基于未確知測度理論的高速公路交通安全評價

賀玉龍，陳兵碩，高鵬旺，劉 磊，遲佳欣

(北京工業(yè)大學(xué) 城市交通學(xué)院，北京 100124)

0 引 言

高速公路給出行帶來巨大便利。交通運(yùn)輸部2019年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報顯示，目前我國高速公路里程已達(dá)到14.96萬公里，居世界第一。然而由于行車速度快、交通量大，高速公路每百公里事故率、死亡率、受傷率都是普通公路的3倍以上[1]。高速公路上事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了通行效率和人民生命財產(chǎn)安全。為了解高速公路上行車風(fēng)險程度，提出針對性的處置管理措施，有必要進(jìn)行高速公路交通安全評價研究。交通安全是人車路環(huán)境大系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，車輛在高速公路上的運(yùn)行受到多種復(fù)雜因素相互干擾影響，選用科學(xué)有效的方法對這些因素進(jìn)行分析挖掘是高速公路交通安全評價的關(guān)鍵一環(huán)。

在交通安全評價中，常用方法有模糊綜合評判法、層次分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。然而模糊綜合評判法難以客觀確定隸屬度函數(shù)，計算過程復(fù)雜分辨率差。層次分析法多依靠專家主觀經(jīng)驗，指標(biāo)過多時數(shù)據(jù)分析量大，權(quán)重難以確定。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需要選取典型樣本組成訓(xùn)練集，且算法收斂速度慢、結(jié)構(gòu)選擇不一，均會對評價結(jié)果帶來影響。未確知測度理論能夠較好地解決不確定性、復(fù)雜影響因素的問題。該模型既可以吸取專家測評經(jīng)驗，又可以充分利用客觀指標(biāo)屬性狀態(tài)，獲得指標(biāo)未確知測度，對主客觀指標(biāo)進(jìn)行評判分析，從而有效處理不確定信息，結(jié)果可靠性強(qiáng)。未確知測度理論可對交通安全影響因素進(jìn)行定量分析，是一種較為科學(xué)和可靠的方法?；诖斯P者從天氣、線形、路面、交通狀況4個方面選取指標(biāo)，將未確知測度理論應(yīng)用于高速公路路段的交通安全評價研究中，為高速公路行車風(fēng)險判別以及事故預(yù)防工作提供參考。

國外發(fā)達(dá)國家對道路交通安全評價研究較早，提出的理論方法相對來說比較成熟。D.LORD等[2]將車輛運(yùn)行速度、V/C、交通密度、服務(wù)水平等參數(shù)與事故數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)二項回歸擬合分析，實驗結(jié)果顯示，V/C比交通流量能夠更為準(zhǔn)確地描述道路交通安全狀態(tài)；J.AMBORS等[3]通過大量道路監(jiān)控數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，曲率變化量、路段長度、交通量是交通安全風(fēng)險評估和預(yù)判的重要參數(shù)；T.USMAN等[4]通過對加拿大高速公路調(diào)研，提出月份、空氣溫度、降水強(qiáng)度、能見度、路面情況等因素會顯著地影響到車輛的運(yùn)行安全；SHEN Yongjun等[5]在對交通事故數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多年統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，提出交通事故不僅僅是單種影響因素引發(fā)。因此在事故風(fēng)險評價中應(yīng)盡可能多的選取有效影響因素，并提出了DEA-RS模型。

國內(nèi)對道路安全評價起步較晚，但近年來相關(guān)研究逐漸增多，方法逐漸豐富。郝宇聰[6]提出道路事故是在某種背景下，由于人-車-路-環(huán)境四方面因素失衡引發(fā)的；趙新勇[7]使用大數(shù)據(jù)挖掘方法，分析了速度、坡度、道路摩阻系數(shù)、駕駛員特性等因素對交通安全的影響作用；楊帆[8]分析了高速公路縱斷面線形指標(biāo)、線形組合與交通事故數(shù)變化的規(guī)律，并建立了線形條件與事故率的關(guān)系模型；尚鵬[9]對惡劣天氣下高速公路上的車況、運(yùn)行環(huán)境等信息進(jìn)行了影響分析，辨識出了風(fēng)險因素并進(jìn)行量化評價，用風(fēng)險值表示對行車安全的危害程度。

