基于物元可拓組合模型的高速公路道路安全風(fēng)險評價

周洪文,馮鑫淼,王 宏,陳昕霞

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院,上海 201418;2.河南省公路工程局集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引 言

截止2022年末,全國高速公路總里程已達(dá)到17.73萬公里[1]。但與此同時,道路交通事故的數(shù)量逐年上升,導(dǎo)致了重大的人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此,需要對高速公路道路安全進(jìn)行風(fēng)險評價,分析各風(fēng)險因素之間的內(nèi)在聯(lián)系,準(zhǔn)確識別出高速公路道路的安全隱患及關(guān)鍵風(fēng)險因素,提高高速公路道路安全水平。

針對道路安全問題已有大量研究,LUO Wenhui 等[2]提出了一種基于數(shù)據(jù)挖掘的實時道路交通安全風(fēng)險評價模型,通過Apriori算法對風(fēng)險因素或事故狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)控掘,利用K-means對得到的概率和嚴(yán)重程度進(jìn)行計算,實現(xiàn)實時風(fēng)險評估,該模型準(zhǔn)確率為88%;CHEN Sikai 等[3]基于美國不同等級的高速公路,分析事故的與道路狀況之間的關(guān)聯(lián),發(fā)現(xiàn)車流量和道路因素是導(dǎo)致事故的主要原因; S.HAN等[4]以事故指標(biāo)和隱患指標(biāo)為基礎(chǔ),構(gòu)建了交通安全評價體系,采用AHP-EMW進(jìn)行組合賦權(quán),再運用Topsis法對10條城市道路進(jìn)行安全評價;劉唐志等[5]采用熵權(quán)法和物元法相結(jié)合,以互通立交出口匝道為研究對象,選取實際案例進(jìn)行評價分析并提出相應(yīng)的建議措施;賀玉龍等[6]以湖南省高速公路為背景,引入了未確知測度理論,從天氣、線形、路面、交通狀況4個方面對高速公路交通安全進(jìn)行風(fēng)險評價,并驗證該方法具有一定的可行性;成衛(wèi)等[7]基于1 939例交通事故,構(gòu)建了樹增廣型貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,并通過數(shù)據(jù)融合法對因素進(jìn)行量化分析,識別出關(guān)鍵致因因素;李珣[8]基于安全等級劃分,建立高速公路安全評價模型并與河南省6條高速相結(jié)合確定風(fēng)險因素,再通過秩和比法劃分高速公路安全等級。

綜上,現(xiàn)有研究奠定了高速公路道路安全性評價的基礎(chǔ),但多是探究不同因素對高速公路安全程度的影響,未對因素間的內(nèi)部影響程度進(jìn)行探究。而高速公路是一個由人-車-路-環(huán)境相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng),其中人的因素較為主觀,車、道路、環(huán)境都屬于客觀因素。在事故產(chǎn)生的原因中,客觀因素占比更大,導(dǎo)致的后果也更加嚴(yán)重,其中,道路環(huán)境又是最關(guān)鍵的因素[10]。因此,筆者從系統(tǒng)的角度出發(fā),基于道路因素建立初始指標(biāo)體系,引入德爾菲法和敏感性分析對指標(biāo)進(jìn)行篩選,構(gòu)建高速公路道路安全評價指標(biāo);提出決策實驗室分析法(DEMATEL)-解釋結(jié)構(gòu)模型法(interpretative structural modeling method, ISM)和物元可拓的組合評價模型,通過DEMATEL-ISM識別出關(guān)鍵影響因素并計算初始權(quán)重,再與熵權(quán)法所求的客觀權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán);最后運用物元可拓模型對實際工程進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計算,確定高速公路道路安全風(fēng)險評價等級。

1 指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系建立

依據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》并結(jié)合文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10],基于道路因素,從道路線形、路面狀況、交通安全設(shè)施、道路環(huán)境和管理因素這5個維度建立初始指標(biāo)體系,如表1。關(guān)于隧道、橋梁等特殊構(gòu)造物暫不研究。

表1 初始指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)的篩選與確定

在構(gòu)建初始指標(biāo)體系時,涉及到諸多影響高速公路道路安全的因素,內(nèi)容繁雜且部分指標(biāo)存在重疊性。因此,引入“敏感性”的概念,通過德爾菲法對初始指標(biāo)體系進(jìn)行篩選,從而建立更加系統(tǒng)、科學(xué)的指標(biāo)體系。通過邀請從事道路安全的相關(guān)專家及高校研究人員對指標(biāo)體系中的因素進(jìn)行評價,將專家分成10組,每個專家組包含高速公路施工工程師2名,高速公路運營與維護(hù)專家2名,高校工程管理專業(yè)教師4名,高校安全風(fēng)險管理科研人員2名。引入文獻(xiàn)[11]的計算方式,得到指標(biāo)的認(rèn)可度及敏感性分布如圖1。舍去敏感性小于4的因素,構(gòu)建高速公路道路安全綜合指標(biāo)體系,如圖2。

