基于灰熵模型的施工區隔離設施綜合性能評價研究

基金項目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“施工區裝配式無錨固移動護欄的結構、材料與防撞性能研究”（編號：2021KY1137）

作者簡介：周學翔（1992—），工程師，研究方向：道路材料、交通安全。

摘要：文章將灰熵評價法與多層次分析法引入到城市施工區隔離設施評價領域，建立基于灰熵的城市護欄綜合評價模型，選取無錨固混凝土移動護欄、移動鋼護欄、水馬為對象，利用灰熵綜合評價模型對某城市施工區隔離設施各評價指標進行分析，計算各評價對象與理想對象的均衡接近度并進行評估。分析表明，無錨固混凝土移動護欄綜合性能最好，移動鋼護欄次之，水馬綜合性能最弱。

關鍵詞：交通工程；灰熵；無錨固移動護欄

中圖分類號：U491.5⁺9

0 引言

護欄是城市交通的基礎設施之一，其對保證城市的交通安全起到重要的作用。早期我國施工區的隔離設施大多采用水馬或交通錐，這類隔離設施僅能起到隔離、警示的作用，不具備安全防護能力，以致于施工區交通事故頻發。近年來，施工區的安全防護設施逐步發展為以移動鋼護欄為代表的^［1］，具備防護能力的安全防護產品。移動鋼護欄能起到有效防護的作用，在一定程度上保障了施工作業人員的生命、財產安全^［2］。但從實車碰撞的效果來看，移動鋼護欄的位移偏大，且需要與地面錨固，易對后期鋪設的瀝青路面造成破壞^［3］。近年來，一種無錨固可移動護欄也被廣泛應用。此類護欄以混凝土為基座，通過對護欄的結構、細化連接方式、固定方式、旋轉角度等要素的設計，既能滿足基本的功能，又能拓展其在裝配過程中的高效率、在使用過程中的高重復利用率，同時還具有排除積水、適應線型等特點。

目前應用在我國施工區的隔離設施種類多樣，并且各有優缺點，這就給隔離設施的選擇帶來了困難，完全站在經濟或者安全的角度都是片面的。因此，本文通過將灰熵評價法與多層次分析法與城市施工區隔離護欄評價領域相結合，對城市施工區的隔離設施各評價指標進行分析，選取無錨固混凝土移動護欄、移動鋼護欄、水馬為對象，對其進行綜合性能評價。

1 評價指標體系的建立

目前學者們建立的大量評價均針對護欄結構的防撞性能進行仿真模擬和足尺試驗，這些研究主要圍繞護欄的防撞性能來展開，鮮有關于不同護欄類型的綜合評價研究。如何評價一種護欄的綜合性能與多種因素相關，而這些因素之間的關聯尚不十分明確，具有“灰色特性”。基于灰熵模型的綜合評價方法通過引入灰熵，改進了灰關聯分析局部關聯傾向、個性信息損失和分辨信息取值不同導致關聯度不同的缺點^［4］，使分析結果更準確，因此被應用于多個評價領域。

1.1 評價體系結構

根據現有的研究成果，本文建立了護欄評價指標體系，由安全性能、經濟性、環境與外觀、技術可行性作為一級指標，同時確定了每個一級指標下最有主導性的二級指標，在評價指標賦值過程中，對于定量的指標直接可采用真實且具有代表性的數據，對于定性指標則根據其性能表現情況（優、良、一般、差）或者對一定數量的司機開展問卷調查，轉化并采用十分制進行評分。

1.2 評價指標說明

本文以科學性為原則，選取的評價指標盡量客觀真實地反映每種護欄的特點以及優劣勢，客觀全面地反映出各指標之間的關系。因此，本文從護欄的安全性、經濟性、環境與外觀、技術可行性4個角度來評價每種護欄的綜合性能。

