基于物元分析的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價

汪明杰

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510507)

基于物元分析的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價

汪明杰

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510507)

結(jié)合交通安全評價方法的選取原則和山嶺地區(qū)干線公路道路交通特征，利用物元分析評價法建立基于可能性分析和嚴(yán)重性分析的山嶺地區(qū)干線公路評價模型，并應(yīng)用實例驗證分析模型的可操作性和科學(xué)性，為改善山區(qū)干線公路交通運行條件、消除事故黑點和提高交通安全運行水平提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

山嶺地區(qū)；干線公路；交通安全；評價模型；物元分析

近年來，大量山區(qū)公路基礎(chǔ)建設(shè)為我國山嶺地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展提供了堅實的交通運輸保障，改變了山區(qū)人民的交通出行方式和生活方式。但是受到特殊地形條件的限制，山嶺地區(qū)公路在實際運營中交通事故的多發(fā)性與事故高死亡率已經(jīng)成為山區(qū)交通安全的隱患。

目前，國外對交通安全評價的研究重點已從絕對指標(biāo)過度到指標(biāo)體系和評價模型領(lǐng)域，建立了交通安全評價指標(biāo)體系和評價方法；國內(nèi)在交通安全研究中關(guān)注的重點主要包括事故統(tǒng)計分析、交通安全評價、交通事故預(yù)測、交通事故預(yù)防等4個方面[1]。但是常規(guī)評價方法與山嶺地區(qū)的地形條件、道路線形的特殊性相沖突，不能滿足山嶺地區(qū)干線公路的交通安全需求。本文基于物元分析評價法建立山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價模型，以期能夠真實高效的評價山嶺地區(qū)干線公路的交通安全。

1 交通安全評價方法的選取

1.1 選取原則

借鑒相關(guān)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗，山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價方法選擇應(yīng)遵循相關(guān)原則[2]。

1)科學(xué)性。評價方法能夠真實反映山嶺地區(qū)干線公路安全的本質(zhì)，體現(xiàn)交通安全影響因素的內(nèi)部聯(lián)系，保證評價過程的科學(xué)合理性，評價結(jié)果的可靠性、客觀性與可信性。

2)可操作性。評價方法確保評價過程切實可行，能夠兼顧部門使用和服務(wù)基層，保證參與評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)容易獲取，評價過程簡明清晰、操作簡便。

3)實際性。評價方法應(yīng)與山嶺地區(qū)干線公路特征緊密聯(lián)系，得出道路安全水平的確切結(jié)論，為山嶺地區(qū)干線公路的治理與改善提供可靠的措施與依據(jù)。

4)可比性。評價方法能對山嶺地區(qū)干線公路交通安全進(jìn)行科學(xué)比較，并評判道路安全運行水平。

1.2 評價方法確定

山嶺地區(qū)干線公路交通安全體系中影響交通安全的因素種類繁多，并且各評價因素和指標(biāo)對應(yīng)的評價值域在評價過程中存在顯著的差異性，形成的評價結(jié)果在相容性和匹配性上很難達(dá)到要求。因此須從山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價的特殊性出發(fā)，選取一種既能滿足山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價要求，又能夠?qū)ι綆X地區(qū)干線公路交通安全水平作出總體科學(xué)評判的評價方法。[3-5]

目前相關(guān)學(xué)者針對不同評價指標(biāo)的差異性主要通過線性類比進(jìn)行簡單處理，無法真實反映指標(biāo)間的差異。本文提出利用物元分析模型對山嶺地區(qū)干線交通公路安全進(jìn)行評價，其優(yōu)點是：物元分析無需對原始指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行無量綱化處理，在評價過程中，不需將各因素的評價指標(biāo)值域換算成標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一值域，從而保證評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的完整性；物元分析模型中的評價指標(biāo)是具有特性的相互聯(lián)系的元素，恰好可以解決在綜合作用下多個不相容的單項指標(biāo)所反映的規(guī)律性問題。

