基于AHP-FCE的高速公路運營安全風險評價研究

摘要：為進一步提高高速公路運營安全風險評價水平，文章采用AHP（層次分析法）與FCE（模糊綜合評價法）相結合的方式，構建了包含目標層、準則層和指標層在內的高速公路運營安全風險評價模型；并選取道路裂縫、波浪擁包、車轍長度及沉陷面積4個指標，針對某高速公路的4個路段進行運營安全風險因素分析。研究結果顯示：在ZK69+491～ZK70+030路段，存在中度風險的波浪擁包及道路裂縫問題；在ZK70 + 875～ZK71 + 005路段則面臨較高的波浪擁包及道路裂縫風險；ZK71 + 175～ZK71 + 360路段的道路裂縫的風險等級為極端風險，沉陷面積的風險等級為高度風險；而在ZK70+030～ZK70+355路段，波浪擁抱、道路裂縫及沉降面積的風險等級均為中度風險?；谝陨戏治?，建議對ZK69+491～ZK71 + 360路段的路面病害情況進行持續且密切的監控，從而確保高速公路的運營安全。

關鍵詞：AHP-FCE；高速公路；運營安全；風險評價；評價指標

中圖分類號：U491 " " " 文獻標識碼：A " " "文章編號：1674-0688（2024）10-0051-04

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，交通運輸行業也進入蓬勃發展期。高速公路作為現代交通運輸體系的重要組成部分，承載著龐大的運輸量，極大地提升了人們出行的便利性。然而，隨著高速公路網絡的迅速擴張，交通事故頻發，嚴重威脅著人們的生命財產安全。因此，對高速公路運營安全風險進行科學評價具有十分重要的意義。針對高速公路運營風險評估問題，國內學者已提出多種評估模型和風險識別方法。例如，王宏醫等［1］通過物元分析法構建了施工安全風險因素評價模型；李學創等［2］基于區間數賦值與證據理論等構建了高速公路運營安全施工風險評估模型及相應的風險評價指標體系；瞿育金等［3］針對杭金衢高速公路運營安全風險評估問題，提出采用LEC（作業條件危險性評價法）進行分析，確定每種風險影響因素的不同等級分值及風險等級，研究結果表明，路面沉陷和路面積水的影響較大。在前人研究的基礎上，本文根據我國高速公路運營管理的實際情況，選取道路裂縫、波浪擁包、車轍長度和沉陷面積4個關鍵指標，構建了高速公路運營安全風險評價指標體系。通過AHP法確定各指標權重，并采用FCE法對某高速公路的4個路段進行了運營安全風險評價。研究結果可為同類高速公路運營安全風險評價提供有益的參考和借鑒。

1 AHP-FCE模型建立

1.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）最初由美國數學家T.L.Saaty提出，是一種結合了定性與定量分析的復雜決策方法，旨在解決多目標與多準則的決策問題；其基本思路是將復雜問題分解為多個層次，通過對比方式在最底層確定影響目標決策因素的權重，然后從最底層逐層向上分析計算，最終得出各方案對總目標的權重值，為決策者提供科學依據［4］。層次分析法的計算步驟如下。

（1）確定決策問題與目標：確定需要進行決策的具體問題及期望達成的目標。

（2）構建層次結構模型：將問題和目標逐層分解，每個層次包含若干因素或指標。

（3）建立判斷矩陣：分別比較每個層次的指標，構建判斷矩陣，矩陣中的元素表示比較對象之間的重要程度或優先級關系。

（4）計算權重向量：逐層計算各指標的權重，通過權重向量乘積得到最終權重向量，用于表示各因素對決策的重要程度。

（5）一致性檢驗：計算判斷矩陣的最大特征值λmax對應的特征向量，作為各指標得分依據，以明確各層次間各指標的重要程度。隨后，利用一致性指標（CI）和一致性比例（CR）對矩陣進行一致性檢驗，確保結果的合理性，其公式表達如下［5］：

