基于可拓學(xué)的事故路段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別模型

張文會(huì)，馬 俊，羅文文，李德才，李 卓

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，北京 102618)

基于可拓學(xué)的事故路段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別模型

張文會(huì)1，馬 俊1，羅文文1，李德才1，李 卓2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，北京 102618)

為了揭示事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化特征，將事故現(xiàn)場(chǎng)的形成至解除過(guò)程劃分為出警、現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)勘查和救援及安全設(shè)施解除4個(gè)序列時(shí)段，選取交通流量、信息發(fā)布、現(xiàn)場(chǎng)處置、速度管理和駕駛員反應(yīng)5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度量指標(biāo)，采用乘積標(biāo)度法確定指標(biāo)權(quán)重，基于物元、可拓集合論和關(guān)聯(lián)函數(shù)確定事故路段風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)典域、節(jié)域和待評(píng)物元，建立事故路段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別模型。以某雙向四車道高速公路事故現(xiàn)場(chǎng)為例，應(yīng)用該模型確定各時(shí)段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，即第一時(shí)段為極度危險(xiǎn)，第二時(shí)段為中度危險(xiǎn)，第三時(shí)段為基本安全，第四時(shí)段為輕度危險(xiǎn)。研究結(jié)果表明：評(píng)價(jià)結(jié)果客觀，所建模型可用于事故路段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別，得到的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)變特征為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)管控提供理論參考。

交通運(yùn)輸工程；事故路段；風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；可拓學(xué)

0 引 言

高速公路發(fā)生重特大交通事故，事故現(xiàn)場(chǎng)的存在時(shí)間較長(zhǎng)。交通警察需要達(dá)到事故現(xiàn)場(chǎng)，采集現(xiàn)場(chǎng)信息；必要的情況下，消防和醫(yī)護(hù)人員也要來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行安全救援。事故現(xiàn)場(chǎng)的存在導(dǎo)致路段可通行寬度變窄，交通參數(shù)突變，增加行車風(fēng)險(xiǎn)。因此，駕駛?cè)藨?yīng)提前感知事故信息，調(diào)整車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以避免與事故車輛或現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)生碰撞，發(fā)生二次事故。事故現(xiàn)場(chǎng)具有時(shí)間和空間屬性，一些風(fēng)險(xiǎn)因素動(dòng)態(tài)變化，不同時(shí)段通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的駕駛?cè)烁兄男熊囷L(fēng)險(xiǎn)就有差別。

國(guó)外學(xué)者對(duì)事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)的研究主要從交通事件快速識(shí)別以及快速反應(yīng)[1]，仿真模擬事故現(xiàn)場(chǎng)的事故概率[2]等方面展開(kāi)研究，從而達(dá)到降低事故路段風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)事故現(xiàn)場(chǎng)管理控制的目的。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)事故路段的研究有事故現(xiàn)場(chǎng)的安全性綜合評(píng)價(jià)[3]，交通事件的影響范圍[4-5]，交通事件持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)[6-7]等，也有關(guān)于作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)仿真模型的研究[8]。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)和國(guó)外對(duì)于事故路段風(fēng)險(xiǎn)的研究多為事故路段整體風(fēng)險(xiǎn)的研究以及盡可能減少事故現(xiàn)場(chǎng)存在的時(shí)間，對(duì)于研究事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，確定各時(shí)段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的研究尚不多見(jiàn)。

筆者基于事故現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間屬性，將事故現(xiàn)場(chǎng)的存在時(shí)間分為出警、現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)勘察和救援以及現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施解除4個(gè)時(shí)段，采用可拓學(xué)理論建立事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定模型，描述風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間分布特征。

1 事故現(xiàn)場(chǎng)時(shí)段劃分與行車風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 時(shí)段劃分

1)出警時(shí)段T1：是指從事故發(fā)生到交通警察到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)的一段時(shí)間。此時(shí)段由于事故信息并未發(fā)布，或者發(fā)布不夠廣泛，且缺乏必要的事故現(xiàn)場(chǎng)的安全處置與管理措施。

