（交通运输工程专业论文）基于物元可拓模型的高速公路安全系统评价研究.pdf

摘要 近十几年来，随着我国高速公路里程迅速增长，我国高速公路交通事故日益增多， 给国家和人民造成了巨大的损失。因此，科学地分析高速公路事故频发的诱因，展开以 减少交通事故或降低交通事故的受害程度为目标的交通安全研究迫在眉睫。 本论文从系统的观点出发，对我国高速公路交通事故成因进行了分析，对影响交通 安全的因素进行了探讨，通过对高速公路的驾驶员特性、道路条件、交通条件、环境状 况等诸多因素的识别分析，确定了高速公路交通事故诱发的主要因素，并在此基础上建 立了高速公路安全系统评价指标体系。 在对高速公路安全评价系统的基础理论研究进行分析，通过对高速公路安全评价方 法的综合比较，针对运营期高速公路安全评价的特点，提出了基于物元可拓模型的高 速公路安全评价系统。 根据我国高速公路安全系统的现状，结合呼集高速公路运营的具体情况，对呼集高 速公路的安全质量进行了综合评价与实证分析研究。依据评价结果以及影响因素的分 析，提出高速公路安全系统面临的主要问题及改善呼集高速公路安全系统的战略对策与 建议。 关键字：高速公路；交通安全；人一车一路一环境系统；物元一可拓模型 a b s t r a c t o v e rt h el a s td e c a d e ，晰也t h er a p i dg r o w t ho fc h i n a sh i g h w a ym i l e a g e ，t h eg r o w i n g n u m b e ro fc h i n a sh i g h w a yt r a f f i ca c c i d e n t sh a sc a u s e de n o r m o u sl o s s e st ot h es t a t ea n d p e o p l e t h e r e f o r e ，t r a f f i cs a f e t ys t u d yw h i c hi nt h ep u r p o s eo fr e d u c i n gt h ev i c t i m so ft r a f f i c a c c i d e n t sa n dr e d u c i n gt h ed e g r e eo fv i c t i m i z a t i o ni nt r a f f i ca c c i d e n ti sa ni m m i n e n t t a r g e t i n t h em e a nt i m e ，t h es c i e n t i f i ca n a l y s i so ft h ei n c e n t i v eo ft h ef r e q u e n th i g h w a ya c c i d e n t si s a l s ov e r yi m p o r t a n t s t a r t i n gf r o mt h es y s t e m sp e r s p e c t i v e ，t h ec a u s e so fh i g h w a yt r a f f i ca c c i d e n t si nc h i n a a r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r , w h i l e ，t h ei m p a c tf a c t o r so nt r a f f i cs a f e t ys u c ha sp e o p l e ，v e h i c l e s ， r o a d sa n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa r ea l s od i s c u s s e d ： i n t r o d u c t i o np a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h et e n d e n c ya n dt h es e r i o u ss e c u r i t ys i t u a t i o no f c h i n a se x p r e s s w a y b yt h ew a yo ft h ei d e n t i f i c a t i o na n a l y s i so fm a n yh i g h w a yf e a t u r e s ，f o r e x a m p l e ，t h ef e a t u r eo fh i g h w a yd r i v e r s ，r o a dc o n d i t i o n s ，t r a f f i cc o n d i t i o n s ，e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s t h em a i nf a c t o r st h a ti n d u c e dt h eh i g h w a ya c c i d e n t sa r ed e t e r m i