基于模糊邏輯理論的公路路側(cè)安全度評(píng)價(jià)方法

吳德華，林　毅，林庚釵

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州　350108)

基于模糊邏輯理論的公路路側(cè)安全度評(píng)價(jià)方法

吳德華*，林毅，林庚釵

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350108)

為了克服傳統(tǒng)經(jīng)典集合理論在處理公路路側(cè)安全問題時(shí)的局限性，引入模糊邏輯理論，利用其在處理“亦此亦彼”模糊問題時(shí)的優(yōu)越性對(duì)公路路側(cè)安全度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)；構(gòu)建了由路側(cè)凈區(qū)寬度滿足率、離散危險(xiǎn)物密度、離散危險(xiǎn)物平均橫向距離、連續(xù)危險(xiǎn)物密度、連續(xù)危險(xiǎn)物平均橫向間距、路側(cè)深度變量6個(gè)指標(biāo)組成的公路路側(cè)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；隨后確定經(jīng)典集合理論下的評(píng)價(jià)閾值區(qū)間和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及確定模糊邏輯理論下的模糊集合和隸屬函數(shù)，利用案例對(duì)比分析了基于經(jīng)典集合理論和模糊集合理論的評(píng)價(jià)結(jié)果，分析結(jié)果表明基于模糊邏輯理論的公路路側(cè)安全度評(píng)價(jià)方法比基于傳統(tǒng)經(jīng)典集合理論的公路路側(cè)安全度評(píng)價(jià)方法更加精確。

公路運(yùn)輸；安全度評(píng)價(jià)；模糊邏輯理論；公路路側(cè)；量化評(píng)價(jià)

據(jù)統(tǒng)計(jì)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[1]。由此可見，如何對(duì)設(shè)計(jì)階段或運(yùn)營(yíng)階段的公路路側(cè)特征進(jìn)行定量安全評(píng)價(jià)，提出相應(yīng)的路側(cè)安全防護(hù)或改善措施，對(duì)提高公路路側(cè)安全水平，降低路側(cè)交通事故的傷亡率具有重要意義。Zegeer等人根據(jù)路側(cè)凈區(qū)寬度、邊坡高度、是否設(shè)置護(hù)欄、是否存在堅(jiān)硬危險(xiǎn)物等路側(cè)特征將路側(cè)危險(xiǎn)程度分為七級(jí)[2]；我國(guó)2004年交通部頒布《公路安全保障工程實(shí)施技術(shù)指南》將路側(cè)危險(xiǎn)程度分為四級(jí)[3]。這些研究成果仍然屬于定性的分級(jí)，2004年交通部西部科技項(xiàng)目《路側(cè)安全等級(jí)評(píng)估及防護(hù)方法研究》提出了基于灰色聚類理論的四級(jí)路側(cè)安全等級(jí)評(píng)估方法[4]，實(shí)現(xiàn)了路側(cè)危險(xiǎn)程度的定量化評(píng)價(jià)，但是該評(píng)估體系由道路線形、交通量、路側(cè)歷史事故和路側(cè)特征四大類組成，要依賴于交通量和歷史事故。公路路側(cè)特征應(yīng)該是一種客觀屬性，其安全水平在路側(cè)特征沒有變化的情況下就是一種客觀存在，不隨交通量或歷史事故的改變而發(fā)生變化。本文借鑒文獻(xiàn)[5]研究成果基礎(chǔ)上，引入模糊邏輯理論對(duì)公路路側(cè)安全度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)研究。

1　模糊邏輯理論與公路路側(cè)安全度

1.1模糊邏輯理論

1965年美國(guó)自動(dòng)控制專家L.A.Zadeh首先提出模糊集合和模糊函數(shù)的概念，1966年 P.N. Marinos發(fā)表了關(guān)于模糊邏輯的研究報(bào)告[6]。模糊邏輯是通過模仿人的思維方式來表示和分析不確定、不精確信息的方法和工具。模糊邏輯本身并不模糊，它并不是“模糊的”邏輯，而是用來對(duì)“模糊”(現(xiàn)象、事件)進(jìn)行處理，以達(dá)到消除模糊的邏輯。

