高速公路运营安全综合评价算法＊

吴德华，林庚钗

(福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108)

如何对高速公路运营安全进行客观评价值得深入研究，因为它有助于预防重特大交通事故，科学安排日常安全管理，提高运营安全水平。目前道路运营安全评价可以分为两大类，一类是基于事故数据的直接评价，另一类是基于非事故数据的间接评价。

基于事故数据的直接评价即根据交通事故直接进行数值分析对比，如早期的“学习心理学”模型［1］、Smeed 模型［2］、伊·阿拉加尔模型［3］等基于单一事故数据进行预测和评价，90 年代后国内学者相继提出了基于多指标的事故综合评价模型，如文献［4－5］中利用模糊评价法、主成分回归分析法、灰色系统理论等方法建立了交通安全评价模型;文［6］建立了以模糊数学综合评价模型为基础的评价和预测方法;文［7］建立了上海市公路网安全宏观评价投影寻踪模型等。

基于非事故数据的间接评价，根据目前的研究状况，可归纳为三种:一是基于交通流参数的间接评价。如基于运行车速的典型评价模型有Solomon［8］、Monash［9］、EURO［10］等模型;交通冲突技术(TCT)是国际新兴的一种非事故统计评价理论方法，已受到广泛认可，国内很多学者也开展了基于交通冲突技术的交叉口交通安全评价研究;基于行车风险的评价模型也有一些研究成果如文［11］等。二是基于道路交通设施参数的间接评价，如美国公路安全手册(HSM)分析道路行车条件如平曲线、路面宽度对道路安全的影响，建立不同道路类型的安全评价模型。三是基于道路用户心理、生理参数特征的间接评价。如文［12］、［13］等从视觉、生理和心理等相关的驾驶员工作负荷角度来研究道路的安全性问题。

这些研究成果对道路运营安全的评价研究起到重要的推动作用，然而直接评价和间接评价都有其各自的优缺点，直接评价相对比较直观，但是其基础是事故数据，由于目前我国受到统计手段落后和统计口径不一致的影响，统计结果往往可信度较低。间接评价中道路用户心理、生理参数特征需要相应的分析仪器才能获得，实用性相对较差。为了对公路运营安全进行全面、客观的衡量，需要建立一个综合评价指标体系。因此本文研究重点是如何合理构建一个基于多指标的综合评价指标体系，并保证指标数据获得的可行性和便利性;如何消除多个评价指标之间权重确定的随意性，以保证评价结果的公平、公正。

1 高速公路运营安全综合评价指标体系

1.1 综合评价指标体系构成分析

公路建设项目在通过验收投入运营后，道路主体工程的连续性和道路路侧安全度已经基本定型，而道路路面状况和交通工程设施随着使用年限的延长对运营安全有动态的影响。运营中的交通特征，如交通量及其组成、运行车速等交通参数与运营安全之间存在密切的内在联系。运营中的交通管理可以实时对运营中的交通状态进行有效干预，运营管理水平一般可以用阶段运营时间后的事故特征来衡量和表征。为了全面、客观评价公路运营安全，可以分别从影响运营安全的固定基础设施、运营中的交通特征、阶段运营后事故特征三个方面选择评价指标，即综合评价指标体系应由道路交通设施特征指标、交通流运行特征指标和事故特征指标构成。

根据以上分析，道路交通设施特征从道路主体工程的连续性、道路路侧的安全度、道路路面平整度、道路路面抗滑性、交通工程设施规范性五个方面进行表征。运营中的交通特征，为了可操作性和实用性，利用运营中的车速参数与交通安全之间的内在相关性，通过预测或观测车速参数来对交通安全进行表征。阶段运营后的交通事故特征主要从交通事故的总量和事故的严重度来进行表征，构成的综合评价指标体系见表1。

