基于證據(jù)推理的低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價

湯天培，王海波，陶陽晨，徐思源，仲小飛

(1.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019; 2.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司)

1 前言

截至2020年底，中國農(nóng)村公路總里程達438.2萬km，占公路總里程的84.3%，等級公路比例達到95%以上，為農(nóng)村居民出行和農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。但農(nóng)村公路中三級或四級公路占比達86%，即低等級農(nóng)村公路是主體。這類低等級農(nóng)村公路大部分存在線形指標低、危險路段多、安保設(shè)施不完善等問題，且交通事故頻發(fā)。為保障全國范圍內(nèi)農(nóng)村公路的安全運行，相繼出臺了《關(guān)于實施公路安全生命防護工程的意見》(國辦發(fā)[2014]55號)和《公路安全生命防護工程實施技術(shù)指南》(試行)(交通運輸部發(fā)布,2017)，提出要科學(xué)組織農(nóng)村公路隱患路段的安全風(fēng)險排查，并按照風(fēng)險程度區(qū)分輕重緩急，以進一步規(guī)范農(nóng)村公路安全防護工程的有序?qū)嵤?。由于低等級農(nóng)村公路里程規(guī)模大，安全風(fēng)險排查工作量大，同時又缺少設(shè)計資料和相關(guān)數(shù)據(jù)來源，只能通過現(xiàn)場排查。然而，公路安全風(fēng)險排查人員提供的農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評估信息，通常帶有主觀性和不確定性。因此，有必要提出一種可以融合主觀性和不確定性評估信息的評價方法，以獲得相對準確的安全風(fēng)險評價結(jié)果。

針對農(nóng)村公路的安全風(fēng)險評價，國內(nèi)外學(xué)者提出了包括事故數(shù)據(jù)分析、貝葉斯、物元分析、集對分析、熵權(quán)法等評價方法。國外學(xué)者常采用事故數(shù)據(jù)分析法研究農(nóng)村公路的安全風(fēng)險程度，但該方法不適用于交通事故數(shù)據(jù)缺乏的地區(qū)或國家。在其他評價方法的應(yīng)用中，大部分考慮由評估專家根據(jù)描述的指標條件評定具體的風(fēng)險指標值，但是主觀判斷產(chǎn)生的不確定性是無法避免的，即無法處理風(fēng)險評價中的不確定信息問題。目前提出的評價指標的定量評定方法，具有一定的實際參考意義，但無法應(yīng)對農(nóng)村公路現(xiàn)場的綜合情況。比如彎道半徑指標，在文獻[7]中提出了基于彎道半徑值和彎道個數(shù)的定量評定表，當(dāng)彎道半徑小，且單位里程內(nèi)彎道數(shù)量較多的情況下，即定量為高風(fēng)險數(shù)值，但是如有配套完善的減速、限速，以及急彎、連續(xù)彎道等警告標志，其安全風(fēng)險將顯著降低；再比如支路/接入口密度指標，僅以單位里程的支路/接入口數(shù)量定量評定安全風(fēng)險顯然也是不合理的，當(dāng)支路/接入口密度很大時，如在主路上有配套完善的減速、限速，以及交叉口、接入口警示標志和道口標柱，在支路/接入口上有配套完善的減速讓行標志等，也能顯著降低安全風(fēng)險。因此，諸如彎道半徑、支路/接入口密度等這類指標應(yīng)該是一種綜合型指標，難以進行統(tǒng)一性和唯一性量化，需要結(jié)合現(xiàn)場情況進行綜合判定。

除此以外，由于人員、時間與經(jīng)費投入的限制，低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價，不可避免地存在主觀性與不確定性問題，需要通過技術(shù)方法融合不確定的風(fēng)險信息，以合理評估風(fēng)險程度。而證據(jù)推理理論的優(yōu)勢就是允許并能接受主觀判斷產(chǎn)生的不確定性，該理論在船舶航行安全、施工安全、水域運輸可靠性等領(lǐng)域均有應(yīng)用，目前在農(nóng)村公路安全方面尚無應(yīng)用。因此，該文構(gòu)建低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價指標體系，采用COWA算子對評價因素和指標進行賦權(quán)，基于證據(jù)推理構(gòu)建低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價模型，對路段安全風(fēng)險程度進行評價與排序，最后通過案例分析驗證該評價模型的適用性與可靠性。

