韓躍杰，王玉蘭，程 毅

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250031； 3.遼寧省交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110005)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路交通安全問(wèn)題日益突出。由于高速公路的封閉性，使交通事故的影響在區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)中迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致區(qū)域高速公路網(wǎng)的抗破壞性明顯弱于城市路網(wǎng)。因此，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)成為行業(yè)學(xué)者研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。

目前，國(guó)外專(zhuān)家學(xué)者多注重于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性的研究[1-2]，交通領(lǐng)域相關(guān)研究也集中在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征方面[3]，如Scott等[4]將路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指標(biāo)用于公路網(wǎng)性能評(píng)價(jià)與路網(wǎng)規(guī)劃；Dia[5]將道路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題作為雙層線性規(guī)劃問(wèn)題，尋找區(qū)域公路網(wǎng)的最佳投資方案。國(guó)內(nèi)關(guān)于路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要關(guān)注2個(gè)方面[6-7]：一是路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征研究；二是基于路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)展的應(yīng)用研究，主要包括布局優(yōu)化、可靠性研究與評(píng)價(jià)等方面。張毅等[8]分析了北京市公交系統(tǒng)的拓?fù)鋮?shù)并提出建議；鄧亞娟等[9]基于對(duì)偶拓?fù)鋸?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究了渭南市交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征并提出優(yōu)化建議；李進(jìn)[10]基于空間網(wǎng)絡(luò)理論改進(jìn)了區(qū)域高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃模型；袁劍波等[11]評(píng)價(jià)了公路網(wǎng)的交通網(wǎng)密度和宏觀規(guī)模。在可靠性評(píng)價(jià)方面，范海雁等[12]提出了路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立了評(píng)價(jià)模型；杜華兵[13]研究了城市道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并提出了以改善道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)提高路網(wǎng)功能的路網(wǎng)優(yōu)化模型。在高速公路網(wǎng)絡(luò)研究應(yīng)用方面，林松濤等[14]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析了高速公路路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性；肖雪梅等[15]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建了城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)模型；龍雪琴等[16]以區(qū)域高速公路網(wǎng)安全度最大為目標(biāo)提出區(qū)域高速公路網(wǎng)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

上述研究主要圍繞道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能(如可靠性、服務(wù)水平、失效程度等)展開(kāi)，沒(méi)有深入分析道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與交通安全之間的關(guān)系。基于此，本文在廣泛的文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，分析路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)區(qū)域高速公路網(wǎng)安全性的影響，構(gòu)建區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)安全性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)區(qū)域高速公路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

孫根年的研究指出：樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；完全圖式網(wǎng)絡(luò)通達(dá)性強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響程度較高；環(huán)放式網(wǎng)絡(luò)交通流在環(huán)周?chē)箟耗芰?qiáng)[17]。這說(shuō)明不同的區(qū)域高速公路網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)交通安全的影響是不同的，主要表現(xiàn)在不同的路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)汽車(chē)的安全行駛環(huán)境影響不同，因此路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)的指標(biāo)需要從影響汽車(chē)行駛環(huán)境的因素中提取。

1.1.1 路網(wǎng)密度的均衡性

區(qū)域高速公路網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè)是以交通需求為前提的，不同的發(fā)展階段要有相應(yīng)的路網(wǎng)規(guī)模。區(qū)域高速公路網(wǎng)建設(shè)規(guī)模超過(guò)實(shí)際交通需求時(shí)，不僅會(huì)導(dǎo)致資金、土地等資源的占用和浪費(fèi)，還會(huì)因車(chē)輛易于超速行駛等導(dǎo)致交通運(yùn)輸安全管理愈加困難；然而，路網(wǎng)建設(shè)規(guī)模過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致區(qū)域高速公路網(wǎng)提供的通行能力無(wú)法滿足實(shí)際交通量需求，道路交通量飽和，運(yùn)行速度大幅降低，交通事故頻發(fā)，運(yùn)輸效率低下，從而成為制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。所以，區(qū)域高速公路網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展應(yīng)當(dāng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸需求相適應(yīng)。路網(wǎng)密度在一定程度上反映了區(qū)域高速公路網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模。在中國(guó)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度與地理位置息息相關(guān)，因此造成地區(qū)間路網(wǎng)密度差異顯著。路網(wǎng)密度的均衡性描述了路網(wǎng)規(guī)模與交通量需求之間的適應(yīng)性，反映了路網(wǎng)密度對(duì)行車(chē)安全的影響。

