寒地高速公路交通安全要素評價分析

邢凱然　劉志偉　潘俞成　劉書良　張培錕

摘要 文章研究了以黑龍江省為例的寒地高速公路交通安全要素重要性排序。首先對影響寒地高速公路的主要安全要素進行分類列舉，建立指標體系；其次運用層次分析法與熵權法相結合的算法確定各指標的權重，運用模糊綜合分析劃定安全評價等級；最后將評價體系應用于黑龍江省高速公路，得出安全評分并提出對應的改進措施。

關鍵詞 交通安全；寒地高速公路；評價指標體系；模糊綜合分析

中圖分類號 U491.31文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0192-04

0 引言

寒地高速公路的交通安全問題備受關注，因其特殊氣候條件和環境因素容易引發事故。該文以中國黑龍江省為例，詳細研究了該地區寒地高速公路的事故發生區域和特點。通過建立評價指標體系和運用多種分析方法，如層次分析法和熵權法，評估了不同要素的重要性和安全等級，最終得出 安全評分和改進建議。

該文旨在提供更全面的認識，為改善寒地地區高速公路交通安全提供科學依據，以支持當地經濟和社會發展。同時，這些研究成果也為其他寒冷地區或具有相似氣候特點地區的高速公路安全問題提供了有益的參考。

1 寒地高速公路交通事故發生特點

寒地高速公路事故發生率受到特殊的環境條件影響，尤其是不良天氣條件下。根據歷史數據分析，不良天氣條件下的交通事故約占總事故數的50%左右[1]。

1.1 路面摩擦系數變化大

在低溫寒冷地區，道路表面容易出現結冰和積雪，這直接影響了路面的摩擦系數。積雪被車輛碾壓后，路面變得光滑，摩擦系數降低，導致車輛容易打滑。

1.2 能見度降低

能見度通常通過霧的大小來衡量，等級越高的霧，能見度越低，交通事故的概率越大。

1.3 側向風力增加

側風增加會導致車輛側面受力面積較大，容易受到側風的推動，進而影響駕駛穩定性，增加交通事故的風險。

2 寒地高速公路交通安全評價指標體系的建立

為了全面評價寒地高速公路的交通安全，該文建立了一個多層次的指標體系，涵蓋了不同方面的要素[2]。指標體系包括一級指標和二級指標，以便更詳細地評估每個要素的影響。以下是建立的評價指標體系：

