高速公路道路安全性模糊综合评价应用研究

张 航， 李 明

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

道路交通安全一直以来备受人们关注,对于高速道路安全风险评价管理方法的深入研究也是国内外相关专家学者们一直致力的研究方向。Elke Hermans等[1]一致认为七大主要风险因素直接决定了我国道路交通安全,有序利用加权乘法平均数值算子和相关专家风险评价等方法在我国道路交通安全风险进行系统风险评价上的综合利用结果可以有效地解决国内道路交通系统安全风险问题。Shen Yongjun等[2]特别指出了该事故可能是由于多种客观因素(如车辆驾驶员、车辆、道路安全状况、交通状况等)综合造成的,因此,交通事故数据的收集显得极为重要,在风险评价管理过程中其评估结果往往主要取决于评估标准的正确采用及其他影响目标因素的正确选取,所以我们应当尽量采用综合的风险评价分析方法。孟祥海等[3]通过统计分析和假设检验发现高速公路事故数基本符合负二项分布,进而以二项分布检验法来分析事故多发点的突出影响因素,研究了事故多发点的原因。王昌衡等[4]引入区间数理论和熵权理论建立了区间数逼近评估模型对高速公路进行安全评价。王进满等[5]基于模糊综合评价建立了国道交通安全评价模型，对国道进行了安全评价。针对高速公路上交通安全影响因素模糊性及复杂性,本文基于模糊数学原理采用模糊评价方法对其安全性进行评价。

1 高速公路交通安全分析

高速公路交通事故频繁发生,人们往往认为其只是因为某一特定因素,这看似符合表象,但实则不然,有研究表明交通事故的发生往往由驾驶人、车辆、道路、自然环境共同作用所导致。

人的生理因素:在驾驶人与汽车路面和环境所共同组成的复杂动态交通系统中,驾驶员本身是唯一一个具有完全自主驾驶意识的动态变量,驾驶员随时可以根据外部环境情况做出自身相应的操作反应。驾驶员的违章驾驶、操作不当、疲劳驾驶、情绪失控都有可能导致惨痛的交通事故发生。

车的运动因素:在驾驶人与汽车路面和环境所共同组成的复杂动态交通系统中,车不仅是唯一一个可控的运动变量,它的实际行驶速度和状态同样可以被驾驶人的操作行为所改变。车辆超载或非法改装或在高速公路中发生机械故障、爆胎等情况都会威胁到高速公路的行车安全。

路的设计因素:在驾驶人与汽车路面和环境所共同组成的复杂动态交通系统中,道路是客观变量,它不受人的意识所改变。道路线形几何设计参数设计值选定的合理性,平纵方向组合的线形协调性,路面的平整性都对道路行车安全性具有重要的影响作用。

交通环境因素:在驾驶人与汽车路面和环境所共同组成的复杂动态交通系统中,环境因素是不可人为控制的变量,它们的复杂多变难以精确控制。高速公路上与道路行车安全息息相关的环境影响因素主要认为有以下几点:气象条件、交通条件、道路景观。

2 模糊综合评价模型建立

模糊综合评价法是利用数据隶属度评价理论将一些模糊不清的评价信息进行相对科学地处理并进行量化的综合评价,该处理方法可使评价结果清晰,由于包含多维评价信息故而综合性强,适用于数据资料少量、边界模糊不清的评价问题[6]。

道路安全评价指标的选取是进行综合评价的基础,因此,评价研究指标的正确选取还需要严格遵守几个重要研究原则:综合可比性研究原则、可操作性研究原则与综合科学性研究原则[7]。由于高速公路中存在较多对于交通安全有影响的因素,为了解决单级评判结果说服力差的问题且计算不过于复杂,可以划分两个层次将各因素进行归纳并采用二级模糊综合评判方法。

2.1 因素集的建立

基于大量工程实际数据对交通事故发生的原因进行统计分析,可将高速公路中影响交通安全的主要因素进行分类,形成因素集。按照模糊数学理论,设U={U1,U2,…,Um}为评价对象的评价指标。

本文确定的U={U1,U2,U3,U4}={人,车，路，环境},可以通过将评价指标进行分级来有效优化权重的分配,即在第一级评价指标下设置下属的二级评价指标,其中Ui={ui1,ui2,…,uin}。uij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)为一级评价指标中第i类因素对应的下属二级指标的第j个因素。

2.2 权重集及备择集的建立

人们将各因素对于评价对象的重要程度的反映定义为权重。在一级评价指标中:设A={A1,A2,…,Am}为权重(权数)分配模糊矢量,其中,第i类因素的权重用Ai来表示。在二级评价指标中:Ai=(ai1,ai2,…,ain)aij表示第i类因素中的第j个因素的权重,要求0

本文根据高速公路交通事故数据,分析各因素导致事故发生的概率,得到评价指标中每一项因素权重,公式如下:

(1)

(2)

