87路侧安全灰色聚类评估方法研究

路侧安全灰色聚类评估方法研究摘要：路侧安全问题在我国比较突出，鉴于现阶段针对路侧实施公路安全改善项目时，在危险点段的识别上仍依赖于工程技术人员的经验判断，缺乏有效的方法和工具进行投资决策支持，因此作者结合2004年交通部西部交通建设科技项目－《公路路侧安全评估及防护方法研究》的研究，提出基于灰色理论的路侧安全性能等级评估方法。论文首先对国内外相关研究进行了简要回顾，在分析现有成果优势和劣势的基础上，指出路侧安全灰色聚类方法在我国现阶段是一种较为可行的方法，能够较大程度上满足当前迫切需要。论文的核心是评估指标的选择及其有关约定、指标权重的确定、白化权函数的建立，这些问题得到解决后，作者给出了一个应用示例。关键词：公路，安全，路侧，灰色聚类，评估ResearchonEvaluationMethodofRoadsideSafetyGreyClusteringLiChangchengAbstract:TheroadsidesafetyproblemisseriousinChina,especiallyforlow-classhighwayssuchasruraltwo-lanehighways.Nowadays,inviewofdependendingontheempiricalestimationoftheengineeringtechnicianinidentifyingthedangeroussegmentsandthelackofeffectivemethodsandtoolstosupporttheinvestmentofthedecision-makingatthetimeofimplementinghighwaysafetyimprovementprogramonroadside,theauthorputsforwardanevaluationapproachofroadsidesafetyperformanceonthebasisofthetheoryofGreyClusteringcombiningwithhisstudyofoneofthewesterncommunicationconstructiveprogramsinitiatedbyMOC––HighwayRoadsideSafetyEvaluationandSecurityApproachStudy.Thepaperfirsthasabriefreviewoftherelevantstudiesbothathomeandabroad.Then,onthebasisofanalyzingtheadvantagesanddrawbacksofthecurrentachievement,thepaperpointsoutthatroadsidesafetyGreyClusteringapproachisacapablemethod,whichinagreatdegreecanmeetthecurrentimperiousneed.Thecoresofthepaperarethechoiceoftheevaluationindicatorsandtheidentificationoftherelevantregulation,indicatorweightsandfunction.Theauthorprovidesanappliedinstanceaftersolvingallaboveproblems.Keywords:highway;safety;roadside;greyclustering;evaluation0引言我国是当今世界上道路交通事故最多的国家之一，交通事故死亡率比欧洲等发达国家要高出10倍以上。需要指出的是：路侧交通事故在公路交通事故中约占30%,在一次死亡3人以上的重特大恶性事故中，由于车辆冲出路外坠落陡崖或高桥的路侧事故约占重大恶性交通事故的一半。因此，减少与路侧相关的交通事故，或减少与路侧相关的交通事故的死亡率，对于减少我国交通事故的伤亡人数具有重要意义。显然，面临严峻的路侧安全形势，客观要求对危险路侧点段实施安全改善工程，以此达到提高路侧安全性能、大幅改善整体行车环境的目的。但摆在广大科研、工程技术人员面前的一个关键问题是，在有限资金额度条件下，就一个工程项目而言，如何确定路侧危险点段、并将其按危险程度进行排序，从而指导投资决策，在一定程度上实现效益最大化的目标。然而遗憾的是，目前尚无一种既科学、又简便可行的用于路侧危险程度评估的方法，有关此类问题的解决多依据工程技术人员的经验进行。有鉴于此，本论文将重点探讨路侧安全评估的方法，旨在通过一定的指标体系或指数来科学、客观的描述路侧危险程度，使安全设计人员既能够获知特定路侧地点的安全程度，又能对多处或整条道路的路侧危险程度进行相对比较，为安全设计人员排查路侧安全隐患、制定路侧安全改善计划、实施具体的对策方案提供依据和参考。1相关研究就路侧安全评估方法而言，目前尚没有成熟的能够进行定量测度路侧危险程度的方法，这方面的成果也寥寥。比较具有代表性的是美国路侧危险程度分级[1]。Zegeer根据净区宽度、边坡坡度、是否设置护栏、是否存在坚硬危险物等路侧特征将路侧危险程度分为七级（级别越高越危险），该分级指数已作为一个变量纳入到IHSDM乡村双车道事故预测模型当中，从事故预测角度得到了一定的应用。