基于层次分析法的路侧解体消能标志杆柱与底座联接方式评价

王芙蓉， 程国柱， 徐　亮， 房庆恒

(1.吉林建筑大学 城建学院, 吉林 长春　130111；　2.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨　150090；　3.长春工程学院 土木学院， 吉林 长春　130012)



基于层次分析法的路侧解体消能标志杆柱与底座联接方式评价

王芙蓉1， 程国柱2， 徐亮3， 房庆恒1

(1.吉林建筑大学 城建学院, 吉林 长春130111；2.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨150090；3.长春工程学院 土木学院， 吉林 长春130012)

[摘要]路侧解体消能标志是宽恕设计理念的重要组成部分，直接关乎路侧事故驾驶人与乘客的生命安全。基于层次分析法理论，构建了以功能、操作、养护和日常使用、事故可靠、安装难易、适用范围、常规养护及事故养护为双准则层的层次分析体系，以及相应的比较判别矩阵。在对各项评价指标进行规范化处理的基础上，给出了路侧解体消能标志杆柱与底座联接方式的综合评价结果。研究结果表明： 脆性联接方式最优，塑性联接方式居中，刚性联接方式最差。

[关键词]路侧解体消能标志； 杆柱； 底座； 联接方式； 层次分析法

0前言

20世纪70年代，美国学者提出了“宽恕”设计理念：在汽车行驶过程中，驾驶员发生驾驶过错是难以避免的，这些过错可能导致的交通事故不应该直接导致车内乘员的死亡，宽容的空间与相应的安全措施是不可缺少的。但是，交通标志、路灯、电线杆柱等设置于路侧的交通设施是不能被移除的，当车辆由于驾驶员的过失而驶入路侧区域，并且与这些交通设施发生碰撞时，车辆会发生严重变形，多为致死或重伤事故。

美国德克萨斯州交通运输研究所于1967年在《解体消能路侧标志支撑结构》中首次提出了解体消能理论[1]。此后，美国联邦公路管理局和佛罗里达州交通运输局分别将其理论成果应用于实践中[2,3]。2011年，年美国AASHTO出版了《路侧设计指南》第四版，为美国路侧安全设计的重要指导性规范[4]。此外，欧洲的交通安全学者也对路侧交通设施进行了研究了，2003年英法德等国联合启动了“更安全的欧洲道路路侧基础设施计划”，通过收集、分析路侧安全数据，获得路侧设计和养护的经验和方法，以提高路侧的安全性。目前，我国对路侧解体消能交通标志的研究较少。2005年唐铮铮提出：为减少失控驶出车辆与交通标志的碰撞，交通标志应尽可能设在车辆不易驶出行车道的地方；不能满足的情形下，标志柱可以使用解体消能结构[5]。孙蕊对美国解体消能设施的安全标准的设计依据、工作原理及设计方法作了全面介绍[6]。高海龙等人内容主要包括路侧安全设计理念与方法进行了研究[7]。

综上，目前国际上在路侧解体消能标志研究方面，美国学者进行了大量的实车足尺碰撞验证实验，同时把路侧解体消能标志应用到公路上去，积累了大量经验，使得美国的研究成果更加先进和完善，并形成了规范，为路侧设施的标准化、系统化设计奠定了基础，但由于我国在设计车型、交通组成、道路设计标准等诸多方面与美国存在差异，故其研究成果并不能直接应用于我国。相对而言，我国目前只是刚刚引进了“宽恕”设计概念，解体消能标志的相关设计理论与方法尚处于初步研究阶段。工程应用中常把材料大致分为塑性材料和脆性材料两类，分类依据是常温和静载下拉压试验的延伸率大小。结合脆性材料和塑性材料的不同力学性能，分别应用到解体消能标志杆柱与底座之间的联接方式设计中，有三种类型的联接方式，分别为：塑性联接、脆性联接和刚性联接。对适用于我国的路侧解体消能标志杆柱与底座联接方式开展研究，可为我国道路交通管理部门提供理论支持及决策依据。

1评价方法选择

层次分析法(Analytic Hierarchy Process)简称AHP，该方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初，在为美国国防部研究“根据各个工业部门对国家福利的贡献大小而进行电力分配”课题时，应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重决策分析理论。层次分析法作为一种决策分析方法，具有简洁性、灵活性和系统性的特点，表现在以下方面。