傳統(tǒng)的經(jīng)典集合在處理非此即彼問題時(shí)具有優(yōu)越性，但是在處理亦此亦彼問題顯示出局限性，模糊邏輯承認(rèn)真值(True)與假值(False)的中間過渡性，認(rèn)為事物在形態(tài)和類屬方面“亦此亦彼”，模棱兩可，相鄰中介之間是相互交叉和滲透的；它不依賴于模型，用語(yǔ)言來表示變量，用規(guī)則進(jìn)行模糊推理，處理事物；對(duì)于多因素的復(fù)雜狀況，模糊往往顯示出更大的精確性[7，8]。

1.2公路路側(cè)安全度的模糊性

公路路側(cè)安全度或公路路側(cè)危險(xiǎn)度是一個(gè)模糊的概念，即其內(nèi)涵和外延是模糊的，不清晰的，因此往往在安全與不安全之間很難劃定出明確合理的界限?，F(xiàn)有對(duì)公路路側(cè)安全或危險(xiǎn)等級(jí)的劃分和評(píng)價(jià)方法主要是建立在傳統(tǒng)的經(jīng)典集合基礎(chǔ)上，對(duì)路側(cè)安全狀況的等級(jí)劃分和評(píng)價(jià)過于絕對(duì)化，評(píng)價(jià)結(jié)果為同一安全等級(jí)水平的路側(cè)安全度，其內(nèi)涵真正的安全性差別無(wú)法體現(xiàn)出來。鑒于模糊邏輯理論在處理類似“亦此亦彼”模糊問題時(shí)的優(yōu)越性，公路路側(cè)安全度的度量采用模糊邏輯理論進(jìn)行確定。

2　公路路側(cè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

公路路側(cè)安全度應(yīng)該由公路路側(cè)特征決定的，公路路側(cè)特征在公路建成通車時(shí)應(yīng)該已經(jīng)定型(不包括通車后公路兩側(cè)非法入侵占道、邊坡滑坡等特殊情況)且基本保持恒定不變。

與公路路側(cè)特征直接相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)有路側(cè)凈區(qū)寬度滿足率(I1)，離散危險(xiǎn)物密度(I2)、離散危險(xiǎn)物平均橫向距離(I3)、連續(xù)危險(xiǎn)物密度(I4)、連續(xù)危險(xiǎn)物平均橫向間距(I5)、路側(cè)深度變量(I6)等[1]，這些指標(biāo)與公路路側(cè)安全之間有直接的關(guān)系。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將以上6個(gè)指標(biāo)按照一定的權(quán)重進(jìn)行組合，簡(jiǎn)化成一個(gè)綜合指標(biāo)RSI:

式中RSI為表征路側(cè)安全度指標(biāo)，Wi為指標(biāo)Ii的權(quán)重，參考《道路安全技術(shù)》，確定6個(gè)指標(biāo)的權(quán)重向量W＝(0.50，0.02，0.06，0.04，0.08，0.30)T。

路側(cè)凈區(qū)寬度滿足率:I1＝CZ/W，CZ為評(píng)價(jià)路段的實(shí)際路側(cè)凈區(qū)寬度(m)；W為路側(cè)凈區(qū)寬度規(guī)定最小值(m)。

離散危險(xiǎn)物密度:I2＝n/L×1000，n為評(píng)價(jià)路段內(nèi)的離散危險(xiǎn)物數(shù)量(凈區(qū)內(nèi)直徑大于10 cm的行道樹、交通標(biāo)志立柱、燈桿、孤石、涵洞口、橋墩等縱向長(zhǎng)度小于3 m的設(shè)施或構(gòu)造物)，L為評(píng)價(jià)路段長(zhǎng)度(km)。