2 物元分析評價法

2.1 物元模型的基本理論

1)物元矩陣[6]

物元，即是指由事物N、事物特征C以及各特征的量值X所構(gòu)成的三元組，記作(N，C，X)。

若事物N0具有n個特征C1，C2，……Cn，那么，其相應(yīng)的指標(biāo)量值則記作X1，X2，……Xn，該事物可稱為n維物元，則物元矩陣

，

根據(jù)特征值的一般量值范圍與最高允許量值范圍，將R分成經(jīng)典域物元矩陣和節(jié)域物元矩陣2類。

若記標(biāo)準(zhǔn)事物為N0j，則稱其特征Ci的值域X0ji為經(jīng)典域，則經(jīng)典域物元矩陣

(1)

式中(a0ji,b0ji)為事物特征的量值區(qū)間。

若記待評價事物N0的特征量值的全體為P，則稱其特征Ci的值域Xpi為節(jié)域，則節(jié)域物元矩陣

(2)

2)關(guān)聯(lián)函數(shù)

在物元分析模型中，關(guān)聯(lián)函數(shù)表示當(dāng)物元的量值取值為實軸上一點Xi時，物元所符合要求的程度。

根據(jù)區(qū)間的模計算公式，量值區(qū)間(a0ji,b0ji)的模

，

(3)

則某點Xi到(a0ji,b0ji)的距離

，

(4)

因此，定義關(guān)聯(lián)函數(shù)

,

(5)

式中ρ(Xi，Xpi)為Xi到量值區(qū)間(api，bpi)的距離。

3)確定權(quán)重

在實際評價過程中，事物各特征因素Ci對事物本身影響的重要程度不同，在分析中需給予各特征因素Ci不同的權(quán)重。權(quán)值ωi的獲取可通過層次分析法、專家調(diào)查法等方法確定[7-9]。

2.2 評價模型等級劃分

待評事物N0關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度

。

如果有Kjo(N0)=maxKj(N0)，則可判定待評價事物N0屬于評價等級j0。

1)當(dāng)Kj(N0)>1時，評價事物超過要求上限，且數(shù)值越大，其開發(fā)潛力越大。

2)當(dāng)0≤Kj(N0)≤1時，評價事物符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求的程度，且數(shù)值越大，越接近標(biāo)準(zhǔn)對象的上限。

3)當(dāng)-1≤Kj(N0)< 0時，評價事物不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，但具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對象的條件。

4)當(dāng)Kj(N0)<-1時，評價事物不符合標(biāo)準(zhǔn)對象要求，且又不具備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)對象的條件。

計算待評價事物N0的評價級別變量特征值j*，以判別評價對象偏向某一評價等級的程度，有

,

(6)

2.3 多級評價模型

當(dāng)評價對象有多個評價指標(biāo)時，可將指標(biāo)分類進(jìn)行多級評價[10]。根據(jù)評價指標(biāo)自身的特征，可將眾多評價指標(biāo)分為n類，即C={C1,C2,……,Cn}；若某個指標(biāo)子集Ci存在m個子指標(biāo)，則記作Ci={Ci1,Ci2,……,Cim},其中Cik(k=1,2,……,m)表示第i類指標(biāo)中的第k個子指標(biāo)。

根據(jù)層次分析法、專家調(diào)查法等方法確定各級評價指標(biāo)在評價等級中的權(quán)重。并假設(shè)第i類評價指標(biāo)的權(quán)重記作ai；同樣地，將第i類指標(biāo)中的第k個子因素的權(quán)重記作aik。

分別對子系統(tǒng)Ci進(jìn)行初級評價。則子系統(tǒng)Ci關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度

(7)

待評事物N0關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度

(8)

如果對于Ci由式(6)計算出的級別變量特征值為j*，則事物N0的級別變量特征值

,

(9)

則j**稱為待評定事物N0的級別變量特征值，j**值用于判別待評價事物偏向某一評價等級的程度。如j0=2，j**=2.8表示N0屬于評價等級2級，且偏向于第3級。

