基于道路因素的交通安全模糊綜合評(píng)價(jià)的研究

程勁釗，栗振鋒，任麗超，翟文卿

(太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，太原 030024)

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基于道路因素的交通安全模糊綜合評(píng)價(jià)的研究

程勁釗，栗振鋒，任麗超，翟文卿

(太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，太原 030024)

摘要：近年來，道路交通安全事故頻發(fā)，狀況日趨惡化，針對(duì)此現(xiàn)狀提出模糊綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)道路平面、縱斷面、橫斷面、路面狀況以及交通工程設(shè)施等影響交通安全的道路因素進(jìn)行定性及定量的分析，利用層次分析法確定各因素的權(quán)重，用模糊評(píng)價(jià)法建立基于道路因素的交通安全評(píng)價(jià)體系，并利用該體系對(duì)實(shí)例進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：道路因素；交通安全；模糊評(píng)價(jià)；層次分析法

在交通各要素中，道路是交通的基礎(chǔ)，探討道路因素對(duì)交通安全的影響也有了重要的意義[1]。道路黑點(diǎn)，又稱之為道路交通事故多發(fā)點(diǎn)，是指道路交通事故發(fā)生率顯著突出的地點(diǎn)[2]。道路黑點(diǎn)的存在極大的影響了整體道路交通的安全，成為了影響交通安全的一顆毒瘤，也越來越受到交通決策者們的重視，成為了現(xiàn)在道路交通安全評(píng)價(jià)的主要對(duì)象。道路交通安全評(píng)價(jià)中，很多概念并沒有清晰的界限和明確的定義，同時(shí)不同的評(píng)價(jià)者也有著不同的思維方式。對(duì)于這樣的問題，經(jīng)典數(shù)學(xué)并不能有效地解決，而模糊評(píng)價(jià)，是基于模糊數(shù)學(xué)中的一些概念對(duì)實(shí)際生活中的評(píng)價(jià)問題提出的評(píng)價(jià)方法[3]，是將模糊數(shù)學(xué)作為評(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將不易定量或邊界不清的評(píng)價(jià)目標(biāo)定量化以達(dá)到評(píng)價(jià)目的[4]。因此，用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)影響道路安全的道路因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)的結(jié)果會(huì)更符合實(shí)際。

1數(shù)學(xué)模型描述

設(shè)U={u1,u2，…,um}為表述評(píng)價(jià)目標(biāo)的m種因素(評(píng)價(jià)指標(biāo))；

V={v1,v2，…,vn}為描述每個(gè)單一因素所處狀態(tài)的n種評(píng)價(jià)決斷(評(píng)價(jià)等級(jí))。

m為評(píng)價(jià)因素的個(gè)數(shù)，n為評(píng)價(jià)次數(shù)。

首先，對(duì)因素集中的單因素ui(i=1,2,…,m)作單因素評(píng)價(jià)，從因素ui著眼，對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vi(i=1,2,…,n)的隸屬度為rij，由此得出第i個(gè)因素ui的單因素評(píng)價(jià)集：

r=(rr1,ri2,…,rin)

總評(píng)價(jià)矩陣R是由m個(gè)著眼因素的評(píng)價(jià)集構(gòu)造出的。

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

其中，rij表示第i個(gè)因素ui在第j次評(píng)價(jià)中的頻率分布，滿足∑rij=1[5].

設(shè)A為U上的一個(gè)模糊子集，作為權(quán)數(shù)分配集，A=(a1,a2,…,am)，其中ai>>0，∑ai=1.

設(shè)B為V上的一個(gè)模糊子集，作為模糊評(píng)價(jià)，也稱之為決策集，B=(b1,b2,…,bn).

B=AR，稱為模糊變換。如果評(píng)判結(jié)果∑bi≠1，將其歸一化[6]。

2道路交通安全評(píng)價(jià)體系的建立

2.1指標(biāo)體系建立原則

道路交通安全綜合評(píng)價(jià)體系建立的前提，是建立評(píng)價(jià)指標(biāo)。在設(shè)立評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，有以下六條基本原則要遵循[7]：

1.目的性：建立的評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的任意一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)都要基于評(píng)價(jià)目的來展開，應(yīng)能準(zhǔn)確的反映出評(píng)價(jià)者的評(píng)價(jià)意圖。

2.系統(tǒng)性：指標(biāo)體系必須全面地反映出評(píng)價(jià)的綜合情況，以保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。

3.可操作性：在建立指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)注意，體系中每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都應(yīng)具有明確的含義，并且能及時(shí)收集到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

4.獨(dú)立性：各指標(biāo)之間應(yīng)相互獨(dú)立，不能具有相互包含的關(guān)系。

5.實(shí)用性：所采用的評(píng)價(jià)方式應(yīng)接近實(shí)際，其獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果才能更客觀準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際情況。