路側(cè)深度:I6取值按路面至路側(cè)懸崖、溝壑、邊坡或路肩擋墻底部的高度，為設(shè)置防撞護(hù)欄且臨近路側(cè)下方有湖泊、河流、水庫(kù)等水體或鐵路線的路段可令I(lǐng)6＝15 m。

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)級(jí)閾值見表1。

表1　各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)閾值區(qū)間

利用功效系數(shù)法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化如下:

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為正向指標(biāo)(數(shù)值越大越理想)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為:

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)為反向指標(biāo)(數(shù)值越大越不理想)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為:

表2　公路路側(cè)安全度指標(biāo)RSI評(píng)價(jià)閾值區(qū)間

以上基于RSI組合指標(biāo)確定的公路路側(cè)安全度評(píng)價(jià)(表2)是建立在傳統(tǒng)經(jīng)典集合理論基礎(chǔ)上的評(píng)價(jià)方法，該方法的主要缺點(diǎn)是對(duì)安全等級(jí)的劃分過于絕對(duì)，容易掩蓋較有價(jià)值信息，反而達(dá)不到精確表達(dá)的目的。

3　模糊邏輯理論在公路路側(cè)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的經(jīng)典集合理論中，公路路側(cè)安全性只能屬于其中的一個(gè)集合(優(yōu)、良、中、差)，評(píng)價(jià)結(jié)果過于絕對(duì)化，為了實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)中的過渡性和連續(xù)性，對(duì)公路路側(cè)安全性進(jìn)行更加科學(xué)的區(qū)分，引進(jìn)模糊邏輯理論。

3.1模糊集的確定

3.2隸屬函數(shù)的確定

模糊集合中的元素屬于該集合的程度，可從0～1之間連續(xù)的變化，并以“隸屬度”來表示。模糊集合中的特征函數(shù)，被稱為:“隸屬函數(shù)”。按照模糊邏輯理論的語(yǔ)言變量，定義論域 U＝[100，0]，在U上建立評(píng)價(jià)公路路側(cè)安全度的四個(gè)模糊集，用指派方法，采用梯形分布，建立模糊集的隸屬函數(shù)如下:

圖1　隸屬函數(shù)

根據(jù)確定的隸屬函數(shù)，可以得到公路路側(cè)安全性對(duì)于各模糊集(優(yōu):A～(x)，良:B～(x)，中: C～(x)，差:D～(x))的隸屬度。由圖1可以看出，模糊邏輯理論的應(yīng)用使得路側(cè)安全性以不同的隸屬度屬于不同的模糊集，安全概念的邊界被模糊化，安全水平的變化是漸進(jìn)的。路側(cè)安全水平的差異不僅表現(xiàn)在其所隸屬的模糊集之間的差別，而且表現(xiàn)在其對(duì)于同一模糊集的隸屬度的差別，從而可以更加精確地區(qū)分不同路段路側(cè)的安全水平差異。

4　案例分析

某國(guó)道設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h，現(xiàn)有三個(gè)路段，路段一上行方向右側(cè)K112.2～K111.500，凈區(qū)寬度約為1.0 m，路側(cè)深度約3 m；路段二上行方向右側(cè)K152.5～K153.5，凈區(qū)寬度約為2.0 m，路側(cè)深度0.8 m；路段三下行方向右側(cè)K97.4～K98.3，凈區(qū)寬度約2.5 m，路側(cè)深度0.5 m，三個(gè)路段內(nèi)的危險(xiǎn)物分布情況見表3。

