基于屬性識別理論的快速路交通安全態勢評估方法研究

吳 杰

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京210000）

0 引 言

快速路是城市內修建的，中央分隔、全部控制出入、控制出入口間距及形式，具有單向雙車道或以上的多車道，并設有配套的交通安全與管理設施的城市道路[1]。在城市道路網絡系統中，快速路系統承擔著舉足輕重的作用，其對于完善道路交通網絡、拉開城市空間框架或緩解城市交通擁堵等具有重大意義。歐美從上世紀30年代開始修建快速路，世界上第一條現代意義的快速路建成于1941年的美國洛杉機，最初的“城市快速道路”概念也來源于西方。我國大城市的快速路發展歷史比較短，直到1991年《城市道路設計規范》才第一次明確了快速路地位和設計依據。

隨著我國經濟的高速發展，城市快速路的建設也在加速推進，大型城市快速路網基本趨于完善，中小型城市快速路網骨架逐漸成型，快速路在城市交通中承擔的比例也越來越高，部分城市甚至超過了50%。越來越大的交通負荷，導致快速路交通事故頻發，交通安全性降低，極大地影響了快速路網通行效率的發揮。目前，國內外對城市快速路網安全態勢評估尚未系統研究，本文研究并提出了基于屬性識別理論的快速路網安全態勢評估模型。

1 快速路交通安全態勢

1.1 安全態勢基本概念

所謂“態勢”，是指狀態和形勢，也可以理解為狀態和趨勢。態勢是對事物發展變化程度的表述，如穩中向好、穩步前進、愈演愈烈等。

安全態勢，即安全狀態和發展趨勢，是對安全水平變化程度的一種表述。“安全態勢”一詞最早出現在軍事上，用于描述復雜戰場狀況，后廣泛應用于網絡領域。

1.2 快速路交通安全態勢

從研究對象的范圍來看，快速路交通安全態勢既可以指某時間段內城市快速路網的交通安全狀態和變化趨勢，也可以指某快速路路段在某時間段內的交通安全狀況和發展趨勢。它是對快速路交通運行狀況的一種描述，通過建立一套可行的快速路交通安全態勢評價體系，反映某快速路當前的安全狀態和未來一段時間內可能的發展趨勢。本文所研究的快速路交通安全態勢即以城市快速路路段為研究對象，對其安全態勢進行評價研究。

1.3 態勢感知與評估

態勢感知（Situation Awareness）是一種基于環境的、動態、整體地洞悉安全風險的能力，是以安全大數據為基礎，從全局視角提升對安全威脅的發現識別、理解分析、響應處置能力的一種方式，最終是為了決策與行動，是安全能力的落地[2]。

態勢評估是態勢感知核心步驟之一，態勢評估的概念最早源于軍事和航空領域，后來在網絡、農業、醫學、商業、物流以及生產控制等領域也得到了廣泛應用。快速路交通安全態勢評估，就是通過技術手段從時間和空間緯度來感知并獲取道路交通安全信息元素，通過數據融合和整合分析等手段來判斷安全狀況，并對未來的發展趨勢和潛在風險進行預測[3]。

2 快速路交通安全態勢影響成因分析

交通系統是一個由人、車、路和環境等要素構成的復雜的動態變化的系統，不同要素之間彼此關聯并相互協調，任何要素出現異常均會影響交通安全，甚至誘發交通事故。本文從自然條件、道路條件、交通條件等角度出發，對道路交通安全主要影響因素進行分析。由于影響成分復雜，不同時間跨度的交通安全特性差異也很大，因此，本文重點對短時期內（1 h或1 d內）的交通安全態勢評估方法進行研究。

2.1 自然條件

所謂自然條件，主要指惡劣天氣對交通安全的影響，惡劣天氣對道路交通的安全影響不可忽視。據相關統計資料表明，我國道路交通事故有50%發生在不良的氣候條件下，同時71%的重特大交通事故和65%的直接經濟損失是在不良氣候環境下發生的。

城市快速路基本位于城市建成區，常見的自然因素主要包括：光照、雨、霧、雪、大風、冰凍等。本次未考慮特殊地區泥石流、冰雹、沙塵暴等特殊情形。夜間、大霧、暴雨等都會降低可視度，雨水會導致路面濕滑。雪和冰凍也會使道路路面摩擦力降低，車輛容易失控。大風較為常見，大風天氣對快速路上行駛的車輛的影響主要表現為增加行駛阻力、影響駕駛操作、側向風吹翻車輛等。公路中橫風影響較大，城市道路中大風影響程度較公路有所降低。

