基于物元可拓组合模型的高速公路道路安全风险评价

周洪文,冯鑫淼,王 宏,陈昕霞

(1.上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院,上海 201418;2.河南省公路工程局集团有限公司,河南 郑州 450000)

0 引 言

截止2022年末,全国高速公路总里程已达到17.73万公里[1]。但与此同时,道路交通事故的数量逐年上升,导致了重大的人员伤亡及财产损失。因此,需要对高速公路道路安全进行风险评价,分析各风险因素之间的内在联系,准确识别出高速公路道路的安全隐患及关键风险因素,提高高速公路道路安全水平。

针对道路安全问题已有大量研究,LUO Wenhui 等[2]提出了一种基于数据挖掘的实时道路交通安全风险评价模型,通过Apriori算法对风险因素或事故状态进行关联控掘,利用K-means对得到的概率和严重程度进行计算,实现实时风险评估,该模型准确率为88%;CHEN Sikai 等[3]基于美国不同等级的高速公路,分析事故的与道路状况之间的关联,发现车流量和道路因素是导致事故的主要原因; S.HAN等[4]以事故指标和隐患指标为基础,构建了交通安全评价体系,采用AHP-EMW进行组合赋权,再运用Topsis法对10条城市道路进行安全评价;刘唐志等[5]采用熵权法和物元法相结合,以互通立交出口匝道为研究对象,选取实际案例进行评价分析并提出相应的建议措施;贺玉龙等[6]以湖南省高速公路为背景,引入了未确知测度理论,从天气、线形、路面、交通状况4个方面对高速公路交通安全进行风险评价,并验证该方法具有一定的可行性;成卫等[7]基于1 939例交通事故,构建了树增广型贝叶斯网络预测模型,并通过数据融合法对因素进行量化分析,识别出关键致因因素;李珣[8]基于安全等级划分,建立高速公路安全评价模型并与河南省6条高速相结合确定风险因素,再通过秩和比法划分高速公路安全等级。

综上,现有研究奠定了高速公路道路安全性评价的基础,但多是探究不同因素对高速公路安全程度的影响,未对因素间的内部影响程度进行探究。而高速公路是一个由人-车-路-环境相结合的复杂系统,其中人的因素较为主观,车、道路、环境都属于客观因素。在事故产生的原因中,客观因素占比更大,导致的后果也更加严重,其中,道路环境又是最关键的因素[10]。因此,笔者从系统的角度出发,基于道路因素建立初始指标体系,引入德尔菲法和敏感性分析对指标进行筛选,构建高速公路道路安全评价指标;提出决策实验室分析法(DEMATEL)-解释结构模型法(interpretative structural modeling method, ISM)和物元可拓的组合评价模型,通过DEMATEL-ISM识别出关键影响因素并计算初始权重,再与熵权法所求的客观权重进行组合赋权;最后运用物元可拓模型对实际工程进行关联度计算,确定高速公路道路安全风险评价等级。

1 指标体系

1.1 指标体系建立

依据JTG D20—2017《公路路线设计规范》并结合文献[8]～文献[10],基于道路因素,从道路线形、路面状况、交通安全设施、道路环境和管理因素这5个维度建立初始指标体系,如表1。关于隧道、桥梁等特殊构造物暂不研究。

表1 初始指标体系

1.2 指标的筛选与确定

在构建初始指标体系时,涉及到诸多影响高速公路道路安全的因素,内容繁杂且部分指标存在重叠性。因此,引入“敏感性”的概念,通过德尔菲法对初始指标体系进行筛选,从而建立更加系统、科学的指标体系。通过邀请从事道路安全的相关专家及高校研究人员对指标体系中的因素进行评价,将专家分成10组,每个专家组包含高速公路施工工程师2名,高速公路运营与维护专家2名,高校工程管理专业教师4名,高校安全风险管理科研人员2名。引入文献[11]的计算方式,得到指标的认可度及敏感性分布如图1。舍去敏感性小于4的因素,构建高速公路道路安全综合指标体系,如图2。