2 低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險因素與指標

綜合考慮引發(fā)低等級農(nóng)村公路交通事故的多種可能因素，結(jié)合相關(guān)文獻[7,15]，確定低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險因素，包括線形因素、路側(cè)因素、路堤因素、接入口因素。線形因素包括彎道半徑、縱坡坡度、彎道視距、線形組合4個指標，其中線形組合是指平面與縱斷面線形組合的空間線形，需進行綜合判斷其是否安全；路側(cè)因素包括離散危險物、連續(xù)危險物、凈區(qū)狀況3個指標，其中凈區(qū)狀況是指最右側(cè)車行道以外帶狀區(qū)域內(nèi)的狀況，即是否平坦、有無障礙物等，是否可供失控車輛安全返回行車道，需結(jié)合現(xiàn)場情況進行綜合評估；路堤因素包括路堤高度、邊坡坡度、邊坡綜合3個指標，其中邊坡綜合是指除路堤高度與邊坡坡度以外，可能影響邊坡安全的各類因素的集合，比如低等級農(nóng)村公路路側(cè)邊坡防護等級普遍較低，多為土質(zhì)邊坡，在極端天氣情況下極易發(fā)生滑坡等情況，該指標需結(jié)合現(xiàn)場綜合情況進行評估；接入口因素包括支路/接入口密度、支路/接入口視距、支路/接入口角度3個指標。由此，確定低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價的3級指標體系，如圖1所示。

圖1 低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價指標體系

在證據(jù)推理理論中，對定義指標的評估等級沒有具體限制和要求?？紤]到各評價指標為綜合型指標，即定量與定性相結(jié)合的指標。安全風(fēng)險排查人員需經(jīng)過統(tǒng)一培訓(xùn)，明確評價指標內(nèi)涵，以盡量減少由于指標內(nèi)涵理解差異產(chǎn)生的評價誤差。然后，根據(jù)現(xiàn)場綜合情況和排查人員的經(jīng)驗，依據(jù)指標評價集進行評估。借鑒相關(guān)文獻的安全風(fēng)險分級情況，采用5級評價集{低風(fēng)險，較低風(fēng)險，中等風(fēng)險，較高風(fēng)險，高風(fēng)險}，對應(yīng)的評估等級為{1,2,3,4,5}。

3 低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價模型

3.1 指標權(quán)重確定

為降低不可靠指標信息對賦權(quán)結(jié)果的影響，采用COWA算子分別對安全風(fēng)險因素和指標進行相對權(quán)重計算，具體步驟如下：

(1)由e個專家評定因素之間的相對重要度，可得因素Fi的決策數(shù)據(jù)集結(jié)數(shù)列ci=(ci1,ci2,…,cie)，按照從大到小對數(shù)據(jù)重新排序，并以1開始編號形成新集結(jié)數(shù)列di=(di1,di2,…,die)。

(1)

(2)

(3)

3.2 指標評估方法

每個指標由公路安全風(fēng)險排查人員在分布式評估模型框架下進行評估，分布式評估模型如下：

S(Fi,j)={(Gn,βn,i,j),n=1,2,…,N}，i=1,2,…,K,j=1,2,…,Li

(4)

3.3 證據(jù)推理算法

基于分布式評估矩陣Mi中的數(shù)據(jù)，采用解析證據(jù)推理算法計算第i個風(fēng)險因素的分布式評估結(jié)果。分布式評估矩陣Mi中的置信度先要轉(zhuǎn)換為基本可信度mass數(shù)，具體公式如下：

mn,i,j=wi,jβn,i,j(n=1,2,…,N,j=1,2,…,Li)

(5)

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(13)

(14)

3.4 安全風(fēng)險排序

假設(shè)有M個路段，每個路段的分布式評估為S(Rm)={(Gn,βn(Rm)),n=1,2,…,N}，m=1,2,…,M，其中βn(Rm)為第m個路段評估等級Gn的置信度。該分布式評估提供了路段安全風(fēng)險的基本信息，但不能直接用于路段安全風(fēng)險程度的分析和排序。為了比較M個路段的安全風(fēng)險程度，并確定其優(yōu)先改造順序，采用效用函數(shù)量化路段安全風(fēng)險程度的期望值，第m個路段的安全風(fēng)險期望值為：

