交通事故死亡人數與太陽活動的統計關系分析

馮 雯，李可軍

(1. 昆明理工大學 分析測試中心，云南 昆明 650093；2. 中國科學院云南天文臺,云南 昆明 650011；3.中國科學院太陽活動重點實驗室(國家天文臺),北京 100012)

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交通事故死亡人數與太陽活動的統計關系分析

馮 雯1，李可軍2,3

(1. 昆明理工大學 分析測試中心，云南 昆明 650093；2. 中國科學院云南天文臺,云南 昆明 650011；3.中國科學院太陽活動重點實驗室(國家天文臺),北京 100012)

分析1951—2009年間的中國交通事故死亡人數和太陽黑子數的有關資料, 用交叉小波、整體平均經驗模式分解、相關分析等數學方法來探討太陽長期活動統計上對交通事故死亡人數的影響。結果表明:中國交通事故死亡人數與太陽活動的11年周期活動存在具有統計意義的正相關關系，嚴重交通事故的發生的確受太陽活動的影響。

交通工程；交通事故；交通安全；太陽活動；相關分析

0 引 言

隨著中國經濟、社會平穩快速發展，中國道路建設規模的不斷擴大、建設速度的突飛猛進，機動車日益普及，加上人口數量逐年增加，公路貨物和機動車乘客的運輸量日益增加，重大道路交通事故也日益嚴重。目前交通事故引起的人員傷亡和財產損失已經成了威脅社會安定與影響經濟發展的一個重要因素[1]。關注道路交通安全、減少交通事故發生是全體社會公民的職責。

交通事故的發生有主觀因素和客觀因素兩方面的原因。主觀因素方面的原因是指造成交通事故的當事人本身內在的因素，主要表現為違反交通規定、機動車操作不當或疏忽大意，對應思想方面的原因、生理或心理方面的原因以及技術不熟練、經驗不充足等方面的原因。客觀因素方面的原因是指引發交通事故的車輛、環境和道路方面的不利于駕駛的因素[2]。據研究報道，太陽活動可能也是從主觀原因和客觀原因兩方面造成交通事故的原因之一[3-8]。太陽劇烈活動的爆發，可以通過高能粒子、電磁輻射和磁流來強烈影響近地空間的電磁背景環境，進而對人體的神經系統和器官產生影響，駕駛員生理或主觀心理產生變化，繼而導致交通事故的發生[9-15]。太陽活動還可能會先影響天氣氣候，進而在環境和道路方面產生不利于交通的因素(雨、雪、霧霾等)，最終間接成為造成交通事故頻繁發生的客觀因素[16-21]。因此，國內外對交通事故與太陽活動的統計分析都顯示出二者存在關聯[3-8]。這將成為交通事故預測物理模型的重要考慮因素。

造成交通事故發生的因素是多方面的，各種因素的影響往往還隨時間而變化，錯綜復雜。非主流的單因素往往隱含在整體交通事故發生數內，這給單因素分析帶來不利。筆者將用整體平均經驗模式分解方法、交叉相關方法等先進的數學方法對1951—2009年間中國交通事故死亡人數和太陽黑子數的有關資料進行研究，分析二者間的關系，探究太陽活動對中國交通事故死亡人數的影響。

1 交通事故死亡人數與太陽活動關系分析

1.1 交通事故資料

交通事故資料采用由中國宏觀數據挖掘分析系統提供的從1951—2009年59年間的中國交通事故死亡人數(DP)，如圖1(a)。交通事故死亡人數從1951年開始，在小波動中，呈現緩慢的增長趨勢；自80年代中期開始，轉變為在大波動中呈現快速的增長趨勢；到2002年之后，出現急劇的下降趨勢。圖1(b)表征太陽活動的資料采用此期間的年平均太陽黑子數(SN)。

