馮 雯，李可軍

(1. 昆明理工大學(xué) 分析測(cè)試中心，云南 昆明 650093；2. 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái),云南 昆明 650011；3.中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)家天文臺(tái)),北京 100012)

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交通事故死亡人數(shù)與太陽(yáng)活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系分析

馮 雯1，李可軍2,3

(1. 昆明理工大學(xué) 分析測(cè)試中心，云南 昆明 650093；2. 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái),云南 昆明 650011；3.中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)家天文臺(tái)),北京 100012)

分析1951—2009年間的中國(guó)交通事故死亡人數(shù)和太陽(yáng)黑子數(shù)的有關(guān)資料, 用交叉小波、整體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?、相關(guān)分析等數(shù)學(xué)方法來(lái)探討太陽(yáng)長(zhǎng)期活動(dòng)統(tǒng)計(jì)上對(duì)交通事故死亡人數(shù)的影響。結(jié)果表明:中國(guó)交通事故死亡人數(shù)與太陽(yáng)活動(dòng)的11年周期活動(dòng)存在具有統(tǒng)計(jì)意義的正相關(guān)關(guān)系，嚴(yán)重交通事故的發(fā)生的確受太陽(yáng)活動(dòng)的影響。

交通工程；交通事故；交通安全；太陽(yáng)活動(dòng)；相關(guān)分析

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)平穩(wěn)快速發(fā)展，中國(guó)道路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、建設(shè)速度的突飛猛進(jìn)，機(jī)動(dòng)車日益普及，加上人口數(shù)量逐年增加，公路貨物和機(jī)動(dòng)車乘客的運(yùn)輸量日益增加，重大道路交通事故也日益嚴(yán)重。目前交通事故引起的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失已經(jīng)成了威脅社會(huì)安定與影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素[1]。關(guān)注道路交通安全、減少交通事故發(fā)生是全體社會(huì)公民的職責(zé)。

交通事故的發(fā)生有主觀因素和客觀因素兩方面的原因。主觀因素方面的原因是指造成交通事故的當(dāng)事人本身內(nèi)在的因素，主要表現(xiàn)為違反交通規(guī)定、機(jī)動(dòng)車操作不當(dāng)或疏忽大意，對(duì)應(yīng)思想方面的原因、生理或心理方面的原因以及技術(shù)不熟練、經(jīng)驗(yàn)不充足等方面的原因?？陀^因素方面的原因是指引發(fā)交通事故的車輛、環(huán)境和道路方面的不利于駕駛的因素[2]。據(jù)研究報(bào)道，太陽(yáng)活動(dòng)可能也是從主觀原因和客觀原因兩方面造成交通事故的原因之一[3-8]。太陽(yáng)劇烈活動(dòng)的爆發(fā)，可以通過(guò)高能粒子、電磁輻射和磁流來(lái)強(qiáng)烈影響近地空間的電磁背景環(huán)境，進(jìn)而對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)和器官產(chǎn)生影響，駕駛員生理或主觀心理產(chǎn)生變化，繼而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生[9-15]。太陽(yáng)活動(dòng)還可能會(huì)先影響天氣氣候，進(jìn)而在環(huán)境和道路方面產(chǎn)生不利于交通的因素(雨、雪、霧霾等)，最終間接成為造成交通事故頻繁發(fā)生的客觀因素[16-21]。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)交通事故與太陽(yáng)活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)分析都顯示出二者存在關(guān)聯(lián)[3-8]。這將成為交通事故預(yù)測(cè)物理模型的重要考慮因素。

造成交通事故發(fā)生的因素是多方面的，各種因素的影響往往還隨時(shí)間而變化，錯(cuò)綜復(fù)雜。非主流的單因素往往隱含在整體交通事故發(fā)生數(shù)內(nèi)，這給單因素分析帶來(lái)不利。筆者將用整體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒?、交叉相關(guān)方法等先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法對(duì)1951—2009年間中國(guó)交通事故死亡人數(shù)和太陽(yáng)黑子數(shù)的有關(guān)資料進(jìn)行研究，分析二者間的關(guān)系，探究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)中國(guó)交通事故死亡人數(shù)的影響。

