張劭楠，錢曉東

(蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

基于集對(duì)分析的城市道路交通安全性評(píng)價(jià)

張劭楠，錢曉東

(蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法對(duì)城市道路交通安全進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，只能對(duì)其中所包含的部分不確定信息進(jìn)行處理，而集對(duì)分析方法可以對(duì)不確定性因素引起的所有模糊性、不確定性信息做出統(tǒng)一的處理和描述，本文采用集對(duì)分析方法對(duì)城市道路交通安全作出評(píng)價(jià).以城市道路交通系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先，建立指標(biāo)權(quán)重的集對(duì)分析模型，對(duì)影響城市道路交通安全因素的權(quán)重進(jìn)行分析;其次，將所評(píng)價(jià)城市的各實(shí)測(cè)指標(biāo)值組成一個(gè)集合，將城市道路評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值組成另外的一個(gè)集合，使這兩個(gè)集合組成一個(gè)集對(duì)進(jìn)行評(píng)價(jià).由于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)不同，所以構(gòu)成的集對(duì)有多個(gè).通過計(jì)算這些集對(duì)聯(lián)系度的大小，選出聯(lián)系度最大的等級(jí)作為此城市道路交通安全等級(jí)的最終評(píng)價(jià)結(jié)果.通過實(shí)例分析驗(yàn)證該方法的可行性及現(xiàn)實(shí)價(jià)值．

集對(duì)分析；交通安全；安全評(píng)價(jià)；城市道路；指標(biāo)權(quán)重

0 引言

集對(duì)分析方法是一種用聯(lián)系數(shù)統(tǒng)一處理模糊、隨機(jī)、中介和信息不完全所致不確定性問題的系統(tǒng)理論和方法[1]，其特點(diǎn)是客觀承認(rèn)、系統(tǒng)描述、定量刻畫、具體分析.目前，該方法已經(jīng)在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)[2]、生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[3]、水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)[4]、粒子群優(yōu)化算法[5]、公路評(píng)價(jià)[6]等方面得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是在城市道路交通安全評(píng)價(jià)中應(yīng)用較少.鑒于集對(duì)分析理論可以很好地解決系統(tǒng)中的隨機(jī)性、模糊性和灰色性等不確定性問題，而道路交通安全系統(tǒng)又恰好是一個(gè)包括隨機(jī)性、模糊性、灰色性等不確定性的系統(tǒng)，所以筆者采用集對(duì)分析方法對(duì)城市道路交通安全系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析.

1 建立模型

1.1 集對(duì)分析的基本理論

集對(duì)分析的核心思想是把被研究的客觀事物的確定性聯(lián)系與不確定性聯(lián)系作為一個(gè)確定不確定系統(tǒng)來分析和處理[7].將兩個(gè)事物的確定不確定關(guān)系從同、異、反3個(gè)方面進(jìn)行刻畫.將兩個(gè)集合的“同一性關(guān)系”、“差異性關(guān)系”、“對(duì)立性關(guān)系”用聯(lián)系度μ來定量地刻畫.聯(lián)系度μ的基本定義如下:對(duì)于給定的兩個(gè)集合組成的集H=(A,B),在具體研究問題的背景w之下對(duì)集對(duì)H的特性展開研究，共得到N個(gè)特性，其中，有S個(gè)特性為集對(duì)H中的兩個(gè)集合所共有，兩個(gè)集合在其中的P個(gè)特性上相互獨(dú)立，其余的F=N-S-P個(gè)特性既不對(duì)立，也不統(tǒng)一.

μ=S/N+(F/N)i+(P/N)j.

(1)

式中:j為對(duì)立度系數(shù)，j=-1；i為差異度系數(shù)，i∈[-1,1].令S/N=a,F/N=b，P/N=c，于是式(1)可以簡(jiǎn)化為

μ=a+bi+cj.

(2)

式中：μ為聯(lián)系度；a為同一度；b為差異度；c為對(duì)立度.將式(2)中的bi拓展為bi=b1i1+b2i2+…，可得多元聯(lián)系度.

μ=a+b1i1+…+bk-2ik-2+cj.

(3)

式中:a+b1+b2+…+bk-2+c=1；b1,b2,…,bk為差異度分量；i1,i2,…,ik-2為差異度分量系數(shù).

1.2 城市道路交通安全評(píng)價(jià)的集對(duì)分析模型

影響城市道路交通安全的因素有路面狀況、道路等級(jí)、道路線形、駕駛員能力與素質(zhì)、車輛性能、交通環(huán)境、氣象環(huán)境、安全管理、救援管理等[8].將這些影響因素構(gòu)成一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各指標(biāo)值組成一個(gè)集合，再將此集合與給定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)組成一個(gè)集對(duì)，集對(duì)作為城市道路交通安全性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9].

