基于复杂网络的高速公路事故关键影响因素研究

韩明霖 郭键 杜典初

摘  要：高速公路行驶车辆爆胎、侧翻，驾驶人疲劳驾驶、超速行驶等致灾因素引起的事故灾害频发，为保障高速公路安全驾驶和正常运营，对高速公路关键事故关键影响因素进行研究具有重大意义。高速公路事故致灾因素具有定性演化机理，基于此运用复杂网络理论，对造成高速公路事故的人为因素、车辆因素、道路因素、环境因素、管理因素的各事故致灾因素及链式演化规律展开研究，分析高速公路典型事故案例的成灾机理，构建单一致灾因素链，以此为基础扩展事故数据基数，运用数据建模构建高速公路事故致灾因素复杂网络模型，并通过网络节点程度平均值、网络特征向量中心度评价两个指标综合分析网络节点重要度。结合致灾因素节点概率，总结高速公路关键事故致灾因素链。结果表明：在高速公路事故致灾因素网络中爆胎、疲劳驾驶、超速行驶是造成事故发生的高热度致灾因素。研究成果为高速公路事故链预防和管理作出决策支持。

关键词：复杂网络;影响因素;演化规律;公路事故

Study on disaster causing form of Expressway major accidents based on complex network

GUO Jian HAN Minglin^*Du Dianchu

（School of civil engineering and architecture;Wuhan University of light industry;Wuhan430023）

Abstract：In order to ensure safe driving and normal operation of expressways，it is of great significance to study the key influencing factors of key accidents on expressways. The disaster causing factors of Expressway accidents have qualitative evolution mechanism. Based on this，this paper uses complex network theory to study the disaster causing factors and chain evolution law of human factors，vehicle factors，road factors，environmental factors and management factors，analyzes the disaster mechanism of typical Expressway accident cases，and constructs a single disaster causing factor chain Based on the expansion of accident data base，the complex network model of disaster causing factors of Expressway accidents is constructed by data modeling，and the importance of network nodes is comprehensively analyzed through the average degree of network nodes and centrality evaluation of network feature vector. Combined with the node probability of disaster causing factors，the disaster causing factors chain of highway key accidents is summarized. The results show that tire burst，fatigue driving and speeding are the high heat disaster causing factors. The research results provide decision support for Expressway accident chain prevention and management.

Keywords：Complex network;Influencing factors;Evolution law;Highway accident

1引言

高速公路具有行車速度快、资金回收率高、直达灵活性强、运输效率高的优势。其特点是道路全面封闭、限速高。高速公路的建设和运营涉及到国家经济和社会的各个方面，是衡量国民经济现代化的重要标志之一，因此高速公路一直以来是道路安全防控工作的重中之重。据统计我国每年交通事故约20万余起，其中高速公路事故6万余起，造成的经济损失占国民经济损耗的比例较为严峻，国家发展和经济增长依赖于高速公路的发展。随着国家对高速公路的重视度越来越高，其道路里程不断延伸、道路用途不断广泛（2018年我国高速公路总里程达到14.26万公里，每年有将近5%的增幅^[1]）、车流量的不断增加，导致交通安全问题显著，出现高速公路管理失衡的迹象。2002年我国交通事故发生率达到峰值，事故总数77万起，造成约11万人死亡。据我国高速公路数据统计，2016年高速公路事故平均每0.6起就有1人死亡，事故死亡率是普通城市道路的5倍^[2]。因此，针对高速公路重大事故关键影响因素分析，揭示事故发生的主要原因、次要原因在事故发展环节中的作用以及影响力，为高速公路事故的管理与防范提供数据支持，对全面提高我国高速公路的安全性和综合防范能力具有重大意义。

