在役高速公路安全設施有效性評價研究

朱 歡 鄭 銳 李振華 陳禹戈

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550000)

與新建高速公路不同，在役的高速公路安全設施存在磨損、毀壞、偷盜缺失等多種問題。目前，我國交通行業尚未形成對在役公路安全設施技術狀況的評定方法和標準，而現行JTG 5210-2018 《公路技術狀況評定標準》[1]中僅有沿線設施技術狀況TCI指標對部分安全設施如標志、標線按缺損處數進行粗略的評判，缺乏針對性，還難以反映不同路段間安全設施綜合狀況和差異。王凱[2]采用層次分析法對農村公路生命防護工程進行了實施后效果評價。王晨竹[3]針對低等級公路安全防護工程防護效果構建了評估體系及模型。國外針對公路行車環境、安全設施狀況評估主要針對建設期項目，評估時會按照安全性、費用、環境等方面進行綜合評價。考慮我國公路養護的實情，受養護費用約束，在役高速公路的安全設施還普遍存在更換、維修不及時等現象，部分路段存在較大的安全隱患難以發現，因此對在役高速公路安全設施的有效性進行綜合評估，提出針對性的提升方案，對減少交通事故發生率，降低事故嚴重程度均有重要意義。

1 安全設施有效性評價體系構建

高速公路主線安全設施主要包括交通標志、標線、護欄，以及視線誘導設施等，由于在役期間安全設施存在不同程度的損毀、老化、失效等，導致不同路段之間安全隱患不一。其現場照片見圖1。

圖1 某高速在役安全設施缺失現狀

在役高速公路安全設施的修復和提升一般納入養護工程，由于養護經費受限，實際對安全設施進改造時，應明確不同路段安全設施提升需求和改造次序，在保證基本功能的情況下，盡量提高當前公路整體、綜合的安全保障能力，充分發揮養護費用的效益。

由于高速公路安全設施的防護需求在不同路段間有明顯的差異，對安全設施的有效性評估是在駕駛員對當前安全設施的使用需求基礎上進行分析，從而合理、客觀地對現有安全設施所產生的積極效果進行評估。

基于道路交通工程研究成果，公路通過幾何線形、文字，以及誘導設施等對駕駛員進行信息傳輸，對行車安全有明顯影響的主要為標志、標線、護欄，以及誘導設施，這類安全設施起到主動引導和被動防護等功能，在危險路段對降低事故風險占主導作用[4]。因此，對在役安全設施綜合狀況進行準確有效的評估是以駕駛員對安全設施的需求和感知特性為前提，考慮安全設施主動提醒、視線誘導、被動防護等3個方面，選取標志、標線、護欄、視線誘導設施等4種主要安全設施為評價對象，構建安全設施有效性評價體系。

為對安全設施有效性進行準確、綜合的評價，可按不同層次結構和評價指標來劃分安全設施有效性評價體系，體系示意見圖2。

圖2 在役高速公路安全設施有效性評價體系

2 灰色關聯分析模型建立

通過將在役安全設施有效性評價體系分為3個結構層次，對評估目標進行分解和細化，可以明確各個指標之間的主要關系。基于上述評價體系，采取灰色關聯分析的方法對在役高速公路安全設施綜合有效性進行綜合評估。灰色系統理論中可以對同一序列中不同因素之間的相關程度進行分析，研究因素之間的相似程度或差異。灰色關聯分析法不需要大量的數據，對數據之間相互影響關系也無要求，分析時可將不同情況下的各個評價指標放在統一的環境下進行比較，既能兼顧定量計算，也能反映定性分析結果[5]。

在役安全設施的主要特點是已經出現了不同程度的老化、性能下降，且存在破損、缺失、更換不及時等情況，可采用絕對關聯度進行分析，將滿足現行規范要求和駕駛員需求的理想狀態作為評估參考值，即將現在與參考值進行對比，分析當前狀態數據序列曲線與理想狀態數據序列曲線之間的貼近程度，能夠清晰地反映既有安全設施與理想狀態的差距，評判當前安全設施的有效性。數據序列曲線越貼近則表示關聯程度越高，有效性越高。具體步驟如下。

1) 數據無量綱化及零點初始化。安全設施評價指標采用不同的數據和評判方式，為消除各評價的量綱，首先對數據均值化處理，計算均值像，形成具有灰色系統行為特征的數據序列。

