基于層次分析法的公路潛伏風(fēng)險評價方法研究

鮑彥蒞，熊堅，田競，戴一凡

(昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，昆明 650000; 清華大學(xué)蘇州汽車研究院 智能網(wǎng)聯(lián)汽車中心，蘇州 215000)

1 引言

近年來，我國加大了對公路和城市道路的投資和建設(shè)力度，公路建設(shè)里程不斷增加。根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截止2017年底，中國公路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到477.36萬公里，其中高速公路13.65萬公里。大量研究表明：在導(dǎo)致公路交通事故的諸多因素中，與道路交通環(huán)境相關(guān)的占23%以上，其中道路條件和交通環(huán)境成為誘發(fā)交通事故的重要因素。

目前，國內(nèi)外對于道路交通環(huán)境風(fēng)險方面的研究，主要集中在道路交通環(huán)境對交通安全的影響機(jī)理研究等[1]。孫文圃，許金良，劉文君[2]用系統(tǒng)工程、統(tǒng)計回歸的思想，結(jié)合事故資料分別建立高速公路的道路條件、交通條件、立交間距事故預(yù)測模型。郝慶宇，熊堅[3]等基于道路交通環(huán)境潛伏風(fēng)險理論分析，確定了道路交通環(huán)境潛伏風(fēng)險評價指標(biāo)和評價方法。

上述學(xué)術(shù)研究對于道路交通環(huán)境風(fēng)險研究沒有實現(xiàn)完善的定量化分析。本文以公路潛伏風(fēng)險因素為研究對象，建立公路潛伏風(fēng)險評價指標(biāo)，實現(xiàn)對公路交通環(huán)境潛伏風(fēng)險的定量評價。并將評價模型應(yīng)用于昆石高速，為公路潛伏風(fēng)險在途預(yù)警提供理論依據(jù)。

2 公路交通潛伏風(fēng)險因素分析

公路交通潛伏風(fēng)險是指在公路交通系統(tǒng)中，由道路條件或交通環(huán)境中存在的潛在不安全風(fēng)險元素所引發(fā)的風(fēng)險[4-5]。本文著重考慮描述公路安全的三個基本因素：風(fēng)險暴露程度、事故產(chǎn)生風(fēng)險、事故嚴(yán)重程度[6]，其定義如下：

公路交通潛伏風(fēng)險=風(fēng)險暴露程度×事故產(chǎn)生風(fēng)險×事故嚴(yán)重程度

風(fēng)險暴露程度=對道路潛在風(fēng)險的暴露情況進(jìn)行量化處理

事故產(chǎn)生風(fēng)險=對車輛產(chǎn)生碰撞的可能性進(jìn)行量化處理

事故嚴(yán)重程度=對潛在的事故后果進(jìn)行量化處理

3 潛伏風(fēng)險評價方法確定

3.1 風(fēng)險暴露程度評價方法

可采用交通量衡量風(fēng)險暴露程度，計算方法如用公式(1)[6]所示。公式中將風(fēng)險暴露程度劃分為0到5的等級，分?jǐn)?shù)越高表示風(fēng)險暴露程度的級別越高。

(1)

式中：Vmax為某條公路最大交通量；Vi為該公路特定地點的交通量。

3.2 事故產(chǎn)生風(fēng)險評價方法

3.2.1 層次分析法確定事故產(chǎn)生風(fēng)險評價方法

公路潛伏風(fēng)險中的事故產(chǎn)生風(fēng)險結(jié)合層次分析法，構(gòu)建事故產(chǎn)生風(fēng)險評價指標(biāo)體系。將事故產(chǎn)生風(fēng)險進(jìn)行0到5分等級評價，分?jǐn)?shù)越高表示風(fēng)險等級越高，定義事故產(chǎn)生風(fēng)險。層次關(guān)系如表1所示。

表1 事故產(chǎn)生風(fēng)險因素

由表1可知，評價目標(biāo)為事故產(chǎn)生風(fēng)險等級HRi；評價準(zhǔn)則層為道路條件風(fēng)險R，路邊環(huán)境風(fēng)險E，交通設(shè)施風(fēng)險F，氣候條件風(fēng)險C；評價指標(biāo)層為：各類宏觀因素風(fēng)險包含的信息(ri,ei,fi,ci)。

通過專家問卷打分的方式確定兩兩評價指標(biāo)的相對重要性，并結(jié)合1-9比例標(biāo)度法對因素進(jìn)行標(biāo)度賦值。本次專家問卷打分邀請了10位交通運(yùn)輸、交通安全領(lǐng)域的專家以及10位智能汽車領(lǐng)域的專家，對準(zhǔn)則層中各元素兩兩比較，對重要性標(biāo)度賦值。利用特征根法判斷矩陣中各元素的相對權(quán)重，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗。檢驗結(jié)果如表2所示：

