牟夏 魏向旺 肖颯 胡超 李歡歡

（1.北京超圖信息技術(shù)有限公司 北京市 100015 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京市 100076）

公路作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，對于國民經(jīng)濟(jì)及社會發(fā)展具有極為重要作用，公路行車及運(yùn)輸安全也關(guān)乎人民群眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全。公路交通運(yùn)輸安全狀況是對公路路網(wǎng)或某路段的交通安全狀況的客觀描述，可反映某個時間段內(nèi)公路行車安全狀況。國內(nèi)外對交通安全的研究主要集中在氣象與交通安全、安全評估方法、預(yù)警技術(shù)及評估系統(tǒng)等方面。李云峰等[1]分析了近10年吉林省主要高速公路交通事故與氣象要素的關(guān)系，得出了降雨、陰天、降雪天氣是氣象要素影響下交通事故發(fā)生的主要原因，降雨量級、降雪量級與交通事務(wù)的發(fā)生均成正比關(guān)系。朱涵和楊潤凱[2]在突變理論的基礎(chǔ)上建立了城市道路交通安全評估模型，對江西多個城市進(jìn)行交通安全評估及合理性驗(yàn)證，為道理交通安全評估提供了新的途徑。吳方健和李磊[3]基于智能交通技術(shù)建設(shè)了山東省智能交通安全系統(tǒng)，并闡述了系統(tǒng)的組成、數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)部署等，使山東交通安全管理更智慧化、便捷化。近些年，隨著信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能交通技術(shù)突飛猛進(jìn)，交通監(jiān)控系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于城市交通運(yùn)輸中，而交通運(yùn)輸安全評估也逐漸開始推廣應(yīng)用[4-6]。市場化高度發(fā)展的今天，從人們的衣食住行到生產(chǎn)生活都需要長距離運(yùn)輸，而運(yùn)輸安全直接關(guān)系到生命及財(cái)產(chǎn)安全，深入分析公路交通運(yùn)輸安全的影響因素，構(gòu)建起公路運(yùn)輸安全的評估指標(biāo)及算法，搭建起安全評估系統(tǒng)，對于降低交通運(yùn)輸事故發(fā)生概率、保障人民群眾生命及財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

1 公路交通運(yùn)輸安全影響因素分析

公路交通運(yùn)輸安全受多種因素影響，包括車、路、環(huán)境等方面[7]。交通事故的發(fā)生不僅受單一因素影響，往往是多個因素綜合作用的結(jié)果，分析公路運(yùn)輸安全的影響因素是公路安全評估的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1.1 車輛因素

車輛是交通運(yùn)輸?shù)闹饕d體，也是道路交通系統(tǒng)的主要組成之一。車輛屬性對車輛的行駛安全具有影響，不同型號的車輛性能特性不同，對道路要求也不一樣，不同的道路狀況以及氣象環(huán)境對不同車輛的影響程度也不一樣。車輛屬性分析站在車輛角度，結(jié)合車輛自身特點(diǎn)分析車輛在道路上的通過、通行性情況。

1.1.1 車輛外形

車輛外形主要考慮車輛的長度、寬度和高度三個主要外形因素。車輛外形與道路、橋梁、隧道的通過性情況密切相關(guān)，如針對重型搶險(xiǎn)車輛、應(yīng)急救援車輛等大型車輛，其車輛高度、寬度必須小于道路及附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)高度、寬度要求，才能保證順利通過。

1.1.2 車輛重量

橋梁、道路具有設(shè)計(jì)限重指標(biāo)，對于行駛在道路、橋梁上的車輛具有限重要求。車輛重量屬性影響橋梁通過性、道路通過性。將車輛滿載重量與橋梁的限重相結(jié)合并開展分析，確定路線的通過性指標(biāo)。

1.1.3 車輛行駛條件

車輛行駛限制條件（如道路等級、彎度、坡度等）將影響道路通過性。車輛在道路上行駛，事故發(fā)生概率與道路質(zhì)量密切相關(guān)，尤其是路面、線形情況、交通狀況等對行車安全的影響很大，道路等級越高，車輛的行駛環(huán)境更好。道路坡度及彎度也會影響車輛的行駛，當(dāng)坡度過多則影響車輛的通過性；同理，當(dāng)?shù)缆窂澋肋^多或過大，也會影響車輛的通過條件。

