基于层次分析法的国省干线交通安全综合评价

林 晨， 汪 洋， 王鈜民， 马振鸿

(福州大学土木工程学院， 福州 350116)

0 引言

普通国省干线网是公路网的重要组成部分，近年来，公路建设里程随着经济发展不断增多，配套的设施建设等级和力度也在不断加强. 目前福建省的公路通车总里程达10万余公里，其中国省道通车里程达16 395 km，不论是通车里程还是交通量都在逐年增加，同时公路交通事故发生率也在不断提高，公路安全形势较为严峻. 对公路交通安全进行评价，了解公路安全态势，一定程度上可改善道路条件，避免道路不安全因素带来的交通事故，提高道路的安全水平.

在普通国省干线公路上，诱发事故的原因机理复杂，影响公路安全的因素也有很多. 邹涛涛[1]研究结果表明天气、道路路面和道路照明3种因素对交通安全有较大影响. 钟珊珊[2]研究表明人、车、路、环境、管理是对交通安全的主要影响因素，同时交通环境和交通管理一定程度上会影响驾驶人的判断和道路的安全水平. 初旭新等[3]发现道路安全设施是道路安全水平最直接的影响因素，道路的交通量次之，而路面类型、车道数、天气等是最根本的道路安全影响因素.

目前关于国省干线交通安全评价方法的研究主要从定性评价和定量评价两方面入手[4]. 定性评价主要是根据专家的意见和经验进行评价；定量评价需要大量的数据，数据不足时结论与现实具有较大差距[5]. 当然，这些采集到的数据也可能仅仅只是影响因素的一部分. 还存在一些无法获取的数据对国省干线安全的潜在影响，该问题很难通过简单的因素分析和成因归类来解决. 对于数据量不足且选取因素不完整的情况，可采用层次分析法、BP神经网络法、模糊数学法等[6].

层次分析法适用于多层次复杂的评价系统[7]. 考虑普通国省干线具有不同于高速公路等其他公路的特点，在进行安全评价时需要考虑路段特点[8]，本文选用层次分析法，通过考虑影响公路安全的因素，构建指标评价体系，来评价国省干线的交通安全水平. 本文的目的是构建的评价方法实时评价国省干线的安全性等级，通过对安全性等级不及格的道路进行事故预防和事故回避，防止事故发生.

1 公路安全影响因素

1.1 人

国省干线范围内包含驾驶员与行人[9]，国省干线上的人多为驾驶员. 人的失误行为具有不可测、抽象等特性，在区域道路中监测操作较为困难.

1.2 车辆

车辆的安全性通常取决于驾驶员的操纵行为以及车辆的动力性、制动性，操纵的稳定性等，在区域道路中监测操作较为困难.

1.3 道路

影响国省干线安全的主要因素包括道路线型、设施、环境、结构等. 在评价国省干线的道路安全水平时，将道路线型、道路环境、道路设施和道路结构作为一级评价指标来着重展开.

1.4 环境

主要考虑以不良天气为主的气象环境以及实时交通环境. 经过对福建省气象水文特性的分析，选定风、雨、雾等3种不良天气作为影响交通安全的主要天气因素. 实时交通环境依靠检测器等交通流数据采集设备，评估交通流即时态势特征.

为探究公路交通安全与各类影响因素之间的关系，国内外学者和相关机构从多个角度建立回归模型，佐以交通事故数据，寻找研究要素与交通安全之间的关系，阐述各因素对交通事故发生可能性的影响[10-12]. 基于文献阅读，天气类型、道路类型、车辆组成是影响交通安全最为显著的3个因素,因此在建立指标层时将着重围绕着这些因素展开.

2 道路安全综合评价指标体系

2.1 评价指标构建原则

构建普通国省干线公路交通安全的影响因素指标应该遵循相关原则，本文参考评价指标体系的构建原则[13]，提出以下4个原则：

1)系统性. 对普通国省干线公路安全的评价应该从系统的角度出发，分层次、分目的地划分. 注重各个指标之间的联系，不能过于关注个别因素，要从多个角度、全面考虑道路交通安全的影响因素. 同时影响因素还应该在交通结构、交通法规等大系统中考虑.

