基于属性识别理论的快速路交通安全态势评估方法研究

吴 杰

（中设设计集团股份有限公司，江苏 南京210000）

0 引 言

快速路是城市内修建的，中央分隔、全部控制出入、控制出入口间距及形式，具有单向双车道或以上的多车道，并设有配套的交通安全与管理设施的城市道路[1]。在城市道路网络系统中，快速路系统承担着举足轻重的作用，其对于完善道路交通网络、拉开城市空间框架或缓解城市交通拥堵等具有重大意义。欧美从上世纪30年代开始修建快速路，世界上第一条现代意义的快速路建成于1941年的美国洛杉机，最初的“城市快速道路”概念也来源于西方。我国大城市的快速路发展历史比较短，直到1991年《城市道路设计规范》才第一次明确了快速路地位和设计依据。

随着我国经济的高速发展，城市快速路的建设也在加速推进，大型城市快速路网基本趋于完善，中小型城市快速路网骨架逐渐成型，快速路在城市交通中承担的比例也越来越高，部分城市甚至超过了50%。越来越大的交通负荷，导致快速路交通事故频发，交通安全性降低，极大地影响了快速路网通行效率的发挥。目前，国内外对城市快速路网安全态势评估尚未系统研究，本文研究并提出了基于属性识别理论的快速路网安全态势评估模型。

1 快速路交通安全态势

1.1 安全态势基本概念

所谓“态势”，是指状态和形势，也可以理解为状态和趋势。态势是对事物发展变化程度的表述，如稳中向好、稳步前进、愈演愈烈等。

安全态势，即安全状态和发展趋势，是对安全水平变化程度的一种表述。“安全态势”一词最早出现在军事上，用于描述复杂战场状况，后广泛应用于网络领域。

1.2 快速路交通安全态势

从研究对象的范围来看，快速路交通安全态势既可以指某时间段内城市快速路网的交通安全状态和变化趋势，也可以指某快速路路段在某时间段内的交通安全状况和发展趋势。它是对快速路交通运行状况的一种描述，通过建立一套可行的快速路交通安全态势评价体系，反映某快速路当前的安全状态和未来一段时间内可能的发展趋势。本文所研究的快速路交通安全态势即以城市快速路路段为研究对象，对其安全态势进行评价研究。

1.3 态势感知与评估

态势感知（Situation Awareness）是一种基于环境的、动态、整体地洞悉安全风险的能力，是以安全大数据为基础，从全局视角提升对安全威胁的发现识别、理解分析、响应处置能力的一种方式，最终是为了决策与行动，是安全能力的落地[2]。

态势评估是态势感知核心步骤之一，态势评估的概念最早源于军事和航空领域，后来在网络、农业、医学、商业、物流以及生产控制等领域也得到了广泛应用。快速路交通安全态势评估，就是通过技术手段从时间和空间纬度来感知并获取道路交通安全信息元素，通过数据融合和整合分析等手段来判断安全状况，并对未来的发展趋势和潜在风险进行预测[3]。

2 快速路交通安全态势影响成因分析

交通系统是一个由人、车、路和环境等要素构成的复杂的动态变化的系统，不同要素之间彼此关联并相互协调，任何要素出现异常均会影响交通安全，甚至诱发交通事故。本文从自然条件、道路条件、交通条件等角度出发，对道路交通安全主要影响因素进行分析。由于影响成分复杂，不同时间跨度的交通安全特性差异也很大，因此，本文重点对短时期内（1 h或1 d内）的交通安全态势评估方法进行研究。

2.1 自然条件

所谓自然条件，主要指恶劣天气对交通安全的影响，恶劣天气对道路交通的安全影响不可忽视。据相关统计资料表明，我国道路交通事故有50%发生在不良的气候条件下，同时71%的重特大交通事故和65%的直接经济损失是在不良气候环境下发生的。

城市快速路基本位于城市建成区，常见的自然因素主要包括：光照、雨、雾、雪、大风、冰冻等。本次未考虑特殊地区泥石流、冰雹、沙尘暴等特殊情形。夜间、大雾、暴雨等都会降低可视度，雨水会导致路面湿滑。雪和冰冻也会使道路路面摩擦力降低，车辆容易失控。大风较为常见，大风天气对快速路上行驶的车辆的影响主要表现为增加行驶阻力、影响驾驶操作、侧向风吹翻车辆等。公路中横风影响较大，城市道路中大风影响程度较公路有所降低。