n e d ，o nt h i sb a s i s ， t h eh i g h w a ys a f e t ys y s t e me v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mi se s t a b l i s h e d h i g h w a yt r a m cs a f e t ye v a l u a t i o ns y s t e mo nt h eb a s i so ft h e o r ya n a l y s i s t h r o u g ha c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o df o rh i g h w a ys a f e t yc o m p a r e dt oh i g h w a ys a f e t yf o rt h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee v a l u a t i o np e r i o di sp r o p o s e db a s e do nm a t t e r - e l e m e n t e x t e n s i o nm o d e lo fh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ye v a l u a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc h i n a sh i g h w a ys a f e t ys y s t e m sa n dc o m b i n i n gw i t h s p e c i f i co p e r a t i o nc i r c u m s t a n c e so fh u j ih i g h w a y , t h i sp a p e re v a l u a t e sa n da n a l y z e st h e s a f e t ya n dq u a l i t yo fh u j ih i g h w a y b a s e do ne v a l u a t i o nr e s u l t sa n dt h ea n a l y s i so ft h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h em a i np r o b l e m st h a tt h es y s t e mi sf a c i n ga n dt h e s t r a t e g i cr e s p o n s e sa n ds u g g e s t i o n st h a tc o u l di m p r o v et h eh u j ih i g h w a y ss a f e t ys y s t e m k e yw o r d s ：h i g h w a y ；t r a f f i cs a f e t y ；p e o p l e - c a r - r o a d - e n v i r o n m e n t a ls y s t e m s ； m a t t e r - e l e m e n te x t e n s i o nm o d e l i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 高速公路是国民经济和社会发展中的重要基础设施，是一个国家现代化水平的重要 标志之一。截止到2 0 0 8 年底，我国高速公路通车总里程达到6 0 3 万公里，继续居世界 第二位。各省、自治区和直辖市都已拥有高速公路，有1 6 个省区的高速公路通车里程 超过1 0 0 0 公里。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年到2 0 3 0 年， 国家将新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到8 5 万公里。高速公路以其 方便、高效、快捷等优点，在我国交通运输领域发挥着举足轻重的作用。 然而，我国高速公路的快速发展具有两面性，一方面对国民经济的发展做出贡献， 另一方面也产生了一系列严重的负面效应高速公路交通事故。随着高速公路里程的 逐年增加，高速公路的事故数量也在逐年增加，交通事故死亡人数也呈上升趋势。为了 减少高速公路交通事故或降低交通事故的受害程度，对高速公路的安全系统进行分析和 评价，这对在复杂的交通环境下妥善预防和处理交通事故具有指导意义，并且对构建高 速公路现代化的管理机制和提高管理水平具有现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究动态 国外对于宏观交通安全评价的研究开展较早，最早提出公路安全评价的英国于1 9 9 1 年由英国运输部在广泛开展公路安全评价研究工作的基础上，制定了详细的安全评价指 南，即( g u i d e l i n e st or o a ds a f e t ya u d i t ) ) t 2 ，1 9 9 4 年，澳大利亚国家公路交通协会也专 门制定了国家安全评价指南，( ( r o a ds a f e t y a u d i t ) ) 1 3 ，美国联邦公路局也制订了道路 安全设计与运营指南，在此基础上，后来提出了交互式道路安全设计模型( i n t e r a c t i v e h i g h w a ys a f e t yd e s i g nm o d e l ) ，即i h s d m l 4 1 。 