6.可比性：對(duì)于每一個(gè)評(píng)價(jià)的對(duì)象都是平等的、具有可比性的。各評(píng)價(jià)的對(duì)象之間不能含有傾向性指標(biāo)。

在道路交通安全的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立過程中，若要保證由此評(píng)價(jià)體系得到評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際，能較準(zhǔn)確的反映道路安全狀況，那么就必須遵循以上基本原則。

2.2道路交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

在對(duì)道路交通安全的評(píng)價(jià)過程中，需要注意有很多道路因素都將影響交通安全，因此采用二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)以確保評(píng)價(jià)的全面性和可信度。

一級(jí)指標(biāo)為：U1平面；U2縱斷面；U3橫斷面；U4路面狀況；U5交通工程設(shè)施。并由此確定二級(jí)指標(biāo)。

1.U1平面：U11直線長(zhǎng)度；U12圓曲線半徑；U13平曲線轉(zhuǎn)角；U14平曲線長(zhǎng)度。

2.U2縱斷面：U21縱坡度；U22縱坡長(zhǎng)；U23豎曲線半徑；U24豎曲線長(zhǎng)。

3.U3橫斷面：U31中央分隔帶寬度；U32行車道寬度；U33路肩寬度；U34橫坡和超高值。

4.U4路面狀況：U41路面平整度；U42路面破損情況；U43路面抗滑性能。

5.U5其他：U51交通安全設(shè)施；U52標(biāo)志標(biāo)線。

2.3評(píng)判權(quán)重的確定

在用多個(gè)評(píng)判指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)所評(píng)價(jià)的對(duì)象產(chǎn)生的影響不同，所占比重不同，因此，應(yīng)進(jìn)行各指標(biāo)權(quán)重的確定。指標(biāo)權(quán)重是表征各評(píng)價(jià)因素相對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)重要性的量度值，以一種數(shù)量形式來對(duì)比及權(quán)衡被評(píng)價(jià)對(duì)象的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性[8]。

權(quán)重的確定也存在著一些差異，主要存在于以下三個(gè)方面：

1.主觀差異：評(píng)價(jià)體系中的各評(píng)價(jià)指標(biāo)在不同的評(píng)價(jià)者心中的重視程度也不同；

2.客觀差異：各指標(biāo)對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象的影響程度不同；

3.可靠度差異：各評(píng)價(jià)指標(biāo)來源的可靠程度不同。

通常用來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)各因素權(quán)重的方式有兩種：經(jīng)驗(yàn)法以及數(shù)學(xué)法。經(jīng)驗(yàn)法又稱為定性法，由專家直接估計(jì)權(quán)值；數(shù)學(xué)法又被稱為定量法，其基礎(chǔ)為經(jīng)驗(yàn)法，加以數(shù)學(xué)原理，可以更加客觀性的反應(yīng)評(píng)價(jià)情況。

本文采用層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)進(jìn)行權(quán)重的確定。利用此方法可以提高此評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確的反應(yīng)各指標(biāo)對(duì)于被評(píng)價(jià)對(duì)象的重要程度，保證其科學(xué)性和客觀性。

層次分析法是指將決策問題的各種相關(guān)元素分解為目的、評(píng)價(jià)項(xiàng)目等幾個(gè)層次，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行定性以及定量分析的一種綜合決策方法。層次分析法的優(yōu)點(diǎn)在于它能將人的思維過程分為幾個(gè)有序的才層次，用清晰的數(shù)量表征，并用數(shù)學(xué)方法作為分析、決策的依據(jù)，具有很高的準(zhǔn)確性。利用此方法可以深層次的分析復(fù)雜的問題的本質(zhì)，并對(duì)影響因素以及各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了分析，使整個(gè)決策思維過程更加層次化，從而有序的構(gòu)建評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)，為原本復(fù)雜抽象的決策問題提供簡(jiǎn)便而有效的決策方法。

層次分析法的步驟：

1.根據(jù)評(píng)價(jià)目的以及評(píng)價(jià)項(xiàng)目等因素建立層次結(jié)構(gòu)模型。

2.構(gòu)造判斷矩陣。將本級(jí)中的某一元素作為基準(zhǔn)，對(duì)同級(jí)各因素的重要性進(jìn)行對(duì)比，并列出判斷矩陣；針對(duì)上一層的某一元素，同級(jí)的因素兩兩進(jìn)行重要性的比較，列出同級(jí)元素重要性判斷矩陣[9]。

(1)同一級(jí)元素之間相對(duì)重要性的判斷矩陣的確定：

表1　判斷矩陣的判斷尺度及其含義

注：若判斷的重要性介于表格中兩個(gè)相鄰等級(jí)之間，則可用2、4、6、8、1/2、1/4、1/6、1/8等來表達(dá)其重要性。

此判斷矩陣是將本級(jí)中某一元素當(dāng)作基準(zhǔn)，兩兩比較本級(jí)的所有元素的相對(duì)重要性，從而確定此判斷矩陣中的各元素。確定判斷矩陣時(shí)使用的判斷尺度詳見表1，假設(shè)aij為元素Ai對(duì)元素Aj相對(duì)重要性矩陣的元素。例如：若Ai比Aj略重要，則aij=3，反之，aij=1/3.

