基于道路因素的交通安全模糊综合评价的研究

程劲钊，栗振锋，任丽超，翟文卿

(太原科技大学交通与物流学院，太原 030024)



基于道路因素的交通安全模糊综合评价的研究

程劲钊，栗振锋，任丽超，翟文卿

(太原科技大学交通与物流学院，太原 030024)

摘要：近年来，道路交通安全事故频发，状况日趋恶化，针对此现状提出模糊综合评价方法，对道路平面、纵断面、横断面、路面状况以及交通工程设施等影响交通安全的道路因素进行定性及定量的分析，利用层次分析法确定各因素的权重，用模糊评价法建立基于道路因素的交通安全评价体系，并利用该体系对实例进行分析。

关键词：道路因素；交通安全；模糊评价；层次分析法

在交通各要素中，道路是交通的基础，探讨道路因素对交通安全的影响也有了重要的意义[1]。道路黑点，又称之为道路交通事故多发点，是指道路交通事故发生率显著突出的地点[2]。道路黑点的存在极大的影响了整体道路交通的安全，成为了影响交通安全的一颗毒瘤，也越来越受到交通决策者们的重视，成为了现在道路交通安全评价的主要对象。道路交通安全评价中，很多概念并没有清晰的界限和明确的定义，同时不同的评价者也有着不同的思维方式。对于这样的问题，经典数学并不能有效地解决，而模糊评价，是基于模糊数学中的一些概念对实际生活中的评价问题提出的评价方法[3]，是将模糊数学作为评价体系的基础，应用模糊关系合成的原理，将不易定量或边界不清的评价目标定量化以达到评价目的[4]。因此，用模糊综合评价法对影响道路安全的道路因素进行分析评价，其评价的结果会更符合实际。

1数学模型描述

设U={u1,u2，…,um}为表述评价目标的m种因素(评价指标)；

V={v1,v2，…,vn}为描述每个单一因素所处状态的n种评价决断(评价等级)。

m为评价因素的个数，n为评价次数。

首先，对因素集中的单因素ui(i=1,2,…,m)作单因素评价，从因素ui着眼，对评价等级vi(i=1,2,…,n)的隶属度为rij，由此得出第i个因素ui的单因素评价集：

r=(rr1,ri2,…,rin)

总评价矩阵R是由m个着眼因素的评价集构造出的。

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

其中，rij表示第i个因素ui在第j次评价中的频率分布，满足∑rij=1[5].

设A为U上的一个模糊子集，作为权数分配集，A=(a1,a2,…,am)，其中ai>>0，∑ai=1.

设B为V上的一个模糊子集，作为模糊评价，也称之为决策集，B=(b1,b2,…,bn).

B=AR，称为模糊变换。如果评判结果∑bi≠1，将其归一化[6]。

2道路交通安全评价体系的建立

2.1指标体系建立原则

道路交通安全综合评价体系建立的前提，是建立评价指标。在设立评价指标时，有以下六条基本原则要遵循[7]：

1.目的性：建立的评价系统中的任意一项评价指标都要基于评价目的来展开，应能准确的反映出评价者的评价意图。

2.系统性：指标体系必须全面地反映出评价的综合情况，以保证评价结果的可信度。

3.可操作性：在建立指标体系时应注意，体系中每一个评价指标都应具有明确的含义，并且能及时收集到准确数据。

4.独立性：各指标之间应相互独立，不能具有相互包含的关系。

5.实用性：所采用的评价方式应接近实际，其获得的评价结果才能更客观准确的反应实际情况。

6.可比性：对于每一个评价的对象都是平等的、具有可比性的。各评价的对象之间不能含有倾向性指标。

在道路交通安全的综合评价指标体系的建立过程中，若要保证由此评价体系得到评价结果符合实际，能较准确的反映道路安全状况，那么就必须遵循以上基本原则。

2.2道路交通安全评价指标体系的建立

在对道路交通安全的评价过程中，需要注意有很多道路因素都将影响交通安全，因此采用二级评价指标以确保评价的全面性和可信度。

一级指标为：U1平面；U2纵断面；U3横断面；U4路面状况；U5交通工程设施。并由此确定二级指标。

1.U1平面：U11直线长度；U12圆曲线半径；U13平曲线转角；U14平曲线长度。

2.U2纵断面：U21纵坡度；U22纵坡长；U23竖曲线半径；U24竖曲线长。

3.U3横断面：U31中央分隔带宽度；U32行车道宽度；U33路肩宽度；U34横坡和超高值。

4.U4路面状况：U41路面平整度；U42路面破损情况；U43路面抗滑性能。

5.U5其他：U51交通安全设施；U52标志标线。

2.3评判权重的确定

在用多个评判指标来进行评价时，各个评价指标对所评价的对象产生的影响不同，所占比重不同，因此，应进行各指标权重的确定。指标权重是表征各评价因素相对于评价目标重要性的量度值，以一种数量形式来对比及权衡被评价对象的各评价指标的相对重要性[8]。

