風雨耦合作用下的城市道路行車風險評估

張可欣，岳小泉，孫曉楠，方敬升，黃海南，游宇光

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

風、雨等惡劣氣候往往會降低路面的附著系數(shù)、降低駕駛員的反應速度、縮小其視線范圍，從而威脅道路使用者的行車安全[1]。當前國內外針對風雨耦合作用下的城市道路交通安全風險評估開展了相關的研究，陸鍵[2]概括了有關城市交通安全風險管理的基本模型，從識別、評估、管理3個方面闡明了風險管理的概念；金元旭等[3]基于EDCIS系統(tǒng)研究固定目標和移動目標在海上產生的風險問題，開發(fā)了船舶操縱的風險實時判斷系統(tǒng)；馮培[4]采用topsis逼近理想解排序法進行風險因素識別，篩選關鍵因素，采用模糊綜合分析法進行行車安全風險評估；Zheng Xunjia等[5]以HMM模型為基礎，預測道路交通風險并將其量化，以實時變化的風險圖直觀的表現(xiàn)出來；魏科[6]以風險相關理論為基礎，分析建立了一個城市道路的行車安全風險的監(jiān)察測定指標體系；邱磊等[7]以影響系數(shù)為基礎，確定評價指標的權重并對其聚合，建立在不同狀態(tài)情況下的高速公路行車安全風險評估模型；王強[8]針對目前交通運輸系統(tǒng)風險管理存在的問題進行分析并探討相應的解決措施；吳兵等[9]提出了惡劣天氣條件下高速公路安全風險建議車速的確定方法；劉福澤等[10]通過分析北京市軌道交通中的風險源可能引發(fā)的風險事件，證明在各種類型的風險事件中，發(fā)生行車事故的可能性最大。

上述針對城市道路風險評估的研究中，以風雨為條件的安全評估一般只側重其中一方面，對于在風雨耦合作用下的城市道路行車風險沒有相對完善的評估體系。本研究在各種風險評估中對已識別的影響因素進行分類，并建立彼此之間直接影響的矩陣，計算各因素的影響程度和中心度，結合模糊綜合評價原理和層次分析法建立評價體系，確定風雨天氣的安全風險評估等級，結合當?shù)貙＜艺{查法進行了風雨天氣下的風險評估，并提出相關的交通管理和控制措施，為受風雨天氣影響較大的沿海城市提供更多的管理交通的理論支持。

1 建立行車風險評估體系

1.1 確定風險評估指標集

在風險評估的過程中，需要從整體的角度全面系統(tǒng)地考慮風險影響因素，針對特定的風險主體或事件展開，保證風險評估的可實施性[11]。本課題基于綜合、科學、對照的準則，主要研究影響風雨耦合作用行車安全的要素，考慮風和雨可能對交通造成的影響，從道路條件、天氣條件、設施條件中選擇如圖1所示的18個影響道路行車安全的關鍵因素。

圖1 風雨耦合作用下行車風險影響因素Fig.1 Influence factors under the coupling effect of wind and rain on traffic risks

為了解影響因素之間的邏輯關系，選取現(xiàn)有專家的知識和經(jīng)驗定量分析因素之間的關系，建立風雨耦合作用下城市道路安全行車風險因素之間的關系有向圖，如圖2所示。

圖2 安全行車風險因素之間的關系有向圖Fig.2 Directed graph of the relationship between the risk factors for safe driving

根據(jù)圖2，建立直接影響矩陣S=(aij)。

標準化直接影響矩陣

(1)

綜合影響矩陣

T=S’*(1-S’)-1=(tij)

(2)

(3)

(4)

中心度=第i行影響度+第j列被影響度(i=j)

(5)

通過式(1)至(5)的計算分析，確定1為系統(tǒng)閾值，將中心度大于1的指標取出，得出三層次結構的評估指標體系并構建多層次評估風險集，如圖3所示。

圖3 風雨耦合作用下城市道路安全行車風險評估指標集Fig.3 Risk assessment index set of urban road safety driving under the coupling effect of wind and rain

2 工程實例分析

2.1 確定權重集

風險評價的方法有兩種，一是在現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)事故的特點和發(fā)生規(guī)律對駕駛風險進行評價；二是分析交通安全風險的主要影響因素，提取安全評價標準并構建駕駛風險評價的數(shù)學模型，包含層次分析法、熵權物元模型等[10]。運用層次分析法合理利用專家調查法，參考判斷矩陣的標度定義，如表1所示，以此來獲取判斷矩陣。

表1 判斷矩陣標度定義Tab.1 Definition of judgment matrix scale

在獲得判斷矩陣之后，利用幾何平均法來獲得各個影響因素的權重系數(shù)，并通過一致性檢驗判斷矩陣的一致性。

權重系數(shù)：

(6)

CI為一致性指標：

(7)

CR為一致性比例：

(8)

其中，(8)式中RI的取值如表2所示，

表2 平均隨機一致性指標Tab.2 Average random consistency index

當CR﹤0.1時，通常認為判斷矩陣的一致性是可以接受的。

根據(jù)表1列出各層因素判斷矩陣，并檢驗判斷矩陣的一致性。

根據(jù)式(6)得出各判斷矩陣各指標的權重系數(shù)，如表3所示。判斷矩陣均經(jīng)過式(7)和(8)的一致性檢驗計算，各判斷矩陣的一致性均可以接受。

