基于層次分析法的高速公路隧道群安全風險研究

摘要：為對高速公路隧道群安全風險進行研究，文章利用某山區(qū)隧道群在2018—2020年的交通事故數據，采用層次分析法進行高速公路隧道群交通安全風險因素識別，得到如下主要結論：（1）風險識別是后期風險分析以及風險應對的重要基礎，風險識別主要包括準備階段和專家調查階段，主要包括天氣條件、道路表面條件、光線條件、碰撞類型、事故原因、司機性別、司機年齡、碰撞前車輛狀態(tài)八個方面共27個風險因素；（2）通過層次分析法對識別的風險因素進行風險評估，確定每個風險因素的綜合權重，綜合權重超過3%的重點風險因素有11項；（3）通過對風險因素進行了關聯規(guī)則挖掘，發(fā)現天氣條件和未按交通規(guī)定駕駛是導致隧道群發(fā)生交通事故的最重要的因素；（4）汽車在發(fā)生碰撞前為直行狀態(tài)時產生車輛追尾事故是隧道群交通事故的主要類型。

關鍵詞：高速公路隧道群；交通安全風險管理；層次分析法；應對措施

中圖分類號：U458.1 A 41 145 4

0 引言

隨著我國的經濟發(fā)展，在交通強國戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的大背景下，大量的公路、鐵路線路均需要進行大量的隧道建設，我國已成為現今世界上隧道數量最多、規(guī)模最大、工程條件最復雜、技術發(fā)展最迅速的國家［1］。我國高速公路建設正在不斷推進，中西部地區(qū)的交通基礎設施的愈發(fā)完善，越來越多的山區(qū)高速公路隧道投入運營，我國的隧道群規(guī)模也在不斷擴大。根據已有的數據顯示，山區(qū)隧道群路段發(fā)生的交通事故無論從頻率上還是嚴重程度上都遠遠高于平原區(qū)［2］。因此，對山區(qū)隧道群進行交通安全風險管理，從而減少交通事故是非常有必要的。目前對于隧道交通安全風險管理的方法已有了不少研究。陳黨委［3］利用問卷調查法、文獻研究法、定性和定量相結合的分析方法，對杭州地鐵列車運營風險管理進行了深入研究。王志杰等［4］以四川省的雅康高速公路為例，梳理了雅康高速公路隧道的運營管理現狀，介紹了新搭建的交通安全管理平臺，并提出運營管理建議。 周兵等［5］依托馬巒山隧道實際工程，提出了基于總體評判和專項評估相結合的城市交通隧道運營期安全風險評估體系。藍嵐［6］進行了針對隧道群的交通安全風險因素識別，改進了傳統(tǒng)的Apriori算法流程，并結合層次分析法進行了交通安全風險因素的挖掘。目前針對隧道交通安全風險管理最常用的方法包括層次分析法、模糊綜合評價法等。

然而上述學者對隧道交通安全風險管理的研究還存在很多缺陷，尤其對于山區(qū)隧道群進行交通安全風險管理的研究較少，因此本文在前人研究的基礎上，利用某山區(qū)隧道群在2018—2020年的交通事故數據，采用層次分析法進行高速公路隧道群交通安全風險因素識別，并對引起交通事故的重點因素提出建議。

1 層次分析法原理與計算方法

山區(qū)隧道群復雜的環(huán)境條件導致了其影響交通安全的因素較多，因此在進行風險評價過程中，需要考慮較多的影響因素，構建多層次風險評價的指標體系。本文考慮選取層次分析法對山區(qū)隧道群的交通安全風險管理進行評價。

層次分析法（AHP）是一種將研究對象及其相關因素進行分解、劃分，借助數學分析方法對非定量事件進行定量化，從而計算出各因素權重的研究方法。層次分析法通常被用于多個對研究對象影響能力不一致的影響因素之間存在復雜關聯，使得決策者無法做出判斷的研究中［7］。其基本原理是假設系統(tǒng)內部的各個影響因素之間相互獨立，建立層次結構模型，構造判斷矩陣，然后通過各個影響因素之間進行對比分析得到各個影響因素之間的相對重要程度，計算出各個影響因素對研究對象的影響權重大小。其步驟如下頁圖1所示。

1.1 構建判斷矩陣

構建判斷矩陣采用的是層次分析法的九標度法，即對準則層和指標層的各個元素進行對比打分，形成比較矩陣，并對判斷矩陣的權重進行計算。判斷矩陣的形式如下頁表1所示，判斷矩陣的標度含義如下頁表2所示。

1.2 計算權重及一致性檢驗

計算權重主要分為3個步驟：

（1）計算判斷矩陣的特征向量Wi：

Wi=Πnj=1aij1n，（i=1，2，…，n）（1）

（2）特征向量Wi歸一化：

Wi=Wi∑ni=1Wi，（i=1，2，…，n）（2）

則特征向量為：

W=［W1，W2，…，Wn］T（3）

（3）求解判斷矩陣的最大特征值λmax：

λmax=1n∑ni=1

［AW］iWi，（i=1，2，…，n）（4）

為避免其他因素對判斷矩陣造成干擾，層次分析法需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。一致性檢驗公式為：

