高速公路運營安全綜合評價算法＊

吳德華，林庚釵

(福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108)

如何對高速公路運營安全進行客觀評價值得深入研究，因為它有助于預防重特大交通事故，科學安排日常安全管理，提高運營安全水平。目前道路運營安全評價可以分為兩大類，一類是基于事故數(shù)據(jù)的直接評價，另一類是基于非事故數(shù)據(jù)的間接評價。

基于事故數(shù)據(jù)的直接評價即根據(jù)交通事故直接進行數(shù)值分析對比，如早期的“學習心理學”模型［1］、Smeed 模型［2］、伊·阿拉加爾模型［3］等基于單一事故數(shù)據(jù)進行預測和評價，90 年代后國內(nèi)學者相繼提出了基于多指標的事故綜合評價模型，如文獻［4－5］中利用模糊評價法、主成分回歸分析法、灰色系統(tǒng)理論等方法建立了交通安全評價模型;文［6］建立了以模糊數(shù)學綜合評價模型為基礎的評價和預測方法;文［7］建立了上海市公路網(wǎng)安全宏觀評價投影尋蹤模型等。

基于非事故數(shù)據(jù)的間接評價，根據(jù)目前的研究狀況，可歸納為三種:一是基于交通流參數(shù)的間接評價。如基于運行車速的典型評價模型有Solomon［8］、Monash［9］、EURO［10］等模型;交通沖突技術(shù)(TCT)是國際新興的一種非事故統(tǒng)計評價理論方法，已受到廣泛認可，國內(nèi)很多學者也開展了基于交通沖突技術(shù)的交叉口交通安全評價研究;基于行車風險的評價模型也有一些研究成果如文［11］等。二是基于道路交通設施參數(shù)的間接評價，如美國公路安全手冊(HSM)分析道路行車條件如平曲線、路面寬度對道路安全的影響，建立不同道路類型的安全評價模型。三是基于道路用戶心理、生理參數(shù)特征的間接評價。如文［12］、［13］等從視覺、生理和心理等相關(guān)的駕駛員工作負荷角度來研究道路的安全性問題。

這些研究成果對道路運營安全的評價研究起到重要的推動作用，然而直接評價和間接評價都有其各自的優(yōu)缺點，直接評價相對比較直觀，但是其基礎是事故數(shù)據(jù)，由于目前我國受到統(tǒng)計手段落后和統(tǒng)計口徑不一致的影響，統(tǒng)計結(jié)果往往可信度較低。間接評價中道路用戶心理、生理參數(shù)特征需要相應的分析儀器才能獲得，實用性相對較差。為了對公路運營安全進行全面、客觀的衡量，需要建立一個綜合評價指標體系。因此本文研究重點是如何合理構(gòu)建一個基于多指標的綜合評價指標體系，并保證指標數(shù)據(jù)獲得的可行性和便利性;如何消除多個評價指標之間權(quán)重確定的隨意性，以保證評價結(jié)果的公平、公正。

1 高速公路運營安全綜合評價指標體系

1.1 綜合評價指標體系構(gòu)成分析

公路建設項目在通過驗收投入運營后，道路主體工程的連續(xù)性和道路路側(cè)安全度已經(jīng)基本定型，而道路路面狀況和交通工程設施隨著使用年限的延長對運營安全有動態(tài)的影響。運營中的交通特征，如交通量及其組成、運行車速等交通參數(shù)與運營安全之間存在密切的內(nèi)在聯(lián)系。運營中的交通管理可以實時對運營中的交通狀態(tài)進行有效干預，運營管理水平一般可以用階段運營時間后的事故特征來衡量和表征。為了全面、客觀評價公路運營安全，可以分別從影響運營安全的固定基礎設施、運營中的交通特征、階段運營后事故特征三個方面選擇評價指標，即綜合評價指標體系應由道路交通設施特征指標、交通流運行特征指標和事故特征指標構(gòu)成。

根據(jù)以上分析，道路交通設施特征從道路主體工程的連續(xù)性、道路路側(cè)的安全度、道路路面平整度、道路路面抗滑性、交通工程設施規(guī)范性五個方面進行表征。運營中的交通特征，為了可操作性和實用性，利用運營中的車速參數(shù)與交通安全之間的內(nèi)在相關(guān)性，通過預測或觀測車速參數(shù)來對交通安全進行表征。階段運營后的交通事故特征主要從交通事故的總量和事故的嚴重度來進行表征，構(gòu)成的綜合評價指標體系見表1。