2.1 寒地高速公路交通安全評價指標

2.1.1 駕駛員因素

（1）駕駛員的駕駛經驗和技能。經驗豐富且熟練的駕駛員更容易應對緊急情況和復雜的道路狀況，減少事故的發生概率。

（2）駕駛員的疲勞程度。駕駛員的疲勞程度直接影響其反應速度和決策能力。疲勞駕駛可能導致注意力不集中、反應遲緩，從而增加了事故風險。

（3）駕駛員的警覺性。駕駛員的警覺性指的是其對道路和周圍環境的關注程度。

2.1.2 車輛因素

（1）車輛的制動性能。車輛的制動性能包括剎車系統的效率和響應速度。良好的制動性能可以確保駕駛員在需要時迅速停車，減少事故風險。

（2）車輛的輪胎性能。輪胎是車輛與道路之間的唯一接觸點。輪胎的狀況和性能直接影響車輛的操控和穩定性。良好的輪胎性能可以提高道路附著力，減少打滑和側滑。

（3）車輛的穩定性能。車輛的穩定性能指的是車輛在緊急操控情況下的穩定性和抗側翻性能。穩定的車輛更不容易失控和翻車，有助于減少交通事故。

2.1.3 道路因素

（1）路面的摩擦系數。路面的摩擦系數是路面與車輛輪胎之間的摩擦力。摩擦系數直接關系到車輛的牽引力和制動性能。

（2）路面的坡度。路面的坡度是指道路的垂直高度與水平距離之比。坡度的大小對車輛的穩定性和操控性產生影響，特別是在彎道和坡陡的道路上。

（3）道路的曲線半徑。曲線半徑是指道路彎曲程度的度量，通常以曲線的半徑表示[3]。

2.1.4 環境因素

（1）能見度。能見度是指駕駛員能夠清晰地看到道路和周圍環境的程度。

（2）溫度。溫度影響道路表面的狀況，特別是在寒冷地區。低溫可能導致道路結冰，減小路面摩擦系數，從而增加了打滑的風險。

（3）側向風力。側向風力是指垂直于道路行進方向的風力。強風可能對高車輛產生側風力，影響車輛的穩定性，特別是在寒冷地區冰雪覆蓋的路面上。

2.1.5 管理因素

（1）交通流量控制。交通流量控制是指對路段的車輛數量進行控制，以避免交通擁堵和高速公路超負荷通行。

（2）道路維護頻率。道路維護頻率是指定期對道路進行維護和修復的頻率。

（3）應急設施覆蓋率。應急設施覆蓋率指的是在道路上設置應急通道、避難設施等措施的覆蓋程度。

2.2 寒地高速公路交通安全評價指標體系

評價指標體系必須具有系統性、層次性。根據前期確定的評價指標建立了一個如圖1所示的寒冷地區高速公路交通安全評價指標體系。

3 寒地高速公路交通安全評價算法

評價指標的權重確定對于寒地高速公路評價至關重要，由于無論是采用主觀賦權還是客觀賦權均會，都會因為認為判斷的主觀性和各指標間的相關性而造成賦權偏差，因此該文通過層次分析法和熵權法給予權值，可以確保主觀判斷有較好的一致性，同時應用熵值法確定客觀評價。

3.1 層次分析法

首先，在相同的層之間，通過構建判斷矩陣代表不同的評價指標，表示同一級別的指標數量：

式中，bij、bji——不同的評價指標，表示同一級別i=1，2，3...的指標數量。

基于判斷矩陣的計算，得到主觀權重值Ui用AHP方法求解。

3.2 熵權法

熵權法是一種常用的綜合評價方法，充分利用原始數據的信息，結果準確地反映了評價方案之間的差距。收集3個安全因素的12個指標的定量評價數據，并在此基礎上繪制評價矩陣，以3個安全因素作為子指標，12個定量指標作為母體指標。

步驟1：正向化，將非常小的指標轉換為非常大的指標：

MAX ?xi

步驟2：標準化，它將度量分數映射到[0，1]區間，便于比較：

步驟3：將3個子指標的值相加，得到12項母體指標的綜合得分，并計算其比例：

步驟4：計算每個指標的信息熵，計算信息效用值，并歸一化得到每個指標的熵權。

步驟5：合并公式得到最終權重

3.3 模糊綜合分析

采用模糊評價的方法，來確定寒地高速公路交通的安全等級[4]。按照上述層次分析法和熵權法相結合確定權重，依據隸屬函數確定各等級的隸屬度得到模糊關系矩陣。

步驟一：建立綜合評價的因素級；設寒地高速公路交通安全要素指標集為U，u1表示附著系數，u2表示道路曲率，u3表示道路坡度，u4表示縱坡變化率，u5表示道路寬度，u6表示能見度，u7表示氣溫，u8表示側向風力，u9表示交通流量控制，u10表示交通標志和信號燈完備率，u11表示道路維護頻率，u12表示應急設施覆蓋率，表示為U=（u1， u2， u3， u4， u5， u6， u7， u8， u9， u10， u11， u12）。

步驟二：建立綜合評價的評價級：設評定等級的評價級為V，v1，v2，v3，v4分別表示危險、較危險、合格、安全。

步驟三：進行單因素模糊評價，獲得評價矩陣[5]：設因素集U中第i個元素對評價級V中第1個元素的隸屬度為 ri1，對第i個元素單因素評價的結果用模糊集合表示為：RI=（ri1，ri2，...，rin），以m個單因素評價級R1，R2，...，Rm為行組成矩陣Rm*n。

步驟四：確定因素權向量。給各因素ui一個權重ai，各因素權重集合的模糊集用A表示為A=（a1， a2， a3， a4， a5， a6， a7， a8， a9， a10， a11， a12）。