2)科学性和可靠性. 评价指标必须建立在国家相关标准、规范、指南等基础上，可靠地反映道路交通安全影响因素，能客观地评价道路安全，起到指导性作用.

3)定性和定量分析相结合. 为避免定量分析和定性分析的不足对结论的影响，应该结合两种分析方法，使指标能更为客观地反映评价对象特征，为评价道路安全提供理论和技术上的支撑.

4)操作可行性. 评价指标应该易于观察、便于量化，简单明了、使用方便.

2.2 综合评价体系设置

干线公路交通安全问题需要全面考虑各类影响因素，评价指标必须尽量涵盖多个因素，对道路交通安全进行全方位的综合性评价[14]. 交通安全评价体系首先结合相关研究、行业标准、实地考察、历史事件等方面确定1级评价指标，再综合考虑对交通安全影响大、受主观影响少等因素来选择2级评价指标.

图1 指标构建流程

从交通安全影响因素出发构建国省干线公路交通安全综合评价指标体系，将普通国省干线公路交通安全水平作为评价目标；1级评价指标(4个指标)是考虑交通安全的主要影响因素；2级评价指标(18个指标)是交通安全影响因素的常用评价指标.

道路线形评价指标主要包括车道宽度、路侧宽度、平曲线半径和坡度；道路环境方面主要包括路面状况、路面排水、路面抗滑、路侧危险物和视距；道路设施评价指标主要包括护栏防撞率、护栏防撞等级、中间带类型、照明和标志标线完整率，道路结构评价指标主要包括隧道、桥梁、交叉口和急弯.

考虑到部分普通国省干线公路安全设施较为完善，具有路面气象、交通流等数据采集设备，针对其提出动态安全评价指标，通过对道路安全进行实时安全评价，对交通管理部门提供参考，及时发布交通预警，保障道路交通安全. 如表2所示.

表1 普通国省干线公路安全水平评价指标

表2 道路安全动态安全评价指标表

3 福建省道路安全综合评价

3.1 实施流程

3.1.1 构造判断矩阵

拟采用一致矩阵法[15]，建立判断矩阵T=(aij)ij.判断矩阵有以下性质：

(1)

(2)

式中aij代表元素ai相对于aj的重要性程度.

采用1～9标度法对各个影响因素的重要程度进行赋值，标度及其含义如表3所示.

表3 判断矩阵中元素标度及其含义

3.1.2 标度结果一致性检验

判断结果构建时，只是将2个因素比较重要度，可能造成逻辑上的问题. 引入CR值对判断矩阵进行一致性检验，存在问题需要在专家的指导下进行判断矩阵的重新构造和分析.

1)计算一致性指标CI，CI接近0表示判断矩阵越符合逻辑； CI越大，判断矩阵的逻辑性越差.

(3)

式中λmax表示最大特征值.

2)为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI. 可根据n的数值查找对应RI的值.

表4 一致性指标RI对照表

3)计算一致性比例CR，当其值小于0.1时，表明判断矩阵T通过一致性检验.

(4)

3.1.3 指标权重求解

一致性比例满足要求后，进行权重系数的计算.求权重方法一般采用特殊值法，本研究将采用算术平均法和特征值法两种方法进行权重的求解，采用二者平均值作为最终取值.

算术平均法求权重如下：

(5)

式中，ωi表示权重；aij代表矩阵第i行第j列的数值.

特征值法求权重如下：

(6)

(7)

式中，ωi表示权重；λmax表示最大特征值；Twi表示向量Tw的第i个分量；aij代表矩阵第i行第j列的数值.

3.2 计算指标权重

结合调查问卷按照层次分析法判断福建省普通国省干线公路行车安全影响因素相对权重. 文章采用问卷法确定权重，向福建省普通国省干线公路的管理、养护、科研等层面的专家发放问卷.

以往关于层次分析法的应用研究中，主要采用一种方法求权重，考虑到结果可能受到不同的计算方法影响[16]. 为了保证结果与实践的偏差性，本研究采用了算术平均以及特征值两种方法分别求出个影响因素的权重，综合考虑2种方法权重得到最终的权重值，避免以往研究单一方法所带来的结果的偏差，得出更全面、更有效的结论.

