基于物元分析的山岭地区干线公路交通安全评价

汪明杰

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507)

基于物元分析的山岭地区干线公路交通安全评价

汪明杰

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507)

结合交通安全评价方法的选取原则和山岭地区干线公路道路交通特征，利用物元分析评价法建立基于可能性分析和严重性分析的山岭地区干线公路评价模型，并应用实例验证分析模型的可操作性和科学性，为改善山区干线公路交通运行条件、消除事故黑点和提高交通安全运行水平提供理论依据和技术支持。

山岭地区；干线公路；交通安全；评价模型；物元分析

近年来，大量山区公路基础建设为我国山岭地区的经济发展提供了坚实的交通运输保障，改变了山区人民的交通出行方式和生活方式。但是受到特殊地形条件的限制，山岭地区公路在实际运营中交通事故的多发性与事故高死亡率已经成为山区交通安全的隐患。

目前，国外对交通安全评价的研究重点已从绝对指标过度到指标体系和评价模型领域，建立了交通安全评价指标体系和评价方法；国内在交通安全研究中关注的重点主要包括事故统计分析、交通安全评价、交通事故预测、交通事故预防等4个方面[1]。但是常规评价方法与山岭地区的地形条件、道路线形的特殊性相冲突，不能满足山岭地区干线公路的交通安全需求。本文基于物元分析评价法建立山岭地区干线公路交通安全评价模型，以期能够真实高效的评价山岭地区干线公路的交通安全。

1 交通安全评价方法的选取

1.1 选取原则

借鉴相关领域的研究经验，山岭地区干线公路交通安全评价方法选择应遵循相关原则[2]。

1)科学性。评价方法能够真实反映山岭地区干线公路安全的本质，体现交通安全影响因素的内部联系，保证评价过程的科学合理性，评价结果的可靠性、客观性与可信性。

2)可操作性。评价方法确保评价过程切实可行，能够兼顾部门使用和服务基层，保证参与评价的基础数据容易获取，评价过程简明清晰、操作简便。

3)实际性。评价方法应与山岭地区干线公路特征紧密联系，得出道路安全水平的确切结论，为山岭地区干线公路的治理与改善提供可靠的措施与依据。

4)可比性。评价方法能对山岭地区干线公路交通安全进行科学比较，并评判道路安全运行水平。

1.2 评价方法确定

山岭地区干线公路交通安全体系中影响交通安全的因素种类繁多，并且各评价因素和指标对应的评价值域在评价过程中存在显著的差异性，形成的评价结果在相容性和匹配性上很难达到要求。因此须从山岭地区干线公路交通安全评价的特殊性出发，选取一种既能满足山岭地区干线公路交通安全评价要求，又能够对山岭地区干线公路交通安全水平作出总体科学评判的评价方法。[3-5]

目前相关学者针对不同评价指标的差异性主要通过线性类比进行简单处理，无法真实反映指标间的差异。本文提出利用物元分析模型对山岭地区干线交通公路安全进行评价，其优点是：物元分析无需对原始指标数值进行无量纲化处理，在评价过程中，不需将各因素的评价指标值域换算成标准的统一值域，从而保证评价指标数据的完整性；物元分析模型中的评价指标是具有特性的相互联系的元素，恰好可以解决在综合作用下多个不相容的单项指标所反映的规律性问题。

2 物元分析评价法

2.1 物元模型的基本理论

1)物元矩阵[6]

物元，即是指由事物N、事物特征C以及各特征的量值X所构成的三元组，记作(N，C，X)。

若事物N0具有n个特征C1，C2，……Cn，那么，其相应的指标量值则记作X1，X2，……Xn，该事物可称为n维物元，则物元矩阵

，

根据特征值的一般量值范围与最高允许量值范围，将R分成经典域物元矩阵和节域物元矩阵2类。

若记标准事物为N0j，则称其特征Ci的值域X0ji为经典域，则经典域物元矩阵

(1)

