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(quán)法相結(jié)合的算法確定各指標的權(quán)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(yīng)用于黑龍江省高速公路，得出安全評分并提出對應(yīng)的改進措施。

關(guān)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(guān)注，因其特殊氣候條件和環(huán)境因素容易引發(fā)事故。該文以中國黑龍江省為例，詳細研究了該地區(qū)寒地高速公路的事故發(fā)生區(qū)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(quán)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(qū)高速公路交通安全提供科學(xué)依據(jù)，以支持當?shù)亟?jīng)濟和社會發(fā)展。同時，這些研究成果也為其他寒冷地區(qū)或具有相似氣候特點地區(qū)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(fā)生特點

寒地高速公路事故發(fā)生率受到特殊的環(huán)境條件影響，尤其是不良天氣條件下。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，不良天氣條件下的交通事故約占總事故數(shù)的50%左右[1]。

1.1 路面摩擦系數(shù)變化大

在低溫寒冷地區(qū)，道路表面容易出現(xiàn)結(jié)冰和積雪，這直接影響了路面的摩擦系數(shù)。積雪被車輛碾壓后，路面變得光滑，摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)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(cè)向風(fēng)力增加

側(cè)風(fēng)增加會導(dǎo)致車輛側(cè)面受力面積較大，容易受到側(cè)風(fēng)的推動，進而影響駕駛穩(wěn)定性，增加交通事故的風(fēng)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(jīng)驗和技能。經(jīng)驗豐富且熟練的駕駛員更容易應(yīng)對緊急情況和復(fù)雜的道路狀況，減少事故的發(fā)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(yīng)速度和決策能力。疲勞駕駛可能導(dǎo)致注意力不集中、反應(yīng)遲緩，從而增加了事故風(fēng)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(huán)境的關(guān)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(tǒng)的效率和響應(yīng)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(fēng)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(wěn)定性。良好的輪胎性能可以提高道路附著力，減少打滑和側(cè)滑。

（3）車輛的穩(wěn)定性能。車輛的穩(wěn)定性能指的是車輛在緊急操控情況下的穩(wěn)定性和抗側(cè)翻性能。穩(wěn)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(shù)。路面的摩擦系數(shù)是路面與車輛輪胎之間的摩擦力。摩擦系數(shù)直接關(guān)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(wěn)定性和操控性產(chǎn)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(huán)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(huán)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(qū)。低溫可能導(dǎo)致道路結(jié)冰，減小路面摩擦系數(shù)，從而增加了打滑的風(fēng)險。

（3）側(cè)向風(fēng)力。側(cè)向風(fēng)力是指垂直于道路行進方向的風(fēng)力。強風(fēng)可能對高車輛產(chǎn)生側(cè)風(fēng)力，影響車輛的穩(wěn)定性，特別是在寒冷地區(qū)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(shù)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(fù)的頻率。

（3）應(yīng)急設(shè)施覆蓋率。應(yīng)急設(shè)施覆蓋率指的是在道路上設(shè)置應(yīng)急通道、避難設(shè)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(tǒng)性、層次性。根據(jù)前期確定的評價指標建立了一個如圖1所示的寒冷地區(qū)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(quán)重確定對于寒地高速公路評價至關(guān)重要，由于無論是采用主觀賦權(quán)還是客觀賦權(quán)均會，都會因為認為判斷的主觀性和各指標間的相關(guān)性而造成賦權(quán)偏差，因此該文通過層次分析法和熵權(quán)法給予權(quán)值，可以確保主觀判斷有較好的一致性，同時應(yīng)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(gòu)建判斷矩陣代表不同的評價指標，表示同一級別的指標數(shù)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(shù)量。

基于判斷矩陣的計算，得到主觀權(quán)重值Ui用AHP方法求解。

3.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種常用的綜合評價方法，充分利用原始數(shù)據(jù)的信息，結(jié)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(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)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(zhuǎn)換為非常大的指標：

