高速公路隧道群交通安全影响因素辨识

2015-02-21陈长坤辛梦阳王建军

黑龙江交通科技 2015年11期

关键词：正态路段排序

陈长坤，辛梦阳，王建军，李明

(长安大学公路学院)

高速公路隧道群交通安全影响因素辨识

陈长坤，辛梦阳，王建军，李明

(长安大学公路学院)

为识别影响高速公路隧道群路段交通安全的关键因素，改善隧道群路段交通安全状况，提出了一种基于正态隶属函数的模糊层次分析法(FAHP)，对影响隧道群交通安全的因素进行排序分析。建立了包括交通特性、隧道群特性和环境特性3个一级指标，14个二级指标的评价指标体系，通过专家评价构造判断矩阵，利用正态隶属函数结合判断矩阵得到正态判断矩阵，计算不同层次指标的权重值，并引入权重稳定性概念，进行一致性检验，从而对安全影响因素进行排序，识别显著性影响因素。以西汉高速和甬台温高速某隧道群为研究对象进行分析，结果表明：隧道群线形状况、隧道群连接段长度、隧道照明过渡设施影响权重较大，应该优先考虑针对性的改善措施。该模型能够充分利用所有专家的评价信息，避免了传统的模糊层次分析法使用单一值排序的不足，具有更高的准确性和可靠性。

高速公路隧道群；正态隶属函数；层次分析法；权重；因素辨识

0 引言

高速公路驾驶员在隧道群路段行驶过程中，频繁经历明暗适应，造成生理和心理产生不利影响，极易产生交通事故。由于隧道群路段其相对封闭性，造成二次事故甚至多次事故可能性极高，且隧道群路段事故后救援难度大，一旦发生交通事故，往往后果严重。据甬台温高速公路猫狸岭隧道群2002～2007年的事故统计资料，隧道群路段年百万车辆事故率达到25起，明显高于一般路段。因此，甄别影响隧道群路段交通安全的因素，对于采取相应安全改善措施至关重要。

针对隧道群路段安全因素识别，国内外学者已进行大量研究。Du等通过实地实验获取驾驶员生理、心理指标，经过数据分析分析了隧道入口处驾驶员对行车安全的影响；张生瑞等通过雷达测速仪采集某隧道群段车辆运行速度，分析了运行速度对隧道群路段行车安全的影响；阎莹等通过隧道路段平纵线形组合综合描述模型，分析了线形对行车安全的影响。这些研究大都集中研究单一因素对交通安全的影响，而从宏观角度对隧道群路段交通安全因素的相关研究匮乏。Zhou等提出多元安全系数，通过模糊层次分析法来确定隧道安全等级，有效识别了影响因素；而Borg等采用贝叶斯网络模型、Kazaras等采用STAMP方法、葛敏莉等通过制定安全审查清单对隧道路段交通安全进行评价，对人、车、路、环境等因素进行分析。隧道群路段交通运行环境复杂，交通安全受不同因素及其交互作用的影响，从宏观层次甄别安全因素，对安全因素进行排序更为合理。

文中从宏观角度建立隧道群路段安全指标体系，综合运用层次分析法和模糊隶属函数理论确定指标权重，构建安全因素排序模型，并结合实例，验证模型的准确性。结果表明该模型适合于进行隧道群路段安全影响因素排序。

1 评价方法的理论基础

人类进行决策过程包含大量的不确定性，正态分布隶属函数是一种处理不确定性和不精确性问题的方法，层次分析法是一种定量与定性相结合的系统化、层次化的分析方法，文中将基于正态隶属函数和传统的层次分析法，提出正态层次分析法对隧道安全运营状态影响因素进行排序。

L.A.Zadeh在1965年首次提出隶属函数的概念，指出：若对论域U中的任一元素x，都有一个数A(x)∈[0,1]与之对应，则称A为U上的模糊集，A(x)称为x对A的隶属度或隶属函数。

工程中常用的隶属函数包括：正态隶属函数、梯形隶属函数、三角分布隶属函数等，李德毅指出，对于大量的模糊概念，用正态分布隶属函数刻画最适合，最接近人类的思维。文中采用正态分布隶属函数形式为

(1)

式中：f(x)是变量的隶属度；μ、σ分别为参数x的期望值和标准差。

根据正态分布密度函数特性，68.27%的概率在期望值一个标准差范围内，95.45%的概率在期望值两个标准差范围内，99.73%的概率在期望值三个标准差范围内，如图1所示，因此在统计学中经常采用原则来确定变量的取值范围。

图1 正态分布函数变量取值范围

2 基于改进FAHP方法的高速公路隧道安全因素排序模型

2.1 模型评价指标体系

合理构建评价指标体系是进行可靠的安全评价的基础，隧道路段交通运行环境复杂，人、车、路、环境等交通要素及其相互作用都会产生影响，以相关研究成果为基础结合文中研究的主要内容，选取交通特性、隧道特性、环境特性三项一级指标，在一级指标下共包含14个二级指标，具体指标结构见表1。

表1 隧道群安全评价指标结构表

2.2 构造正态判断矩阵

采用层次分析法(AHP)得到安全指标的量化值，模糊评判准则见表2，在评判过程中根据专家的判断，模糊量化值可以取[0,1]之间的任意值，这一准则有别于传统的AHP方法，可以提高结果的精确度。

(1)构造判断矩阵Aij={aij}

(2)

表2 模糊评判准则

(2)构造正态判断矩阵

对有n个因素的指标层，根据模糊评价准则，根据各专家评价结果计算各指标间相对重要度期望值μij，和均方差δij，构造正态判断矩阵如式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

(3)确定权重

(6)

对正态判断矩阵各行求和得到rμi

(7)

作数学变换如式(8)，得到矩阵R=(rij)n×n，称为模糊一致矩阵。

(8)

(4)一致性检验

(9)

(5)进行排序

sμq=ωμkωμkq

(10)

(11)

3 实例分析

选取陕西省西汉高速某隧道群和浙江省甬台温高速某隧道群为研究对象进行分析，选择不同岗位专家(包括隧道专业研究人员10名、交通安全专家6名、高速公路隧道群建设人员10名、隧道群运营管理人员10名、经常行驶在隧道群路段驾驶员10名)进行评判得到不同级别判断矩阵，应用式(3)、(4)得到正态判断矩阵如表3所示。

表3 指标正态判断矩阵和权重

由式(9)计算出模糊一致矩阵和相容性指标，其中CI1=0.016<0.1，CI11<0.047<0.1，CI120.043μ2<0.1，CI13=0.060<0.1，可见满足一致性要求。求取各二级指标的值，如表4所示。

根据求取的sμ值，值越大表示该因素对隧道群安全影响越大；若sμ值相近，则考虑sδ值，sδ值反映了影响因素的稳定程度，值越大表明因素越不稳定，对隧道群安全影响越大。故各因素对隧道群安全的影响程度从大到小排列为：隧道群线形状况、隧道群连接段长度、隧道照明过渡设施、隧道座数、隧道群长度、交通安全设施状况、排水设施、设计车速、交通标志标线状况、年不良气候比例、货车比例、通风状况、道路路面状况、交通量。