1.2 道路因素

道路是整個公路交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)，道路好壞直接影響到車輛的行駛狀態(tài)，對交通運(yùn)輸安全影響也最直接。道路及道路設(shè)施對公路交通運(yùn)輸安全的影響因子包括道路等級、路面坡度、路面承載力、以及公路設(shè)施等。

1.2.1 道路等級

道路等級是公路行車要重點(diǎn)考慮的因素，不同道路等級其行車速度要求及安全性不同。公路運(yùn)輸時，應(yīng)盡量選擇路面狀況好、道路等級高的路線進(jìn)行行駛。

1.2.2 路面坡度

路面坡度也是影響公路運(yùn)輸安全的影響因子之一，坡度越大行駛難度越大。分析路面坡度情況，尤其是長大縱坡的情況對于車輛安全行駛具有必要。

1.2.3 道路彎道

道路彎道，尤其是急彎對公路運(yùn)輸安全具有較大影響。若行駛車輛較長而道路彎道大、路面窄，對車輛的通行性具有較大限制；若對車輛通行有限制的急彎越多，則車輛通行性條件更差。

1.2.4 道路承載力

道路承載力也是影響公路運(yùn)輸安全的影響因子之一，若車輛滿載重超過道路承載力，對于車輛的通行性及道路的安全性均具有影響。

1.2.5 橋梁屬性

橋梁具有設(shè)計(jì)限重、限寬等指標(biāo)，對行駛在橋梁上的車輛有限重、限寬等要求。若橋梁最大承載力低于車輛滿載重量，或橋梁寬度小于車輛寬度，則對車輛的通行性甚至是通過性均具有較大影響。

1.2.6 隧道屬性

隧道具有設(shè)計(jì)限高、限寬等指標(biāo)，對行駛在隧道上的車輛有限寬、限寬等要求。若隧道高度低于車輛高度，或隧道寬度小于車輛寬度，則對車輛的通行性甚至是通過性均具有較大影響。

1.3 環(huán)境因素

氣象環(huán)境及自然災(zāi)害對于車輛行駛影響較大。本文主要從氣象環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害出發(fā)，分析天氣狀況、地質(zhì)災(zāi)害對路面造成的影響，進(jìn)而對車輛通行造成限制。

1.3.1 氣象環(huán)境

強(qiáng)降水、降雪、濃霧等惡劣氣象條件是威脅公路運(yùn)輸安全的重要因素之一。降雨、降雪導(dǎo)致的路面濕滑會降低路面摩擦系數(shù)，使車輛制動性能減弱，危險(xiǎn)性增加[8]；雨雪也使得駕駛員水平能見度降低，視野不開闊，影響道路標(biāo)志標(biāo)線或車間距的辨識，增加駕駛員誤判的概率。

霧對公路安全的影響主要體現(xiàn)在能見度降低上。霧天能見度低，視線障礙大，駕駛員可視距離大大縮短，由于景物、交通標(biāo)線及前后車輛都難以辨別，使駕駛員容易判斷失誤，導(dǎo)致前后車追尾。同時，霧會使光線散漫并吸收光線，致使物體亮度降低，影響駕駛員觀察。

1.3.2 自然災(zāi)害

泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，往往會引發(fā)道路損毀、掩埋、山體落石等危險(xiǎn)事件，對于車輛運(yùn)輸安全具有較大影響。公路運(yùn)輸時需要考慮行駛路線的自然災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)狀或自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)情況，避免運(yùn)輸過程中遭遇自然災(zāi)害。

2 公路交通運(yùn)輸安全評估算法設(shè)計(jì)

2.1 評估指標(biāo)構(gòu)建

通過對交通運(yùn)輸安全的影響因素分析得知，交通運(yùn)輸安全與車輛、道路、環(huán)境等相關(guān)，且受多種因素的綜合影響。本文時間、空間緯度，考慮車輛、道路及附屬設(shè)施、環(huán)境三大要素，針對具體運(yùn)輸任務(wù)構(gòu)建影響公路交通運(yùn)輸安全的道路通過性、道路通行性、環(huán)境影響3 項(xiàng)一級指標(biāo)及15 項(xiàng)二級指標(biāo)。評估系統(tǒng)默認(rèn)采用此指標(biāo)體系，同時為使評估指標(biāo)更科學(xué)合理，系統(tǒng)可支持指標(biāo)新增、修改、刪除等自定義設(shè)置，滿足不同情境下公路交通運(yùn)輸安全評估需求。

