高速公路隧道群交通安全影響因素辨識(shí)

陳長(zhǎng)坤，辛夢(mèng)陽(yáng)，王建軍，李 明

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院)

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高速公路隧道群交通安全影響因素辨識(shí)

陳長(zhǎng)坤，辛夢(mèng)陽(yáng)，王建軍，李 明

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院)

為識(shí)別影響高速公路隧道群路段交通安全的關(guān)鍵因素，改善隧道群路段交通安全狀況，提出了一種基于正態(tài)隸屬函數(shù)的模糊層次分析法(FAHP)，對(duì)影響隧道群交通安全的因素進(jìn)行排序分析。建立了包括交通特性、隧道群特性和環(huán)境特性3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，14個(gè)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)專家評(píng)價(jià)構(gòu)造判斷矩陣，利用正態(tài)隸屬函數(shù)結(jié)合判斷矩陣得到正態(tài)判斷矩陣，計(jì)算不同層次指標(biāo)的權(quán)重值，并引入權(quán)重穩(wěn)定性概念，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，從而對(duì)安全影響因素進(jìn)行排序，識(shí)別顯著性影響因素。以西漢高速和甬臺(tái)溫高速某隧道群為研究對(duì)象進(jìn)行分析，結(jié)果表明：隧道群線形狀況、隧道群連接段長(zhǎng)度、隧道照明過(guò)渡設(shè)施影響權(quán)重較大，應(yīng)該優(yōu)先考慮針對(duì)性的改善措施。該模型能夠充分利用所有專家的評(píng)價(jià)信息，避免了傳統(tǒng)的模糊層次分析法使用單一值排序的不足，具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

高速公路隧道群；正態(tài)隸屬函數(shù)；層次分析法；權(quán)重；因素辨識(shí)

0 引 言

高速公路駕駛員在隧道群路段行駛過(guò)程中，頻繁經(jīng)歷明暗適應(yīng)，造成生理和心理產(chǎn)生不利影響，極易產(chǎn)生交通事故。由于隧道群路段其相對(duì)封閉性，造成二次事故甚至多次事故可能性極高，且隧道群路段事故后救援難度大，一旦發(fā)生交通事故，往往后果嚴(yán)重。據(jù)甬臺(tái)溫高速公路貓貍嶺隧道群2002～2007年的事故統(tǒng)計(jì)資料，隧道群路段年百萬(wàn)車輛事故率達(dá)到25起，明顯高于一般路段。因此，甄別影響隧道群路段交通安全的因素，對(duì)于采取相應(yīng)安全改善措施至關(guān)重要。

針對(duì)隧道群路段安全因素識(shí)別，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行大量研究。Du等通過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)獲取駕駛員生理、心理指標(biāo)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析分析了隧道入口處駕駛員對(duì)行車安全的影響；張生瑞等通過(guò)雷達(dá)測(cè)速儀采集某隧道群段車輛運(yùn)行速度，分析了運(yùn)行速度對(duì)隧道群路段行車安全的影響；閻瑩等通過(guò)隧道路段平縱線形組合綜合描述模型，分析了線形對(duì)行車安全的影響。這些研究大都集中研究單一因素對(duì)交通安全的影響，而從宏觀角度對(duì)隧道群路段交通安全因素的相關(guān)研究匱乏。Zhou等提出多元安全系數(shù)，通過(guò)模糊層次分析法來(lái)確定隧道安全等級(jí)，有效識(shí)別了影響因素；而B(niǎo)org等采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型、Kazaras等采用STAMP方法、葛敏莉等通過(guò)制定安全審查清單對(duì)隧道路段交通安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)人、車、路、環(huán)境等因素進(jìn)行分析。隧道群路段交通運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，交通安全受不同因素及其交互作用的影響，從宏觀層次甄別安全因素，對(duì)安全因素進(jìn)行排序更為合理。

文中從宏觀角度建立隧道群路段安全指標(biāo)體系，綜合運(yùn)用層次分析法和模糊隸屬函數(shù)理論確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建安全因素排序模型，并結(jié)合實(shí)例，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明該模型適合于進(jìn)行隧道群路段安全影響因素排序。

