重特大道路交通事故风险耦合模型的构建

张树林，金会庆，曾涛，高岩，李宏海，李平凡,刘应吉，赵菁,4, 殷毓潇,4,袁伟

(1.国家车辆驾驶安全工程技术研究中心，合肥 230088；2.安徽三联学院交通安全应用技术协同创新中心，合肥 230601；3.安徽三联事故预防研究所，合肥 230088；4.安徽三联交通应用技术股份有限公司，合肥 230081；5.广东省公安厅交通警察管理局，广州 510440；6.公安部交通管理科研所，江苏无锡 214151；7.国家交通管理工程技术研究中心，江苏无锡 214151；8.交通运输部公路科学研究所，北京 100008；9.国家智能交通系统工程技术研究中心，北京 100008； 10.长安大学，西安，710064)

1 引言

我国是全球道路交通事故最严重的国家之一，尤其是一次死亡10人以上的重特大交通事故，造成了触目惊心的人员伤亡及经济损失，严重威胁着国民经济发展、社会稳定和人民生命财产安全。长期以来，由于交通事故发生机理的复杂性与事故致因的不确定性以及认知手段的缺乏，极大地影响着我国重特大道路交通事故的防治能力。因此，明确重特大道路交通事故发生机理和致因，构建其风险模型，评估事故风险大小，对控制道路交通事故，尤其是重特大交通事故的发生具有重大的战略意义和深远的社会意义。

根据“海因里希事故法则”，事故伤害存在一定比例，死亡或重伤、轻伤或故障、无伤害事故三者之间的比例为1：29：300[1]，意思是每发生330起意外事故，会有1起事故导致人员重伤或死亡，29起造成人员轻伤，300起事故没有产生人员伤害。这个法则从侧面说明，同一项活动中，无数次意外事件必然导致重大伤亡事故发生。数以万计的道路交通事故也必然会导致重特大交通事故的发生。

海因里希提出的事故因果连锁论认为，尽管伤害可能在某瞬间突然发生，但伤亡事故的发生不是一个孤立事件，它是一系列事件相继作用的结果。同样，重特大交通事故的发生并不仅仅是某个单一因素造成的，而是由多个影响因素之间相互影响、相互耦合造成的[2]。通常情况下，重特大交通事故的影响因素主要包括人的因素、车辆因素、道路环境因素[3]，在重特大交通事故内在系统中，各因素之间都有可能存在着交叉耦合的现象。

国内外众多学者曾经对道路交通安全风险度量进行研究探讨，试图揭示道路交通事故风险因子耦合机理及其耦合作用大小。本文在道路交通事故致因分析的基础上，拟构建重特大交通事故人-车-路风险耦合模型，探讨交通事故风险因子的动力学演化规律及其耦合权重，旨在为精准防控重特大交通事故的危险源提供理论指导。

2 重特大交通事故风险因子耦合作用分析

耦合是指两个或两个以上事物之间存在的相互作用和相互影响，这种作用和影响不是单向的，而是相互的。从系统风险结构角度分析，重特大交通事故是由多个风险因素发生耦合作用所致，早期事故致因研究大多侧重于交通事故的单因素分析，而仅仅局限于单个致因因素的分析难以阐明重特大交通事故的发生机理[4]。开展多因素相互作用研究，有利于全面认识重特大交通事故风险耦合作用机制及风险动态变化。本文将重特大交通事故致因系统分为人、车、路三个子系统，依据参与事故风险耦合子系统的因素属性，将重特大交通事故风险耦合划分为子系统内因素耦合与子系统间因素耦合，以此来剖析重特大交通事故各因素之间的关联复杂度。

2.1 重特大交通事故风险子系统内因素耦合关系分析

交通事故防控是一项复杂的系统工程[5]，且涉及人、车、路等多个子系统，这些单独的子系统均具有一定的独立性。重特大交通事故子系统内因素风险耦合是指同一子系统内的不同影响因素之间发生的风险耦合作用。所以，当某个驾驶人或某辆车在某个环节发生子系统内因素之间风险耦合，均可能引发交通事故。现以“人”(主要指驾驶人)为例，进行子系统内风险耦合关系分析。

