高速公路道路安全性模糊綜合評價應用研究

張 航， 李 明

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

道路交通安全一直以來備受人們關注,對于高速道路安全風險評價管理方法的深入研究也是國內外相關專家學者們一直致力的研究方向。Elke Hermans等[1]一致認為七大主要風險因素直接決定了我國道路交通安全,有序利用加權乘法平均數(shù)值算子和相關專家風險評價等方法在我國道路交通安全風險進行系統(tǒng)風險評價上的綜合利用結果可以有效地解決國內道路交通系統(tǒng)安全風險問題。Shen Yongjun等[2]特別指出了該事故可能是由于多種客觀因素(如車輛駕駛員、車輛、道路安全狀況、交通狀況等)綜合造成的,因此,交通事故數(shù)據(jù)的收集顯得極為重要,在風險評價管理過程中其評估結果往往主要取決于評估標準的正確采用及其他影響目標因素的正確選取,所以我們應當盡量采用綜合的風險評價分析方法。孟祥海等[3]通過統(tǒng)計分析和假設檢驗發(fā)現(xiàn)高速公路事故數(shù)基本符合負二項分布,進而以二項分布檢驗法來分析事故多發(fā)點的突出影響因素,研究了事故多發(fā)點的原因。王昌衡等[4]引入?yún)^(qū)間數(shù)理論和熵權理論建立了區(qū)間數(shù)逼近評估模型對高速公路進行安全評價。王進滿等[5]基于模糊綜合評價建立了國道交通安全評價模型，對國道進行了安全評價。針對高速公路上交通安全影響因素模糊性及復雜性,本文基于模糊數(shù)學原理采用模糊評價方法對其安全性進行評價。

1 高速公路交通安全分析

高速公路交通事故頻繁發(fā)生,人們往往認為其只是因為某一特定因素,這看似符合表象,但實則不然,有研究表明交通事故的發(fā)生往往由駕駛人、車輛、道路、自然環(huán)境共同作用所導致。

人的生理因素:在駕駛人與汽車路面和環(huán)境所共同組成的復雜動態(tài)交通系統(tǒng)中,駕駛員本身是唯一一個具有完全自主駕駛意識的動態(tài)變量,駕駛員隨時可以根據(jù)外部環(huán)境情況做出自身相應的操作反應。駕駛員的違章駕駛、操作不當、疲勞駕駛、情緒失控都有可能導致慘痛的交通事故發(fā)生。

車的運動因素:在駕駛人與汽車路面和環(huán)境所共同組成的復雜動態(tài)交通系統(tǒng)中,車不僅是唯一一個可控的運動變量,它的實際行駛速度和狀態(tài)同樣可以被駕駛人的操作行為所改變。車輛超載或非法改裝或在高速公路中發(fā)生機械故障、爆胎等情況都會威脅到高速公路的行車安全。

路的設計因素:在駕駛人與汽車路面和環(huán)境所共同組成的復雜動態(tài)交通系統(tǒng)中,道路是客觀變量,它不受人的意識所改變。道路線形幾何設計參數(shù)設計值選定的合理性,平縱方向組合的線形協(xié)調性,路面的平整性都對道路行車安全性具有重要的影響作用。

交通環(huán)境因素:在駕駛人與汽車路面和環(huán)境所共同組成的復雜動態(tài)交通系統(tǒng)中,環(huán)境因素是不可人為控制的變量,它們的復雜多變難以精確控制。高速公路上與道路行車安全息息相關的環(huán)境影響因素主要認為有以下幾點:氣象條件、交通條件、道路景觀。

2 模糊綜合評價模型建立

模糊綜合評價法是利用數(shù)據(jù)隸屬度評價理論將一些模糊不清的評價信息進行相對科學地處理并進行量化的綜合評價,該處理方法可使評價結果清晰,由于包含多維評價信息故而綜合性強,適用于數(shù)據(jù)資料少量、邊界模糊不清的評價問題[6]。

道路安全評價指標的選取是進行綜合評價的基礎,因此,評價研究指標的正確選取還需要嚴格遵守幾個重要研究原則:綜合可比性研究原則、可操作性研究原則與綜合科學性研究原則[7]。由于高速公路中存在較多對于交通安全有影響的因素,為了解決單級評判結果說服力差的問題且計算不過于復雜,可以劃分兩個層次將各因素進行歸納并采用二級模糊綜合評判方法。

2.1 因素集的建立

基于大量工程實際數(shù)據(jù)對交通事故發(fā)生的原因進行統(tǒng)計分析,可將高速公路中影響交通安全的主要因素進行分類,形成因素集。按照模糊數(shù)學理論,設U={U1,U2,…,Um}為評價對象的評價指標。

本文確定的U={U1,U2,U3,U4}={人,車，路，環(huán)境},可以通過將評價指標進行分級來有效優(yōu)化權重的分配,即在第一級評價指標下設置下屬的二級評價指標,其中Ui={ui1,ui2,…,uin}。uij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為一級評價指標中第i類因素對應的下屬二級指標的第j個因素。

2.2 權重集及備擇集的建立

人們將各因素對于評價對象的重要程度的反映定義為權重。在一級評價指標中:設A={A1,A2,…,Am}為權重(權數(shù))分配模糊矢量,其中,第i類因素的權重用Ai來表示。在二級評價指標中:Ai=(ai1,ai2,…,ain)aij表示第i類因素中的第j個因素的權重,要求0

本文根據(jù)高速公路交通事故數(shù)據(jù),分析各因素導致事故發(fā)生的概率,得到評價指標中每一項因素權重,公式如下:

(1)

(2)

