公路安全防護設施可靠性評價研究

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公路安全防護設施可靠性評價研究

王可意，徐東強

(河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401)

公路安全防護設施主要包括標志、標線、隔離柵、防護網(wǎng)、護欄和防撞設施等[1]。清晰合理的標志、標線能夠對駕駛員進行正確的引導，減少車輛無序行駛造成的交通事故。防護網(wǎng)、護欄和隔離柵等屬于被動防護設施，其合理的設置和養(yǎng)護可以降低事故發(fā)生后的損傷程度，是公路基礎設施建設中不可或缺的組成部分。對于公路交通安全防護設施的基礎研究主要包括：1)公路交通安全設施設計的研究，李高旺等[2]采用虛擬現(xiàn)實技術對公路安全設施建立虛擬模型，通過虛擬試驗優(yōu)化高速公路安全設施設計方案；劉丹[3]將中國和法國的高速公路安全設施設計規(guī)范和理念對比分析，找出其中的異同和可借鑒之處。2)對某一特定安全防護措施[4-6]的安全使用性能分析以及針對安全防護設施存在的病害和漏洞提出的改善措施[7-8]。3)對公路安全防護設施的的安全性的定量評價：如高賀等[9]采用因子分析法構建高速公路安全設施評價指標體系，解決了指標之間的相關性問題；王建軍等[10]綜合考慮了影響高速公路交通安全設施系統(tǒng)現(xiàn)狀的因素建立了評價指標體系，采用層次分析法(AHP)的模糊綜合評價方法對安全防護系統(tǒng)進行評價；公路安全防護設施的可靠性即為安全防護設置的合理性、完善性和使用的安全性。建立科學合理的公路安全防護設施的評價指標體系，對其可靠性進行評價是非常必要的。在以往的公路安全設施評價方面，層次分析法及模糊綜合評價法是較為常見的綜合評價方法。然而在確定權重時專家的主觀評價會帶有一定的隨意性。評價結果可靠性難以保障，評價方面存在一定的局限性。因此本文采用模糊綜合方法和數(shù)據(jù)包絡分析相結合[11](F-DD模型)的方法對公路安全防護設施進行安全性評價。該方法可以彌補模糊綜合評價方法的不足，在找出公路安全防護設施中存在隱患指標的同時還能計算出這些指標需要改進的數(shù)值，針對這些指標的不足之處提出相應的安全改進措施。

1決策單元的模糊綜合評價分析

假設某評價系統(tǒng)有M個決策單元，要根據(jù)一些評價指標來評價這M個決策單元，建立的評價集為U={u1,u2，…，un}；本文采用的評價集為(安全，較安全，一般安全，較不安全，不安全)，其對應的分值標尺為表1所示。

表1　分值標尺

建立的評語集V={v1,v2,…,vn}，可根據(jù)實際情況將評語集量化分析，如將評判集的等級用1對分值數(shù)量化，則本文為V={1,0.8,0.7,0.6,0.5}；第M個決策單元的模糊關系矩陣為：

本文采用柯西隸屬度函數(shù)，根據(jù)評語集計算出的隸屬度函數(shù)分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)模糊分布原理可得到?jīng)Q策單元M的第i個指標對評價集合的大致分布情況為：

(6)

(7)

根據(jù)上述，決策單元M各指標的一種基本狀況為：

2決策單元的F-DD有效性分析

雖然用模糊綜合評價能夠確定決策單元各個指標對評價集的好壞程度，但是不能得出決策單元較差的原因及其如何調(diào)整評價指標來使決策單元達到好的狀態(tài)。因此與DEA相結合來補充說明這一點。

數(shù)據(jù)包絡分析(DEA)是運籌學家Charnes等提出的一種效率評價方法[12]。以“相對效率”為基礎，評價多輸入和多輸出同類決策單元(DMU)的有效性。后來發(fā)展成為管理、系統(tǒng)工程和決策分析、評價技術領域中一種常用的分析工具和研究手段。借助于DEA的優(yōu)點，模糊數(shù)學和DEA相結合的方法無論在理論研究還是在實際應用方面，都取得了一定的成果[13]。