目前主流的国外交通安全评价的主要方法有相对事故率法、回归分析法、时间序列 分析法、交通冲突法和系统分析法等。这些方法基本均是在通过大量交通事故或交通冲 突统计资料进行分析，对影响交通安全的因素进行定性归类分析，然后通过一定的数学 模型建立交通事故与各影响因素之间的定量影响关系，来评价道路交通安全状况。国外 对于交通安全评价的研究己经从开始的绝对数字指标模式转变为相对数字指标和评价 模型方式，基本能够建立起完整的道路交通安全评价体系以及各阶段的安全评价指标。 第一章绪论 1 2 2 国内研究动态 国内对交通安全评价的研究起步于2 0 世纪8 0 年代，最早哈尔滨工业大学提出了动 态事故强度法进行交通安全评价的理念； 交通部委托华杰工程咨询有限公司及同济大学编制了公路项目安全性评价指南， 该指南为我国对各阶段道路交通安全评价的标准和规范化奠定了基础。 杜博英通过对运行车速进行回归分析，以运行车速和速度梯度为变量，建立了高速 公路事故预测模型 6 1 。周伟等人利用交通冲突技术，通过对路段上的交通冲突的观测研 究，建立了多个路段的事故判定模型【7 1 。刘清通过分析高速公路交通危险性，提出了高 速公路交通危险评价等级【8 1 。 刘小明等运用灰色理论和模糊数学建立了交通安全灰色评价方法和模糊评价方法 9 - 1 0 】。通过对交通安全系统进行层次分析，建立各影响因素的权重来评价道路安全水平。 截至目前，我国交通安全评价体系的系统化研究还较少，对交通安全的评价集中在 对某一类方法、模型的研究和探讨方面，成熟的道路交通安全评价体系的建立仍尚待完 d 自 吾。 现阶段我国在交通安全评价中常用的方法主要有统计分析法、相对事故率法、神经 网络法、模糊数学法、道路交通危险度评价法、安全系数法、灰色评价方法等。而物元 可拓模型为基础是解决矛盾问题的规律和方法，属于系统科学、思维科学和数学交叉 的综合评价方法，目前在水质评价、舰船战损评估等方面应用较多，而在公路安全评价 中应用较少。 1 2 3 研究存在的问题 对高速公路交通安全评价的研究，可以从宏观的角度，对交通安全进行多因素的分 析，从而，对交通事故的产生、预防和道路环境等多方面的工作进行改进。也可以从微 观定量或者定性的方法对高速公路交通安全性进行评价。对交通安全评价的研究可以促 进对交通事故预测等方面的研究，所得到的结论也可以应用于高速公路的前期设计阶段 的改进和高速公路安全审计工作中。也可以用于具体的路段中，确定事故多发路段，进 行道路黑点治理等。 从国内外关于公路交通安全性评价的研究和应用来看，安全审核时比较成熟且有效 的安全性评价方法，但这主要是依据评价小组成员的个人经验，现有的指南等规范性文 件也主要是限于评价清单、案例阶段，属于定性评价范畴。 2 长安大学硕士学位论文 基于事故的安全评价方法比较直接，是最根本的安全评价方法，但这种方法需要大 量采集公路、交通特征等于事故相关的数据，在理想情况下通过统计方法，将评价人员 的经验抽象为各种因素与事故的关系，从而将安全评价定量化。 在我国，由于事故数据调查方面存在的问题是已有的运营公路电子化数据不全，那 么依据速度、加速度等方法的测评来间接评价公路安全性也是较适合的方法之一。目前 已有许多研究建立了高速公路、双车道公路的运行速度预测模型，但问题是速度差与安 全性的关系研究需要更深入的研究。 若采用前后对比的方法评价高速公路安全性时，由于事故的随机性以及偶然性，需 要较长时间的数据才能比较前后安全性的变化情况。目前，冲突技术中关于冲突分析， 特别是严重冲突问题的定义及判别都尚未得到公认和标准化的应用，这一定程度上影响 到了该方法的进一步推广。 和速度评价类似，另一种可以进行安全评价的方法是驾驶员的符合度方法。驾车过 程中，驾驶员操作车辆适应道路条件、交通条件、环境条件，由于人的生理、心理条件 限制，驾驶员的驾驶负荷度超过能够承担的程度，或超过驾驶员的反应能力或者估计范 围的，就容易出现驾驶操作失误，而操作失误很大程度上会导致交通事故的发生。 在开展高速公路安全评价的工作中，初期的安全评价在道路交通中的重视程度不 足，开展的一些研究也缺乏系统性和实践性，采用的常用安全评价指标数量少、说明问 题能力不足。大多数都采用事故次数、受伤人员数、死亡人数、直接经济损失四项指标。 评价方法上一般采用事故率法和模型法等，宏观的综合评价以模糊评价和灰色系统理论 评价方法等。随着人们对交通安全的重视以及安全评价研究的深入，高速公路交通安全 评价从内容和方法上都有了较大进步，在安全评价指标上不仅限于传统的交通事故四项 指标，对道路结构、路网规划、车辆、驾驶员等方面都进行了深入研究；在评价方法上， 交通冲突技术、模糊评判等方法也逐步被引入。 