式中(a0ji,b0ji)为事物特征的量值区间。

若记待评价事物N0的特征量值的全体为P，则称其特征Ci的值域Xpi为节域，则节域物元矩阵

(2)

2)关联函数

在物元分析模型中，关联函数表示当物元的量值取值为实轴上一点Xi时，物元所符合要求的程度。

根据区间的模计算公式，量值区间(a0ji,b0ji)的模

，

(3)

则某点Xi到(a0ji,b0ji)的距离

，

(4)

因此，定义关联函数

,

(5)

式中ρ(Xi，Xpi)为Xi到量值区间(api，bpi)的距离。

3)确定权重

在实际评价过程中，事物各特征因素Ci对事物本身影响的重要程度不同，在分析中需给予各特征因素Ci不同的权重。权值ωi的获取可通过层次分析法、专家调查法等方法确定[7-9]。

2.2 评价模型等级划分

待评事物N0关于等级j的关联度

。

如果有Kjo(N0)=maxKj(N0)，则可判定待评价事物N0属于评价等级j0。

1)当Kj(N0)>1时，评价事物超过要求上限，且数值越大，其开发潜力越大。

2)当0≤Kj(N0)≤1时，评价事物符合标准对象要求的程度，且数值越大，越接近标准对象的上限。

3)当-1≤Kj(N0)< 0时，评价事物不符合标准对象要求，但具备转化为标准对象的条件。

4)当Kj(N0)<-1时，评价事物不符合标准对象要求，且又不具备转化为标准对象的条件。

计算待评价事物N0的评价级别变量特征值j*，以判别评价对象偏向某一评价等级的程度，有

,

(6)

2.3 多级评价模型

当评价对象有多个评价指标时，可将指标分类进行多级评价[10]。根据评价指标自身的特征，可将众多评价指标分为n类，即C={C1,C2,……,Cn}；若某个指标子集Ci存在m个子指标，则记作Ci={Ci1,Ci2,……,Cim},其中Cik(k=1,2,……,m)表示第i类指标中的第k个子指标。

根据层次分析法、专家调查法等方法确定各级评价指标在评价等级中的权重。并假设第i类评价指标的权重记作ai；同样地，将第i类指标中的第k个子因素的权重记作aik。

分别对子系统Ci进行初级评价。则子系统Ci关于等级j的关联度

(7)

待评事物N0关于等级j的关联度

(8)

如果对于Ci由式(6)计算出的级别变量特征值为j*，则事物N0的级别变量特征值

,

(9)

则j**称为待评定事物N0的级别变量特征值，j**值用于判别待评价事物偏向某一评价等级的程度。如j0=2，j**=2.8表示N0属于评价等级2级，且偏向于第3级。

3 山岭地区干线公路交通安全评价模型

3.1 评价路段单元

影响山岭地区干线公路交通安全运行水平的技术指标存在较大差异，为了对交通安全运行水平进行准确评价，将路网体系划分为若干个评价路段单元，评价路段单元划分的基本原则为：评价单元路段宽度控制在1 km左右，特殊情况不应超过2 km；评价单元路段起讫点宜位于直线段处；同一处圆曲线路段应划分在同一个评价单元内；同一处桥梁隧道路段应划分在同一个评价单元内；同一个评价单元路段路侧净区宽度应基本相同。[11-14]

3.2 基于可能性分析的评价模型

1)模型评价指标与等级划分

根据山岭地区干线公路交通安全评价指标体系，选择相应可能性评价指标集即道路线形与道路环境指标作为当前物元模型的特征指标集Ci。选择圆曲线、竖曲线、纵坡等交通安全影响因素作为各特征指标的子指标集Ci的子指标，即Ci={Ci1,Ci2,……,Cim}，圆曲线、竖曲线、纵坡等交通安全影响因素实际量值则记作子指标的特征量值X1,X2,……,Xim。另外，应根据所评价公路单元的实际情况，对评价指标体系内的子指标加以取舍。[15-16]