表1 高速公路运营安全综合评价指标体系

1.2 评价指标量化及评价标准

为了定量分析高速公路运营安全，需要对评价指标体系中各评价指标进行定量计算或打分。

(1)线形综合评价指标［14］

式中:F为线形综合指标值，j为公里里程数，R为曲线半径，I为曲线转角，i为纵断面坡度，n为车道数，B为车道宽度，w1和w2分别为左右侧路肩宽度;当道路上遇到桥梁、隧道等结构物存在或者道路宽度突然变窄时ξ=0.25，其他情况ξ=0。可以根据设计线形资料计算获得。

(2)路侧安全度指标

公路路侧安全度主要由路侧净空区、边坡等影响因素进行衡量，根据路侧和边坡特征分级如下［15］:

①安全等级Ⅰ级:路侧净空区大于6 m，边坡小于1∶4，事故后车辆可以驶回公路。

②安全等级Ⅱ级:路侧净空区约为3～6 m，边坡约为1∶3或1∶4，路侧表面粗糙，事故后车辆勉强可以驶回公路。

③安全等级Ⅲ级:路侧净空区约为1.5～3 m，边坡约为1∶2，距车道边缘2 米内可能有刚性物体，事故后车辆不能驶回公路。

④安全等级Ⅳ级:路侧净空区小于1.5 m，边坡大于1∶2，路侧为悬崖或垂直的岩石，事故后车辆不能驶回公路，路侧碰撞的严重程度很高。

该指标可以根据设计资料和现场考察综合评分。

(3)路面平整度指数

公路路面状况对行车安全性具有重要影响，随着路面不平整度和破损程度的提高，使得驾驶员为追求驾驶舒适性频繁变换车道，提高行车风险，是主要的交通安全隐患。公路路面状况采用路面状况综合指标PCI 进行衡量，可以采用公路养护部门测量或评估值［16］。

(4)路面横向力系数

路面抗滑性能采用横向力系数SFC 对路面的抗滑能力进行评价，该指标可以采纳公路养护部门的测量值或评估值，测量车要求以50 km/h 的标准车速测定横向力系数。

(5)交通工程设施规范性指数(Traffic Engineering Facility Index，TEFI)

交通工程设施规范性主要从交通标志标线、安全护栏、防眩设施、隔离防护设施和诱导设施的正确性和完整性进行直接打分评价，见表2。该指标可以根据设计资料或现场考查后进行综合打分。

表2 交通工程设施规范性打分表

(6)单位里程车速标准差

运行车速参数与交通事故率之间存在内在的联系，已有的研究证明了道路上的车速分布越离散，交通事故率越高。高速公路运行车速采用单位里程内车速标准差指标进行衡量:

其中:S为单位里程L 内第85%位车速标准差(km/h)，v85i为第i 个几何元素第85% 位车速(km/h);v85为第85%位平均车速(km/h)，li为第i 个几何元素对应的起点桩号里程(km);li+1为第i 个几何元素对应的终点桩号里程，即第i+1 个几何元素对应的起点桩号里程(km);L为里程长度(km);n为里程长度L 内几何元素(直线和曲线)的总个数。该指标在现场观测困难情况下，可以根据设计线形资料参考文献［17］进行预测。

(7)亿车公路事故率和事故致死率

亿车公路事故率指标是目前国际上通用的表征综合事故率的指标，计算公式如下:

式中:Rk为1 年间每亿车公里事故数(次/ 亿车公里);A为评价目标公路一年内总运行车公里数事故(起);K为评价目标公路一年内总运行车公里数=为各分段公路长度×各分段公路上统计年内的交通量。

交通事故致死率是描述交通事故严重程度的重要指标，计算公式如下:

式中:d为事故致死率(%);D为死亡人数(人);W为受伤人数(人)。

亿车公路事故率和事故致死率可采用公路安全管理部门数据。

综合以上分析，在确定各评价指标的计算方法后，根据每个指标自身的特点，可以确定各评价指标的评价阈值表，见表3。

表3 各评价指标评价阈值表

2 评价指标权重赋值

2.1 集值统计模型法确定权重

为了减少评价中的随机误差，准则层和子准则层的指标权重可以分别采用集值统计模型进行确定。集值统计法是经典统计和模糊统计的一种推广，经典统计在每次统计中获得的是相空间中的一个确定点，而集值统计法在每次试验中得到的是一个区间［18］。假设，专家评审团对于评价指标中各评价指标权重值wi(i=1，2，…，m)的评审，对应评价范围记作Zi，若有Zi位专家，则第k(k=1，2，…，n)个专家给出的评价区间记为，且，则n 位专家的评价区间形成了一个集值统计序列［该序列叠加起来则可以用数轴上的样本落影函数来表示，记为(w)。