2.1.1 道路通過性

道路通過性是車輛行駛安全的前提條件。道路通過性指標(biāo)基于車輛、道路的基本屬性進(jìn)行構(gòu)建，通過分析車輛屬性與道路及其附屬設(shè)施之間的關(guān)系，來評估車輛是否可通過某具體的公路路線?；诠愤\(yùn)輸安全影響因素分析成果，重點(diǎn)考慮公路附屬設(shè)施（如橋梁、隧道等）的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否滿足車輛的行駛要求，來作為車輛能否通過的評估指標(biāo)。本文考慮道路附屬設(shè)施限重、限寬、限高等因子，構(gòu)建起道路通過性的二級指標(biāo)，如表1所示。

表 1：道路通過性指標(biāo)評判標(biāo)準(zhǔn)

表 2：道路安全狀況分析指標(biāo)評判標(biāo)準(zhǔn)

表 3：道路安全狀況分析指標(biāo)權(quán)重

2.1.2 道路通行性

在公路能通過前提下，公路條件（如道路等級、坡度、彎道、承載力等）可影響車輛的行使?fàn)顟B(tài)。基于公路運(yùn)輸安全影響因素分析成果，重點(diǎn)考慮公路及其附屬設(shè)施的空間狀態(tài)及條件對車輛行駛的影響，來作為車輛通行狀況好壞的評估依據(jù)。本文考慮道路等級、橋梁數(shù)量、急彎數(shù)量及長大縱坡等因子，構(gòu)建起道路通行性的二級評估指標(biāo)，如表2所示。

2.1.3 環(huán)境影響

惡劣天氣、自然災(zāi)害等環(huán)境因素是車輛運(yùn)輸安全的重要影響因素之一?；诠愤\(yùn)輸安全影響因素分析成果，從時間、空間兩個維度，重點(diǎn)考慮運(yùn)輸過程中可能遭遇的降水、大風(fēng)、能見度、自然災(zāi)害等因子，構(gòu)建起環(huán)境影響的二級評估指標(biāo)，如表2所示。

2.2 評估算法設(shè)計(jì)

在影響因素分析及指標(biāo)體系構(gòu)建基礎(chǔ)上進(jìn)行公路交通運(yùn)輸安全評估算法設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行道路通過性的先行判斷，然后進(jìn)行道路通行性及其他安全因素的評判分析，得到公路交通安全總體評估算法。評價(jià)算法包含通過性判斷、道路安全得分計(jì)算及道路總體安全等級評估。

系統(tǒng)默認(rèn)采用此評估算法，同時為使評估更科學(xué)合理，系統(tǒng)可支持指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)權(quán)重的修改等自定義設(shè)置，滿足不同情境下公路交通安全評估需求。

2.2.1 通過性判斷

基于行駛車輛與道路屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)置道路通過性的優(yōu)先判斷算法，若判斷通過性的指標(biāo)顯示“不能通過”，則自動將當(dāng)前路線判斷為不能通過，并中止其他道路安全指標(biāo)計(jì)算，優(yōu)先評判標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.2.2 道路安全得分計(jì)算

（1）指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

在道路“能通過”基礎(chǔ)上，基于已構(gòu)建的道路通行性、環(huán)境影響指標(biāo)體系，計(jì)算出每個二級指標(biāo)的評估結(jié)果。系統(tǒng)依據(jù)知識經(jīng)驗(yàn)自動將計(jì)算結(jié)果從0-10 分進(jìn)行打分，由此可得出每個二級指標(biāo)的得分。各二級指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置如表2所示。

（2）指標(biāo)權(quán)重設(shè)定。

依據(jù)專家打分[9]及經(jīng)驗(yàn)積累，對分別對一級、二級指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重設(shè)定，設(shè)定的結(jié)果如表3所示。

