87路側(cè)安全灰色聚類評估方法研究

路側(cè)安全灰色聚類評估方法研究摘要：路側(cè)安全問題在我國比較突出，鑒于現(xiàn)階段針對路側(cè)實施公路安全改善項目時，在危險點段的識別上仍依賴于工程技術(shù)人員的經(jīng)驗判斷，缺乏有效的方法和工具進行投資決策支持，因此作者結(jié)合2004年交通部西部交通建設(shè)科技項目－《公路路側(cè)安全評估及防護方法研究》的研究，提出基于灰色理論的路側(cè)安全性能等級評估方法。論文首先對國內(nèi)外相關(guān)研究進行了簡要回顧，在分析現(xiàn)有成果優(yōu)勢和劣勢的基礎(chǔ)上，指出路側(cè)安全灰色聚類方法在我國現(xiàn)階段是一種較為可行的方法，能夠較大程度上滿足當前迫切需要。論文的核心是評估指標的選擇及其有關(guān)約定、指標權(quán)重的確定、白化權(quán)函數(shù)的建立，這些問題得到解決后，作者給出了一個應(yīng)用示例。關(guān)鍵詞：公路，安全，路側(cè)，灰色聚類，評估ResearchonEvaluationMethodofRoadsideSafetyGreyClusteringLiChangchengAbstract:TheroadsidesafetyproblemisseriousinChina,especiallyforlow-classhighwayssuchasruraltwo-lanehighways.Nowadays,inviewofdependendingontheempiricalestimationoftheengineeringtechnicianinidentifyingthedangeroussegmentsandthelackofeffectivemethodsandtoolstosupporttheinvestmentofthedecision-makingatthetimeofimplementinghighwaysafetyimprovementprogramonroadside,theauthorputsforwardanevaluationapproachofroadsidesafetyperformanceonthebasisofthetheoryofGreyClusteringcombiningwithhisstudyofoneofthewesterncommunicationconstructiveprogramsinitiatedbyMOC––HighwayRoadsideSafetyEvaluationandSecurityApproachStudy.Thepaperfirsthasabriefreviewoftherelevantstudiesbothathomeandabroad.Then,onthebasisofanalyzingtheadvantagesanddrawbacksofthecurrentachievement,thepaperpointsoutthatroadsidesafetyGreyClusteringapproachisacapablemethod,whichinagreatdegreecanmeetthecurrentimperiousneed.Thecoresofthepaperarethechoiceoftheevaluationindicatorsandtheidentificationoftherelevantregulation,indicatorweightsandfunction.Theauthorprovidesanappliedinstanceaftersolvingallaboveproblems.Keywords:highway;safety;roadside;greyclustering;evaluation0引言我國是當今世界上道路交通事故最多的國家之一，交通事故死亡率比歐洲等發(fā)達國家要高出10倍以上。需要指出的是：路側(cè)交通事故在公路交通事故中約占30%,在一次死亡3人以上的重特大惡性事故中，由于車輛沖出路外墜落陡崖或高橋的路側(cè)事故約占重大惡性交通事故的一半。因此，減少與路側(cè)相關(guān)的交通事故，或減少與路側(cè)相關(guān)的交通事故的死亡率，對于減少我國交通事故的傷亡人數(shù)具有重要意義。顯然，面臨嚴峻的路側(cè)安全形勢，客觀要求對危險路側(cè)點段實施安全改善工程，以此達到提高路側(cè)安全性能、大幅改善整體行車環(huán)境的目的。但擺在廣大科研、工程技術(shù)人員面前的一個關(guān)鍵問題是，在有限資金額度條件下，就一個工程項目而言，如何確定路側(cè)危險點段、并將其按危險程度進行排序，從而指導(dǎo)投資決策，在一定程度上實現(xiàn)效益最大化的目標。