性最终得分；

3　实例计算

某干线公路基于道路环境因素的二级多目标评分如表3所示(各二级指标用xi表示)，由模糊综合评价模型评价道路的安全性。

表3　干线公路二级多目标得分表

3.1权重集的计算

对于安全性环境指标，根据业内人士提供依据，建立判断矩阵，对于准则层4个因素建立判断矩阵如下：

(8)

根据矩阵M，由和法得到权重向量A=(0.337 3，0.140 9，0.281 7，0.240 1)，并得出该矩阵的CR=0.021<0.1，满足一致性要求。同理可以求出A1、A2、A3、A4。

计算可得：

A1=(0.356 2，0.193 7，0.325 0，0.125 1)；

A2=(0.088 9，0.300 1，0.260 1，0.139 1，0.211 9)；

A3=(0.325 0，0.356 2，0.193 7，0.125 1)；

A4=(0.304 4，0.185 7，0.166 0，0.118 9，0.065 0，0.071 3，0.088 7)。

3.2模糊评价矩阵计算和综合评价

由专家对道路环境一级指标打分，将其得分代入隶属函数，即可得到模糊判断矩阵，计算得出

道路线性的模糊矩阵为：

(9)

路面状况的模糊矩阵为：

(10)

安全设施的模糊矩阵为：

(11)

交通环境的模糊矩阵为：

(12)

一级综合评价向量为：

二级综合评价向量为：

(13)

由最大隶属度原则，该干线公路属于安全性可能为优良、较好、一般三类，因此需要计算安全性最终得分以确定安全性等级。

(14)

(15)

根基评分可以得知安全性等级属于较好一类。

4　结语

本文考虑关于道路环境的多个因素，针对复杂的评价指标，运用层次分析法将定性问题定量化，使决策问题变得更为高效；模糊综合评价则很好解决了指标较多的多层次不确定问题。通过实例，验证了上述评价模型的适用性，可为实际道路安全性评价提供参考。在实际评价时，可以综合多名专家对各因素打分，会降低评价的偶然性，使评价结果更加可靠。

[1]凌天清.道路工程[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]程国柱，李英涛.道路线形设计[M].北京：知识产权出版社，2013.

[3]谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

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[7]杨问春.山区道路选线方案的多目标优选决策[J].公路工程，2014(2)：153-155，168.

[8]郑金刚.公路交通安全评价方法与体系[J].交通标准化，2014(5)：153-157.

[9]肖辞源.工程模糊系统[M].北京：科学出版社，2004.

[10]张永水，王技.拱桥的健康检测与模糊综合评价理论研究[J].公路交通科技，2005(8)：78-81.

Safety Evaluation of Trunk Highway Based on Road Environment

DU Lei1，DU Jing2

(1.College of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074；2.School of Civil Engineering，Sichuan University of Science & Engineering，Zigong，Sichuan，643000)

Highway safety evaluation can provide a basis for the design and reduce accidents.Aiming at the complexity and uncertainty of road safety evaluation factors，this article analyzed the road environment factors affecting the trunk highway safety，established the highway safety tree structure model，and used the analytic hierarchy process for the empowerment of this evaluation system，quantified the evaluation process，determined the membership functions，and established the fuzzy comprehensive evaluation model.Finally it obtained the trunk highway safety level by expert rating in combination with practices.

Road environment；Highway safety；Tree structure；Analytic hierarchy process；Fuzzy comprehensive evaluation

U412.37+1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.024

1673-4874(2016)08-0093-04

2016-06-02

杜磊(1992—)，硕士研究生，研究方向：道路线形规划与控制；

杜晶(1994—)，研究方向：桥梁结构动力响应分析。