表1 高速公路運營安全綜合評價指標體系

1.2 評價指標量化及評價標準

為了定量分析高速公路運營安全，需要對評價指標體系中各評價指標進行定量計算或打分。

(1)線形綜合評價指標［14］

式中:F為線形綜合指標值，j為公里里程數(shù)，R為曲線半徑，I為曲線轉(zhuǎn)角，i為縱斷面坡度，n為車道數(shù)，B為車道寬度，w1和w2分別為左右側(cè)路肩寬度;當?shù)缆飞嫌龅綐蛄?、隧道等結(jié)構(gòu)物存在或者道路寬度突然變窄時ξ=0.25，其他情況ξ=0。可以根據(jù)設計線形資料計算獲得。

(2)路側(cè)安全度指標

公路路側(cè)安全度主要由路側(cè)凈空區(qū)、邊坡等影響因素進行衡量，根據(jù)路側(cè)和邊坡特征分級如下［15］:

①安全等級Ⅰ級:路側(cè)凈空區(qū)大于6 m，邊坡小于1∶4，事故后車輛可以駛回公路。

②安全等級Ⅱ級:路側(cè)凈空區(qū)約為3～6 m，邊坡約為1∶3或1∶4，路側(cè)表面粗糙，事故后車輛勉強可以駛回公路。

③安全等級Ⅲ級:路側(cè)凈空區(qū)約為1.5～3 m，邊坡約為1∶2，距車道邊緣2 米內(nèi)可能有剛性物體，事故后車輛不能駛回公路。

④安全等級Ⅳ級:路側(cè)凈空區(qū)小于1.5 m，邊坡大于1∶2，路側(cè)為懸崖或垂直的巖石，事故后車輛不能駛回公路，路側(cè)碰撞的嚴重程度很高。

該指標可以根據(jù)設計資料和現(xiàn)場考察綜合評分。

(3)路面平整度指數(shù)

公路路面狀況對行車安全性具有重要影響，隨著路面不平整度和破損程度的提高，使得駕駛員為追求駕駛舒適性頻繁變換車道，提高行車風險，是主要的交通安全隱患。公路路面狀況采用路面狀況綜合指標PCI 進行衡量，可以采用公路養(yǎng)護部門測量或評估值［16］。

(4)路面橫向力系數(shù)

路面抗滑性能采用橫向力系數(shù)SFC 對路面的抗滑能力進行評價，該指標可以采納公路養(yǎng)護部門的測量值或評估值，測量車要求以50 km/h 的標準車速測定橫向力系數(shù)。

(5)交通工程設施規(guī)范性指數(shù)(Traffic Engineering Facility Index，TEFI)

交通工程設施規(guī)范性主要從交通標志標線、安全護欄、防眩設施、隔離防護設施和誘導設施的正確性和完整性進行直接打分評價，見表2。該指標可以根據(jù)設計資料或現(xiàn)場考查后進行綜合打分。

表2 交通工程設施規(guī)范性打分表

(6)單位里程車速標準差

運行車速參數(shù)與交通事故率之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，已有的研究證明了道路上的車速分布越離散，交通事故率越高。高速公路運行車速采用單位里程內(nèi)車速標準差指標進行衡量:

其中:S為單位里程L 內(nèi)第85%位車速標準差(km/h)，v85i為第i 個幾何元素第85% 位車速(km/h);v85為第85%位平均車速(km/h)，li為第i 個幾何元素對應的起點樁號里程(km);li+1為第i 個幾何元素對應的終點樁號里程，即第i+1 個幾何元素對應的起點樁號里程(km);L為里程長度(km);n為里程長度L 內(nèi)幾何元素(直線和曲線)的總個數(shù)。該指標在現(xiàn)場觀測困難情況下，可以根據(jù)設計線形資料參考文獻［17］進行預測。

(7)億車公路事故率和事故致死率

億車公路事故率指標是目前國際上通用的表征綜合事故率的指標，計算公式如下:

式中:Rk為1 年間每億車公里事故數(shù)(次/ 億車公里);A為評價目標公路一年內(nèi)總運行車公里數(shù)事故(起);K為評價目標公路一年內(nèi)總運行車公里數(shù)=為各分段公路長度×各分段公路上統(tǒng)計年內(nèi)的交通量。

交通事故致死率是描述交通事故嚴重程度的重要指標，計算公式如下:

式中:d為事故致死率(%);D為死亡人數(shù)(人);W為受傷人數(shù)(人)。

億車公路事故率和事故致死率可采用公路安全管理部門數(shù)據(jù)。

綜合以上分析，在確定各評價指標的計算方法后，根據(jù)每個指標自身的特點，可以確定各評價指標的評價閾值表，見表3。

表3 各評價指標評價閾值表

2 評價指標權(quán)重賦值

2.1 集值統(tǒng)計模型法確定權(quán)重

為了減少評價中的隨機誤差，準則層和子準則層的指標權(quán)重可以分別采用集值統(tǒng)計模型進行確定。集值統(tǒng)計法是經(jīng)典統(tǒng)計和模糊統(tǒng)計的一種推廣，經(jīng)典統(tǒng)計在每次統(tǒng)計中獲得的是相空間中的一個確定點，而集值統(tǒng)計法在每次試驗中得到的是一個區(qū)間［18］。假設，專家評審團對于評價指標中各評價指標權(quán)重值wi(i=1，2，…，m)的評審，對應評價范圍記作Zi，若有Zi位專家，則第k(k=1，2，…，n)個專家給出的評價區(qū)間記為，且，則n 位專家的評價區(qū)間形成了一個集值統(tǒng)計序列［該序列疊加起來則可以用數(shù)軸上的樣本落影函數(shù)來表示，記為(w)。

