區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對交通安全的影響與評價

韓躍杰，王玉蘭，程 毅

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250031； 3.遼寧省交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110005)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路交通安全問題日益突出。由于高速公路的封閉性，使交通事故的影響在區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)中迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致區(qū)域高速公路網(wǎng)的抗破壞性明顯弱于城市路網(wǎng)。因此，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)成為行業(yè)學(xué)者研究的一個新熱點(diǎn)。

目前，國外專家學(xué)者多注重于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性的研究[1-2]，交通領(lǐng)域相關(guān)研究也集中在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征方面[3]，如Scott等[4]將路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指標(biāo)用于公路網(wǎng)性能評價與路網(wǎng)規(guī)劃；Dia[5]將道路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題作為雙層線性規(guī)劃問題，尋找區(qū)域公路網(wǎng)的最佳投資方案。國內(nèi)關(guān)于路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要關(guān)注2個方面[6-7]：一是路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征研究；二是基于路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開展的應(yīng)用研究，主要包括布局優(yōu)化、可靠性研究與評價等方面。張毅等[8]分析了北京市公交系統(tǒng)的拓?fù)鋮?shù)并提出建議；鄧亞娟等[9]基于對偶拓?fù)鋸?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究了渭南市交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征并提出優(yōu)化建議；李進(jìn)[10]基于空間網(wǎng)絡(luò)理論改進(jìn)了區(qū)域高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃模型；袁劍波等[11]評價了公路網(wǎng)的交通網(wǎng)密度和宏觀規(guī)模。在可靠性評價方面，范海雁等[12]提出了路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性的評價指標(biāo)，并建立了評價模型；杜華兵[13]研究了城市道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并提出了以改善道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來提高路網(wǎng)功能的路網(wǎng)優(yōu)化模型。在高速公路網(wǎng)絡(luò)研究應(yīng)用方面，林松濤等[14]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析了高速公路路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性；肖雪梅等[15]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建了城市軌道交通運(yùn)營安全評價模型；龍雪琴等[16]以區(qū)域高速公路網(wǎng)安全度最大為目標(biāo)提出區(qū)域高速公路網(wǎng)安全性評價指標(biāo)。

上述研究主要圍繞道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能(如可靠性、服務(wù)水平、失效程度等)展開，沒有深入分析道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與交通安全之間的關(guān)系?；诖?，本文在廣泛的文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，分析路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對區(qū)域高速公路網(wǎng)安全性的影響，構(gòu)建區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)安全性綜合評價指標(biāo)體系，對區(qū)域高速公路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行綜合評價。

1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 評價指標(biāo)分析

孫根年的研究指出：樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單；完全圖式網(wǎng)絡(luò)通達(dá)性強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的影響程度較高；環(huán)放式網(wǎng)絡(luò)交通流在環(huán)周圍泄壓能力強(qiáng)[17]。這說明不同的區(qū)域高速公路網(wǎng)結(jié)構(gòu)對交通安全的影響是不同的，主要表現(xiàn)在不同的路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對汽車的安全行駛環(huán)境影響不同，因此路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評價的指標(biāo)需要從影響汽車行駛環(huán)境的因素中提取。

1.1.1 路網(wǎng)密度的均衡性

區(qū)域高速公路網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè)是以交通需求為前提的，不同的發(fā)展階段要有相應(yīng)的路網(wǎng)規(guī)模。區(qū)域高速公路網(wǎng)建設(shè)規(guī)模超過實(shí)際交通需求時，不僅會導(dǎo)致資金、土地等資源的占用和浪費(fèi)，還會因車輛易于超速行駛等導(dǎo)致交通運(yùn)輸安全管理愈加困難；然而，路網(wǎng)建設(shè)規(guī)模過小，則會導(dǎo)致區(qū)域高速公路網(wǎng)提供的通行能力無法滿足實(shí)際交通量需求，道路交通量飽和，運(yùn)行速度大幅降低，交通事故頻發(fā)，運(yùn)輸效率低下，從而成為制約區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。所以，區(qū)域高速公路網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展應(yīng)當(dāng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸需求相適應(yīng)。路網(wǎng)密度在一定程度上反映了區(qū)域高速公路網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模。在中國，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度與地理位置息息相關(guān)，因此造成地區(qū)間路網(wǎng)密度差異顯著。路網(wǎng)密度的均衡性描述了路網(wǎng)規(guī)模與交通量需求之間的適應(yīng)性，反映了路網(wǎng)密度對行車安全的影響。

1.1.2 路線交叉分布的均衡性

路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中線條數(shù)目越多，路線之間的連結(jié)和交叉就越多，汽車行駛過程中遇到的交通沖突點(diǎn)與駕駛員需要辨認(rèn)的信息也越多，這對行車安全是不利的。然而，同樣的線條數(shù)目不一定有同樣數(shù)目的交叉點(diǎn)，同時，交叉點(diǎn)的分布也是不均勻的，路線交叉數(shù)目越多，交叉點(diǎn)分布越密集，對行車安全的不利影響就越明顯。路線交叉分布的均衡性反映了路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中交叉點(diǎn)及其分布對交通安全的影響。

1.1.3 節(jié)點(diǎn)密度

節(jié)點(diǎn)處進(jìn)出的交通流會對主線交通流形成沖擊，導(dǎo)致駕駛員頻繁進(jìn)行加速、減速、換道操作，對行車安全不利。節(jié)點(diǎn)密度越大，路網(wǎng)安全性越差。

1.1.4 線條流暢程度

平曲線和豎曲線半徑越小，道路安全性越差。曲線半徑越大，路線線形越流暢，說明道路平面線形條件越好，對行車安全越有利。所以，線條流暢程度越高，對行車安全越有利。

1.2 評價指標(biāo)體系

根據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性影響因素分析結(jié)果，構(gòu)建路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評價指標(biāo)體系

