基于指標(biāo)定權(quán)灰色聚類的公路平交口安全評(píng)價(jià)＊

葛 興 姜 波

（1.湖州市規(guī)劃局 浙江 湖州 313000；2.浙江南潯經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū) 浙江 湖州 313000）

0 引言

在公路交叉口有限的空間內(nèi)，匯集著各種不同流向的交通流，致使交叉口處的交通狀況錯(cuò)綜復(fù)雜。同時(shí)由于我國的公路平交口在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段，通常缺乏對(duì)交通安全因素的考慮，從而成為交通事故的集中發(fā)生地［1－2］。公路平面交叉口交通安全狀況差，交通安全狀況亟須改善，如何進(jìn)行準(zhǔn)確的安全評(píng)價(jià)是交通安全改善工作中的前提和重點(diǎn)。基于交通沖突技術(shù)的評(píng)價(jià)方法已經(jīng)在世界許多國家得到廣泛應(yīng)用，成為國際上用于定量研究多種交通安全問題及其對(duì)策的重要方法［3－5］。

目前，基于沖突技術(shù)的平面交叉口安全評(píng)價(jià)研究較多，比較有代表性的成衛(wèi)、項(xiàng)喬君等［6－9］利用模糊數(shù)學(xué)、灰色理論，結(jié)合沖突技術(shù)對(duì)交叉口進(jìn)行安全評(píng)判，但多采用沖突數(shù)或沖突率為指標(biāo)，指標(biāo)相對(duì)單一，后來對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)考慮沖突數(shù)、沖突嚴(yán)重性、交通量幾個(gè)指標(biāo)，相對(duì)較為完善，但沖突嚴(yán)重性僅分為一般沖突和嚴(yán)重沖突，在指標(biāo)的選取上也只采用沖突率指標(biāo)，并不能全面地反映交叉口安全程度。筆者結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，針對(duì)不同類型沖突嚴(yán)重性差別，綜合考慮沖突發(fā)生的頻率、嚴(yán)重程度，以及交叉口可能產(chǎn)生的單車事故，全面選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過確定指標(biāo)權(quán)重，選取合適的評(píng)價(jià)方法對(duì)公路平交口的交通安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 指標(biāo)選擇

交通安全評(píng)價(jià)可用交通安全度來表征，指標(biāo)的選擇要能對(duì)交叉口的安全進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，同時(shí)要具有很好代表性。根據(jù)Ase Svensson等［10］的研究，極嚴(yán)重沖突和輕微沖突很少，一般沖突發(fā)生的頻率較高。不同等級(jí)的沖突頻率和嚴(yán)重程度與安全都有緊密的關(guān)系，低嚴(yán)重程度的沖突較多時(shí)也是對(duì)交叉口的不安全的1種暗示。因此，對(duì)于交叉口的安全評(píng)價(jià)要同時(shí)考慮沖突發(fā)生的頻率和沖突的嚴(yán)重程度。

依據(jù)沖突的定義，沖突是道路使用者之間的相互作用行為，道路使用者與構(gòu)筑物之間的相互作用并沒有考慮。根據(jù)現(xiàn)狀公路事故的統(tǒng)計(jì)，在公路交叉口撞固定物、翻車等單車形式的交通事故還是會(huì)發(fā)生，雖然這幾種類型的交叉事故在總的交通事故中占有比例不多，但一旦事故發(fā)生通常后果都很嚴(yán)重，基于上述分析，筆者提出將沖突率、嚴(yán)重沖突比例、單車事故影響指數(shù)作為交叉口的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1 沖突率

沖突率（conflict rate，CR）是交叉口發(fā)生的沖突數(shù)與交叉口所有進(jìn)口的交通量之比來確定的，反映了交叉口沖突發(fā)生的頻率

式中：NC（number of conflicts）為交叉口發(fā)生的沖突數(shù)，交叉口發(fā)生的沖突數(shù)通常采用觀測(cè)小時(shí)的時(shí)均沖突數(shù)，包括嚴(yán)重沖突和非嚴(yán)重沖突；TEV（total entry volume）為交叉口所有進(jìn)口的交通量，通常為交叉口時(shí)均混合當(dāng)量交通量（折算為標(biāo)準(zhǔn)小汽車后），反映了交叉口的交通水平，即交通組成、交通流向、交通量及交通分配等。

