周洪文,馮鑫淼,王 宏,陳昕霞

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院,上海 201418;2.河南省公路工程局集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引 言

截止2022年末,全國(guó)高速公路總里程已達(dá)到17.73萬(wàn)公里[1]。但與此同時(shí),道路交通事故的數(shù)量逐年上升,導(dǎo)致了重大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。因此,需要對(duì)高速公路道路安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),分析各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系,準(zhǔn)確識(shí)別出高速公路道路的安全隱患及關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素,提高高速公路道路安全水平。

針對(duì)道路安全問(wèn)題已有大量研究,LUO Wenhui 等[2]提出了一種基于數(shù)據(jù)挖掘的實(shí)時(shí)道路交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,通過(guò)Apriori算法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素或事故狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)控掘,利用K-means對(duì)得到的概率和嚴(yán)重程度進(jìn)行計(jì)算,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,該模型準(zhǔn)確率為88%;CHEN Sikai 等[3]基于美國(guó)不同等級(jí)的高速公路,分析事故的與道路狀況之間的關(guān)聯(lián),發(fā)現(xiàn)車(chē)流量和道路因素是導(dǎo)致事故的主要原因; S.HAN等[4]以事故指標(biāo)和隱患指標(biāo)為基礎(chǔ),構(gòu)建了交通安全評(píng)價(jià)體系,采用AHP-EMW進(jìn)行組合賦權(quán),再運(yùn)用Topsis法對(duì)10條城市道路進(jìn)行安全評(píng)價(jià);劉唐志等[5]采用熵權(quán)法和物元法相結(jié)合,以互通立交出口匝道為研究對(duì)象,選取實(shí)際案例進(jìn)行評(píng)價(jià)分析并提出相應(yīng)的建議措施;賀玉龍等[6]以湖南省高速公路為背景,引入了未確知測(cè)度理論,從天氣、線形、路面、交通狀況4個(gè)方面對(duì)高速公路交通安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),并驗(yàn)證該方法具有一定的可行性;成衛(wèi)等[7]基于1 939例交通事故,構(gòu)建了樹(shù)增廣型貝葉斯網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型,并通過(guò)數(shù)據(jù)融合法對(duì)因素進(jìn)行量化分析,識(shí)別出關(guān)鍵致因因素;李珣[8]基于安全等級(jí)劃分,建立高速公路安全評(píng)價(jià)模型并與河南省6條高速相結(jié)合確定風(fēng)險(xiǎn)因素,再通過(guò)秩和比法劃分高速公路安全等級(jí)。

綜上,現(xiàn)有研究奠定了高速公路道路安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),但多是探究不同因素對(duì)高速公路安全程度的影響,未對(duì)因素間的內(nèi)部影響程度進(jìn)行探究。而高速公路是一個(gè)由人-車(chē)-路-環(huán)境相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng),其中人的因素較為主觀,車(chē)、道路、環(huán)境都屬于客觀因素。在事故產(chǎn)生的原因中,客觀因素占比更大,導(dǎo)致的后果也更加嚴(yán)重,其中,道路環(huán)境又是最關(guān)鍵的因素[10]。因此,筆者從系統(tǒng)的角度出發(fā),基于道路因素建立初始指標(biāo)體系,引入德?tīng)柗品ê兔舾行苑治鰧?duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選,構(gòu)建高速公路道路安全評(píng)價(jià)指標(biāo);提出決策實(shí)驗(yàn)室分析法(DEMATEL)-解釋結(jié)構(gòu)模型法(interpretative structural modeling method, ISM)和物元可拓的組合評(píng)價(jià)模型,通過(guò)DEMATEL-ISM識(shí)別出關(guān)鍵影響因素并計(jì)算初始權(quán)重,再與熵權(quán)法所求的客觀權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán);最后運(yùn)用物元可拓模型對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算,確定高速公路道路安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)。