表3 各指標的權重系數(shù)Tab.3 Weight coefficient of each index

2.2 建立評估矩陣

參考趙麗蘋[12]、王豐元[13]等文章中的評估標準確定評估標準的取值，得出風險評估各個指標的評判標準，如表4所示。

表4 風險評估各指標的評判標準Tab.4 Evaluation criteria of risk assessment indicators

為便于統(tǒng)計，將打分的分值范圍鎖定為0～80分[11]，通過運用專家調查法，咨詢相關方向的研究人員確定福建省福州市閩侯縣城市道路資料評價表，如表5-表7所示。遵循相關道路安全評價指標，采用模糊綜合分析法確定當?shù)爻鞘械缆沸熊嚢踩L險評估。

表5 閩侯縣城市道路U1道路條件資料綜合評價表Tab.5 Comprehensive evaluation table for U1 road condition data of urban roads in Minhou County

表6 閩侯縣城市道路U2天氣條件資料綜合評價表Tab.6 Comprehensive evaluation table for U2 weather condition data of urban roads in Minhou County

表7 閩侯縣城市道路U3設施條件資料綜合評價表Tab.7 Comprehensive evaluation table for U3 facility condition data of urban roads in Minhou County

把因素中同等級權重相加，獲得評判集矩陣R：

2.3 多層次模糊綜合評估

把各個因素集的評估指標Ui評估矩陣R進行模糊矩陣計算，就可以獲得各指標Ui相對評語集的隸屬向量B：

B=U*R=(0.286 6，0.569 2，0.144 3)*

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，最終評估結果將B轉成模糊評判分值，即：

V=B*v=

(0.245 4, 0.754 7, 0)*(3, 2, 1)T=2.245 6≈2

對應隸屬等級檔次為中等，相關管理部門需采取一定的措施提高在風雨耦合作用下的城市道路行車安全，降低行車風險，保障風雨天氣的行車安全。

3 風雨耦合作用下城市道路交通安全控制措施

3.1 彩色路面鋪裝

根據(jù)各指標的權重系數(shù)可知，在道路條件中，路面附著系數(shù)權重占比最大，通過評價，在風雨天氣下，當?shù)爻鞘械缆返穆访娓街禂?shù)等級處中等，而隨著降雨量的增大，路面附著系數(shù)也會隨之減小，甚至可能會降低到危險級別，有一定的交通安全隱患，相關部門可在下坡路段、轉彎路段及其他易發(fā)生事故地鋪裝彩色防滑路面，不僅有美化作用，而且能夠提高城市道路的路面附著系數(shù)，降低行車事故率。

3.2 減速標線設置

在評估系統(tǒng)的天氣條件中，能見度所占權重偏大，而當?shù)爻鞘械缆吩陲L雨天氣時能見度等級處中等，依然未處于安全等級，為預防交通事故的發(fā)生，相關部門需在城市道路轉彎路段、易發(fā)生交通沖突地、易積水路段設置減速標線，降低車輛行駛速度預防事故的發(fā)生，同時因雨天能見度較低，可結合可變信息板等設施對車輛司機進行預警提示。

3.3 道路信息及時傳遞

研究在設施條件中選取了很多因素參與評估，但最終通過計算在評估系統(tǒng)中只保留了可變信息板一個影響因素，可見其非常重要。在大雨及暴雨時，交通管理部門需及時通過可變信息板或廣播等設施，以黃色或紅色這種能夠提高警示性的顏色傳遞信息，提高城市道路行車安全性。

3.4 車速控制

在天氣條件中，風力占權重最大，因此在風力較大時，管理部門需在過江橋、城市隧道出入口等容易受到風力影響的特殊路段采取局部限速管理措施，及時通過可變信息板、GPS導航信息等提醒駕駛員能夠減速慢行，避免風力較大而產生側翻或側滑等事故。

3.5 車道管理

根據(jù)調查可知，車輛變換車道會增加車輛之間的沖突，尤其在暴雨這種能見度較低的天氣中，行車危險性更高，因此道路交通管理部門需要根據(jù)交通流的特征、交通量的大小以及車輛類型的不同來控制車道、限制車輛在路段情況復雜時改變車道，減少車輛之間的沖撞并確保車輛行車的安全。

4 結論

1)根據(jù)分析研究可知，風雨耦合天氣下對行車安全影響最大的是天氣條件，其中風力和能見度對交通安全影響較大，在道路條件中，路面附著系數(shù)對行車安全影響較大，在設施條件中，可變信息板在風雨天氣下起著重要的作用，相關部門應采取相應措施著重從這幾個影響因素入手進行交通控制，降低交通事故率，在工程實例分析中，文章對風雨天氣下的城市道路行車安全進行評估，最終評估安全等級為中等，根據(jù)調查分析可知，路面附著系數(shù)、轉彎半徑、相鄰路段車速差、能見度、水膜厚度、風力這些因素對行車安全仍存在一定的威脅，安全程度有待提高，同時，在文章的第三部分也從彩色路面鋪裝、減速標線設置、道路信息及時傳遞、車速控制、車道管理等方面，結合前兩部分內容提出了建議措施，供城市道路相關管理部門參考。

2)論文不足及進一步研究的問題：論文只選取三大影響因素進行分析，但還是有一些影響因素沒有考慮在內，研究內容不夠全面；論文風險評估指標集采用專家調查法，但各專家的知識面以及經(jīng)驗不相同，有主觀上的意識，存在一些偏差，如何選取更佳的調查方法是進一步需要研究的內容。