1.2 嚴(yán)重沖突比例

嚴(yán)重沖突比例（ratio of serious conflicts，RSC）為嚴(yán)重沖突數(shù)占所有發(fā)生沖突數(shù)的比例，嚴(yán)重沖突比例反映了交叉口發(fā)生沖突的嚴(yán)重程度，將沖突率與嚴(yán)重沖突比例結(jié)合更好地表達(dá)了交叉口的安全程度。

式中：NSC（number of serious conflicts）為交叉口嚴(yán)重沖突數(shù)，由于交叉口內(nèi)存在多種類型的沖突，嚴(yán)重沖突比例的計(jì)算需要考慮不同類型間的嚴(yán)重程度差別，參考已有研究成果并根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同類型沖突權(quán)重確定如下：機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車沖突、機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車沖突、機(jī)動(dòng)車與行人沖突權(quán)重分別為0.20，0.30，0.45［11］。機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車交叉沖突、合流沖突、分流沖突相對(duì)權(quán)重為3，1.5，1［12］。

1.3 單車事故影響指數(shù)

單車事故影響指數(shù)（influence index for single－vehicle accident，IISA）是交叉口幾何設(shè)計(jì)、交通環(huán)境及其他設(shè)施可能導(dǎo)致車輛發(fā)生單車事故的不合理程度的1個(gè)綜合值，由下式得到：

式中：wi為每1種影響因素對(duì)安全影響的權(quán)重；xi為每種因素對(duì)單車事故的影響程度。

影響車輛發(fā)生單車事故的原因較多，經(jīng)過相關(guān)資料的查閱，單車事故的發(fā)生與交通量、交叉口渠化、交通管制關(guān)系不大，而主要與固定物的設(shè)置、車速等交通環(huán)境因素有關(guān)。國外Koji Mizuno等人也對(duì)交叉口單車事故進(jìn)行了研究，當(dāng)車輛行駛與周圍交通環(huán)境不相容時(shí)，單車事故致死率將會(huì)增加很多。交叉口單車事故影響因素主要包括幾何因素和環(huán)境因素［13］。

單車事故影響指數(shù)確定需要2個(gè)參數(shù)，權(quán)重wi主要依據(jù)已有的研究成果，由專家對(duì)各因素打分評(píng)判，并對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，經(jīng)計(jì)算得到了各專家的權(quán)重結(jié)果，取各專家權(quán)重的算術(shù)平均值作為最終的權(quán)重值。影響程度xi則是依據(jù)各因素安全程度的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，根據(jù)實(shí)際交叉口情況得到各因素的安全評(píng)分。為使評(píng)分更加客觀，本文通過對(duì)現(xiàn)有研究成果以及實(shí)際上路調(diào)查結(jié)果的總結(jié)［13－16］，設(shè)計(jì)出了較為完善、詳細(xì)的單車事故主要影響因素權(quán)重調(diào)查表，見表1和表2。

表1 交通環(huán)境中主要影響因素權(quán)重調(diào)查表Tab.1 Weights questionnaire of major influencing factors on traffic environment

表2 幾何特征中主要影響因素權(quán)重調(diào)查表Tab.2 Weights questionnaire of major influencing factors on intersection geometry property

2 指標(biāo)定權(quán)灰色聚類評(píng)價(jià)方法

針對(duì)道路交叉口交通安全信息不完全的特點(diǎn)，運(yùn)用灰色理論的“非惟一性”原理，對(duì)少量已知信息的篩選、加工、延伸和擴(kuò)展，采用定性和定量分析相結(jié)合的方法，將交通安全水平確定在某一灰色區(qū)域內(nèi)，達(dá)到評(píng)價(jià)道路交通安全水平的目的。

灰色聚類評(píng)價(jià)是基于灰色關(guān)聯(lián)矩陣或灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)將一些觀測(cè)指標(biāo)或觀測(cè)對(duì)象聚焦成若干個(gè)可定義類別的評(píng)價(jià)方法。筆者選取進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的3個(gè)參數(shù)，嚴(yán)重沖突比例、沖突率，以及單車事故指數(shù)在意義上和數(shù)量上均有較大不同，因此，對(duì)于公路交叉口安全評(píng)價(jià)選用指標(biāo)定權(quán)聚類評(píng)價(jià)方法［17－18］。