[Pi=j=1nbij（i=1，2，3，…n）]， " " " " " " （1）

[Wi=Pi]， " " " " " " " " " " " " " （2）

[λmax=1ni=1n（AW）iWi]， " " " " " " " " " （3）

[CI=λmax-nn-1]， " " " " " " " " " " " "（4）

[CR=CIRI]， " " " " " " " " " " " " " " （5）

其中：Pi代表第i行中所有指標賦值的乘積，i代表矩陣中的行數，j代表矩陣中的列數，n代表矩陣的階數，bij代表i×j的矩陣，Wi代表指標的權重向量，λmax代表最大特征值，AW代表方差，CI代表一致性指標，CR代表一致性比例，RI代表平均隨機一致性指標。當CR lt; 0.1 時，矩陣通過一致性檢驗，表明具有良好的一致性。如果一致性比例不達標，則需重新調整權重，并重復上述步驟［6］。

（6）綜合評價：利用權重向量對各因素或方案進行評價、排序和選擇，進一步確定最優解。

1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法（Fuzzy comprehensive evaluation，FCE）是一種基于模糊數學系統分析原理，以模糊推理為核心的一種評價方法。該方法結合了定性和定量分析，可有效解決復雜問題中的量化評估難題。鑒于高速公路運營的各項安全性指標之間存在復雜且顯著的相互影響，這些影響難以直接量化，而模糊綜合評價法通過模糊理論，可以將這些難以量化的指標轉化為具有可操作性的定量指標，從而實現對高速公路運營安全風險的客觀評價，進而提升運營安全管理的精準度。模糊綜合評價的步驟如下。

（1）建立風險評價集：在高速公路運營安全風險評價中，根據嚴重程度將評價等級劃分為5個級別：很嚴重（V1）、較嚴重（V2）、一般（V3）、較低（V4）和很低（V5），記為V={V1，V2，V3，V4，V5}［7］。

（2）采用AHP方法，確定各風險對總體指標的影響程度，進而計算各風險的權重值，形成權重矩陣W。

（3）評估各風險對應的危險級別，利用模糊矩陣R表示各風險的隸屬度。

（4）運用模糊綜合評價法，結合權重矩陣W和模糊矩陣R，通過公式G=W×R計算高速公路運營安全風險程度。

1.3 AHP-FCE模型的安全風險評價模型建立

AHP-FCE模型的數字特征由目標層（P1）、準則層（P2）和指標層（P3）3層結構表示。其中，P1代表高速公路運營安全風險評價的目標層；P2表示影響該目標的關鍵因素，包括道路裂縫、波浪擁包、車轍長度和沉陷面積；P3則反映了安全風險的分散特性。當指標具有雙邊邊界時，數值特征的計算方法如下：

[P1=（a+b）2P2=（b-a）6P3=i] ， " " " " " " " " " " （6）

其中：P1、 P2 、P3分別表示目標層、準則層和指標層的數值特征；i為高速公路運營安全風險控制常數，它根據高速公路運營安全實際情況的不確定性和其模糊閾值進行調整，本文中的模糊閾值設定為0.1；a為控制常數最小值；b為控制常數最大值。

當指標為單邊界限時，如果評價因子a的4個評價等級的區間分別為 I（0，a）、II（a，b）、III（b，c）、IV（c，+∞），則其數值特征可由表1中的公式計算得出。

首先，整理需要評價的高速公路運營安全風險，明確影響運營安全的5個一級指標及其對應的二級指標。其次，運用層次分析法，從下至上逐級分析5個一級指標，并確定各級指標（特別是二級）的權重系數。

1.4 評估標準

根據《公路交通安全風險評估技術規范》及相關文獻［8］，高速公路運營安全風險被劃分為低風險、中風險、高風險和極端風險4個等級。本文采用10分制量化風險等級，具體為低度風險（7.5～10）、中度風險（5～7.5）、高度風險（2.5～5）和極端風險（0～2.5）。根據公式（2），將每個風險等級轉換為AHP-FCE模型，數字特征為低風險（8.75，0.42，0.1）、中度風險（6.25，0.42，0.1）、高風險（3.75，0.42，0.1）和極端風險（1.25，0.42，0.1）。定量指標采用區間標準化，其風險系數等級劃分見表2。