1.2.1 指標(biāo)權(quán)重的集對(duì)分析模型及其應(yīng)用

首先設(shè)評(píng)委會(huì)由r個(gè)評(píng)委組成，評(píng)價(jià)指標(biāo)集X={xk}(k=1,2,…,n).每個(gè)評(píng)委將評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較，從而構(gòu)成一個(gè)判斷矩陣Mzkl，表示第z個(gè)評(píng)委對(duì)兩指標(biāo)間相對(duì)重要性的看法.取值采用1-9標(biāo)度,

k=1,2,…,n;l=1,2,…,n).

(4)

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，不滿足一致性的矩陣剔除.各個(gè)評(píng)委對(duì)所有的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，他們的意見極少會(huì)出現(xiàn)截然相反的情況.所以我們采用μ=a+bi的同異模型[10].

(5)

式中:Akl為描述評(píng)委會(huì)對(duì)指標(biāo)間的相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)同一性矩陣;Bkl為描述評(píng)委會(huì)對(duì)各個(gè)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)差異性矩陣.

對(duì)同一性矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以保證同一性矩陣的有效性.通過采用相容矩陣法對(duì)此矩陣進(jìn)行一致性處理,這里令

(6)

這樣得到指標(biāo)權(quán)重

(7)

其中:

(8)

1.2.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)國(guó)家有關(guān)法律、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范來確定.對(duì)于可以量化的指標(biāo)，一般是以各種法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等要求的數(shù)據(jù)為依據(jù)；對(duì)于一些定性指標(biāo)，很大程度上依靠主觀判斷，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是文字描述，具體參考城市的實(shí)際條件.

筆者參考公安部2012年公布的《城市交通管理評(píng)價(jià)體系》，建立了各因素分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示.實(shí)測(cè)城市道路交通安全等級(jí)如表2所示.

1.2.3 基于集對(duì)分析的城市道路交通安全評(píng)價(jià)

第一步建立聯(lián)系度.將所評(píng)價(jià)城市的各實(shí)測(cè)指標(biāo)值組成一個(gè)集合，將城市道路評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值組成另外一個(gè)集合，使這兩個(gè)集合構(gòu)成一個(gè)集對(duì).N為評(píng)價(jià)指標(biāo)的總個(gè)數(shù)；s為樣本集合中處于級(jí)別Ι內(nèi)的指標(biāo)個(gè)數(shù)，其對(duì)應(yīng)的權(quán)重為u1,u2,…,us；f為樣本集合中處于級(jí)別ΙΙ內(nèi)的指標(biāo)個(gè)數(shù)，其對(duì)應(yīng)的權(quán)重為t1,t2,…,tf；p為樣本集合中處于級(jí)別ΙΙΙ內(nèi)的指標(biāo)個(gè)數(shù)，其對(duì)應(yīng)的權(quán)重為v1,v2,…,vp.聯(lián)系度μ表達(dá)式[11]

(9)

其中:ik表示實(shí)測(cè)指標(biāo)值集合中權(quán)重為tk的指標(biāo)上所反映的兩個(gè)集合的差異度系數(shù).

第二步確定聯(lián)系度系數(shù)ik的值.s(1)k與s(2)k分別為Ι級(jí)和ΙΙ級(jí)的限值.

(10)

第三步計(jì)算聯(lián)系度的數(shù)值.

(11)

由式(11)可知，當(dāng)j=-1時(shí)，i在[-1,1]內(nèi)取值，按照均分原則取i=0，最終得到聯(lián)系數(shù)的取值.

表1 各因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 道路交通安全實(shí)測(cè)等級(jí)表

2 實(shí)例分析

以蘭州市某街道為例,使用集對(duì)分析方法對(duì)該街道安全性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，對(duì)影響道路安全的主要因素進(jìn)行分析，通過建立指標(biāo)權(quán)重的集對(duì)分析模型,得出各影響因素的權(quán)重.將實(shí)測(cè)指標(biāo)值組成一個(gè)集合A；Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值組成的集合為B1；Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值組成的集合為B2；Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值組成的集合為B3.

2.1 指標(biāo)權(quán)重的集對(duì)分析模型及其應(yīng)用

筆者采用調(diào)查問卷的形式，邀請(qǐng)了3名研究交通安全方面的專家和3名該城市的交警對(duì)城市道路交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較.通過對(duì)這6張調(diào)查問卷的整理與計(jì)算，發(fā)現(xiàn)有2張調(diào)查問卷的計(jì)算結(jié)果不滿足矩陣一致性檢驗(yàn)，故將其剔除.根據(jù)剩下4張調(diào)查問卷的結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣，定義M1、M2、M3、M4為4份調(diào)查問卷對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩打分所得到的矩陣.

根據(jù)式(5)計(jì)算出各個(gè)專家對(duì)指標(biāo)間的相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)同一性矩陣Akl和認(rèn)識(shí)差異性矩陣Bkl.

根據(jù)公式(7)可得指標(biāo)權(quán)重為wj=(0.054,0.088,0.153,0.112,0.162,0.125,0.088,0.111,0.107).由此可知，車輛性能(0.162)>道路路線(0.153)>交通環(huán)境(0.125)>駕駛員能力與素質(zhì)(0.112)>安全管理(0.111)>救援管理(0.107).車輛性能所占的權(quán)重最大，因此要定期對(duì)車輛的性能進(jìn)行檢查，關(guān)注車輛制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等性能是否良好.另外在進(jìn)行道路規(guī)劃時(shí)，交通規(guī)劃部門應(yīng)該對(duì)道路進(jìn)行綜合考察以及合理的規(guī)劃，以減少交通事故.

