基于未確知測度理論的高速公路交通安全評價

賀玉龍，陳兵碩，高鵬旺，劉 磊，遲佳欣

(北京工業大學 城市交通學院，北京 100124)

0 引 言

高速公路給出行帶來巨大便利。交通運輸部2019年交通運輸行業發展統計公報顯示，目前我國高速公路里程已達到14.96萬公里，居世界第一。然而由于行車速度快、交通量大，高速公路每百公里事故率、死亡率、受傷率都是普通公路的3倍以上[1]。高速公路上事故頻發，嚴重影響了通行效率和人民生命財產安全。為了解高速公路上行車風險程度，提出針對性的處置管理措施，有必要進行高速公路交通安全評價研究。交通安全是人車路環境大系統綜合作用的結果，車輛在高速公路上的運行受到多種復雜因素相互干擾影響，選用科學有效的方法對這些因素進行分析挖掘是高速公路交通安全評價的關鍵一環。

在交通安全評價中，常用方法有模糊綜合評判法、層次分析法、BP神經網絡法等。然而模糊綜合評判法難以客觀確定隸屬度函數，計算過程復雜分辨率差。層次分析法多依靠專家主觀經驗，指標過多時數據分析量大，權重難以確定。BP神經網絡法需要選取典型樣本組成訓練集，且算法收斂速度慢、結構選擇不一，均會對評價結果帶來影響。未確知測度理論能夠較好地解決不確定性、復雜影響因素的問題。該模型既可以吸取專家測評經驗，又可以充分利用客觀指標屬性狀態，獲得指標未確知測度，對主客觀指標進行評判分析，從而有效處理不確定信息，結果可靠性強。未確知測度理論可對交通安全影響因素進行定量分析，是一種較為科學和可靠的方法。基于此筆者從天氣、線形、路面、交通狀況4個方面選取指標，將未確知測度理論應用于高速公路路段的交通安全評價研究中，為高速公路行車風險判別以及事故預防工作提供參考。

國外發達國家對道路交通安全評價研究較早，提出的理論方法相對來說比較成熟。D.LORD等[2]將車輛運行速度、V/C、交通密度、服務水平等參數與事故數據進行負二項回歸擬合分析，實驗結果顯示，V/C比交通流量能夠更為準確地描述道路交通安全狀態；J.AMBORS等[3]通過大量道路監控數據分析認為，曲率變化量、路段長度、交通量是交通安全風險評估和預判的重要參數；T.USMAN等[4]通過對加拿大高速公路調研，提出月份、空氣溫度、降水強度、能見度、路面情況等因素會顯著地影響到車輛的運行安全；SHEN Yongjun等[5]在對交通事故數據信息進行多年統計分析的基礎上，提出交通事故不僅僅是單種影響因素引發。因此在事故風險評價中應盡可能多的選取有效影響因素，并提出了DEA-RS模型。

國內對道路安全評價起步較晚，但近年來相關研究逐漸增多，方法逐漸豐富。郝宇聰[6]提出道路事故是在某種背景下，由于人-車-路-環境四方面因素失衡引發的；趙新勇[7]使用大數據挖掘方法，分析了速度、坡度、道路摩阻系數、駕駛員特性等因素對交通安全的影響作用；楊帆[8]分析了高速公路縱斷面線形指標、線形組合與交通事故數變化的規律，并建立了線形條件與事故率的關系模型；尚鵬[9]對惡劣天氣下高速公路上的車況、運行環境等信息進行了影響分析，辨識出了風險因素并進行量化評價，用風險值表示對行車安全的危害程度。

雖然專家學者們對交通安全問題進行了研究，但是多是將歷史事故數據進行統計分析或者是選用某一個或幾個影響因素與事故數擬合，側重于事故后評價，對于事故前對道路交通安全的綜合評價較少，尤其是未能將交通安全的客觀影響因素進行整合后的評價。因此，筆者在前人研究的基礎上，從天氣、線形、路面、交通狀況4個方面選取指標對高速公路交通狀況進行安全評價，希望為高速公路的行車風險判別及事故預防工作提供參考。

