郭延永 劉 攀 吳 瑤 俞 灝

(東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

我國高速公路在快速發(fā)展的同時,事故率一直居高不下,其中交通安全設(shè)施不合理是一個重要原因．交通安全設(shè)施不僅影響高速公路安全,還影響其運營、通行能力和交通管理等眾多方面．高速公路交通安全設(shè)施包括道路護欄、標志標線、隔離設(shè)施、防眩設(shè)施和視線誘導(dǎo)設(shè)施等．合理的交通安全設(shè)施系統(tǒng)對降低事故風(fēng)險、減輕事故嚴重度起著重要作用．因此,對高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)進行評價研究具有重要意義．

目前,對于高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究主要集中于3個方面:① 對高速公路交通安全的評價[1-2],其中指標的選取涉及到交通安全設(shè)施;② 對某一種特定交通安全設(shè)施的評價[3-6],通常將其安全效果與事故率和事故嚴重程度聯(lián)系起來;③ 對交通安全設(shè)施設(shè)計的研究[7],一般按照國內(nèi)相關(guān)規(guī)范或是借鑒國外研究經(jīng)驗．這些研究成果推動了高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價的發(fā)展．

本文構(gòu)建了高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系,結(jié)合相關(guān)的規(guī)范、標準和指南等劃分了各指標的分級標準,并采用變異系數(shù)法確定了各指標權(quán)重．引入屬性識別理論,建立了基于屬性識別理論的高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)屬性綜合評價模型．以泰贛高速公路K1+242～K3+259段為研究對象,運用模型對其交通安全設(shè)施系統(tǒng)進行了評價．

1 高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系

1.1 指標體系的構(gòu)建

高速公路交通安全設(shè)施是由多種設(shè)施組成的系統(tǒng),并且通過整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)來發(fā)揮作用,因此對高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系的構(gòu)建應(yīng)從系統(tǒng)工程的角度出發(fā),本著科學(xué)性與針對性原則、系統(tǒng)性與層次性原則、有效性與可觀測性原則．高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系構(gòu)建的詳細步驟如下:

① 指標海選．在建立評價指標體系時,首先應(yīng)確定評價目標,并將目標按邏輯分類向下展開為若干個目標,直到可定量或定性分析為止．在此過程中應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的規(guī)范、標準、指南以及國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)認證指標進行指標海選,這樣一方面可保證指標體系的全面性,另一方面可逐步完善上一級指標．

② 指標初步篩選．根據(jù)可觀測性原則,初步篩選評價指標．刪除海選指標中數(shù)據(jù)無法獲取的評價指標,使初步篩選后的指標滿足可觀測性,能夠?qū)嶋H應(yīng)用．

③ 指標定量篩選．經(jīng)過初步篩選后的指標,并不能保證其獨立性,應(yīng)該通過相關(guān)性分析,刪除同一子系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)系數(shù)大的指標,避免指標間的信息重復(fù)．另一方面,某些指標反映的信息量較小,因此通過主成分分析刪除因子負載小的指標,保證篩選出的指標對評價結(jié)果有顯著影響．

本文中,定量篩選的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為案例中調(diào)研數(shù)據(jù)．為使評價結(jié)果更為合理,將研究對象段高速公路按照物理特征劃分為23段,每一段都具有相同的特征(如相同的道路寬度、車道數(shù)、路肩寬度、線形等),共采集到23組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)中包含了不同指標的測量值．

根據(jù)以上評價指標構(gòu)建流程,結(jié)合高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系原則,并以泰贛高速公路數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),最終建立如表1所示的評價指標體系,其中一級子系統(tǒng)8項,二級子系統(tǒng)27項．評價指標體系各單項指標中的定量指標可根據(jù)其度量方法計算出測量值,而定性指標則采用分級打分法確定．

1.2 評價等級標準的確定

為科學(xué)、合理、有效地評價高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng),將高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系中每個指標分為優(yōu)秀、良好、中等、一般、較差5個評價等級,即評價等級C1={優(yōu)秀},C2={良好},C3={中等},C4={一般},C5={較差}．

如何選擇適宜的評價等級標準是決定評價是否合理的關(guān)鍵．本文確定的各指標評價等級標準,是參照國內(nèi)或國際公認的高速公路交通安全設(shè)施相關(guān)規(guī)范、標準和指南等來制定的,參考其上下限,采用內(nèi)插或外推的方法來確定指標評價等級標準．具體的評價等級值域區(qū)間見表1．