2004年为配合全国公路安全保障工程的顺利实施，交通部分布《公路安全保障工程实施技术指南（试行）》，指南在设施设计标准一章中，把路侧危险程度分为4级，路侧越危险，级别越高，指出应根据路侧危险情况设置相应等级的护栏[2]。客观上讲，国内4级划分与美国7级划分并无本质区别，都是根据影响路侧危险程度的主要因素来划分级别，都属于定性表述，由于影响路侧危险程度的因素众多，加之因素间的相互组合，使得针对具体的路侧特征，难以直接应用上述方法来回答路侧危险程度究竟如何，在很大程度上离不开设计、研究人员的经验判断。虽然现有路侧危险分级在具体的工程实践中发挥了一定的作用，但仍然明显存在以下几方面问题：一是考虑的要素少；二是等级之间界限模糊，存在交叉和空档；三是缺乏底层的理论方法基础。美国2002版《路侧设计指南》给出了一种基于效益——成本分析的路侧安全改善项目投资决策方法，并编制了名为RSAP的软件辅助实施[3][4]。不同方案间的增量效益——成本按如下公式计算：式中，B/Cratio2-1为方案2与方案1相比较的增量效益——成本比；CC1，CC2表示方案1与2的年事故成本；DC1，DC2表示方案1与2的年直接成本。 显然，公众资金应该投向于预期效益大于直接成本的项目之中，也就是要求B/C大于1。效益的测量主要基于事故数减少或事故严重性降低所带来的收益；而直接成本主要由公路局实施安全改善项目的资金投入构成，包括设施的初始安装费、养护费用及维修费用。 RSAP软件中的效益——成本过程基于车辆侵入路侧概率模型构建，该概率模型属多个因素的条件概率模型，模型表达式如下：E(C)=其中，E(C)－估计事故损失；V－交通量；P(E)－车辆侵入路侧比率；P(C/E)－侵入事件发生时，事故概率；P(I/C)－事故发生时，特定等级伤害概率；C(I)－特定等级伤害社会成本。 美国的成本——效益分析方法及其实现软件，从科学性、量化角度来看取得了巨大的成功，软件的编制也促进了方法的实际运用。但模型中的多数参数都是建立在相关研究的基础上，且美国的道路、车辆条件、事故损失等方面与国内差别较大，因此，将该方法直接引入国内还需要做大量工作。此外，模型自身还存在诸多方面的局限性，需要进一步研究加以修正或改进，如：侵入数据过于陈旧；车辆轨迹未考虑驾驶员行为；侧向侵入距离的分布及与线形、路侧特征的关系需要新的数据进行修正等。2路侧安全灰色聚类评估方法 鉴于国内外有关研究成果及国内实际情况，本论文提出基于灰色聚类方法对路侧安全性能进行等级评估。2.1相关理论简介及实施步骤灰色理论是我国著名学者邓聚龙教授1982年创立的一门新兴横断学科，它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运行行为的正确认识和有效控制。本项研究所应用的主要是灰色系统理论中的灰色聚类评估方法。灰色聚类是根据灰色关联矩阵或灰数的白化权函数将一些观测指标或观测对象聚集成若干个可定义类别的方法。一个聚类可以看作是属于同一类的观测对象的集合。灰色聚类按聚类对象划分，可以分为灰色关联聚类和灰类白化权函数聚类。灰色关联聚类主要用于同类因素的归并，以使复杂系统简化。而灰类白化权函数聚类主要用于检查观测对象是否属于事先设定的类别，充分利用现有各种信息对事物进行评价，做出分类以区别对待。利用定权灰类白化权函数聚类方法可以将路侧安全性定义为几个级别，根据各项指标计算后确定某点段路侧安全级别，从而实现对整条路中路侧危险点段的识别与排序，为实施路侧安全改善项目提供决策依据。其主要步骤如下：第一步：给出j指标k子类白化权函数(j=1，2，…，m；k＝1，2，…，s)；第二步：根据结论或定性分析确定各指标的聚类权(j＝l，2，…，m)；第三步：设对象i关于j指标的样本值为xij(i=l，2，…，n；j=1，2，…，m)，利用第一步、第二步结果，算出灰色定权聚类系数：(j＝l，2，…，n；k＝1，2，…，s)；第四步：若，则判定对象i属于灰类k*。2.2指标体系及其有关约定 根据初步研究拟将路侧安全等级划分为四级，即：1级，2级，3级，4级，级别越高表示路侧安全性能越差，即越危险。主要指标有四类构成，即线形、交通量、事故和路侧特征，每类指标又由若干个下一级指标构成。指标体系如下图所示：图1路侧安全等级灰色评估指标体系下表就各项指标的单位、等级划分、变量转化等问题给予说明：表1评估指标的各灰色级别取值指标单位1级2级3级4级坡段纵坡x1％1％≤x1<2％2％≤x1<4％4％≤x1<6％6％≤x1<8％曲线半径x2[1]m6≤x2<1212≤x2<3030≤x2<4545≤x2<115日均交通量x3辆/天100≤x3<750750≤x3<15001500≤x3<60006000≤x3<20000死亡事故x4起/年0.05≤x<0.10.1≤x<0.250.25≤x<11≤x<5伤人事故x5起/年0.2≤x<0.50.5≤x<11≤x<33≤x<10财产损失事故x6起/年0.5≤x<11≤x<33≤x<88≤x<20净区宽度x7[2]m0.125≤x<0.20.2≤x<0.40.4≤x<11≤x<2路堤路堑高度x8[3]m－10≤x<00≤x<33≤x<66≤x<15边坡坡度x91：n0.17≤x<0.250.25≤x<0.330.33≤x<0.50.5≤x<1边沟状况x10[4]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9护栏状况x11[5]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9树木状况x12[6]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9其它路侧危险物x13[7]/1≤x<33≤x<55≤x<77≤x<9注解：[1]设x2＝,将曲线半径R转化为每百米曲线长所对应的偏角。