基于AHP-FCE的高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

摘要：為進(jìn)一步提高高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)水平，文章采用AHP（層次分析法）與FCE（模糊綜合評(píng)價(jià)法）相結(jié)合的方式，構(gòu)建了包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層在內(nèi)的高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；并選取道路裂縫、波浪擁包、車轍長(zhǎng)度及沉陷面積4個(gè)指標(biāo)，針對(duì)某高速公路的4個(gè)路段進(jìn)行運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素分析。研究結(jié)果顯示：在ZK69+491～ZK70+030路段，存在中度風(fēng)險(xiǎn)的波浪擁包及道路裂縫問(wèn)題；在ZK70 + 875～ZK71 + 005路段則面臨較高的波浪擁包及道路裂縫風(fēng)險(xiǎn)；ZK71 + 175～ZK71 + 360路段的道路裂縫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為極端風(fēng)險(xiǎn)，沉陷面積的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高度風(fēng)險(xiǎn)；而在ZK70+030～ZK70+355路段，波浪擁抱、道路裂縫及沉降面積的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為中度風(fēng)險(xiǎn)。基于以上分析，建議對(duì)ZK69+491～ZK71 + 360路段的路面病害情況進(jìn)行持續(xù)且密切的監(jiān)控，從而確保高速公路的運(yùn)營(yíng)安全。

關(guān)鍵詞：AHP-FCE；高速公路；運(yùn)營(yíng)安全；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：U491 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " "文章編號(hào)：1674-0688（2024）10-0051-04

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)也進(jìn)入蓬勃發(fā)展期。高速公路作為現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，承載著龐大的運(yùn)輸量，極大地提升了人們出行的便利性。然而，隨著高速公路網(wǎng)絡(luò)的迅速擴(kuò)張，交通事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。針對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已提出多種評(píng)估模型和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法。例如，王宏醫(yī)等［1］通過(guò)物元分析法構(gòu)建了施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)模型；李學(xué)創(chuàng)等［2］基于區(qū)間數(shù)賦值與證據(jù)理論等構(gòu)建了高速公路運(yùn)營(yíng)安全施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；瞿育金等［3］針對(duì)杭金衢高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題，提出采用LEC（作業(yè)條件危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)法）進(jìn)行分析，確定每種風(fēng)險(xiǎn)影響因素的不同等級(jí)分值及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，研究結(jié)果表明，路面沉陷和路面積水的影響較大。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)我國(guó)高速公路運(yùn)營(yíng)管理的實(shí)際情況，選取道路裂縫、波浪擁包、車轍長(zhǎng)度和沉陷面積4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建了高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)AHP法確定各指標(biāo)權(quán)重，并采用FCE法對(duì)某高速公路的4個(gè)路段進(jìn)行了運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為同類高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供有益的參考和借鑒。

1 AHP-FCE模型建立

1.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）最初由美國(guó)數(shù)學(xué)家T.L.Saaty提出，是一種結(jié)合了定性與定量分析的復(fù)雜決策方法，旨在解決多目標(biāo)與多準(zhǔn)則的決策問(wèn)題；其基本思路是將復(fù)雜問(wèn)題分解為多個(gè)層次，通過(guò)對(duì)比方式在最底層確定影響目標(biāo)決策因素的權(quán)重，然后從最底層逐層向上分析計(jì)算，最終得出各方案對(duì)總目標(biāo)的權(quán)重值，為決策者提供科學(xué)依據(jù)［4］。層次分析法的計(jì)算步驟如下。

（1）確定決策問(wèn)題與目標(biāo)：確定需要進(jìn)行決策的具體問(wèn)題及期望達(dá)成的目標(biāo)。

（2）構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型：將問(wèn)題和目標(biāo)逐層分解，每個(gè)層次包含若干因素或指標(biāo)。

（3）建立判斷矩陣：分別比較每個(gè)層次的指標(biāo)，構(gòu)建判斷矩陣，矩陣中的元素表示比較對(duì)象之間的重要程度或優(yōu)先級(jí)關(guān)系。

（4）計(jì)算權(quán)重向量：逐層計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)權(quán)重向量乘積得到最終權(quán)重向量，用于表示各因素對(duì)決策的重要程度。

（5）一致性檢驗(yàn)：計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量，作為各指標(biāo)得分依據(jù)，以明確各層次間各指標(biāo)的重要程度。隨后，利用一致性指標(biāo)（CI）和一致性比例（CR）對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確保結(jié)果的合理性，其公式表達(dá)如下［5］：