然而遺憾的是，目前尚無一種既科學、又簡便可行的用于路側(cè)危險程度評估的方法，有關(guān)此類問題的解決多依據(jù)工程技術(shù)人員的經(jīng)驗進行。有鑒于此，本論文將重點探討路側(cè)安全評估的方法，旨在通過一定的指標體系或指數(shù)來科學、客觀的描述路側(cè)危險程度，使安全設(shè)計人員既能夠獲知特定路側(cè)地點的安全程度，又能對多處或整條道路的路側(cè)危險程度進行相對比較，為安全設(shè)計人員排查路側(cè)安全隱患、制定路側(cè)安全改善計劃、實施具體的對策方案提供依據(jù)和參考。1相關(guān)研究就路側(cè)安全評估方法而言，目前尚沒有成熟的能夠進行定量測度路側(cè)危險程度的方法，這方面的成果也寥寥。比較具有代表性的是美國路側(cè)危險程度分級[1]。Zegeer根據(jù)凈區(qū)寬度、邊坡坡度、是否設(shè)置護欄、是否存在堅硬危險物等路側(cè)特征將路側(cè)危險程度分為七級（級別越高越危險），該分級指數(shù)已作為一個變量納入到IHSDM鄉(xiāng)村雙車道事故預(yù)測模型當中，從事故預(yù)測角度得到了一定的應(yīng)用。2004年為配合全國公路安全保障工程的順利實施，交通部分布《公路安全保障工程實施技術(shù)指南（試行）》，指南在設(shè)施設(shè)計標準一章中，把路側(cè)危險程度分為4級，路側(cè)越危險，級別越高，指出應(yīng)根據(jù)路側(cè)危險情況設(shè)置相應(yīng)等級的護欄[2]?？陀^上講，國內(nèi)4級劃分與美國7級劃分并無本質(zhì)區(qū)別，都是根據(jù)影響路側(cè)危險程度的主要因素來劃分級別，都屬于定性表述，由于影響路側(cè)危險程度的因素眾多，加之因素間的相互組合，使得針對具體的路側(cè)特征，難以直接應(yīng)用上述方法來回答路側(cè)危險程度究竟如何，在很大程度上離不開設(shè)計、研究人員的經(jīng)驗判斷。雖然現(xiàn)有路側(cè)危險分級在具體的工程實踐中發(fā)揮了一定的作用，但仍然明顯存在以下幾方面問題：一是考慮的要素少；二是等級之間界限模糊，存在交叉和空檔；三是缺乏底層的理論方法基礎(chǔ)。美國2002版《路側(cè)設(shè)計指南》給出了一種基于效益——成本分析的路側(cè)安全改善項目投資決策方法，并編制了名為RSAP的軟件輔助實施[3][4]。不同方案間的增量效益——成本按如下公式計算：式中，B/Cratio2-1為方案2與方案1相比較的增量效益——成本比；CC1，CC2表示方案1與2的年事故成本；DC1，DC2表示方案1與2的年直接成本。 顯然，公眾資金應(yīng)該投向于預(yù)期效益大于直接成本的項目之中，也就是要求B/C大于1。效益的測量主要基于事故數(shù)減少或事故嚴重性降低所帶來的收益；而直接成本主要由公路局實施安全改善項目的資金投入構(gòu)成，包括設(shè)施的初始安裝費、養(yǎng)護費用及維修費用。 RSAP軟件中的效益——成本過程基于車輛侵入路側(cè)概率模型構(gòu)建，該概率模型屬多個因素的條件概率模型，模型表達式如下：E(C)=其中，E(C)－估計事故損失；V－交通量；P(E)－車輛侵入路側(cè)比率；P(C/E)－侵入事件發(fā)生時，事故概率；P(I/C)－事故發(fā)生時，特定等級傷害概率；C(I)－特定等級傷害社會成本。 美國的成本——效益分析方法及其實現(xiàn)軟件，從科學性、量化角度來看取得了巨大的成功，軟件的編制也促進了方法的實際運用。但模型中的多數(shù)參數(shù)都是建立在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，且美國的道路、車輛條件、事故損失等方面與國內(nèi)差別較大，因此，將該方法直接引入國內(nèi)還需要做大量工作。此外，模型自身還存在諸多方面的局限性，需要進一步研究加以修正或改進，如：侵入數(shù)據(jù)過于陳舊；車輛軌跡未考慮駕駛員行為；側(cè)向侵入距離的分布及與線形、路側(cè)特征的關(guān)系需要新的數(shù)據(jù)進行修正等。2路側(cè)安全灰色聚類評估方法 鑒于國內(nèi)外有關(guān)研究成果及國內(nèi)實際情況，本論文提出基于灰色聚類方法對路側(cè)安全性能進行等級評估。2.1相關(guān)理論簡介及實施步驟灰色理論是我國著名學者鄧聚龍教授1982年創(chuàng)立的一門新興橫斷學科，它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為的正確認識和有效控制。