基于云模型的城市占道施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

閆 碩

(中國人民公安大學(xué) 交通管理學(xué)院， 北京 100038)

0 引言

隨著我國城市機(jī)動(dòng)化的快速發(fā)展，汽車保有量逐年提升，對(duì)城市道路造成了很大壓力，城市道路的改擴(kuò)建及修繕與養(yǎng)護(hù)施工項(xiàng)目日益增多. 道路施工時(shí)，在占據(jù)或封閉部分道路情形下，會(huì)改變?cè)薪煌鞯乃俣燃胺较虻? 同時(shí)對(duì)該施工路段的通行能力及服務(wù)水平等產(chǎn)生影響，使得道路的通行環(huán)境更加復(fù)雜，易出現(xiàn)擁堵、機(jī)非混行等狀況，產(chǎn)生大量的交通沖突，存在道路交通安全事故的風(fēng)險(xiǎn). 因此，對(duì)交通安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，有針對(duì)性地采取預(yù)防措施，對(duì)保障施工區(qū)路段交通安全具有重要指導(dǎo)作用.

目前對(duì)于城市道路施工安全風(fēng)險(xiǎn)的研究主要基于交通組織與仿真技術(shù). 戴憂華等[1]采用微觀交通流仿真技術(shù)對(duì)道路施工區(qū)域進(jìn)行交通仿真，引入等效跟馳距離FDE評(píng)價(jià)城市道路施工期間的交通安全水平. 金宏雷等[2]基于道路施工安全的系統(tǒng)工程觀點(diǎn)，在分析道路施工工程中各種易發(fā)事故的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)道路施工工程的現(xiàn)場(chǎng)安全狀況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià). 鞏建國等[3]在分析城市道路占道施工交通管理的基礎(chǔ)上，為了提高占道施工的交通運(yùn)行安全與效率水平，對(duì)占道施工的交通流管理進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì). 羅強(qiáng)[4]利用微觀交通仿真軟件VISSIM建立不同類型城市道路施工區(qū)域在不同限速值的仿真模型，用交通沖突數(shù)量指標(biāo)對(duì)道路施工區(qū)域安全性進(jìn)行分析評(píng)價(jià).

灰色關(guān)聯(lián)度分析、熵權(quán)法及模糊數(shù)學(xué)等常用的綜合評(píng)價(jià)方法由于大多為定性推理，且較為單一，易受主觀因素的影響，難以體現(xiàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)本身存在的復(fù)雜性與不確定性. 云模型是在隨機(jī)理論和模糊理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種隸屬函數(shù)而產(chǎn)生的模型[5]，可反映模糊性與隨機(jī)性的關(guān)聯(lián)性，具有更強(qiáng)的適用性及描述不確定性的能力，能更好地處理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問題[6]. 因此，本文運(yùn)用組合賦權(quán)的方法，構(gòu)建基于云模型的交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并將模型應(yīng)用于鄭州市地鐵7號(hào)線占道施工區(qū)的交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中.

1 云模型及其評(píng)價(jià)原理

1.1 云模型定義

設(shè)X為某一系統(tǒng)的論域，C表示系統(tǒng)中的模糊集合.對(duì)于系統(tǒng)中的任意元素x∈X，均存在具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù)u(x)，則稱u(x)為元素x隸屬于模糊集合C的水平隸屬度[7].u(x)在論域X上的分布被稱作云，每一個(gè)x稱為一個(gè)云滴(drop).云的形狀可反映出概念的模糊性和隨機(jī)性.

1.2 數(shù)字特征

云的特性用數(shù)字特征來表示，分別包括期望Ex、熵En及超熵He[7].期望即云的評(píng)價(jià)值，表征云的定性概念，熵以及超熵表征云的隨機(jī)性與模糊性.某一樣本點(diǎn)Xz的云模型數(shù)字特征計(jì)算過程如下.(其中S2為樣本方差)

(1)

(2)

(3)

1.3 云發(fā)生器

云發(fā)生器[8]包括正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器，是云模型中的兩種算法.正向云發(fā)生器可將定性轉(zhuǎn)換為定量，而逆向云發(fā)生器與之相反.

圖1 正向、逆向云發(fā)生器

1.4 評(píng)價(jià)步驟

云模型可實(shí)現(xiàn)定性與定量的互相轉(zhuǎn)換及對(duì)目標(biāo)的不確定性進(jìn)行描述，反映隨機(jī)性與模糊性的關(guān)聯(lián)，優(yōu)勢(shì)在于一定程度上能克服評(píng)價(jià)的主觀性，提高評(píng)價(jià)的可信度.其評(píng)價(jià)步驟如下：

1)計(jì)算云數(shù)字特征.運(yùn)用云逆向發(fā)生器算法對(duì)樣本進(jìn)行處理，計(jì)算得出樣本的云數(shù)字特征.