2)安全設(shè)施設(shè)置時(shí)段T2：是指從交通警察到達(dá)至安全設(shè)施設(shè)置完畢的一段時(shí)間。在該時(shí)段，事故信息已經(jīng)發(fā)布，事故現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始安全處置，交通流量較上一時(shí)段要小，通過(guò)車輛駕駛員較為謹(jǐn)慎。

3)現(xiàn)場(chǎng)勘察和救援時(shí)段T3：設(shè)施設(shè)置完畢后，交通警察等有關(guān)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查和救援，該時(shí)段已有現(xiàn)場(chǎng)安全措施，因此通過(guò)車輛速度較慢，駕駛員獲得事故信息后更加謹(jǐn)慎。

4)安全設(shè)施解除時(shí)段T4：現(xiàn)場(chǎng)勘查和救援結(jié)束后，事故現(xiàn)場(chǎng)解除，交通恢復(fù)，該時(shí)段內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施逐漸撤除。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)因素

確定影響事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)因素為交通流量、信息發(fā)布、現(xiàn)場(chǎng)處置、速度管理以及駕駛員反應(yīng)，見(jiàn)表1。

表1 事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵因素

2 可拓學(xué)理論模型

2.1 物 元

可拓學(xué)[9-10]以物元為邏輯細(xì)胞，用有序三元組R={N，c，v}來(lái)描述。其中：N表示事物；c表示事物特征的名稱；v表示事物N關(guān)于c取得的量值；v=c(N)反映事物的質(zhì)和量的關(guān)系。如果事物N有多個(gè)特征，則有：

(1)

2.2 經(jīng)典域、節(jié)域和待評(píng)物元

待評(píng)指標(biāo)的經(jīng)典域?yàn)椋?/p>

(2)

式中：Moj為評(píng)價(jià)等級(jí)；j為等級(jí)數(shù)量；ci為評(píng)價(jià)指標(biāo)，i=1,2，…，n；voji=|aoji，boji|為Moj關(guān)于ci的量值范圍。

待評(píng)指標(biāo)的節(jié)域?yàn)椋?/p>

(3)

式中：Mp為節(jié)域?qū)ο?，即為評(píng)價(jià)等級(jí)的全體；vpi=|api，bpi|為節(jié)域?qū)ο箨P(guān)于ci的量值范圍，即節(jié)域。

將待評(píng)指標(biāo)用物元表示，則得到待評(píng)物元為：

(4)

2.3 關(guān)聯(lián)度

根據(jù)距的定義，計(jì)算各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)到經(jīng)典域的距離ρ(vi，voji)和其到節(jié)域的距離ρ(vi，vpi)，分別為：

(5)

(6)

則關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

則待評(píng)對(duì)象Ro關(guān)于等級(jí)Mj的關(guān)聯(lián)度Kj(M)為：

(8)

式中：ωi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配系數(shù)。

若滿足：

(9)

則評(píng)定評(píng)價(jià)對(duì)象M屬于jo級(jí)。

2.4 乘積標(biāo)度法

3 事故路段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

3.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)經(jīng)典域、節(jié)域以及待評(píng)物元

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)因素的特點(diǎn)和專家意見(jiàn)，參照文獻(xiàn)[11]對(duì)安全因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)險(xiǎn)因素分為5級(jí)：M={M1，M2，M3，M4，M5}={基本安全，輕度危險(xiǎn)、中度危險(xiǎn)、重度危險(xiǎn)、極度危險(xiǎn)}，見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

筆者以雙向四車道高速公路基本路段發(fā)生的交通事故為例，通過(guò)調(diào)查得到某事故路段的5個(gè)指標(biāo)，得到4個(gè)時(shí)段各因素情況，見(jiàn)表3。