图1 评价指标的筛选Fig. 1 Screening of evaluation indicators

图2 高速公路道路安全综合指标体系Fig. 2 Comprehensive index system of highway road safety

2 安全风险评价组合模型

DEMATEL是通过判断因素间的影响程度的强弱来构建影响矩阵,再基于相关计算得到指标权重,确定各因素在系统中的重要程度并识别系统中的关键因素[12]。ISM通过有向拓扑图来表示因素间的层次关系,文献[13]中的可拓理论,以物元为基础,从定性与定量的角度研究解决复杂问题。基于此,笔者提出DEMATEL-ISM和物元可拓的组合评价模型,具体步骤如图3。

图3 组合评价模型Fig. 3 Combinatorial evaluation model

2.1 DEMATEL-ISM

DEMATEL-ISM的具体计算步骤如下:

步骤一：确定直接影响矩阵A。通过专家咨询、问卷调查等方法确定指标体系里各影响因素之间的关系,得到直接影响矩阵A。

(1)

式中:aij为因素Xi对Xj的影响程度,且当i=j时,aij=0。

步骤二：计算综合影响矩阵T。

(2)

式中:I为单位矩阵。

步骤三：计算影响度Di、被影响度Ci、中心度Mi、原因度Ni、初始权重W1i

(3)

(4)

Mi=Di+Ci

(5)

Ni=Di-Ci

(6)

(7)

步骤四：计算整体影响矩阵Z、可达矩阵H。其中通过设定阈值λ,得到可达矩阵H中的元素hij。

Z=T+I

(8)

(9)

步骤五：确定可达集合K和先行集Q,根据K∩Q进行层级确定,绘制ISM图。

2.2 组合赋权

为了使权重更加的科学、准确,利用熵权法计算客观权重W2i,并与初始权重W1i进行优化重组,得到组合权重Wi,具体步骤参考文献[14]。

2.3 确定经典域和节域

物元是事物N、事物特征C和特征值V组成的三元组[13],记作R=(N,C,V)。

经典域:

(10)

式中:Nj为所划分的第j个评价等级;ci为评价指标;(aji,bji)为第i个风险等级的取值范围,即评价对象各优劣等级关于对应的特征所取的数据范围,此为经典域[13]。

节域:

(11)

式中:Np为优劣等级的全体;(api,bpi)为Np关于ci所取的量值的范围,即为节域。

2.4 关联度计算

(12)

式中:D(vn,Vjn)和D(vn,Vpm)为实测值vn到经典域各级和节域范围的距离,即:

(13)

(14)

2.5 确定风险等级

(15)

式中:Wi为组合权重。

根据关联度计算,结果有Kk=max{Ki(N)},认为该评价对象等级为k级。

3 实例分析

选取河南省信阳某高速为研究对象,该高速公路全长123.175 km,选取其中3个路段L1、L2、L3,以实际测得数据为样本,对其道路安全风险进行评估。

根据道路的可拓性,并结合JTG D20—2017《公路路线设计规范》、JTG B01—2014《公路工程技术标准》等相关规范要求,将各指标分为5个安全等级,用Ⅰ～Ⅴ来表示,其中Ⅰ 表示安全性很高,Ⅴ表示安全性低。通过咨询行业相关专家确定经典域和节域的量化范围,具体的实测值及等级标准划分如表2。

表2 各指标的实测值及等级标准

3.1 内部影响因素分析

根据式(1),构建直接影响矩阵。采用了0-4语义变量标度法,0代表无影响,4代表影响较强。通过收集的20名专家打分表进行整理归纳,并按式(2)～式(7)进行计算,结果如表3,其中初始权重见表4。

表3 DEMATEL模型结果

表4 各指标权重值

由表3可知,b11、b12、b13、b14、b16、b43、b44、b45、b51、b52为原因因素,会对其他因素产生影响;在中心度的排名中,前5的因素分别为b11、b44、b41、b42、b12,这5个因素在整个高速公路道路安全系统中起着主导作用,是影响道路安全的关键因素,管理者应对这些因素给予较高的关注。