1 評(píng)價(jià)方法的理論基礎(chǔ)

人類進(jìn)行決策過(guò)程包含大量的不確定性，正態(tài)分布隸屬函數(shù)是一種處理不確定性和不精確性問(wèn)題的方法，層次分析法是一種定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法，文中將基于正態(tài)隸屬函數(shù)和傳統(tǒng)的層次分析法，提出正態(tài)層次分析法對(duì)隧道安全運(yùn)營(yíng)狀態(tài)影響因素進(jìn)行排序。

L.A.Zadeh在1965年首次提出隸屬函數(shù)的概念，指出：若對(duì)論域U中的任一元素x，都有一個(gè)數(shù)A(x)∈[0,1]與之對(duì)應(yīng)，則稱A為U上的模糊集，A(x)稱為x對(duì)A的隸屬度或隸屬函數(shù)。

工程中常用的隸屬函數(shù)包括：正態(tài)隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、三角分布隸屬函數(shù)等，李德毅指出，對(duì)于大量的模糊概念，用正態(tài)分布隸屬函數(shù)刻畫最適合，最接近人類的思維。文中采用正態(tài)分布隸屬函數(shù)形式為

(1)

式中：f(x)是變量的隸屬度；μ、σ分別為參數(shù)x的期望值和標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)正態(tài)分布密度函數(shù)特性，68.27%的概率在期望值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，95.45%的概率在期望值兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，99.73%的概率在期望值三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，如圖1所示，因此在統(tǒng)計(jì)學(xué)中經(jīng)常采用原則來(lái)確定變量的取值范圍。

圖1 正態(tài)分布函數(shù)變量取值范圍

2 基于改進(jìn)FAHP方法的高速公路隧道安全因素排序模型

2.1 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

合理構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行可靠的安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，隧道路段交通運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，人、車、路、環(huán)境等交通要素及其相互作用都會(huì)產(chǎn)生影響，以相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)結(jié)合文中研究的主要內(nèi)容，選取交通特性、隧道特性、環(huán)境特性三項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)，在一級(jí)指標(biāo)下共包含14個(gè)二級(jí)指標(biāo)，具體指標(biāo)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 隧道群安全評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)表

2.2 構(gòu)造正態(tài)判斷矩陣

采用層次分析法(AHP)得到安全指標(biāo)的量化值，模糊評(píng)判準(zhǔn)則見(jiàn)表2，在評(píng)判過(guò)程中根據(jù)專家的判斷，模糊量化值可以取[0,1]之間的任意值，這一準(zhǔn)則有別于傳統(tǒng)的AHP方法，可以提高結(jié)果的精確度。

(1)構(gòu)造判斷矩陣Aij={aij}

(2)

表2 模糊評(píng)判準(zhǔn)則

(2)構(gòu)造正態(tài)判斷矩陣

對(duì)有n個(gè)因素的指標(biāo)層，根據(jù)模糊評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，根據(jù)各專家評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算各指標(biāo)間相對(duì)重要度期望值μij，和均方差δij，構(gòu)造正態(tài)判斷矩陣如式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

(3)確定權(quán)重

(6)

對(duì)正態(tài)判斷矩陣各行求和得到rμi

(7)

作數(shù)學(xué)變換如式(8)，得到矩陣R=(rij)n×n，稱為模糊一致矩陣。

(8)

(4)一致性檢驗(yàn)

(9)

(5)進(jìn)行排序

sμq=ωμkωμkq

(10)

(11)

3 實(shí)例分析

選取陜西省西漢高速某隧道群和浙江省甬臺(tái)溫高速某隧道群為研究對(duì)象進(jìn)行分析，選擇不同崗位專家(包括隧道專業(yè)研究人員10名、交通安全專家6名、高速公路隧道群建設(shè)人員10名、隧道群運(yùn)營(yíng)管理人員10名、經(jīng)常行駛在隧道群路段駕駛員10名)進(jìn)行評(píng)判得到不同級(jí)別判斷矩陣，應(yīng)用式(3)、(4)得到正態(tài)判斷矩陣如表3所示。