但目前的高速公路交通安全评价研究，宏观评价较多，而建立宏观的评价模型比较 困难，这是因为一方面交通事故影响因素众多，而每个因素都只能反映问题的一个侧面； 另一方面受事故统计资料的限制，建立模型所能选用的指标有限。在建立评价模型的方 法上，模糊数学，灰色理论等应用较多，而人工神经网络等技术与安全评价的结合等研 究尚不够广泛和深入。 以定性的方法评价高速公路安全性缺乏科学性、现实性和可比性，对某一类指标的 感觉判断不能够真实的反映高速公路安全的状况，而且由于高速公路安全系统是复杂的 第一章绪论 大系统，其评价指标多样，层次复杂，评价指标的值域不尽相同，在评价工作中，需要 对不同指标的值域标准化，简单的类比法不能够反映指标之间的重要性。因此本文主要 研究高速公路运营阶段的安全评价，在高速公路安全评价指标及物元可拓模型两方面 进行研究探讨，结合高速公路条件的具体情况与物元可拓模型进行安全评价方法的 应用研究。 1 3 研究目的和意义 随着我国经济建设和公路交通现代化的迅速发展，我国高速公路建设取得了举世瞩 目的成就，高速公路已成为我国道路交通的主干线。但与此同时，高速公路交通事故对 生命和财产造成的巨大损失也日益成为社会瞩目的问题。为了促进高速公路安全水平的 提高，预防交通事故，对高速公路进行安全分析和评价是非常必要的1 4 2 】。高速公路交通 安全评价的目的在于科学、准确地识别影响交通安全的主要因素，综合、客观地确认或 者评价特定区域的交通安全状况或者水平；并且辅助交通安全管理部门诊断交通安全症 结，为交通安全处置策略与具体措施的制定打下科学依据。建立高速公路交通安全系统 综合评价指标体系，在运营阶段定期开展高速公路交通安全评价分析，可以强化高速公 路运营期的安全管理工作，稳步地改善高速公路交通安全状况。 高速公路交通安全评价有利于有关部门对高速公路整体安全水平的把握和宏观控 制；有助于高速公路安全管理水平的提高，变被动的事后处理为主动的事故预测预防管 理，促进高速公路安全管理实现系统化、科学化和标准化。总之，高速公路安全评价不 仅是高速公路管理中的重要环节，而且对促进高速公路安全管理的现代化、科学化有着 重要意义。 1 4 研究内容、方法和技术路线 1 4 1 研究内容 高速公路是集人、车、路和环境于一体的复杂系统，要解决我国高速公路日益突出 的交通安全问题，就应当从系统的观点出发，综合分析各种因素对高速公路交通安全的 影响。本文从交通工程学角度对我国高速公路交通事故成因进行分析，对影响交通安全 的诸多因素及其交互作用进行探讨，系统地提出了高速公路交通安全物元可拓评价模 型。 ， 具体内容如下： ( 1 ) 国内外研究综述。分析整理国内外安全评价的研究成果，为论文研究提供一 4 长安大学硕士学位论文 些思路。 ( 2 ) 首先对高速公路安全评价系统的基础理论研究进行分析，通过对高速公路安 全评价方法的综合比较，针对运营期高速公路安全评价的特点，提出了基于物元可拓 模型的高速公路安全评价系统。 ( 3 ) 通过对高速公路安全系统的构成要素的分析，提出了高速公路安全评价系统 指标体系的构件方法，采用定性与定量结合的方法构建了高速公路交通安全系统评价指 标体系。 ( 5 ) 以集呼( 集宁呼和浩特) 高速公路为例，验证本文的评价指标体系和物元 可拓模型具有较强的实用价值。 ( 6 ) 提出改善高速安全系统质量的若干对策。 1 4 2 研究方法 本文基于系统工程、交通工程、公路工程、交通规划、交通安全研究理论建立高速 公路安全系统评价指标体系，并通过实例分析验证评价体系的合理性和评价方法的可操 作性。论文研究主要采用三种理论研究方法。 ( 1 ) 定性分析、专家咨询、定量计算相结合的方法。高速公路安全系统是一个全 新概念，目前无法获取相关的统计数据。因此，建立评价体系时定性分析和定量分析相 结合，通过广泛咨询国内相关领域的权威专家，运用统计分析、模糊数学等数学方法进 行优化处理。 ( 2 ) 演绎法。本文采用演绎的思想将系统安全的通用理论引入到高速公路安全领 域，遵循一般到特殊，具体问题具体分析的科学研究方法。 ( 3 ) 理论与实践相结合的方法。科学的理论必须经得起实践的检验。为检验文中 提出的高速公路安全系统理论与评价体系是否科学，本文在调研的基础上对高速公路安 全进行实例研究，详细地分析了评价结果。 1 4 3 技术路线 本文从高速公路安全特性的现状出发，定性分析与定量分析、理论分析与实践应用 有机地结合起来，在对高速公路安全系统构成要素进行认真分析的基础上，结合国内外 高速公路安全评价经验，提出一套具有实际应用价值的高速公路安全系统的综合评价指 标体系及评价标准和方法，最后采用实证研究的方法对所建模型进行实证分析研究。论 文研究技术路线如图1 1 所示。 第一章绪论 图1 1 高速公路安全系统评价技术路线 6 长安大学硕士学位论文 第二章高速公路安全系统评价研究 2 1 高速公路安全评价的概念 2 1 1 安全评价的概念及起源 安全评价来源于人们对自然界的认识，安全评价技术起源于2 0 世纪3 0 年代，是随 着西方国家保险业的发展需要而发展起来的。保险公司为客户承担各种风险，必然要收 取一定的费用，而收取费用的多少是由所承担的风险大小决定的。