智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全評價研究*

蔡云, 吳澳琪, 滕金潤, 張又水, 陳森

(1.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院, 四川 成都 610039;2.汽車測控與安全四川省重點實驗室, 四川 成都 610039)

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展和普及,其在道路上的應(yīng)用越來越廣泛。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車開發(fā)和應(yīng)用過程中,須進行多方面的測試以確保其安全性和可靠性[1]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試是指在現(xiàn)實道路環(huán)境下對智能網(wǎng)聯(lián)汽車進行測試評價,旨在驗證其安全性、可靠性、適應(yīng)性等性能,其中道路安全評價特別重要。

目前對智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試道路的研究集中在封閉測試場軟硬件方面。Chen Y.等開發(fā)了一個集車輛動力學(xué)模型、傳感器模型、通信模型、控制算法、虛擬仿真器為一體并可以模擬各種復(fù)雜駕駛場景和情況的智能網(wǎng)聯(lián)汽車封閉測試場平臺[12]。Reitz B. C.等測試了多種駕駛場景和情況,包括直線駕駛、轉(zhuǎn)彎、加速和減速等,同時考慮了其他車輛和行人的存在,分析了封閉測試道路對于自動駕駛汽車測試的重要性和價值[13]。宗晨宏等基于PreScan仿真軟件、SketchUp三維繪圖軟件及MATLAB/Simulink建模軟件,建立封閉式智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下4種典型測試場景的18種測試工況,研究了封閉式智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試場對智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛性能測試的可靠性[14]。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通事故的發(fā)生是由多種相互關(guān)聯(lián)的風(fēng)險源耦合所致,單一的因素不具備表征其整體交通安全的條件,且智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全評價是多要素、多層次的,是具有復(fù)雜隨機性、定量與定性結(jié)合的綜合評價問題。為此,本文引入可以綜合考慮各指標(biāo)之間關(guān)系的層次分析法,同時考慮到層次分析法的主觀色彩較強,對于客觀數(shù)據(jù)的處理較弱[15],而熵權(quán)法能更客觀地評價各指標(biāo)對決策的影響程度[16],使用層次熵權(quán)組合模型優(yōu)化權(quán)重分配。鑒于物元可拓模型能夠充分考慮決策問題中的不確定性、模糊性和復(fù)雜性等因素,且能將定性的非數(shù)值問題轉(zhuǎn)化為可以計算的形式,實現(xiàn)定性、定量的轉(zhuǎn)換[17],將層次熵權(quán)和物元可拓模型應(yīng)用于復(fù)雜成因下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全評價,解決主、客觀權(quán)重不均的問題,并體現(xiàn)一定的模糊和隨機性,為智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全評價提供新的方法。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全評價指標(biāo)體系

智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路配備有高精度地圖、無線通信網(wǎng)絡(luò)及能模擬真實路況環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施和裝備,可以用于測試智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、安全性能等關(guān)鍵技術(shù)及其性能[18]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路的安全評價因素包括道路基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)計規(guī)范[19]、路況環(huán)境[20]、車輛性能[21]、安全措施和測試人員素質(zhì)[22]等,對這些因素進行評估和安排,可以提高道路的安全性和可靠性,為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展提供更好的支持。

1.1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全評價初始指標(biāo)確定

智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路獨有的云端控制系統(tǒng)(以下簡稱云端)可以實現(xiàn)人-車-路-云系統(tǒng)協(xié)同控制,不僅為單車決策提供有效信息,還可擴展到在全路網(wǎng)對所有交通參與者進行控制和引導(dǎo),提升整體交通效率和安全性。普通道路安全評價主要從人、車輛、道路、環(huán)境4個方面進行評價,而云端作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路車路協(xié)同的主控系統(tǒng),對道路安全的影響較大,故將該指標(biāo)納入一級指標(biāo),初步建立表1所示智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全評價指標(biāo)體系。

1.2 道路安全指標(biāo)篩選

為了保證評價模型的普遍有效性,評價指標(biāo)篩選應(yīng)遵循目的性、系統(tǒng)性、可行性和適用性原則[23]。在文獻查閱和實地調(diào)研的基礎(chǔ)上,通過郵件方式對23位參與過這類項目的專家學(xué)者進行意見征詢,采用德爾菲法[24]分別計算表1中指標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù),結(jié)果見圖1。