表3 指標(biāo)正態(tài)判斷矩陣和權(quán)重

由式(9)計(jì)算出模糊一致矩陣和相容性指標(biāo)，其中CI1=0.016<0.1，CI11<0.047<0.1，CI120.043μ2<0.1，CI13=0.060<0.1，可見(jiàn)滿足一致性要求。求取各二級(jí)指標(biāo)的值，如表4所示。

根據(jù)求取的sμ值，值越大表示該因素對(duì)隧道群安全影響越大；若sμ值相近，則考慮sδ值，sδ值反映了影響因素的穩(wěn)定程度，值越大表明因素越不穩(wěn)定，對(duì)隧道群安全影響越大。故各因素對(duì)隧道群安全的影響程度從大到小排列為：隧道群線形狀況、隧道群連接段長(zhǎng)度、隧道照明過(guò)渡設(shè)施、隧道座數(shù)、隧道群長(zhǎng)度、交通安全設(shè)施狀況、排水設(shè)施、設(shè)計(jì)車速、交通標(biāo)志標(biāo)線狀況、年不良?xì)夂虮壤?、貨車比例、通風(fēng)狀況、道路路面狀況、交通量。

表4 指標(biāo)權(quán)重及排序結(jié)果

針對(duì)隧道群線形狀況、隧道群連接段長(zhǎng)度、隧道照明過(guò)渡設(shè)施影響作用較大，應(yīng)從如下方面采取相應(yīng)的改善措施：

(1)避免在隧道群路段設(shè)置小半徑曲線，線形設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮駕駛員的視距需求，在進(jìn)入隧道群前應(yīng)給予駕駛員相應(yīng)提示和引導(dǎo)。

(2)降低“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”對(duì)駕駛員視距特性，設(shè)置相應(yīng)的減光設(shè)施，輔助照明設(shè)施，改變洞口內(nèi)外亮度突變，減輕駕駛員視覺(jué)負(fù)擔(dān)。

(3)設(shè)置相應(yīng)的車內(nèi)語(yǔ)音導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助交通標(biāo)志標(biāo)線，尤其是在不利天氣條件下，應(yīng)及時(shí)迅速的采集隧道群安全信息，及時(shí)發(fā)布給駕駛員。

4 結(jié) 論

(1)在借鑒前人在高速公路隧道群交通安全評(píng)價(jià)與事故分析方面的研究成果，結(jié)合我國(guó)高速公路隧道群的實(shí)際特點(diǎn)，構(gòu)建了隧道群交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)基于傳統(tǒng)層次分析方法，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的正態(tài)隸屬函數(shù)對(duì)方法進(jìn)行改進(jìn)，并引入了權(quán)重穩(wěn)定性概念，構(gòu)建了隧道群安全影響因素排序模型，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)算，證明了該模型的可行性與準(zhǔn)確性。

(3)筆者僅對(duì)影響因素進(jìn)行了排序，找出了幾個(gè)影響較大的關(guān)鍵因素，而未對(duì)各因素的影響機(jī)理進(jìn)行深入分析，未來(lái)應(yīng)進(jìn)行更為深入的專項(xiàng)研究。

[1] 閆彬,陳紅,魏建秋.駕駛員感知特性對(duì)隧道群交通安全的影響[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011,21(11):16-21.

[2] 詹偉. 山區(qū)高速公路長(zhǎng)大隧道群區(qū)域交通安全保障技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué),2013.

[3] 張生瑞,李耘,趙友功. 山區(qū)高速公路隧道群交通安全分析方法[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011,11(6):94-99.

[4] 閻瑩,張宇輝,郭忠印. 基于運(yùn)行速度的隧道進(jìn)出口線形安全性評(píng)價(jià)[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,30(4):72-76.

2015-02-11

陳長(zhǎng)坤(1986-)，男，陜西西安人，博士，研究方向：道路安全。

陜西省交通科技項(xiàng)目(12-32K)，江西省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)科技項(xiàng)目(2011C0062)。

U445

C

1008-3383(2015)11-0146-03