2 高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價

2.1 評價原理

屬性識別理論是對事物或自然現(xiàn)象屬性的定性描述進行定量化研究的數(shù)學(xué)理論[8],根據(jù)屬性識別理論,屬性綜合評價模型由單指標屬性測度分析、多指標綜合屬性測度分析、屬性識別分析及評分準則3個部分組成．本文將屬性識別理論引入高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價問題中．

高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價問題可以描述為:研究對象高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)用集合X={x1,x2, …,xm}來表示,其中xi(1≤i≤m)為集合X中的第i個樣本(即一條高速公路或某一區(qū)段高速公路的交通安全設(shè)施)．對于集合X中任一樣本xi,都存在j個指標對其進行描述．由1.2節(jié)可知,高速公路交通安全設(shè)施可分為5個評價等級,{C1,C2,C3,C4,C5}(C1>C2>C3>C4>C5)構(gòu)成了屬性空間F的一個有序分割類．已知高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)指標評價等級標準值域區(qū)間和集合X中樣本xi的指標測量值xij,判斷xi屬于哪一個評價等級．

從以上問題描述可以看出,這是一個有序分割類的屬性識別問題．因此,在高速公路交通安全設(shè)施評價中引入屬性識別理論,可使評價結(jié)果更為科學(xué)和直觀．

表1 高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系

注:① JTG B0l—2003公路工程技術(shù)標準;② JTG D20—2006公路路線設(shè)計規(guī)范;③ JTG/T F83-01—2004 高速公路護欄安全性能評價標準;④ JTG D8l—2006 公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則;⑤ JTG D80—2006 高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計通用規(guī)范;⑥ JTG F71—2006 公路交通安全設(shè)施施工技術(shù)規(guī)范;⑦ GB5768—2009道路交通標志和標線;⑧ JTG D82—2009公路交通標志和標線設(shè)置手冊;⑨ JTG F80/1—2004 公路工程質(zhì)量檢驗評定標準;⑩ JTG/T B05—2004 公路項目安全性評價指南．

本文在高速公路交通安全設(shè)施評價指標體系的基礎(chǔ)上,基于屬性識別理論建立高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)屬性綜合評價模型．模型采用變異系數(shù)法確定每個指標的權(quán)重,通過屬性識別理論確定單指標屬性測度和多指標綜合屬性測度,并最終判斷高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)中xi屬于哪一個評價級別．評價流程如圖1所示．

圖1 高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)綜合評價流程

2.1.1 單指標屬性測度分析

設(shè)xij為第i個樣本關(guān)于第j個指標的測量值．xij∈Ck表示xij屬于第k等級Ck,具有屬性Ck的測度μijk(xij∈Ck),并且滿足

(1)

式中,1≤j≤27,1≤k≤5，且j,k為整數(shù)．

{C1,C2,C3,C4,C5}構(gòu)成屬性空間F的一個有序分割類,且C1>C2>C3>C4>C5．每個指標的評價等級標準已知,寫成評價等級標準矩陣,則第i條(段)高速公路交通安全設(shè)施的評價等級標準矩陣A為

(2)

式中,aij，1，aij，2，…,aij，6(1≤i≤m,1≤j≤27，且j,k為整數(shù))表示第i個樣本關(guān)于第j個指標的閾值,且滿足aij，1aij，2>…>aij，6．

屬性測度是屬性綜合評價模型的核心和關(guān)鍵,早期采用較多的是分段線性函數(shù),但高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)各指標屬性變化復(fù)雜,線性函數(shù)并不能反映這一特點．正態(tài)分布函數(shù)表達各指標的精度要高于線性函數(shù),故選擇正態(tài)分布函數(shù)作為屬性測度函數(shù)．實際上,以正態(tài)分布函數(shù)作為屬性測度,在城市生態(tài)系統(tǒng)評價等問題上取得了良好的應(yīng)用[9-10]．圖2為本文構(gòu)建的正態(tài)分布屬性測度． [aij，k,aij，k+1]表示第i條(段)高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)中第j個指標的第k級評價等級值域區(qū)間．

圖2 正態(tài)分布形式屬性測度函數(shù)