（1）安全性能：包括路側安全凈區、防撞吸能、橫向動態變形。路側安全凈區是指公路行車方向最右側車行道以外、相對平坦、無障礙物、可供失控車輛重新返回正常行駛路線的帶狀區域^［5］。國內外統計數據表明，造成人員傷亡的交通事故中約有30％是由于車輛行駛出路外造成的，因此路側安全凈區寬度是安全設施評價的一個重要指標，其確定方法參照《公路交通安全設施設計規范》（JTGD81-2006）^［6］。對于高速公路護欄來說，在建立其評價指標體系時，應考慮以下問題：①要避免車輛碰撞后直接穿越護欄，與對向行駛車輛發生二次事故，造成交通阻塞；同時也要阻止車輛沖出路側護欄，墜入深溝、湖泊等危險地帶，還需要避免車輛與路側危險物發生碰撞；②要確保車輛碰撞護欄后以較小的駛離角、回彈量和正常行駛方向停留在安全區域，該過程的運動軌跡應圓滑過渡，不干擾后續車輛的行駛，避免二次事故發生；③在車輛與護欄碰撞的過程中，要求護欄能發揮良好的吸能作用，也要求碰撞時的加速度≤200 m/s²，以保證車內人員生命安全^［7］；④護欄的橫向動態變形值反映了安全護欄的實際功能，通過這些指標的確定可以評價其在保障安全以及導向方面發揮作用的大小。

（2）經濟性：包括護欄的生產成本、每延米的安裝成本，以及受到機動車的撞擊后是否具有可循環利用的特點。在考慮護欄生產和安裝成本的同時，也要考慮后續的維修成本。因此，具有可循環利用特點的護欄，不僅在人力、物力、財力方面更加節省，而且也更加綠色環保，符合可持續發展的理念。

（3）環境與外觀：包括視覺誘導以及護欄與周圍景觀的協調性。考慮護欄的設計是否能夠誘導駕駛員的視線，使駕駛過程中看到的道路兩側距離一目了然，使路線的前進方向明確無誤，不產生視錯覺，增加行車的安全性;同時考慮護欄的外觀設計是否與周邊環境相協調，使道路更加美觀。與環境相協調的護欄設計影響著駕駛員和乘客的行駛體驗，也進一步影響駕駛員的駕駛心理和駕駛行為。

（4）技術可行性：包括護欄構件的種類及數量、構件制作難度、護欄的使用壽命。護欄結構復雜程度和構件的種類及數量不僅影響護欄構件生產的周期，也影響施工時的安裝進度。

評估指標體系如表1所示。

基于灰熵模型的施工區隔離設施綜合性能評價研究/周學翔，鄭文詩

2 灰熵綜合評價的數學模型概述

確定原始數列：

x^*₀=［x^*₀（1），x^*₀（2），…，x^*₀（n）］"" （1）

確定理想值數列：

x^*_i=［x^*_i（1），x^*_i（2），…，x^*_i（n）］（i=1，2，…，m）"" （2）

數列的無量綱化處理：

V＇=［v＇_ij|v＇_ij=x^*₀（n）/x^*_i（n）］（i=1，2，…，m）"" （3）

C_i=［C_ij|C_ij=|v^*-v＇_ij|］"" （4）

灰色關聯度：灰色關聯度是參考序列和比較序列接近程度的測度^［8］。關聯度由關聯系數計算得出。關聯系數的計算式為：

灰色關聯度可表示為：

對各評評價因素的差值序列歸一化，得到數列為：

計算上述數列的熵及均衡度B：

考慮第一層次因素的權重，進行均衡接近度計算并選擇方案，關聯度r和均衡度B的乘積構造出評價的均衡接近度準則W。W值越大的評價對象越接近理想對象，該評價對象就越好，或者說越安全^［10］。

ω=B×r""" （9）

W =A×W₂""" （10）

3 護欄綜合評價

本文選擇水馬、移動鋼護欄和無錨固混凝土移動護欄3種道路交通防護設施為評價對象，指標數據來源于實車碰撞試驗，碰撞條件為1.5 t小轎車以100 km/h的速度碰撞護欄，碰撞角度為20°，運用以灰熵模型的多層次綜合分析法評價這3種道路交通防護設施的綜合性能。