1 交通事故死亡人數(shù)與太陽(yáng)活動(dòng)關(guān)系分析

1.1 交通事故資料

交通事故資料采用由中國(guó)宏觀數(shù)據(jù)挖掘分析系統(tǒng)提供的從1951—2009年59年間的中國(guó)交通事故死亡人數(shù)(DP)，如圖1(a)。交通事故死亡人數(shù)從1951年開(kāi)始，在小波動(dòng)中，呈現(xiàn)緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)；自80年代中期開(kāi)始，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诖蟛▌?dòng)中呈現(xiàn)快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)；到2002年之后，出現(xiàn)急劇的下降趨勢(shì)。圖1(b)表征太陽(yáng)活動(dòng)的資料采用此期間的年平均太陽(yáng)黑子數(shù)(SN)。

圖1 1951—2009年中國(guó)交通事故死亡人數(shù)及年平均太陽(yáng)黑子數(shù)

1.2 關(guān)聯(lián)分析

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸馐且环N對(duì)非線性、非平穩(wěn)數(shù)值信號(hào)進(jìn)行時(shí)間-頻率分析的數(shù)學(xué)處理方法。它對(duì)原始信號(hào)序列逐級(jí)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，把不同周期的波動(dòng)信號(hào)從原始序列中分離出來(lái)，并且該波動(dòng)信號(hào)是平穩(wěn)的, 最后得到的是趨勢(shì)成分信號(hào)。不同尺度(周期)的波動(dòng)被定義成為本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function, IMF)[22-25]。IMF是原始信號(hào)在不同時(shí)間尺度上的平穩(wěn)的窄帶信號(hào)，相對(duì)原始信號(hào)序列要簡(jiǎn)單得多。實(shí)際的時(shí)間序列往往信號(hào)成分比較復(fù)雜，甚至有用的弱信號(hào)被強(qiáng)信號(hào)成分或背景噪聲所淹沒(méi)[22-24]。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǖ囊粋€(gè)缺陷就是模式混淆, 為了克服這個(gè)問(wèn)題, Z.H.Wu，等[26]在對(duì)白噪聲進(jìn)行EMD 深入研究的基礎(chǔ)上, 提出了整體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)方法, 該方法利用高斯白噪聲具有頻率均勻分布的統(tǒng)計(jì)特征, 使加入高斯白噪聲后的混合信號(hào)在不同尺度上具有連續(xù)性, 因此有效地解決了模式混淆問(wèn)題。對(duì)中國(guó)交通事故死亡人數(shù)進(jìn)行整體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓玫节厔?shì)項(xiàng)成分和IMF波動(dòng)成分，如圖2。

圖2 本征模函數(shù)和趨勢(shì)項(xiàng)成分

依據(jù)文獻(xiàn)[25]給出的方法進(jìn)行了本征模函數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。4個(gè)本征模函數(shù)都在95%置信水平有意義，如圖3。和11年的太陽(yáng)活動(dòng)周期接近的是第1和第2個(gè)本征模函數(shù)，它們的周期分別為8.8和14.3年。

圖3 4個(gè)本征模函數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

圖4給出中國(guó)交通事故死亡人數(shù)的第1個(gè)和第2個(gè)本征模函數(shù)(它們的周期和黑子數(shù)周期接近)和黑子數(shù)的交叉相關(guān)系數(shù)隨它們之間相位變化的關(guān)系。第1個(gè)(或第2個(gè))本征模函數(shù)時(shí)間序列相對(duì)黑子數(shù)時(shí)間序列每移動(dòng)1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(時(shí)間平移1年)，去掉不成對(duì)的首尾數(shù)據(jù)點(diǎn)，再計(jì)算它們的交叉相關(guān)系數(shù)，重復(fù)進(jìn)行，就得到圖4給出的曲線。本征模函數(shù)時(shí)間序列相對(duì)黑子數(shù)時(shí)間序列向前移(從過(guò)去到未來(lái)的時(shí)間方向)為正的位移。由圖4可知，在沒(méi)有相對(duì)相位移動(dòng)時(shí)；第2個(gè)本征模函數(shù)與黑子數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大，為0.313,在95%置信水平有統(tǒng)計(jì)意義，二者同相位正相關(guān)。太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)時(shí)，交通事故發(fā)生的可能性大。第1個(gè)本征模函數(shù)與黑子數(shù)在無(wú)相位移動(dòng)時(shí)，相關(guān)系數(shù)為-0.191，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)意義，二者間呈現(xiàn)微弱的反相關(guān)。