(2)構(gòu)造判斷矩陣，形式如下：

Bk A1 A2 … AnA1 A11 A12 … A1nA2 A21 A22 … A2n An An1 An2 … Ann

實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)中較復(fù)雜的評(píng)價(jià)或決策問題中，判斷矩陣一般經(jīng)過多位具有相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)的專家對(duì)各因素的重要程度進(jìn)行全面分析后確定的。其本質(zhì)是將專家淵博的專業(yè)知識(shí)和豐富的工作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)和決策需要的有用信息。

(3)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)[10]：

1-9階判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值也存在差異，詳見表2.

表2　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

(4)層次排序

層次排序是指根據(jù)得到的判斷矩陣，計(jì)算本層中各元素對(duì)上一級(jí)元素的重要性次序的權(quán)值，一般來講，可將此問題轉(zhuǎn)換為計(jì)算判斷矩陣的最大特征根和特征向量的問題。

判斷矩陣每一行元素的乘積Mi：

最大特征根λmax為：

其中，(AW)i為向量AW的第i個(gè)元素。

2.4確定評(píng)價(jià)等級(jí)

評(píng)價(jià)等級(jí)是指對(duì)各個(gè)影響元素的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)。一般的，人們可以較明確判別的好與差的程度級(jí)別最大為九個(gè)等級(jí)，評(píng)語的等級(jí)劃分得越詳細(xì)，則由其得出的評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確，但也存在弊端，那就是評(píng)價(jià)的過程也越復(fù)雜，也較難掌握；若評(píng)語的等級(jí)過少，又不能得到客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，評(píng)語的等級(jí)過多或過少，都將使得評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性和可靠性，故評(píng)語等級(jí)數(shù)量應(yīng)以適中為宜。另外等級(jí)數(shù)通常取奇數(shù)，這樣得到的評(píng)語等級(jí)分布平衡，除中間項(xiàng)外前后相互對(duì)應(yīng)，可以使評(píng)價(jià)者在評(píng)價(jià)過程中思路更清晰，同時(shí)也有利于得到隸屬度對(duì)比指數(shù)[11]。本文中的道路因素的評(píng)價(jià)體系中，評(píng)語的等級(jí)分布見表3.

表3　評(píng)價(jià)等級(jí)

3實(shí)例分析

3.1道路概況

研究路段為某國道位于山西省的某一路段，全長(zhǎng)30.23km.本路段修建于上世紀(jì)七十年代，修建年限早，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低，地形條件差，是“先天不足”的山區(qū)公路，由于資金不足，本路段一直未得到改造，也沒有補(bǔ)充必要的安全保障設(shè)施，路側(cè)險(xiǎn)要地段缺少或沒有防護(hù)設(shè)施及標(biāo)志牌，存在著極大的交通安全隱患。其中K219+100～K249+331段為1971年修建的三級(jí)公路，由于地形復(fù)雜，山路崎嶇，故路基寬度變化較大，參差不齊，有7m、7.5m、7.7m、7.8m、8m以及8.5m，路面寬度均為6m，路面結(jié)構(gòu)為2cm瀝青表處+15cm碎石灰土，1986年全路段加鋪為2.5cm厚的瀝青表處。由于交通量增加，路面病害成直線上升，2005年K230+000～K231+000段進(jìn)行過罩面處理，2006年K220+000～K224+000、K246+000～K249+331段進(jìn)行過罩面處理，但都沒有徹底根治病害。2012年該路段進(jìn)行了改建，改建按照二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，技術(shù)指標(biāo)見表4.

此路段進(jìn)行大修之后，道路的路面狀況得到很大改善，交通量劇增，大型運(yùn)煤車輛隨之增多，超載車輛的頻繁碾壓，致使交通安全事故發(fā)生率顯著增高。特別是K246+900～K247+900路段為連續(xù)長(zhǎng)下坡路段，坡度較陡，交通安全狀況尤為嚴(yán)峻。

3.2用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該路段進(jìn)行安全評(píng)價(jià)

3.2.1模糊評(píng)判矩陣的建立

本文所研究路段的原始數(shù)據(jù)由山西某路橋建設(shè)養(yǎng)護(hù)公司獲得。本文將該黑點(diǎn)路段的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料提供給10名經(jīng)驗(yàn)豐富的道路工程師，按照前文建立的評(píng)價(jià)體系中的第二層評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判打分，再整理并統(tǒng)計(jì)得到對(duì)該路段的評(píng)價(jià)結(jié)果如下統(tǒng)計(jì)表5所示。