3 山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價模型

3.1 評價路段單元

影響山嶺地區(qū)干線公路交通安全運行水平的技術(shù)指標(biāo)存在較大差異，為了對交通安全運行水平進(jìn)行準(zhǔn)確評價，將路網(wǎng)體系劃分為若干個評價路段單元，評價路段單元劃分的基本原則為：評價單元路段寬度控制在1 km左右，特殊情況不應(yīng)超過2 km；評價單元路段起訖點宜位于直線段處；同一處圓曲線路段應(yīng)劃分在同一個評價單元內(nèi)；同一處橋梁隧道路段應(yīng)劃分在同一個評價單元內(nèi)；同一個評價單元路段路側(cè)凈區(qū)寬度應(yīng)基本相同。[11-14]

3.2 基于可能性分析的評價模型

1)模型評價指標(biāo)與等級劃分

根據(jù)山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價指標(biāo)體系，選擇相應(yīng)可能性評價指標(biāo)集即道路線形與道路環(huán)境指標(biāo)作為當(dāng)前物元模型的特征指標(biāo)集Ci。選擇圓曲線、豎曲線、縱坡等交通安全影響因素作為各特征指標(biāo)的子指標(biāo)集Ci的子指標(biāo)，即Ci={Ci1,Ci2,……,Cim}，圓曲線、豎曲線、縱坡等交通安全影響因素實際量值則記作子指標(biāo)的特征量值X1,X2,……,Xim。另外，應(yīng)根據(jù)所評價公路單元的實際情況，對評價指標(biāo)體系內(nèi)的子指標(biāo)加以取舍。[15-16]

由于具體的評價指標(biāo)包含有性質(zhì)不同的定性指標(biāo)與定量指標(biāo)，導(dǎo)致評價指標(biāo)等級的確定具有一定的復(fù)雜性。因此，為使評價等級的劃分簡單而明確，將評價結(jié)果總共分為4個等級，如表1所示。

表1 山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價等級劃分

根據(jù)道路的設(shè)計參數(shù)、要點和基本特征，構(gòu)建基于可能性的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價指標(biāo)體系如表2所示。將各指標(biāo)數(shù)值劃分為不同的區(qū)間，表2中括弧內(nèi)的參數(shù)即為相應(yīng)指標(biāo)等級下的指標(biāo)區(qū)間。如：表2中子指標(biāo)圓曲線半徑C11，根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)設(shè)計速度為40 km/h時，圓曲線最小半徑為65 m，同時考慮圓曲線半徑對行車安全的影響，根據(jù)其取值范圍將山區(qū)公路的圓曲線半徑劃分為[500,300)、[300,150)、[150,65)、[65,0] 四4個等級。特征量值一般選取系統(tǒng)安全水平較好、發(fā)生事故的可能性小、事故嚴(yán)重程度較輕等級情況下的某一指標(biāo)數(shù)值。如：表2中特征量x11在[b11,c11)內(nèi)。

表2 基于可能性分析的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價指標(biāo)體系

2)構(gòu)造評價模型物元矩陣

根據(jù)式(1)(2)以及各評價指標(biāo)Ci的分級情況，由道路線形C1指標(biāo)集構(gòu)成經(jīng)典域物元矩陣R11～R14以及節(jié)域物元矩陣R1P；由道路環(huán)境C2指標(biāo)集構(gòu)成經(jīng)典域物元矩陣R21～R24以及節(jié)域物元矩陣R2P。

3)確定各級指標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)層次分析法和道路的實際情況，確定各二級指標(biāo)Cik的權(quán)重aik及各一級指標(biāo)Ci相對于整個體系的權(quán)重ai。