步驟五：建立綜合評級模型：確定單因素評判矩陣R和因素權向量A之后，通過模糊變化將U上的模糊向量A變為V上的模糊向量B，表示為B=A*R。

步驟六：確定系統總得分。其中F為系統總得分，S為V中相應因素的級分。

F=B1*n*ST1*n

4 實際應用與案例分析

4.1 案例求解過程

以黑龍江省內四段主要高速公路為例，分別是哈爾濱——大慶、哈爾濱——佳木斯、哈爾濱——綏化、哈爾濱——綏芬河，分別以H1、H2、H3、H4來代表。

步驟一：利用層次分析法，對已建立的一級評價指標即準則層進行專家打分。

根據算術平均法求權重的結果為w1=[0.185 7， 0.180 5，0.274 6， 0.235 8， 0.123 4]

同理可得，指標層的二級指標D11～D13對應駕駛員因素D1，D21～D23對應車輛因素D2，D31～D33對應道路因素D3，D41～D43對應環境因素D4，D51～D53對應管理因素D5，其分別的權重為：

w1=[0.185 7， 0.180 5， 0.274 6， 0.235 8， 0.123 4]

步驟二：熵權法計算權重，一級指標的結果為：

w2=[0.234 5， 0.167 8， 0.321 0， 0.165 6， 0.111 1]

步驟三：重復上述方法計算二級指標，當前式中k1=k2=0.5時，可求得權重向量：

步驟四：模糊綜合分析評價結果確定。

首先，依據聚類分析，將安全等級共分成危險、較危險、合格、安全四個層次。

之后，對實例中的四條高速公路進行專家評分后將結果作為x，構建隸屬度函數f1（x）、f2（x）、f3（x）、f4（x），根據隸屬度函數得出各指標的隸屬度，可構建模糊綜合評價矩陣R。

以H1、H2、H3、H4代表四條高速公路，將四組評分導入模糊綜合評價矩陣R，結合權重向量W，可得出四條寒地高速公路的安全最終評級，如表1所示。

可以看出，哈爾濱——大慶路段出現危險情況概率最大，而哈爾濱——綏化路段出現較危險情況概率較高，需要采取額外的安全防護措施。

4.2 解決對策

4.2.1 增加車輛輪胎與路面摩擦力

高寒地帶，雨水、暴雪等極端天氣頻發，高速公路路面常處于濕滑狀態，摩擦力減小，車輛在高速行駛時極易陷于無法控制的危險境地。因此，為了增加潮濕路面的附著能力，路面應具有一定的不平度且具有自動排水能力；同時，路面應粗糙且有一定的尖銳棱角，以穿透水膜，讓路面與胎面直接接觸。針對車輛的結構，設計時應增大輪胎與地面的接觸面從而提高附著能力，即設計為低氣壓、寬斷面和子午線輪胎。

4.2.2 合理設計道路

首先，減少曲線的半徑。將高速公路的曲線半徑減小可以縮短車輛轉彎的路程，減少駛入彎道時的橫向加速度，降低因超速或轉彎過快導致的失控風險。其次，增加曲線的長度使車輛更充分地適應彎道，減緩調頭、變道等動作，提高行駛的平穩性，降低事故的發生率。同時，在彎道處設置適當的坡度可以幫助車輛在轉彎時更好地保持重心穩定，減少側滑和翻車的危險。并在高速公路的彎道處適當設置超高點（減小彎道半徑）和超低點（增大彎道半徑）從而提高車輛的穩定性。

5 結論

綜上所述，寒地高速公路交通安全受多方面因素影響。該文運用層次分析法、熵權法、模糊分析法等算法對各項指標進行系統處理與科學分析，根據理論數據展開討論并提出相應改進措施。對四條黑龍江省高速公路進行綜合評價后得出哈爾濱——大慶路段出現危險情況概率最大，而哈爾濱——綏化路段出現較危險情況概率較高，并提出了可行的解決措施以提高其安全性。

參考文獻

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[2]方濤， 張羽西. 高速公路行車安全風險分析與匝道控制算法研究[J]. 中國交通信息化， 2020（9）： 133-136.

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