1 指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系建立

依據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》并結(jié)合文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10],基于道路因素,從道路線形、路面狀況、交通安全設(shè)施、道路環(huán)境和管理因素這5個(gè)維度建立初始指標(biāo)體系,如表1。關(guān)于隧道、橋梁等特殊構(gòu)造物暫不研究。

表1 初始指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)的篩選與確定

在構(gòu)建初始指標(biāo)體系時(shí),涉及到諸多影響高速公路道路安全的因素,內(nèi)容繁雜且部分指標(biāo)存在重疊性。因此,引入“敏感性”的概念,通過(guò)德?tīng)柗品▽?duì)初始指標(biāo)體系進(jìn)行篩選,從而建立更加系統(tǒng)、科學(xué)的指標(biāo)體系。通過(guò)邀請(qǐng)從事道路安全的相關(guān)專(zhuān)家及高校研究人員對(duì)指標(biāo)體系中的因素進(jìn)行評(píng)價(jià),將專(zhuān)家分成10組,每個(gè)專(zhuān)家組包含高速公路施工工程師2名,高速公路運(yùn)營(yíng)與維護(hù)專(zhuān)家2名,高校工程管理專(zhuān)業(yè)教師4名,高校安全風(fēng)險(xiǎn)管理科研人員2名。引入文獻(xiàn)[11]的計(jì)算方式,得到指標(biāo)的認(rèn)可度及敏感性分布如圖1。舍去敏感性小于4的因素,構(gòu)建高速公路道路安全綜合指標(biāo)體系,如圖2。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選Fig. 1 Screening of evaluation indicators

圖2 高速公路道路安全綜合指標(biāo)體系Fig. 2 Comprehensive index system of highway road safety

2 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)組合模型

DEMATEL是通過(guò)判斷因素間的影響程度的強(qiáng)弱來(lái)構(gòu)建影響矩陣,再基于相關(guān)計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重,確定各因素在系統(tǒng)中的重要程度并識(shí)別系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素[12]。ISM通過(guò)有向拓?fù)鋱D來(lái)表示因素間的層次關(guān)系,文獻(xiàn)[13]中的可拓理論,以物元為基礎(chǔ),從定性與定量的角度研究解決復(fù)雜問(wèn)題?；诖?筆者提出DEMATEL-ISM和物元可拓的組合評(píng)價(jià)模型,具體步驟如圖3。

圖3 組合評(píng)價(jià)模型Fig. 3 Combinatorial evaluation model

2.1 DEMATEL-ISM

DEMATEL-ISM的具體計(jì)算步驟如下:

步驟一：確定直接影響矩陣A。通過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)、問(wèn)卷調(diào)查等方法確定指標(biāo)體系里各影響因素之間的關(guān)系,得到直接影響矩陣A。

(1)

式中:aij為因素Xi對(duì)Xj的影響程度,且當(dāng)i=j時(shí),aij=0。

步驟二：計(jì)算綜合影響矩陣T。

(2)

式中:I為單位矩陣。

步驟三：計(jì)算影響度Di、被影響度Ci、中心度Mi、原因度Ni、初始權(quán)重W1i

(3)

(4)

Mi=Di+Ci

(5)

Ni=Di-Ci

(6)

(7)

步驟四：計(jì)算整體影響矩陣Z、可達(dá)矩陣H。其中通過(guò)設(shè)定閾值λ,得到可達(dá)矩陣H中的元素hij。

Z=T+I

(8)

(9)

步驟五：確定可達(dá)集合K和先行集Q,根據(jù)K∩Q進(jìn)行層級(jí)確定,繪制ISM圖。

2.2 組合賦權(quán)

為了使權(quán)重更加的科學(xué)、準(zhǔn)確,利用熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重W2i,并與初始權(quán)重W1i進(jìn)行優(yōu)化重組,得到組合權(quán)重Wi,具體步驟參考文獻(xiàn)[14]。

2.3 確定經(jīng)典域和節(jié)域

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

經(jīng)典域:

(10)