问卷法中，受限于参与调查的专家的知识结构、知识水平及对研究内容的认识程度不同，建立的判断矩阵具有不同的信赖度，为了消除专家因认知程度不同带来的误差，获得更为可靠的评价结果，对各专家的评价结果进行可靠性赋值. 参与问卷的专家对福建省普通国省干线公路安全影响因素的了解情况自我评定，从而确定相对权重，并且参考相关研究，赋予专家自我评定等级的相应数值.

通过征询国内在干线公路的管理、养护、科研等专家意见，得到准则层的权重(道路安全性见表5、表6，道路行车安全性见表7、表8)，权重排序为道路线型、道路设施、道路结构、道路环境. 从结果上看，道路线型是表征道路安全性的核心指标，道路设施是道路安全的必要条件，道路安全需要完善的交通设施.

表5 道路安全性准则层1级指标权重

表6 道路安全性指标层2级指标权重

表8 道路交通安全性指标层2级指标权重

从结果上看，道路是表征道路行车安全关键指标，道路上交通流状态也是道路安全的必要条件.

3.3 指标评定标准

在道路日常评价影响因素中，包含有定性指标与定量指标. 对指标层的各项指标，道路宽度、护栏防撞率等均为数据型指标，各自之间须符合设计规范，且没有直接的联系，数据不可直接比较；路面状况、路面排水等为定性指标，非数量化指标，也无法进行比较.

因此，根据相关行业规范、指南等法律法规，采用分级打分法对定性指标进行定量处理. 见表9.

表9 定性指标评价等级标准

道路线型等影响因素需要根据公路设计的实际情况选取“一般值”或“极限值”来进行指标的等级划分. 将指标的“一般值”、“极限值”或“最小值”作为等级“II”的范围，其余等级评价范围以“II”为参照，采用区间递进法确定范围. 在评价指标只有“一般值”情况下，将 “一般值”作为等级“II”的下限区间，采用区间递进法确定其余等级评价范围.

表10 定量指标评价等级标准

本研究针对定性指标和定量指标提出等级划分方式，对各个指标因素进行评分标度. 首先对定量、定性指标进行等级评价，再对照路段等级划分表进行量化打分. 指标评分需参考相关标准、规范、指南内的规定，如坡度指标是否满足《福建省道路安全隐患路段排查与督办标准》中规定的陡坡路段、连续下坡低标路段，如属于低标路段则指标得分不应超过60分，如该指标满足领先值，则该指标得分至少应大于90分.

表11 路段等级划分表

3.4 道路安全综合评价

最后，提出公路安全水平D来衡量国省干线公路综合安全性.公路安全水平即为当前评价公路的安全程度，安全水平越高表示该公路发生交通事故概率越低.公路安全水平可由指标层各指标与该指标的总排序权重相乘之和的具体分值表示，见式(8)：

(8)

式中，n为所建立评价指标层的指标个数，本次研究取值为18；ωi为经过排序指标层第i个指标的总排序权重；Ci为指标层第i个指标的评分值.

求得公路安全评价的具体分值，将公路安全性划分为4个等级，如表12所示.

表12 公路安全性等级划分表

4 结束语

本文从人、车、路、环境4个方面分析了普通国省干线公路安全影响因素，结合国内外学者的研究，认为天气类型、道路类型、车辆组成是显著影响干线公路安全的3个因素. 在此基础上，构建了安全评价指标体系，分层次选取1、2级评价指标，使评价结果更加真实可靠，提高判断结果的客观性和合理性. 接着综合运用层次分析法理论，在传统方法的基础上优化了专家打分法过于主观的缺陷，通过对专家的打分结果进行可靠度赋值，实现对公路安全性的定量评价. 最后梳理了干线公路安全评价流程，提出安全性等级划分表. 根据本文提出的安全评价方法，可有效地判别出=普通国省干线公路路段的安全等级，从而针对等级低的路段进行安全防控，提高路段运行的安全性，降低交通事故发生的概率，具有一定的科学适用性，为后续交通管理人员关于道路安全防护措施的决策提供一些依据，也为普通国省干线公路安全的深入研究提供参考.