依据交通事故致因描述性研究，“驾驶人”子系统的主要风险因素包括五个：驾驶人的生理因素[6]、心理因素[7]、安全意识[8]、驾驶技能[9]和驾驶行为[10]。驾驶人的生理因素主要涉及身体状况指标，如体温、血压、听力、睡眠、酒精含量等，疾病、睡眠不足、宿醉等身体不适都是生理因素风险；心理因素主要涉及心理状况指标[11]，如安全态度、危险感知、性格特征等，极端情绪、异常态度、异常心理压力等都是心理因素风险；驾驶人的安全意识是指其态度和认知对其在交通活动中行为的规范意识，这种意识的形成有可能是先天具备的，也可以是通过后天进行培养和提升，并在人的成长过程中不断积累的，法规观念淡薄、交通规则麻木等都是安全意识风险；驾驶技能是指驾驶人顺利完成由一系列简单动作组成的连贯的能实现移动车辆功能的能力，安全驾驶能力测评可以反映驾驶技能水平大小，技术生疏、车辆控制能力低下、动作协调性差、应急反应与处置能力弱等都是驾驶能力的风险。驾驶行为的风险来自不良驾驶行为，不良驾驶行为是指驾驶人实际完成的动作偏离安全驾驶规范的标准操作导致发生事故概率较大的驾驶活动，是道路交通事故人的因素中最突出的致因风险，根据不良驾驶行为的聚类分析发现其可分为故意违法类、过失类、陋习类三大类不良驾驶行为[11]。

人的因素风险因子同质耦合途径主要包括：生理因素-心理因素-不良驾驶行为；心理因素-生理因素-不良驾驶行为；生理因素-心理因素-安全意识-驾驶技能-不良驾驶行为，等。例如，驾驶人的心理素质低可能会削弱其安全意识，导致驾驶过程中安全意识薄弱，出现故意违法等不良驾驶行为，从而不能准确辨识和避免一些常见的危险源；而安全意识淡薄常常伴随侥幸驾驶，日久容易形成陋习类不良驾驶行为，影响驾驶人驾驶能力的提升，安全意识与驾驶技能二者发生耦合作用；驾驶人的生理和心理因素相互影响，极易引发交通事故的发生，表现为当驾驶人的生理状况欠佳时，驾驶过程中容易分心，注意力不集中，或产生初级疲劳等，导致心理机能减弱，减弱到一定程度容易滋生某种不良驾驶行为；同样，当驾驶人心理状况欠佳时，影响其大脑中枢神经反应与决策能力，且在生理状态中表现为视力、听力、体力等不同程度影响，从而产生倦怠等消极情绪，诱发某种不良驾驶行为。诸如此类的风险耦合作用在驾驶过程中随时随地发生。

2.2 重特大交通事故风险子系统间因素耦合关系分析

重特大交通事故风险子系统间因素耦合是指道路交通系统中不同子系统之间发生的风险耦合作用[12]，主要包括：人-车风险耦合、人-路风险耦合、车-路风险耦合和人-车-路风险耦合，共四种风险耦合形式。道路交通系统中不同子系统首先突破自身的安全阈值，再经过事故链条的传导，就会发生不同子系统间的风险耦合。

人-车因素子系统间风险耦合链条主要包括：心理因素-驾驶技能-车辆故障-车的不安全要素；车辆设计缺陷-心理因素-人的不良驾驶行为；车辆设计缺陷-心理因素-驾驶技能-人的不良驾驶行为，等。以人-车风险耦合作用为例，人的不良驾驶行为可能会导致车辆风险产生，车自身的不安全状态同样也会影响到人因风险阈值。人的行为对车的影响主要是指人的不良驾驶行为，例如驾驶人的驾驶技能低下或技术生疏，导致加速踏板与制动踏板误用，影响车辆的行驶状态，从而引发事故。同样，由于车辆自身的机械故障或者轮胎磨损爆胎，突发事件刺激容易诱发过失驾驶，导致人的不良驾驶行为产生[13]。人- 路风险耦合同样如此。