4)計算關(guān)聯(lián)度

利用式(3)～(5)(7)～(8)，首先計算出山嶺地區(qū)干線公路交通安全可能性對于系統(tǒng)指標(biāo)Ci關(guān)于評價等級j的關(guān)聯(lián)度Kij(Xik)；再進(jìn)行針對第一級評價指標(biāo)的評判，從而獲得山嶺地區(qū)干線公路交通安全可能性關(guān)于評價等級j的關(guān)聯(lián)度Kj(Xi)。

5)確定評價等級

若Kjo(N0)=maxKj(N0)，則可確定待評事物N0歸屬于等級j0，即確定山嶺地區(qū)干線公路交通事故發(fā)生可能性的等級。

根據(jù)式(6)(9)計算得待評事物N0的級別變量特征值j**，判別山嶺地區(qū)干線公路交通發(fā)生事故的可能性偏向某一安全等級的趨勢。

根據(jù)山嶺地區(qū)干線公路交通安全可能性N0的歸屬等級，結(jié)合山嶺地區(qū)干線公路交通安全可能性的發(fā)展態(tài)勢，可評定該評價路段單元是否安全，并根據(jù)實際的評級等級，確定是否需對影響該評價路段安全的因素進(jìn)行改善與調(diào)整，從而提高該公路的安全水平。

3.3 基于嚴(yán)重性分析的評價模型

與基于可能性分析的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價相似，基于嚴(yán)重性分析的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價是通過嚴(yán)重性評價指標(biāo)所構(gòu)成的評價體系，運用物元分析模型基本理論對所需評價的公路單元進(jìn)行綜合評價。

1)確定模型評價指標(biāo)與等級

根據(jù)山嶺地區(qū)干線公路行車安全影響因素的分析和交通安全事故數(shù)據(jù)的處理，并參考文獻(xiàn)[17-21]，選擇相應(yīng)的嚴(yán)重性評價指標(biāo)集作為山嶺地區(qū)干線公路交通安全嚴(yán)重性評價指標(biāo)體系，如表3所示。

表3 基于嚴(yán)重性分析的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價指標(biāo)體系

2)構(gòu)造評價模型物元矩陣

針對交通安全設(shè)施C3以及道路結(jié)構(gòu)C4指標(biāo)集，分別構(gòu)造經(jīng)典域物元矩陣與節(jié)域物元矩陣。

3)確定各級指標(biāo)的權(quán)重、關(guān)聯(lián)度及評價等級

各級指標(biāo)的權(quán)重、關(guān)聯(lián)度及評價等級參見3.2部分的步驟3)～5)確定。

根據(jù)山嶺地區(qū)干線公路交通安全嚴(yán)重性N0的歸屬等級，能評判該評價路段是否安全、是否需要完善等。

4 應(yīng)用實例

4.1 路段概況

依據(jù)山區(qū)干線公路的交通事故特征，選取國道G206廣東省興寧市松陂村(K2210+926～K2211+260)路段，進(jìn)行基于嚴(yán)重性分析的交通安全評價。該路段各項指標(biāo)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

K2210+926～K2211+260路段路側(cè)沿線設(shè)有A級波形梁護欄，并且在K2211+200處與S120形成T字型交叉口，沿線基本上為填方路段。

4.2 基于嚴(yán)重性分析的山區(qū)干線公路交通安全評價

1)確定評價指標(biāo)與等級

根據(jù)(K2210+926～K2211+260)路段的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與實際情況，同時參照文獻(xiàn)[22-23]確定嚴(yán)重性評價指標(biāo)體系以及對評價指標(biāo)進(jìn)行具體的等級劃分，如表5所示,表中g(shù)為重力加速度。

表4 G206興寧松陂村K2210+926～K2211+260路段指標(biāo)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

表5 山區(qū)干線公路交通安全嚴(yán)重性評價指標(biāo)體系

2)構(gòu)造評價模型物元矩陣

指標(biāo)C3的節(jié)域物元矩陣

同理，構(gòu)建指標(biāo)C4的經(jīng)典域物元矩陣R41～R44以及節(jié)域物元矩陣R4p。

3)確定各級指標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)層次分析法以及護欄工程在交通事故的中重要程度，并通過相關(guān)計算處理，賦予各特征指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重。(K2210+926～K2211+260)路段交通安全嚴(yán)重性二級評價指標(biāo)護欄完備率C31的權(quán)重為0.401 6，護欄防撞等級C32的權(quán)重為0.598 4。