2)確定云模型標(biāo)尺并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)云.將論域劃分評(píng)價(jià)等級(jí)，利用云模型標(biāo)尺運(yùn)行正向云發(fā)生器算法生成標(biāo)準(zhǔn)云圖.

3)運(yùn)行正向云發(fā)生器算法，根據(jù)所得評(píng)價(jià)目標(biāo)的云數(shù)字特征，計(jì)算隸屬度，繪制評(píng)價(jià)云圖.

4)評(píng)價(jià)云圖與標(biāo)準(zhǔn)云相比較得出評(píng)價(jià)目標(biāo)所屬評(píng)價(jià)等級(jí).并根據(jù)云模型數(shù)字特征中期望值越低，則風(fēng)險(xiǎn)越高的原則，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估.

2 施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和深入分析城市道路占道施工區(qū)主要影響因素的基礎(chǔ)上，經(jīng)參考《道路交通標(biāo)志標(biāo)線》《城市道路施工作業(yè)交通組織規(guī)范》及《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》等現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[9-11]，吸收當(dāng)前專家學(xué)者對(duì)于城市道路交通安全、道路作業(yè)區(qū)安全影響分析等研究成果[12-13]，運(yùn)用專家調(diào)查法，并結(jié)合城市道路交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系現(xiàn)狀[15]，建立如下城市道路占道施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.其中包含5個(gè)1級(jí)指標(biāo)：交通、道路、人為、環(huán)境及管理、施工.22個(gè)2級(jí)指標(biāo)：車流密度、行程車速、交通組成等.

圖2 占道施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

賦權(quán)方式可分為主、客觀2種方式.主觀賦權(quán)出自個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的主觀性，客觀賦權(quán)是根據(jù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)特征確立權(quán)重，能一定程度上平衡主觀賦權(quán)的影響與誤差.由于后續(xù)對(duì)施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其數(shù)據(jù)的處理中，包含了主觀及客觀因素，故權(quán)重的確立需充分結(jié)合主客觀，因此，本文采用將主客觀進(jìn)行組合的方式來計(jì)算權(quán)重.組合權(quán)重為：

ρi=uρsi+(1-u)ρti

(4)

式中，i=1，2，…，n，n為指標(biāo)數(shù)；u為常數(shù)，為平衡主客觀權(quán)重所占比例，取0.5；ρsi為主觀權(quán)重；ρti為客觀權(quán)重.

從系統(tǒng)角度出發(fā)，采用簡潔實(shí)用的層次分析法(AHP)[16]計(jì)算主觀權(quán)重，其步驟參考文獻(xiàn)[16]，限于篇幅不再詳述.根據(jù)樣本量的大小，考慮計(jì)算難度與可靠性，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析[17]確定客觀權(quán)重，步驟如下：

1) 確定母序列.將最重要的指標(biāo)數(shù)據(jù)列為母序列，參考序列常記為X0(k)，k=1，2，…，n.

2) 確定子序列.將其余序列列為子序列，記為Xi(k),其中i=1，2，…，n-1.

3) 歸一化.為降低數(shù)值差異，便于后續(xù)分析，將數(shù)據(jù)歸于某一相近范圍內(nèi)，采用離差標(biāo)準(zhǔn)化公式，將樣本數(shù)據(jù)線性變換，歸一化于區(qū)間[0，1]內(nèi).其函數(shù)為：

(5)

4) 計(jì)算子序列指標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)于母序列指標(biāo)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，式(6)如下：

ξ(k)=

(6)

式中φ為分辨系數(shù)，一般取0.5.

5) 計(jì)算子序列關(guān)于母序列的關(guān)聯(lián)度.

(7)

6) 計(jì)算權(quán)重.

(8)

2.3 施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

運(yùn)用式(1)～(3)計(jì)算各二級(jí)指標(biāo)的云數(shù)字特征：E′xi,E′ni,H′ei.則各一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的云數(shù)字特征為：

(9)

(10)

(11)

式中ρ′i為各二級(jí)指標(biāo)的組合權(quán)重.