① 简洁性。层次分析法不追求高深的数学模型，不片面地注重逻辑推理，分解复杂的系统，将思维过程变得数学化、系统化，便于人们接受，把多目标、多准则的评价问题化为多层次单目标问题，通过两两比较确定同一层次元素相对上一层次元素的数量关系[8]。

解体消能标志的联接方式的评价是一个复杂的系统，选取的评价指标较多，层次分析法的评价步骤十分简单，评价过程也很清晰，能够通过比较确定同一层次元素相对上一层次元素的数量关系，十分简单，也大大增加了综合评价效果的有效性。

② 灵活性。层次分析法能进行定量分析和定性分析，采用相对标度对不可定量的因素进行统一量度，有机结合评价过程中定性因素与定量因素。

在对解体消能标志的联接方式的评价中，对于评价指标的分析和衡量，很大程度是根据主观的选择与判断，而层次分析法在评价过程能够充分利用人的经验和判断，反映被调查者对解体消能标志联接方式的认识与看法，能够把定性与定量因素有机结合起来，灵活性很高。此外，层次分析法也是一种最优化技术方法，能够应用最优化技术方法处理定性问题。

③ 系统性。层次分析法不是使用的因果方式的思维基础，而是是把问题看作一个系统，在研究系统各组成部分相互关系及系统所处环境的基础上进行决策，对于复杂问题，系统方式是一种有效的决策思维方式。

解体消能标志的联接方式的评价是一个复杂的系统，同时具有递阶层次形式，而层次分析法恰好反映了这类系统的决策特点，并且可进行扩展以研究复杂的系统。

由层次分析法的特点可以看出，层次分析法能够有效评价一些复杂模糊问题，适用于那些难于完全定量分析的问题，易于掌握，也易于应用。该方法的系统性特点体现了系统分析和系统综合的思想。层次分析法结合了专家打分法定性分析的优点，充分利用专家的经验，又采用数学模型进行定量分析。

通过上面的对于层次分析法和解体消能标志联接方式评价系统的分析，可以看出二者的契合度非常高，故选择层次分析法进行解体消能标志联接方式的综合评价。

2层次结构模型构建

2.1层次分析体系

层次分析法把评价的问题化分为3个层次，即： 目标层、准则层和方案层。

在确定路侧解体消能标志联接方式评价指标体系的过程中，指标体系应尽可能完备，全面地反映解体消能交通标志联接方式的综合效果，避免指标有所遗漏；选取的评价指标应相互独立，减少不同层次的指标之间的相互包含；选取的各个评价指标应简单明确，能够定量表达；在评价指标中，重要的指标应设置的多一些，次要指标要设置少一些[9]。

目标层一般是分析问题的预定目标或理想结果，目标层中只有一个元素，在本次综合评价中是路侧解体消能标志联接方式的综合效果。

准则层包括所需考虑的因素、子要素，在本次综合评价中，准则层由2个层次组成，准则层A包括功能、操作、养护三个因素，准则层B由日常使用、事故可靠、安装难易、适用范围、常规养护和事故养护组成。

方案层包括了为实现综合评价目标可供选择的解体消能标志联接方式类，包括塑性联接、脆性联接和刚性联接三种类型。

解体消能标志联接方式综合评价的层次结构如图1所示。

图1　层次分析体系Figure 1　Analytic HierarchySystem

2.2比较判别矩阵

构造判别矩阵是为了对两个准则层内的评价指标赋予一定的权重[10]，比较判别矩阵的形式为：

(1)

式中: aij代表第i个因素对第j个因素的比较结果。比较时尺度大小采用1～9，其含义如表1所示。

在本次综合评价中有双层评价指标，需要构造4个比较判别矩阵，1个准则层A和3个准则层B的比较评判矩阵分别为：

表1 比较判别矩阵尺度Table1 Dimensionofjudgmentmatrix尺度含义1第i个因素与第j个因素的影响相同3第i个因素比第j个因素的影响稍强5第i个因素比第j个因素的影响强7第i个因素比第j个因素的影响明显强9第i个因素比第j个因素的影响绝对强2,4,6,8以上前后两级之间对应的标度值倒数两因素相比后者比前者的重要性标度

首先需要对判断矩阵A进行归一化处理，得到矩阵A′，本文所采用的归一化方法是将矩阵中的各因素除以各列的和，将a13除以a13，a23，a333个数之和。然后对各行要素求平均数，得到最大特征根对应的归一化向量W=(w1,w2,w3)。接着由A×W，对得出的向量中的元素进行求和，得到最大特征根λmax。