2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

專家打分法、層次分析法等都是常用的評價指標(biāo)權(quán)重的確定方法，這些方法需要專家依靠經(jīng)驗(yàn)給出各指標(biāo)的確定性權(quán)重。區(qū)域高速公路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)安全性評價指標(biāo)缺乏定性比較基礎(chǔ)，專家在權(quán)重評價的過程中受限于過往經(jīng)驗(yàn)，使得指標(biāo)的定量評價過程中包含了許多不確定性影響，難以給出確定性評價結(jié)果。因此，本文采用集值統(tǒng)計法確定評價指標(biāo)權(quán)重的分配。

2.1 集值統(tǒng)計法權(quán)重分配

集值統(tǒng)計法是對經(jīng)典統(tǒng)計與模糊統(tǒng)計的推廣，相對于概率統(tǒng)計中要求每次試驗(yàn)取得可能觀測值的集合中一個確定的點(diǎn)，集值統(tǒng)計法允許專家給出指標(biāo)權(quán)重的一個范圍區(qū)間，即集值統(tǒng)計法得到的是專家對某一評價指標(biāo)給出的一個區(qū)間估計值，而不是一個確定單一值。

(1)

由此，可以得到評價指標(biāo)體系的m個權(quán)重值向量

W=(w1,w2,…,wm)j=1,2,…,m

(2)

集值統(tǒng)計方法較傳統(tǒng)算術(shù)平均法計算評估值的優(yōu)點(diǎn)在于：把不同專家得到的評估結(jié)果看成是一種分布，取該分布形心處的對應(yīng)值作為評估值，從而減少指標(biāo)評估的隨機(jī)誤差和模糊程度。

2.2 權(quán)重分配計算

應(yīng)用專家問卷調(diào)查的方式，獲取路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評價指標(biāo)體系權(quán)重分配專家打分結(jié)果，見表1。

表1 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評價指標(biāo)體系專家打分結(jié)果

采用集值統(tǒng)計法計算專家打分結(jié)果，得到指標(biāo)權(quán)重分配結(jié)果為W=(0.24,0.21,0.25,0.30)。

3 模糊綜合評價

確定了評價指標(biāo)權(quán)重后，還需綜合評價指標(biāo)值對區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒踩赃M(jìn)行評價。模糊綜合評價法的優(yōu)勢在于能夠?qū)δ：膯栴}進(jìn)行數(shù)學(xué)性的科學(xué)刻畫，故結(jié)合本文構(gòu)建的評價指標(biāo)體系的特點(diǎn)，采用模糊綜合評價法進(jìn)行綜合評價。

3.1 確定評語集

影響路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性的指標(biāo)有4個，即{a，b，c，d}，通過對4個單因素進(jìn)行判斷，按照各因素對路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性影響的不利程度劃分，確定模糊綜合評價的評語集并給出評價等級：S=(100，80，60，40，20)，100表示很安全，80表示安全，60表示一般，40表示較不安全，20表示不安全。

3.2 構(gòu)造模糊權(quán)判斷矩陣

假設(shè)有n個專家參與評價，由他們對4個指標(biāo)的打分得到的樣本數(shù)據(jù)構(gòu)成矩陣

(3)

式中：aij為第i個專家對第j個指標(biāo)的評分值。

引入白化權(quán)函數(shù)描述各評價指標(biāo)與路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性的模糊關(guān)系，5個隸屬函數(shù)如下。

(6)

(7)

(8)

構(gòu)造單因素的模糊權(quán)矩陣

(9)

3.3 模糊綜合評價計算

模糊權(quán)矩陣R反映了某個被評價事物從不同的單因素來看對各等級模糊子集的隸屬程度，用模糊權(quán)向量將不同的因素進(jìn)行綜合，得到模糊綜合評價模型，然后采用加權(quán)求和法得到模糊綜合評價結(jié)果。假設(shè)存在n個區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)樣本，P為綜合評價結(jié)果，則

P=W×Ri×ST

(10)

式中：Ri為第i個評價指標(biāo)的模糊權(quán)向量。

4 實(shí)例計算

4.1 評價對象

以河北省區(qū)域高速公路網(wǎng)為例，截取4個市行政區(qū)劃內(nèi)的高速公路網(wǎng)作為評價對象，見圖2。

圖2 區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

4.2 專家打分確定模糊權(quán)矩陣

對每個樣本各指標(biāo)專家打分結(jié)果進(jìn)行處理，計算得到4個樣本的模糊權(quán)矩陣，見式(11)～(14)。為了得到更加合理的模糊權(quán)矩陣，參與打分的專家人數(shù)應(yīng)該盡可能多，調(diào)查過程中還應(yīng)注意解釋指標(biāo)涵義。

4.3 綜合評價結(jié)果計算

對于每一個樣本有：Ui=W×Ri(i=1～4)，計算得到

(15)

對Ui歸一化后得到

(16)

根據(jù)式(10)計算得到4個樣本的綜合評價結(jié)果：P=(60.50,69.12,75.68,72.22)。

5 結(jié) 語

區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征對區(qū)域交通安全有一定的影響，影響因素的影響特性很難定量計算并進(jìn)行分級，本文結(jié)合模糊綜合評價法處理模糊問題的數(shù)學(xué)優(yōu)勢，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)獲取模糊定量問題的統(tǒng)計資料，確定區(qū)域高速公路結(jié)構(gòu)安全性的各單因素判斷矩陣，采用集值統(tǒng)計法得到指標(biāo)權(quán)重，建立綜合評價模型。實(shí)例計算表明，模型能夠評價區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的安全性，評價結(jié)果反映了不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征對區(qū)域交通安全性的影響。