[Pi=j=1nbij（i=1，2，3，…n）]， " " " " " " （1）

[Wi=Pi]， " " " " " " " " " " " " " （2）

[λmax=1ni=1n（AW）iWi]， " " " " " " " " " （3）

[CI=λmax-nn-1]， " " " " " " " " " " " "（4）

[CR=CIRI]， " " " " " " " " " " " " " " （5）

其中：Pi代表第i行中所有指標(biāo)賦值的乘積，i代表矩陣中的行數(shù)，j代表矩陣中的列數(shù)，n代表矩陣的階數(shù)，bij代表i×j的矩陣，Wi代表指標(biāo)的權(quán)重向量，λmax代表最大特征值，AW代表方差，CI代表一致性指標(biāo)，CR代表一致性比例，RI代表平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR lt; 0.1 時(shí)，矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，表明具有良好的一致性。如果一致性比例不達(dá)標(biāo)，則需重新調(diào)整權(quán)重，并重復(fù)上述步驟［6］。

（6）綜合評(píng)價(jià)：利用權(quán)重向量對(duì)各因素或方案進(jìn)行評(píng)價(jià)、排序和選擇，進(jìn)一步確定最優(yōu)解。

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法（Fuzzy comprehensive evaluation，F(xiàn)CE）是一種基于模糊數(shù)學(xué)系統(tǒng)分析原理，以模糊推理為核心的一種評(píng)價(jià)方法。該方法結(jié)合了定性和定量分析，可有效解決復(fù)雜問(wèn)題中的量化評(píng)估難題。鑒于高速公路運(yùn)營(yíng)的各項(xiàng)安全性指標(biāo)之間存在復(fù)雜且顯著的相互影響，這些影響難以直接量化，而模糊綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)模糊理論，可以將這些難以量化的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為具有可操作性的定量指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)的客觀評(píng)價(jià)，進(jìn)而提升運(yùn)營(yíng)安全管理的精準(zhǔn)度。模糊綜合評(píng)價(jià)的步驟如下。

（1）建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集：在高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，根據(jù)嚴(yán)重程度將評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為5個(gè)級(jí)別：很嚴(yán)重（V1）、較嚴(yán)重（V2）、一般（V3）、較低（V4）和很低（V5），記為V={V1，V2，V3，V4，V5}［7］。

（2）采用AHP方法，確定各風(fēng)險(xiǎn)對(duì)總體指標(biāo)的影響程度，進(jìn)而計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重值，形成權(quán)重矩陣W。

（3）評(píng)估各風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)級(jí)別，利用模糊矩陣R表示各風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度。

（4）運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法，結(jié)合權(quán)重矩陣W和模糊矩陣R，通過(guò)公式G=W×R計(jì)算高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)程度。

1.3 AHP-FCE模型的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型建立

AHP-FCE模型的數(shù)字特征由目標(biāo)層（P1）、準(zhǔn)則層（P2）和指標(biāo)層（P3）3層結(jié)構(gòu)表示。其中，P1代表高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的目標(biāo)層；P2表示影響該目標(biāo)的關(guān)鍵因素，包括道路裂縫、波浪擁包、車轍長(zhǎng)度和沉陷面積；P3則反映了安全風(fēng)險(xiǎn)的分散特性。當(dāng)指標(biāo)具有雙邊邊界時(shí)，數(shù)值特征的計(jì)算方法如下：

[P1=（a+b）2P2=（b-a）6P3=i] ， " " " " " " " " " " （6）

其中：P1、 P2 、P3分別表示目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的數(shù)值特征；i為高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)控制常數(shù)，它根據(jù)高速公路運(yùn)營(yíng)安全實(shí)際情況的不確定性和其模糊閾值進(jìn)行調(diào)整，本文中的模糊閾值設(shè)定為0.1；a為控制常數(shù)最小值；b為控制常數(shù)最大值。

當(dāng)指標(biāo)為單邊界限時(shí)，如果評(píng)價(jià)因子a的4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的區(qū)間分別為 I（0，a）、II（a，b）、III（b，c）、IV（c，+∞），則其數(shù)值特征可由表1中的公式計(jì)算得出。

首先，整理需要評(píng)價(jià)的高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，明確影響運(yùn)營(yíng)安全的5個(gè)一級(jí)指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)。其次，運(yùn)用層次分析法，從下至上逐級(jí)分析5個(gè)一級(jí)指標(biāo)，并確定各級(jí)指標(biāo)（特別是二級(jí)）的權(quán)重系數(shù)。