CR=CIRI（5）

式中：CR——一致性比率，當CRlt;0.1時，則認為判斷矩陣A通過一致性檢驗；當CRgt;0.1時，則認為判斷矩陣A未通過一致性檢驗。

其中CI表示判斷矩陣A的偏離一致性指標，計算公式為：

CI=λmax-nn-1（6）

式中：RI——平均隨機一致性指標，其值的大小與矩陣的階數有關。

2 調查路段概況及風險評價

2.1 調查路段概況

本文調查的隧道群路段全長28.8 km，其中橋梁路段3.6 km。隧道群共由10個隧道組成，其中隧道長度超過3 km的特長隧道有5個，另外5個為長度為1～3 km的長隧道，隧道之間的間距非常小。對該隧道群路段進行數據采集，采集的主要內容如表3所示。

該隧道群路段在2018—2020年間共發(fā)生了800余起交通事故，其中2018年發(fā)生了146起、2019年發(fā)生了318起、2020年發(fā)生了369起。對交通事故的屬性進行調查統(tǒng)計，屬性信息分為3個部分：（1）碰撞記錄數據，包括事故發(fā)生原因、事故發(fā)生時的天氣、碰撞類型等；（2）事故參與方的數據，包括交通參與者的年齡和性別、車輛特征等屬性信息；（3）傷者的數據，包括受傷程度、傷者性別等屬性信息。

2.2 交通安全風險識別

風險識別是整個風險管理工作中最重要的一環(huán)，其為后期風險分析及風險應對奠定了重要基礎。風險識別主要包括兩部分內容：

（1）準備階段，針對上文中對隧道群路段交通事故屬性信息的統(tǒng)計資料，得到風險層次分析框架如圖2所示。

（2）專家調查階段，該階段主要采取德爾菲法，該方法在專家調查上面具有較大優(yōu)勢，可以使得調查結果更加可靠［8］。在專家調查階段共收集到16 位專家的結果，這16位專家中有10位從事一線的交通管理工作，占比為62.5%，有4位來自高等院校，專門從事交通管理相關的研究，占比為25%。同時，這些專家大多具有本科及以上的學歷，具有中級及以上職稱，從事相關工作的工作年限超過5年。綜合來看，參與專家調查的專家專業(yè)性強，他們的打分具有較高的可信度。

2.3 交通安全風險評價結果

根據專家調查階段的16位專家的評分結果，構造判斷矩陣，計算權重，最終權重計算結果見表 4。

由表4可知，在準則層中，對山區(qū)隧道群交通安全影響權重超過15%的風險因素有3個，分別為天氣條件、事故原因和碰撞前車輛狀態(tài)，這說明天氣條件、事故原因和碰撞前車輛狀態(tài)對山區(qū)隧道群交通安全影響較大。在指標層中，將綜合權重超過3%的風險因素確定為重點風險因素，因此，重點風險因素有11項，其中超過6%的4項，分別為天氣條件中的雨天或雪天、道路表面條件中的路面濕潤和路面打滑、事故原因中的未按交通規(guī)定駕駛。其中，事故原因中的未按交通規(guī)定駕駛的綜合權重最高，達到了14.56%，未按交通規(guī)定駕駛一般包括不安全的速度（超速或速度過慢）、未保持安全距離、車輛逆行、不安全的變道以及不合適的轉向。綜合權重低于3%的風險因素有16項，故將綜合權重低于3%的風險因素確定為非重點風險因素。

2.4 關聯規(guī)則挖掘

在通過層次分析法對上述山區(qū)隧道群交通安全風險因素進行分析的過程中，可以發(fā)現眾多風險因素之間并非是完全獨立的，很多因素之間也存在一定的因果關系，因此，本節(jié)利用了R語言中的“arules”函數包，對前述風險因素進行了關聯規(guī)則挖掘，得到了相關因素之間的關聯規(guī)則。得到了如下重點結論。

（1）未按交通規(guī)定駕駛的關聯規(guī)則支持度更高，可知未按交通規(guī)定駕駛在高速公路隧道群中更易導致事故發(fā)生。

（2）在隧道群中，未按交通規(guī)定駕駛更易導致車輛追尾事故。

（3）在隧道群中，直行狀態(tài)下更易發(fā)生車輛追尾事故。

（4）路面濕潤條件下車輛更易處于不安全的速度狀態(tài)，進而發(fā)生交通事故。

（5）交通事故大多發(fā)生在白天。

綜上可知，天氣條件和未按交通規(guī)定駕駛是導致隧道群發(fā)生交通事故的最重要的因素。另外，汽車在發(fā)生碰撞前為直行狀態(tài)時產生車輛追尾事故是隧道群交通事故的主要類型。