雖然專家學(xué)者們對交通安全問題進(jìn)行了研究，但是多是將歷史事故數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析或者是選用某一個或幾個影響因素與事故數(shù)擬合，側(cè)重于事故后評價，對于事故前對道路交通安全的綜合評價較少，尤其是未能將交通安全的客觀影響因素進(jìn)行整合后的評價。因此，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，從天氣、線形、路面、交通狀況4個方面選取指標(biāo)對高速公路交通狀況進(jìn)行安全評價，希望為高速公路的行車風(fēng)險判別及事故預(yù)防工作提供參考。

1 未確知測度理論

設(shè)待評價對象集合X={X1,X2,…,Xn}，其中，第i個評價對象為Xi。設(shè)待評價指標(biāo)集合I={I1,I2,…,Im}，其中，第j個評價指標(biāo)為Ij。Xij表示第i個評價對象的第j個評價指標(biāo)值。設(shè)待評價等級集合U={U1,U2,…,Up}，其中，第k個評價等級為Uk。當(dāng)?shù)趉個評價比第k+1個評價優(yōu),記為Uk>Uk+1。當(dāng)U1>U2>…>Up時，認(rèn)為{U1,U2,…Up}是待評價等級集合U上的有序分割類[10]。

1.1 單指標(biāo)未確知測度

uijk=u(xij∈Uk)表示調(diào)查值xij對第k級評價等級的歸屬程度。u應(yīng)分別滿足非負(fù)有界性要求、歸一性要求和可加性要求，即:

0≤u(xij∈Uk)≤1

(1)

u(xij∈U)=1

(2)

(3)

當(dāng)u不能滿足(2)式與(3)式時,則認(rèn)為u值理論上不可信。

各指標(biāo)對評價等級的隸屬度構(gòu)成的矩陣稱為單指標(biāo)未確知測度矩陣(uijk)m×p,如式(4)：

(4)

1.2 確定各指標(biāo)權(quán)重

計算指標(biāo)權(quán)重時通常選用專家評估法、層次分析法，德菲爾法等。這些方法雖然可行，但主觀性較強(qiáng)。為消除由于個人的偏好帶來的偏差，在確定權(quán)重時選用信息熵法。

重要度yij值大小表示指標(biāo)Ij對識別Xi評價等級的重要程度。兩者計算方法如式(5)、(6)：

(5)

(6)

獲得向量Wi={wi1,wi2,…,wim}為對象Xi的指標(biāo)權(quán)重向量。

1.3 多指標(biāo)綜合測度評價向量

設(shè)：

(7)

1.4 置信度識別準(zhǔn)則

按置信度識別準(zhǔn)則確定評價等級。對于評價空間U的有序分割，按多指標(biāo)綜合測度評價向量的極大值、極小值進(jìn)行判別都是不科學(xué)的。設(shè)置信度λ一般取值：0.5≤λ≤1。對有序分割U={U1,U2,…Up}，當(dāng)U1>U2>…>Up時，若k0滿足：

(8)

則認(rèn)為對象Xi屬于第k0個評價等級Uk0。

2 高速公路交通安全評價指標(biāo)體系

科學(xué)的評價指標(biāo)體系是有效評價的重要基礎(chǔ)。結(jié)合已有研究，對湖南省近年高速公路事故信息進(jìn)行分析研究，根據(jù)評價指標(biāo)體系構(gòu)建的可行性、獨(dú)立性、科學(xué)性等原則，最終選取天氣、線形、路面、交通條件四個方面影響因素。