因此，就产生了一个 衡量风险程度的问题，这个衡量、确定风险程度的过程实际上就是一个安全评价的过程， 因此，安全评价也被称作“风险评价”( s k a s s e s s m e n t ) 。 现代大多数产品都是多学科综合发展的成果，传统的单向安全防护或者单一学科的 安全研究都难以解决整个产品系统的安全问题。大型产品或大型复杂的工业设备的开 发、使用过程中多次重大事故的发生，促使人们认识到安全工作必须从系统整体的角度 去研究问题。 2 0 世纪7 0 年代后，安全评价已经从宇航、核工业等进入一般的电子、电力、化工、 机械、交通等领域。 安全评价是运用安全系统工程的原理和方法，对拟建或已有工程、系统可能存在的 危险及可能产生的后果进行综合评价和预测，并根据可能导致的事故风险的大小，提出 运营阶段的安全对策措施，以达到系统安全的目的。安全评价应贯穿于工程、系统的设 计、建设、运行和退役整个生命周期的各个阶段。 2 1 2 道路交通安全评价的起源 道路交通系统是由人、车、路、环境四大要素构成的动态系统，每一个要素自成体 系，这些子系统既独立作用又相互制约，他们本身的可靠性程度和他们之间的相互作用 决定了这个复杂系统的运行状况和交通安全水平，道路交通安全与每一个要素都有着密 切的联系。道路交通安全评价就是对“人一车一路一环境”系统中的安全性、可靠性进 行系统分析、评价并提出相应保证措施建议的工作。 从“人一车一路一环境”系统各个方面研究交通事故规律，寻找减少交通事故的方 法，最著名的研究是美国的威廉哈顿将人车路在交通事故中的相关关系用矩阵形式( 哈 顿矩阵) 的形式来表示，如表2 1 所示。 7 第二章高速公路安全影响因素分析及指标体系建立 表2 1 哈顿矩阵 因素事故前事故中事故后 培训、安全教育、行车态度、行人 人车内位置和坐姿紧急救援 和汽车人的着装 主动安全( 制动、车辆性能、车速、被动安全( 车辆防撞结 车抢救 视野) ，相关因素( 交通量、行人等)构、安全带等设施) 道路交通标志标线、几何线形、路 路侧安全( 解体消能柱) 、道路交通设 路 面状况、视距、安全评价 安全护栏施的完善 从世界各国开始致力于分析道路交通事故规律、原因并制定相应的政策、措施时， 就已经开始了道路交通安全评价工作。 2 1 3 道路交通安全评价定义 和安全评价的定义相对应，道路交通安全评价是以道路使用者安全为中心，从预防 交通事故、降低事故产生的可能性和严重程度入手，对道路项目或系统的全过程，即规 划、设计、施工和运行进行全方位的安全性评价，从而揭示道路发生事故的潜在危险因 素及安全性能。 道路交通安全评价是以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程的原理和方 法，对工程、系统中存在的危险、有害因素进行识别与分析，判断工程、系统发生事故 的可能性及其严重程度，提出安全对策建议，从而为工程、系统制订防范措施和管理决 策提供科学依据。 和安全评价的定义相应，道路交通安全评价的定义有以下几个重点：第一，道路交 通安全评价的目的是为了找出道路( 拟建或运营) 存在的危险及可能产生的后果；第二， 道路交通安全评价不仅要找出存在的危险及可能产生的后果，还要在此基础上提出相应 的安全对策建议；第三，道路交通安全评价要应用系统工程的原理和方法；第四，安全 评价应贯穿于道路的各个阶段，包括规划、设计、施工、运营等。 2 1 4 高速公路交通安全评价的目的意义 通过对高速公路交通安全的评价，达到预防交通事故发生、降低交通事故严重度和 经济损失的目的。高速公路交通安全评价的意义具体体现在以下方面： ( 1 ) 国家、区域层面上宏观评价高速公路交通安全与人口、机动化水平、路网、 经济因素的关系，依次制订宏观层面的技术和政策方面的高速公路安全改善对 8 长安大学硕士学位论文 策，可以持续地、有针对性地降低国家、区域的高速公路交通安全事故。 ( 2 ) 规划、设计阶段通过进行安全评价，预先找出方案的不安全因素，修改设计， 提高高速公路的安全水平，减少事故、降低事故的严重程度，减少高速公路建 成后再耗费较大的工程改造投入来消除事故多发路段。 ( 3 ) 运营阶段通过安全评价，找出危险路段，进行安全治理，提高高速公路安全 水平，减少事故率，降低事故严重度。 ( 4 )因高速公路安全，减少了由于高速公路交通事故引发的低速、拥堵等问题， 提高高速公路的通行效率。 ( 5 ) 使得高速公路交通向着“宽容、人性化 的方向发展。 2 2 评价思路与步骤 2 2 1 评价思路 高速公路安全系统评价属于多指标综合评价方法，该方法是把多个描述被评价事物 不同方面且量纲不同的统计指标，转化成无量纲的相对评价值，并综合这些评价值得出 对该事物的一个整体评价方法系统。国内外关于多指标综合评价的方法很多，按大类可 分为常规多指标综合评价方法、模糊综合评判方法和多元统计综合评价方法等。虽然方 法各异，但其评价原理和步骤基本一致。因此，高速公路安全系统综合评价方法流程可 用图2 1 所示。 图2 1高速公路安全系统评价流程图 2 2 2 评价步骤 这里遵循多层次、多指标综合评价的思路，建立高速公路安全系统系统评价模型。 由于高速公路安全系统问题涉及面广，本文应用公路线形、交通设施、路面状况、交通 特性、交通环境等指标来反映。