基于物元可拓組合模型的高速公路道路安全風險評價

周洪文,馮鑫淼,王 宏,陳昕霞

(1.上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院,上海 201418;2.河南省公路工程局集團有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引 言

截止2022年末,全國高速公路總里程已達到17.73萬公里[1]。但與此同時,道路交通事故的數量逐年上升,導致了重大的人員傷亡及財產損失。因此,需要對高速公路道路安全進行風險評價,分析各風險因素之間的內在聯系,準確識別出高速公路道路的安全隱患及關鍵風險因素,提高高速公路道路安全水平。

針對道路安全問題已有大量研究,LUO Wenhui 等[2]提出了一種基于數據挖掘的實時道路交通安全風險評價模型,通過Apriori算法對風險因素或事故狀態進行關聯控掘,利用K-means對得到的概率和嚴重程度進行計算,實現實時風險評估,該模型準確率為88%;CHEN Sikai 等[3]基于美國不同等級的高速公路,分析事故的與道路狀況之間的關聯,發現車流量和道路因素是導致事故的主要原因; S.HAN等[4]以事故指標和隱患指標為基礎,構建了交通安全評價體系,采用AHP-EMW進行組合賦權,再運用Topsis法對10條城市道路進行安全評價;劉唐志等[5]采用熵權法和物元法相結合,以互通立交出口匝道為研究對象,選取實際案例進行評價分析并提出相應的建議措施;賀玉龍等[6]以湖南省高速公路為背景,引入了未確知測度理論,從天氣、線形、路面、交通狀況4個方面對高速公路交通安全進行風險評價,并驗證該方法具有一定的可行性;成衛等[7]基于1 939例交通事故,構建了樹增廣型貝葉斯網絡預測模型,并通過數據融合法對因素進行量化分析,識別出關鍵致因因素;李珣[8]基于安全等級劃分,建立高速公路安全評價模型并與河南省6條高速相結合確定風險因素,再通過秩和比法劃分高速公路安全等級。

綜上,現有研究奠定了高速公路道路安全性評價的基礎,但多是探究不同因素對高速公路安全程度的影響,未對因素間的內部影響程度進行探究。而高速公路是一個由人-車-路-環境相結合的復雜系統,其中人的因素較為主觀,車、道路、環境都屬于客觀因素。在事故產生的原因中,客觀因素占比更大,導致的后果也更加嚴重,其中,道路環境又是最關鍵的因素[10]。因此,筆者從系統的角度出發,基于道路因素建立初始指標體系,引入德爾菲法和敏感性分析對指標進行篩選,構建高速公路道路安全評價指標;提出決策實驗室分析法(DEMATEL)-解釋結構模型法(interpretative structural modeling method, ISM)和物元可拓的組合評價模型,通過DEMATEL-ISM識別出關鍵影響因素并計算初始權重,再與熵權法所求的客觀權重進行組合賦權;最后運用物元可拓模型對實際工程進行關聯度計算,確定高速公路道路安全風險評價等級。

1 指標體系

1.1 指標體系建立

依據JTG D20—2017《公路路線設計規范》并結合文獻[8]～文獻[10],基于道路因素,從道路線形、路面狀況、交通安全設施、道路環境和管理因素這5個維度建立初始指標體系,如表1。關于隧道、橋梁等特殊構造物暫不研究。

表1 初始指標體系

1.2 指標的篩選與確定

在構建初始指標體系時,涉及到諸多影響高速公路道路安全的因素,內容繁雜且部分指標存在重疊性。因此,引入“敏感性”的概念,通過德爾菲法對初始指標體系進行篩選,從而建立更加系統、科學的指標體系。通過邀請從事道路安全的相關專家及高校研究人員對指標體系中的因素進行評價,將專家分成10組,每個專家組包含高速公路施工工程師2名,高速公路運營與維護專家2名,高校工程管理專業教師4名,高校安全風險管理科研人員2名。引入文獻[11]的計算方式,得到指標的認可度及敏感性分布如圖1。舍去敏感性小于4的因素,構建高速公路道路安全綜合指標體系,如圖2。