剔除變異系數(shù)大于0.25和均值小于3.5的指標(biāo),確立最終的評價指標(biāo)體系。將影響智能網(wǎng)聯(lián)開放測試道路安全的因素分為5個維度,分別從人、車輛、道路、環(huán)境和云端入手細(xì)化為19個二級指標(biāo),構(gòu)建圖2所示智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路多級評價指標(biāo)體系。

2 基于層次熵權(quán)-物元可拓模型的道路交通安全評價模型

對智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全進行評價,首先構(gòu)建道路安全指標(biāo)層次體系,然后將層次分析法與熵權(quán)法組合確定各級指標(biāo)的權(quán)重;通過建立物元矩陣、道路安全評價等級標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)典域、節(jié)域,計算一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度,得出智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全評價結(jié)果(見圖3)。

表1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全評價初選指標(biāo)體系

圖2 智能網(wǎng)聯(lián)開放測試道路安全評價指標(biāo)體系

圖3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全評價流程

2.1 層次熵權(quán)組合權(quán)重

2.1.1 層次法權(quán)重計算

(1) 構(gòu)建判斷矩陣A。從一級指標(biāo)層開始,對于從屬于上一層每個同一層要素指標(biāo),采用成對比較法和1～9標(biāo)度法構(gòu)建對比矩陣,直到二級指標(biāo)層。

(2) 計算權(quán)重系數(shù)。對判斷矩陣A每行元素連乘并開n次方得到ωj,再求權(quán)重ω°j,公式如下:

(1)

(2)

(3) 一致性檢驗。按式(3)計算一致性指標(biāo)ICI。為衡量ICI的大小,引入隨機一致性指標(biāo)IRI,IRI按式(4)計算。按式(5)計算檢驗系數(shù)RCR,如果RCR<0.1,則認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗。

(3)

式中:λ為最大特征值;n為矩陣的階數(shù)。

(4)

式中:ICI1、ICI2、…、ICIn分別表示隨機生成的n個比較矩陣的ICI值;n表示比較矩陣的數(shù)量。

(5)

2.1.2 熵權(quán)法權(quán)重計算

在考慮多個指標(biāo)的情況下,熵值越大的指標(biāo)包含的信息量越少,對決策結(jié)果影響越小;熵值越小的指標(biāo)包含的信息量越多,對決策結(jié)果影響越大[25]。熵值計算步驟:

(1) 確定評價對象,建立評價指標(biāo)體系,構(gòu)造水平矩陣R′。設(shè)模型有n個二級評價指標(biāo),有m個一級評價指標(biāo),Xij(i=1,2,3…,m;j=1,2,3…,n)為第i個一級評價指標(biāo)下第j個評價指標(biāo)的值,形成m×n階評價指標(biāo)數(shù)值矩陣Xij。

(6)

(2) 標(biāo)準(zhǔn)化。為避免指標(biāo)量綱不同,對正向指標(biāo)通過式(7)進行標(biāo)準(zhǔn)化,負(fù)向指標(biāo)通過式(8)進行標(biāo)準(zhǔn)化。

(7)

(8)

式中:Lij為標(biāo)準(zhǔn)化后的Xij;Xmin、Xmax分別為同準(zhǔn)則同要素指標(biāo)值的最小值、最大值。

(3) 計算指標(biāo)熵值。按式(9)計算評價單元下第j個二級評價指標(biāo)占第i個一級評價指標(biāo)的比重值Tij,按式(10)計算第j個評價指標(biāo)輸出的熵Ej。

(9)

(10)

(11)

2.1.3 組合權(quán)重計算

層次分析法通過專家打分、指標(biāo)比較進行賦權(quán),結(jié)合了專家經(jīng)驗,對智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全要素刻畫了大致的權(quán)重分配,但其主觀色彩較強。熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)實際觀測值的分散程度,利用信息熵計算各指標(biāo)的熵權(quán),從而得到較客觀的指標(biāo)權(quán)重。將層次法權(quán)重與熵權(quán)法權(quán)重進行組合計算,將主、客觀權(quán)重結(jié)合,可彌補智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全評價中主、客觀權(quán)重不均的問題。計算公式如下:

(12)

2.2 物元可拓評價模型

2.2.1 確定物元矩陣

物元評價模型由可拓理論發(fā)展而來,是一種通過建立多因素質(zhì)量參數(shù)評價模型,直觀、精準(zhǔn)地反映事物綜合水平的定量評估方法[26]。物元是事物N、事物特征C和特征量值V組成的三元組,記作R=(N,C,V)。

2.2.2 確定經(jīng)典域、節(jié)域

設(shè)事物共有m個待評價指標(biāo)c1,c2,…,cm,每個指標(biāo)分為n個等級,得到綜合評價物元模型,即經(jīng)典域:

(13)

式中:Rj為由Nj、C、Vjk組成的物元,為經(jīng)典域;Nj為智能網(wǎng)聯(lián)開放測試道路安全第j個評價等級;C表示智能網(wǎng)聯(lián)開放測試道路安全評價指標(biāo)集;Vjk為評價指標(biāo)集C關(guān)于安全等級Nj的取值范圍;ajm、bjm分別為智能網(wǎng)聯(lián)開放測試道路評價指標(biāo)ci在第j安全等級的上限值和下限值。

對各指標(biāo)的允許取值范圍進行綜合評價,得到物元模型,即節(jié)域:

(14)

式中:Vp為評價指標(biāo)集C關(guān)于道路安全評價等級域Np的取值范圍;api、bpi分別為指標(biāo)ci在全部道路安全等級的上限值和下限值。

2.2.3 確定關(guān)聯(lián)函數(shù)、綜合關(guān)聯(lián)度

(1) 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)。由于各指標(biāo)的特征不同,須根據(jù)不同指標(biāo)選擇各自對應(yīng)的關(guān)聯(lián)度計算方法。點VK與Vjk、Vpk的關(guān)聯(lián)度分別按式(15)、式(16)計算。當(dāng)VK∈(ajk,bjk)時,按式(17)計算各指標(biāo)ck的關(guān)聯(lián)函數(shù);當(dāng)VK?(ajk,bjk)時,按式(18)計算各指標(biāo)ck的關(guān)聯(lián)函數(shù)。

(15)

(16)

式中:ρ(VK,Vjk)為指標(biāo)VK與經(jīng)典域Vjk的距離;ajk、bjk分別為經(jīng)典域Vjk的上限值、下限值;ρ(VK,Vpk)為指標(biāo)VK與節(jié)域Vpk的距離;apk、bpk分別為節(jié)域Vpk的上限值、下限值。

(17)

(18)

式中:Kj(VK)表示待評物元的第k個評價指標(biāo)ck關(guān)于第j級評價等級的關(guān)聯(lián)度。

(2) 計算綜合關(guān)聯(lián)度,確定評價等級。對各評價等級,按式(19)計算待評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度,若Kj=Kj(p)>0,則評價對象屬于等級j。

(19)

式中:ωj為第j個指標(biāo)的權(quán)重。

3 實例分析

3.1 評價對象

大運直聯(lián)通道以成都大學(xué)(大運村)為起點,以東安湖主體育場為終點,全長11.62 km,是一條西北至東南走向的Z字形道路,貫穿龍泉驛區(qū)的十陵、西河、中央綠心和東安湖4個片區(qū),由白鶴西路、西河大道、新雙龍路和體育場西路組成。其位置及范圍見圖4。

圖4 大運直聯(lián)通道位置及范圍示意圖

3.2 評價指標(biāo)權(quán)重確定

分別按式(2)、式(11)計算各評價指標(biāo)的層次法權(quán)重、熵權(quán)法權(quán)重,按式(12)計算組合權(quán)重,結(jié)果見表2、表3。

表3 二級指標(biāo)的權(quán)重

3.3 道路交通安全物元可拓模型評價

3.3.1 評價標(biāo)準(zhǔn)