评价的思路和步骤可概括如下： s t e p l ：选择评价指标，按高速公路安全系统评价目的分类建立评价指标体系： 9 第二章高速公路安全影响因素分析及指标体系建立 根据高速公路安全系统评价的思路，高速公路安全系统评价目标分5 大类指标( 公 路线形、交通设施、路面状况、交通特性、交通环境) ，设珞为第f 大类指标的指标个 数，i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，则指标体系为： ，= 饥，1 2 ， 厶，厶，厶)五= ( i i l ，1 , 2 ， ， 厶f ) s t e p 2 ：收集指标数据并进行标准化( 无量纲化) 处理： 评价指标属性值向量为贮( 蜀，x 2 ，x 3 ，x 4 ，x 5 ) ，毕l ，f ) ，相应 地有降( y l ，蚝，玛，i ：4 ，玛) ，】，产( m l ，y a ，蛳f ) ，i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 为评价指 标属性值标准化( 无量纲化) 后的数据向量。 s t e p 3 ：按所选择的多指标综合评价方法对于高速公路安全系统的公路线形、交通设 施、路面状况、交通特性、交通环境进行评价： d = d ( h ) j = j ( i ：2 )g = g ( y 3 )a = a ( y 4 )r = r ( y 5 ) s t e p 4 ：最后，综合上述结果作出高速公路安全系统的评价结果： s d = s d ( d ，j ，g ，a ，r 、 2 3 评价方法的选择 2 3 1 选择评价方法应遵循的原则 。 要进行高速公路安全系统评价，提出评价方法，首要是确定评价方法所必须遵循的 原则。这样可以使评价指标的建立更具有目的性，使评价方法更容易被人们所接受。 选择评价方法时应遵循科学、可行、实际、可比的原则b 5 1 。 ( 1 ) 科学性原则 评价方法的“科学性是指评价方法能够反映道路安全的本质，能够体现影响高速 公路安全的各影响因素的具体影响方面，客观公平。科学性原则使得评价能够可靠客观， 评价结果才能可信。 ( 2 ) 可行性原则 “可行性 指评价方法具有可操作性，这里要求评价需要的基础数据易得，获取基 础数据的费用合理，尽可能以最少的数据进行评价。评价过程也应该易于操作。 ( 3 ) 实际性原则 “实际性”指评价方法能体现我国目前高速公路安全系统所面临的现实状况，紧密 联系实际建立的评价方法才能得到为改善交通安全状况提供依据的评价结论。 l o 长安大学硕士学位论文 ( 4 ) 可比性原则 “可比性”指评价方法可以对高速公路安全系统做出公正合理的比较，进而做出评 判。可比性是建立评价方法和评价体系的重要标准。 2 3 2 安全评价方法概述 安全是相对的概念，不存在绝对意义上的安全。交通安全宏观方面的评价目前都是 基于“安全度”概念的评价，即反映评价对象的安全程度。根据系统的安全度进而可以 反映出道路设施或交通管理方面的安全水平。 交通事故数量的多少以及事故的严重程度，直接反映了系统的安全水平。因此，现 有的安全评价方法主要还是以利用交通事故资料统计的方法为主。除此之外，不基于事 故资料统计评价的方法主要有：交通冲突法、以道路设施安全性能指标为基础的评价方 法以及模拟仿真法等。 交通冲突分析技术是2 0 世纪7 0 年代国际交通安全领域出现的非基于事故统计的评价 方法之一，该方法主要是以大样本、快速、定量研究评价交通安全现状与改善效果。目 前，交通冲突技术在许多国家得到广泛应用，成为定量研究多种交通安全问题及其对策 的重要方法。 另一种非基于事故统计得评价方法是以道路设施安全性能指标为基础的评价方法， 该方法主要用于交通建设项目的预评价和路段的微观评价。 交通部的公路项目安全性评价指南就是以运行速度一致性为主要评价指标的道 路交通安全评价方法，主要用于高速公路建设项目的设计阶段评价。另一种基于安全审 查表的评价方法是由冯桂炎教授在道路交通安全审计手册一书中阐述的，通过详细 列出公路建设项目的规划、初步设计阶段、详细设计及施工图设计阶段各环节中需要检 查的安全问题的方面，并对其进行评价的方法n 刮。 对现有的道路交通安全度评价方法总结有如图2 2 所示的几种。 第二章高速公路安全影响冈素分析及指标体系建立 道 路 交 通 安 全 度 评 价 方 法 绝对数法 事故率法 事故强度分析法 模型法 灰色评价方法 模糊评价法 概率数理统计法 模拟仿真法 其他方法 图2 2 现有交通安全评价方法 概率数理统计方法是指以概率论和数理统计方法对事故的指标进行统计分析。其统 计依据只是交通事故的单个指标值，对其它影响因素考虑较少。该方法包括事故绝对数 法和事故率法等。该方法的缺点在于数据资料需求量较大，数据资料不够集中、调查难 度较大【1 5 】。 强度分析法是在事故指标的基础上结合道路交通的其它因素，得出一个综合评判指 标，以此值进行道路安全的评价与研究。强度分析法具有一定的科学性和可比性，有其 自身的优点，但同时也存在一定的不足之处。首要问题是指标值考虑因素过少，交通事 故本身就是多种因素相互作用的结果，而且不同的道路及交通条件相差各异，用较少的 指标是难以做出精确的评价的。另外以一个单一的指标值作为评价依据不够充分。 