表4　主要技術(shù)指標(biāo)

表5　黑點(diǎn)路段交通安全調(diào)查表

由此可得評(píng)價(jià)矩陣：

3.3.2權(quán)重向量的確定

根據(jù)上文得到的因素集合，故權(quán)重向量A為：

A0=(a1,a2,a3,a4,a5);A1=(a1,a2,a3,a4);

A2=(a1,a2,a3,a4);A3=(a1,a2,a3);

A4=(a1,a2,a3);A5=(a1,a2)

根據(jù)上文所述的計(jì)算步驟，利用重要度九標(biāo)度法，即可得到同一層中各指標(biāo)相對(duì)于其上一層準(zhǔn)則以及上一層準(zhǔn)則相對(duì)于整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)的權(quán)重分配，結(jié)果見表6.

表6　準(zhǔn)則層重要性權(quán)重分配

λmax=5.194CI=0.048RI=1.12CR=0.043<0.1，滿足一致性要求。

表7　U1平面因素重要性權(quán)重分配

λmax=4.104CI=0.035RI=0.9CR=0.038<0.1，滿足一致性要求。

表8　U2縱斷面因素重要性權(quán)重分配

λmax=4.184CI=0.061RI=0.9CR=0.068<0.1，滿足一致性要求。

表9　U3橫斷面因素重要性權(quán)重分配

λmax=3.009CI=0.005RI=0.58CR=0.008<0.1，滿足一致性要求。

表10　U4路面狀況因素重要性權(quán)重分配

λmax=3.018CI=0.009RI=0.58CR=0.016<0.1，滿足一致性要求。

表11　U5交通工程因素重要性權(quán)重分配

λmax=3.074CI=0.037RI=0.58CR=0.063<0.1，滿足一致性要求。

故確定最終權(quán)重為：

A0=(0.4280.3140.1260.0410.091);

A1=(0.0920.2510.5550.102);

A2=(0.1550.1090.1860.55);

A3=(0.4160.1260.458)；

A4=(0.4550.1980.347)；

A5=(0.5490.451).

3.2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算及分析

利用公式B=AR即可得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量：

B1=(0.24630.40100.24350.10920)

B2=(0.07760.21710.37280.25960.0729)

B3=(0.21260.32060.27940.14160.0458)

B4=(0.03470.40470.32110.21430.0192)

B5=(0.32940.16470.19020.27060.0451)

由此可見，該路段的縱斷面、路面狀況及交通工程設(shè)施等方面處于較差水準(zhǔn)，對(duì)該路段的交通安全影響很大，應(yīng)予以整治或改造。又根據(jù)A0=(0.428,0.314,0.126,0.041,0.091)可得到道路因素對(duì)道路交通安全影響的綜合評(píng)價(jià)向量：

由評(píng)價(jià)結(jié)果：

B=(0.19810.28730.22560.14480.037)看出，有50.35%的人在考慮了所有道路因素后，認(rèn)為該路段的整體交通安全狀況處于較差的水平，存在較大的安全隱患。

4結(jié)束語

建立了基于道路平面、縱斷面、橫斷面、路面狀況以及交通工程設(shè)施等影響道路交通安全的道路因素的模糊綜合評(píng)價(jià)體系，最后利用此方法對(duì)某典型公路段進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證該體系的可行性。

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ResearchofTrafficSafetyFuzzyComprehensiveEvaluationBasedonRoadFactors

CHENGJin-zhao，LIZhen-feng，RENLi-chao，ZHAIWen-qing

(SchoolofTransportation&Logistics，TaiyuanUniversityofScience&Technology，Taiyuan030024，China)

Abstract：In recent years，the traffic safety situation continued to deteriorate.The fuzzy comprehensive evaluation method is put forward.This paper made qualitative and quantitative researches on?road factors in traffic safety such as road plane，vertical section，cross section，road conditions and traffic engineering facilities.The analytic hierarchy process was used to determine the weight of each factor，and traffic safety evaluation system was built based on road factors by the method of fuzzy evaluation，and an analysis of an example was made in this evaluation system.

Key words：road factors，road traffic safety，fuzzy evaluation，analytic hierarchy process

收稿日期：2015-09-07

基金項(xiàng)目：山西省回國留學(xué)人員科研項(xiàng)目(2013-096)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20120321023-05)；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20150313014-2)

作者簡(jiǎn)介：程勁釗(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈缆窐蚝淼兰败壍拦こ獭?/p>

文章編號(hào)：1673-2057(2016)04-0296-06

中圖分類號(hào)：U491.1+22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.010