根据事故链演化模式其独特的复杂关系与意义，一般采用复杂网络模型^[3]或事故树模型^[4]的方法。国内吕文红提出一种复杂网络结构的事故链模型建模方法。通过研究，事故间的因素系统具有，交叉、共用、同时等特定复杂的网络系统关系。各因素间的激发作用而形成的事故称为多米诺现象^[5]。以復杂网络系统建立的事故因素模型相较于事故树模型，更有利于研究事故关键影响因素的复杂性，关联性。且基于复杂网络的因素分析的相关研究较少，因此基于复杂网络的高速公路事故关键影响因素分析更具有研究价值。基于此，依据复杂网络结构的特点，结合高速公路事故的成因因素，构建高速公路事故影响因素链复杂网络模型，分析模型中的因素节点，得到关键致因因素，用于针对性的加强高速公路管理与防范工作中对关键致灾因素的控制。

2高速公路重大事故演化链模型

2.1高速公路重大事故的关键致灾因素数据模型

数据采集于《交通事故据年报》公开部分，从2010至2018年我国高速公路重大交通事故公布案例。在分析2010年8月10日案例的基础上，同搜集得来的数据延伸至高速公路重大事故，从而建立事故系统网络。网络中共选取26个节点，即26个事故。具体各事故节点网络如图3。按照事故因素进行整理（人、车、路、环境、管理）各事故因素细分：1）人为因素：疲劳驾驶、超速行驶、操作不当、逆向行驶、违法装载、判断失误、情绪过失、其他。2）车辆因素：制动异常、刹车失灵、爆胎、刮擦、翻车、车辆侧翻、其他。3）道路因素：路面不平整、塌陷、道路施工、信号指示、路面障碍、其他。4）环境因素：雨雪天气、可见度低、台风、灯光、其他车辆干扰、其他。5）管理因素：管理不当^[6]。事故编码采用事故发生时间（20100925），人为因素代码A、车辆因素代码B、道路因素代码C、环境因素代码D、管理因素代码E。具体各事故致灾因素分层如表1所示。

2.2重大事故案例的挖掘

2017年8月10日，驾驶人冯某驾驶河南省洛阳市交通运输集团有限公司的大型客车，于23时30分在陕西省安康市境内京昆高速公路秦岭1号隧道南口1164公里，827米外正面冲撞隧道间口端墙，造成36人死亡、13人受伤。

事故分析：

直接原因：超速行驶。在行驶到1号隧道口时，客车时速违反了高速公路规定的时速范围要求，（事故发生时时速在80公里/小时-86公里/小时，而事发路段限速60公里/小时）超过限定时速的33%到43%。

疲劳驾驶。据调查，驾驶员从8月9日至8月10日事故发生期间没有落地休息，事故发生前已连续驾驶超过2小时，加上长期跟车执行出车任务的不良作息导致休息不足，在发生事故时已处于严重的疲劳状态，且在事故发生时未采取任何转向、制动的补救安全措施，可见其状态疲劳。（已排除驾驶人身体疾病、毒驾、酒驾、车辆故障、其它车辆影响等因素）。

间接原因：车辆因素。客车设计不合理，驾驶人所驾驶的客车在车辆出厂强度试验中验证：事故中承受拉力超过7000牛顿，等效为50公里/小时车速时，座椅会整体脱落^[7]。而在事故中除最后一排座椅外其余座椅全部叠加在一起，使得乘客被挤压在前排与后排座椅的中间过道处。

道路因素。事故现场的加速车道与货车道之间分界线20厘米，按规定要求加速车道与货车道之间分界线约40厘米。

环境因素：夜晚高速公路路面视线不良，该事故路面发生事故当晚的桥梁右侧路灯没有开启，导致驾驶人驾驶货车行驶到隧道端口时由于视线不良，影响了驾驶人对于客车两侧车距的判断而引发了车祸。

管理因素：

首先，驾驶人所在的河南省洛阳交通运输有限公司，没有合理安排和监督客车驾驶人的休息时间，车辆跟班替换机制合理、车辆的动态监控管理不合格。其次，洛阳市交通管理部门对于运输公司的监管不到位，导致交通运输公司出现错误安排情况。

2.3高速公路重大事故案例成因链演化机理

通过上文实际案例的介绍与分析，其事故的发生因素我们可大致总结为：人、车、路、环境、管理5个因素，各个因素聚集在一起导致事故的发生，同时各因素之间不仅有单向作用也存在多向影响。从单向来讲，人为因素中的疲劳驾驶及超速行驶是直接导致事故发生的主要因素，即人为因素单方面导致事故产生。负主要责任的驾驶人是直接导致事故发生的根本原因。