（3）指標(biāo)得分計(jì)算。

基于指標(biāo)算法、評分標(biāo)準(zhǔn)可得出二級指標(biāo)的得分，在此基礎(chǔ)上可計(jì)算出一級指標(biāo)得分及道路總體安全評估得分，計(jì)算方法如下所示：

2.2.3 道路總體安全等級評估

基于依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及知識圖譜，將公路交通總體安全狀況分為6 個等級，分別是極其嚴(yán)重、比較嚴(yán)重、嚴(yán)重、一般、比較安全和安全。每個等級評判標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。同時，將一級指標(biāo)計(jì)算得分、道路總體得分與評判等級進(jìn)行匹配，即可得到某公路交通安全等級。

表4：公路交通安全等級描述

3 公路交通運(yùn)輸安全評估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于Supermap Desktop 在服務(wù)發(fā)布、自動化制圖、交通分析、空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析、三維等方面的專業(yè)功能進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層，如圖1所示。數(shù)據(jù)層包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（矢量、影像、地形等）、交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、專題事件數(shù)據(jù)、三維實(shí)體數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)存儲在SuperMap 自定義的UDB 本地?cái)?shù)據(jù)庫中供系統(tǒng)調(diào)用和展示。支撐層包括SuperMap Desktop以及SuperMap Objects Java 組件，為安全評估系統(tǒng)提供三維地球及精細(xì)化小場景、交通分析、空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析等技術(shù)支撐。應(yīng)用層用于交通安全狀況評估應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，包含評估事件管理、指標(biāo)體系管理、數(shù)據(jù)分析處理、交通安全評估及交通安全展示等模塊。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對具體公路交通運(yùn)輸安全狀態(tài)評估進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶確定好運(yùn)輸任務(wù)的起終點(diǎn)、經(jīng)停點(diǎn)，以及出發(fā)、到達(dá)時間等信息，輸入相應(yīng)的專題事件數(shù)據(jù)、選取相關(guān)的評估指標(biāo)，系統(tǒng)可進(jìn)行運(yùn)輸路線規(guī)劃及各路線的行車安全狀況評估及展示，使用戶能從運(yùn)輸?shù)缆返耐ㄟ^性、通行性及氣象環(huán)境影響等方面，全方位了解運(yùn)輸過程中的行車安全狀況，輔助搶險(xiǎn)救災(zāi)時選取最優(yōu)行駛路線。運(yùn)輸任務(wù)、數(shù)據(jù)、評估結(jié)果等均保存在SuperMap 自定義的工作空間中，系統(tǒng)的運(yùn)行流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

依據(jù)交通運(yùn)輸安全評估的目標(biāo)及應(yīng)用場景，本系統(tǒng)包含運(yùn)輸任務(wù)管理、數(shù)據(jù)分析處理、指標(biāo)體系管理、行車安全評估、安全狀況展示等系統(tǒng)功能，使用戶能從道路通過性、通行性及氣象環(huán)境影響等方面，全方位了解行車安全狀況，輔助用戶選取最優(yōu)行駛路線。

3.2.1 運(yùn)輸任務(wù)管理

運(yùn)輸任務(wù)管理重點(diǎn)針對具體運(yùn)輸任務(wù)，提供任務(wù)管理、路線管理、車輛管理功能。任務(wù)管理實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸任務(wù)的描述，包含運(yùn)輸時間、運(yùn)輸貨物明細(xì)、運(yùn)輸路線及車輛等，提供任務(wù)的新建、導(dǎo)入、修改、刪除及查詢等功能，滿足運(yùn)輸任務(wù)創(chuàng)建及管理；路線管理基于SuperMap 網(wǎng)絡(luò)分析模塊開發(fā)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸路線的自動規(guī)劃，用戶輸入起、終點(diǎn)及路線經(jīng)停點(diǎn)，系統(tǒng)可自動規(guī)劃出可供選擇的多條運(yùn)輸路線，并基于已規(guī)劃好的多條路線，進(jìn)行后續(xù)的路線安全評估；車輛管理實(shí)現(xiàn)對車輛長、寬、高、時速、滿載重等屬性信息的管理，提供車輛的新建、修改、查詢等功能，并可關(guān)聯(lián)運(yùn)輸任務(wù)。運(yùn)輸任務(wù)以SuperMap 自定義的.smwu 格式進(jìn)行儲存，添加和導(dǎo)入的數(shù)據(jù)源可組織進(jìn)工程文件，以供分析評估及場景展示調(diào)用。