3 施工過程風險應對措施

針對前文對山區(qū)隧道群交通安全風險因素的評估結果，本節(jié)重點討論天氣條件、未按交通規(guī)定駕駛以及碰撞前車輛狀態(tài)這幾大重點影響山區(qū)隧道群交通安全風險因素的應對措施。

3.1 天氣條件風險應對措施

根據風險因素的評估結果可知，在山區(qū)隧道群交通安全風險因素中，天氣條件所占權重為16.37%，位列所有風險因素的第3位，對山區(qū)隧道群交通安全產生了非常大的影響，因此應尤為重視該風險因素的影響。應對措施如下：

（1）高速公路管理部門應與氣象部門保持密切溝通，及時關注未來一段時間的天氣狀況，對各種不同的天氣情況做好應對措施，在遇到雪天或者大霧時，在必要情況下可選擇封鎖相關路段，限制車輛通行。

（2）應強化司機在山區(qū)高速公路隧道行駛的安全意識以及遇到緊急措施的處理方法。

3.2 未按交通規(guī)定駕駛風險應對措施

山區(qū)公路隧道群交通安全風險因素中，未按交通規(guī)定駕駛這一單項因素所占綜合權重為14.56%，位列所有單項因素的第1位，同時未按交通規(guī)定駕駛還與多個因素有一定關聯性，對山區(qū)隧道群交通安全產生了非常大的影響，應對措施如下：

（1）高速公路管理部門應加強對山區(qū)高速公路隧道群的交通安全監(jiān)管力度，嚴查高速公路隧道群路段出現車輛的不安全速度（超速或速度過慢）、未保持安全距離、車輛逆行、不安全的變道以及不合適的轉向等未按交通規(guī)定的駕駛現象。

（2）應加強對司機的安全教育，在山區(qū)高速公路隧道群路段應嚴格按照交通法律法規(guī)駕駛車輛。

3.3 碰撞前車輛狀態(tài)風險應對措施

據風險因素的評估結果可知，山區(qū)隧道群交通安全風險因素中，碰撞前車輛狀態(tài)所占權重為19.635%，位列所有風險因素的第1位，其中當碰撞前車輛狀態(tài)為變速狀態(tài)時的風險最高，綜合權重為5.4%；當碰撞前車輛狀態(tài)為直行狀態(tài)時的風險雖然較低，但根據關聯規(guī)則挖掘的結果，直行狀態(tài)下更易發(fā)生車輛追尾事故，因此也需要關注。應對措施如下：

（1）高速公路管理部門應在易發(fā)生事故的路段設置警示牌，提醒路過車輛小心行駛。

（2）司機在變速行駛前應先觀察前后有無車輛，在車輛保持直行時，應按照規(guī)定的速度行駛，同時應注意休息，避免疲勞駕駛。

4 結語

本文利用某山區(qū)隧道群在2018—2020年的交通事故數據，采用層次分析法進行高速公路隧道群交通安全風險因素識別，并對引起交通事故的重點因素提出建議，得到如下主要結論：

（1）風險識別是后期風險分析以及風險應對的重要基礎。風險識別主要包括準備階段和專家調查階段，并確定了包括天氣條件、道路表面條件、光線條件、碰撞類型、事故原因、司機性別、司機年齡、碰撞前車輛狀態(tài)等八個方面共27個風險因素。

（2）通過層次分析法對識別的風險因素進行風險評估，確定每個風險因素的綜合權重。在準則層中，對山區(qū)隧道群交通安全影響權重超過15%的風險因素有3個，分別為天氣條件、事故原因和碰撞前車輛狀態(tài)，在指標層中，綜合權重超過3%的重點風險因素有11個，其中超過6%的4個，分別為天氣條件中的雨天或雪天、道路表面條件中的路面濕潤和路面打滑、事故原因條件中的未按交通規(guī)定駕駛。

（3）對上述風險因素進行了關聯規(guī)則挖掘，得到了相關因素之間的關聯規(guī)則，發(fā)現天氣條件和未按交通規(guī)定駕駛是導致隧道群發(fā)生交通事故的最重要因素。另外，汽車在發(fā)生碰撞前為直行狀態(tài)時產生車輛追尾事故是隧道群交通事故的主要類型。

參考文獻

［1］朱德群.上饒市三江導托渠工程風險管理研究［D］.蘭州：蘭州交通大學，2021.

［2］黎巧臨.山區(qū)高速公路安全應急和預警聯動方法研究［D］.重慶：重慶交通大學，2015.

［3］陳黨委.杭州地鐵公司列車運營風險管理研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2021.

［4］王志杰，李永林，王 健，等.四川省高速公路隧道運營管理探討［C］.中國公路學會養(yǎng)護與管理分會第十一屆學術年會論文集，2021.

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［6］藍 嵐.高速公路隧道群交通安全風險分析［D］.北京：中國人民公安大學，2022.

［7］郝 鵬.萬家寨水利樞紐高邊坡危巖體影響因素敏感性研究［D］.鄭州：華北水利水電大學，2020.

收稿日期：2022-12-20