(15)

式中：v(Gn)={v(G1),v(G2),…,v(GN)}為評估等級的值集；βn(Rm)為路段Rm的評估等級Gn的置信度下邊界，上邊界為βn(Rm)+βG(Rm)。

因此，在不完全信息評估中有評估等級Gn的置信度范圍。在評估等級集合G中，G1和GN為最低和最高評估等級，分別具有最低和最高值。由此，Rm路段安全風(fēng)險期望值的最大值、最小值和平均值計算如下：

Emax(Rm)=[βN(Rm)+βG(Rm)]v(GN)+

(16)

Emin(Rm)=[β1(Rm)+βG(Rm)]v(G1)+

(17)

Emean(Rm)=[Emax(Rm)+Emin(Rm)]/2

(18)

若路段所有指標的分布式評估都是完全信息評估，則βG(Rm)=0，E[S(Rm)]=Emax(Rm)=Emin(Rm)=Emean(Rm)。此時，當(dāng)E[S(Rm)]>E[S(Rl)]時，路段m的安全風(fēng)險程度大于路段l。若路段中部分指標的分布式評估存在不完全信息評估，則根據(jù)安全風(fēng)險期望值的最大值和最小值對兩個路段進行比較。若Emin(Rm)≥Emax(Rl)，則路段m的安全風(fēng)險程度大于路段l；若Emin(Rm)=Emin(Rl)且Emax(Rm)=Emax(Rl)，則路段m的安全風(fēng)險程度接近于路段l；其他情況采用以下公式進行比較：

P(Rm>Rl)=

(19)

若P(Rm>Rl)>0.5，則路段m的安全風(fēng)險程度大于路段l；若P(Rm>Rl)=0.5，則路段m的安全風(fēng)險程度接近于路段l；若P(Rm>Rl)<0.5，則路段m的安全風(fēng)險程度小于路段l。

4 案例分析

某三級雙車道農(nóng)村公路，設(shè)計速度為40 km/h，全長約3.5 km，選取其中事故高發(fā)路段1.6 km(K0+000～K1+600)進行路段安全風(fēng)險評價。從公路起點處以200 m為單位里程劃分為8個路段，分別進行安全風(fēng)險排查和評價。

4.1 指標權(quán)重確定

由5名專家對安全風(fēng)險因素和指標進行相對重要度評分，評分區(qū)間為0～5，以0.5的整數(shù)倍進行評分，相對重要度越高評分越高。下文僅以風(fēng)險因素的相對權(quán)重計算為例進行說明，見表1。

表1 安全風(fēng)險因素相對重要度評分結(jié)果

以風(fēng)險因素F1為例，采用COWA算子計算其相對權(quán)重，計算步驟如下：

將F1的重要度評分數(shù)值從大到小進行排序，可得d1=(5.0,4.5,4.5,4.5,4.0)。專家人數(shù)為e=5，由式(1)計算得加權(quán)向量(0.062 5,0.250 0,0.375 0,0.250 0,0.062 5)。再由式(2)計算F1的絕對權(quán)重為：

4.2 分布式評估結(jié)果

根據(jù)安全風(fēng)險指標評價集和分布式評估模型，由安全風(fēng)險排查人員對8個路段的每個指標進行分布式評估，其結(jié)果見表2。以路段4為例，其中縱坡坡度指標為完全信息評估(70%+30%=100%)；邊坡綜合指標為不完全信息評估(30%+60%<100%)，由于現(xiàn)場缺少相關(guān)信息無法進行完全信息評估；凈區(qū)狀況指標為不完全信息評估，由于該路段近期將進行路側(cè)凈區(qū)改造，不宜進行評估。

表2 評價指標的安全風(fēng)險分布式評估結(jié)果

由式(5)～(14)計算得8個路段的分布式評估等級結(jié)果，見表3。其中路段2、4、7和8由于存在不完全信息評估，產(chǎn)生了置信度βG。分布式評估等級結(jié)果反映的是每個路段所屬的5個評估等級的概率。以路段5為例，該路段有85.24%的概率在等級1和等級2之間，且顯著接近于等級1。