3 重特大交通事故人-车-路风险耦合模型建立

自然界的本质就是非线性的[14]，对于重特大交通事故来说，其风险系统由人因风险子系统、车辆风险子系统和道路风险子系统构成，影响因素众多，结构繁杂，相互交织，是极其复杂的系统，并非单一的线性函数关系所能阐述，因此利用非线性动力学原理可以建立交通事故风险动态耦合模型，以便进一步评估重特大交通事故风险因子之间耦合作用大小。建模步骤如下：

3.1 重特大交通事故风险指标体系

正确有效的选取交通事故风险因子指标，对于我们能够准确计算子系统之间的耦合度有着密不可分的关系，本文通过文献借阅法和实地考察法，结合地方政府法律法规、规章制度和专家意见，最后确立了包含人、车、路、管理四个一级指标和19个二级指标来构建影响重特大交通事故风险因子指标体系。

3.2 子系统综合风险值计算

具体步骤如下：

1)确定评价对象的因素论域

P={P1，P2，P3，P4}={人的因素，车的因素，道路因素，管理因素}；

P1={C1，C2，C3，C4，C5}={生理因素，心理因素，安全意识，驾驶技能，驾驶行为}；

P2={C6，C7，C8，C9，C10}={制动故障，转向故障，轮胎磨损，机械故障，行驶状态}；

P3={C11，C12，C13，C14，C15}={恶劣气象，交通流，道路事件，安全设施，道路设计}；

P4={C16，C17，C18，C19}={法律法规，执法技术，监督机制，管理组织}；

2)确定评语等级论域

V={V1，V2，V3，V4，V5}={非常严重，严重，比较严重，一般严重，轻微严重}，并进行赋值如表1。

表1 风险评价定量分级标准

3)建立模糊关系矩阵

确定从单因素来看被评价事物对等级模糊子集的隶属度，得到模糊关系矩阵A。

矩阵A中第i行第j列元素aij，表示某个被评事物从因素Ci来看对Vj等级模糊子集的隶属度，隶属度由专家打分法确定。

4)合成模糊综合评价结果向量

模糊综合评价结果向量Q由评价因素的权向量P与模糊关系矩阵A用权平均模糊合成算法合成得到。

5)子系统风险值计算

(1)

子系统的风险值Vi由代表Pi评价因素的结果向量Qi与风险评价定量分级标准Ki相乘加权得到。

3.3 人-车-路风险耦合模型构建

基于重特大交通事故影响因素之间的特点是非线性和耦合性，因此首先利用非线性动力学的演化原理构建两个子系统之间的演化方程，通过研究复合系统的演化速度V的变化，能有效的表现出重特大交通事故风险子系统之间的耦合作用大小。在式(2)，P、Q代表XP和XQ两个子系统的演化状态，而VP与VQ则代表两个子系统的演化速度，VP与VQ之间的函数V=f(VP，VQ)则构成了整个复合系统的演化速度V。

(2)

利用VP与VQ和两个子系统演化速度的夹角来表示重特大交通事故风险耦合作用值，二者的夹角用反正切函数表示，如式(3)

α=arctg(VP/VQ)

(3)

α的值域为(-π/2，π/2)，区分重特大交通事故风险耦合作用强度的大小依据的就是不同的取值区间。当α∈(-π/2，0)时，耦合程度较弱；当α∈(0,1)时，耦合程度为中度耦合；当α∈(1，π/2)时，耦合程度为强度耦合。

4 结论

本文只是重特大交通事故致因机理理论探讨，实证分析量化研究有今后进一步深入，重特大交通事故风险系统的各系统及内部各要素之间存在耦合作用，直接影响事故产生的概率和风险值。构建重特大交通事故人-车-路风险耦合模型，为度量耦合作用的大小提供有效方法，从而使交通事故因果链能够被准确阻断，科学指导防控重特大交通事故的发生。