針對(duì)公路平面交叉口交通安全狀況，指標(biāo)定權(quán)聚類評(píng)價(jià)方法具體步驟如下。

1）建立安全評(píng)價(jià)的初始矩陣。設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)j∈｛1，2，…，m｝，評(píng)價(jià)對(duì)象i∈｛1，2，…，n｝，則評(píng)價(jià)樣本矩陣D為

2）確定灰類及白化值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析每一指標(biāo)的累積百分頻率，確定不同累積百分頻率所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，作為灰類的白化值。與交叉口安全相一致，對(duì)應(yīng)交叉口特別安全（A）、一般安全（B）、臨界安全（C）、不安全（D）4種安全狀態(tài)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選取15%，85%累積百分頻率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)來確定A和D的值，選取40%和60%累積百分頻率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)來確定B和C的值。4個(gè)累積百分頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的λ1，λ2，λ3和λ4分別為指標(biāo)的白化值。

3）建立灰類的白化權(quán)函數(shù)。平面交叉口安全評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)的4個(gè)灰類白化權(quán)函數(shù)為

4）根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)、定性分析結(jié)論，采用vague法給定各指標(biāo)的聚類權(quán)ηj。vague集法通過建立決策偏好矩陣，構(gòu)造一致性矩陣，并考慮評(píng)估者對(duì)各指標(biāo)偏好評(píng)估值的相對(duì)一致性測(cè)度，獲得決策者對(duì)各指標(biāo)偏好評(píng)估值的相對(duì)一致性測(cè)度的凸組合權(quán)，保障了權(quán)重的確定更合理、接近實(shí)際情況，目前已經(jīng)有學(xué)者基于vague集確定權(quán)重進(jìn)行了研究，并用實(shí)例證明了運(yùn)用vague集確定權(quán)重效果良好，能更好、更準(zhǔn)確地表達(dá)所謂的不確定性信息［19－20］。

選取沖突率、嚴(yán)重沖突比例、單車事故影響指數(shù)3個(gè)指標(biāo)，應(yīng)用基于vague集的指標(biāo)權(quán)重確定方法確定該3個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，指標(biāo)集為X＝（x1，x2，x3）（嚴(yán)重沖突比例、沖突率、單車事故影響指數(shù)）。邀請(qǐng)交通安全研究相關(guān)的專家組成決策群體，決策群體為集合D＝（d1，d2，…，d6）。并由他們根據(jù)專業(yè)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)就3個(gè)指標(biāo)的重要性提出vague評(píng)估值決策矩陣。對(duì)于各專家的評(píng)判值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并與實(shí)際相結(jié)合，獲得的各指標(biāo)的權(quán)重分別為

5）計(jì)算指標(biāo)定權(quán)聚類評(píng)估值，進(jìn)行灰聚類分析評(píng)價(jià)。從上述得出的白化權(quán)函數(shù)聚類權(quán)ηj以及對(duì)象i關(guān)于j指標(biāo)的樣本算出指標(biāo)定權(quán)聚類評(píng)估值，標(biāo)定權(quán)聚類函數(shù)為

為衡量交叉口所提供的交通安全狀況等級(jí)，使得上述指標(biāo)定權(quán)聚類評(píng)價(jià)方法能夠在具體實(shí)際中得到應(yīng)用，根據(jù)以上調(diào)整數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)結(jié)果，R 值對(duì)應(yīng)于4個(gè)安全狀況等級(jí)，公路平面交叉口安全水平等級(jí)劃分為優(yōu)（特別安全A）、良（一般安全B）、中（臨界安全C）、差（不安全D），結(jié)合相關(guān)研究和研究人員對(duì)實(shí)際交叉口安全狀況的感受，給出每個(gè)等級(jí)的具體定性描述。

A 級(jí)。各種交通設(shè)施設(shè)置合理完善，交通運(yùn)行次序較好，使用者通過交叉口沒有緊張感，各類使用者通過交叉口基本沒有交通安全心理壓力，感覺很安全。

B級(jí)。各種交通設(shè)施設(shè)置較為合理完善，交通運(yùn)行次序尚可，使用者通過交叉口稍有緊張感，經(jīng)過交叉口交通安全心理壓力不大，感覺比較安全。