2.2 道路條件

道路條件與交通安全息息相關，不良的道路條件不但會影響行車舒適性還會影響行車安全性，甚至還會形成事故黑點。道路條件包括諸多方面，如幾何線性、路基路面、交叉口、交通安全設施等等。有些在道路建設過程中已經確定，如線型，寬度等。有些條件是隨著使用時間和使用程度不斷變化的，如路面狀況、交通設施等。由于本次研究對象為城市快速路，根據快速路交通安全相關統計分析，快速路交通安全影響的重要因素主要包括：平面線形是否滿足行駛要求、縱斷面指標是否滿足行駛安全要求、橫斷面布置是否合理、路面狀況是否平整良好、交織段長度是否滿足交織需要等等。

2.3 交通狀態

交通條件是影響交通安全的非常重要的一方面，不同的交通流狀態下發生交通事故的幾率也不一樣。快速路主要以機動車為服務對象，因此交通條件主要包括：交通組成、飽和度、車速、是否有突發狀況等等。交通組成主要為大型車對安全的影響；飽和度越高，發生事故的概率越大；行車速度與交通流平均車速相差約大，車輛發生交通事故的可能性也逐步增加，突發狀況主要包括是否有臨時管制、故障停車、貨物散落等不可預料狀況。

2.4 通行狀況

通行狀況主要是針對交通流中交通違法行為情況的表述。交通違法行為是影響道路交通安全的主要因素，大部分道路交通事故是由于交通參與者交通安全意識差或不遵守交通法制法規而引起的。交通違法行為的主體包括駕駛員、非機動車、行人等，考慮快速路主要為機動車流，故機動車駕駛員守法比例是衡量快速路安全水平的重要指標。機動車駕駛人交通違法行為主要包括超速、疲勞駕駛、逆行、酒駕、違法會車超車等。另外，違章行為增長比例也是衡量安全態勢是否變化的重要指標。任何違章違法行為都存在引發交通擁堵或安全事故的風險。

近日，意大利奢侈品牌Dolce&Gabbana（杜嘉班納，以下簡稱D&G）的一則廣告片因為“中式發音”、模特用奇怪的姿勢使用筷子吃批薩等情景被指歧視華人。一位網友在社交媒體談及此事時，D&G設計師Stefano Gabbana不僅不愿承認錯誤，反而惱羞成怒，公然辱華。

2.5 交通管理

管理水平主要指快速路是否設置完善的交通安全設施，交通安全設施包括護欄設施、交通標志標線、隔離設施、防眩設施、視線誘導設施、監控設施、信號控制系統等等。此外，特殊情況下警力安排和應急能力等對快速路交通安全影響也很大。

3 快速路交通安全態勢評估指標體系

3.1 評估指標體系構建

交通安全態勢評估指標體系構建是進行交通安全態勢評估的前提，本次在安全影響因素分析的基礎上，構建安全態勢評估指標體系結構。考慮到短期快速路交通安全變化特性，基于人、車、路、環境等角度，從天氣因素、交通狀態、駕駛行為、交通事件、管理水平等方面構建了較為全面的評估指標體系，見表1。

3.2 指標等級劃分

為使快速路交通安全態勢評價更加科學合理，借鑒相關文獻中相關指標評價等級劃分，本文將城市快速路交通安全態勢評價等級從高到低劃分為I級、II級、III級、IV級和V級5個等級。其中，I級表示快速路交通安全態勢好，II級表示快速路交通安全態勢較好，III級表示快速路交通安全態勢一般，IV級表示快速路交通安全態勢較差，V級表示快速路交通安全態勢差。即評價集為ν=（ν1，ν2，ν3，ν4，ν5）={很好，較好，一般，較差，很差}。

表1 短期內快速路交通安全態勢評估指標體系

4 基于屬性識別理論的快速路交通安全態勢評估

設城市道路交通安全系統xi的第j個評價指標實際測量值xij，由于城市道路交通安全系統的現狀水平可由評價指標的測量值綜合反映，且對研究對象空間X中的每個城市道路交通安全系統可由31個指標確定其屬性值。所以，可把城市道路交通安全系統xi的現狀水平表示為一個31維向量[4]。

在已知每個指標的評價分類標準和指標權重的基礎上，筆者基于屬性數學理論建立城市道路交通安全系統綜合評價模型，判斷城市道路交通安全系統xi屬于哪一個評價類（見圖1）。

圖1 城市道路交通安全水平評價流程

4.1 單指標屬性測度分析[5，6]

設xij為第i個快速路交通安全態勢第j個指標測量值。當“xij∈Ck”時，表示xij屬于第k類Ck，且具有屬性Ck的測度μijk=μ（xij∈Ck）。由于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,每個指標的分類標準已知，寫成分類標準矩陣，則第i個城市道路交通安全系統的分類標準矩陣為