由于具体的评价指标包含有性质不同的定性指标与定量指标，导致评价指标等级的确定具有一定的复杂性。因此，为使评价等级的划分简单而明确，将评价结果总共分为4个等级，如表1所示。

表1 山岭地区干线公路交通安全评价等级划分

根据道路的设计参数、要点和基本特征，构建基于可能性的山岭地区干线公路交通安全评价指标体系如表2所示。将各指标数值划分为不同的区间，表2中括弧内的参数即为相应指标等级下的指标区间。如：表2中子指标圆曲线半径C11，根据规范要求，当设计速度为40 km/h时，圆曲线最小半径为65 m，同时考虑圆曲线半径对行车安全的影响，根据其取值范围将山区公路的圆曲线半径划分为[500,300)、[300,150)、[150,65)、[65,0] 四4个等级。特征量值一般选取系统安全水平较好、发生事故的可能性小、事故严重程度较轻等级情况下的某一指标数值。如：表2中特征量x11在[b11,c11)内。

表2 基于可能性分析的山岭地区干线公路交通安全评价指标体系

2)构造评价模型物元矩阵

根据式(1)(2)以及各评价指标Ci的分级情况，由道路线形C1指标集构成经典域物元矩阵R11～R14以及节域物元矩阵R1P；由道路环境C2指标集构成经典域物元矩阵R21～R24以及节域物元矩阵R2P。

3)确定各级指标的权重

根据层次分析法和道路的实际情况，确定各二级指标Cik的权重aik及各一级指标Ci相对于整个体系的权重ai。

4)计算关联度

利用式(3)～(5)(7)～(8)，首先计算出山岭地区干线公路交通安全可能性对于系统指标Ci关于评价等级j的关联度Kij(Xik)；再进行针对第一级评价指标的评判，从而获得山岭地区干线公路交通安全可能性关于评价等级j的关联度Kj(Xi)。

5)确定评价等级

若Kjo(N0)=maxKj(N0)，则可确定待评事物N0归属于等级j0，即确定山岭地区干线公路交通事故发生可能性的等级。

根据式(6)(9)计算得待评事物N0的级别变量特征值j**，判别山岭地区干线公路交通发生事故的可能性偏向某一安全等级的趋势。

根据山岭地区干线公路交通安全可能性N0的归属等级，结合山岭地区干线公路交通安全可能性的发展态势，可评定该评价路段单元是否安全，并根据实际的评级等级，确定是否需对影响该评价路段安全的因素进行改善与调整，从而提高该公路的安全水平。

3.3 基于严重性分析的评价模型

与基于可能性分析的山岭地区干线公路交通安全评价相似，基于严重性分析的山岭地区干线公路交通安全评价是通过严重性评价指标所构成的评价体系，运用物元分析模型基本理论对所需评价的公路单元进行综合评价。

1)确定模型评价指标与等级

根据山岭地区干线公路行车安全影响因素的分析和交通安全事故数据的处理，并参考文献[17-21]，选择相应的严重性评价指标集作为山岭地区干线公路交通安全严重性评价指标体系，如表3所示。

表3 基于严重性分析的山岭地区干线公路交通安全评价指标体系

2)构造评价模型物元矩阵

针对交通安全设施C3以及道路结构C4指标集，分别构造经典域物元矩阵与节域物元矩阵。

3)确定各级指标的权重、关联度及评价等级

各级指标的权重、关联度及评价等级参见3.2部分的步骤3)～5)确定。

根据山岭地区干线公路交通安全严重性N0的归属等级，能评判该评价路段是否安全、是否需要完善等。

4 应用实例

4.1 路段概况

依据山区干线公路的交通事故特征，选取国道G206广东省兴宁市松陂村(K2210+926～K2211+260)路段，进行基于严重性分析的交通安全评价。该路段各项指标的设计标准如表4所示。