表2 一致性檢驗結(jié)果

由表2可見，判斷矩陣一致性均通過檢驗，符合要求。

3.2.2 建立事故產(chǎn)生風(fēng)險綜合評價模型

通過專家咨詢構(gòu)造判斷矩陣后求出的權(quán)重系數(shù)，建立公路事故產(chǎn)生風(fēng)險模型如公式(2)所示：

HRi=W1×R+W2×E+W3×F+W4×C

(2)

式中：HRi為路段單元駕駛事故產(chǎn)生風(fēng)險等級；R為道路條件風(fēng)險等級，R?(r0,r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9,r10)；E為路邊環(huán)境風(fēng)險等級，E?(e0,e1,e2,e3,e4)；F為交通設(shè)施風(fēng)險等級，F(xiàn)?(f0,f1,f2,f3,f4)；C為氣候條件風(fēng)險等級，C?(c0,c1,c2,c3)；Wj(j=1,2,3,4)為各類風(fēng)險的權(quán)重。通過專家問卷求得的準(zhǔn)則層因素的權(quán)重如表3所示：

表3 準(zhǔn)則層因素權(quán)重

道路條件、交通設(shè)施、路邊環(huán)境及氣候條件指標(biāo)層因素的權(quán)重如表4所示：

表4 指標(biāo)層因素權(quán)重

R，E，F(xiàn)，C的風(fēng)險等級根據(jù)各類風(fēng)險信息的權(quán)重來確定，其中：權(quán)重最大的因素為5級風(fēng)險；權(quán)重最小的因素為1級風(fēng)險；中間因素權(quán)重按插值確定。若不存在上述信息，該類潛伏風(fēng)險值為0。各因素風(fēng)險等級的含義：0級為無潛伏風(fēng)險因素；1級為潛伏風(fēng)險很小，S=1；5級為潛伏風(fēng)險很大，S=5；中間值介于兩者之間。根據(jù)以上定義，設(shè)S為某一類因素的風(fēng)險級別，P為該類風(fēng)險因素權(quán)重，Pmax為該類風(fēng)險因素最大權(quán)重，Pmin為該類風(fēng)險信息最小權(quán)重，則有公式(3)、(4)如下所示：

(3)

(4)

事故產(chǎn)生風(fēng)險等級值S是介于0和5之間的一個值。設(shè)Sij(j=1,2,3,4)分別為單元i路段的道路條件、路邊環(huán)境、交通設(shè)施、氣候條件四類風(fēng)險因素中的某一風(fēng)險因素等級，因此事故產(chǎn)生風(fēng)險公式如公式(5)所示：

(5)

式中：單元i的事故產(chǎn)生風(fēng)險等級HRi為(0,5)之間的一個值。

3.3 事故嚴(yán)重程度評價方法

可以用某條公路的最大限制車速來定量計算事故嚴(yán)重程度[6]，用公式(6)來計算交通事故后果。交通事故后果等級分為0到5，將事故后果定義為Ci：

(6)

式中：PSi為某條公路具體地點的限制車速；PSmax為某條公路最大限制車速。

4 公路潛伏風(fēng)險等級

針對區(qū)域風(fēng)險或某條公路風(fēng)險，其潛伏風(fēng)險等級可以代入RSRIspecific計算，如下公式(7)[11]所示：

RSRIspecific=Ei×HRi×Ci

(7)

式中：Ei為風(fēng)險暴露程度的風(fēng)險評價分?jǐn)?shù)；HRi為事故產(chǎn)生風(fēng)險的風(fēng)險評價分?jǐn)?shù)；Ci為事故嚴(yán)重程度的風(fēng)險評價分?jǐn)?shù)。

5 風(fēng)險評價模型的應(yīng)用

5.1 評價路段的選取

評價路段選取昆明至石林高速公路(以下簡稱：昆石高速)，該公路全長78.08 km。路線起于昆明市東郊石虎關(guān)，止于石林縣石林風(fēng)景區(qū)。自通車以來，昆石高速由于受地形條件、自然環(huán)境等多方面的影響因素，交通事故頻發(fā)。昆石高速的特點是道路線形變化多樣，既有符合實驗要求的道路線形，又有實驗需要的道路環(huán)境。此外，昆石高速交通安全亟需提升，選取該路線作為實驗線路意義重大。

