寒地高速公路交通安全要素评价分析

邢凯然　刘志伟　潘俞成　刘书良　张培锟

摘要 文章研究了以黑龙江省为例的寒地高速公路交通安全要素重要性排序。首先对影响寒地高速公路的主要安全要素进行分类列举，建立指标体系；其次运用层次分析法与熵权法相结合的算法确定各指标的权重，运用模糊综合分析划定安全评价等级；最后将评价体系应用于黑龙江省高速公路，得出安全评分并提出对应的改进措施。

关键词 交通安全；寒地高速公路；评价指标体系；模糊综合分析

中图分类号 U491.31文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0192-04

0 引言

寒地高速公路的交通安全问题备受关注，因其特殊气候条件和环境因素容易引发事故。该文以中国黑龙江省为例，详细研究了该地区寒地高速公路的事故发生区域和特点。通过建立评价指标体系和运用多种分析方法，如层次分析法和熵权法，评估了不同要素的重要性和安全等级，最终得出 安全评分和改进建议。

该文旨在提供更全面的认识，为改善寒地地区高速公路交通安全提供科学依据，以支持当地经济和社会发展。同时，这些研究成果也为其他寒冷地区或具有相似气候特点地区的高速公路安全问题提供了有益的参考。

1 寒地高速公路交通事故发生特点

寒地高速公路事故发生率受到特殊的环境条件影响，尤其是不良天气条件下。根据历史数据分析，不良天气条件下的交通事故约占总事故数的50%左右[1]。

1.1 路面摩擦系数变化大

在低温寒冷地区，道路表面容易出现结冰和积雪，这直接影响了路面的摩擦系数。积雪被车辆碾压后，路面变得光滑，摩擦系数降低，导致车辆容易打滑。

1.2 能见度降低

能见度通常通过雾的大小来衡量，等级越高的雾，能见度越低，交通事故的概率越大。

1.3 侧向风力增加

侧风增加会导致车辆侧面受力面积较大，容易受到侧风的推动，进而影响驾驶稳定性，增加交通事故的风险。

2 寒地高速公路交通安全評价指标体系的建立

为了全面评价寒地高速公路的交通安全，该文建立了一个多层次的指标体系，涵盖了不同方面的要素[2]。指标体系包括一级指标和二级指标，以便更详细地评估每个要素的影响。以下是建立的评价指标体系：