2.2 道路条件

道路条件与交通安全息息相关，不良的道路条件不但会影响行车舒适性还会影响行车安全性，甚至还会形成事故黑点。道路条件包括诸多方面，如几何线性、路基路面、交叉口、交通安全设施等等。有些在道路建设过程中已经确定，如线型，宽度等。有些条件是随着使用时间和使用程度不断变化的，如路面状况、交通设施等。由于本次研究对象为城市快速路，根据快速路交通安全相关统计分析，快速路交通安全影响的重要因素主要包括：平面线形是否满足行驶要求、纵断面指标是否满足行驶安全要求、横断面布置是否合理、路面状况是否平整良好、交织段长度是否满足交织需要等等。

2.3 交通状态

交通条件是影响交通安全的非常重要的一方面，不同的交通流状态下发生交通事故的几率也不一样。快速路主要以机动车为服务对象，因此交通条件主要包括：交通组成、饱和度、车速、是否有突发状况等等。交通组成主要为大型车对安全的影响；饱和度越高，发生事故的概率越大；行车速度与交通流平均车速相差约大，车辆发生交通事故的可能性也逐步增加，突发状况主要包括是否有临时管制、故障停车、货物散落等不可预料状况。

2.4 通行状况

通行状况主要是针对交通流中交通违法行为情况的表述。交通违法行为是影响道路交通安全的主要因素，大部分道路交通事故是由于交通参与者交通安全意识差或不遵守交通法制法规而引起的。交通违法行为的主体包括驾驶员、非机动车、行人等，考虑快速路主要为机动车流，故机动车驾驶员守法比例是衡量快速路安全水平的重要指标。机动车驾驶人交通违法行为主要包括超速、疲劳驾驶、逆行、酒驾、违法会车超车等。另外，违章行为增长比例也是衡量安全态势是否变化的重要指标。任何违章违法行为都存在引发交通拥堵或安全事故的风险。

近日，意大利奢侈品牌Dolce&Gabbana（杜嘉班纳，以下简称D&G）的一则广告片因为“中式发音”、模特用奇怪的姿势使用筷子吃批萨等情景被指歧视华人。一位网友在社交媒体谈及此事时，D&G设计师Stefano Gabbana不仅不愿承认错误，反而恼羞成怒，公然辱华。

2.5 交通管理

管理水平主要指快速路是否设置完善的交通安全设施，交通安全设施包括护栏设施、交通标志标线、隔离设施、防眩设施、视线诱导设施、监控设施、信号控制系统等等。此外，特殊情况下警力安排和应急能力等对快速路交通安全影响也很大。

3 快速路交通安全态势评估指标体系

3.1 评估指标体系构建

交通安全态势评估指标体系构建是进行交通安全态势评估的前提，本次在安全影响因素分析的基础上，构建安全态势评估指标体系结构。考虑到短期快速路交通安全变化特性，基于人、车、路、环境等角度，从天气因素、交通状态、驾驶行为、交通事件、管理水平等方面构建了较为全面的评估指标体系，见表1。

3.2 指标等级划分

为使快速路交通安全态势评价更加科学合理，借鉴相关文献中相关指标评价等级划分，本文将城市快速路交通安全态势评价等级从高到低划分为I级、II级、III级、IV级和V级5个等级。其中，I级表示快速路交通安全态势好，II级表示快速路交通安全态势较好，III级表示快速路交通安全态势一般，IV级表示快速路交通安全态势较差，V级表示快速路交通安全态势差。即评价集为ν=（ν1，ν2，ν3，ν4，ν5）={很好，较好，一般，较差，很差}。

表1 短期内快速路交通安全态势评估指标体系

4 基于属性识别理论的快速路交通安全态势评估

设城市道路交通安全系统xi的第j个评价指标实际测量值xij，由于城市道路交通安全系统的现状水平可由评价指标的测量值综合反映，且对研究对象空间X中的每个城市道路交通安全系统可由31个指标确定其属性值。所以，可把城市道路交通安全系统xi的现状水平表示为一个31维向量[4]。

在已知每个指标的评价分类标准和指标权重的基础上，笔者基于属性数学理论建立城市道路交通安全系统综合评价模型，判断城市道路交通安全系统xi属于哪一个评价类（见图1）。

图1 城市道路交通安全水平评价流程

4.1 单指标属性测度分析[5，6]

设xij为第i个快速路交通安全态势第j个指标测量值。当“xij∈Ck”时，表示xij属于第k类Ck，且具有属性Ck的测度μijk=μ（xij∈Ck）。由于C1，C2，C3，C4，C5构成属性空间F的一个有序分割类，且C1＞C2＞C3＞C4＞C5,每个指标的分类标准已知，写成分类标准矩阵，则第i个城市道路交通安全系统的分类标准矩阵为