表3　評(píng)價(jià)路段內(nèi)的危險(xiǎn)物分布情況

根據(jù)公路路側(cè)安全綜合指標(biāo)RSI計(jì)算公式(1)，以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)閾值及無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化方法，可以得到三個(gè)路段的綜合指標(biāo)RSI值分別為44.51、73.32、85.44(計(jì)算過程見表4)，根據(jù)公路路側(cè)安全度指標(biāo)RSI評(píng)價(jià)閾值區(qū)間，可以得到三個(gè)路段的公路路側(cè)安全性等級(jí)水平為中、良和優(yōu)。模糊集合評(píng)價(jià)的三個(gè)路段的安全水平為中(隸屬度0.78)，良(隸屬度1.00)、優(yōu)(隸屬度0.54)，顯然可以更加精確地表征公路路側(cè)的安全水平(見表5)。以路段三為例，基于模糊邏輯理論的評(píng)價(jià)結(jié)果說明該路段路側(cè)安全度屬于優(yōu)的隸屬度為0.54，屬于良的隸屬度為0.36，說明路側(cè)安全水平其實(shí)是連續(xù)的，可以逐漸過渡的，這與傳統(tǒng)的安全概念有較大差異。

表4　傳統(tǒng)經(jīng)典集合理論評(píng)價(jià)結(jié)果

表5　傳統(tǒng)經(jīng)典集合與模糊集合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

5　結(jié)論

由于經(jīng)典集合理論的局限性和公路路側(cè)安全度本身的模糊性，利用模糊邏輯理論在處理“亦此亦彼”模糊問題時(shí)的優(yōu)越性，運(yùn)用公路路側(cè)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)RSI對(duì)公路路側(cè)安全度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)研究，在確定其模糊集合及隸屬函數(shù)后，進(jìn)行了案例分析，結(jié)果表明基于模糊邏輯理論的公路路側(cè)安全度評(píng)價(jià)方法比傳統(tǒng)經(jīng)典集合理論更加精確，更能詮釋公路路側(cè)安全水平的涵義。

[1]何勇，唐琤琤.道路交通安全技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2008.

[2]交通部公路安全保障工程技術(shù)組.公路安全保障工程實(shí)施技術(shù)指南[M].北京:人民交通出版社2007.

[3]D.L.Ivey，C.V.Zegeer.In Utilities Roadside Safety.State of the Art Report No.9[R].Washington.DC:Transportation Research Board，2004:18-21.

[4]高海龍，李長(zhǎng)城.路側(cè)安全設(shè)計(jì)指南[M].北京:人民交通出版社，2008.

[5]王琰，郭忠印.基于模糊邏輯理論的道路交通安全評(píng)價(jià)方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(1):47-51.

[6]Zadeh L A.Outline of a new approach to the analysis of complex systems and decision processes[J].IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics，1973，SMC 3(1):28.

[7]謝際堅(jiān)，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].3版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006.

[8]麥可·史密生，杰·弗桂能.模糊集合理論在社會(huì)科學(xué)中的應(yīng)用[M].上海:格致出版社.2012.

(責(zé)任編輯:曾晶)

Roadside Safety Evaluation Based on Fuzzy Logic Theory

WU Dehua*，LIN Yi，LIN Gengchai
(School of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，350108，China)

To overcome the limitation of classical set theory in the treatment of roadside safety problems，the fuzzy logic theory was introduced，which can help to deal with the“This and that”fuzzy problems such as the quantitative evaluation of roadside safety.It built the roadside safety comprehensive index that composed of six indictors which are satisfaction rate of roadside clear zone width、density of discrete dangerous、average horizontal distance of discrete dangerous、density of continuous dangerous、average horizontal distance of continuous dangerous、depth of roadside.After that the evaluation threshold interval and criterion were presented under the classical set theory，also the fuzzy set and membership function were proposed under the fuzzy logic theory.The case contrasted the evaluation results which based on classical set and fuzzy set theory.The results indicate that the evaluation on the roadside safety based on fuzzy set theory could be more accurate than based on the classical set theory.

highway transportation；safety evaluation；fuzzy logic；roadside；quantitative evaluation

U419

A

1000-5269(2016)01-0122-05DOI:10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.01.28

2015-04-10

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016J01230)

吳德華(1978-)，男，副教授，博士，研究方向:交通規(guī)劃與交通安全，Email:wudehua2000＠163.com.

吳德華，Email:wudehua2000＠163.com.