C級(jí)。各種交通設(shè)施設(shè)置不甚合理，交通運(yùn)行次序較差，使用者通過交叉口有一定的緊張感，經(jīng)過交叉口交通安全心理壓力較大，感覺不太安全。

D 級(jí)。較多交通設(shè)施設(shè)置不合理，交通運(yùn)行次序差，使用者通過交叉口有緊張感，經(jīng)通過交叉口有很大交通安全心理壓力，感覺不安全。

3 實(shí)例分析

采用指標(biāo)定權(quán)灰色聚類評(píng)價(jià)方法，本文共選取了江蘇省的國道、省道上20個(gè)典型的公路信號(hào)交叉口和無信號(hào)交叉口進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，依據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

1）交叉口安全評(píng)價(jià)對(duì)象為20個(gè)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為3個(gè)，根據(jù)嚴(yán)重沖突比例、沖突率以及單車事故指數(shù)3個(gè)指標(biāo)的調(diào)查數(shù)據(jù)，建立安全評(píng)價(jià)的初始矩陣D如下。

2）由實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)上述測(cè)量方法，確定交叉口各指標(biāo)不同安全級(jí)別的白化值見表3。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)中不同灰類的白化值Tab.3 Whiting values for different gray categories

3）計(jì)算白化權(quán)函數(shù)值，并根據(jù)聚類權(quán)值得出聚類評(píng)估值，聚類評(píng)估值反映出每1個(gè)交叉口對(duì)不同安全級(jí)別的隸屬度，見表4。

4）對(duì)于每1個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，最大的指標(biāo)定權(quán)聚類評(píng)估值所對(duì)應(yīng)k值即為評(píng)價(jià)對(duì)象的安全狀態(tài)。由表中數(shù)據(jù)得到安全評(píng)價(jià)結(jié)果如下：交叉口序號(hào)1，3，10聚類評(píng)估值最大值對(duì)應(yīng)k值為4，即為不安全交叉口；2，9，15為臨界安全交叉口；5，6，11，17為一般安全交叉口；4，7，8，12，13，14，16，18，19，20為安全交叉口。因此，序號(hào)1，3，10交叉口安全性最差，應(yīng)是交通安全改善的重點(diǎn)。

5）為驗(yàn)證本文提出的評(píng)價(jià)方法的合理性，在采集交叉口所需數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行交叉口整體安全性的主觀評(píng)價(jià)，選擇評(píng)價(jià)人員為有經(jīng)驗(yàn)的安全研究人員，根據(jù)自己的交叉口交通安全知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以上20 個(gè)交叉口的安全性進(jìn)行評(píng)判打分（100分），并將主觀評(píng)價(jià)的安全水平進(jìn)行4 個(gè)等級(jí)劃分不安全［0，60］、臨界安全［60，80］、一般安全［80，90］、特別安全［90，100］，評(píng)價(jià)結(jié)果匯總見表5。由表5可見，筆者提出的評(píng)價(jià)方法和主觀評(píng)價(jià)的安全等級(jí)劃分結(jié)果具有良好的一致性。

表4 不同灰類的評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation values for different gray categories

表5 傳統(tǒng)主觀評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Evaluation values with traditional method

4 結(jié)束語

筆者基于沖突技術(shù)及交通安全因素分析，針對(duì)目前指標(biāo)選擇的不足，提出了公路交叉口安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用指標(biāo)定權(quán)灰色聚類的評(píng)價(jià)方法，能夠有效提取數(shù)據(jù)信息，與傳統(tǒng)主觀評(píng)價(jià)方法相比，主觀判斷往往會(huì)存在較大判斷的誤差，通過工程實(shí)踐證明，基于指標(biāo)定權(quán)灰色聚類評(píng)價(jià)方法能夠快速有效地評(píng)價(jià)交叉口的安全狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果更接近實(shí)際交通狀況。該評(píng)價(jià)方法在準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)公路平交口的交通安全狀況、確定區(qū)域范圍內(nèi)交叉口的交通安全改善順序方面有著重要意義。筆者所提出的方法基于實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，受樣本量的影響較大，后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大樣本覆蓋面，更準(zhǔn)確確定不同安全水平的白化值，以提高評(píng)價(jià)方法的適用性。

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