满足aij1＜aij2＜aij3＜aij4＜aij5或aij1＞aij2＞aij3＞aij4＞aij5，1≤i≤n，1≤j≤n。

属性测度计算是属性数学方法的关键，由于正态分布函数的评价精度要高于线性函数，所以选择正态分布函数作为属性测度函数[7]。设aijk,aijk+1为第i段快速路交通安全态势第j个指标的第k级评价分类标准取值区间，令bijk=0.5∣aijk,aijk+1∣，cijk=∣aijk-aijk+1∣/（2√ln2）。

对正向指标 (指标值越大越优秀，aij1＜aij2＜aij3＜aij4＜aij5)和负向指标(指标值越大越差，aij1＞aij2＞aij3＞aij4＞aij5)，xij属于Ck属性集的属性测度μijk=μ（xij∈Ck）均为

4.2 确定指标权重系数

常用的指标权重确定方法有层次分析法和专家调查法。层次分析法是一种定性与定量相结合，系统化、层次化的分析方法，运用较为广泛。它通过两两对比，比较每一层次各元素之间的相对重要程度，并以数量形式表示出来，从而构造出判断矩阵；再利用方根法求出特征向量，并进行矩阵的一致性检验。然而传统的层次分析法存在着一定的不足，由于构造两两判断矩阵是将人的比较判断量化的过程，受人的主观因素影响很大，而判断矩阵又是权重排序的基础，对最终的总排序有决定性的影响。因此，在实际问题中，一次即能构造出满足一致性要求的判断矩阵是不容易实现的，往往需要根据经验对初次判断矩阵进行多次修改才能达到一致性，对于层次因素较多的情况更是如此。一般来讲，这种调整带有一定的盲目性，同时多次反复的专家调查对于精心填写调查表的专家而言无疑是一种时间与精力的浪费，即便如此也未必能够取得预期的效果，另一方面，对于初次专家调查所获得的信息也没有充分利用。鉴于此，本文采用改进的层次分析法确定不同指标的权重，具体计算流程见参考文献[8]。

4.3 多指标综合属性测度

在评价中，每个指标所起的作用可能是不同的，因此，假定第j个指标Ij的权重为wj，wj满足，由指标权重wj和μijk单指标属性测度μxk可得到多指标综合属性测度

4.4 属性识别分析及评分准则

属性识别分析的目的是由综合属性测度对第i个指标层属于哪个评价类做出判断。这就需要给出一个判断准则，本文采用置信度准则。根据置信度准则，若C1＞C2＞C3＞C4＞C5时，

则认为x属于Ck0类。

置信度准则是从“强”的角度考虑的，即认为越“强”越好，而且“强”的类应占相当大的比例。λ为置信度，取值范围通常为0.5＜λ＜1，一般取0.6与0.7之间。

5 实例应用

在确定评估指标体系和评估标准之后，就可以运用模型对城市快速路路段进行安全态势评价。本次以南京市龙蟠中路快速路为例，对其某一时段内珠江路至双桥门立交段进行安全态势评估。文中所涉及到的评价指标数据来源于相关政府部门统计资料、网上公布资料以及补充调查资料，具体评价过程如下：

首先，根据基础数据计算得到路段安全态势二级指标具有属性Ck的属性测度向量见表2。

表2 快速路交通安全态势二级指标评价结果

其次，计算得到安全态势16个二级评价指标和5个一级评价指标权重系数。这里选取了交通工程专家、交通管理者以及经验丰富的司机等20位专家对指标权重进行打分，做到了既具代表性，又使得专业结构合理，保证了评价结果的科学合理。

由表2中数据，根据多指标综合属性测度计算公式计算得到一级指标综合属性测度向量见表3。

表3 城市道路交通安全水平一级指标评价结果

在得到综合属性测度值后，选取置信度准则进行判别。取置信度λ=0.65，按照置信度准则可判别该时段龙蟠中路道路交通安全态势等级为III。

分析评价结果表明，现状该路段总体安全态势一般，从分析评价过程来看，交通管理为5个子系统中最好的，受天气影响，自然条件水平为5个当中比较低的。

6 结 语

本文在对快速路交通安全态势影响因素分析的基础上，从天气因素、道路条件、交通状态、通行行为、交通事件、交通管理等方面构建了由5个一级指标、17个二级指标组成的快速路交通安全态势评价指标体系，构建了快速路交通安全态势属性综合评估模型。该模型能够客观、全面地评估快速路交通安全态势水平。该模型可以对同一路段一天内不同时段的安全态势变化进行分析，同时还可以对快速路网中同一时段不同路段的安全态势水平进行评估。根据评估结论，可以及时发现安全隐患，进而为交通安全管理提供决策依据，对提升快速路交通安全性和通行效率具有重要的现实意义。与此同时，本文未对每一个子项的组成以及每一个子项之间的关联度分析，需要在后续工作中作进一步深化研究。