圖1 評價指標(biāo)的篩選Fig. 1 Screening of evaluation indicators

圖2 高速公路道路安全綜合指標(biāo)體系Fig. 2 Comprehensive index system of highway road safety

2 安全風(fēng)險評價組合模型

DEMATEL是通過判斷因素間的影響程度的強弱來構(gòu)建影響矩陣,再基于相關(guān)計算得到指標(biāo)權(quán)重,確定各因素在系統(tǒng)中的重要程度并識別系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素[12]。ISM通過有向拓?fù)鋱D來表示因素間的層次關(guān)系,文獻(xiàn)[13]中的可拓理論,以物元為基礎(chǔ),從定性與定量的角度研究解決復(fù)雜問題。基于此,筆者提出DEMATEL-ISM和物元可拓的組合評價模型,具體步驟如圖3。

圖3 組合評價模型Fig. 3 Combinatorial evaluation model

2.1 DEMATEL-ISM

DEMATEL-ISM的具體計算步驟如下:

步驟一：確定直接影響矩陣A。通過專家咨詢、問卷調(diào)查等方法確定指標(biāo)體系里各影響因素之間的關(guān)系,得到直接影響矩陣A。

(1)

式中:aij為因素Xi對Xj的影響程度,且當(dāng)i=j時,aij=0。

步驟二：計算綜合影響矩陣T。

(2)

式中:I為單位矩陣。

步驟三：計算影響度Di、被影響度Ci、中心度Mi、原因度Ni、初始權(quán)重W1i

(3)

(4)

Mi=Di+Ci

(5)

Ni=Di-Ci

(6)

(7)

步驟四：計算整體影響矩陣Z、可達(dá)矩陣H。其中通過設(shè)定閾值λ,得到可達(dá)矩陣H中的元素hij。

Z=T+I

(8)

(9)

步驟五：確定可達(dá)集合K和先行集Q,根據(jù)K∩Q進(jìn)行層級確定,繪制ISM圖。

2.2 組合賦權(quán)

為了使權(quán)重更加的科學(xué)、準(zhǔn)確,利用熵權(quán)法計算客觀權(quán)重W2i,并與初始權(quán)重W1i進(jìn)行優(yōu)化重組,得到組合權(quán)重Wi,具體步驟參考文獻(xiàn)[14]。

2.3 確定經(jīng)典域和節(jié)域

物元是事物N、事物特征C和特征值V組成的三元組[13],記作R=(N,C,V)。

經(jīng)典域:

(10)

式中:Nj為所劃分的第j個評價等級;ci為評價指標(biāo);(aji,bji)為第i個風(fēng)險等級的取值范圍,即評價對象各優(yōu)劣等級關(guān)于對應(yīng)的特征所取的數(shù)據(jù)范圍,此為經(jīng)典域[13]。

節(jié)域:

(11)

式中:Np為優(yōu)劣等級的全體;(api,bpi)為Np關(guān)于ci所取的量值的范圍,即為節(jié)域。

2.4 關(guān)聯(lián)度計算

(12)

式中:D(vn,Vjn)和D(vn,Vpm)為實測值vn到經(jīng)典域各級和節(jié)域范圍的距離,即:

(13)

(14)

2.5 確定風(fēng)險等級

(15)

式中:Wi為組合權(quán)重。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度計算,結(jié)果有Kk=max{Ki(N)},認(rèn)為該評價對象等級為k級。

3 實例分析

選取河南省信陽某高速為研究對象,該高速公路全長123.175 km,選取其中3個路段L1、L2、L3,以實際測得數(shù)據(jù)為樣本,對其道路安全風(fēng)險進(jìn)行評估。

根據(jù)道路的可拓性,并結(jié)合JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》、JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范要求,將各指標(biāo)分為5個安全等級,用Ⅰ～Ⅴ來表示,其中Ⅰ 表示安全性很高,Ⅴ表示安全性低。通過咨詢行業(yè)相關(guān)專家確定經(jīng)典域和節(jié)域的量化范圍,具體的實測值及等級標(biāo)準(zhǔn)劃分如表2。

表2 各指標(biāo)的實測值及等級標(biāo)準(zhǔn)

3.1 內(nèi)部影響因素分析

根據(jù)式(1),構(gòu)建直接影響矩陣。采用了0-4語義變量標(biāo)度法,0代表無影響,4代表影響較強。通過收集的20名專家打分表進(jìn)行整理歸納,并按式(2)～式(7)進(jìn)行計算,結(jié)果如表3,其中初始權(quán)重見表4。

表3 DEMATEL模型結(jié)果

表4 各指標(biāo)權(quán)重值

由表3可知,b11、b12、b13、b14、b16、b43、b44、b45、b51、b52為原因因素,會對其他因素產(chǎn)生影響;在中心度的排名中,前5的因素分別為b11、b44、b41、b42、b12,這5個因素在整個高速公路道路安全系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用,是影響道路安全的關(guān)鍵因素,管理者應(yīng)對這些因素給予較高的關(guān)注。

