基于屬性識別的高速公路交通安全設施系統評價

郭延永 劉 攀 吳 瑤 俞 灝

(東南大學交通學院, 南京 210096)

我國高速公路在快速發展的同時,事故率一直居高不下,其中交通安全設施不合理是一個重要原因．交通安全設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施包括道路護欄、標志標線、隔離設施、防眩設施和視線誘導設施等．合理的交通安全設施系統對降低事故風險、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施系統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施系統的基礎研究主要集中于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施;② 對某一種特定交通安全設施的評價[3-6],通常將其安全效果與事故率和事故嚴重程度聯系起來;③ 對交通安全設施設計的研究[7],一般按照國內相關規范或是借鑒國外研究經驗．這些研究成果推動了高速公路交通安全設施系統評價的發展．

本文構建了高速公路交通安全設施系統評價指標體系,結合相關的規范、標準和指南等劃分了各指標的分級標準,并采用變異系數法確定了各指標權重．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施系統屬性綜合評價模型．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施系統進行了評價．

1 高速公路交通安全設施系統評價指標體系

1.1 指標體系的構建

高速公路交通安全設施是由多種設施組成的系統,并且通過整個系統的協調來發揮作用,因此對高速公路交通安全設施系統評價指標體系的構建應從系統工程的角度出發,本著科學性與針對性原則、系統性與層次性原則、有效性與可觀測性原則．高速公路交通安全設施系統評價指標體系構建的詳細步驟如下:

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．在此過程中應該根據相關的規范、標準、指南以及國內外權威機構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．根據可觀測性原則,初步篩選評價指標．刪除海選指標中數據無法獲取的評價指標,使初步篩選后的指標滿足可觀測性,能夠實際應用．

③ 指標定量篩選．經過初步篩選后的指標,并不能保證其獨立性,應該通過相關性分析,刪除同一子系統內相關系數大的指標,避免指標間的信息重復．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果有顯著影響．

本文中,定量篩選的數據基礎為案例中調研數據．為使評價結果更為合理,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、路肩寬度、線形等),共采集到23組數據,每組數據中包含了不同指標的測量值．

根據以上評價指標構建流程,結合高速公路交通安全設施系統評價指標體系原則,并以泰贛高速公路數據為基礎,最終建立如表1所示的評價指標體系,其中一級子系統8項,二級子系統27項．評價指標體系各單項指標中的定量指標可根據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、合理、有效地評價高速公路交通安全設施系統,將高速公路交通安全設施系統評價指標體系中每個指標分為優秀、良好、中等、一般、較差5個評價等級,即評價等級C1={優秀},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鍵．本文確定的各指標評價等級標準,是參照國內或國際公認的高速公路交通安全設施相關規范、標準和指南等來制定的,參考其上下限,采用內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間見表1．

2 高速公路交通安全設施系統評價

2.1 評價原理

屬性識別理論是對事物或自然現象屬性的定性描述進行定量化研究的數學理論[8],根據屬性識別理論,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施系統評價問題中．

高速公路交通安全設施系統評價問題可以描述為:研究對象高速公路交通安全設施系統用集合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段高速公路的交通安全設施)．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節可知,高速公路交通安全設施可分為5個評價等級,{C1,C2,C3,C4,C5}(C1>C2>C3>C4>C5)構成了屬性空間F的一個有序分割類．已知高速公路交通安全設施系統指標評價等級標準值域區間和集合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施評價中引入屬性識別理論,可使評價結果更為科學和直觀．

表1 高速公路交通安全設施系統評價指標體系

注:① JTG B0l—2003公路工程技術標準;② JTG D20—2006公路路線設計規范;③ JTG/T F83-01—2004 高速公路護欄安全性能評價標準;④ JTG D8l—2006 公路交通安全設施設計細則;⑤ JTG D80—2006 高速公路交通工程及沿線設施設計通用規范;⑥ JTG F71—2006 公路交通安全設施施工技術規范;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置手冊;⑨ JTG F80/1—2004 公路工程質量檢驗評定標準;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施評價指標體系的基礎上,基于屬性識別理論建立高速公路交通安全設施系統屬性綜合評價模型．模型采用變異系數法確定每個指標的權重,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施系統中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施系統綜合評價流程