本項研究所應(yīng)用的主要是灰色系統(tǒng)理論中的灰色聚類評估方法。灰色聚類是根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)矩陣或灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)將一些觀測指標或觀測對象聚集成若干個可定義類別的方法。一個聚類可以看作是屬于同一類的觀測對象的集合。灰色聚類按聚類對象劃分，可以分為灰色關(guān)聯(lián)聚類和灰類白化權(quán)函數(shù)聚類。灰色關(guān)聯(lián)聚類主要用于同類因素的歸并，以使復(fù)雜系統(tǒng)簡化。而灰類白化權(quán)函數(shù)聚類主要用于檢查觀測對象是否屬于事先設(shè)定的類別，充分利用現(xiàn)有各種信息對事物進行評價，做出分類以區(qū)別對待。利用定權(quán)灰類白化權(quán)函數(shù)聚類方法可以將路側(cè)安全性定義為幾個級別，根據(jù)各項指標計算后確定某點段路側(cè)安全級別，從而實現(xiàn)對整條路中路側(cè)危險點段的識別與排序，為實施路側(cè)安全改善項目提供決策依據(jù)。其主要步驟如下：第一步：給出j指標k子類白化權(quán)函數(shù)(j=1，2，…，m；k＝1，2，…，s)；第二步：根據(jù)結(jié)論或定性分析確定各指標的聚類權(quán)(j＝l，2，…，m)；第三步：設(shè)對象i關(guān)于j指標的樣本值為xij(i=l，2，…，n；j=1，2，…，m)，利用第一步、第二步結(jié)果，算出灰色定權(quán)聚類系數(shù)：(j＝l，2，…，n；k＝1，2，…，s)；第四步：若，則判定對象i屬于灰類k*。2.2指標體系及其有關(guān)約定 根據(jù)初步研究擬將路側(cè)安全等級劃分為四級，即：1級，2級，3級，4級，級別越高表示路側(cè)安全性能越差，即越危險。主要指標有四類構(gòu)成，即線形、交通量、事故和路側(cè)特征，每類指標又由若干個下一級指標構(gòu)成。指標體系如下圖所示：圖1路側(cè)安全等級灰色評估指標體系下表就各項指標的單位、等級劃分、變量轉(zhuǎn)化等問題給予說明：表1評估指標的各灰色級別取值指標單位1級2級3級4級坡段縱坡x1％1％≤x1<2％2％≤x1<4％4％≤x1<6％6％≤x1<8％曲線半徑x2[1]m6≤x2<1212≤x2<3030≤x2<4545≤x2<115日均交通量x3輛/天100≤x3<750750≤x3<15001500≤x3<60006000≤x3<20000死亡事故x4起/年0.05≤x<0.10.1≤x<0.250.25≤x<11≤x<5傷人事故x5起/年0.2≤x<0.50.5≤x<11≤x<33≤x<10財產(chǎn)損失事故x6起/年0.5≤x<11≤x<33≤x<88≤x<20凈區(qū)寬度x7[2]m0.125≤x<0.20.2≤x<0.40.4≤x<11≤x<2路堤路塹高度x8[3]m－10≤x<00≤x<33≤x<66≤x<15邊坡坡度x91：n0.17≤x<0.250.25≤x<0.330.33≤x<0.50.5≤x<1邊溝狀況x10[4]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9護欄狀況x11[5]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9樹木狀況x12[6]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9其它路側(cè)危險物x13[7]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9注解：[1]設(shè)x2＝,將曲線半徑R轉(zhuǎn)化為每百米曲線長所對應(yīng)的偏角。[2]x7為凈區(qū)寬度的倒數(shù)。[3]小于0表示路塹（挖方），大于0表示路堤（填方）。[4]可提供邊溝形式，由系統(tǒng)自動設(shè)定缺省值（淺碟植草，矩形加蓋板邊溝缺省值為2，拋物線形邊溝缺省值為4，V形邊溝缺省值為6，梯形或矩形邊溝缺省值為8）；或用戶視邊溝形式、上口寬、深、距行車道距離等具體情況確定取值。[5]可提供護欄設(shè)置與否或護欄防撞等級，由系統(tǒng)自動設(shè)定缺省值（設(shè)置SB級護欄缺省值為2，設(shè)置A級護欄缺省值為4，設(shè)置B級護欄缺省值為6，未設(shè)置護欄或護欄無防撞能力缺省值為8）；或用戶視護欄形式、等級、端頭、側(cè)向位置等具體情況給定。