基于模糊理論的雙車道公路線形安全評價

季新年，樊　軍，陳一飛

基于模糊理論的雙車道公路線形安全評價

季新年1，樊軍2，陳一飛2

（1.江蘇省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，江蘇南京 210001；2.解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007）

雙車道公路由于建設(shè)投資、地形地貌等諸多因素限制，在進(jìn)行公路線形設(shè)計時常采用規(guī)范規(guī)定的極限指標(biāo)，存在一定的安全隱患，實(shí)際運(yùn)營中交通事故率較高。文章以模糊數(shù)學(xué)理論為指導(dǎo)，建立雙車道公路的幾何線形安全評價體系，確定安全評價打分標(biāo)準(zhǔn)，建立相關(guān)隸屬函數(shù)，對各安全評價指標(biāo)賦權(quán)，最終評價雙車道公路整體線形的安全等級以提出針對性的工程改善對策。

雙車道公路；模糊理論；線形設(shè)計；安全評價

近年來我國公路通車?yán)锍坛掷m(xù)增長，機(jī)動車數(shù)量大幅增加，公路交通事故頻發(fā)，道路交通安全已成為比較嚴(yán)重的社會問題。截至2013年底，二、三級公路里程約占我國等級公路里程的20%，而交通事故數(shù)量、受傷人數(shù)、死亡人數(shù)在道路交通事故總數(shù)中占比較高［1］。一個重要的因素是在初期建造時公路的幾何線形設(shè)計采用了較多極限技術(shù)指標(biāo)，尤其山區(qū)雙車道公路不少是以設(shè)計車速為依據(jù)，導(dǎo)致線形設(shè)計存在較多安全隱患。本文采用模糊評價理論，對某山區(qū)雙車道公路在改建之前進(jìn)行了線形安全性評價。

該山區(qū)雙車道公路全線按二級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，改建路段全長26 km，選取其中約5 km （K1+000～K5+863.275）的路段進(jìn)行安全評價。評價路段共有平面交點(diǎn)10個，其中平曲線最小半徑為130.00 m，位于JD13（K4+138.417）處，且此處無豎曲線，選取此路段為評價對象。

1　評價體系建立

雙車道公路在平面、縱斷面線形方面由于受到投資限制，較多地隨地形走勢布線，因此線形安全評價的重點(diǎn)是平面和縱斷面線形指標(biāo)，同時考慮駕駛員實(shí)際駕駛安全和舒適方面的需求，篩選出主要的評價指標(biāo)。建立公路線形安全評價3層結(jié)構(gòu)體系，一級指標(biāo)包括速度、線形、舒適性、連續(xù)性、彎道密度；速度指標(biāo)考慮兩方面的差異性，即設(shè)計速度與運(yùn)行速度的差異，相鄰路段運(yùn)行速度的差異；線形指標(biāo)考慮離散程度，即平曲線半徑與平均半徑的偏離度，縱斷面豎曲線曲率與平均曲率的偏離度。具體指標(biāo)如圖1所示。

圖1　公路線形安全性評價指標(biāo)體系

設(shè)計速度與運(yùn)行速度差值Δv按下式計算：

式中：V85i為評價路段上第85位百分點(diǎn)的車輛行駛速度（簡稱運(yùn)行速度），本文中運(yùn)行速度根據(jù)《公路項目安全性評價指南》［2］（以下簡稱《指南》）確定。

相鄰路段運(yùn)行速度比值RV按下式計算：

式中：V85i，V85i-1分別為當(dāng)前路段和前一路段第85位百分點(diǎn)的運(yùn)行速度。

單曲線半徑與平均半徑之比KR按下式計算：

式中：R設(shè)計值為評價圓曲線的半徑R設(shè)計值；Ri，Li分別為第i個圓曲線的半徑和長度。

單豎曲線率與平均豎曲線率之比Kv按下式計算：

式中：Li為路段上第i個豎曲線長度；Ai為路段上第i個豎曲線上坡度代數(shù)差的絕對值；n為路段豎曲線的個數(shù)。

舒適性指標(biāo)ah按下式計算：

式中：RP為評價圓曲線上某點(diǎn)的曲率半徑；v為圓曲線上的運(yùn)行速度。

總體線形連續(xù)性評價指標(biāo)C按下式計算：

式中：Li，Vi分別為評價第i個路段所對應(yīng)的長度和運(yùn)行速度；Vavg為平均運(yùn)行速度；A為回歸參數(shù)；n為路段數(shù)。

2　單因素評判

參考相關(guān)文獻(xiàn)［3-4］，依據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)（由各單因素直接計算值查表1確定對應(yīng)的評價等級，根據(jù)表2內(nèi)插得到對應(yīng)的百分制得分）確定路線各指標(biāo)的得分值，見表3。