1 未確知測度理論

設待評價對象集合X={X1,X2,…,Xn}，其中，第i個評價對象為Xi。設待評價指標集合I={I1,I2,…,Im}，其中，第j個評價指標為Ij。Xij表示第i個評價對象的第j個評價指標值。設待評價等級集合U={U1,U2,…,Up}，其中，第k個評價等級為Uk。當第k個評價比第k+1個評價優,記為Uk>Uk+1。當U1>U2>…>Up時，認為{U1,U2,…Up}是待評價等級集合U上的有序分割類[10]。

1.1 單指標未確知測度

uijk=u(xij∈Uk)表示調查值xij對第k級評價等級的歸屬程度。u應分別滿足非負有界性要求、歸一性要求和可加性要求，即:

0≤u(xij∈Uk)≤1

(1)

u(xij∈U)=1

(2)

(3)

當u不能滿足(2)式與(3)式時,則認為u值理論上不可信。

各指標對評價等級的隸屬度構成的矩陣稱為單指標未確知測度矩陣(uijk)m×p,如式(4)：

(4)

1.2 確定各指標權重

計算指標權重時通常選用專家評估法、層次分析法，德菲爾法等。這些方法雖然可行，但主觀性較強。為消除由于個人的偏好帶來的偏差，在確定權重時選用信息熵法。

重要度yij值大小表示指標Ij對識別Xi評價等級的重要程度。兩者計算方法如式(5)、(6)：

(5)

(6)

獲得向量Wi={wi1,wi2,…,wim}為對象Xi的指標權重向量。

1.3 多指標綜合測度評價向量

設：

(7)

1.4 置信度識別準則

按置信度識別準則確定評價等級。對于評價空間U的有序分割，按多指標綜合測度評價向量的極大值、極小值進行判別都是不科學的。設置信度λ一般取值：0.5≤λ≤1。對有序分割U={U1,U2,…Up}，當U1>U2>…>Up時，若k0滿足：

(8)

則認為對象Xi屬于第k0個評價等級Uk0。

2 高速公路交通安全評價指標體系

科學的評價指標體系是有效評價的重要基礎。結合已有研究，對湖南省近年高速公路事故信息進行分析研究，根據評價指標體系構建的可行性、獨立性、科學性等原則，最終選取天氣、線形、路面、交通條件四個方面影響因素。

高速公路上的行車對天氣條件極為敏感。惡劣天氣直接影響了車輛行駛環境，使得車輛通行受到限制。低能見度下駕駛員難以準確辨認道路上其他車輛以及各類標志標牌信息，不利于行車安全。降雨、降雪等天氣使得高速公路路面淋濕打滑，車輛剎車制動距離增大，容易側滑、甩尾、跑偏，出行帶來安全隱患。

道路線形指標包括道路的平縱線形組合、坡長、坡度以及轉角等。長大坡度路段往往成為高速公路的瓶頸路段[11]。對于較大坡度的路段，交通事故數也較大，當平曲線與大縱坡重合，道路通事故率增大[12]。

高速公路路面運營過程中會發生老化，致使其性能下降[13]，影響著行車安全。汽車行駛在結冰或濕潤的路面上時，操縱穩定性和制動性都會受到不同程度的影響，即使駕駛員以低速行駛也極易出現交通事故。

交通流狀態對事故的發生及嚴重程度都會產生影響。V/C指路段實際交通流量與飽和通行能力的比值，反應了道路交通的飽和度。V/C的取值與交通事故有密切關系。一定條件下，當V/C較大時，發生事故的概率也較大[14]。

指標選取的質量直接影響到評價結果的有效性。結合已有信息，從天氣條件、線形條件、路面條件、交通條件4方面影響因素選取7項評價指標,分別為降雨量X1、降雪量X2、能見度X3、道路平均轉角X4、平均坡度X5、路面附著系數X6、V/CX7構建高速公路交通安全評價指標體系。將在高速公路上的行車風險水平分四個等級即低風險、一般風險、較高風險、高風險，分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級來表示，其危險程度依次升高。低風險說明道路交通條件好，事故數少且為簡易事故；一般風險是指道路條件良好，事故相對較多；較高風險表明道路交通環境復雜，極易出現事故；高風險是指由人車路環境管理等原因導致事故高發易發。較高風險路段和高風險路段是后續重點分析和治理的對象。