圖4 本征模函數(shù)與黑子數(shù)的交叉相關(guān)系數(shù)隨它們之間相位變化的關(guān)系

1.3 小波分析

圖5給出中國(guó)交通事故死亡人數(shù)和黑子數(shù)的交叉小波功率譜圖。箭頭向右表示二者同相位，即正相關(guān)；箭頭向左表示二者反相位，即反相關(guān)；箭頭向下表示中國(guó)交通事故死亡人數(shù)相位上領(lǐng)先黑子數(shù)90°；箭頭向上表示中國(guó)交通事故死亡人數(shù)相位上落后黑子數(shù)90°。細(xì)實(shí)線以下區(qū)域?yàn)槭苓吘壭?yīng)影響較大的區(qū)域。粗實(shí)線為95%的置信線。水平虛線表示周期為10年的位置。水平點(diǎn)線表示周期為11年的位置。由圖5可見(jiàn)，95%的置信區(qū)間(具有高共同能量)出現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)的11年周期附近，說(shuō)明二者在太陽(yáng)活動(dòng)周期附近是有關(guān)聯(lián)的。在8～14年的周期尺度內(nèi)，從1951年到1970年早期，圖中箭頭基本上朝右，說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)與交通事故死亡人數(shù)是正相關(guān)的；在1970年初到1980年代末，箭頭基本上朝下，二者無(wú)相關(guān)。1990年到2009年期間，8～10年的周期尺度表現(xiàn)為反相關(guān)；11～14年的周期尺度表現(xiàn)為正相關(guān)，同時(shí)黑子數(shù)相位上略領(lǐng)先死亡人數(shù)(箭頭主要為向右或右偏向上)，這期間是中國(guó)氣候變暖最明顯的時(shí)期[27]。

圖5 中國(guó)交通事故死亡人數(shù)和黑子數(shù)的交叉小波功率譜圖

2 劇烈太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)交通事故發(fā)生的影響機(jī)理

太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)對(duì)交通事故的影響機(jī)理方面的研究，目前處于探索階段。大量的文獻(xiàn)都從醫(yī)學(xué)的角度對(duì)作用機(jī)理進(jìn)行了闡述，也給出了一些醫(yī)學(xué)證據(jù)[3-6,28]，這里列舉某些可能的作用機(jī)理。

太陽(yáng)劇烈爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的高能粒子、電磁輻射以及磁流等能量輸出會(huì)干擾地球磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)的異常變化會(huì)直接對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)和器官產(chǎn)生波動(dòng)影響。在地磁異常時(shí),人的植物神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)主要部分的緊張狀態(tài)會(huì)在一定程度上有所提高；而人的植物神經(jīng)系統(tǒng)的副交感神經(jīng)部分，則只有少數(shù)人會(huì)趨于緊張狀態(tài)。人的植物神經(jīng)系統(tǒng)失去平衡，各種各樣的功能障礙就會(huì)接踵出現(xiàn)。當(dāng)人處于緊張活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，人的處理問(wèn)題的能力會(huì)下降，人的分析判斷能力會(huì)降低，出錯(cuò)的可能性增加；人的應(yīng)急反應(yīng)會(huì)遲緩，快速應(yīng)變危機(jī)的能力下降[3,6-15]，因此，嚴(yán)重交通事故發(fā)生的可能性會(huì)增加，交通死亡人數(shù)會(huì)增加。這就是說(shuō)，強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)直接影響人體生理和心理而正相關(guān)地導(dǎo)致交通人數(shù)會(huì)增加。

當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈爆發(fā)時(shí)，大量的太陽(yáng)高能粒子流和宇宙射線會(huì)穿過(guò)地球大氣層。而飄浮于地球大氣層中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的病毒基因此時(shí)很容易斷裂而發(fā)生重組，從而使病毒發(fā)生變異，出現(xiàn)新的病毒；同時(shí)使人類淋巴細(xì)胞合成蛋白的功能降低，健康人的血液中纖維蛋白溶解系統(tǒng)的功能狀態(tài)發(fā)生了變化，纖維蛋白溶解的活性減小了。因此太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致心血管疾病、傳染病、流感等的發(fā)病[3,5,10-11]。帶病的駕駛員比身體健康的駕駛員更容易發(fā)生交通事故，同時(shí)使受傷的駕駛員更容易死亡[3]。劇烈太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人體致病而影響嚴(yán)重交通事故發(fā)生，導(dǎo)致交通人數(shù)會(huì)增加。