第i條(段)高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)中第j個指標處于“優(yōu)秀”評價等級(k=1)的正態(tài)分布屬性測度值為

μij1(xij∈C1)=e-t(xij-u)2t>0

(3)

式中,t,u表示待估參數(shù)．

μijk(xij∈Ck)=e-tijk(xij-uijk)2

(4)

根據(jù)屬性識別和屬性測度理論[8],μijk(xij∈Ck)應(yīng)滿足式(1)的要求,即對于每一個評價指標j而言,各評價等級的屬性測度值之和應(yīng)為1．然而,由式(4)得出的屬性測度值不一定滿足式(1),因此需要對其進行歸一化處理．

(5)

2.1.2 多指標綜合屬性測度

令指標相對于目標層的權(quán)重向量w={w1,w2, …,w27}．根據(jù)單指標屬性測度,第i條(段)高速公路的交通安全設(shè)施系統(tǒng)具有屬于等級Ck的多指標綜合屬性測度值為

(6)

2.1.3 屬性識別分析及評分準則

根據(jù)置信度準則,因{C1,C2,C3,C4,C5}為有序分割,且C1>C2>C3>C4>C5,對于置信度λ(0.6<λ<0.7),如果

(7)

則認為第i條(段)高速公路的交通安全設(shè)施屬于等級Ck．

對不同高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)進行評價,需要對綜合屬性測度值μik進行排序．由于屬性集之間有強弱關(guān)系,可以用評價分值表示屬性集強弱關(guān)系,強屬性集分值比弱屬性集分值大．設(shè)屬性集Ck的分數(shù)值為nk=k,則多指標綜合屬性測度的評價分值qi為

(8)

根據(jù)式(8)計算高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價分值．若qi>qj,則認為第i條(段)高速公路的交通安全設(shè)施系統(tǒng)比第j條(段)高速公路的交通安全設(shè)施系統(tǒng)好．

2.2 基于變異系數(shù)法的指標權(quán)重計算

采用變異系數(shù)法確定指標權(quán)重,具體步驟如下:

① 利用指標評價等級標準中值建立矩陣N=(uijk)27×5,其中j=1, 2, …, 27;k=1, 2,…，5．由于不同指標的量綱不同,故需要對指標進行歸一化處理,得到無量綱化標準矩陣D=(djk)27×5,且對于效益型指標有

(9)

對于成本型指標有

(10)

(11)

(12)

(13)

④ 將變異系數(shù)歸一化后得到各指標權(quán)重wj為

(14)

3 實例應(yīng)用

泰贛高速公路是大光高速公路江西境內(nèi)段,起于昌泰高速公路的終點泰和縣馬市鎮(zhèn),終于南康市龍嶺鎮(zhèn),全長128km．全線按四車道高速公路標準建設(shè),計算行車速度為100km/h,路基寬26m,于2004年1月建成通車．本文以K1+242～K3+259段為研究對象.為對該段高速公路交通安全設(shè)施進行改造,當?shù)馗咚俟饭芾聿块T組織有關(guān)專家于2012年7月對其進行了實地調(diào)研,測量值見表2中第3列．本文通過調(diào)研獲取數(shù)據(jù),利用高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)屬性綜合評價模型對其交通安全設(shè)施系統(tǒng)進行評價,詳細步驟如下:

① 根據(jù)式(4)和(5),計算得到二級子系統(tǒng)指標屬性測度值,結(jié)果分別見表2中第5列～第9列．

② 根據(jù)式(9)～(14),計算得到一級子系統(tǒng)

指標權(quán)重、二級子系統(tǒng)指標權(quán)重以及綜合權(quán)重,結(jié)果見表2中第1,2,4列．

③ 根據(jù)表2,計算得到一級子系統(tǒng)多指標綜合屬性測度值,結(jié)果見表3中第2列～第6列．

④ 根據(jù)式(7)和(8),得到一級子系統(tǒng)層和交通安全設(shè)施系統(tǒng)層評價值,結(jié)果見表3中第7列．取λ=0.6,根據(jù)置信度準則,得到各級子系統(tǒng)的屬性測度值和評價分值．其中,路基路面系統(tǒng)、護欄設(shè)施、交通標志系統(tǒng)、視線誘導(dǎo)設(shè)施和其他設(shè)施的評價值均良好,而交通標線系統(tǒng)和防眩設(shè)施的評價值為中等．