对(1)式的积分进行求解，得:

此外，考虑各位专家的学历，从业时间以及经验等，定义了各专家的权重系数hk(k=1，2，…，n)，则各评价指标相对权重为:

对其进行归一化处理，即可得到每一个指标的综合权重:

2.2 功效系数法及评价值域确定

为了尽可能地反映实际情况，排除由于各项指标的量纲不同以及其数值数量级间的悬殊差别所带来的影响，避免不合理现象的发生，用功效系数法对各评价指标作无量纲标准化处理，标准后的评价值域分为4 档，每档对应的标准化区间值见表4。

表4 标准化后的评价值域

利用功效系数法对各评价指标进行无量纲标准化如下:

当评价指标为正向指标(数值越大越理想)时，标准化计算公式为:

当评价指标为反向指标(数值越大越不理想)时，标准化计算公式为:

3 案例分析

为对福建省境内宁德至武夷山高速公路某路段进行运营安全评价，邀请5 位专家对评价指标体系中准则层和子准则层中各评价指标进行权重区间判定，根据5 位专家研究领域和工作经验，确定权重为［0.30，0.20，0.15，0.15，0.10］，各评价指标权重区间见表5、表6 和表7。

表5 准则层评价指标权重专家判定区间

表6 子准则层(一)评价指标权重专家判定区间

表7 子准则层(三)评价指标权重专家判定区间

根据综合权重的计算公式可以算得准则层U1、U2、U3三个指标的综合权重为［0.21，0.28，0.51］，子准则层(一)U11、U12、U13、U14、U15五个指标的综合权重为［0.20，0.28，0.16，0.21，0.15］，子准则层(二)只有一个指标U21综合权重为1.00，子准则层(三)U31、U32两个指标的综合权重为［0.71，0.29］，综合考虑准则层和子准则层指标的综合权重，可以算得各指标对目标层的最终权重［0.04，0.06，0.03，0.04，0.03，0.28，0.36，0.15］，见表8。

表8 评价指标的最终权重及指标值计算表

另外根据该高速公路路段管理处提供的设计、养护和安全相关资料(2013 年)，计算得到各评价指标的原始值:线性综合评价值=1800，路侧安全度指标=85，路面平整度指数=83.5，路面横向力系数=0.46，交通工程设施规范性指数=70.0，单位里程车速标准差=4.4 km/h，亿车公里事故率=18.6(次/km·10－8veh－1)，事故致死率=6.7%，利用功效系数法标准化后的取值以及评价最终累计值64.4(见表8)，对照标准化后的评价值域(表4)可以确定该高速公路路段运营水平处于良好级别。

4 结论

本文在分析高速公路运营安全直接评价和间接评价各自的研究现状和优缺点，以及影响高速公路运营安全的主要因素后，建立了多指标评价指标体系和评价标准，并进行了案例分析，得到主要结论如下:

(1)从影响公路运营安全的固定基础设施、运营中的交通特征、阶段运营后事故特征三个方面构建了由表征道路交通设施特征指标、交通流运行特征指标和事故特征指标8 个评价指标组成的高速公路运营安全综合评价指标体系。

(2)为各评价指标量化提供了相应的计算公式或评价打分依据，并初步提出各评价指标评价标准;为消除评价中的随机误差用集值统计模型法确定各评价指标的权重，并建立了标准化后的评价值域，利用功效系数法对各评价指标进行无量纲化处理。

(3)案例分析结果表明高速公路运营安全综合评价算法可以较好地进行量化对比和评价。

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