圖1 評價指標的篩選Fig. 1 Screening of evaluation indicators

圖2 高速公路道路安全綜合指標體系Fig. 2 Comprehensive index system of highway road safety

2 安全風險評價組合模型

DEMATEL是通過判斷因素間的影響程度的強弱來構建影響矩陣,再基于相關計算得到指標權重,確定各因素在系統中的重要程度并識別系統中的關鍵因素[12]。ISM通過有向拓撲圖來表示因素間的層次關系,文獻[13]中的可拓理論,以物元為基礎,從定性與定量的角度研究解決復雜問題。基于此,筆者提出DEMATEL-ISM和物元可拓的組合評價模型,具體步驟如圖3。

圖3 組合評價模型Fig. 3 Combinatorial evaluation model

2.1 DEMATEL-ISM

DEMATEL-ISM的具體計算步驟如下:

步驟一：確定直接影響矩陣A。通過專家咨詢、問卷調查等方法確定指標體系里各影響因素之間的關系,得到直接影響矩陣A。

(1)

式中:aij為因素Xi對Xj的影響程度,且當i=j時,aij=0。

步驟二：計算綜合影響矩陣T。

(2)

式中:I為單位矩陣。

步驟三：計算影響度Di、被影響度Ci、中心度Mi、原因度Ni、初始權重W1i

(3)

(4)

Mi=Di+Ci

(5)

Ni=Di-Ci

(6)

(7)

步驟四：計算整體影響矩陣Z、可達矩陣H。其中通過設定閾值λ,得到可達矩陣H中的元素hij。

Z=T+I

(8)

(9)

步驟五：確定可達集合K和先行集Q,根據K∩Q進行層級確定,繪制ISM圖。

2.2 組合賦權

為了使權重更加的科學、準確,利用熵權法計算客觀權重W2i,并與初始權重W1i進行優化重組,得到組合權重Wi,具體步驟參考文獻[14]。

2.3 確定經典域和節域

物元是事物N、事物特征C和特征值V組成的三元組[13],記作R=(N,C,V)。

經典域:

(10)

式中:Nj為所劃分的第j個評價等級;ci為評價指標;(aji,bji)為第i個風險等級的取值范圍,即評價對象各優劣等級關于對應的特征所取的數據范圍,此為經典域[13]。

節域:

(11)

式中:Np為優劣等級的全體;(api,bpi)為Np關于ci所取的量值的范圍,即為節域。

2.4 關聯度計算

(12)

式中:D(vn,Vjn)和D(vn,Vpm)為實測值vn到經典域各級和節域范圍的距離,即:

(13)

(14)

2.5 確定風險等級

(15)

式中:Wi為組合權重。

根據關聯度計算,結果有Kk=max{Ki(N)},認為該評價對象等級為k級。

3 實例分析

選取河南省信陽某高速為研究對象,該高速公路全長123.175 km,選取其中3個路段L1、L2、L3,以實際測得數據為樣本,對其道路安全風險進行評估。

根據道路的可拓性,并結合JTG D20—2017《公路路線設計規范》、JTG B01—2014《公路工程技術標準》等相關規范要求,將各指標分為5個安全等級,用Ⅰ～Ⅴ來表示,其中Ⅰ 表示安全性很高,Ⅴ表示安全性低。通過咨詢行業相關專家確定經典域和節域的量化范圍,具體的實測值及等級標準劃分如表2。

表2 各指標的實測值及等級標準

3.1 內部影響因素分析

根據式(1),構建直接影響矩陣。采用了0-4語義變量標度法,0代表無影響,4代表影響較強。通過收集的20名專家打分表進行整理歸納,并按式(2)～式(7)進行計算,結果如表3,其中初始權重見表4。

表3 DEMATEL模型結果

表4 各指標權重值

由表3可知,b11、b12、b13、b14、b16、b43、b44、b45、b51、b52為原因因素,會對其他因素產生影響;在中心度的排名中,前5的因素分別為b11、b44、b41、b42、b12,這5個因素在整個高速公路道路安全系統中起著主導作用,是影響道路安全的關鍵因素,管理者應對這些因素給予較高的關注。