K2210+926～K2211+260路段路侧沿线设有A级波形梁护栏，并且在K2211+200处与S120形成T字型交叉口，沿线基本上为填方路段。

4.2 基于严重性分析的山区干线公路交通安全评价

1)确定评价指标与等级

根据(K2210+926～K2211+260)路段的设计标准与实际情况，同时参照文献[22-23]确定严重性评价指标体系以及对评价指标进行具体的等级划分，如表5所示,表中g为重力加速度。

表4 G206兴宁松陂村K2210+926～K2211+260路段指标的设计标准

表5 山区干线公路交通安全严重性评价指标体系

2)构造评价模型物元矩阵

指标C3的节域物元矩阵

同理，构建指标C4的经典域物元矩阵R41～R44以及节域物元矩阵R4p。

3)确定各级指标的权重

根据层次分析法以及护栏工程在交通事故的中重要程度，并通过相关计算处理，赋予各特征指标相应的权重。(K2210+926～K2211+260)路段交通安全严重性二级评价指标护栏完备率C31的权重为0.401 6，护栏防撞等级C32的权重为0.598 4。

同理，计算山区干线公路交通安全严重性评价一级指标道路设施C3的权重为0.598 4，道路结构C4的权重为0.401 6。

4)计算关联度

根据式(3)～(5)(7)～(8)计算出各特征指标Ci所包含的各子指标Cik相对于各评价等级的关联度Kij(Xik)，再进行综合关联度的计算，得到国道G206(K2210+926～K2211+260)路段交通安全严重性评价指标关联度Kj(Xik),如表6所示。

如：表6中数字0.403 5为评价路段二级指标C31对于1级评级等级的关联度；1.264 7为评价路段所有评价指标对于2级评价等级的综合关联度。

将表6的结果，代入式(6)(9)计算得出各级指标的特征值，二级指标C31、C32、C41的特征值j*分别为1.83、1.90、1.96，一级指标C3、C4的特征值j**分别为1.87、1.96。

表6 评价路段交通安全严重性评价指标对评价等级的关联度

5)确定评价等级

由表6可知，K2(N0)=maxKj(N0)=1.264 7，即评价对象国道G206广东省兴宁市松陂村路段(K2210+926～K2211+260)基于严重性分析的山区干线公路交通安全评价等级为2级，由表1可知，该路段交通安全性处于“良”状态。根据一级指标C3、C4j**的计算结果(1.87、1.96)可得，基于严重性分析的山区干线公路路段(K2210+926～K2211+260)交通安全处于“良”状态,且更倾向于“优”。评价结果与国道G206广东省兴宁市松陂村(K2210+926～K2211+260)路段的实际情况相符，证明所建模型的正确性。

5 结语

通过分析交通安全评价的基本原则和山岭地区干线公路地形、道路特征对交通安全的影响，选取物元分析法作为山岭地区干线公路交通安全的评价方法。基于物元分析评价法建立山岭地区干线公路交通安全评价模型，对评价模型的指标体系和权重进行优化，构建基于可能性与严重性分析的山岭地区干线公路交通安全评价模型，并结合实例对模型加以应用，验证了所建模型的正确性。

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(责任编辑：杨秀红)

Traffic Safety Evaluation of Main Highway in Mountain Area Based on Matter Element Analysis

WANGMingjie

(GuangdongProvinceCommunicationsPlanning&DesignInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou510507,China)

Combined with the selection principle of traffic safety evaluation method and the road traffic characteristics of trunk highway in mountain region, the traffic safety evaluation model of the mountainous area highway is built based on the analysis of the possibility and severity by means of the matter-element analysis and evaluation method. The application example verifies the operability and science of the analysis model, which provides the theoretical basis and technical support for improving the traffic conditions of mountain trunk highways and eliminating the black spots of accidents and increasing the operational level of traffic safety.

mountain region；trunk highway；traffic safety；evaluation model；matter-element analysis

2016-11-14

汪明杰(1989—)，男，江西婺源人，助理工程师，工学硕士，主要研究方向为交通安全、交通规划、交通组织与管理及交通设计，E-mail：wwwmingjie@126.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.004

U492.8

A

1672-0032(2017)01-0021-08