同理，計算山區(qū)干線公路交通安全嚴(yán)重性評價一級指標(biāo)道路設(shè)施C3的權(quán)重為0.598 4，道路結(jié)構(gòu)C4的權(quán)重為0.401 6。

4)計算關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(3)～(5)(7)～(8)計算出各特征指標(biāo)Ci所包含的各子指標(biāo)Cik相對于各評價等級的關(guān)聯(lián)度Kij(Xik)，再進(jìn)行綜合關(guān)聯(lián)度的計算，得到國道G206(K2210+926～K2211+260)路段交通安全嚴(yán)重性評價指標(biāo)關(guān)聯(lián)度Kj(Xik),如表6所示。

如：表6中數(shù)字0.403 5為評價路段二級指標(biāo)C31對于1級評級等級的關(guān)聯(lián)度；1.264 7為評價路段所有評價指標(biāo)對于2級評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度。

將表6的結(jié)果，代入式(6)(9)計算得出各級指標(biāo)的特征值，二級指標(biāo)C31、C32、C41的特征值j*分別為1.83、1.90、1.96，一級指標(biāo)C3、C4的特征值j**分別為1.87、1.96。

表6 評價路段交通安全嚴(yán)重性評價指標(biāo)對評價等級的關(guān)聯(lián)度

5)確定評價等級

由表6可知，K2(N0)=maxKj(N0)=1.264 7，即評價對象國道G206廣東省興寧市松陂村路段(K2210+926～K2211+260)基于嚴(yán)重性分析的山區(qū)干線公路交通安全評價等級為2級，由表1可知，該路段交通安全性處于“良”狀態(tài)。根據(jù)一級指標(biāo)C3、C4j**的計算結(jié)果(1.87、1.96)可得，基于嚴(yán)重性分析的山區(qū)干線公路路段(K2210+926～K2211+260)交通安全處于“良”狀態(tài),且更傾向于“優(yōu)”。評價結(jié)果與國道G206廣東省興寧市松陂村(K2210+926～K2211+260)路段的實際情況相符，證明所建模型的正確性。

5 結(jié)語

通過分析交通安全評價的基本原則和山嶺地區(qū)干線公路地形、道路特征對交通安全的影響，選取物元分析法作為山嶺地區(qū)干線公路交通安全的評價方法?；谖镌治鲈u價法建立山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價模型，對評價模型的指標(biāo)體系和權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建基于可能性與嚴(yán)重性分析的山嶺地區(qū)干線公路交通安全評價模型，并結(jié)合實例對模型加以應(yīng)用，驗證了所建模型的正確性。

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Traffic Safety Evaluation of Main Highway in Mountain Area Based on Matter Element Analysis

WANGMingjie

(GuangdongProvinceCommunicationsPlanning&DesignInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou510507,China)

Combined with the selection principle of traffic safety evaluation method and the road traffic characteristics of trunk highway in mountain region, the traffic safety evaluation model of the mountainous area highway is built based on the analysis of the possibility and severity by means of the matter-element analysis and evaluation method. The application example verifies the operability and science of the analysis model, which provides the theoretical basis and technical support for improving the traffic conditions of mountain trunk highways and eliminating the black spots of accidents and increasing the operational level of traffic safety.

mountain region；trunk highway；traffic safety；evaluation model；matter-element analysis

2016-11-14

汪明杰(1989—)，男，江西婺源人，助理工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向為交通安全、交通規(guī)劃、交通組織與管理及交通設(shè)計，E-mail：wwwmingjie@126.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.004

U492.8

A

1672-0032(2017)01-0021-08