為更加直觀的體現內部因素間的關系,采用ISM繪制多級層次結構圖。根據式(8)、式(9)對于閾值λ采用賦值法[15],分別取λ=0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12進行對比分析。當閾值λ=0.09時,節點度數范圍較為合適,且模型結構清晰合理,如圖4。

圖4 結構模型Fig. 4 Structural model

由圖4可知:20個因素被分為了4個等級,筆者將其分為根本因素層、中間因素層和直接因素層。最上層C1的12個因素是影響高速公路道路安全的最直接的因素,中間因素則為b12、b13、b23、b45,這些因素是影響高速公路道路安全的間接因素,在整個結構模型中起著過度的作用。根本因素層是由C3和C4組成,越接近底層,表明該因素在系統中起著根本性的作用。

3.2 組合權重確定

利用MATLAB將表2實測值代入,求得客觀權重,并與初始權重重組優化得到組合權重,如表4。

3.3 關聯度計算

根據式(12)～式(14),計算各指標的等級關聯度。以路段L1為例,將指標b11=1 800代入,求得關聯度分別為k11=-0.368 4、k12=0.300 0、k13=-0.200 0、k14=-0.400 0、k15=-0.454 5,根據最大關聯度原則,可知該指標的安全水平為Ⅱ級安全性較高。同理可得其他路段的各指標的安全等級情況,如表5。

表5 不同路段各指標等級關聯度

3.4 確定風險等級

將表4各指標的組合權重,與表5中各指標的關聯度代入式(15),可求出各路段的綜合關聯度,即可確定該路段的安全等級,如表6。

表6 不同路段的綜合關聯度

3.5 結果分析

由表6可知:路段L1和路段L3的安全等級均為Ⅱ級安全性較高,路段L2的安全性則為一般,與實際調研結果相一致。

根據表5中路段L2各指標的安全等級可知,b41的安全等級為Ⅴ,b13、b15、b21、b23、b32、b42、b43、b44、b45等因素的安全性均為一般,由圖4亦可知,這些安全性一般的因素大多都處于直接因素層,受其他因素影響較大,且道路安全性產生直接的影響。其中b41、b42、b44是影響道路安全的關鍵因素,在層次結構模型中,b44又是處于根本因素層,其連接點眾多,對其他因素影響較大,對整個道路系統的安全性起著根本性作用,會對車速、路面的抗滑性等產生影響,降低了道路的安全性。

基于以上分析,管理部門必須從根本因素層出發,提高應對惡劣天氣的能力,加強道路養護工作,及時處理道路環境問題,從而提高路段L2的安全等級。

4 結 論

1)筆者基于道路因素,建立了道路安全初始指標體系,利用敏感性分析與德爾菲法相結合,對指標進行篩選,從而建立更加科學、全面、系統的高速公路道路安全指標體系。

2)為了避免權重值的主觀化,利用熵權法計算客觀權重,并與初始權重進行組合賦權,使得權重更加科學、嚴謹。

3)筆者提出了DEMAEL-ISM和物元可拓的組合評價模型,分析各因素的重要程度,識別影響高速公路道路安全的關鍵因素。再運用物元可拓模型對實際工程進行關聯度計算,從而確定安全風險評價等級。該模型不僅可以確定整個系統的安全等級,也可以對單一指標進行安全等級確定。

4)通過所提出的組合評價模型,計算結果表明:平曲線半徑、雨雪等惡劣天氣、車速、交通飽和度及縱坡度是影響高速公路道路安全的關鍵因素。在高速公路設計階段,平曲線半徑和縱坡度應給予較高關注,根據不同的地形地貌,嚴格按照標準規范要求進行設計;在高速公路運營與維護階段,管理者要提高應對惡劣天氣的能力,及時發布路段交通狀況,并建立道路通行管控機制,提高高速公路道路的安全性。

5)通過實例分析驗證,利用該模型計算的河南信陽某高速風險等級與實際情況相符合,可以此為依據制定相關的改善措施,從而改善道路安全。