圖1 1951—2009年中國交通事故死亡人數及年平均太陽黑子數

1.2 關聯分析

經驗模式分解是一種對非線性、非平穩數值信號進行時間-頻率分析的數學處理方法。它對原始信號序列逐級進行平穩化處理，把不同周期的波動信號從原始序列中分離出來，并且該波動信號是平穩的, 最后得到的是趨勢成分信號。不同尺度(周期)的波動被定義成為本征模函數(Intrinsic Mode Function, IMF)[22-25]。IMF是原始信號在不同時間尺度上的平穩的窄帶信號，相對原始信號序列要簡單得多。實際的時間序列往往信號成分比較復雜，甚至有用的弱信號被強信號成分或背景噪聲所淹沒[22-24]。經驗模式分解方法的一個缺陷就是模式混淆, 為了克服這個問題, Z.H.Wu，等[26]在對白噪聲進行EMD 深入研究的基礎上, 提出了整體平均經驗模式分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)方法, 該方法利用高斯白噪聲具有頻率均勻分布的統計特征, 使加入高斯白噪聲后的混合信號在不同尺度上具有連續性, 因此有效地解決了模式混淆問題。對中國交通事故死亡人數進行整體平均經驗模式分解，得到趨勢項成分和IMF波動成分，如圖2。

圖2 本征模函數和趨勢項成分

依據文獻[25]給出的方法進行了本征模函數的統計檢驗。4個本征模函數都在95%置信水平有意義，如圖3。和11年的太陽活動周期接近的是第1和第2個本征模函數，它們的周期分別為8.8和14.3年。

圖3 4個本征模函數的統計檢驗

圖4給出中國交通事故死亡人數的第1個和第2個本征模函數(它們的周期和黑子數周期接近)和黑子數的交叉相關系數隨它們之間相位變化的關系。第1個(或第2個)本征模函數時間序列相對黑子數時間序列每移動1個數據點(時間平移1年)，去掉不成對的首尾數據點，再計算它們的交叉相關系數，重復進行，就得到圖4給出的曲線。本征模函數時間序列相對黑子數時間序列向前移(從過去到未來的時間方向)為正的位移。由圖4可知，在沒有相對相位移動時；第2個本征模函數與黑子數的相關系數最大，為0.313,在95%置信水平有統計意義，二者同相位正相關。太陽活動強時，交通事故發生的可能性大。第1個本征模函數與黑子數在無相位移動時，相關系數為-0.191，沒有統計意義，二者間呈現微弱的反相關。

圖4 本征模函數與黑子數的交叉相關系數隨它們之間相位變化的關系

1.3 小波分析

圖5給出中國交通事故死亡人數和黑子數的交叉小波功率譜圖。箭頭向右表示二者同相位，即正相關；箭頭向左表示二者反相位，即反相關；箭頭向下表示中國交通事故死亡人數相位上領先黑子數90°；箭頭向上表示中國交通事故死亡人數相位上落后黑子數90°。細實線以下區域為受邊緣效應影響較大的區域。粗實線為95%的置信線。水平虛線表示周期為10年的位置。水平點線表示周期為11年的位置。由圖5可見，95%的置信區間(具有高共同能量)出現在太陽活動的11年周期附近，說明二者在太陽活動周期附近是有關聯的。在8～14年的周期尺度內，從1951年到1970年早期，圖中箭頭基本上朝右，說明太陽活動與交通事故死亡人數是正相關的；在1970年初到1980年代末，箭頭基本上朝下，二者無相關。1990年到2009年期間，8～10年的周期尺度表現為反相關；11～14年的周期尺度表現為正相關，同時黑子數相位上略領先死亡人數(箭頭主要為向右或右偏向上)，這期間是中國氣候變暖最明顯的時期[27]。

圖5 中國交通事故死亡人數和黑子數的交叉小波功率譜圖

2 劇烈太陽爆發對交通事故發生的影響機理

太陽爆發活動對交通事故的影響機理方面的研究，目前處于探索階段。大量的文獻都從醫學的角度對作用機理進行了闡述，也給出了一些醫學證據[3-6,28]，這里列舉某些可能的作用機理。

太陽劇烈爆發活動產生的高能粒子、電磁輻射以及磁流等能量輸出會干擾地球磁場。地磁場的異常變化會直接對人體的神經系統和器官產生波動影響。在地磁異常時,人的植物神經系統交感神經主要部分的緊張狀態會在一定程度上有所提高；而人的植物神經系統的副交感神經部分，則只有少數人會趨于緊張狀態。人的植物神經系統失去平衡，各種各樣的功能障礙就會接踵出現。當人處于緊張活動狀態時，人的處理問題的能力會下降，人的分析判斷能力會降低，出錯的可能性增加；人的應急反應會遲緩，快速應變危機的能力下降[3,6-15]，因此，嚴重交通事故發生的可能性會增加，交通死亡人數會增加。這就是說，強太陽活動直接影響人體生理和心理而正相關地導致交通人數會增加。