表3 某事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)因素值

參照文獻(xiàn)[3]中指標(biāo)無(wú)量綱化的方法，對(duì)表2和表3的因素?zé)o量綱化處理，見(jiàn)表4和表5。

表4 風(fēng)險(xiǎn)因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)量綱化

表5 行車風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)際值無(wú)量綱化

該事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)S1(交通流量)的可拓學(xué)的經(jīng)典域?yàn)椋?/p>

同理：可算出Ro2，Ro3，Ro4，Ro5。

節(jié)域根據(jù)事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)因素的取值范圍而定，一般是評(píng)價(jià)等級(jí)的全體，即為：

T1時(shí)段事故路段行車風(fēng)險(xiǎn)可拓學(xué)待評(píng)物元為：

同理，可算出Ro2，Ro3，Ro4。

3.2 待評(píng)物元關(guān)聯(lián)度計(jì)算

采用乘積標(biāo)度法確定風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，見(jiàn)表6。

表6 風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重

則根據(jù)式(5)～式(8)計(jì)算待評(píng)事故路段4個(gè)時(shí)段行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表7。

表7 關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(9)可知：

由此可知，事故現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)時(shí)段的行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為極度危險(xiǎn)M5、中度危險(xiǎn)M3、基本安全M1以及輕度危險(xiǎn)M2。

在5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素中，S1(交通流量)在T1時(shí)段的值影響其在T2，T3，T4時(shí)段的值，且具有不確定性。當(dāng)S1∈{600，700，800，900，1 100,1 200}時(shí)，利用該模型重新計(jì)算4個(gè)時(shí)段內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)果相同。

4 結(jié) 論

發(fā)生交通事故后，從事故現(xiàn)場(chǎng)形成到解除的時(shí)間過(guò)程中，事故路段的行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隨著時(shí)間的推移而改變。將事故路段進(jìn)行時(shí)段劃分，采用可拓學(xué)理論建立行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合雙向四車道高速公路發(fā)生的交通事故現(xiàn)場(chǎng)，定量分析了各個(gè)時(shí)段的行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，得到的主要結(jié)論如下：

1)將事故路段劃分為出警、現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)勘查和救援及安全設(shè)施解除4個(gè)時(shí)段，并選取事故現(xiàn)場(chǎng)交通流量、信息發(fā)布、現(xiàn)場(chǎng)處置、速度管理和駕駛員反應(yīng)5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度量指標(biāo)作為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2)基于物元、可拓集合論和關(guān)聯(lián)函數(shù)確定事故路段風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)典域、節(jié)域和待評(píng)物元，建立事故路段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)識(shí)別模型。

3)以某雙向四車道高速公路事故現(xiàn)場(chǎng)為例，應(yīng)用上述可拓學(xué)模型確定各時(shí)段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。應(yīng)用結(jié)果說(shuō)明，出警時(shí)段為極度危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安全設(shè)施設(shè)置時(shí)段為中度危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)勘查和救援時(shí)段為基本安全，安全設(shè)施解除時(shí)段為輕度危險(xiǎn)。

[1] BENJAMIN A C,RAMACHANDRAN M.Distributed surveillance on freeways emphasizing incident detection and verification [J].TransportationResearchPartA:PolicyandPractice,2007,41(8):750-767.

[2] YASER E H.A fuzzy-based system for incident detection in urban street networks [J].TransportationResearchPartC:EmergingTechnologies,2007,15(2):69-95.

[3] 張文會(huì),鄧紅星,王憲彬,等.交通事故現(xiàn)場(chǎng)安全性綜合評(píng)價(jià)[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2010,10(3):105-109. ZHANG Wenhui,DENG Hongxing,WANG Xianbin,et al.Comprehensive safety evaluation for traffic accident scene [J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology,2010,10(3):105-109.

[4] 曹志遠(yuǎn),郭忠印,張起森,等.高速公路重大交通事故時(shí)空影響范圍研究[J].公路工程,2011,36(6):55-58. CAO Zhiyuan,GUO Zhongyin,ZHANG Qisen,et al.Research on time and spatial extent of terrible traffic accidents on highway [J].HighwayEngineering,2011,36(6):55-58.