對(1)式的積分進行求解，得:

此外，考慮各位專家的學歷，從業(yè)時間以及經(jīng)驗等，定義了各專家的權(quán)重系數(shù)hk(k=1，2，…，n)，則各評價指標相對權(quán)重為:

對其進行歸一化處理，即可得到每一個指標的綜合權(quán)重:

2.2 功效系數(shù)法及評價值域確定

為了盡可能地反映實際情況，排除由于各項指標的量綱不同以及其數(shù)值數(shù)量級間的懸殊差別所帶來的影響，避免不合理現(xiàn)象的發(fā)生，用功效系數(shù)法對各評價指標作無量綱標準化處理，標準后的評價值域分為4 檔，每檔對應的標準化區(qū)間值見表4。

表4 標準化后的評價值域

利用功效系數(shù)法對各評價指標進行無量綱標準化如下:

當評價指標為正向指標(數(shù)值越大越理想)時，標準化計算公式為:

當評價指標為反向指標(數(shù)值越大越不理想)時，標準化計算公式為:

3 案例分析

為對福建省境內(nèi)寧德至武夷山高速公路某路段進行運營安全評價，邀請5 位專家對評價指標體系中準則層和子準則層中各評價指標進行權(quán)重區(qū)間判定，根據(jù)5 位專家研究領(lǐng)域和工作經(jīng)驗，確定權(quán)重為［0.30，0.20，0.15，0.15，0.10］，各評價指標權(quán)重區(qū)間見表5、表6 和表7。

表5 準則層評價指標權(quán)重專家判定區(qū)間

表6 子準則層(一)評價指標權(quán)重專家判定區(qū)間

表7 子準則層(三)評價指標權(quán)重專家判定區(qū)間

根據(jù)綜合權(quán)重的計算公式可以算得準則層U1、U2、U3三個指標的綜合權(quán)重為［0.21，0.28，0.51］，子準則層(一)U11、U12、U13、U14、U15五個指標的綜合權(quán)重為［0.20，0.28，0.16，0.21，0.15］，子準則層(二)只有一個指標U21綜合權(quán)重為1.00，子準則層(三)U31、U32兩個指標的綜合權(quán)重為［0.71，0.29］，綜合考慮準則層和子準則層指標的綜合權(quán)重，可以算得各指標對目標層的最終權(quán)重［0.04，0.06，0.03，0.04，0.03，0.28，0.36，0.15］，見表8。

表8 評價指標的最終權(quán)重及指標值計算表

另外根據(jù)該高速公路路段管理處提供的設計、養(yǎng)護和安全相關(guān)資料(2013 年)，計算得到各評價指標的原始值:線性綜合評價值=1800，路側(cè)安全度指標=85，路面平整度指數(shù)=83.5，路面橫向力系數(shù)=0.46，交通工程設施規(guī)范性指數(shù)=70.0，單位里程車速標準差=4.4 km/h，億車公里事故率=18.6(次/km·10－8veh－1)，事故致死率=6.7%，利用功效系數(shù)法標準化后的取值以及評價最終累計值64.4(見表8)，對照標準化后的評價值域(表4)可以確定該高速公路路段運營水平處于良好級別。

4 結(jié)論

本文在分析高速公路運營安全直接評價和間接評價各自的研究現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，以及影響高速公路運營安全的主要因素后，建立了多指標評價指標體系和評價標準，并進行了案例分析，得到主要結(jié)論如下:

(1)從影響公路運營安全的固定基礎設施、運營中的交通特征、階段運營后事故特征三個方面構(gòu)建了由表征道路交通設施特征指標、交通流運行特征指標和事故特征指標8 個評價指標組成的高速公路運營安全綜合評價指標體系。

(2)為各評價指標量化提供了相應的計算公式或評價打分依據(jù)，并初步提出各評價指標評價標準;為消除評價中的隨機誤差用集值統(tǒng)計模型法確定各評價指標的權(quán)重，并建立了標準化后的評價值域，利用功效系數(shù)法對各評價指標進行無量綱化處理。

(3)案例分析結(jié)果表明高速公路運營安全綜合評價算法可以較好地進行量化對比和評價。

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