評(píng)價(jià)目標(biāo)的云數(shù)字特征為：

(12)

(13)

(14)

運(yùn)用Matlab對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的數(shù)字特征進(jìn)行處理，處理過程中采用正向云算法計(jì)算隸屬度，即得到施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云：

(15)

2.4 云模型標(biāo)尺的確定

綜合施工安全風(fēng)險(xiǎn)與交通運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)級(jí)別：低風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、重大風(fēng)險(xiǎn)和特大風(fēng)險(xiǎn). 令論域?yàn)閇0,1]，并基于相關(guān)文獻(xiàn)[18-19]將論域劃分為5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，生成施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云模型標(biāo)尺，分別為低風(fēng)險(xiǎn)(1，0.103 1，0.013 0)，一般風(fēng)險(xiǎn)(0.691，0.064，0.008)，中等風(fēng)險(xiǎn)(0.500，0.039，0.005)，重大風(fēng)險(xiǎn)(0.309，0.064，0.008)，特大風(fēng)險(xiǎn)(0，0.103 1，0.013 0).

3 案例

3.1 案例背景材料

本文選擇的評(píng)價(jià)目標(biāo)為河南省鄭州市地鐵7號(hào)線的一處施工區(qū)域交通安全風(fēng)險(xiǎn). 該施工區(qū)域位于鄭州市金水區(qū)農(nóng)業(yè)路(東西走向)與文化路(南北走向)交叉口南側(cè)，主要作業(yè)區(qū)在文化路東西兩側(cè). 文化路原路寬21 m，車道寬度為15 m，車道設(shè)置為雙向四車道，設(shè)有中心隔離護(hù)欄.

文化路為鄭州市主干道之一，且該施工區(qū)域靠近道路交叉口，附近有4所學(xué)校以及若干居民區(qū)，行人和非機(jī)動(dòng)車出行需求較大. 地鐵開挖施工后文化路東側(cè)被占據(jù)人行道、非機(jī)動(dòng)車道及部分機(jī)動(dòng)車道，文化路西側(cè)被占據(jù)人行道及大部分非機(jī)動(dòng)車道并設(shè)有警示牌. 施工后的車道設(shè)置為雙向兩車道，雙向交通流的運(yùn)行空間被壓縮，未設(shè)置中心隔離護(hù)欄，施工區(qū)域邊緣設(shè)有鐵質(zhì)圍擋. 該處道路的路況良好，地勢(shì)較為平坦，道路兩側(cè)的照明設(shè)施未設(shè)置完備，夜間照明條件一般. 該區(qū)域交通未設(shè)專人疏導(dǎo)，各類機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車與行人混合通行，交通環(huán)境復(fù)雜.

3.2 模型的應(yīng)用過程

3.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察得到鄭州地鐵7號(hào)線金水區(qū)施工段(農(nóng)業(yè)路與文化路交叉口南兩側(cè))占道施工區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并邀請(qǐng)5位專家進(jìn)行評(píng)分，構(gòu)建得到各一級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣，見表1. 根據(jù)層次分析法(AHP)得到各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的主觀權(quán)重，其對(duì)應(yīng)的客觀權(quán)重由灰色關(guān)聯(lián)度分析得到，并利用上文的組合權(quán)重式(4)得到各級(jí)指標(biāo)組合權(quán)重. 其結(jié)果見表2、表3.

表1 1級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣

3.2.2 交通安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)過程

運(yùn)用逆向云發(fā)生器算法，計(jì)算得到該占道施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的云數(shù)字特征. 首先將指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)歸一化，并根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)及各公式計(jì)算22個(gè)2級(jí)指標(biāo)的云數(shù)字特征，其次計(jì)算5個(gè)

表2 1級(jí)指標(biāo)組合權(quán)重表

表3 2級(jí)指標(biāo)組合權(quán)重表

1級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的云數(shù)字特征，結(jié)果見表3. 運(yùn)用式(12)～(14)計(jì)算得到評(píng)價(jià)目標(biāo)的云數(shù)字特征為(0.479 3，0.392 5，0.122 8). 根據(jù)計(jì)算得出的評(píng)價(jià)目標(biāo)的云數(shù)字特征以及云模型標(biāo)尺，運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算隸屬度，分別繪制標(biāo)尺云及施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云.

繪制結(jié)果如圖3所示. 實(shí)點(diǎn)為標(biāo)尺云，星號(hào)為評(píng)價(jià)云. 云滴集中分布的評(píng)價(jià)值區(qū)間為[0.4,0.6]，且集中于評(píng)價(jià)值0.479 3附近，而該區(qū)間代表風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等風(fēng)險(xiǎn)，則說明該處占道施工區(qū)的交通安全風(fēng)險(xiǎn)為中等，整體處于重大風(fēng)險(xiǎn)與中等風(fēng)險(xiǎn)之間.