5.2 收集數(shù)據(jù)并對評價路段進(jìn)行風(fēng)險評價

對評價路段實地調(diào)研、收集數(shù)據(jù)，將昆石高速每5 km一段進(jìn)行劃分，總共劃分為16個單元。計算每個單元的事故暴露程度、事故產(chǎn)生風(fēng)險及事故嚴(yán)重程度，進(jìn)行潛伏風(fēng)險評價，同時對每個單元的事故數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，分析風(fēng)險評價結(jié)果及事故數(shù)兩組數(shù)據(jù)的關(guān)系，計算兩組數(shù)據(jù)斯皮爾曼相關(guān)性，若相關(guān)性結(jié)果接近1，說明風(fēng)險評價結(jié)果與事故數(shù)正相關(guān)，則評價模型越合理可用。

5.2.1 評價路段風(fēng)險暴露程度

風(fēng)險暴露程度與某單元的交通流及該路段最大單元交通流相關(guān)。調(diào)查得知，昆石高速年平均日交通流量為76698pcu/d，由于該路線長度僅有78.08 km，途中經(jīng)過七個縣級地區(qū)，每個單元的流量相近，代入風(fēng)險暴露程度計算后得到的結(jié)果相差甚小，為此本實驗中定義每個單元風(fēng)險暴露程度一致。

5.2.2 評價路段事故產(chǎn)生風(fēng)險

事故產(chǎn)生風(fēng)險與道路中存在的潛伏風(fēng)險因素相關(guān)，分析道路現(xiàn)狀，結(jié)合路段平縱線形，能夠獲取風(fēng)險因素，將每一單元的風(fēng)險因素帶入公式(5)，計算得到最大等級為5，最小級別為1的事故產(chǎn)生風(fēng)險。其評價結(jié)果如圖1所示：

圖1 昆石高速事故產(chǎn)生風(fēng)險

由圖1可見，事故產(chǎn)生風(fēng)險較高的單元分別為：K0-K5，K5-K10，K45-K50三個單元，其事故產(chǎn)生風(fēng)險等級分別達(dá)到了4.07，5.00和4.16。其中，K0-K5、K5-K10及K45-K50兩個單元均屬于此類道路環(huán)境復(fù)雜多樣的路段，其事故產(chǎn)生風(fēng)險等級較高。

5.2.3 評價路段事故嚴(yán)重程度

事故嚴(yán)重程度與某單元限制車速及該路段最大限制車速相關(guān)，獲取每個單元的限制車速以及昆石高速的最大限制車速，帶入公式(6)，計算得到事故嚴(yán)重程度，事故嚴(yán)重程度最大為5，最小為3.75，結(jié)果如圖2所示：

圖2 事故嚴(yán)重程度

由圖可見K5-K25，K30-K35，K50-K80路段限制車速均為120 km/h，由于車速越高，駕駛者越難應(yīng)對突發(fā)狀況，其發(fā)生事故的嚴(yán)重程度越嚴(yán)重，因此這些路段的事故嚴(yán)重程度計算結(jié)果均為5；而K35-K55路段其限制車速為90 km/h，是整個評價路段中限制車速最小的路段，因此這部分的事故嚴(yán)重程度較小，等級為3.75；其他路段限速為100km/h，計算所得事故嚴(yán)重程度為4.17。

5.2.4 評價路段潛伏風(fēng)險評價

公路潛伏風(fēng)險由事故暴露程度、事故產(chǎn)生風(fēng)險以及事故嚴(yán)重程度相乘所得，可以用公式(7)來進(jìn)行計算，計算所得的公路潛伏風(fēng)險是一個0-125的數(shù)值。為了使得風(fēng)險數(shù)據(jù)更加直觀易接受，此處將公路潛伏風(fēng)險歸一化處理，轉(zhuǎn)化為0～100的數(shù)值，如公式(8)所示,計算結(jié)果如圖3所示：

(8)

圖3 公路潛伏風(fēng)險等級

由圖3可見，公路起點的公路潛伏風(fēng)險值偏高，其中K0-K5、K5-K10、K10-K15公路潛伏風(fēng)險值分別為67.86、100.00、66.27。隨之風(fēng)險值逐漸降低，在K20-K25處達(dá)到最低，風(fēng)險值為17.18。

5.3 風(fēng)險評價與事故統(tǒng)計對比

為了驗證公路潛伏風(fēng)險等級評價的合理性，將評價路段風(fēng)險等級與該路段5年事故數(shù)進(jìn)行對比分析?？紤]到該路段暴露風(fēng)險相同，忽略事故嚴(yán)重程度(沒有對比數(shù)據(jù))，將公式(5)計算的事故產(chǎn)生風(fēng)險等級與該路段2007～2011年共5年的統(tǒng)計事故進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖4所示：