高速公路上的行車對天氣條件極為敏感。惡劣天氣直接影響了車輛行駛環(huán)境，使得車輛通行受到限制。低能見度下駕駛員難以準(zhǔn)確辨認(rèn)道路上其他車輛以及各類標(biāo)志標(biāo)牌信息，不利于行車安全。降雨、降雪等天氣使得高速公路路面淋濕打滑，車輛剎車制動距離增大，容易側(cè)滑、甩尾、跑偏，出行帶來安全隱患。

道路線形指標(biāo)包括道路的平縱線形組合、坡長、坡度以及轉(zhuǎn)角等。長大坡度路段往往成為高速公路的瓶頸路段[11]。對于較大坡度的路段，交通事故數(shù)也較大，當(dāng)平曲線與大縱坡重合，道路通事故率增大[12]。

高速公路路面運(yùn)營過程中會發(fā)生老化，致使其性能下降[13]，影響著行車安全。汽車行駛在結(jié)冰或濕潤的路面上時，操縱穩(wěn)定性和制動性都會受到不同程度的影響，即使駕駛員以低速行駛也極易出現(xiàn)交通事故。

交通流狀態(tài)對事故的發(fā)生及嚴(yán)重程度都會產(chǎn)生影響。V/C指路段實際交通流量與飽和通行能力的比值，反應(yīng)了道路交通的飽和度。V/C的取值與交通事故有密切關(guān)系。一定條件下，當(dāng)V/C較大時，發(fā)生事故的概率也較大[14]。

指標(biāo)選取的質(zhì)量直接影響到評價結(jié)果的有效性。結(jié)合已有信息，從天氣條件、線形條件、路面條件、交通條件4方面影響因素選取7項評價指標(biāo),分別為降雨量X1、降雪量X2、能見度X3、道路平均轉(zhuǎn)角X4、平均坡度X5、路面附著系數(shù)X6、V/CX7構(gòu)建高速公路交通安全評價指標(biāo)體系。將在高速公路上的行車風(fēng)險水平分四個等級即低風(fēng)險、一般風(fēng)險、較高風(fēng)險、高風(fēng)險，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級來表示，其危險程度依次升高。低風(fēng)險說明道路交通條件好，事故數(shù)少且為簡易事故；一般風(fēng)險是指道路條件良好，事故相對較多；較高風(fēng)險表明道路交通環(huán)境復(fù)雜，極易出現(xiàn)事故；高風(fēng)險是指由人車路環(huán)境管理等原因?qū)е率鹿矢甙l(fā)易發(fā)。較高風(fēng)險路段和高風(fēng)險路段是后續(xù)重點(diǎn)分析和治理的對象。

影響程度分級標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 高速公路交通安全評價指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)

3 實例應(yīng)用

應(yīng)用湖南省某高速公路路段的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行交通安全評價研究。調(diào)查測量冬季該路段各指標(biāo)量：降雨量為4 mm，降雪量為2.60 mm，能見度為330 m，平均轉(zhuǎn)角為56°/km，道路附著系數(shù)為0.25，V/C為0.26。

3.1 構(gòu)建單指標(biāo)測度函數(shù)

根據(jù)單指標(biāo)測度函數(shù)的定義，分別將Ⅰ級指標(biāo)區(qū)間最大值、Ⅱ、Ⅲ級指標(biāo)區(qū)間平均值、Ⅳ級指標(biāo)區(qū)間最小值為分級標(biāo)準(zhǔn)，建立降雨量、降雪量、能見度、平均轉(zhuǎn)角、平均坡度、路面附著系數(shù)、V/C的單指標(biāo)測度函數(shù)見圖1。

圖1 單指標(biāo)未確知測度函數(shù)

3.2 建立單指標(biāo)測度矩陣

統(tǒng)計各影響因素的數(shù)據(jù)信息,代入單指標(biāo)測度函數(shù)，獲得該路段交通安全單指標(biāo)測度矩陣如下：

3.3 計算指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)式(5)、(6)確定出各評價的指標(biāo)權(quán)重如表2，表中y表示重要度，w表示權(quán)重。