3.1 交通防護設施系統指標集

選取水馬、鋼護欄和無錨固混凝土移動護欄的各個評價指標數據如下頁表2所示。

3.2 第二層次灰熵綜合評價

3.2.1 計算步驟

（1）確定理想對象。根據護欄的安全性能分析，理想狀態下，汽車在碰撞護欄后能回到路側安全凈區中線位置，沿原路方向繼續行駛，不影響其他車道行車。路側安全凈區A=2.2+V_W+V_L［其中VW為車輛總寬（m），V_L 為車輛總長（m）］，小汽車的車輛總寬取1.6 m，總長取3.4 m。乘員碰撞速度在≤12 m/s的情況下越小越好。乘員碰撞加速度在≤200 m/s²的情況下越小越好，表示車輛碰撞護欄后越安全。護欄最大橫向動態變形值越小表示護欄的穩定性越好。因此，理想指標集為X^*={3.5，0，0，0}。

根據經濟性分析，每延米生產成本和每延米安裝成本都是越小越好，每延米循環利用率越大越好。因此，確定的理想對象模型為X^*={1，1，1}。

護欄的環境與外觀評定由司機、乘客的調查問卷打分確定，最終得分為調查問卷的平均值。視線誘導與景觀協調都以最大值為目標。因此，確定的理想對象模型為X^*={10，10}。

根據技術可行性分析，護欄的構件種類越少，構件復雜度越低，生產難度就越低，且構件的設計使用壽命越長越好。因此，確定的理想對象模型為X^*={1，1，15}。

（2）以安全性灰熵評價為例，現將原始數據無量綱化處理，得到矩陣：

（3）各評價對象在理想指標的差值矩陣為：

（4）得到灰色關聯系數矩陣：

（5）計算得出各評價對象的灰關聯度：

（6）得到安全性熵及灰色關聯度的結果：H（C′₁）= 1.27；H（C′₂）=1.08；H（C′₃）=1.31，從而B₁=0.92；B₂=0.78；B₃=0.94。計算均衡接近度：W₁=0.49；W₂=0.67；W₃=0.77。

3.2.2 計算結果與分析

根據灰熵綜合評價的數學模型進行計算，可得護欄各性能具體數據如表3所示。

從均衡接近度可以看出，安全性能的均衡接近度為：W₃gt;W₂gt;W₁，由比較可知，水馬的安全性能最低，移動鋼護欄次之，無錨固混凝土移動護欄安全性能最好。經濟性的均衡接近度為：W₁gt;W₂gt;W₃，相比較可知，水馬的經濟性能最優，無錨固混凝土移動護欄次之，移動鋼護欄最差。環境與外觀的均衡接近度為：W₂gt;W₃gt;W₁，相比較而言，水馬的環境與外觀性能最差，移動鋼護欄最好，無錨固混凝土次之。技術可行性的均衡接近度為：W₁gt;W₂gt;W₃，相比較而言，水馬的技術可行性最優，無錨固混凝土移動護欄次之，移動鋼護欄最差。

3.3 第一層次灰熵綜合評價

確定安全性、經濟性、環境與外觀、技術可行性4種性能之間的權重A={0.5，0.2，0.2，0.1}，將權重矩陣帶入W=A×W₂中，得出：

因此，綜合性能的均衡接近度為：W₃gt;W₂gt;W₁。由此可知，無錨固混凝土移動護欄綜合性能最好，移動鋼護欄次之，水馬的綜合性能最弱。但通過各項指標的均衡接近度比較，無錨固混凝土移動護欄經濟性不如水馬和移動鋼護欄，因此該護欄應通過設計進一步降低生產和安裝成本。

4 結語

本文基于灰熵法對城市施工區隔離設施領域的不同層次間性能進行評價研究，提出了一種基于灰熵模型的綜合評價方法，利用此方法對全性能、經濟性、環境與外觀、技術可行性各因素進行了量化，可以將城市施工區隔離安全設施各指標的實際值與理想值進行量化比較，并通過運算獲得評價結果。其結果具有客觀性和可比性，為選擇合理的交通安全設施，提高路側交通安全和經濟社會效益提供理論基礎和科學依據。

該方法驗證了無錨固移動護欄與常見護欄相比在綜合性能上的優越性，其在安全性能、環境與外觀、技術可行性等方面具有不錯的表現，但在經濟性方面尚存在不足，應通過結構設計進一步降低生產和安裝成本。

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收稿日期：2023-04-11