為更加直觀的體現(xiàn)內(nèi)部因素間的關(guān)系,采用ISM繪制多級層次結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)式(8)、式(9)對于閾值λ采用賦值法[15],分別取λ=0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12進(jìn)行對比分析。當(dāng)閾值λ=0.09時,節(jié)點度數(shù)范圍較為合適,且模型結(jié)構(gòu)清晰合理,如圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)模型Fig. 4 Structural model

由圖4可知:20個因素被分為了4個等級,筆者將其分為根本因素層、中間因素層和直接因素層。最上層C1的12個因素是影響高速公路道路安全的最直接的因素,中間因素則為b12、b13、b23、b45,這些因素是影響高速公路道路安全的間接因素,在整個結(jié)構(gòu)模型中起著過度的作用。根本因素層是由C3和C4組成,越接近底層,表明該因素在系統(tǒng)中起著根本性的作用。

3.2 組合權(quán)重確定

利用MATLAB將表2實測值代入,求得客觀權(quán)重,并與初始權(quán)重重組優(yōu)化得到組合權(quán)重,如表4。

3.3 關(guān)聯(lián)度計算

根據(jù)式(12)～式(14),計算各指標(biāo)的等級關(guān)聯(lián)度。以路段L1為例,將指標(biāo)b11=1 800代入,求得關(guān)聯(lián)度分別為k11=-0.368 4、k12=0.300 0、k13=-0.200 0、k14=-0.400 0、k15=-0.454 5,根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,可知該指標(biāo)的安全水平為Ⅱ級安全性較高。同理可得其他路段的各指標(biāo)的安全等級情況,如表5。

表5 不同路段各指標(biāo)等級關(guān)聯(lián)度

3.4 確定風(fēng)險等級

將表4各指標(biāo)的組合權(quán)重,與表5中各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度代入式(15),可求出各路段的綜合關(guān)聯(lián)度,即可確定該路段的安全等級,如表6。

表6 不同路段的綜合關(guān)聯(lián)度

3.5 結(jié)果分析

由表6可知:路段L1和路段L3的安全等級均為Ⅱ級安全性較高,路段L2的安全性則為一般,與實際調(diào)研結(jié)果相一致。

根據(jù)表5中路段L2各指標(biāo)的安全等級可知,b41的安全等級為Ⅴ,b13、b15、b21、b23、b32、b42、b43、b44、b45等因素的安全性均為一般,由圖4亦可知,這些安全性一般的因素大多都處于直接因素層,受其他因素影響較大,且道路安全性產(chǎn)生直接的影響。其中b41、b42、b44是影響道路安全的關(guān)鍵因素,在層次結(jié)構(gòu)模型中,b44又是處于根本因素層,其連接點眾多,對其他因素影響較大,對整個道路系統(tǒng)的安全性起著根本性作用,會對車速、路面的抗滑性等產(chǎn)生影響,降低了道路的安全性。

基于以上分析,管理部門必須從根本因素層出發(fā),提高應(yīng)對惡劣天氣的能力,加強道路養(yǎng)護(hù)工作,及時處理道路環(huán)境問題,從而提高路段L2的安全等級。

4 結(jié) 論

1)筆者基于道路因素,建立了道路安全初始指標(biāo)體系,利用敏感性分析與德爾菲法相結(jié)合,對指標(biāo)進(jìn)行篩選,從而建立更加科學(xué)、全面、系統(tǒng)的高速公路道路安全指標(biāo)體系。

2)為了避免權(quán)重值的主觀化,利用熵權(quán)法計算客觀權(quán)重,并與初始權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán),使得權(quán)重更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。

3)筆者提出了DEMAEL-ISM和物元可拓的組合評價模型,分析各因素的重要程度,識別影響高速公路道路安全的關(guān)鍵因素。再運用物元可拓模型對實際工程進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計算,從而確定安全風(fēng)險評價等級。該模型不僅可以確定整個系統(tǒng)的安全等級,也可以對單一指標(biāo)進(jìn)行安全等級確定。

4)通過所提出的組合評價模型,計算結(jié)果表明:平曲線半徑、雨雪等惡劣天氣、車速、交通飽和度及縱坡度是影響高速公路道路安全的關(guān)鍵因素。在高速公路設(shè)計階段,平曲線半徑和縱坡度應(yīng)給予較高關(guān)注,根據(jù)不同的地形地貌,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計;在高速公路運營與維護(hù)階段,管理者要提高應(yīng)對惡劣天氣的能力,及時發(fā)布路段交通狀況,并建立道路通行管控機制,提高高速公路道路的安全性。

5)通過實例分析驗證,利用該模型計算的河南信陽某高速風(fēng)險等級與實際情況相符合,可以此為依據(jù)制定相關(guān)的改善措施,從而改善道路安全。