所確定的決策單元生產(chǎn)可能集為：

LDT={R=(R1,R2,…,Rm)T|Ri≤

(8)

R=(R1,R2,…,Rm)T為在LDT上的一種可能狀態(tài)；λM為大于等于0的系數(shù)。

(9)

決策單元M0若為F-DEA有效，當且僅當[15]

(10)

的最優(yōu)值VF-DD=0。

式中：eT=(1,1,…,1)∈ES,S=(s1,s2,…,sn)T≥0的系數(shù)。

若決策單元M0不是F-DEA有效的，則λ和S為(F-DD)的最優(yōu)解，則它的投影R(M0)+S為F-DEA有效。因此，可以對模糊綜合評價的無效決策單元進行指標調(diào)整，使決策單元達到有效從而使決策單元更加安全可靠。

3F-DD方法在公路安全防護設施可靠性評價中的應用

3.1應用(F-DD)模型計算

本文以天津市薊縣公路為例，將安全防護設施完好和合理狀況、道路線型合理性和公路養(yǎng)護狀況和路側管理水平為評價指標，對彩溝路、一線穿路、桂月酒廠路、別九路、磚薊路和磚薊路延長線這6段典型路段進行安全防護設施可靠性評價。專家通過實地踏勘、日常養(yǎng)護資料和道路線型設計資料對6段路的評價指標根據(jù)防護設施、標志標線、視線誘導設施、陡坡急彎路段標志標線設置情況、路側寬容處置等核對清單進行打分[16]，將所有專家打分的均值作為最后的分值。統(tǒng)計結果如表2所示。

表2　安全防護設施指標分值

注：決策單元1~6分別代表：彩溝路安全防護設施、一線穿路安全防護設施、桂月酒長路安全防護設施、別九路安全防護設施、磚薊路安全防護設施、磚薊路延長線安全防護設施。

決策單元123456安全設施完好和合理狀況0.7030.8090.6860.7140.6920.736道路線型合理性0.8520.7360.7240.7400.8310.863公路養(yǎng)護狀況和路側管理0.7290.7410.7380.7360.7240.733

應用(F-DD)模型進行計算，得到的計算結果如表4所示。

表4　變量s以及最優(yōu)值VF-DD取值表

決策單元1的計算如下：

其他單元計算同決策單元1的計算。從計算結果來看，決策單元2和決策單元6均為F-DD有效單元，也就是說決策單元2和決策單元6的3項指標的性能都達到了Pareto有效，而決策單元1，3，4和5的某項指標還有提升空間才可達到有效狀態(tài)。表明，一線穿路和磚薊路延長線路段的安全防護設施可靠，而彩溝路和磚薊路安保工程的安全設施完好和合理狀況、道路線型設計合理性及養(yǎng)護水平和路側管理三項指標值均需提高；桂月酒廠路安保工程需提高安全設施完好和合理狀況和線型設計的合理性；別九路安保工程需提高安全設施完好和合理狀況。

3.2結果分析

一線穿路和磚薊路延長線安保設施的三項指標處于有效狀態(tài)，因此這2條路段的安全防護設施安全可靠。桂月酒廠路安保工程(DMU3)的安全設施完好狀況和道路線型的合理性應均須提高，而桂月酒長路的日常養(yǎng)護和路側管理做的很好。從數(shù)值角度分析，安全設施完好狀況須提高：0.095 63/0.686=13.9%；道路線型設計須更加合理，提高8.23%(0.059 62/0.724)才能達到可靠水平。然而在已經(jīng)建好的公路上，道路線型的合理性很難改變，因此可以增加安全防護設施來彌補這一指標的不足。彩溝路安保工程(DMU1)的安全設施完好和合理狀況、線型設計合理性及日常養(yǎng)護水平和路側管理3項指標均需提高，提高數(shù)值分別為4.69%，1.29%和0.55%。