表2 某高速公路交通安全評價指標(biāo)值

即指標(biāo)權(quán)重向量為：

W=(0.1780,0.1161,0.1503,0.1256,0.1780,0.1200,0.1322)

3.4 多指標(biāo)綜合測度評價向量

由式(7)求得多指標(biāo)綜合測度評價向量為:

uk=(0.2044,0.4039,0.3521,0.0396)

3.5 置信度識別

取置信度λ=0.6，依照置信度評價準(zhǔn)則，多指標(biāo)綜合測度評價值由小到大計算，k0=0.204 4+0.403 9=0.608 3>0.6。將多指標(biāo)綜合測度評價值由大到小計算，k1=039 6+0.352 1+0.403 9=0.795 6>0.6。前后判別結(jié)果一致，因此判斷該高速公路路段行車交通安全等級為Ⅱ級，即一般風(fēng)險。

3.6 評價結(jié)果分析

通過未確知測度理論方法，判定此條件下該高速公路的風(fēng)險等級為一般。盡管危險性程度不高，但仍不能放松大意，在高速公路運(yùn)營中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和防范，爭取將交通事故發(fā)生的可能性及事故嚴(yán)重程度降至最低。

應(yīng)用模糊綜合評判法對該高速公路路段交通安全情況進(jìn)行判別檢驗。共邀請到12位交通專家對各項指標(biāo)進(jìn)行評分，得到評價指標(biāo)權(quán)重矩陣表見表3。

表3 某高速公路交通安全評價指標(biāo)權(quán)重表

由隸屬度計算方法，將單指標(biāo)測度矩陣(uik)7×4作為隸屬度模糊矩陣。按照模糊綜合評價法，計算得出評價結(jié)果向量uk=(0.136,0.393,0.375,0.096)。利用最大隸屬度原則,判屬同為Ⅱ級風(fēng)險，驗證了未確知測度理論方法評價結(jié)果的有效性。但未確知測度理論方法的評價比模糊綜合評判法更科學(xué)。因為在模糊綜合評判法的評價結(jié)果向量中，判屬為Ⅱ級(0.393)和Ⅲ級(0.375)相差較小，只強(qiáng)調(diào)極值而忽視了值貢獻(xiàn)的做法不夠科學(xué)。引入置信度識別準(zhǔn)則，取置信度λ=0.5, 從大到小和從小到大的評價結(jié)果均為Ⅱ級。此外，關(guān)于權(quán)重的計算，未確知測度理論方法中不是簡單計算了指標(biāo)權(quán)重的絕對數(shù)值,而是針對已建立的評價模型確定了權(quán)重。由此得出，在高速公路的交通安全評價研究中應(yīng)用未確知測度理論方法是可行的。

4 結(jié) 語

1)筆者考慮了天氣條件、線形條件、路面條件、交通條件四方面，詳細(xì)劃分降雨量、降雪量、能見度、道路平均轉(zhuǎn)角、平均坡度、路面附著系數(shù)、V/C共七個評價指標(biāo)，大致反映了高速公路上車輛運(yùn)行安全水平的綜合狀況。

2)采用信息熵法計算各指標(biāo)權(quán)重,提高了客觀性。按照置信度識別準(zhǔn)則判定高速公路危險程度等級，在一定程度上降低了評價向量中極值對評價結(jié)果的影響。結(jié)合湖南省高速公路的調(diào)查統(tǒng)計信息進(jìn)行評價，結(jié)果顯示此方法可靠，應(yīng)用性強(qiáng)。

3)采用未確知測度理論能夠準(zhǔn)確評價高速公路路段的危險程度。高速公路管理部門可由此掌握危險地段，實施改善和防范策略，科學(xué)管理高速公路，有效降低事故率。

4)高速公路行車影響因素多且復(fù)雜，如駕駛員特性、道路線形、交通安全設(shè)施、路面狀況、車型分布、交通量、運(yùn)行速度、天氣狀況等。筆者只選取了一部分因素，未來研究有待深入分析，以加強(qiáng)評價結(jié)果的可信度和適用性。