公路安全防护设施可靠性评价研究



公路安全防护设施可靠性评价研究

王可意，徐东强

(河北工业大学 土木工程学院，天津 300401)

公路安全防护设施主要包括标志、标线、隔离栅、防护网、护栏和防撞设施等[1]。清晰合理的标志、标线能够对驾驶员进行正确的引导，减少车辆无序行驶造成的交通事故。防护网、护栏和隔离栅等属于被动防护设施，其合理的设置和养护可以降低事故发生后的损伤程度，是公路基础设施建设中不可或缺的组成部分。对于公路交通安全防护设施的基础研究主要包括：1)公路交通安全设施设计的研究，李高旺等[2]采用虚拟现实技术对公路安全设施建立虚拟模型，通过虚拟试验优化高速公路安全设施设计方案；刘丹[3]将中国和法国的高速公路安全设施设计规范和理念对比分析，找出其中的异同和可借鉴之处。2)对某一特定安全防护措施[4-6]的安全使用性能分析以及针对安全防护设施存在的病害和漏洞提出的改善措施[7-8]。3)对公路安全防护设施的的安全性的定量评价：如高贺等[9]采用因子分析法构建高速公路安全设施评价指标体系，解决了指标之间的相关性问题；王建军等[10]综合考虑了影响高速公路交通安全设施系统现状的因素建立了评价指标体系，采用层次分析法(AHP)的模糊综合评价方法对安全防护系统进行评价；公路安全防护设施的可靠性即为安全防护设置的合理性、完善性和使用的安全性。建立科学合理的公路安全防护设施的评价指标体系，对其可靠性进行评价是非常必要的。在以往的公路安全设施评价方面，层次分析法及模糊综合评价法是较为常见的综合评价方法。然而在确定权重时专家的主观评价会带有一定的随意性。评价结果可靠性难以保障，评价方面存在一定的局限性。因此本文采用模糊综合方法和数据包络分析相结合[11](F-DD模型)的方法对公路安全防护设施进行安全性评价。该方法可以弥补模糊综合评价方法的不足，在找出公路安全防护设施中存在隐患指标的同时还能计算出这些指标需要改进的数值，针对这些指标的不足之处提出相应的安全改进措施。

1决策单元的模糊综合评价分析

假设某评价系统有M个决策单元，要根据一些评价指标来评价这M个决策单元，建立的评价集为U={u1,u2，…，un}；本文采用的评价集为(安全，较安全，一般安全，较不安全，不安全)，其对应的分值标尺为表1所示。

表1　分值标尺

建立的评语集V={v1,v2,…,vn}，可根据实际情况将评语集量化分析，如将评判集的等级用1对分值数量化，则本文为V={1,0.8,0.7,0.6,0.5}；第M个决策单元的模糊关系矩阵为：

本文采用柯西隶属度函数，根据评语集计算出的隶属度函数分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根据模糊分布原理可得到决策单元M的第i个指标对评价集合的大致分布情况为：

(6)

(7)

根据上述，决策单元M各指标的一种基本状况为：

2决策单元的F-DD有效性分析

虽然用模糊综合评价能够确定决策单元各个指标对评价集的好坏程度，但是不能得出决策单元较差的原因及其如何调整评价指标来使决策单元达到好的状态。因此与DEA相结合来补充说明这一点。

数据包络分析(DEA)是运筹学家Charnes等提出的一种效率评价方法[12]。以“相对效率”为基础，评价多输入和多输出同类决策单元(DMU)的有效性。后来发展成为管理、系统工程和决策分析、评价技术领域中一种常用的分析工具和研究手段。借助于DEA的优点，模糊数学和DEA相结合的方法无论在理论研究还是在实际应用方面，都取得了一定的成果[13]。

所确定的决策单元生产可能集为：

LDT={R=(R1,R2,…,Rm)T|Ri≤

(8)

R=(R1,R2,…,Rm)T为在LDT上的一种可能状态；λM为大于等于0的系数。

(9)

决策单元M0若为F-DEA有效，当且仅当[15]

(10)

的最优值VF-DD=0。

式中：eT=(1,1,…,1)∈ES,S=(s1,s2,…,sn)T≥0的系数。

若决策单元M0不是F-DEA有效的，则λ和S为(F-DD)的最优解，则它的投影R(M0)+S为F-DEA有效。因此，可以对模糊综合评价的无效决策单元进行指标调整，使决策单元达到有效从而使决策单元更加安全可靠。

3F-DD方法在公路安全防护设施可靠性评价中的应用

3.1应用(F-DD)模型计算

本文以天津市蓟县公路为例，将安全防护设施完好和合理状况、道路线型合理性和公路养护状况和路侧管理水平为评价指标，对彩沟路、一线穿路、桂月酒厂路、别九路、砖蓟路和砖蓟路延长线这6段典型路段进行安全防护设施可靠性评价。专家通过实地踏勘、日常养护资料和道路线型设计资料对6段路的评价指标根据防护设施、标志标线、视线诱导设施、陡坡急弯路段标志标线设置情况、路侧宽容处置等核对清单进行打分[16]，将所有专家打分的均值作为最后的分值。统计结果如表2所示。

表2　安全防护设施指标分值

注：决策单元1~6分别代表：彩沟路安全防护设施、一线穿路安全防护设施、桂月酒长路安全防护设施、别九路安全防护设施、砖蓟路安全防护设施、砖蓟路延长线安全防护设施。

决策单元123456安全设施完好和合理状况0.7030.8090.6860.7140.6920.736道路线型合理性0.8520.7360.7240.7400.8310.863公路养护状况和路侧管理0.7290.7410.7380.7360.7240.733