式中:Nj為所劃分的第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí);ci為評(píng)價(jià)指標(biāo);(aji,bji)為第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的取值范圍,即評(píng)價(jià)對(duì)象各優(yōu)劣等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)的特征所取的數(shù)據(jù)范圍,此為經(jīng)典域[13]。

節(jié)域:

(11)

式中:Np為優(yōu)劣等級(jí)的全體;(api,bpi)為Np關(guān)于ci所取的量值的范圍,即為節(jié)域。

2.4 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

(12)

式中:D(vn,Vjn)和D(vn,Vpm)為實(shí)測(cè)值vn到經(jīng)典域各級(jí)和節(jié)域范圍的距離,即:

(13)

(14)

2.5 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

(15)

式中:Wi為組合權(quán)重。

根據(jù)關(guān)聯(lián)度計(jì)算,結(jié)果有Kk=max{Ki(N)},認(rèn)為該評(píng)價(jià)對(duì)象等級(jí)為k級(jí)。

3 實(shí)例分析

選取河南省信陽(yáng)某高速為研究對(duì)象,該高速公路全長(zhǎng)123.175 km,選取其中3個(gè)路段L1、L2、L3,以實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)為樣本,對(duì)其道路安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)道路的可拓性,并結(jié)合JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范要求,將各指標(biāo)分為5個(gè)安全等級(jí),用Ⅰ～Ⅴ來(lái)表示,其中Ⅰ 表示安全性很高,Ⅴ表示安全性低。通過(guò)咨詢(xún)行業(yè)相關(guān)專(zhuān)家確定經(jīng)典域和節(jié)域的量化范圍,具體的實(shí)測(cè)值及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分如表2。

表2 各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值及等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 內(nèi)部影響因素分析

根據(jù)式(1),構(gòu)建直接影響矩陣。采用了0-4語(yǔ)義變量標(biāo)度法,0代表無(wú)影響,4代表影響較強(qiáng)。通過(guò)收集的20名專(zhuān)家打分表進(jìn)行整理歸納,并按式(2)～式(7)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表3,其中初始權(quán)重見(jiàn)表4。

表3 DEMATEL模型結(jié)果

表4 各指標(biāo)權(quán)重值

由表3可知,b11、b12、b13、b14、b16、b43、b44、b45、b51、b52為原因因素,會(huì)對(duì)其他因素產(chǎn)生影響;在中心度的排名中,前5的因素分別為b11、b44、b41、b42、b12,這5個(gè)因素在整個(gè)高速公路道路安全系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用,是影響道路安全的關(guān)鍵因素,管理者應(yīng)對(duì)這些因素給予較高的關(guān)注。

為更加直觀的體現(xiàn)內(nèi)部因素間的關(guān)系,采用ISM繪制多級(jí)層次結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)式(8)、式(9)對(duì)于閾值λ采用賦值法[15],分別取λ=0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12進(jìn)行對(duì)比分析。當(dāng)閾值λ=0.09時(shí),節(jié)點(diǎn)度數(shù)范圍較為合適,且模型結(jié)構(gòu)清晰合理,如圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)模型Fig. 4 Structural model

由圖4可知:20個(gè)因素被分為了4個(gè)等級(jí),筆者將其分為根本因素層、中間因素層和直接因素層。最上層C1的12個(gè)因素是影響高速公路道路安全的最直接的因素,中間因素則為b12、b13、b23、b45,這些因素是影響高速公路道路安全的間接因素,在整個(gè)結(jié)構(gòu)模型中起著過(guò)度的作用。根本因素層是由C3和C4組成,越接近底層,表明該因素在系統(tǒng)中起著根本性的作用。

