區域高速公路網絡結構對交通安全的影響與評價

韓躍杰，王玉蘭，程 毅

(1.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064；2.山東省交通規劃設計院，山東 濟南 250031； 3.遼寧省交通建設管理有限責任公司，遼寧 沈陽 110005)

0 引 言

隨著社會經濟的不斷發展，高速公路交通安全問題日益突出。由于高速公路的封閉性，使交通事故的影響在區域高速公路網絡中迅速擴散，導致區域高速公路網的抗破壞性明顯弱于城市路網。因此，路網結構成為行業學者研究的一個新熱點。

目前，國外專家學者多注重于復雜網絡結構特性的研究[1-2]，交通領域相關研究也集中在路網結構特征方面[3]，如Scott等[4]將路網拓撲結構指標用于公路網性能評價與路網規劃；Dia[5]將道路網絡設計問題作為雙層線性規劃問題，尋找區域公路網的最佳投資方案。國內關于路網拓撲結構的研究主要關注2個方面[6-7]：一是路網結構特征研究；二是基于路網拓撲結構開展的應用研究，主要包括布局優化、可靠性研究與評價等方面。張毅等[8]分析了北京市公交系統的拓撲參數并提出建議；鄧亞娟等[9]基于對偶拓撲復雜網絡理論研究了渭南市交通網絡結構特征并提出優化建議；李進[10]基于空間網絡理論改進了區域高速公路網布局規劃模型；袁劍波等[11]評價了公路網的交通網密度和宏觀規模。在可靠性評價方面，范海雁等[12]提出了路網拓撲結構可靠性的評價指標，并建立了評價模型；杜華兵[13]研究了城市道路網絡結構，并提出了以改善道路網絡結構來提高路網功能的路網優化模型。在高速公路網絡研究應用方面，林松濤等[14]基于復雜網絡理論分析了高速公路路網拓撲結構的可靠性；肖雪梅等[15]基于復雜網絡理論構建了城市軌道交通運營安全評價模型；龍雪琴等[16]以區域高速公路網安全度最大為目標提出區域高速公路網安全性評價指標。

上述研究主要圍繞道路網絡結構的功能(如可靠性、服務水平、失效程度等)展開，沒有深入分析道路網絡拓撲結構與交通安全之間的關系。基于此，本文在廣泛的文獻研究的基礎上，分析路網拓撲結構對區域高速公路網安全性的影響，構建區域高速公路網絡拓撲結構安全性綜合評價指標體系，對區域高速公路網拓撲結構的安全性進行綜合評價。

1 評價指標體系的構建

1.1 評價指標分析

孫根年的研究指出：樹形網絡結構簡單；完全圖式網絡通達性強，節點對網絡的影響程度較高；環放式網絡交通流在環周圍泄壓能力強[17]。這說明不同的區域高速公路網結構對交通安全的影響是不同的，主要表現在不同的路網拓撲結構對汽車的安全行駛環境影響不同，因此路網結構安全性評價的指標需要從影響汽車行駛環境的因素中提取。

1.1.1 路網密度的均衡性

區域高速公路網的規劃與建設是以交通需求為前提的，不同的發展階段要有相應的路網規模。區域高速公路網建設規模超過實際交通需求時，不僅會導致資金、土地等資源的占用和浪費，還會因車輛易于超速行駛等導致交通運輸安全管理愈加困難；然而，路網建設規模過小，則會導致區域高速公路網提供的通行能力無法滿足實際交通量需求，道路交通量飽和，運行速度大幅降低，交通事故頻發，運輸效率低下，從而成為制約區域社會經濟持續發展的瓶頸。所以，區域高速公路網規模的發展應當與經濟發展、交通運輸需求相適應。路網密度在一定程度上反映了區域高速公路網的建設規模。在中國，經濟發達程度與地理位置息息相關，因此造成地區間路網密度差異顯著。路網密度的均衡性描述了路網規模與交通量需求之間的適應性，反映了路網密度對行車安全的影響。

1.1.2 路線交叉分布的均衡性

路網拓撲結構中線條數目越多，路線之間的連結和交叉就越多，汽車行駛過程中遇到的交通沖突點與駕駛員需要辨認的信息也越多，這對行車安全是不利的。然而，同樣的線條數目不一定有同樣數目的交叉點，同時，交叉點的分布也是不均勻的，路線交叉數目越多，交叉點分布越密集，對行車安全的不利影響就越明顯。路線交叉分布的均衡性反映了路網拓撲結構中交叉點及其分布對交通安全的影響。