对A进行归一化处理，得到：

(2)

再对归一化后的矩阵各行要素求平均数，得到最大特征根对应的归一化向量，即权向量：

如果比较判断矩阵不具有一致性，则λmax>n，此时的特征向量W就不能真实地反映其在目标中所占比重。

圈员们通过画流程图的方式对整个输血流程进行了梳理,并于2017年3月1日至2017年3月10日所有圈员在输血科根据自制的查检表,通过现场查看和记录查阅的方式调查了50份输血病例,总调查项目数达到了1000项,调查后统计出存在缺陷的为66项。通过计算得出现况值为6.6%。

定义衡量不一致程度的数量指标CI：

(3)

由于客观事物具有复杂性，人们认识也可能产生的片面性，同时人们的认识也是多样的，仅依靠CI值作为是否具有满意一致性的标准是不够的。为此，引进了平均随机一致性指标RI，当n的值取1～11，平均随机一致性指标RI的取值如表2所示[11]。

表2 RI值表Table2 ThevalueofRInRInR10 71.3220 81.4130.5891.4540.90101.4951.12111.5161.24

定义CR为一致性比例：

(4)

若CR≤0.1时，则比较判断矩阵通过了一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，若CR>0.1，则该矩阵没有通过一致性检验，需要考虑重新构造成对比较矩阵。

同理得到，WB1=(0.75,0.25)T，WB2=(0.33,0.67)T，WB1=(0.34,0.66)T。

3评价指标规范化处理

在层次分析法中，不同指标的绝对数值和量纲不同，而层次分析法是求不同评价指标在不同权重下的加权平均值，如果直接进行加权，违反数学原理，也没有实际意义。因此在对路侧解体消能标志的联接方式进行综合评价前需对不同指标进行规范化处理。

3.1功能指标

路侧解体消能标志的功能包括日常使用和事故可靠两部分。路侧解体消能标志要保证日常正常使用的稳定性，而发生碰撞事故时，对驶出行车道的车辆不造成大的损害。

发生碰撞事故时，脆性解体消能标志底部的固定联接器很容易断裂，并且受到各个方向的撞击时均能产生解体，其效果最好，在本次评价中，其事故可靠的规范值值设为100。刚性解体消能标志的上下两个钢板的螺丝拧的过紧的话，不能保证发生事故时，能够解体，对车辆和乘员可以产生大的危害，其值最低，规范值为50。功能指标的规范值见表3。

表3 功能指标的规范值Table3 Specifiedvalueoffunctionindex类型塑性脆性刚性日常使用1009050事故可靠9010050

3.2操作指标

操作指标层包括安装难易和适用范围两部分。塑性联接方式的解体消能标志的安装和一般标志杆柱的安装相同，在本次评价中，其安装最简便，其安装难易的规范值设为100。脆性联接方式的解体消能标志的安装需要用木栓、钢栓或铝制品将杆柱与底座上的固定联接器相连。而刚性联接方式的解体消能标志需要2块平行的钢板，固定两个钢板的螺栓的松紧必须适度，安装难道最大，其值设为40。

塑性联接方式的解体消能标志可以用于单柱式交通标志，对于各个碰撞方向都适用；但是塑性解体消能标志不能用于双柱式交通标志，在本次评价中，其适用范围的规范值设置为70。

脆性联接方式的的固定联接器可以使用木栓、钢栓或铝制品等脆性材料，其适用范围最广，在本次评价中规范值设置为100。

刚性联接方式的解体消能标志分为单向解体型和多向解体型，其受力方向的范围较小，当碰撞不是指定的设计方向，刚性联接方式的解体消能标志就起不到解体消能、保护乘员的作用，其适用范围规范值为50。

操作指标的规范值见表4。

表4 操作指标的规范值Table4 Specifiedvalueofoperationindex类型塑性脆性刚性安装难易1008040适用范围7010050

3.3养护指标

养护指标包括常规养护和事故养护。

塑性联接方式的解体消能标志不需要特殊的常规养护，在养护评价中规范值设为100，刚性解体消能标志需要不时的确定联接2块平行钢板的螺栓，其螺栓的松紧必须合适，其常规养护最为复杂，规范