當太陽活動劇烈爆發時，大量的太陽高能粒子流和宇宙射線會穿過地球大氣層。而飄浮于地球大氣層中結構簡單的病毒基因此時很容易斷裂而發生重組，從而使病毒發生變異，出現新的病毒；同時使人類淋巴細胞合成蛋白的功能降低，健康人的血液中纖維蛋白溶解系統的功能狀態發生了變化，纖維蛋白溶解的活性減小了。因此太陽活動會導致心血管疾病、傳染病、流感等的發病[3,5,10-11]。帶病的駕駛員比身體健康的駕駛員更容易發生交通事故，同時使受傷的駕駛員更容易死亡[3]。劇烈太陽活動對人體致病而影響嚴重交通事故發生，導致交通人數會增加。

總結上述兩個方面，可以看到，強太陽活動會從生理和心理兩方面對交通事故產生影響，且這種影響基本上是同相位的“即時”作用。但可能會出現地區差別，因為強太陽活動對地球的影響會有顯著的緯度差別。加上地球上各種物理參數，如溫度和密度出現地區差別也會使得強太陽活動產生的影響出現地區差別。地球上各種物理參數往往也是隨時間變化的，因而太陽活動在某個地區對交通事故產生的影響會隨時間呈現出差異變化。

雨雪和霧霾等惡劣天氣會使道路難行走、造成大氣能見度低，嚴重交通事故發生的可能性因此會大大增加。科學研究表明：中國大陸地區降水量與太陽活動，總的來看，在絕大部分地區呈正相關關系[20-21],太陽活動作用于天氣氣候而對交通事故產生影響。但天氣氣候變化對太陽活動的響應往往要滯后1～2 年[16]。這種相位的區別以及多種作用方式會使得太陽活動與交通事故的關系復雜化。氣候是有地區差別的，地區差別也會使得太陽活動對嚴重交通事故在中國大陸地區的影響復雜化。

3 結 語

交通事故死亡人數的第1個和第2個本征模函數具有和太陽活動11年周期相近的周期，第2個本征模函數和黑子數在99%置信水平相關聯。太陽活動的確影響嚴重交通事故的可能發生。

中國交通事故死亡人數和黑子數的交叉小波的高共同能量區間出現在太陽活動的11年周期附近，二者在太陽活動周期附近是有關聯的。嚴重交通事故的發生受多種因素的影響，如氣候等。而氣候與太陽活動統計上相關聯，且滯后太陽活動。這種滯后效應將導致嚴重交通事故可能并不具有和太陽活動相同的周期，而是太陽活動在相位上可能領先嚴重交通事故的發生，在長于11年周期上與嚴重交通事故相關聯。這為交叉小波分析所證實。

24周太陽活動將在2013—2014年出現峰值，未來幾年是太陽活動的極大期，因此，推測未來幾年嚴重交通事故會出現走高的波動，提請交通部門和駕駛員注意。

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Statistical Relationship Between Death Population of Road Traffic Accidents and Sunspot Activity

Feng Wen1, Li Kejun2,3

(1. Research Center of Analysis & Measurement, Kunming University of Science & Technology, Kunming 650093,Yunnan, China; 2. Yunnan Observatories, CAS, Kunming 650011, Yunnan, China; 3. Key Laboratory of Solar Activity, National Astronomical Observatories, CAS, Beijing 100012, China)

The relationship between death population of road traffic accidents and solar activity was investigated through ensemble empirical mode decomposition analysis, cross-correlation analysis, cross-wavelet analysis, and etc., which was based on the information of yearly mean sunspot number and annual death population (DP) of road traffic accident events in China from 1951 to 2009. The results obtained show that DP is statistically positively correlated with the 11-year-cycle solar activity. DP is not only closely related with human activities, but also affected by solar activity indeed.

traffic engineering; traffic accident; traffic safety; solar activity; correlation analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.20

2013-10-09；

2014-02-12

國家自然科學基金項目(11273057，11221063);國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2012CB957801，2011CB811406)

馮 雯(1969—)， 女,云南昆明人,工程師,主要從事日地關系物理方面的研究。E-mail: fengwen69@sina.cn。

李可軍(1966—)，男，湖北漢川人，研究員，博士，主要從事太陽物理方面的研究。E-mail: lkj@ynao.ac.cn。

U492.8

A

1674-0696(2015)01-091-04