3.2.2 指標(biāo)體系管理

指標(biāo)體系管理在交通運(yùn)輸安全影響因素分析及安全評估算法研究成果基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)將本文設(shè)計(jì)的公路交通運(yùn)輸安全評估指標(biāo)體系及算法作為系統(tǒng)評估模板，供用戶直接進(jìn)行安全評估。同時，系統(tǒng)提供評估指標(biāo)的新建、刪除、指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)修改、指標(biāo)權(quán)重修改等功能，一方面滿足用戶特定運(yùn)輸任務(wù)安全評估的需求，另一方面也使評估結(jié)果更加科學(xué)合理。用戶自定義的評估指標(biāo)體系僅保存在當(dāng)前運(yùn)輸任務(wù)中，對其他任務(wù)信息不構(gòu)成影響。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析處理

基于SuperMap 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、融合及治理的能力，針對具體運(yùn)輸任務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析處理功能，包含數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、地圖預(yù)覽、數(shù)據(jù)編輯、拓?fù)錁?gòu)建及檢查、事件表生成等。導(dǎo)入每個評估指標(biāo)所需要的各類專題數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成動態(tài)事件表及事件數(shù)據(jù)集，可快速的實(shí)現(xiàn)路線的安全評估、數(shù)據(jù)上圖等。用戶可導(dǎo)入并處理當(dāng)前運(yùn)輸任務(wù)安全評估所需的數(shù)據(jù)，為運(yùn)輸安全評估做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

3.2.4 行車安全評估

行車安全評估基于已創(chuàng)建的運(yùn)輸任務(wù)、指標(biāo)體系及分析處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)提供道路通過性、通行性及環(huán)境影響的評估，用戶可查看二級指標(biāo)、一級指標(biāo)計(jì)算得分及安全等級評估結(jié)果，也可查看路線總體得分及安全等級，全方位獲取到各路線的運(yùn)輸安全狀況，輔助最優(yōu)行駛路線的選取。

3.2.5 安全狀況展示

安全狀況展示基于安全狀況評估結(jié)果，以二三維地圖方式多維度呈現(xiàn)路線的運(yùn)輸安全狀況，展示內(nèi)容包含規(guī)劃路線展示、通過狀況展示、通行狀況展示、環(huán)境影響展示、道路總體安全等級展示等。結(jié)合道路、橋梁、隧道及周邊環(huán)境的BIM 數(shù)據(jù)、三維實(shí)體數(shù)據(jù)，基于SuperMap 強(qiáng)大的三維場景搭建及空間分析展示能力，構(gòu)建起車輛行駛的真實(shí)場景，全方位展示各路線上道路橋梁狀況、車輛行駛狀況、天氣狀況等；設(shè)置行駛推演器，按照任務(wù)預(yù)設(shè)要求，推演車輛在運(yùn)輸路線上的行駛狀態(tài)，使用戶能沉浸式的感受運(yùn)輸現(xiàn)場狀況，達(dá)到既美觀又實(shí)用的效果。

4 小結(jié)

本文基于搶險(xiǎn)救災(zāi)公路交通運(yùn)輸過程中行車安全評估的需要，分析了車輛、道路及環(huán)境等影響公路運(yùn)輸安全的因素，開展了運(yùn)輸安全評估的指標(biāo)體系構(gòu)建及算法設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上完成了公路交通運(yùn)輸安全評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用戶針對具體的運(yùn)輸任務(wù)，能提前規(guī)劃好備選運(yùn)輸路線，并從運(yùn)輸?shù)缆返耐ㄟ^性、通行性及氣象環(huán)境影響等方面評估各備選路線的安全狀況及等級，全方位了解運(yùn)輸過程中的行車安全狀況，輔助搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中最優(yōu)行駛路線的選取。本研究以期通過智慧化手段為駕駛員提供便捷評估工具，降低行車過程中交通事故發(fā)生的概率，減少因交通事故導(dǎo)致的生命及財(cái)產(chǎn)損失。