高速公路隧道群交通安全影響因素辨識

陳長坤，辛夢陽，王建軍，李 明

(長安大學(xué)公路學(xué)院)

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高速公路隧道群交通安全影響因素辨識

陳長坤，辛夢陽，王建軍，李 明

(長安大學(xué)公路學(xué)院)

為識別影響高速公路隧道群路段交通安全的關(guān)鍵因素，改善隧道群路段交通安全狀況，提出了一種基于正態(tài)隸屬函數(shù)的模糊層次分析法(FAHP)，對影響隧道群交通安全的因素進行排序分析。建立了包括交通特性、隧道群特性和環(huán)境特性3個一級指標(biāo)，14個二級指標(biāo)的評價指標(biāo)體系，通過專家評價構(gòu)造判斷矩陣，利用正態(tài)隸屬函數(shù)結(jié)合判斷矩陣得到正態(tài)判斷矩陣，計算不同層次指標(biāo)的權(quán)重值，并引入權(quán)重穩(wěn)定性概念，進行一致性檢驗，從而對安全影響因素進行排序，識別顯著性影響因素。以西漢高速和甬臺溫高速某隧道群為研究對象進行分析，結(jié)果表明：隧道群線形狀況、隧道群連接段長度、隧道照明過渡設(shè)施影響權(quán)重較大，應(yīng)該優(yōu)先考慮針對性的改善措施。該模型能夠充分利用所有專家的評價信息，避免了傳統(tǒng)的模糊層次分析法使用單一值排序的不足，具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

高速公路隧道群；正態(tài)隸屬函數(shù)；層次分析法；權(quán)重；因素辨識

0 引 言

高速公路駕駛員在隧道群路段行駛過程中，頻繁經(jīng)歷明暗適應(yīng)，造成生理和心理產(chǎn)生不利影響，極易產(chǎn)生交通事故。由于隧道群路段其相對封閉性，造成二次事故甚至多次事故可能性極高，且隧道群路段事故后救援難度大，一旦發(fā)生交通事故，往往后果嚴(yán)重。據(jù)甬臺溫高速公路貓貍嶺隧道群2002～2007年的事故統(tǒng)計資料，隧道群路段年百萬車輛事故率達到25起，明顯高于一般路段。因此，甄別影響隧道群路段交通安全的因素，對于采取相應(yīng)安全改善措施至關(guān)重要。

針對隧道群路段安全因素識別，國內(nèi)外學(xué)者已進行大量研究。Du等通過實地實驗獲取駕駛員生理、心理指標(biāo)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析分析了隧道入口處駕駛員對行車安全的影響；張生瑞等通過雷達測速儀采集某隧道群段車輛運行速度，分析了運行速度對隧道群路段行車安全的影響；閻瑩等通過隧道路段平縱線形組合綜合描述模型，分析了線形對行車安全的影響。這些研究大都集中研究單一因素對交通安全的影響，而從宏觀角度對隧道群路段交通安全因素的相關(guān)研究匱乏。Zhou等提出多元安全系數(shù)，通過模糊層次分析法來確定隧道安全等級，有效識別了影響因素；而Borg等采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型、Kazaras等采用STAMP方法、葛敏莉等通過制定安全審查清單對隧道路段交通安全進行評價，對人、車、路、環(huán)境等因素進行分析。隧道群路段交通運行環(huán)境復(fù)雜，交通安全受不同因素及其交互作用的影響，從宏觀層次甄別安全因素，對安全因素進行排序更為合理。

文中從宏觀角度建立隧道群路段安全指標(biāo)體系，綜合運用層次分析法和模糊隸屬函數(shù)理論確定指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建安全因素排序模型，并結(jié)合實例，驗證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明該模型適合于進行隧道群路段安全影響因素排序。

1 評價方法的理論基礎(chǔ)

人類進行決策過程包含大量的不確定性，正態(tài)分布隸屬函數(shù)是一種處理不確定性和不精確性問題的方法，層次分析法是一種定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法，文中將基于正態(tài)隸屬函數(shù)和傳統(tǒng)的層次分析法，提出正態(tài)層次分析法對隧道安全運營狀態(tài)影響因素進行排序。

L.A.Zadeh在1965年首次提出隸屬函數(shù)的概念，指出：若對論域U中的任一元素x，都有一個數(shù)A(x)∈[0,1]與之對應(yīng)，則稱A為U上的模糊集，A(x)稱為x對A的隸屬度或隸屬函數(shù)。

工程中常用的隸屬函數(shù)包括：正態(tài)隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、三角分布隸屬函數(shù)等，李德毅指出，對于大量的模糊概念，用正態(tài)分布隸屬函數(shù)刻畫最適合，最接近人類的思維。文中采用正態(tài)分布隸屬函數(shù)形式為

(1)

式中：f(x)是變量的隸屬度；μ、σ分別為參數(shù)x的期望值和標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)正態(tài)分布密度函數(shù)特性，68.27%的概率在期望值一個標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，95.45%的概率在期望值兩個標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，99.73%的概率在期望值三個標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，如圖1所示，因此在統(tǒng)計學(xué)中經(jīng)常采用原則來確定變量的取值范圍。

圖1 正態(tài)分布函數(shù)變量取值范圍

2 基于改進FAHP方法的高速公路隧道安全因素排序模型

2.1 模型評價指標(biāo)體系

合理構(gòu)建評價指標(biāo)體系是進行可靠的安全評價的基礎(chǔ)，隧道路段交通運行環(huán)境復(fù)雜，人、車、路、環(huán)境等交通要素及其相互作用都會產(chǎn)生影響，以相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)結(jié)合文中研究的主要內(nèi)容，選取交通特性、隧道特性、環(huán)境特性三項一級指標(biāo)，在一級指標(biāo)下共包含14個二級指標(biāo)，具體指標(biāo)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 隧道群安全評價指標(biāo)結(jié)構(gòu)表