[5] 童世鑫,叢浩哲,陳雨人.高速公路交通事件清除時(shí)間模糊邏輯預(yù)測(cè)模型[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(1):85-88. TONG Shixin,CONG Haozhe,CHEN Yuren.Fuzzy logic prediction model for clearance time of freeway traffic incidents [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(1):85-88.

[6] 趙小強(qiáng),李瑞敏.城市快速路交通事故持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)[J].公路工程, 2010,35(1):42-44. ZHAO Xiaoqiang,LI Ruimin.Incident duration models of urban expressway [J].HighwayEngineering,2010,35(1):42-44.

[7] 姬楊蓓蓓,張小寧,孫立軍.交通事件持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)及參數(shù)標(biāo)定[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,29(4):613-615. JIYANG Beibei,ZHANG Xiaoning,SUN Lijun.Traffic incident duration time prediction model and parameters calibration [J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2010,29(4):613-615.

[8] 吳彪,許洪國(guó),戴彤焱,等.高速公路作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)仿真評(píng)價(jià)模型[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2013,13(3):151-156. WU Biao,XU Hongguo,DAI Tongyan,et al.Simulation evaluation model on driving risk of expressway work zone [J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology,2013,13(3):151-156.

[9] 蔡文,楊春燕,林偉初.可拓工程方法[M].北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1997. CAI Wen,YANG Chunyan,LIN Weichu.ExtensionEngineeringMethod[M].Beijing:Science and Technology Press,1997.

[10] 何金平,廖文來(lái),施玉群.基于可拓學(xué)的大壩安全綜合評(píng)價(jià)方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2008,41(2):42-45. HE Jinpin,LIAO Wenlai,SHI Yuqun.Comprehensive assessment method of dam safety based on extenics theory [J].EngineeringJournalofWuhanUniversity,2008,41(2):42-45.

[11] 國(guó)威,潘曉東,蔣曙豪.基于相對(duì)差異函數(shù)的隧道群交通安全評(píng)價(jià)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,41(1):101-105. GUO Wei,PAN Xiaodong,JIANG Shuhao.Relative difference function-based traffic safety assessment of tunnel groups [J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience),2013,41(1):101-105.

Identification Model for Risk Level of Traffic Accident Section Based on Extension Science

ZHANG Wenhui1, MA Jun1, LUO Wenwen1, LI Decai1, LI Zhuo2

(1. School of Traffic, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang,P.R.China; 2. Department of Automobile Engineering, Beijing Vocational College of Transportation, Beijing 102618,P.R.China)

In order to reveal the variation characteristics of risk level of traffic accident section, the process of formation and removal of accident scene was divided into four periods, which included the police responding period, the scene safety facilities setting period, the scene exploration and rescue period as well as the safety facilities removing period. 5 risk measurement indexes were selected, including the traffic flow, the information dissemination, the scene disposal, the speed management and the drivers’ response, and the weight of the indexes was determined by the product scale method. Based on the theory of matter-element, extension set and correlation function, the classical domain, joint domain and the matter-element to be evaluated of traffic accident section were determined, and the identification model of risk level of traffic accident section was established. Taking a four-lane highway accident scene for example, the proposed model was used to determine the risk level of each period, and there were four periods. The first period was extremely dangerous, the second one was moderately dangerous, the third one was basically safe and the last one was slightly dangerous. The results show that the evaluation result is objective and the established model can be used to identify the risk level of traffic accident section; the time-varying characteristics of risk obtained can provide theoretical reference for risk identification and control.

traffic and transportation engineering; traffic accident section; risk identification; extension science

2014-10-13；

2015-01-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(DL12BB16)；黑龍江省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目(14B015)

張文會(huì)(1978—)，男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，主要從事交通運(yùn)輸安全方面的研究。E-mail：55065469@qq.com。

李德才(1978—)，男，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，主要從事交通運(yùn)輸工具安全運(yùn)行研究。E-mail：rayear@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.21

U491.3

A

1674-0696(2016)01-107-04