磚薊路安保工程(DMU5)的安全設施完好和合理狀況、線型設計合理性及道路日常養(yǎng)護和路側管理3項項指標都沒有達到有效狀態(tài)，3項指標分別應提高： 5.98%，3.71%和1.23%。

根據(jù)道路實際情況，應當注意道路兩側樹木對交通標志的遮擋情況及沿線護欄設施的合理性；對于路面嚴重破損的路段應當及時修護；線型設計不合理的路段適當增設沿線的防護設施以及杜絕路側堆積物品占路情況。別九路安保工程(DMU4)安全設施完好和合理狀況須提高0.4%，根據(jù)實際情況，應當加強標線的清晰程度，對于損壞的安全防護設施應及時更換。根據(jù)各段公路安全防護設施可靠性的評價結果分析，對于改進其可靠性的優(yōu)先順序為：磚薊路，彩溝路，桂月酒廠路。而一線穿路和磚薊路延長線的安全防護設施安全可靠，不需改進。

4結論

1)采用F-DD模型進行公路安全設施可靠性評價，識別出了公路安全防護設施需整治的路段并且對決策單元優(yōu)先級別進行排序、找出決策單元較差的原因，為公路安保設施的進一步的管理提供了建議和支持。

2)F-DD模型不必事先給出指標權重，并且決策單元的有效性情況不依賴于模糊評價集中的元素大小，使得決策結果真實客觀。

3)通過理論和實例分析，驗證了F-DD模型在公路安保設施的可靠性評價中的可行性。本文的評價指標體系和評價方法可普遍適用于其它類似工程的可靠性評價，為工程可靠性評價提供了一種新方法。

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(編輯蔣學東)

摘要:安全防護設施是公路工程的重要沿線設施，其完善可靠程度對交通安全起著重要作用，對安全防護設施的完善與可靠性評價缺少系統(tǒng)的研究。采用模糊綜合評價與數(shù)據(jù)包絡分析相結合(F-DD)的方法，建立公路安全防護設施的可靠性評價模型，選取安全防護設施完好和合理狀況、道路線型合理性、公路日常養(yǎng)護和路側管理水平為評價指標，對安全防護設施的可靠性進行評價。根據(jù)評價結果，找出可靠性較差的路段及其原因，提出相應的改進措施。將該方法首次應用到公路安全防護設施的可靠性評價中，通過實例驗證該方法的可行性，為其他類似工程的可靠性評價提供一種新方法。

關鍵字：公路工程；模糊綜合評價；數(shù)據(jù)包絡分析；安全防護設施；可靠性評價；

Reliability evaluation of highway security facilitiesWANG Keyi，XU Dongqiang

(School of Givil Engineering, Hebei University of Technology， Tianjin 300401, China)

Abstract:Security facilities are important along the highway engineering, the reliability of which plays an important role in improving the traffic safety, however, perfection and reliability evaluation of security facilities are lack of systematic research currently. As a consequence, the fuzzy comprehensive evaluation and data envelopment analysis (F-DD) method were combined together to establish the reliability evaluation model of highway security facilities. Three indicators including good and reasonable of safety facilities condition, road linear rationality and daily maintenance management and roadside management level were selected to evaluate the reliability of highway security facilities. According to the results, road with less reliability and reason of it can be identified, appropriate improvements are then proposed. The method is first applied to evaluate the reliability of the security facilities of the road which verified to be feasible, so it can provid a new method for the reliability evaluation of other similar projects.

Key words：highway engineering; fuzzy comprehensive evaluation; data envelopment analysis; security facilities; highway traffic safety

中圖分類號：U417.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0196-05

通訊作者：王可意(1988-)，女，河北興隆人，博士研究生，從事道路與隧道工程研究；E-mail：814207371@qq.com

基金項目：河北省自然科學基金資助項目(E2012202161)

收稿日期：*2015-06-22