从多向来说，由于交通管理局的监管不到位导致运输集团对于下属驾驶人员管理不当从而引起驾驶人员的疲劳驾驶、超速行驶。且隧道端墙外的右侧5个路灯在事故发生前没有开启，导致高速公路路面视线不良，影响驾驶人员的判断。

在事故发生后首先从驾驶人的角度分析事件原因，在分析人为原因时我们察觉到运输公司的过错从而进一步追责到交通运输部门。因此，一个事故的发生是受多方面影响的，但是所有的影响会通过一个传输点汇集，而这个传输点综合所有间接原因发生的概率，产生与这个汇集点本身影响力同等大小或者更大的影响力，而影响力的大小决定最后结果的程度。上述案件中这个传输点是人为因素，而无论是管理因素、环境因素、还是道路因素，发生的概率最后都聚集于人为因素，这使其本身不满足的影响条件在多重作用下凝聚，达到了满足这个事故发生所需要的影响力。具体表现形式如图2所示。

综合事故发生的单向性与多向性时发现，各因素在间接影响结果的同时又直接影响结果的发生。为进行后续研究中的数据收集整理（收集事故因素从人、车、路、环境、管理5个方面进行收集分类）、形成事故链（各因素之间的链接关系）、生成Gephi热点图奠定基础。

3基于复杂网络系统的成因重要性分析

3.1重大事故的致灾因素网络节点图重要度分析

3.1.1网络节点程度平均值探测[8]

[3]  吕文红，王国娟，王鹏飞.基于复杂网络的交通运输网络可靠性研究进展[J].科学技术与工程，2019，19（24）：26-33.

[4]  贾明琛，董明明，周阳，梁迎港. 基于决策树模型的驾驶安全性预测及评估[A]. 中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）.2019中国汽车工程学会年会论文集（4）[C].中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）：中国汽车工程学会，2019：4.

[5]  Biotechnology - Biofuel;Research Conducted at Beijing University of Chemical Technology Has Provided New Information about Biofuel（Are Fermentation Products Promising Feedstock for High-density Bio-fuel？ Domino Reactions for Upgrading Aqueous Acetone-butanol-ethanol ...）[J]. Energy & Ecology，2020.

[6]  龚华凤，周约珥，赵聪霄，肖洁，刘庆.谈如何从宽容性设计角度提高公路安全[J].公路与汽运，2020（05）：37-40.

[7]  荆芒，章娣，张小亮，王忠民.基于Gephi的医院数据关联关系可视化研究[J].中国卫生信息管理杂志，2020，17（04）：538-543.

[8]  李清泉，熊炜.高速公路场景中车用自组织网络节点平均度的快速计算方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2010，35（08）：901-904+1011.DOI：10.13203/j.whugis2010.08.001

[9]  莫泓铭.基于多属性的复杂网络节点重要度识别方法[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2018，32（05）：68-74.DOI：10.13804/j.cnki.2095-6991.2018.05.015

[10]  莫云明.基于内容流行度和节点中心度的协同缓存策略[D].華中科技大学，2019.

[11]  Reza Kiani Mavi，Mark Goh，Neda Kiani Mavi，Ferry Jie，Kerry Brown，Sharon Biermann，Ahmad A. Khanfar. Cross-Docking：A Systematic Literature Review[J]. Sustainability，2020，12（11）.

[12]  段峰，谢军红，杨锦先.大学生图书借还大数据实证分析[J].内蒙古科技与经济，2020（03）：152-155.

[13]  杨远洪.高速公路交通安全设施的养护及改进优化[J].黑龙江交通科技，2020，43（07）：202-203.

[14]  吴松.浅谈次生交通事故的预防[J].道路交通管理，2019（04）：28-29.

基金项目：武汉轻工大学校立大学生科研项目

作者简介：韩明霖，男，2000年7月出生，河南省焦作市，汉，学生，研究方向：公路事故研究。