基于模糊层次分析的道路交通安全评价研究
2019-03-28许林新苑仁腾王小双
许林新,苑仁腾,王小双
(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司 西安市 710000; 2.长安大学 公路学院 西安市 710064;3.安徽百诚慧通科技有限公司 合肥市 230000)
0 引言
中国是世界上交通事故最严重的国家之一。国内外统计数据显示,所有交通事故中与车速相关的事故约占事故总数的1/3[1]。其中,道路状况、交通环境、交通管制条件、气候条件和车辆技术条件是造成道路交通事故的主要因素[2]。由于各种因素的影响,在评估道路安全条件时,部分因素量化困难甚至无法量化,同时在进行无量纲处理时仅局限于将所有因素在同一量纲中考虑,容易忽略每种因素本身所具有的特性。但是车辆运行速度是在所有因素共同作用下的结果,可以间接或直接反映每种因素特性。因此考虑从车辆运行速度出发,对道路安全状况进行评价,及时预见事故黑点、黑段,进而加以改进,对于减少交通事故具有重要的研究意义。
目前,我国对基于速度的道路交通安全评价进行了大量研究,并提出了许多识别和评价路段的方法。如吴义虎等人针对了国内几起典型公路交通事故的统计数据,研究了车辆平均车速、车速标准差对路段交通安全的影响,表明当平均车速低于设计车速时,为降低道路事故率,应该重点控制车速分散性[3]。侯典建等人利用国内九条高速公路一年的交通事故数据和车速数据,研究了车速的离散型与交通事故率之间的关系。结果表明交通事故率与车速的离散型之间存在明显的相关性[4]。裴玉龙等人运用回归分析建立了高速公路车速标准差和亿车公里事故率二者之间的关系模型。模型表明车速分布越离散,交通事故率越高,进而为高速公路的车速限制提供了理论支持[5]。马兆有等人研究了行车速度与事故发生概率以及行车速度与事故严重程度的关系,进一步说明了车速离散性对交通事故的影响[6]。刘俊德等人发现不同的大车比例和饱和度下的交通冲突数反映了高速公路行车安全状态,据此将交通事故下高速公路行车安全等级划分为较危险、危险、安全、较安全4个等级[7]。林震等人通过对车速与交通事故之间的关系进行研究,提出了基于车速的贝叶斯预测方法来检测和预测交通事故[8]。刘志强等人研究了平均速度与事故危险性、速度离散度与事故率以及速度与事故严重性的关系,提出了改善道路交通安全状况的对策[9]。
可以发现,基于当前学者的研究结果,可以发现速度标准差系数、车速标准差和平均速度与交通事故之间具有一定的相关性,但是缺少对这种相关性的进一步研究,无法利用现有车速对当前道路安全状况进行评价。同时国内外研究主要集中于采用事故统计方法评价道路的交通安全状况或利用某一或几个交通流要素参数,在一定条件下与历年事故率回归拟合,从而预测未来交通事故发展状况[10-13],但是该种方法无法对新修路段或改扩建路段的安全状况进行评价。因此提出基于速度离散型指标的道路安全状态评价方法。
1 评价指标的选取
速度标准差系数是利用标准差与相应的平均数对比得到的结果。标准差是反映标志变动度的绝对指标,它的大小,不仅与标准值的离差程度有关,还与数列平均水平的高低有关。因此,对于具有不同水平的样本总体,就不适合直接用标准差来比较其标志变动度的大小,而需要将标准差与其相应的平均数对比,计算标准差系数,即采用相对数才能进行比较[14]。如式(1)所示:
(1)
式中,βi—路段i的速度标准差系数;
σi—路段i的速度标准差;
车速标准差在概率统计中最常使用作为统计分布程度上的测量。标准差定义是总体各单位标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根。它反映组内个体间的离散程度,如式(2)所示:
(2)
式中,Sj—路段j的标准差系数;
vij—路段j的第i辆车的行驶车速。
平均速度
(3)
2 模糊层次分析法的基本原理