影響程度分級標準如表1。

表1 高速公路交通安全評價指標及分級標準

3 實例應用

應用湖南省某高速公路路段的統計數據進行交通安全評價研究。調查測量冬季該路段各指標量：降雨量為4 mm，降雪量為2.60 mm，能見度為330 m，平均轉角為56°/km，道路附著系數為0.25，V/C為0.26。

3.1 構建單指標測度函數

根據單指標測度函數的定義，分別將Ⅰ級指標區間最大值、Ⅱ、Ⅲ級指標區間平均值、Ⅳ級指標區間最小值為分級標準，建立降雨量、降雪量、能見度、平均轉角、平均坡度、路面附著系數、V/C的單指標測度函數見圖1。

圖1 單指標未確知測度函數

3.2 建立單指標測度矩陣

統計各影響因素的數據信息,代入單指標測度函數，獲得該路段交通安全單指標測度矩陣如下：

3.3 計算指標權重

根據式(5)、(6)確定出各評價的指標權重如表2，表中y表示重要度，w表示權重。

表2 某高速公路交通安全評價指標值

即指標權重向量為：

W=(0.1780,0.1161,0.1503,0.1256,0.1780,0.1200,0.1322)

3.4 多指標綜合測度評價向量

由式(7)求得多指標綜合測度評價向量為:

uk=(0.2044,0.4039,0.3521,0.0396)

3.5 置信度識別

取置信度λ=0.6，依照置信度評價準則，多指標綜合測度評價值由小到大計算，k0=0.204 4+0.403 9=0.608 3>0.6。將多指標綜合測度評價值由大到小計算，k1=039 6+0.352 1+0.403 9=0.795 6>0.6。前后判別結果一致，因此判斷該高速公路路段行車交通安全等級為Ⅱ級，即一般風險。

3.6 評價結果分析

通過未確知測度理論方法，判定此條件下該高速公路的風險等級為一般。盡管危險性程度不高，但仍不能放松大意，在高速公路運營中應加強監測和防范，爭取將交通事故發生的可能性及事故嚴重程度降至最低。

應用模糊綜合評判法對該高速公路路段交通安全情況進行判別檢驗。共邀請到12位交通專家對各項指標進行評分，得到評價指標權重矩陣表見表3。

表3 某高速公路交通安全評價指標權重表

由隸屬度計算方法，將單指標測度矩陣(uik)7×4作為隸屬度模糊矩陣。按照模糊綜合評價法，計算得出評價結果向量uk=(0.136,0.393,0.375,0.096)。利用最大隸屬度原則,判屬同為Ⅱ級風險，驗證了未確知測度理論方法評價結果的有效性。但未確知測度理論方法的評價比模糊綜合評判法更科學。因為在模糊綜合評判法的評價結果向量中，判屬為Ⅱ級(0.393)和Ⅲ級(0.375)相差較小，只強調極值而忽視了值貢獻的做法不夠科學。引入置信度識別準則，取置信度λ=0.5, 從大到小和從小到大的評價結果均為Ⅱ級。此外，關于權重的計算，未確知測度理論方法中不是簡單計算了指標權重的絕對數值,而是針對已建立的評價模型確定了權重。由此得出，在高速公路的交通安全評價研究中應用未確知測度理論方法是可行的。

4 結 語

1)筆者考慮了天氣條件、線形條件、路面條件、交通條件四方面，詳細劃分降雨量、降雪量、能見度、道路平均轉角、平均坡度、路面附著系數、V/C共七個評價指標，大致反映了高速公路上車輛運行安全水平的綜合狀況。

2)采用信息熵法計算各指標權重,提高了客觀性。按照置信度識別準則判定高速公路危險程度等級，在一定程度上降低了評價向量中極值對評價結果的影響。結合湖南省高速公路的調查統計信息進行評價，結果顯示此方法可靠，應用性強。

3)采用未確知測度理論能夠準確評價高速公路路段的危險程度。高速公路管理部門可由此掌握危險地段，實施改善和防范策略，科學管理高速公路，有效降低事故率。

4)高速公路行車影響因素多且復雜，如駕駛員特性、道路線形、交通安全設施、路面狀況、車型分布、交通量、運行速度、天氣狀況等。筆者只選取了一部分因素，未來研究有待深入分析，以加強評價結果的可信度和適用性。