2.1 寒地高速公路交通安全评价指标

2.1.1 驾驶员因素

（1）驾驶员的驾驶经验和技能。经验丰富且熟练的驾驶员更容易应对紧急情况和复杂的道路状况，减少事故的发生概率。

（2）驾驶员的疲劳程度。驾驶员的疲劳程度直接影响其反应速度和决策能力。疲劳驾驶可能导致注意力不集中、反应迟缓，从而增加了事故风险。

（3）驾驶员的警觉性。驾驶员的警觉性指的是其对道路和周围环境的关注程度。

2.1.2 车辆因素

（1）车辆的制动性能。车辆的制动性能包括刹车系统的效率和响应速度。良好的制动性能可以确保驾驶员在需要时迅速停车，减少事故风险。

（2）车辆的轮胎性能。轮胎是车辆与道路之间的唯一接触点。轮胎的状况和性能直接影响车辆的操控和稳定性。良好的轮胎性能可以提高道路附着力，减少打滑和侧滑。

（3）车辆的稳定性能。车辆的稳定性能指的是车辆在紧急操控情况下的稳定性和抗侧翻性能。稳定的车辆更不容易失控和翻车，有助于减少交通事故。

2.1.3 道路因素

（1）路面的摩擦系数。路面的摩擦系数是路面与车辆轮胎之间的摩擦力。摩擦系数直接关系到车辆的牵引力和制动性能。

（2）路面的坡度。路面的坡度是指道路的垂直高度与水平距离之比。坡度的大小对车辆的稳定性和操控性产生影响，特别是在弯道和坡陡的道路上。

（3）道路的曲线半径。曲线半径是指道路弯曲程度的度量，通常以曲线的半径表示[3]。

2.1.4 环境因素

（1）能见度。能见度是指驾驶员能够清晰地看到道路和周围环境的程度。

（2）温度。温度影响道路表面的状况，特别是在寒冷地区。低温可能导致道路结冰，减小路面摩擦系数，从而增加了打滑的风险。

（3）侧向风力。侧向风力是指垂直于道路行进方向的风力。强风可能对高车辆产生侧风力，影响车辆的稳定性，特别是在寒冷地区冰雪覆盖的路面上。

2.1.5 管理因素

（1）交通流量控制。交通流量控制是指对路段的车辆数量进行控制，以避免交通拥堵和高速公路超负荷通行。

（2）道路维护频率。道路维护频率是指定期对道路进行维护和修复的频率。

（3）应急设施覆盖率。应急设施覆盖率指的是在道路上设置应急通道、避难设施等措施的覆盖程度。

2.2 寒地高速公路交通安全评价指标体系

评价指标体系必须具有系统性、层次性。根据前期确定的评价指标建立了一个如图1所示的寒冷地区高速公路交通安全评价指标体系。

3 寒地高速公路交通安全评价算法

评价指标的权重确定对于寒地高速公路评价至关重要，由于无论是采用主观赋权还是客观赋权均会，都会因为认为判断的主观性和各指标间的相关性而造成赋权偏差，因此该文通过层次分析法和熵权法给予权值，可以确保主观判断有较好的一致性，同时应用熵值法确定客观评价。

3.1 层次分析法

首先，在相同的层之间，通过构建判断矩阵代表不同的评价指标，表示同一级别的指标数量：

式中，bij、bji——不同的评价指标，表示同一级别i=1，2，3...的指标数量。

基于判断矩阵的计算，得到主观权重值Ui用AHP方法求解。

3.2 熵权法

熵权法是一种常用的综合评价方法，充分利用原始数据的信息，结果准确地反映了评价方案之间的差距。收集3个安全因素的12个指标的定量评价数据，并在此基础上绘制评价矩阵，以3个安全因素作为子指标，12个定量指标作为母体指标。

步骤1：正向化，将非常小的指标转换为非常大的指标：

MAX ?xi

步骤2：标准化，它将度量分数映射到[0，1]区间，便于比较：

步骤3：将3个子指标的值相加，得到12项母体指标的综合得分，并计算其比例：

步骤4：计算每个指标的信息熵，计算信息效用值，并归一化得到每个指标的熵权。

步骤5：合并公式得到最终权重

3.3 模糊综合分析

采用模糊评价的方法，来确定寒地高速公路交通的安全等级[4]。按照上述层次分析法和熵权法相结合确定权重，依据隶属函数确定各等级的隶属度得到模糊关系矩阵。

步骤一：建立综合评价的因素级；设寒地高速公路交通安全要素指标集为U，u1表示附着系数，u2表示道路曲率，u3表示道路坡度，u4表示纵坡变化率，u5表示道路宽度，u6表示能见度，u7表示气温，u8表示侧向风力，u9表示交通流量控制，u10表示交通标志和信号灯完备率，u11表示道路维护频率，u12表示应急设施覆盖率，表示为U=（u1， u2， u3， u4， u5， u6， u7， u8， u9， u10， u11， u12）。

步骤二：建立综合评价的评价级：设评定等级的评价级为V，v1，v2，v3，v4分别表示危险、较危险、合格、安全。

步骤三：进行单因素模糊评价，获得评价矩阵[5]：设因素集U中第i个元素对评价级V中第1个元素的隶属度为 ri1，对第i个元素单因素评价的结果用模糊集合表示为：RI=（ri1，ri2，...，rin），以m个单因素评价级R1，R2，...，Rm为行组成矩阵Rm*n。

步骤四：确定因素权向量。给各因素ui一个权重ai，各因素权重集合的模糊集用A表示为A=（a1， a2， a3， a4， a5， a6， a7， a8， a9， a10， a11， a12）。

步骤五：建立综合评级模型：确定单因素评判矩阵R和因素权向量A之后，通过模糊变化将U上的模糊向量A变为V上的模糊向量B，表示为B=A*R。

步骤六：确定系统总得分。其中F为系统总得分，S为V中相应因素的级分。

F=B1*n*ST1*n

4 实际应用与案例分析

4.1 案例求解过程

以黑龙江省内四段主要高速公路为例，分别是哈尔滨——大庆、哈尔滨——佳木斯、哈尔滨——绥化、哈尔滨——绥芬河，分别以H1、H2、H3、H4来代表。

步骤一：利用层次分析法，对已建立的一级评价指标即准则层进行专家打分。

根据算术平均法求权重的结果为w1=[0.185 7， 0.180 5，0.274 6， 0.235 8， 0.123 4]