4.3 綜合評估結(jié)果

根據(jù)文獻量化評價集的值集v(Gn)={0,0.05,0.15,0.30,0.50}，由式(15)～(18)分別計算8個路段安全風(fēng)險期望值的最大值、最小值和平均值，其結(jié)果見表3。其中路段2、4、7和8存在不完全信息評估，其安全風(fēng)險期望值的平均值、最大值、最小值有差異，而其他路段均為完全信息評估，三者相等。然后，對8個路段進行對比排序，完全信息評估的路段直接比較Emean的大小，不完全信息評估的路段根據(jù)安全風(fēng)險期望值的最大值和最小值對兩個路段進行比較，其他情況根據(jù)式(19)進行比較。由式(19)計算得路段相對安全風(fēng)險矩陣，其結(jié)果見表4。其中，路段4、5和8之間，需要根據(jù)式(19)的判斷條件進行排序。綜合表3、4，可得8個路段的安全風(fēng)險排序，見表5。

表3 路段安全風(fēng)險分布式評估等級結(jié)果與安全風(fēng)險期望值

表4 路段相對安全風(fēng)險矩陣

表5 模型評價排序與事故數(shù)據(jù)排序的對比

4.4 評價效果驗證

為驗證評價效果，采用評價路段2013年8月至2016年8月期間的交通事故數(shù)據(jù)進行驗證。將事故類型分為財產(chǎn)損失事故、受傷事故、死亡事故3類，采用計分法進行安全風(fēng)險排序，即3種交通事故類型分別對應(yīng)取值為1、2、3，由事故次數(shù)與對應(yīng)分值的乘積之和反映基于事故數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險評分，并進行排序，見表5。采用Spearman等級相關(guān)分析法，驗證基于證據(jù)推理的路段安全風(fēng)險評價排序與基于事故數(shù)據(jù)的評價排序之間的相關(guān)性。經(jīng)計算可得：Spearman相關(guān)系數(shù)為0.952，P-value為0.000，通過了置信度為99%的顯著性檢驗，即模型評價排序與事故數(shù)據(jù)排序沒有顯著差異，表明基于證據(jù)推理的路段安全風(fēng)險評價方法可靠性較高。

5 結(jié)論

(1)針對低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價中存在的主觀性和不確定性問題，基于證據(jù)推理理論構(gòu)建了低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險評價方法，該方法可融合路段安全風(fēng)險評價中的完全和不完全信息評估，尤其是當(dāng)路段中某些指標無法評估時，可根據(jù)路段的最大和最小安全風(fēng)險期望值進行評估，從而實現(xiàn)在不確定信息條件下對低等級農(nóng)村公路路段安全風(fēng)險的有效評價。在人員、時間與經(jīng)費投入有限的情況下，該方法可拓展應(yīng)用于路段安全風(fēng)險評估信息存在主觀性和不確定性問題的其他類型公路。

(2)以1.6 km三級農(nóng)村公路(交通事故高發(fā)路段)為例，模型評價得出的8個路段安全風(fēng)險排序與基于事故數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險排序無顯著差異，驗證了基于證據(jù)推理的路段安全風(fēng)險評價方法的適用性與可靠性。在公路交通事故數(shù)據(jù)無法獲取的情況下，可相對準確地識別風(fēng)險路段。

(3)低等級農(nóng)村公路安全風(fēng)險評價與排序結(jié)果，可為農(nóng)村公路安全防護工程實施的有序開展提供參考依據(jù)，以投入不同程度的安保經(jīng)費進行交通安全改善，使有限的經(jīng)費得到合理的安排，達到有序設(shè)防，避免盲目設(shè)防或過度設(shè)防的目的。

(4)該研究重點針對低等級農(nóng)村公路路段設(shè)施條件的安全風(fēng)險評估，旨在為后續(xù)農(nóng)村公路安全防護工程設(shè)計與實施提供依據(jù)。因此，評價指標中未考慮路段交通量、平均速度等動態(tài)指標，但這些指標是影響路段運行安全風(fēng)險的重要因素，將在下一步研究中考慮融合這些動態(tài)指標，對低等級農(nóng)村公路路段的運行安全風(fēng)險進行評估。