1.4 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)文獻(xiàn)［8］，高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)被劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和極端風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)。本文采用10分制量化風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，具體為低度風(fēng)險(xiǎn)（7.5～10）、中度風(fēng)險(xiǎn)（5～7.5）、高度風(fēng)險(xiǎn)（2.5～5）和極端風(fēng)險(xiǎn)（0～2.5）。根據(jù)公式（2），將每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)轉(zhuǎn)換為AHP-FCE模型，數(shù)字特征為低風(fēng)險(xiǎn)（8.75，0.42，0.1）、中度風(fēng)險(xiǎn)（6.25，0.42，0.1）、高風(fēng)險(xiǎn)（3.75，0.42，0.1）和極端風(fēng)險(xiǎn)（1.25，0.42，0.1）。定量指標(biāo)采用區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化，其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)等級(jí)劃分見表2。

2 案例研究

2.1 項(xiàng)目概況

案例項(xiàng)目工程位于某高速公路的重要路段，起點(diǎn)位于ZK69 + 491點(diǎn)，終點(diǎn)位于ZK71 + 360點(diǎn)，主線為雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，整體寬度為33.5 m。該路段交通量較大且處于山區(qū)地形復(fù)雜地帶，加之地質(zhì)條件相對(duì)較差，因此整體風(fēng)險(xiǎn)偏高。為確保交通安全和行車順暢，需對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)合該路段的特點(diǎn)和實(shí)際狀況，本文結(jié)合使用層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2.2 數(shù)值特征計(jì)算

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，高速公路病害風(fēng)險(xiǎn)因素?cái)?shù)值見表3。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)表，確定各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)程度。同時(shí)，根據(jù)公式（6），計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值特征，各路段的數(shù)值特征值結(jié)果見表4至表7。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)隸屬度計(jì)算

利用SPSS軟件計(jì)算高速公路運(yùn)行過(guò)程中路段病害的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度，結(jié)果見圖1。由圖1可知，在ZK69+491～ZK70 + 030路段，車轍長(zhǎng)度及沉陷面積的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度最高，達(dá)到8.9，屬于低風(fēng)險(xiǎn)；而波浪擁包的風(fēng)險(xiǎn)隸屬度為5，較前者降低了43.82%，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中度。同時(shí)，道路裂縫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也為中度。ZK70+875～ZK71+005路段風(fēng)險(xiǎn)隸屬度的變化趨勢(shì)雖然與ZK69+491～ZK70+030路段相似，但是其波浪擁包及道路裂縫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高。在ZK71+175～ZK71+360路段，道路裂縫及沉陷面積的隸屬度最低，分別為2.4和2.9，波浪擁包的隸屬度最高，達(dá)8.1，較道路裂縫及沉陷面積分別提高了237.5%及179.3%。在此路段，道路裂縫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為極端風(fēng)險(xiǎn)，沉陷面積的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高度風(fēng)險(xiǎn)，波浪擁包的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)。在ZK70+030～ZK70+355路段，波浪擁包、道路裂縫及沉陷面積的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為中度風(fēng)險(xiǎn)，表明該段高速公路瀝青混合料的剛度和強(qiáng)度較低，加之受養(yǎng)護(hù)管理不足、交通量增長(zhǎng)及超載車輛等因素的影響，導(dǎo)致路面出現(xiàn)嚴(yán)重的波浪擁包、裂縫及沉陷等病害。綜上所述，針對(duì)ZK69+491～ZK71+360的路面病害情況，應(yīng)實(shí)施定期監(jiān)控措施。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用層次分析法以及模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，重點(diǎn)分析了道路裂縫、波浪擁包、車轍長(zhǎng)度和沉陷面積4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，主要結(jié)論如下。

（1）通過(guò)AHP-FCE模型評(píng)估，ZK69+491～ZK71+360路段的道路裂縫、波浪擁包的整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估均為中度及以上風(fēng)險(xiǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)已超出可接受范圍，需立即采取風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，雖然車轍長(zhǎng)度的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，但是仍需加強(qiáng)對(duì)其持續(xù)且密切的監(jiān)控。

（2）鑒于ZK69+491～ZK71+360路段的路面病害情況，建議實(shí)施持續(xù)且密切的病害監(jiān)控，并加快提升高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平。

4 參考文獻(xiàn)

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作者單位：廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001