总之，现有评价方法都难以全面的反映道路交通各组成要素的安全状况，要完善高 速公路交通安全评价，就需要更加全面、系统、操作性较强的高速公路交通安全系统评 价模型。 2 4 基于物元一可拓模型的高速公路安全系统综合评价 物元理论利用物元模型解决实际问题，既可以利用物元一可拓性的物元方法，又可 以采用可拓集合理论，通过关联函数进行定量计算。物元理论的基本单位是物元，是以 1 2 长安大学硕士学位论文 事物、事物特征和该特征的量值三者所组成的三元组，记作r = ( 事物，特征，量值) 。物 元的概念正确反映了质与量之间的关联，可以更合理地描述客观事物变化的过程。不同 的物体可以有相同的特征元，用同征物元表示。事物变化的可能性称为物元的可拓性。 事物的变化以物元的变换来描述，物元理论的核心就是研究物元的可拓性和物元的变换 以及物元变换的性质。物元集合的主要内容是定量描述事物的可变性，通过建立关联函 数进行计算。 物元可拓法由蔡文于2 0 世纪8 0 年代提出，它以可拓学的物元模型和可拓集合、关 联函数理论为基础，是一种多指标可拓综合评价方法。 物元可拓学以物元理论和可拓数学作为其理论框架。其中，物元是可拓学的逻辑细 胞，以有序三元组r = ( n ，c ，v ) 作为描述事物的基本元，可以从定性、定量两个角度解决 问题。如果事物n 以n 个特征c 。，c ：，c 。和相应的量值v 。，v ：，v 。描述， 则表示为： r = ( ，c ，v ) = n 弓巧 c 2v 2 易哆 ( 2 1 ) 可拓集合建立了“关联函数 这一概念，用关联度将模糊集合的 0 ，1 闭合期间连 续取值拓展到( 一，+ ) 实数轴，以表达物元的量值为实轴上的一点时符合要求的 程度。首先引入了距的概念：设v 为实域( 一，+ ) 上的任一点，v = c a ，b 为实域 上任一区间，称 彬) = | v - 半l _ 字 眨2 ， 为点v 与区间v 之距。在距的基础上建立关联函数为： 足，( v ) 第i 个待评价物元体与物元的第j 等级的关联函数； j d ( v ，圪，) 第i 个待评价物元体与各个经典域的距； p ( v ，吃) 第i 个待评价物元体与相应节域p 的距； l i 经典域的量值大小。 待评对象p 关于等级j 的关联度为： k j ( p ) = q 一( v ，) ， j = l ，2 ，m ( 2 3 ) 第二章高速公路安全影响冈素分析及指标体系建立 式中，k ，( p ) 待评价物元体与物元关于等级j 的关联度； 第i 个特征对物元评价的权重系数。 运用可拓集合的关联度解决物元特征评价等级问题的方法称为物元可拓法。 可拓学专门探讨矛盾转化，它能够描述事物性质的可变性和事物变化过程中由量变 到质变的变化规律，是区别于经典集合、模糊集合的另一种形式化工具。可拓学采用形 式化的工具，从定性与定量两个方面来研究解决矛盾问题。其逻辑细胞为物元，其理论 根本则是物元理论和可拓集合理论。其中，物元属性、方程变化属于定性工具，而关联 函数、可拓集合及其相关属性等则属于定量工具。1 3 6 以可拓学【3 7 3 8 】物元模型和可拓集合、关联函数理论为基础的多指标可拓综合评价方 法，是多元数据量化评价方法的一种。通过建立多指标性能参数的物元模型，并以定量 的数值表示评定结果，从而较完整地反映被评价事物的综合水平。近年来，可拓学综合 评价在诸多领域得到了广泛应用【3 9 1 ，但这些应用大都限于单层次结构多特征系统的描 述，而现实世界中一个事物往往是一个具有多层次结构、每个子层次结构又具有多个子 系统的复杂系统，因此，本文用复合物元将可拓模型中的单层次结构拓展为多层次结构， 用于多层次事物的综合综评价。由于高速公路安全系统是一个复杂的系统，其评价指标 体系也是多层次的复合结构，显然，多指标多层次数据量化的复合物元可拓综合评价法 用于影响因子较多的高速公路安全系统评价是可行的。 2 4 1 建立层次结构模型 复杂的问题可以通过层次分解进行简化。同一层次的问题作为准则，对下一层次的 某些要素起支配作用，同时又受到上层要素的支配。最上面一层为目标层，中间层称为 指标类层，指标类层下面是指标层。目标层、指标类层、指标层构成树状层次结构模型 a o l 0 2 4 2 判断矩阵的构造 在多层递阶的层次结构中，设上一层次元素c 为准则，其所属的下一层元素为u 1 ， u 2 ，u l i 对于准则c 相对重要性程度即为权重。这通常又分为以下情况： ( 1 ) 如果u l ，u 2 ，u n 对可定量，比如可以使用货币等量化，那么，其权重可 直接得出。 ( 2 ) 如果问题比较复杂，u l ，u 2 ，u l l 重要性无法直接定量，仅能定性确定，可 采用两两比较的方法来确定权重。 1 4 长安大学硕士学位论文 其方法是：对于准则c ，元素u i 和屿哪一个更重要，重要的程度如何，通常按1 9 比例标度对重要性程度赋值，下表中列出了1 9 标度的含义。 表2 2 标度的含义 标度含义 1 表示两个元素相比，具有同样重要性 3表不两个兀索相比，丽看比后看梢重要 5 表不两个元素相比，前者比后者明显重要 7 表示两个元素相比，前者比后者强烈重要 9 表示两个元素相比，前者比后者极端重要 2 ，4 ，6 ，8 表示上述相邻判断的中间值 若元素f 与歹的重要性之比为q ，那么元素， 倒数 与元素f 重要性之比为口= l 对于准则c ，n 个元素之间相对重要性的比较得到一个比较判断矩阵 a = ( q 。 ( 2 4 ) 其中q ，就是元素甜，和吩相对于c 的重要性的比例标度。判断矩阵a 具有下列性质： 0 ，a j ，= 1 a i ，= 1 由判断矩阵的性质知，一个n 个元素的判断矩阵只需要给出其上三角或下三角的 n ( n - 1 ) 2 个元素即可。 若判断矩阵a 的所有元素满足口i ，= ，则称a 为一致性矩阵。 不是所有的判断矩阵都满足一致性条件，只有在特殊情况下才有可能满足一致性条 件。 2 4 3 确定指标权重 已知n 个元素u 1 ，u 2 ，u i l 对于准则c 的判断矩阵为a ，求u 1 ，1 , 1 2 ，u n 对于 准则c 的相对权重q ，哆，q ，写成向量形式即为形= ( ，国：，一) 7 将判断矩阵a 的n 个行向量归一化后的算术平均值，近似作为权重向量，即 驴去喜轰，2 ，川 ( 2 5 ) 计算步骤如下： 第二章高速公路安全影响因素分析及指标体系建立 第一步：矩阵a 的元素按行归一化处理； 第二步：将归一化后的各行进行相加； 第三步：将相加后的向量除以n ，即可得到权重向量。 另外，在计算单准则下权重向量时，还必须进行一致性检验。 构造判断矩阵时，并不要求判断具有传递和一致性，即不要求q ，口席= 严格成 立，这是由客观事物的复杂程度与人的认识的多样程度所决定的。上述各种计算排序权 重向量( 即相对权重向量) 的方法，在判断矩阵过于偏离一致性时，其可靠性也就会相 应的变差，因此要对判断矩阵的一致性进行检验，具体步骤如下： 首先，计算一致性指标c i c j ：生坠兰( 2 6 ) 矩阵最大特征根a 一的计算，除常用的特征根方法外，还可使用公式 k ：喜等：去喜半 纪7 ， 查找相对应的平均随机一致性指标r i 表2 3 给出了l 1 3 阶平均随机一致性指标r i 的取值。 表2 3 平均随机一致性指标r i 取值表 矩阵阶数 12345678 r l 0o0 5 8o 9 0 1 1 2 1 2 6 1 3 2 1 4 1 矩阵阶数 91 01 11 21 3 r 。l 1 4 61 4 91 5 21 5 4 1 5 6 计算性一致性比例c r c r ：垡( 2 8 ) 尺 当c r 0 1 时，应该对判 断矩阵做适当修正。 2 4 4 确定经典域和节域 假设评价体系具有两层指标，分别用f 、火卢，2 ，n ；j = l ，2 ，聊) 表示，则 可建立经典域如下： 1 6 长安大学硕士学位论文 耻i n o g o 。ln 0 2 ：2 - 2 巨 n on 叽n 吐 c l圪1 11 2 c 2 。 g 州。： “。 ( 口0 1 。，6 叭。) ( 。，。) ( a o n l ，b o ，) 0 2 ( 口0 。：，6 0 。：) ( ，) ( a o n 2 ，b o 。2 ) n o “ ( 6 0 ，。) ( 口咖，。) ( g o n mb o 。) ( 2 9 ) 式中，r o 表示高速公路安全系统评价物元，d 表示级别的全体， 砀表示划分的第j 个等级，g 表示第f 个评价指标，m 疗。册为同征物元阵，表示m 关于指标g 的量值范 围。 再令 弓= 帆，c ，) = g ( ，) g ( 嘞，) c ：，( ，) ( 2 1 0 ) 其中：邱表示高速公路安全系统评价指标允许取值范围的物兀，m 表不等级的全体， ，表示中指标c f 的允许取值范围，即节域。 2 4 5 建立关联函数 计算各指标g 关于评价等级的关联函数，公式如下：当k ，屯j 时， = 制 当仨k ，打， b 煞，娥铲晰巧) 玛= 熊) 一解巧) ”“叫。 l 一鹏) 一1 ，删，) = 熊巧)( 21 2 ) 其中： 反巧，巧) = l v 一三( 吻+ 吃j 一三 ，一) 矾叫v 毛k + h 眩一) 新 册 册 咐； = ； q e ；q k 第二章高速公路安全影响因素分析及指标体系建立 2 4 6 综合评价 计算各指标关于评价等级的关联度。关联度表示所有评价指标符合各评价等级的 程度。其值域是全体实数。 k j ( p ) ：窆a ，k ，( k ) ( 2 1 3 ) 若k ，= m a xk ，( p ) 0 ，则评定的高速公路安全系统水平属于等级j 。 o 0 s ，s 胂 。 若对一切j ，有蝎( p ) k o ( k o 为( o ，1 ) 间某一数值，一般可取2 3 ) ， 需要重行进行咨询。 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 说明专家意见比较分散， 专家意见的协调程度：用变异系数形表示： = 6 ，巨 ( 3 3 ) k 反映专家对第i 指标评价的协调程度。 6 ，越小，k 越大，说明专家意见越协调。由豆i 、6 i 、k 综合分析决定是否需要进行 下一轮咨询。若已满足要求，则以最后一轮各指标的舌i 、西的大小为判据，决定保留哪 些指标，删除哪些指标，最后将评价指标体系确定下来。 必要性。必要性是指构成统计指标体系的所有指标从全局考虑是否都是必不可少 的，有无冗余现象。如果有高度相关的指标，会影响评价结果的客观性。为此，必须对 指标体系进行相关性检验。一般