2.2 城市道路安全性集對(duì)分析

根據(jù)各因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表實(shí)測(cè)城市道路交通安全等級(jí),如表2所示.根據(jù)公式(5)得出

μ(A,B1)=0.733+0.054i1+0.088i2+0.125j.

(12)

根據(jù)公式(6)和(7)得出

μ(A,B1)=0.801+0.001i+0.198j.

(13)

當(dāng)i=0,j=-1時(shí)，

μ(A,B1)=0.603.

同理可得

通過對(duì)蘭州某街道的道路交通實(shí)測(cè)指標(biāo)值分別與等級(jí)Ⅰ組成集合的聯(lián)系度μ(A,B1)，與等級(jí)Ⅱ組成集合的聯(lián)系度μ(A,B2),與等級(jí)Ⅲ組成集合的聯(lián)系度μ(A,B3)進(jìn)行對(duì)比，得出μ(A,B1)>μ(A,B2)>μ(A,B3).確定聯(lián)系度最大的μ(A,B1)所對(duì)應(yīng)的Ⅰ級(jí)為此街道道路交通安全等級(jí)的最終評(píng)價(jià)結(jié)果，由此可見該條道路的安全性良好，安全等級(jí)是Ⅰ級(jí).

2.3 集對(duì)分析法與其他評(píng)價(jià)法的結(jié)果比較

2.3.1 集對(duì)分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法的結(jié)果比較

將蘭州道路交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分為Ⅰ級(jí)(優(yōu)秀)、Ⅱ級(jí)(良好)、Ⅲ級(jí)(差)3個(gè)等級(jí)，依據(jù)蘭州道路交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀評(píng)分結(jié)果，構(gòu)造每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于3個(gè)等級(jí)的隸屬度矩陣R,

為了驗(yàn)證城市道路安全集對(duì)分析模型的準(zhǔn)確性，設(shè)專家對(duì)于城市道路交通安全模糊綜合評(píng)價(jià)模型中各層評(píng)判權(quán)重和城市道路交通安全集對(duì)分析模型中的權(quán)重相同.最終得出蘭州市該條道路交通安全評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)為80.785，屬于Ι級(jí),說明該條道路交通安全狀況良好.并且模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與集對(duì)分析法評(píng)價(jià)結(jié)果安全等級(jí)相同.

2.3.2 集對(duì)分析法與灰色評(píng)價(jià)法[12-13]的結(jié)果比較

結(jié)果表明，該方法相比于模糊綜合評(píng)價(jià)方法和灰色評(píng)價(jià)法，其優(yōu)越性在于可以把系統(tǒng)中的確定性和不確定性作為一個(gè)系統(tǒng)來進(jìn)行處理，以系統(tǒng)的角度來分析確定性和不確定性的相互作用，并且計(jì)算簡(jiǎn)單.

3 結(jié)論

采用集對(duì)分析理論建立了城市道路交通安全性評(píng)價(jià)的集對(duì)分析模型.此方法提出以聯(lián)系度值的大小作為評(píng)價(jià)城市道路交通安全好壞的標(biāo)準(zhǔn)，從根本上量化評(píng)價(jià)了城市道路交通安全性.最后應(yīng)用建立的城市道路交通安全性評(píng)價(jià)集對(duì)分析模型，對(duì)蘭州市某道路的交通安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出的結(jié)論與實(shí)際的道路交通安全狀況相吻合，從而驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性.

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Safety Evaluation of Urban Traffic Based on SPA

ZHANG Shaonan，QIAN Xiaodong

(School of Traffic and Transportation, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070 ,China)

The previous method in safety evaluation of urban traffic just proced part of the uncertain information, while the SPA (Set Pair Analysis) theory was able to process and describe all the fuzzification and indeterminacy caused by uncertain factors uniformly. This paper adopted SPA to evaluate the safety of urban traffic. Taking urban traffic system as the object, the evaluation was conducted in the following two aspects. Firstly, it was to build the SPA model of index weight and to analyze the weight of influential factors; Secondly, it was to group the actual targeted value and the standard targeted value into two sets, which were consequently formed as one set pair. Due to the different evaluation criteria, there might be several set pairs. By calculating the connection degrees of those set pairs, the grade with the highest connection degree would be chosen as the final evaluation result. The feasibility and actual value of this method were verified by instance analysis.

set pair analysis; traffic safety; safety evaluation; urban road; index weight

2016-07-01；

2016-10-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71461017)

張劭楠(1991— )，女,甘肅蘭州人，蘭州交通大學(xué)研究生, 主要從事道路交通安全研究，E-mail: 429159014@qq.com．

1671-6833(2017)02-0030-06

X951

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2017.02.008