設k為指標序列號，xi(k)為因素關于Xi第k個指標的評分值，定義Xi為指標序列。

Xi=[xi(1),xi(2),…,xi(n)]

(1)

XiD0=[xi(1)d0,xi(2)d0,…,xi(n)d0]

(2)

式中：xi(k)d0=xi(k)-x0(1)，k=1,2,…,n。

2) 計算效果序列與設定最優序列。計算待評價對象路段安全設施在k項指標下的效果值u，生成效果序列。

(3)

(4)

式中：wk為k項指標的權重值；u為最優序列，最優序列的各項指標可采用對應的設計指標或參數值，無設計指標參考的，按該項指標滿分值計。

3) 計算關聯度ε0i。根據效果序列，計算待評價路段各項指標的效果與最佳效果直接的貼近程度ε0i。

(5)

(6)

(7)

即為u0與ui的灰色絕對關聯度。ε0i關聯度數值越大表示與最優向量最接近，則該路段安全設施綜合有效性越大。

3 指標權重確定

由圖2可知，在役高速公路安全設施效性評價體系中間層為3項，基礎指標層為10項，對評價指標進行一一量化是比較困難的，可將基礎指標層分為定量和非定量2類，定量指標(如標線逆反系數、護欄防護等級與性能)可根據實測數據與設計要求值進行比對，非定量指標可采用專家打分法，根據評分對指標進行量化處理。

灰色關聯分析時對樣本需求量小，不依賴數據之間具有明確的內部規律[6]，但為了更換表達各評估指標間的指標之間的關聯性和重要程度，可引入層次分析法對評價體系各項指標進行權重劃分。因此，根據有效性評價體系建立層次分析結構，引用1～9標度法進行指標，構造判斷矩陣。構建中間層和基礎指標層判斷矩陣為

(8)

根據專家調查打分法，分別構建中間層和基礎指標層判斷矩陣，對判斷矩陣進行量化和一致性檢驗。并計算矩陣特征根。 進而確定權向量Aw=λmaxw和其最大特征根λmax。

采用一致性指標CI衡量判斷矩陣的不一致程度。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(9)

定義隨機一致性指標RI，當階數大于2時，其一致性的指標用CR表示。當CR<0.1時，可表示該權重值分配合理，否則就需要進行調整。CR計算方法見式(10)。

(10)

分別計算各層及總排序CR值，并進行檢驗及調整，結果見表1。

表1 在役高速公路安全設施有效性評價體系指標權重匯總

4 實例分析與應用

以貴州省仁懷至望謨高速公路填方路基接隧道出入口段為例進行分析，通過對該高速公路4處隧道入口當前安全設施綜合狀況進行調查，收集實測數據按評價體系進行初步評判。以現行JTG/T D81-2017 《公路交通安全設施設計細則》中對隧道入口段安全設施綜合設置要求作為最優序列參照[7-8]。評價指標中非定量指標采用專家打分法取均值，定量分析指標則以最優序列為參考值按比例計算，整理初步評判結果見表2。

表2 不同路段現有安全設施評價指標賦值

根據上表評價指標賦值結果，按式(1)～(7)分別計算待評價路段效果序列與最優序列的灰色關聯度，計算結果見圖3。

圖3 現有安全設施計算效果值曲線表

灰色關聯度值計算結果為ε1=0.748，ε2=0.724，ε3=0.650，由圖3可知，所調查的3個路段與理想最優序列均有較大差距，其中路段3綜合狀況最差，現有安全設施存在較明顯的缺陷，需采取針對性的處置措施對與設計期望差距較大的5、3、6、10指標進行有效提升，以降低運營期風險。

5 結語

針對在役高速公路安全設施現狀和路段間提升需求的差異性，對在役高速公路安全設施有效性評價方法進行了探究，主要結論如下。

1) 對在役高速公路安全設施現狀特點進行分析，綜合考慮駕駛員對安全設施的需求和作用效果，將安全設施劃分為主動提醒、視線誘導、被動防護3個方面進行有效性評價。

2)采用層次分析法對評價體系進行分解和細化，提出了具體的評價指標，構建了安全設施有效性評價體系。

3) 基于灰色關聯分析方法構建評價模型，通過關聯度對比來甄別不同路段安全設施提升需求的重點及程度，能夠直觀、科學地對安全設施當前狀況進行綜合評估，可為改善方案設計提供指導。