2.2 構(gòu)造正態(tài)判斷矩陣

采用層次分析法(AHP)得到安全指標(biāo)的量化值，模糊評判準(zhǔn)則見表2，在評判過程中根據(jù)專家的判斷，模糊量化值可以取[0,1]之間的任意值，這一準(zhǔn)則有別于傳統(tǒng)的AHP方法，可以提高結(jié)果的精確度。

(1)構(gòu)造判斷矩陣Aij={aij}

(2)

表2 模糊評判準(zhǔn)則

(2)構(gòu)造正態(tài)判斷矩陣

對有n個因素的指標(biāo)層，根據(jù)模糊評價準(zhǔn)則，根據(jù)各專家評價結(jié)果計算各指標(biāo)間相對重要度期望值μij，和均方差δij，構(gòu)造正態(tài)判斷矩陣如式(3)所示。

(3)

(4)

(5)

(3)確定權(quán)重

(6)

對正態(tài)判斷矩陣各行求和得到rμi

(7)

作數(shù)學(xué)變換如式(8)，得到矩陣R=(rij)n×n，稱為模糊一致矩陣。

(8)

(4)一致性檢驗

(9)

(5)進行排序

sμq=ωμkωμkq

(10)

(11)

3 實例分析

選取陜西省西漢高速某隧道群和浙江省甬臺溫高速某隧道群為研究對象進行分析，選擇不同崗位專家(包括隧道專業(yè)研究人員10名、交通安全專家6名、高速公路隧道群建設(shè)人員10名、隧道群運營管理人員10名、經(jīng)常行駛在隧道群路段駕駛員10名)進行評判得到不同級別判斷矩陣，應(yīng)用式(3)、(4)得到正態(tài)判斷矩陣如表3所示。

表3 指標(biāo)正態(tài)判斷矩陣和權(quán)重

由式(9)計算出模糊一致矩陣和相容性指標(biāo)，其中CI1=0.016<0.1，CI11<0.047<0.1，CI120.043μ2<0.1，CI13=0.060<0.1，可見滿足一致性要求。求取各二級指標(biāo)的值，如表4所示。

根據(jù)求取的sμ值，值越大表示該因素對隧道群安全影響越大；若sμ值相近，則考慮sδ值，sδ值反映了影響因素的穩(wěn)定程度，值越大表明因素越不穩(wěn)定，對隧道群安全影響越大。故各因素對隧道群安全的影響程度從大到小排列為：隧道群線形狀況、隧道群連接段長度、隧道照明過渡設(shè)施、隧道座數(shù)、隧道群長度、交通安全設(shè)施狀況、排水設(shè)施、設(shè)計車速、交通標(biāo)志標(biāo)線狀況、年不良氣候比例、貨車比例、通風(fēng)狀況、道路路面狀況、交通量。

表4 指標(biāo)權(quán)重及排序結(jié)果

針對隧道群線形狀況、隧道群連接段長度、隧道照明過渡設(shè)施影響作用較大，應(yīng)從如下方面采取相應(yīng)的改善措施：

(1)避免在隧道群路段設(shè)置小半徑曲線，線形設(shè)計設(shè)計階段應(yīng)充分考慮駕駛員的視距需求，在進入隧道群前應(yīng)給予駕駛員相應(yīng)提示和引導(dǎo)。

(2)降低“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”對駕駛員視距特性，設(shè)置相應(yīng)的減光設(shè)施，輔助照明設(shè)施，改變洞口內(nèi)外亮度突變，減輕駕駛員視覺負擔(dān)。

(3)設(shè)置相應(yīng)的車內(nèi)語音導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助交通標(biāo)志標(biāo)線，尤其是在不利天氣條件下，應(yīng)及時迅速的采集隧道群安全信息，及時發(fā)布給駕駛員。

4 結(jié) 論

(1)在借鑒前人在高速公路隧道群交通安全評價與事故分析方面的研究成果，結(jié)合我國高速公路隧道群的實際特點，構(gòu)建了隧道群交通安全評價指標(biāo)體系。

(2)基于傳統(tǒng)層次分析方法，運用模糊數(shù)學(xué)中的正態(tài)隸屬函數(shù)對方法進行改進，并引入了權(quán)重穩(wěn)定性概念，構(gòu)建了隧道群安全影響因素排序模型，并結(jié)合實例進行了驗算，證明了該模型的可行性與準(zhǔn)確性。

(3)筆者僅對影響因素進行了排序，找出了幾個影響較大的關(guān)鍵因素，而未對各因素的影響機理進行深入分析，未來應(yīng)進行更為深入的專項研究。

[1] 閆彬,陳紅,魏建秋.駕駛員感知特性對隧道群交通安全的影響[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2011,21(11):16-21.

[2] 詹偉. 山區(qū)高速公路長大隧道群區(qū)域交通安全保障技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué),2013.

[3] 張生瑞,李耘,趙友功. 山區(qū)高速公路隧道群交通安全分析方法[J]. 交通運輸工程學(xué)報，2011,11(6):94-99.

[4] 閻瑩,張宇輝,郭忠印. 基于運行速度的隧道進出口線形安全性評價[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,30(4):72-76.

2015-02-11

陳長坤(1986-)，男，陜西西安人，博士，研究方向：道路安全。

陜西省交通科技項目(12-32K)，江西省交通運輸廳重點科技項目(2011C0062)。

U445

C

1008-3383(2015)11-0146-03