3.2 組合權(quán)重確定

利用MATLAB將表2實(shí)測(cè)值代入,求得客觀權(quán)重,并與初始權(quán)重重組優(yōu)化得到組合權(quán)重,如表4。

3.3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

根據(jù)式(12)～式(14),計(jì)算各指標(biāo)的等級(jí)關(guān)聯(lián)度。以路段L1為例,將指標(biāo)b11=1 800代入,求得關(guān)聯(lián)度分別為k11=-0.368 4、k12=0.300 0、k13=-0.200 0、k14=-0.400 0、k15=-0.454 5,根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,可知該指標(biāo)的安全水平為Ⅱ級(jí)安全性較高。同理可得其他路段的各指標(biāo)的安全等級(jí)情況,如表5。

表5 不同路段各指標(biāo)等級(jí)關(guān)聯(lián)度

3.4 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

將表4各指標(biāo)的組合權(quán)重,與表5中各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度代入式(15),可求出各路段的綜合關(guān)聯(lián)度,即可確定該路段的安全等級(jí),如表6。

表6 不同路段的綜合關(guān)聯(lián)度

3.5 結(jié)果分析

由表6可知:路段L1和路段L3的安全等級(jí)均為Ⅱ級(jí)安全性較高,路段L2的安全性則為一般,與實(shí)際調(diào)研結(jié)果相一致。

根據(jù)表5中路段L2各指標(biāo)的安全等級(jí)可知,b41的安全等級(jí)為Ⅴ,b13、b15、b21、b23、b32、b42、b43、b44、b45等因素的安全性均為一般,由圖4亦可知,這些安全性一般的因素大多都處于直接因素層,受其他因素影響較大,且道路安全性產(chǎn)生直接的影響。其中b41、b42、b44是影響道路安全的關(guān)鍵因素,在層次結(jié)構(gòu)模型中,b44又是處于根本因素層,其連接點(diǎn)眾多,對(duì)其他因素影響較大,對(duì)整個(gè)道路系統(tǒng)的安全性起著根本性作用,會(huì)對(duì)車(chē)速、路面的抗滑性等產(chǎn)生影響,降低了道路的安全性。

基于以上分析,管理部門(mén)必須從根本因素層出發(fā),提高應(yīng)對(duì)惡劣天氣的能力,加強(qiáng)道路養(yǎng)護(hù)工作,及時(shí)處理道路環(huán)境問(wèn)題,從而提高路段L2的安全等級(jí)。

4 結(jié) 論

1)筆者基于道路因素,建立了道路安全初始指標(biāo)體系,利用敏感性分析與德?tīng)柗品ㄏ嘟Y(jié)合,對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選,從而建立更加科學(xué)、全面、系統(tǒng)的高速公路道路安全指標(biāo)體系。

2)為了避免權(quán)重值的主觀化,利用熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重,并與初始權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán),使得權(quán)重更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。

3)筆者提出了DEMAEL-ISM和物元可拓的組合評(píng)價(jià)模型,分析各因素的重要程度,識(shí)別影響高速公路道路安全的關(guān)鍵因素。再運(yùn)用物元可拓模型對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行關(guān)聯(lián)度計(jì)算,從而確定安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)。該模型不僅可以確定整個(gè)系統(tǒng)的安全等級(jí),也可以對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行安全等級(jí)確定。

4)通過(guò)所提出的組合評(píng)價(jià)模型,計(jì)算結(jié)果表明:平曲線半徑、雨雪等惡劣天氣、車(chē)速、交通飽和度及縱坡度是影響高速公路道路安全的關(guān)鍵因素。在高速公路設(shè)計(jì)階段,平曲線半徑和縱坡度應(yīng)給予較高關(guān)注,根據(jù)不同的地形地貌,嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì);在高速公路運(yùn)營(yíng)與維護(hù)階段,管理者要提高應(yīng)對(duì)惡劣天氣的能力,及時(shí)發(fā)布路段交通狀況,并建立道路通行管控機(jī)制,提高高速公路道路的安全性。

5)通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證,利用該模型計(jì)算的河南信陽(yáng)某高速風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與實(shí)際情況相符合,可以此為依據(jù)制定相關(guān)的改善措施,從而改善道路安全。