模糊评估法是一种利用模糊数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价的综合评价方法。它的显著特点是结果清晰,系统性强。它适用于解决各种不确定性的、模糊的、难以量化的问题。层次分析法(AHP)是一种将定性方法和定量方法相结合的多层次权重解析法。它可以处理各种决策因素,将人的主观判断用数量形式表达和处理。该方法的特点是系统性强,使用灵活、简便,在社会经济研究的多个领域得到了广泛的应用[15]。
2.1 模糊综合评价基本步骤
模糊综合评价的基本步骤如下:
(1)建立评价指标集U=(u1,u2,u3),其中u1、u2、u3分别表示速度标准差系数、速度标准差、平均速度。
(2)建立评判集S=(s1,s2,s3,s4),其中s1、s2、s3、s4分别表示安全、较安全、较危险、危险四个等级。
(3)建立模糊关系矩阵R,R是从指标集U到评判集S的一个模糊映射R∈F(U×S),假设评判指标集中第i个因素ui(i=1,2,3)对于指标集中第j个元素sj的隶属程度为rij(j=1,2,3,4),则第i个指标ui评判结果可以表示为Ri=(ri1,ri2,ri3,ri4)。
(4)建立权重集A={a1,a2,a3},a1+ a2+ a3=1,ai≥0,其中ai是不同的评判因素对评价结果的影响程度。
(5)计算模糊合成值B=A×R=(b1,b2,b3,b4)表示对此评价事物或对象的模糊评价结果,bi表示模糊合成值中评价结果对评判集Sj的隶属度。
(6)确定模糊综合评判结果,一般可以采取表1的三种方法确定模糊综合评判结果。
表1 模糊评价结果确定方法
2.2 层次分析法的基本步骤
运用层次分析法解决实际问题,大致有以下四个步骤。
步骤一:明确各因素之间的相互关系,建立目标层、准则层和方案层的层次关系
步骤二:建立判断矩阵
步骤三:进行一致性检验,其中
(4)
式中,n—判断矩阵的阶数;
λmax—判断矩阵最大特征值;
CR—表示一致性指标,其标准取值如表2所示。
表2 平均一致性指标
步骤四:利用算术平均法计算权重
(5)
本模型引入“1~9标度法”对两两评价指标的重要程度进行标度,构造同层评价指标的判断矩阵如表3所示:
表3 判断矩阵标度定义
3 案例分析
以西安市绕城高速为例,对其道路安全状况进行评价,其调查站点如图1所示:
图1 调查站点示意图
通过早高峰的断面观察,各调查站点车速分布如图2所示:
(a)调查站点1车速分布离散图
(b)调查站点2车速分布离散图
(c)调查站点3车速分布离散图
(d)调查站点4车速分布离散图图2 调查站点车速离散分布图
层次结构如图3所示:
图3 层次结构模型
利用层次分析法中“1~9 标度法”确定的各评价指标权重如表4所示:
表4 评价指标权重
由表4可知,速度标准差系数所占比例明显偏大,速度标准差次之。速度标准差系数可以反映速度相对于平均速度的离散型,速度标准差可以反映速度之间的离散性,而平均速度可以反映整体的运行状况,三者相辅相成,可以反映整个路段的实际车辆运行状况。其中道路交通安全分级如表5所示:
表5 交通安全分级
利用模糊综合评价法,对各点进行评价,评价结果如表6所示:
表6 综合评价结果
由于站点1和站点3处于快速路出入口附近,车流交织复杂,车辆行驶速度变化较大,受汇入车流和驶出车流的影响,平均车辆行驶速度偏低,道路运行状态属于较危险等级。站点2和站点3距离出入口位置较远,车辆运行相对稳定,外在干扰较小,道路运行状态较为安全。
4 结语
(1)首先对国内外研究现状进行了分析,发现当前道路安全评估多是事故前基于事故数、事故率的拟合评估,无法对新修路段或改扩建路段的安全状况进行评价。提出基于速度的模糊层次分析法对道路安全状态进行评价。
(2)以速度标准差系数、平均速度、速度标准差构建了道路安全评价指标体系,并分别对其量化方法进行了研究。
(3)建立了模糊层次评价模型,并以西安市绕城高速为例,利用模糊综合层次分析法对道路的安全状态进行了评价,证明了方法的有效性和实用性。