為準(zhǔn)確評判道路安全等級,通過調(diào)研分析該道路的實際情況,將智能網(wǎng)聯(lián)道路安全劃分為Ⅰ級(風(fēng)險低)、Ⅱ級(風(fēng)險較低)、Ⅲ級(風(fēng)險中等)、Ⅳ級(風(fēng)險較高)、Ⅴ級(風(fēng)險高) 5個等級,指標(biāo)等級量化區(qū)間分別為[90,100]、[80,90)、[70,80)、[60,70)、[0,60)。

3.3.2 指標(biāo)評分

邀請14名道路交通安全評價項目經(jīng)理、道路安全檢測咨詢公司專家、相關(guān)領(lǐng)域的大學(xué)教授和研究生助理,依據(jù)實際情況對各評價指標(biāo)進行打分,總分100分(指標(biāo)賦分越高,指標(biāo)條件越好),調(diào)研值的均值見表4。

表4 各評價指標(biāo)調(diào)研值的均值

續(xù)表4

3.3.3 關(guān)聯(lián)度計算及評價結(jié)果

以一級指標(biāo)“人”為例,確定其經(jīng)典域如下:

節(jié)域如下:

根據(jù)表4,得出“人”的評價物元為:

按式(15)～(18)計算一級指標(biāo)“人”下各二級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。同理,計算其他二級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度,計算結(jié)果見表5。

表5 二級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度及評價等級

一級指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度可通過二級指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度和二級指標(biāo)組合權(quán)重利用式(19)計算得到。各一級指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度及評價等級見表6。

大運直聯(lián)通道交通安全的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(N)

表6 一級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度及評價等級

通過一級指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度和一級指標(biāo)組合權(quán)重利用式(19)計算得到,結(jié)果如下:Kj(N)=(-0.031 7,0.010 1,-0.068 0,-0.116 9,-0.140 2),評價等級為Ⅱ級。

大運直聯(lián)通道的綜合評級等級為Ⅱ等級,風(fēng)險較低,與實際情況較相符。一級指標(biāo)中道路的評價等級為風(fēng)險低,道路運行狀態(tài)較好;人、車輛、環(huán)境、云端的風(fēng)險評價等級均為Ⅱ級,表明整個交通環(huán)境中交通參與者的交通意識和交通行為良好且車輛的運行狀態(tài)良好,外部環(huán)境較好,無長時間極端惡劣天氣,智能網(wǎng)聯(lián)云端基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較完整,風(fēng)險等級較低;其中環(huán)境的關(guān)聯(lián)度最大,為0.049 0,表明環(huán)境與智能網(wǎng)聯(lián)開放測試道路的關(guān)系最緊密。

與傳統(tǒng)道路安全評價方法(如層次分析法、模糊綜合評價法、熵權(quán)法等)相比,基于層次熵權(quán)-物元可拓模型的智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路安全評價方法將層次法和熵權(quán)法主、客觀相結(jié)合,解決了評價權(quán)重主、客觀分配不均的問題;利用物元可拓模型的關(guān)聯(lián)度進行評價,能反映等級隸屬程度,體現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路安全風(fēng)險的隨機性和模糊性。

4 結(jié)語

鑒于智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全影響因素的復(fù)雜性,本文引入德爾菲法對智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路交通安全初始評價指標(biāo)進行篩選,并在普通道路安全評價指標(biāo)人、車輛、道路、環(huán)境四大因素的基礎(chǔ)上加入智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放測試道路獨有的云端因素,將五大影響因素作為一級評價指標(biāo),并細(xì)化為19個二級指標(biāo),使整個安全評價體系更加科學(xué)。采用層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的方法,得出各評價指標(biāo)的主、客觀綜合權(quán)重,克服了層次分析法主觀色彩過強的缺點,增加了數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)聯(lián)性。以成都市大運直聯(lián)通道為例,對智能網(wǎng)聯(lián)開放測試道路交通安全評價體系及層次熵權(quán)-物元可拓模型進行實證分析,結(jié)果表明,道路、人和環(huán)境三項指標(biāo)的權(quán)重占比最高,評價結(jié)果與道路安全現(xiàn)狀相符,該道路交通安全評價模型具有一定的科學(xué)性及合理性。