权重的确定也存在着一些差异，主要存在于以下三个方面：

1.主观差异：评价体系中的各评价指标在不同的评价者心中的重视程度也不同；

2.客观差异：各指标对被评价对象的影响程度不同；

3.可靠度差异：各评价指标来源的可靠程度不同。

通常用来确定评价指标各因素权重的方式有两种：经验法以及数学法。经验法又称为定性法，由专家直接估计权值；数学法又被称为定量法，其基础为经验法，加以数学原理，可以更加客观性的反应评价情况。

本文采用层次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)进行权重的确定。利用此方法可以提高此评价体系的准确性，准确的反应各指标对于被评价对象的重要程度，保证其科学性和客观性。

层次分析法是指将决策问题的各种相关元素分解为目的、评价项目等几个层次，对评价对象进行定性以及定量分析的一种综合决策方法。层次分析法的优点在于它能将人的思维过程分为几个有序的才层次，用清晰的数量表征，并用数学方法作为分析、决策的依据，具有很高的准确性。利用此方法可以深层次的分析复杂的问题的本质，并对影响因素以及各因素之间的内在联系进行了分析，使整个决策思维过程更加层次化，从而有序的构建评价层次结构，为原本复杂抽象的决策问题提供简便而有效的决策方法。

层次分析法的步骤：

1.根据评价目的以及评价项目等因素建立层次结构模型。

2.构造判断矩阵。将本级中的某一元素作为基准，对同级各因素的重要性进行对比，并列出判断矩阵；针对上一层的某一元素，同级的因素两两进行重要性的比较，列出同级元素重要性判断矩阵[9]。

(1)同一级元素之间相对重要性的判断矩阵的确定：

表1　判断矩阵的判断尺度及其含义

注：若判断的重要性介于表格中两个相邻等级之间，则可用2、4、6、8、1/2、1/4、1/6、1/8等来表达其重要性。

此判断矩阵是将本级中某一元素当作基准，两两比较本级的所有元素的相对重要性，从而确定此判断矩阵中的各元素。确定判断矩阵时使用的判断尺度详见表1，假设aij为元素Ai对元素Aj相对重要性矩阵的元素。例如：若Ai比Aj略重要，则aij=3，反之，aij=1/3.

(2)构造判断矩阵，形式如下：

Bk A1 A2 … AnA1 A11 A12 … A1nA2 A21 A22 … A2n An An1 An2 … Ann

实际上，现实中较复杂的评价或决策问题中，判断矩阵一般经过多位具有相关工作经验的专家对各因素的重要程度进行全面分析后确定的。其本质是将专家渊博的专业知识和丰富的工作经验转化为评价和决策需要的有用信息。

(3)判断矩阵一致性检验[10]：

1-9阶判断矩阵的平均随机一致性指标RI取值也存在差异，详见表2.

表2　平均随机一致性指标RI

(4)层次排序

层次排序是指根据得到的判断矩阵，计算本层中各元素对上一级元素的重要性次序的权值，一般来讲，可将此问题转换为计算判断矩阵的最大特征根和特征向量的问题。

判断矩阵每一行元素的乘积Mi：

最大特征根λmax为：

其中，(AW)i为向量AW的第i个元素。

2.4确定评价等级

评价等级是指对各个影响元素的状态进行评价的指标。一般的，人们可以较明确判别的好与差的程度级别最大为九个等级，评语的等级划分得越详细，则由其得出的评价结果越准确，但也存在弊端，那就是评价的过程也越复杂，也较难掌握；若评语的等级过少，又不能得到客观准确的评价结果。因此，评语的等级过多或过少，都将使得评价结果缺乏准确性和可靠性，故评语等级数量应以适中为宜。另外等级数通常取奇数，这样得到的评语等级分布平衡，除中间项外前后相互对应，可以使评价者在评价过程中思路更清晰，同时也有利于得到隶属度对比指数[11]。本文中的道路因素的评价体系中，评语的等级分布见表3.

表3　评价等级

3实例分析

3.1道路概况

研究路段为某国道位于山西省的某一路段，全长30.23km.本路段修建于上世纪七十年代，修建年限早，技术标准低，地形条件差，是“先天不足”的山区公路，由于资金不足，本路段一直未得到改造，也没有补充必要的安全保障设施，路侧险要地段缺少或没有防护设施及标志牌，存在着极大的交通安全隐患。其中K219+100～K249+331段为1971年修建的三级公路，由于地形复杂，山路崎岖，故路基宽度变化较大，参差不齐，有7m、7.5m、7.7m、7.8m、8m以及8.5m，路面宽度均为6m，路面结构为2cm沥青表处+15cm碎石灰土，1986年全路段加铺为2.5cm厚的沥青表处。由于交通量增加，路面病害成直线上升，2005年K230+000～K231+000段进行过罩面处理，2006年K220+000～K224+000、K246+000～K249+331段进行过罩面处理，但都没有彻底根治病害。2012年该路段进行了改建，改建按照二级公路标准建设，技术指标见表4.