式中:Xi为第i类因素导致的交通事故数;xij为第i类因素中的第j个因素导致的交通事故数。

备择集(评价集)是指由评价对象被评价者所给予的评价结果组成的评语等级的集合,其一般表达式为V={v1,v2,…,vp}。式中，vk代表第k(k=1,2,…,p)个结果,p为评价结果总数。本文研究高速公路的交通安全性,取备择集为:V={vk}={安全，为安全，一般安全，较不安全，不安全}。

2.3 构建多级模糊评价矩阵

一级模糊综合评价是单一个因素评价阶段,其中,uij表示第i类因素中的第j个因素,rijk是指将备择集中第k个元素的隶属度赋予被评价对象,因而一级模糊综合评价矩阵可表示为:

(3)

Bi=Ai∘Ri=(bi1,bi2,…,bip)

(4)

二级模糊综合评价对全部因素进行综合评价阶段,其评价矩阵为:

(5)

B=A∘R=(b1,b2,…,bp)

(6)

上文公式中“∘”在模糊数学中用来表示模糊关系的组合运算,常用的4种合成算子分别为:

算子1:

算子2:

(8)

算子3:

(9)

算子4:

(10)

(注:上式中,k=1,2,…,p)

2.4 评价结果分析

B是各项评价指标的综合评价值,对bk进行归一化处理,根据最大隶属原则,可以选择bk中最大值所对应的评价等级作为最终评价结果。

归一化公式及归一化后评价矩阵如下:

(11)

(12)

3 工程实例

结合某高速公路段的交通事故数据,作者认为每一起事故的出现不应仅仅考虑单因素的作用,而须结合多因素的综合作用,依据多影响因素理论对事故产生的原因进行统计分析,具体数据见表1。

表1 交通事故数据及原因分析

3.1 评价指标体系的建立

根据原始事故数据结合上文所述驾驶人与汽车路面和环境对于高速公路交通安全的影响,建立评价指标体系,如图1所示。

图1 高速公路交通安全评价指标体系

3.2 权重的确定

由表1,结合公式(1)(2)确定每一评价因素权重:

A=[A1,A2,A3,A4]=[0.670,0.178,0.066,0.086]

A1=[a11,a12,a13,a14,a15]

=[0.015,0.122,0.140,0.248,0.475]

A2=[a21,a22,a23,a24]=[0.067,0.101,0.213,0.618]

A3=[a31,a32,a33,a34,a35,a35]

=[0.091,0.121,0.121,0.152,0.152,0.364]

A4=[a41,a42,a43]=[0.209,0.256,0.535]

3.3 评价矩阵构建与计算

由专家评判法确定各因素的隶属度,通过对此高速公路上驾驶员的问卷调查,结合专家评委打分意见,综合得出各个因素评分,见表2。

表2 评价指标评分

由表2结合公式(3)可得高速公路的交通安全评价矩阵为

通过采用公式(4)～(12)对比四种不同的算子进行多级模糊综合评价,结果为见表3。

表3 安全评价结果分析

3.4 结果分析

由表3数据结合最大隶属原则可知,算子1、2、4得到的模糊综合评价结论均为不安全,与实际情况相符合,算子3无法得出准确结论。为了深入分析比较针对算子1、2、4的纵向差异性,通过建立修改安全评价指标权重和指标隶属度数值大小,结果分析发现,算子2、算子4的安全评价计算结果分别具有良好的趋同性,算子1计算结果不理想。对此分析原因如下:

算子1的运算原则是“先取小再取大”,这让运算过程中舍弃了部分数据,评价结果会受到权重大的一级指标影响[8]。这个缺点使得算子1在计算中无法体现评价的综合性且使得评价结果合理性欠缺,因此,本文中的模糊评价模型并不推荐此种算子。

算子2的运算中会用每一个安全指标的隶属度和权重相乘,使得原始数据得到了全面综合地利用,强调了指标的权重值和隶属度两者对于模糊评价的共同作用,评价结果更为全面合理。

算子3在运算过程中采取了先取小后相加的方法,这让安全指标的权重值与隶属度对评价结果的作用被分离且削弱了最大安全指标的重要影响,使得评价结果不合理。

算子4采用加权的方法既突出了权重较大的安全指标对于评价结果的影响,又充分利用了原始数据克服了数据舍弃的问题,使得各安全指标都可以对评价结果产生影响。该方法综合性最好,可以较为合理地反映道路安全情况。

综上所述,本文高速公路安全性多级模糊综合评价模型可采用模糊算子2、4进行模糊计算,通过实例验证发现模型计算结果与实际相符。

4 结 论

本文通过分析驾驶人与汽车路面和环境对于高速公路交通安全的影响,基于模糊数学建立多级模糊综合评价模型对其安全性进行评价分析,得到以下结论:

(1)高速公路交通安全的影响因素很多,难以精确衡量,采用多级模糊综合评价法对其安全性进行评价能够综合各因素使得评价结果更为合理科学。

(2)通过对比分析不同算子选取对于模型评价结果的影响,作者认为本文中算子2、4对于原始数据利用较为全面,对各因素考虑全面且综合性强,皆可应用于计算该评价模型。

(3)通过结合某高速公路交通事故调查资料,发现该评价模型应用于高速公路安全性评测所得到的结果与实际相符,具有良好的工程的实用性。