3.3 交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的分析

通過云模型的運(yùn)用，得到2級(jí)指標(biāo)道路、人為、環(huán)境及管理、交通以及施工的評(píng)價(jià)值大概在區(qū)間[0.4,0.6]中. 說明其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)屬于一般與中等之間，傾向于中等風(fēng)險(xiǎn).

按照云模型數(shù)字特征中期望值越低，則風(fēng)險(xiǎn)越高的原則，通過分析該道路施工區(qū)域相關(guān)指標(biāo)的期望值發(fā)現(xiàn)，該處占道施工區(qū)的施工現(xiàn)場(chǎng)管理、氣候條件、施工位置、施工類型、施工人員安全意識(shí)、安全防護(hù)設(shè)施等指標(biāo)期望值分別為：0.346 2、0.315 2、0.322 4、0.306 7、0.363 2、0.384 1，相對(duì)于其他2級(jí)指標(biāo)，它們的期望值更接近于0.3，風(fēng)險(xiǎn)值偏高，接近于重大風(fēng)險(xiǎn). 由于該處施工區(qū)域臨近交叉口且在學(xué)校附近，交通流較大，各種類型的社會(huì)車輛施工混合通行，施工部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)施工的現(xiàn)場(chǎng)管理，做好安全保障措施，加強(qiáng)引導(dǎo)和教育施工人員，要對(duì)施工區(qū)域的隔離設(shè)施、安全防護(hù)進(jìn)行進(jìn)一步完善，避免出現(xiàn)隔離設(shè)施不完備，設(shè)施防撞等級(jí)不夠等產(chǎn)生危險(xiǎn)事故，對(duì)行人等產(chǎn)生威脅. 此外該區(qū)域的施工為一定深度的地鐵明挖，對(duì)路基路面及周圍建筑物的地基會(huì)產(chǎn)生一定的影響，且該區(qū)域內(nèi)居住人口較多，因此進(jìn)行明挖前要充分評(píng)估道路及周圍建筑物的安全狀況和穩(wěn)固水平，降低發(fā)生路面坍塌或建筑傾斜的事故風(fēng)險(xiǎn). 此外還要在施工建設(shè)前，做好交通調(diào)查與施工規(guī)劃，咨詢相關(guān)專家確定適宜的施工位置，該施工區(qū)域處在交通流較大的鬧市區(qū)，施工位置的選擇尤為重要，目前狀況下要做好交通控制與交通組織、引導(dǎo)，減少?zèng)_突點(diǎn)，縮小沖突區(qū)，防止對(duì)交通安全產(chǎn)生較大影響，降低發(fā)生交通安全事故的風(fēng)險(xiǎn).

4 結(jié)束語

城市道路占道施工區(qū)對(duì)城市交通的安全運(yùn)行具有很大影響，是道路交通安全管理的重要內(nèi)容. 本文對(duì)城市占道施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究：

1)綜合考慮施工區(qū)域內(nèi)的交通運(yùn)行特性，結(jié)合道路交通安全評(píng)價(jià)體系現(xiàn)狀，合理選取交通、道路、人為、環(huán)境及管理、施工5個(gè)1級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及車流密度、行程車速、道路線型、排水設(shè)施等22個(gè)2級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，全面反映施工區(qū)域內(nèi)的交通現(xiàn)狀，以此建立施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系.

2)在充分考慮專家意見的基礎(chǔ)上，為平衡主觀賦權(quán)的影響與誤差，將主、客觀賦權(quán)進(jìn)行組合，充分反映各指標(biāo)的真實(shí)狀況.

3)權(quán)重的確立受專家個(gè)人經(jīng)驗(yàn)影響，具有隨機(jī)性與模糊性，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法不能很好地應(yīng)對(duì)定性與定量之間的互相轉(zhuǎn)換，在評(píng)價(jià)過程中可能存在誤差. 將云模型與組合賦權(quán)相結(jié)合，對(duì)施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的不確定性有更加準(zhǔn)確的表達(dá)，通過對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行云圖繪制，直觀表明其風(fēng)險(xiǎn)狀況.

表4 各級(jí)指標(biāo)云數(shù)字特征

圖3 施工區(qū)交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)云

4)運(yùn)用該模型體系能直觀準(zhǔn)確地觀測(cè)到城市道路施工區(qū)的安全風(fēng)險(xiǎn)狀況，可針對(duì)性的對(duì)施工區(qū)交通安全影響較大的因素進(jìn)行整改，減少城市道路施工帶來的交通安全隱患，降低施工區(qū)域交通事故的發(fā)生概率，并為城市道路建設(shè)施工中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)提供一些方向.