值设为50。

发生事故后，塑性联接方式的解体消能标志需要完全更换杆柱，其事故养护最难，同时杆柱的回收利用率最低，其事故养护的规范值设为50。

刚性联接方式的解体消能标志只需要重新更换螺栓，其事故养护最为简单，规范值设置为100。

养护指标的规范值见表5。

表5 养护指标的规范值Table5 Specifiedvalueofmaintenanceindex类型塑性脆性刚性常规养护1008050事故养护5080100

4综合评价结果

通过以上分析得到了综合评价模型准则层B中所有指标的权重和规范后的评分，下面应用层次分析法对三种解体消能标志的联接方式进行评价。

首先对准则层A的得分进行计算。设Aij为准则层A中各评价指标的得分矩阵，Bij为准则层B中各指标的得分矩阵，其中i代表评价指标，j代表联接方式的类型。

F=WAA=(88.992.951.6)

综合评价结果显示，脆性联接方式的解体消能标志评分最高，综合的得分为92.9；刚性联接方式的解体消能标志评分最低，为51.6；塑性联接方式的解体消能标志的评分介于两者之间，评价得分为88.9。

5结论

本文采用层次分析法进行路侧解体消能标志杆柱与底座联接方式评价，为路侧交通安全改善与治理决策提供了客观可靠的方法，AHP评价结果显示：脆性联接方式最优，其综合评分为92.9；塑性联接方式居中，其综合评价评分为88.9；刚性联接方式最差，其综合评分为为51.6。论文存在的不足之处在于缺少实例验证，在下一步研究中，应开展路侧解体消能标志杆柱与底座3种联接方式的试验研究。

[参考文献]

[1]Edwards, T. C., Hirsch, T. J., and Olson, R. M. Break-away roadside sign support structures [R]. Texas Transportation Institute, 1967.

[2]Federal Highway Administration. Manual on Uniform Traffic Control Devices[R]. Federal Highway Administration, 2003.

[3]Florida Department of Transportation. Ground mounted single and multi-post sign inspection manual [R]. Florida Department of Transportation,1994.

[4]AASHTO. Roadside Design Guide [M]. Washington, D.C, 2011.

[5]唐铮铮. 标志设置的路侧安全性考虑及对策[J]. 公路交通科技,2005, 22(9):142-145.

[6]孙蕊, 贺玉龙, 孙小端,等.美国的路侧解体消能设施设计[J]. 道路交通与安全, 2006,4(6): 34-37.

[7]高海龙.路侧安全设计指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008,5.

[8]尹贤平. 基于层次分析法的中小企业财务风险评价探讨[D].南昌:江西财经大学,2012,6 :21-23.

[9]邓雪,李家铭,曾浩健,等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J]. 数学的实践与认识,2012,42(7):93-99.

[10]符锌砂，揭强. 基于层次分析法的道路交通安全治理方案决策模型[J]. 公路工程, 2014,39(1) :121-130.

[11]李耒. 交通标志人机效率评价指标体系建立及有效性验证[D].长春:吉林大学,2009,5:14-17.

Evaluation on Connection Mode between Pole and Base of Roadside Breakaway Sign Based on Analytic Hierarchy Process

WANG Furong1, CHENG Guozhu2, XU Liang3, FANG Qingheng1

(1.The City College of Jilin Jianzhu University, Changchun, Jilin 130111, China;2.School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang 150090, China;3.School of Civil Engineering，Changchun Institute of Technology, Changchun,Jilin 130012, China)

[Abstract]Roadside breakaway sign is important part of forgiving design idea and it relates with drivers' and passengers' safety in roadside accident. Analytic hierarchy system with double criterion layer and corresponding judgment matrix were established. The first criterion layer include function, operation and maintenance. The second layer include non-emergency use, accident reliability, ease of installation, scope of application, routine maintenance and accident maintenance. Evaluation results on connection mode between pole and base of roadside breakaway sign were present based on standardization process of each evaluation index. It shows that brittle connection mode is best, and plastic connection mode centers, and rigid connection mode is worst.

[Key words]roadside breakaway sign; pole; base; connection mode; AHP(Analytic Hierarchy Process)

[中图分类号]U 491.5

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0169—04

[作者简介]王芙蓉(1981—)，女，吉林长春人，讲师，工学硕士，研究方向：道路设计理论与方法。通讯作者：程国柱(E-mai：guozhucheng@126.com)

[基金项目]吉林省科技发展计划项目(20130413057GH)

[收稿日期]2015—01—14