应用(F-DD)模型进行计算，得到的计算结果如表4所示。

表4　变量s以及最优值VF-DD取值表

决策单元1的计算如下：

其他单元计算同决策单元1的计算。从计算结果来看，决策单元2和决策单元6均为F-DD有效单元，也就是说决策单元2和决策单元6的3项指标的性能都达到了Pareto有效，而决策单元1，3，4和5的某项指标还有提升空间才可达到有效状态。表明，一线穿路和砖蓟路延长线路段的安全防护设施可靠，而彩沟路和砖蓟路安保工程的安全设施完好和合理状况、道路线型设计合理性及养护水平和路侧管理三项指标值均需提高；桂月酒厂路安保工程需提高安全设施完好和合理状况和线型设计的合理性；别九路安保工程需提高安全设施完好和合理状况。

3.2结果分析

一线穿路和砖蓟路延长线安保设施的三项指标处于有效状态，因此这2条路段的安全防护设施安全可靠。桂月酒厂路安保工程(DMU3)的安全设施完好状况和道路线型的合理性应均须提高，而桂月酒长路的日常养护和路侧管理做的很好。从数值角度分析，安全设施完好状况须提高：0.095 63/0.686=13.9%；道路线型设计须更加合理，提高8.23%(0.059 62/0.724)才能达到可靠水平。然而在已经建好的公路上，道路线型的合理性很难改变，因此可以增加安全防护设施来弥补这一指标的不足。彩沟路安保工程(DMU1)的安全设施完好和合理状况、线型设计合理性及日常养护水平和路侧管理3项指标均需提高，提高数值分别为4.69%，1.29%和0.55%。

砖蓟路安保工程(DMU5)的安全设施完好和合理状况、线型设计合理性及道路日常养护和路侧管理3项项指标都没有达到有效状态，3项指标分别应提高： 5.98%，3.71%和1.23%。

根据道路实际情况，应当注意道路两侧树木对交通标志的遮挡情况及沿线护栏设施的合理性；对于路面严重破损的路段应当及时修护；线型设计不合理的路段适当增设沿线的防护设施以及杜绝路侧堆积物品占路情况。别九路安保工程(DMU4)安全设施完好和合理状况须提高0.4%，根据实际情况，应当加强标线的清晰程度，对于损坏的安全防护设施应及时更换。根据各段公路安全防护设施可靠性的评价结果分析，对于改进其可靠性的优先顺序为：砖蓟路，彩沟路，桂月酒厂路。而一线穿路和砖蓟路延长线的安全防护设施安全可靠，不需改进。

4结论

1)采用F-DD模型进行公路安全设施可靠性评价，识别出了公路安全防护设施需整治的路段并且对决策单元优先级别进行排序、找出决策单元较差的原因，为公路安保设施的进一步的管理提供了建议和支持。

2)F-DD模型不必事先给出指标权重，并且决策单元的有效性情况不依赖于模糊评价集中的元素大小，使得决策结果真实客观。

3)通过理论和实例分析，验证了F-DD模型在公路安保设施的可靠性评价中的可行性。本文的评价指标体系和评价方法可普遍适用于其它类似工程的可靠性评价，为工程可靠性评价提供了一种新方法。

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(编辑蒋学东)

摘要:安全防护设施是公路工程的重要沿线设施，其完善可靠程度对交通安全起着重要作用，对安全防护设施的完善与可靠性评价缺少系统的研究。采用模糊综合评价与数据包络分析相结合(F-DD)的方法，建立公路安全防护设施的可靠性评价模型，选取安全防护设施完好和合理状况、道路线型合理性、公路日常养护和路侧管理水平为评价指标，对安全防护设施的可靠性进行评价。根据评价结果，找出可靠性较差的路段及其原因，提出相应的改进措施。将该方法首次应用到公路安全防护设施的可靠性评价中，通过实例验证该方法的可行性，为其他类似工程的可靠性评价提供一种新方法。

关键字：公路工程；模糊综合评价；数据包络分析；安全防护设施；可靠性评价；

Reliability evaluation of highway security facilitiesWANG Keyi，XU Dongqiang

(School of Givil Engineering, Hebei University of Technology， Tianjin 300401, China)

Abstract:Security facilities are important along the highway engineering, the reliability of which plays an important role in improving the traffic safety, however, perfection and reliability evaluation of security facilities are lack of systematic research currently. As a consequence, the fuzzy comprehensive evaluation and data envelopment analysis (F-DD) method were combined together to establish the reliability evaluation model of highway security facilities. Three indicators including good and reasonable of safety facilities condition, road linear rationality and daily maintenance management and roadside management level were selected to evaluate the reliability of highway security facilities. According to the results, road with less reliability and reason of it can be identified, appropriate improvements are then proposed. The method is first applied to evaluate the reliability of the security facilities of the road which verified to be feasible, so it can provid a new method for the reliability evaluation of other similar projects.

Key words：highway engineering; fuzzy comprehensive evaluation; data envelopment analysis; security facilities; highway traffic safety

中图分类号：U417.1

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0196-05

通讯作者：王可意(1988-)，女，河北兴隆人，博士研究生，从事道路与隧道工程研究；E-mail：814207371@qq.com

基金项目：河北省自然科学基金资助项目(E2012202161)

收稿日期：*2015-06-22