[2]x7为净区宽度的倒数。[3]小于0表示路堑（挖方），大于0表示路堤（填方）。[4]可提供边沟形式，由系统自动设定缺省值（浅碟植草，矩形加盖板边沟缺省值为2，抛物线形边沟缺省值为4，V形边沟缺省值为6，梯形或矩形边沟缺省值为8）；或用户视边沟形式、上口宽、深、距行车道距离等具体情况确定取值。[5]可提供护栏设置与否或护栏防撞等级，由系统自动设定缺省值（设置SB级护栏缺省值为2，设置A级护栏缺省值为4，设置B级护栏缺省值为6，未设置护栏或护栏无防撞能力缺省值为8）；或用户视护栏形式、等级、端头、侧向位置等具体情况给定。[6]无树木或存在低矮灌木视为1级；距行车道外侧3.5－5m范围内存在直径大于10cm的树木视为2级；距行车道外侧2－3.5m范围内存在直径大于10cm的树木视为3级；距行车道外侧2m范围内存在直径大于10cm的树木视为四级；[7]其它路侧危险物包括：桥墩、涵洞、纵向水渠端墙、标志柱、共用设施杆柱（通信、电力）、房屋建筑、巨石、坚硬岩壁等。无上述危险物或个别存在，且距行车道外侧5m以上视为1级；存在，且距行车道外侧3.5－5m视为2级；存在，且距行车道外侧2－3.5m视为3级；存在，且距行车道外侧小于2m2.3指标权重的确定采用层次分析法确定指标权重。层次分析法是美国匹兹堡大学于20世纪70年代提出的一种系统分析方法，其分析问题大体要经过以下五个步骤：第一步：建立层次结构模型。第二步：依据相对重要性构造判断矩阵。第三步：每一层次进行层次单排序。第四步：层次总排序。第五步：一致性检验。层次结构模型如上图所示，在实际操作过程中，构造四个判断矩阵，即：顶层判断矩阵（涉及线形、交通量、事故、路侧特征四大因素），线形判断矩阵（含2个子因素），事故判断矩阵（含3个子因素），路侧特征判断矩阵（含7个子因素），在此基础上，通过问卷形式借助专家经验对判断矩阵填值。将多个问卷的数值进行算术平均，通过求解判断矩阵最大特征根及其对应特征向量的方法得到各指标权重，当一致性检验失败时，需要对判断矩阵值重新调整再次计算指标权重。具体过程从略，下面给出结论：表2层次分析法确定的路侧安全等级灰色评估指标权重层次单排序层次总排序线形交通量事故路侧特征0.20.150.350.3坡段纵坡0.350.07曲线半径0.650.13日均交通量10.15死亡事故0.60.21伤人事故0.30.105财产损失事故0.10.035净区宽度0.180.054路堤路堑高度0.220.066边坡坡度0.140.042边沟状况0.10.03护栏状况0.20.06树木状况0.090.027其它路侧危险物0.070.021111112.4指标白化权函数的确定此项研究的权函数拟采用三角形式，三角白化权函数的一般形式如下图所示：001图2三角白化权函数的确定方法权函数由下面公式获得：由此，可得到上述各个指标的白化权函数如下（下面只给出坡段纵坡和曲线半径两个指标的白化权函数，其它从略）：（1）坡段纵坡；；（2）曲线半径；；3具体案例 下表给出了具体的计算示例，从最终的计算结果来看，该处路侧危险等级属2级。表3路侧安全等级灰色聚类评估算例序号指标权重取值1坡段(%)0.073％0.40.02810.070.330.0231002曲线半径(m)0.132000.060.00780.680.08840.650.0845003交通量(AADT)0.1512000.280.0420.980.1470.150.0225004死亡事故(起/年)0.2100.910.19110000005伤人事故(起/年)0.1051000.890.093450.330.03465006财产损失(起/年)0.03520.440.015410.0350.220.0077007净区宽度(m)0.0542.5000.860.046440.40.0216008路堤路堑高度(m)0.0664000.440.029040.890.058740.130.008589边坡坡度(1:n)0.0421:3000.740.031080.480.020160010边沟状况0.03矩形700000.670.02010.670.020111护栏状况0.06无700000.670.04020.670.040212树木状况0.027无2000.330.00891000013其它坚硬危险物0.02140.330.0069310.0210.330.00693001//0.29123/0.57032/0.34018/0.068884小结 路侧安全灰色聚类评估方法与现有国内《公路安全保障工程实施技术指南》及美国交互式安全设计模型（IHSDM）中的路侧安全等级划分相比