[6]無樹木或存在低矮灌木視為1級；距行車道外側(cè)3.5－5m范圍內(nèi)存在直徑大于10cm的樹木視為2級；距行車道外側(cè)2－3.5m范圍內(nèi)存在直徑大于10cm的樹木視為3級；距行車道外側(cè)2m范圍內(nèi)存在直徑大于10cm的樹木視為四級；[7]其它路側(cè)危險物包括：橋墩、涵洞、縱向水渠端墻、標志柱、共用設(shè)施桿柱（通信、電力）、房屋建筑、巨石、堅硬巖壁等。無上述危險物或個別存在，且距行車道外側(cè)5m以上視為1級；存在，且距行車道外側(cè)3.5－5m視為2級；存在，且距行車道外側(cè)2－3.5m視為3級；存在，且距行車道外側(cè)小于2m2.3指標權(quán)重的確定采用層次分析法確定指標權(quán)重。層次分析法是美國匹茲堡大學于20世紀70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法，其分析問題大體要經(jīng)過以下五個步驟：第一步：建立層次結(jié)構(gòu)模型。第二步：依據(jù)相對重要性構(gòu)造判斷矩陣。第三步：每一層次進行層次單排序。第四步：層次總排序。第五步：一致性檢驗。層次結(jié)構(gòu)模型如上圖所示，在實際操作過程中，構(gòu)造四個判斷矩陣，即：頂層判斷矩陣（涉及線形、交通量、事故、路側(cè)特征四大因素），線形判斷矩陣（含2個子因素），事故判斷矩陣（含3個子因素），路側(cè)特征判斷矩陣（含7個子因素），在此基礎(chǔ)上，通過問卷形式借助專家經(jīng)驗對判斷矩陣填值。將多個問卷的數(shù)值進行算術(shù)平均，通過求解判斷矩陣最大特征根及其對應(yīng)特征向量的方法得到各指標權(quán)重，當一致性檢驗失敗時，需要對判斷矩陣值重新調(diào)整再次計算指標權(quán)重。具體過程從略，下面給出結(jié)論：表2層次分析法確定的路側(cè)安全等級灰色評估指標權(quán)重層次單排序?qū)哟慰偱判蚓€形交通量事故路側(cè)特征0.20.150.350.3坡段縱坡0.350.07曲線半徑0.650.13日均交通量10.15死亡事故0.60.21傷人事故0.30.105財產(chǎn)損失事故0.10.035凈區(qū)寬度0.180.054路堤路塹高度0.220.066邊坡坡度0.140.042邊溝狀況0.10.03護欄狀況0.20.06樹木狀況0.090.027其它路側(cè)危險物0.070.021111112.4指標白化權(quán)函數(shù)的確定此項研究的權(quán)函數(shù)擬采用三角形式，三角白化權(quán)函數(shù)的一般形式如下圖所示：001圖2三角白化權(quán)函數(shù)的確定方法權(quán)函數(shù)由下面公式獲得：由此，可得到上述各個指標的白化權(quán)函數(shù)如下（下面只給出坡段縱坡和曲線半徑兩個指標的白化權(quán)函數(shù)，其它從略）：（1）坡段縱坡；；（2）曲線半徑；；3具體案例 下表給出了具體的計算示例，從最終的計算結(jié)果來看，該處路側(cè)危險等級屬2級。表3路側(cè)安全等級灰色聚類評估算例序號指標權(quán)重取值1坡段(%)0.073％0.40.02810.070.330.0231002曲線半徑(m)0.132000.060.00780.680.08840.650.0845003交通量(AADT)0.1512000.280.0420.980.1470.150.0225004死亡事故(起/年)0.2100.910.19110000005傷人事故(起/年)0.1051000.890.093450.330.03465006財產(chǎn)損失(起/年)0.03520.440.015410.0350.220.0077007凈區(qū)寬度(m)0.0542.5000.860.046440.40.0216008路堤路塹高度(m)0.0664000.440.029040.890.058740.130.008589邊坡坡度(1:n)0.0421:3000.740.031080.480.020160010邊溝狀況0.03矩形700000.670.02010.670.020111護欄狀況0.06無700000.670.04020.670.040212樹木狀況0.027無2000.330.00891000013其它堅硬危險物0.02140.330.0069310.0210.330.00693001//0.29123/0.57032/0.34018/0.068884小結(jié) 路側(cè)安全灰色聚類評估方法與現(xiàn)有國內(nèi)《公路安全保障工程實施技術(shù)指南》及美國交互式安全設(shè)計模型（IHSDM）中的路側(cè)安全等級劃分相比