圖4 事故產(chǎn)生風(fēng)險與事故數(shù)對比折線圖

由圖4可知，KO-K5，K5-K10，K45-K50三個單元其事故數(shù)均大于90，公路潛伏風(fēng)險等級均大于4級，評價結(jié)果與真實事故情況基本一致。K20-K25，K40-K45，K55-K50，K75-K80四個單元事故數(shù)均小于50，其公路潛伏風(fēng)險等級均小于2級，評價結(jié)果與真是事故情況相接近。而K35-K40，K50-K55，K70-K75三個單元的事故數(shù)與公路潛伏風(fēng)險評價結(jié)果相差較大。其中K35-K40的事故數(shù)為81，而公路潛伏風(fēng)險等級只有1.72；K50-K55的事故數(shù)為73，公路潛伏等級只有1.49；K70-K75的事故數(shù)為35，但公路潛伏風(fēng)險等級卻達(dá)到了3.76。其他單元評價結(jié)果與真實事故數(shù)據(jù)雖有差別，但差別不大且趨勢相近，評價結(jié)果比較合理。

6 討論

將昆石高速事故數(shù)進(jìn)行歸一化處理，使成為0～5之間的一個值，得到風(fēng)險預(yù)測值。對比風(fēng)險預(yù)測值與風(fēng)險評價等級之間的差別，計算兩者之間的差值，差值越小說明評價結(jié)果與事故數(shù)越接近，其中風(fēng)險預(yù)測值計算如公式(9)所示：

(9)

計算結(jié)果如表5所示：

表5 風(fēng)險預(yù)測值與事故產(chǎn)生風(fēng)險等級差值對比

由表5可見，K35-K40，K50-K55，K70-K75三個評價結(jié)果與事故數(shù)相差較大的單元中，K35-K40，K50-K55兩個單元的均屬于潛伏評價結(jié)果偏小而真實事故數(shù)偏高的情況，而K70-K75單元潛伏風(fēng)險評價結(jié)果遠(yuǎn)大于真實事故數(shù)據(jù)。

據(jù)分析，K35-K40單元整段道路5km，其中陽宗隧道位于K37+475至K40+440，全長2.7 km。對陽宗隧道進(jìn)行調(diào)研及現(xiàn)場踏勘分析，該隧道是事故頻發(fā)點，行車視線不佳，導(dǎo)致此路段事故率較高。潛伏風(fēng)險評價模型中，雖考慮隧道對道路安全的影響，但沒有對隧道長度、隧道內(nèi)光線加以細(xì)分評價，因此此處評價與事故數(shù)據(jù)有偏差。

K50-K55單元屬于連續(xù)長下坡路段K48-K55的終點處，且存在不少坡度大于3%的縱坡。本文從宏觀層面計算了縱坡對車輛的影響，但未細(xì)分至連續(xù)長下坡對道路安全的影響權(quán)重，因此評價分?jǐn)?shù)相對于事故數(shù)較低。

K70-K75單元，處于2車道路段，相對于道路之前3車道路段，風(fēng)險相應(yīng)降低。同時，該路段道路防御設(shè)施完備，降低了道路存在的風(fēng)險。由于公路潛伏風(fēng)險評價模型中沒有考慮不同車道數(shù)、道路寬度以及標(biāo)志標(biāo)牌對道路潛伏風(fēng)險的影響，因此該單元潛伏風(fēng)險評價等級比實際事故數(shù)偏高。

本文采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)來檢驗事故數(shù)與風(fēng)險等級兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性。該方法采用單調(diào)方程來評價相關(guān)性，如公式(10)所示：

(10)

式中ρ是衡量事故數(shù)與風(fēng)險等級兩個變量相關(guān)性的非參數(shù)指標(biāo)，當(dāng)兩個變量完全單調(diào)相關(guān)時，ρ=±1。此處計算得到相關(guān)性達(dá)到ρ=0.6418。由此可見該評價模型可以用于評價公路潛伏風(fēng)險，能夠反映道路的安全性。

7 結(jié)論

(1)本文將公路及環(huán)境中存在的潛伏風(fēng)險因素進(jìn)行了量化，建立了公路風(fēng)險評價等級模型；對風(fēng)險評價模型與實際事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比分析表明，該模型與事故發(fā)生率基本一致。

(2)該模型對路段單元風(fēng)險具有較強(qiáng)針對性，可用于一條道路的風(fēng)險定量評價；該模型可用于在建公路的風(fēng)險預(yù)評估，也可用于現(xiàn)有道路的風(fēng)險評估。

(3)若進(jìn)一步細(xì)化路段風(fēng)險因素，如隧道長度、連續(xù)長下坡、道路線形組合，公路標(biāo)志標(biāo)線等因素，在今后大數(shù)據(jù)背景下，可對對模型進(jìn)行修正，以得到更加準(zhǔn)確的風(fēng)險評價模型，增加模型應(yīng)用的有效性。