同理可得，指标层的二级指标D11～D13对应驾驶员因素D1，D21～D23对应车辆因素D2，D31～D33对应道路因素D3，D41～D43对应环境因素D4，D51～D53对应管理因素D5，其分别的权重为：

w1=[0.185 7， 0.180 5， 0.274 6， 0.235 8， 0.123 4]

步骤二：熵权法计算权重，一级指标的结果为：

w2=[0.234 5， 0.167 8， 0.321 0， 0.165 6， 0.111 1]

步骤三：重复上述方法计算二级指标，当前式中k1=k2=0.5时，可求得权重向量：

步骤四：模糊综合分析评价结果确定。

首先，依据聚类分析，将安全等级共分成危险、较危险、合格、安全四个层次。

之后，对实例中的四条高速公路进行专家评分后将结果作为x，构建隶属度函数f1（x）、f2（x）、f3（x）、f4（x），根据隶属度函数得出各指标的隶属度，可构建模糊综合评价矩阵R。

以H1、H2、H3、H4代表四条高速公路，将四组评分导入模糊综合评价矩阵R，结合权重向量W，可得出四条寒地高速公路的安全最终评级，如表1所示。

可以看出，哈尔滨——大庆路段出现危险情况概率最大，而哈尔滨——绥化路段出现较危险情况概率较高，需要采取额外的安全防护措施。

4.2 解决对策

4.2.1 增加车辆轮胎与路面摩擦力

高寒地带，雨水、暴雪等极端天气频发，高速公路路面常处于湿滑状态，摩擦力减小，车辆在高速行驶时极易陷于无法控制的危险境地。因此，为了增加潮湿路面的附着能力，路面应具有一定的不平度且具有自动排水能力；同时，路面应粗糙且有一定的尖銳棱角，以穿透水膜，让路面与胎面直接接触。针对车辆的结构，设计时应增大轮胎与地面的接触面从而提高附着能力，即设计为低气压、宽断面和子午线轮胎。

4.2.2 合理设计道路

首先，减少曲线的半径。将高速公路的曲线半径减小可以缩短车辆转弯的路程，减少驶入弯道时的横向加速度，降低因超速或转弯过快导致的失控风险。其次，增加曲线的长度使车辆更充分地适应弯道，减缓调头、变道等动作，提高行驶的平稳性，降低事故的发生率。同时，在弯道处设置适当的坡度可以帮助车辆在转弯时更好地保持重心稳定，减少侧滑和翻车的危险。并在高速公路的弯道处适当设置超高点（减小弯道半径）和超低点（增大弯道半径）从而提高车辆的稳定性。

5 结论

综上所述，寒地高速公路交通安全受多方面因素影响。该文运用层次分析法、熵权法、模糊分析法等算法对各项指标进行系统处理与科学分析，根据理论数据展开讨论并提出相应改进措施。对四条黑龙江省高速公路进行综合评价后得出哈尔滨——大庆路段出现危险情况概率最大，而哈尔滨——绥化路段出现较危险情况概率较高，并提出了可行的解决措施以提高其安全性。

参考文献

[1]王晓辉. 寒地高速公路事故应急交通组织方法研究[D]. 哈尔滨：东北林业大学， 2020.

[2]方涛， 张羽西. 高速公路行车安全风险分析与匝道控制算法研究[J]. 中国交通信息化， 2020（9）： 133-136.

[3]卢川， 王朝阳， 项乔君， 等. 高速公路出口匝道交通安全评价方法研究[J]. 现代交通技术， 2011（6）： 60-63.

[4]张航， 李明. 高速公路道路安全性模糊综合评价应用研究[J]. 工程与建设， 2020（1）： 1-4.

[5]邵晗， 高世柱， 李秀君， 等. 基于模糊层次分析法的某高速公路事故多发路段安全性综合评价[J]. 中国水运， 2019（12）： 20-21+58.