式中:Xi為第i類因素導致的交通事故數(shù);xij為第i類因素中的第j個因素導致的交通事故數(shù)。

備擇集(評價集)是指由評價對象被評價者所給予的評價結果組成的評語等級的集合,其一般表達式為V={v1,v2,…,vp}。式中，vk代表第k(k=1,2,…,p)個結果,p為評價結果總數(shù)。本文研究高速公路的交通安全性,取備擇集為:V={vk}={安全，為安全，一般安全，較不安全，不安全}。

2.3 構建多級模糊評價矩陣

一級模糊綜合評價是單一個因素評價階段,其中,uij表示第i類因素中的第j個因素,rijk是指將備擇集中第k個元素的隸屬度賦予被評價對象,因而一級模糊綜合評價矩陣可表示為:

(3)

Bi=Ai°Ri=(bi1,bi2,…,bip)

(4)

二級模糊綜合評價對全部因素進行綜合評價階段,其評價矩陣為:

(5)

B=A°R=(b1,b2,…,bp)

(6)

上文公式中“°”在模糊數(shù)學中用來表示模糊關系的組合運算,常用的4種合成算子分別為:

算子1:

算子2:

(8)

算子3:

(9)

算子4:

(10)

(注:上式中,k=1,2,…,p)

2.4 評價結果分析

B是各項評價指標的綜合評價值,對bk進行歸一化處理,根據(jù)最大隸屬原則,可以選擇bk中最大值所對應的評價等級作為最終評價結果。

歸一化公式及歸一化后評價矩陣如下:

(11)

(12)

3 工程實例

結合某高速公路段的交通事故數(shù)據(jù),作者認為每一起事故的出現(xiàn)不應僅僅考慮單因素的作用,而須結合多因素的綜合作用,依據(jù)多影響因素理論對事故產生的原因進行統(tǒng)計分析,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 交通事故數(shù)據(jù)及原因分析

3.1 評價指標體系的建立

根據(jù)原始事故數(shù)據(jù)結合上文所述駕駛人與汽車路面和環(huán)境對于高速公路交通安全的影響,建立評價指標體系,如圖1所示。

圖1 高速公路交通安全評價指標體系

3.2 權重的確定

由表1,結合公式(1)(2)確定每一評價因素權重:

A=[A1,A2,A3,A4]=[0.670,0.178,0.066,0.086]

A1=[a11,a12,a13,a14,a15]

=[0.015,0.122,0.140,0.248,0.475]

A2=[a21,a22,a23,a24]=[0.067,0.101,0.213,0.618]

A3=[a31,a32,a33,a34,a35,a35]

=[0.091,0.121,0.121,0.152,0.152,0.364]

A4=[a41,a42,a43]=[0.209,0.256,0.535]

3.3 評價矩陣構建與計算

由專家評判法確定各因素的隸屬度,通過對此高速公路上駕駛員的問卷調查,結合專家評委打分意見,綜合得出各個因素評分,見表2。

表2 評價指標評分

由表2結合公式(3)可得高速公路的交通安全評價矩陣為

通過采用公式(4)～(12)對比四種不同的算子進行多級模糊綜合評價,結果為見表3。

表3 安全評價結果分析

3.4 結果分析

由表3數(shù)據(jù)結合最大隸屬原則可知,算子1、2、4得到的模糊綜合評價結論均為不安全,與實際情況相符合,算子3無法得出準確結論。為了深入分析比較針對算子1、2、4的縱向差異性,通過建立修改安全評價指標權重和指標隸屬度數(shù)值大小,結果分析發(fā)現(xiàn),算子2、算子4的安全評價計算結果分別具有良好的趨同性,算子1計算結果不理想。對此分析原因如下:

算子1的運算原則是“先取小再取大”,這讓運算過程中舍棄了部分數(shù)據(jù),評價結果會受到權重大的一級指標影響[8]。這個缺點使得算子1在計算中無法體現(xiàn)評價的綜合性且使得評價結果合理性欠缺,因此,本文中的模糊評價模型并不推薦此種算子。

算子2的運算中會用每一個安全指標的隸屬度和權重相乘,使得原始數(shù)據(jù)得到了全面綜合地利用,強調了指標的權重值和隸屬度兩者對于模糊評價的共同作用,評價結果更為全面合理。

算子3在運算過程中采取了先取小后相加的方法,這讓安全指標的權重值與隸屬度對評價結果的作用被分離且削弱了最大安全指標的重要影響,使得評價結果不合理。

算子4采用加權的方法既突出了權重較大的安全指標對于評價結果的影響,又充分利用了原始數(shù)據(jù)克服了數(shù)據(jù)舍棄的問題,使得各安全指標都可以對評價結果產生影響。該方法綜合性最好,可以較為合理地反映道路安全情況。

綜上所述,本文高速公路安全性多級模糊綜合評價模型可采用模糊算子2、4進行模糊計算,通過實例驗證發(fā)現(xiàn)模型計算結果與實際相符。

4 結 論

本文通過分析駕駛人與汽車路面和環(huán)境對于高速公路交通安全的影響,基于模糊數(shù)學建立多級模糊綜合評價模型對其安全性進行評價分析,得到以下結論:

(1)高速公路交通安全的影響因素很多,難以精確衡量,采用多級模糊綜合評價法對其安全性進行評價能夠綜合各因素使得評價結果更為合理科學。

(2)通過對比分析不同算子選取對于模型評價結果的影響,作者認為本文中算子2、4對于原始數(shù)據(jù)利用較為全面,對各因素考慮全面且綜合性強,皆可應用于計算該評價模型。

(3)通過結合某高速公路交通事故調查資料,發(fā)現(xiàn)該評價模型應用于高速公路安全性評測所得到的結果與實際相符,具有良好的工程的實用性。