2.1.1 單指標屬性測度分析

設xij為第i個樣本關于第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．

{C1,C2,C3,C4,C5}構成屬性空間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)表示第i個樣本關于第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鍵,早期采用較多的是分段線性函數,但高速公路交通安全設施系統各指標屬性變化復雜,線性函數并不能反映這一特點．正態分布函數表達各指標的精度要高于線性函數,故選擇正態分布函數作為屬性測度函數．實際上,以正態分布函數作為屬性測度,在城市生態系統評價等問題上取得了良好的應用[9-10]．圖2為本文構建的正態分布屬性測度． [aij，k,aij，k+1]表示第i條(段)高速公路交通安全設施系統中第j個指標的第k級評價等級值域區間．

圖2 正態分布形式屬性測度函數

第i條(段)高速公路交通安全設施系統中第j個指標處于“優秀”評價等級(k=1)的正態分布屬性測度值為

μij1(xij∈C1)=e-t(xij-u)2t>0

(3)

式中,t,u表示待估參數．

μijk(xij∈Ck)=e-tijk(xij-uijk)2

(4)

根據屬性識別和屬性測度理論[8],μijk(xij∈Ck)應滿足式(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重向量w={w1,w2, …,w27}．根據單指標屬性測度,第i條(段)高速公路的交通安全設施系統具有屬于等級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施屬于等級Ck．

對不同高速公路交通安全設施系統進行評價,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系,可以用評價分值表示屬性集強弱關系,強屬性集分值比弱屬性集分值大．設屬性集Ck的分數值為nk=k,則多指標綜合屬性測度的評價分值qi為

(8)

根據式(8)計算高速公路交通安全設施系統評價分值．若qi>qj,則認為第i條(段)高速公路的交通安全設施系統比第j條(段)高速公路的交通安全設施系統好．

2.2 基于變異系數法的指標權重計算

采用變異系數法確定指標權重,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 將變異系數歸一化后得到各指標權重wj為

(14)

3 實例應用

泰贛高速公路是大光高速公路江西境內段,起于昌泰高速公路的終點泰和縣馬市鎮,終于南康市龍嶺鎮,全長128km．全線按四車道高速公路標準建設,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施進行改造,當地高速公路管理部門組織有關專家于2012年7月對其進行了實地調研,測量值見表2中第3列．本文通過調研獲取數據,利用高速公路交通安全設施系統屬性綜合評價模型對其交通安全設施系統進行評價,詳細步驟如下:

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

② 根據式(9)～(14),計算得到一級子系統

指標權重、二級子系統指標權重以及綜合權重,結果見表2中第1,2,4列．

③ 根據表2,計算得到一級子系統多指標綜合屬性測度值,結果見表3中第2列～第6列．

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

從上述評價結果可以看出,泰贛高速公路K1+242～K3+259段交通安全設施系統良好．對二級子系統層多指標綜合屬性測度向量進行分析,可以發現制約其系統水平的因素如下:路基路面系統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,受到地形的限制,不能滿足所有路段超高達到設計規范;護欄設施的限制因素是護欄的導向性;交通標志系統的限制因素是信息過載率;交通標線系統的限制因素是標線的耐久性和抗滑性;隔離設施和防眩設施的限制因素是設施高度;視線誘導設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施系統指標屬性測度與權重

表3 高速公路交通安全設施系統綜合評價結果

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

為避免單類方法評價結果不合理,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施系統進行評價時,為與本文方法保持一致,將系統評價標準和指標集評價等級標準均劃分為5級(見表4);指標權重亦采用變異系數法確定;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,適合于交通安全設施的評價要求．

表4 高速公路交通安全設施系統評價標準

高速公路交通安全設施系統指標隸屬度矩陣Rl(l=1, 2, …, 8)為

根據表2中的二級指標權重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施系統評價的模糊評價矩陣R為

根據表2中一級指標權重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施最終模糊綜合評價結果為

B=w′R={0.176, 0.417, 0.317, 0.091, 0}

使用加權平均法,取評價集的區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施系統狀況最后綜合評價結果v=82,總體情況為良好,該種方法評價結果與本文所提出的方法的評價結果一致．

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

4 結語

針對高速公路交通安全設施系統合理性評價問題,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施系統屬性綜合評價模型,并采用一系列嚴格的流程,構建了高速公路交通安全設施系統評價指標體系．應用實例結果表明,利用屬性綜合評價模型,不僅可以得到綜合評價結果,而且可以發現制約高速公路交通安全設施系統的限制因素．

然而,隨著智能交通新技術在高速公路運營和管理中的應用,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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