總結(jié)上述兩個(gè)方面，可以看到，強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)從生理和心理兩方面對(duì)交通事故產(chǎn)生影響，且這種影響基本上是同相位的“即時(shí)”作用。但可能會(huì)出現(xiàn)地區(qū)差別，因?yàn)閺?qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球的影響會(huì)有顯著的緯度差別。加上地球上各種物理參數(shù)，如溫度和密度出現(xiàn)地區(qū)差別也會(huì)使得強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的影響出現(xiàn)地區(qū)差別。地球上各種物理參數(shù)往往也是隨時(shí)間變化的，因而太陽(yáng)活動(dòng)在某個(gè)地區(qū)對(duì)交通事故產(chǎn)生的影響會(huì)隨時(shí)間呈現(xiàn)出差異變化。

雨雪和霧霾等惡劣天氣會(huì)使道路難行走、造成大氣能見(jiàn)度低，嚴(yán)重交通事故發(fā)生的可能性因此會(huì)大大增加?？茖W(xué)研究表明：中國(guó)大陸地區(qū)降水量與太陽(yáng)活動(dòng)，總的來(lái)看，在絕大部分地區(qū)呈正相關(guān)關(guān)系[20-21],太陽(yáng)活動(dòng)作用于天氣氣候而對(duì)交通事故產(chǎn)生影響。但天氣氣候變化對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)往往要滯后1～2 年[16]。這種相位的區(qū)別以及多種作用方式會(huì)使得太陽(yáng)活動(dòng)與交通事故的關(guān)系復(fù)雜化。氣候是有地區(qū)差別的，地區(qū)差別也會(huì)使得太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)嚴(yán)重交通事故在中國(guó)大陸地區(qū)的影響復(fù)雜化。

3 結(jié) 語(yǔ)

交通事故死亡人數(shù)的第1個(gè)和第2個(gè)本征模函數(shù)具有和太陽(yáng)活動(dòng)11年周期相近的周期，第2個(gè)本征模函數(shù)和黑子數(shù)在99%置信水平相關(guān)聯(lián)。太陽(yáng)活動(dòng)的確影響嚴(yán)重交通事故的可能發(fā)生。

中國(guó)交通事故死亡人數(shù)和黑子數(shù)的交叉小波的高共同能量區(qū)間出現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)的11年周期附近，二者在太陽(yáng)活動(dòng)周期附近是有關(guān)聯(lián)的。嚴(yán)重交通事故的發(fā)生受多種因素的影響，如氣候等。而氣候與太陽(yáng)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)上相關(guān)聯(lián)，且滯后太陽(yáng)活動(dòng)。這種滯后效應(yīng)將導(dǎo)致嚴(yán)重交通事故可能并不具有和太陽(yáng)活動(dòng)相同的周期，而是太陽(yáng)活動(dòng)在相位上可能領(lǐng)先嚴(yán)重交通事故的發(fā)生，在長(zhǎng)于11年周期上與嚴(yán)重交通事故相關(guān)聯(lián)。這為交叉小波分析所證實(shí)。

24周太陽(yáng)活動(dòng)將在2013—2014年出現(xiàn)峰值，未來(lái)幾年是太陽(yáng)活動(dòng)的極大期，因此，推測(cè)未來(lái)幾年嚴(yán)重交通事故會(huì)出現(xiàn)走高的波動(dòng)，提請(qǐng)交通部門和駕駛員注意。

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Statistical Relationship Between Death Population of Road Traffic Accidents and Sunspot Activity

Feng Wen1, Li Kejun2,3

(1. Research Center of Analysis & Measurement, Kunming University of Science & Technology, Kunming 650093,Yunnan, China; 2. Yunnan Observatories, CAS, Kunming 650011, Yunnan, China; 3. Key Laboratory of Solar Activity, National Astronomical Observatories, CAS, Beijing 100012, China)

The relationship between death population of road traffic accidents and solar activity was investigated through ensemble empirical mode decomposition analysis, cross-correlation analysis, cross-wavelet analysis, and etc., which was based on the information of yearly mean sunspot number and annual death population (DP) of road traffic accident events in China from 1951 to 2009. The results obtained show that DP is statistically positively correlated with the 11-year-cycle solar activity. DP is not only closely related with human activities, but also affected by solar activity indeed.

traffic engineering; traffic accident; traffic safety; solar activity; correlation analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.20

2013-10-09；

2014-02-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11273057，11221063);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012CB957801，2011CB811406)

馮 雯(1969—)， 女,云南昆明人,工程師,主要從事日地關(guān)系物理方面的研究。E-mail: fengwen69@sina.cn。

李可軍(1966—)，男，湖北漢川人，研究員，博士，主要從事太陽(yáng)物理方面的研究。E-mail: lkj@ynao.ac.cn。

U492.8

A

1674-0696(2015)01-091-04