此路段进行大修之后，道路的路面状况得到很大改善，交通量剧增，大型运煤车辆随之增多，超载车辆的频繁碾压，致使交通安全事故发生率显著增高。特别是K246+900～K247+900路段为连续长下坡路段，坡度较陡，交通安全状况尤为严峻。

3.2用模糊综合评价法对该路段进行安全评价

3.2.1模糊评判矩阵的建立

本文所研究路段的原始数据由山西某路桥建设养护公司获得。本文将该黑点路段的原始设计数据资料提供给10名经验丰富的道路工程师，按照前文建立的评价体系中的第二层评价指标进行评判打分，再整理并统计得到对该路段的评价结果如下统计表5所示。

表4　主要技术指标

表5　黑点路段交通安全调查表

由此可得评价矩阵：

3.3.2权重向量的确定

根据上文得到的因素集合，故权重向量A为：

A0=(a1,a2,a3,a4,a5);A1=(a1,a2,a3,a4);

A2=(a1,a2,a3,a4);A3=(a1,a2,a3);

A4=(a1,a2,a3);A5=(a1,a2)

根据上文所述的计算步骤，利用重要度九标度法，即可得到同一层中各指标相对于其上一层准则以及上一层准则相对于整个评价系统的评价目标的权重分配，结果见表6.

表6　准则层重要性权重分配

λmax=5.194CI=0.048RI=1.12CR=0.043<0.1，满足一致性要求。

表7　U1平面因素重要性权重分配

λmax=4.104CI=0.035RI=0.9CR=0.038<0.1，满足一致性要求。

表8　U2纵断面因素重要性权重分配

λmax=4.184CI=0.061RI=0.9CR=0.068<0.1，满足一致性要求。

表9　U3横断面因素重要性权重分配

λmax=3.009CI=0.005RI=0.58CR=0.008<0.1，满足一致性要求。

表10　U4路面状况因素重要性权重分配

λmax=3.018CI=0.009RI=0.58CR=0.016<0.1，满足一致性要求。

表11　U5交通工程因素重要性权重分配

λmax=3.074CI=0.037RI=0.58CR=0.063<0.1，满足一致性要求。

故确定最终权重为：

A0=(0.4280.3140.1260.0410.091);

A1=(0.0920.2510.5550.102);

A2=(0.1550.1090.1860.55);

A3=(0.4160.1260.458)；

A4=(0.4550.1980.347)；

A5=(0.5490.451).

3.2.3评价指标计算及分析

利用公式B=AR即可得各评价指标的评价向量：

B1=(0.24630.40100.24350.10920)

B2=(0.07760.21710.37280.25960.0729)

B3=(0.21260.32060.27940.14160.0458)

B4=(0.03470.40470.32110.21430.0192)

B5=(0.32940.16470.19020.27060.0451)

由此可见，该路段的纵断面、路面状况及交通工程设施等方面处于较差水准，对该路段的交通安全影响很大，应予以整治或改造。又根据A0=(0.428,0.314,0.126,0.041,0.091)可得到道路因素对道路交通安全影响的综合评价向量：

由评价结果：

B=(0.19810.28730.22560.14480.037)看出，有50.35%的人在考虑了所有道路因素后，认为该路段的整体交通安全状况处于较差的水平，存在较大的安全隐患。

4结束语

建立了基于道路平面、纵断面、横断面、路面状况以及交通工程设施等影响道路交通安全的道路因素的模糊综合评价体系，最后利用此方法对某典型公路段进行评价，验证该体系的可行性。

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ResearchofTrafficSafetyFuzzyComprehensiveEvaluationBasedonRoadFactors

CHENGJin-zhao，LIZhen-feng，RENLi-chao，ZHAIWen-qing

(SchoolofTransportation&Logistics，TaiyuanUniversityofScience&Technology，Taiyuan030024，China)

Abstract：In recent years，the traffic safety situation continued to deteriorate.The fuzzy comprehensive evaluation method is put forward.This paper made qualitative and quantitative researches on?road factors in traffic safety such as road plane，vertical section，cross section，road conditions and traffic engineering facilities.The analytic hierarchy process was used to determine the weight of each factor，and traffic safety evaluation system was built based on road factors by the method of fuzzy evaluation，and an analysis of an example was made in this evaluation system.

Key words：road factors，road traffic safety，fuzzy evaluation，analytic hierarchy process

收稿日期：2015-09-07

基金项目：山西省回国留学人员科研项目(2013-096)；山西省科技攻关项目(20120321023-05)；山西省科技攻关项目(20150313014-2)

作者简介：程劲钊(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为道路桥涵隧道及轨道工程。

文章编号：1673-2057(2016)04-0296-06

中图分类号：U491.1+22

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.010