1.1.3 節點密度

節點處進出的交通流會對主線交通流形成沖擊，導致駕駛員頻繁進行加速、減速、換道操作，對行車安全不利。節點密度越大，路網安全性越差。

1.1.4 線條流暢程度

平曲線和豎曲線半徑越小，道路安全性越差。曲線半徑越大，路線線形越流暢，說明道路平面線形條件越好，對行車安全越有利。所以，線條流暢程度越高，對行車安全越有利。

1.2 評價指標體系

根據路網結構安全性影響因素分析結果，構建路網結構安全性評價指標體系，如圖1所示。

圖1 路網結構安全性評價指標體系

2 評價指標權重的確定

專家打分法、層次分析法等都是常用的評價指標權重的確定方法，這些方法需要專家依靠經驗給出各指標的確定性權重。區域高速公路網拓撲結構安全性評價指標缺乏定性比較基礎，專家在權重評價的過程中受限于過往經驗，使得指標的定量評價過程中包含了許多不確定性影響，難以給出確定性評價結果。因此，本文采用集值統計法確定評價指標權重的分配。

2.1 集值統計法權重分配

集值統計法是對經典統計與模糊統計的推廣，相對于概率統計中要求每次試驗取得可能觀測值的集合中一個確定的點，集值統計法允許專家給出指標權重的一個范圍區間，即集值統計法得到的是專家對某一評價指標給出的一個區間估計值，而不是一個確定單一值。

(1)

由此，可以得到評價指標體系的m個權重值向量

W=(w1,w2,…,wm)j=1,2,…,m

(2)

集值統計方法較傳統算術平均法計算評估值的優點在于：把不同專家得到的評估結果看成是一種分布，取該分布形心處的對應值作為評估值，從而減少指標評估的隨機誤差和模糊程度。

2.2 權重分配計算

應用專家問卷調查的方式，獲取路網結構安全性評價指標體系權重分配專家打分結果，見表1。

表1 路網結構安全性評價指標體系專家打分結果

采用集值統計法計算專家打分結果，得到指標權重分配結果為W=(0.24,0.21,0.25,0.30)。

3 模糊綜合評價

確定了評價指標權重后，還需綜合評價指標值對區域高速公路網絡拓撲安全性進行評價。模糊綜合評價法的優勢在于能夠對模糊的問題進行數學性的科學刻畫，故結合本文構建的評價指標體系的特點，采用模糊綜合評價法進行綜合評價。

3.1 確定評語集

影響路網結構安全性的指標有4個，即{a，b，c，d}，通過對4個單因素進行判斷，按照各因素對路網結構安全性影響的不利程度劃分，確定模糊綜合評價的評語集并給出評價等級：S=(100，80，60，40，20)，100表示很安全，80表示安全，60表示一般，40表示較不安全，20表示不安全。

3.2 構造模糊權判斷矩陣

假設有n個專家參與評價，由他們對4個指標的打分得到的樣本數據構成矩陣

(3)

式中：aij為第i個專家對第j個指標的評分值。

引入白化權函數描述各評價指標與路網結構安全性的模糊關系，5個隸屬函數如下。

(6)

(7)

(8)

構造單因素的模糊權矩陣

(9)

3.3 模糊綜合評價計算

模糊權矩陣R反映了某個被評價事物從不同的單因素來看對各等級模糊子集的隸屬程度，用模糊權向量將不同的因素進行綜合，得到模糊綜合評價模型，然后采用加權求和法得到模糊綜合評價結果。假設存在n個區域高速公路網絡結構樣本，P為綜合評價結果，則

P=W×Ri×ST

(10)

式中：Ri為第i個評價指標的模糊權向量。

4 實例計算

4.1 評價對象

以河北省區域高速公路網為例，截取4個市行政區劃內的高速公路網作為評價對象，見圖2。

圖2 區域路網結構

4.2 專家打分確定模糊權矩陣

對每個樣本各指標專家打分結果進行處理，計算得到4個樣本的模糊權矩陣，見式(11)～(14)。為了得到更加合理的模糊權矩陣，參與打分的專家人數應該盡可能多，調查過程中還應注意解釋指標涵義。

4.3 綜合評價結果計算

對于每一個樣本有：Ui=W×Ri(i=1～4)，計算得到

(15)

對Ui歸一化后得到

(16)

根據式(10)計算得到4個樣本的綜合評價結果：P=(60.50,69.12,75.68,72.22)。

5 結 語

區域高速公路網絡拓撲結構特征對區域交通安全有一定的影響，影響因素的影響特性很難定量計算并進行分級，本文結合模糊綜合評價法處理模糊問題的數學優勢，依據專家經驗獲取模糊定量問題的統計資料，確定區域高速公路結構安全性的各單因素判斷矩陣，采用集值統計法得到指標權重，建立綜合評價模型。實例計算表明，模型能夠評價區域高速公路網絡拓撲結構的安全性，評價結果反映了不同的網絡結構特征對區域交通安全性的影響。