MAX ?xi

步驟2：標準化，它將度量分數(shù)映射到[0，1]區(qū)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(quán)。

步驟5：合并公式得到最終權(quán)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(quán)法相結(jié)合確定權(quán)重，依據(jù)隸屬函數(shù)確定各等級的隸屬度得到模糊關(guān)系矩陣。

步驟一：建立綜合評價的因素級；設(shè)寒地高速公路交通安全要素指標集為U，u1表示附著系數(shù)，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(cè)向風(fēng)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(yīng)急設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(quán)向量。給各因素ui一個權(quán)重ai，各因素權(quán)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(quán)向量A之后，通過模糊變化將U上的模糊向量A變?yōu)閂上的模糊向量B，表示為B=A*R。

步驟六：確定系統(tǒng)總得分。其中F為系統(tǒng)總得分，S為V中相應(yīng)因素的級分。

F=B1*n*ST1*n

4 實際應(yīng)用與案例分析

4.1 案例求解過程

以黑龍江省內(nèi)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(jù)算術(shù)平均法求權(quán)重的結(jié)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(yīng)駕駛員因素D1，D21～D23對應(yīng)車輛因素D2，D31～D33對應(yīng)道路因素D3，D41～D43對應(yīng)環(huán)境因素D4，D51～D53對應(yīng)管理因素D5，其分別的權(quán)重為：

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

步驟二：熵權(quán)法計算權(quán)重，一級指標的結(jié)果為：

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

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

步驟四：模糊綜合分析評價結(jié)果確定。

首先，依據(jù)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(jié)果作為x，構(gòu)建隸屬度函數(shù)f1（x）、f2（x）、f3（x）、f4（x），根據(jù)隸屬度函數(shù)得出各指標的隸屬度，可構(gòu)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(dǎo)入模糊綜合評價矩陣R，結(jié)合權(quán)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(xiàn)危險情況概率最大，而哈爾濱——綏化路段出現(xiàn)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(fā)，高速公路路面常處于濕滑狀態(tài)，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(yīng)具有一定的不平度且具有自動排水能力；同時，路面應(yīng)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(jié)構(gòu)，設(shè)計時應(yīng)增大輪胎與地面的接觸面從而提高附著能力，即設(shè)計為低氣壓、寬斷面和子午線輪胎。

4.2.2 合理設(shè)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(zhuǎn)彎的路程，減少駛?cè)霃澋罆r的橫向加速度，降低因超速或轉(zhuǎn)彎過快導(dǎo)致的失控風(fēng)險。其次，增加曲線的長度使車輛更充分地適應(yīng)彎道，減緩調(diào)頭、變道等動作，提高行駛的平穩(wěn)性，降低事故的發(fā)生率。同時，在彎道處設(shè)置適當?shù)钠露瓤梢詭椭囕v在轉(zhuǎn)彎時更好地保持重心穩(wěn)定，減少側(cè)滑和翻車的危險。并在高速公路的彎道處適當設(shè)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(wěn)定性。

5 結(jié)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(quán)法、模糊分析法等算法對各項指標進行系統(tǒng)處理與科學(xué)分析，根據(jù)理論數(shù)據(jù)展開討論并提出相應(yīng)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(xiàn)危險情況概率最大，而哈爾濱——綏化路段出現(xiàn)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

[1]王曉輝. 寒地高速公路事故應(yīng)急交通組織方法研究[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)， 2020.

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

[3]盧川， 王朝陽， 項喬君， 等. 高速公路出口匝道交通安全評價方法研究[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù)， 2011（6）： 60-63.

[4]張航， 李明. 高速公路道路安全性模糊綜合評價應(yīng)用研究[J]. 工程與建設(shè)， 2020（1）： 1-4.

[5]邵晗， 高世柱， 李秀君， 等. 基于模糊層次分析法的某高速公路事故多發(fā)路段安全性綜合評價[J]. 中國水運， 2019（12）： 20-21+58.