为更加直观的体现内部因素间的关系,采用ISM绘制多级层次结构图。根据式(8)、式(9)对于阈值λ采用赋值法[15],分别取λ=0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12进行对比分析。当阈值λ=0.09时,节点度数范围较为合适,且模型结构清晰合理,如图4。

图4 结构模型Fig. 4 Structural model

由图4可知:20个因素被分为了4个等级,笔者将其分为根本因素层、中间因素层和直接因素层。最上层C1的12个因素是影响高速公路道路安全的最直接的因素,中间因素则为b12、b13、b23、b45,这些因素是影响高速公路道路安全的间接因素,在整个结构模型中起着过度的作用。根本因素层是由C3和C4组成,越接近底层,表明该因素在系统中起着根本性的作用。

3.2 组合权重确定

利用MATLAB将表2实测值代入,求得客观权重,并与初始权重重组优化得到组合权重,如表4。

3.3 关联度计算

根据式(12)～式(14),计算各指标的等级关联度。以路段L1为例,将指标b11=1 800代入,求得关联度分别为k11=-0.368 4、k12=0.300 0、k13=-0.200 0、k14=-0.400 0、k15=-0.454 5,根据最大关联度原则,可知该指标的安全水平为Ⅱ级安全性较高。同理可得其他路段的各指标的安全等级情况,如表5。

表5 不同路段各指标等级关联度

3.4 确定风险等级

将表4各指标的组合权重,与表5中各指标的关联度代入式(15),可求出各路段的综合关联度,即可确定该路段的安全等级,如表6。

表6 不同路段的综合关联度

3.5 结果分析

由表6可知:路段L1和路段L3的安全等级均为Ⅱ级安全性较高,路段L2的安全性则为一般,与实际调研结果相一致。

根据表5中路段L2各指标的安全等级可知,b41的安全等级为Ⅴ,b13、b15、b21、b23、b32、b42、b43、b44、b45等因素的安全性均为一般,由图4亦可知,这些安全性一般的因素大多都处于直接因素层,受其他因素影响较大,且道路安全性产生直接的影响。其中b41、b42、b44是影响道路安全的关键因素,在层次结构模型中,b44又是处于根本因素层,其连接点众多,对其他因素影响较大,对整个道路系统的安全性起着根本性作用,会对车速、路面的抗滑性等产生影响,降低了道路的安全性。

基于以上分析,管理部门必须从根本因素层出发,提高应对恶劣天气的能力,加强道路养护工作,及时处理道路环境问题,从而提高路段L2的安全等级。

4 结 论

1)笔者基于道路因素,建立了道路安全初始指标体系,利用敏感性分析与德尔菲法相结合,对指标进行筛选,从而建立更加科学、全面、系统的高速公路道路安全指标体系。

2)为了避免权重值的主观化,利用熵权法计算客观权重,并与初始权重进行组合赋权,使得权重更加科学、严谨。

3)笔者提出了DEMAEL-ISM和物元可拓的组合评价模型,分析各因素的重要程度,识别影响高速公路道路安全的关键因素。再运用物元可拓模型对实际工程进行关联度计算,从而确定安全风险评价等级。该模型不仅可以确定整个系统的安全等级,也可以对单一指标进行安全等级确定。

4)通过所提出的组合评价模型,计算结果表明:平曲线半径、雨雪等恶劣天气、车速、交通饱和度及纵坡度是影响高速公路道路安全的关键因素。在高速公路设计阶段,平曲线半径和纵坡度应给予较高关注,根据不同的地形地貌,严格按照标准规范要求进行设计;在高速公路运营与维护阶段,管理者要提高应对恶劣天气的能力,及时发布路段交通状况,并建立道路通行管控机制,提高高速公路道路的安全性。

5)通过实例分析验证,利用该模型计算的河南信阳某高速风险等级与实际情况相符合,可以此为依据制定相关的改善措施,从而改善道路安全。