從上述評價結(jié)果可以看出,泰贛高速公路K1+242～K3+259段交通安全設(shè)施系統(tǒng)良好．對二級子系統(tǒng)層多指標綜合屬性測度向量進行分析,可以發(fā)現(xiàn)制約其系統(tǒng)水平的因素如下:路基路面系統(tǒng)的限制因素是超高滿足率,主要是由于該段高速公路處于山區(qū),受到地形的限制,不能滿足所有路段超高達到設(shè)計規(guī)范;護欄設(shè)施的限制因素是護欄的導(dǎo)向性;交通標志系統(tǒng)的限制因素是信息過載率;交通標線系統(tǒng)的限制因素是標線的耐久性和抗滑性;隔離設(shè)施和防眩設(shè)施的限制因素是設(shè)施高度;視線誘導(dǎo)設(shè)施的限制因素是反光膜的附著性．

表2 高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)指標屬性測度與權(quán)重

表3 高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)綜合評價結(jié)果

泰贛高速公路建成時間較早,鑒于地形和當時設(shè)計規(guī)范陳舊等原因,交通安全設(shè)施存在不合理的地方．另外,隨著時間的推移,出現(xiàn)道路標線磨損、反光膜折舊、脫落等現(xiàn)象．如能對其交通安全設(shè)施進行改造,則其交通安全設(shè)施系統(tǒng)將會朝著優(yōu)秀方向發(fā)展．

為避免單類方法評價結(jié)果不合理,本文選取了文獻[1]中的模糊綜合評價法作為對比方法．運用模糊綜合評價法對高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)進行評價時,為與本文方法保持一致,將系統(tǒng)評價標準和指標集評價等級標準均劃分為5級(見表4);指標權(quán)重亦采用變異系數(shù)法確定;評價指標級集隸屬度的確定采用降半梯形法來表示,屬于偏小型模糊分布,適合于交通安全設(shè)施的評價要求．

表4 高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價標準

高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)指標隸屬度矩陣Rl(l=1, 2, …, 8)為

根據(jù)表2中的二級指標權(quán)重wl(l=1, 2, …, 8),即w1={0.262,0.250,0.172,0.316},w2={0.251,0.374,0.205,0.170},w3={0.361,0.131,0.361,0.147},w4={0.215,0.188,0.213,0.166,0.218},w5={0.362,0.322,0.316},w6={0.462,0.176,0.362},w7={0.539,0.461},w8={0.535,0.465},并由單指標評價向量Bk=wlRl{l=1, 2, …, 8;k=1，2，…，5},可得高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價的模糊評價矩陣R為

根據(jù)表2中一級指標權(quán)重w′={0.087,0.186,0.155,0.153,0.117,0.103,0.107,0.092},確定該高速公路的交通安全設(shè)施最終模糊綜合評價結(jié)果為

B=w′R={0.176, 0.417, 0.317, 0.091, 0}

使用加權(quán)平均法,取評價集的區(qū)間最大值組成評價向量V,則V={100, 85, 75, 60, 40}．由此可得該段高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)狀況最后綜合評價結(jié)果v=82,總體情況為良好,該種方法評價結(jié)果與本文所提出的方法的評價結(jié)果一致．

采用2種評價方法對高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)分別進行綜合評價,可以避免單類方法由于模型缺陷導(dǎo)致的結(jié)果錯誤．從實例研究結(jié)果可以看出,采用本文方法和模糊評價法得到的高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)良好,在一定程度上驗證了本文方法的正確性和可行性．

4 結(jié)語

針對高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)合理性評價問題,本文引入了屬性識別理論,提出了基于屬性識別的高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)屬性綜合評價模型,并采用一系列嚴格的流程,構(gòu)建了高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)評價指標體系．應(yīng)用實例結(jié)果表明,利用屬性綜合評價模型,不僅可以得到綜合評價結(jié)果,而且可以發(fā)現(xiàn)制約高速公路交通安全設(shè)施系統(tǒng)的限制因素．

然而,隨著智能交通新技術(shù)在高速公路運營和管理中的應(yīng)用,本文中的評價指標體系可能需要更新．如何提高屬性綜合評價模型中測度的精確度也是今后研究的重點．

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