2 案例研究

2.1 項目概況

案例項目工程位于某高速公路的重要路段，起點位于ZK69 + 491點，終點位于ZK71 + 360點，主線為雙向六車道高速公路，設計時速為120 km/h，整體寬度為33.5 m。該路段交通量較大且處于山區地形復雜地帶，加之地質條件相對較差，因此整體風險偏高。為確保交通安全和行車順暢，需對高速公路運營安全風險進行評估。結合該路段的特點和實際狀況，本文結合使用層次分析法與模糊綜合評價法，對其進行運營安全風險評估。

2.2 數值特征計算

根據監測數據，高速公路病害風險因素數值見表3。結合風險分級表，確定各指標的風險程度。同時，根據公式（6），計算出各項指標的數值特征，各路段的數值特征值結果見表4至表7。

2.3 風險隸屬度計算

利用SPSS軟件計算高速公路運行過程中路段病害的風險隸屬度，結果見圖1。由圖1可知，在ZK69+491～ZK70 + 030路段，車轍長度及沉陷面積的風險隸屬度最高，達到8.9，屬于低風險；而波浪擁包的風險隸屬度為5，較前者降低了43.82%，風險等級為中度。同時，道路裂縫的風險等級也為中度。ZK70+875～ZK71+005路段風險隸屬度的變化趨勢雖然與ZK69+491～ZK70+030路段相似，但是其波浪擁包及道路裂縫的風險等級較高。在ZK71+175～ZK71+360路段，道路裂縫及沉陷面積的隸屬度最低，分別為2.4和2.9，波浪擁包的隸屬度最高，達8.1，較道路裂縫及沉陷面積分別提高了237.5%及179.3%。在此路段，道路裂縫的風險等級為極端風險，沉陷面積的風險等級為高度風險，波浪擁包的風險等級為低風險。在ZK70+030～ZK70+355路段，波浪擁包、道路裂縫及沉陷面積的風險等級均為中度風險，表明該段高速公路瀝青混合料的剛度和強度較低，加之受養護管理不足、交通量增長及超載車輛等因素的影響，導致路面出現嚴重的波浪擁包、裂縫及沉陷等病害。綜上所述，針對ZK69+491～ZK71+360的路面病害情況，應實施定期監控措施。

3 結論

本文運用層次分析法以及模糊綜合評價法對高速公路運營安全風險進行評價，重點分析了道路裂縫、波浪擁包、車轍長度和沉陷面積4個風險因素，主要結論如下。

（1）通過AHP-FCE模型評估，ZK69+491～ZK71+360路段的道路裂縫、波浪擁包的整體風險評估均為中度及以上風險，其風險等級已超出可接受范圍，需立即采取風險應對措施。同時，雖然車轍長度的風險相對較低，但是仍需加強對其持續且密切的監控。

（2）鑒于ZK69+491～ZK71+360路段的路面病害情況，建議實施持續且密切的病害監控，并加快提升高速公路養護技術水平。

4 參考文獻

［1］王宏醫，劉新清，熊浩森，等.秦巴山區高速公路運營風險分析及應對措施［J］.運輸經理世界，2024（2）：113-115.

［2］李學創，羅求林，吳躍鵬.土壓盾構雙洞下穿運營高速公路路基施工安全風險管控研究［J］.路基工程，2023，（4）：19-26.

［3］瞿育金，王珂涵，趙丹妮，等.基于LEC評價法的杭金衢高速公路運營安全風險評估［J］.交通世界，2023，（12）：81-83.

［4］魏詩程.基于雙重預防機制在高速公路運營安全生產中的應用：以龍巖管理分公司為例［J］.消防界（電子版），2019，5（15）：60-61.

［5］魏詩程.淺談風險分級管控在福建省高速公路運營生產安全中的應用［J］.今日消防，2019，4（4）：24-25.

［6］張麗麗.基于運營高速公路高邊坡安全檢查標準的災害風險評估應用研究［J］.福建交通科技，2019（3）：33-35.

［7］石春香，周洪文，艾輝林，等.洛嵩段高速公路運營階段安全評價及事故預防對策［J］.應用技術學報，2018，18（3）：252-259.

［8］胡澄宇，劉建蓓，羅京，等.在運營高速公路長大下坡段交通安全風險水平評價研究［J］.公路交通科技（應用技術版），2015，11（3）：304-306.

作者單位：廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001