滿足aij1＜aij2＜aij3＜aij4＜aij5或aij1＞aij2＞aij3＞aij4＞aij5，1≤i≤n，1≤j≤n。

屬性測度計算是屬性數學方法的關鍵，由于正態分布函數的評價精度要高于線性函數，所以選擇正態分布函數作為屬性測度函數[7]。設aijk,aijk+1為第i段快速路交通安全態勢第j個指標的第k級評價分類標準取值區間，令bijk=0.5∣aijk,aijk+1∣，cijk=∣aijk-aijk+1∣/（2√ln2）。

對正向指標 (指標值越大越優秀，aij1＜aij2＜aij3＜aij4＜aij5)和負向指標(指標值越大越差，aij1＞aij2＞aij3＞aij4＞aij5)，xij屬于Ck屬性集的屬性測度μijk=μ（xij∈Ck）均為

4.2 確定指標權重系數

常用的指標權重確定方法有層次分析法和專家調查法。層次分析法是一種定性與定量相結合，系統化、層次化的分析方法，運用較為廣泛。它通過兩兩對比，比較每一層次各元素之間的相對重要程度，并以數量形式表示出來，從而構造出判斷矩陣；再利用方根法求出特征向量，并進行矩陣的一致性檢驗。然而傳統的層次分析法存在著一定的不足，由于構造兩兩判斷矩陣是將人的比較判斷量化的過程，受人的主觀因素影響很大，而判斷矩陣又是權重排序的基礎，對最終的總排序有決定性的影響。因此，在實際問題中，一次即能構造出滿足一致性要求的判斷矩陣是不容易實現的，往往需要根據經驗對初次判斷矩陣進行多次修改才能達到一致性，對于層次因素較多的情況更是如此。一般來講，這種調整帶有一定的盲目性，同時多次反復的專家調查對于精心填寫調查表的專家而言無疑是一種時間與精力的浪費，即便如此也未必能夠取得預期的效果，另一方面，對于初次專家調查所獲得的信息也沒有充分利用。鑒于此，本文采用改進的層次分析法確定不同指標的權重，具體計算流程見參考文獻[8]。

4.3 多指標綜合屬性測度

在評價中，每個指標所起的作用可能是不同的，因此，假定第j個指標Ij的權重為wj，wj滿足，由指標權重wj和μijk單指標屬性測度μxk可得到多指標綜合屬性測度

4.4 屬性識別分析及評分準則

屬性識別分析的目的是由綜合屬性測度對第i個指標層屬于哪個評價類做出判斷。這就需要給出一個判斷準則，本文采用置信度準則。根據置信度準則，若C1＞C2＞C3＞C4＞C5時，

則認為x屬于Ck0類。

置信度準則是從“強”的角度考慮的，即認為越“強”越好，而且“強”的類應占相當大的比例。λ為置信度，取值范圍通常為0.5＜λ＜1，一般取0.6與0.7之間。

5 實例應用

在確定評估指標體系和評估標準之后，就可以運用模型對城市快速路路段進行安全態勢評價。本次以南京市龍蟠中路快速路為例，對其某一時段內珠江路至雙橋門立交段進行安全態勢評估。文中所涉及到的評價指標數據來源于相關政府部門統計資料、網上公布資料以及補充調查資料，具體評價過程如下：

首先，根據基礎數據計算得到路段安全態勢二級指標具有屬性Ck的屬性測度向量見表2。

表2 快速路交通安全態勢二級指標評價結果

其次，計算得到安全態勢16個二級評價指標和5個一級評價指標權重系數。這里選取了交通工程專家、交通管理者以及經驗豐富的司機等20位專家對指標權重進行打分，做到了既具代表性，又使得專業結構合理，保證了評價結果的科學合理。

由表2中數據，根據多指標綜合屬性測度計算公式計算得到一級指標綜合屬性測度向量見表3。

表3 城市道路交通安全水平一級指標評價結果

在得到綜合屬性測度值后，選取置信度準則進行判別。取置信度λ=0.65，按照置信度準則可判別該時段龍蟠中路道路交通安全態勢等級為III。

分析評價結果表明，現狀該路段總體安全態勢一般，從分析評價過程來看，交通管理為5個子系統中最好的，受天氣影響，自然條件水平為5個當中比較低的。

6 結 語

本文在對快速路交通安全態勢影響因素分析的基礎上，從天氣因素、道路條件、交通狀態、通行行為、交通事件、交通管理等方面構建了由5個一級指標、17個二級指標組成的快速路交通安全態勢評價指標體系，構建了快速路交通安全態勢屬性綜合評估模型。該模型能夠客觀、全面地評估快速路交通安全態勢水平。該模型可以對同一路段一天內不同時段的安全態勢變化進行分析，同時還可以對快速路網中同一時段不同路段的安全態勢水平進行評估。根據評估結論，可以及時發現安全隱患，進而為交通安全管理提供決策依據，對提升快速路交通安全性和通行效率具有重要的現實意義。與此同時，本文未對每一個子項的組成以及每一個子項之間的關聯度分析，需要在后續工作中作進一步深化研究。