表1　公路線形安全指標(biāo)評判表

表2　公路幾何線形安全評價指標(biāo)分值區(qū)間

表3　路線各指標(biāo)得分值

3　計算隸屬度

模糊關(guān)系矩陣R（［rij］）是因素論域u=｛Δv，RV， KR，Kv，ah，C，KD｝到評語等級論域V=｛優(yōu)，良，差｝的模糊子集，其中rij是第i個評判因素ui屬于第j個評語等級的程度［5］。

為了反映雙車道公路幾何線形安全指標(biāo)值的優(yōu)劣性，采用隸屬度描述各指標(biāo)屬于某種評語的模糊程度，隸屬度由以下隸屬函數(shù)式?jīng)Q定。

由此，根據(jù)表2計算得分和隸屬函數(shù)式得出各指標(biāo)的隸屬度，并將其歸一化可得：

4　模糊綜合評價

確定不同指標(biāo)的權(quán)重向量W，采用層次分析法來確定雙車道公路幾何線形安全評價一級指標(biāo)的權(quán)重，采用主客觀組合賦權(quán)法確定其二級指標(biāo)的權(quán)重。通過計算分析，得出線形安全評價體系中一級指標(biāo)的判斷矩陣和二級指標(biāo)的權(quán)重分別如表4和表5所示。

表4　一級指標(biāo)判斷矩陣

表5　二級指標(biāo)的權(quán)重

采用由綜合二級指標(biāo)評價得到一級指標(biāo)，再綜合一級指標(biāo)的評價結(jié)果得到線形安全性的總體評價結(jié)果，以優(yōu)、良、差3個等級表示。

根據(jù)確定的二級指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，按照模糊關(guān)系式可得速度指標(biāo)B1的隸屬度為：

線形指標(biāo)B2的隸屬度為｛0.072，0.403，0.525｝；舒適性指標(biāo)B3、連續(xù)性指標(biāo)B4、彎道密度指標(biāo)B5的隸屬度分別為｛0.097，0.5，0.403｝、｛0.63，0.37，0｝、｛0，0.47，0.53｝。

根據(jù)確定的一級指標(biāo)權(quán)重系數(shù)及模糊關(guān)系式，得出評價道路的幾何線形總體安全性模糊綜合評價結(jié)果為：

按照最大隸屬度原則，由以上模糊綜合評價結(jié)果可知，該山區(qū)雙車道公路的安全評價等級為“良”。計算得到的線形安全指數(shù)為：ASI = 90×0.339 +70× 0.463 + 50×0.198=72.82。

從得到的線形安全指數(shù)可以看出，該山區(qū)雙車道公路的總體安全狀況較好，但是在一些具體的指標(biāo)如ah、Kv、KD，即舒適性、連續(xù)性、彎道密度等方面，評價結(jié)果并不理想?？梢葬槍ζ角€曲率、交點(diǎn)數(shù)量等，相應(yīng)地采取一些改造工程措施，如將JD13位置利用彎道內(nèi)側(cè)平臺拓寬增大平曲線半徑，K2+130處削坡降低縱斷面坡度等［6］，從而提高公路整體交通運(yùn)營安全水平。

5　結(jié)語

采用模糊數(shù)學(xué)理論方法，對影響山區(qū)雙車道公路路線安全的多因素進(jìn)行綜合考慮，得到整體的評價結(jié)果和各指標(biāo)評價結(jié)果。對改建工程的幾何線形方案進(jìn)行安全性評價，提出針對性的工程改善措施，為提高雙車道公路安全水平提供理論參考。

［1］交通運(yùn)輸部.2013年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［R］.2014.

［2］JTG/T B05—2004公路項目安全性評價指南［S］.

［3］李建士.路線安全設(shè)計方法的研究與應(yīng)用［D］.西安：長安大學(xué)，2004.

［4］李志宏.雙車道公路線形安全性研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

［5］楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005.

［6］郭忠印，方守恩.道路安全工程［M］.北京：人民交通出版社，2003.

Alignment Safety Evaluation for Double-Lane Highway Based on Fuzzy Theory

Ji Xinnian1， Fan Jun2， Chen Yifei2
（1. Quality Supervision Bureau of Transportation Department of Jiangsu Province， Nanjing 210001， China；2. PLA University of Science and Technology， Nanjing 210007， China）

Due to limits of the investment， terrain and many other restrictions， limit indicators are often used in the double-lane highway alignment design， which causes more safety problems and higher accident rates. Based on Fuzzy theory， a alignment safety evaluation system for double-lane highway is established to determine the scoring criteria， the membership function of each index empowerment is established， the final evaluation of the safety level of the overall alignment is got， evaluation results could be taken as reference for engineering improvement.

double-lane highway； Fuzzy theory； alignment design； safety evaluation

U491.21

A

1672-9889（2015）01-0051-03

季新年（1967-），男，江蘇興化人，工程師，主要從事公路水運(yùn)工程質(zhì)量監(jiān)督和安全監(jiān)管工作。

（2014-06-03）