1.1.2 路線交叉分布的均衡性

路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中線條數(shù)目越多，路線之間的連結(jié)和交叉就越多，汽車(chē)行駛過(guò)程中遇到的交通沖突點(diǎn)與駕駛員需要辨認(rèn)的信息也越多，這對(duì)行車(chē)安全是不利的。然而，同樣的線條數(shù)目不一定有同樣數(shù)目的交叉點(diǎn)，同時(shí)，交叉點(diǎn)的分布也是不均勻的，路線交叉數(shù)目越多，交叉點(diǎn)分布越密集，對(duì)行車(chē)安全的不利影響就越明顯。路線交叉分布的均衡性反映了路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中交叉點(diǎn)及其分布對(duì)交通安全的影響。

1.1.3 節(jié)點(diǎn)密度

節(jié)點(diǎn)處進(jìn)出的交通流會(huì)對(duì)主線交通流形成沖擊，導(dǎo)致駕駛員頻繁進(jìn)行加速、減速、換道操作，對(duì)行車(chē)安全不利。節(jié)點(diǎn)密度越大，路網(wǎng)安全性越差。

1.1.4 線條流暢程度

平曲線和豎曲線半徑越小，道路安全性越差。曲線半徑越大，路線線形越流暢，說(shuō)明道路平面線形條件越好，對(duì)行車(chē)安全越有利。所以，線條流暢程度越高，對(duì)行車(chē)安全越有利。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性影響因素分析結(jié)果，構(gòu)建路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

專(zhuān)家打分法、層次分析法等都是常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定方法，這些方法需要專(zhuān)家依靠經(jīng)驗(yàn)給出各指標(biāo)的確定性權(quán)重。區(qū)域高速公路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)缺乏定性比較基礎(chǔ)，專(zhuān)家在權(quán)重評(píng)價(jià)的過(guò)程中受限于過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，使得指標(biāo)的定量評(píng)價(jià)過(guò)程中包含了許多不確定性影響，難以給出確定性評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，本文采用集值統(tǒng)計(jì)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的分配。

2.1 集值統(tǒng)計(jì)法權(quán)重分配

集值統(tǒng)計(jì)法是對(duì)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)與模糊統(tǒng)計(jì)的推廣，相對(duì)于概率統(tǒng)計(jì)中要求每次試驗(yàn)取得可能觀測(cè)值的集合中一個(gè)確定的點(diǎn)，集值統(tǒng)計(jì)法允許專(zhuān)家給出指標(biāo)權(quán)重的一個(gè)范圍區(qū)間，即集值統(tǒng)計(jì)法得到的是專(zhuān)家對(duì)某一評(píng)價(jià)指標(biāo)給出的一個(gè)區(qū)間估計(jì)值，而不是一個(gè)確定單一值。

(1)

由此，可以得到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的m個(gè)權(quán)重值向量

W=(w1,w2,…,wm)j=1,2,…,m

(2)

集值統(tǒng)計(jì)方法較傳統(tǒng)算術(shù)平均法計(jì)算評(píng)估值的優(yōu)點(diǎn)在于：把不同專(zhuān)家得到的評(píng)估結(jié)果看成是一種分布，取該分布形心處的對(duì)應(yīng)值作為評(píng)估值，從而減少指標(biāo)評(píng)估的隨機(jī)誤差和模糊程度。

2.2 權(quán)重分配計(jì)算

應(yīng)用專(zhuān)家問(wèn)卷調(diào)查的方式，獲取路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重分配專(zhuān)家打分結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系專(zhuān)家打分結(jié)果

采用集值統(tǒng)計(jì)法計(jì)算專(zhuān)家打分結(jié)果，得到指標(biāo)權(quán)重分配結(jié)果為W=(0.24,0.21,0.25,0.30)。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)

確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重后，還需綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值對(duì)區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒踩赃M(jìn)行評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)δ：膯?wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)性的科學(xué)刻畫(huà)，故結(jié)合本文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的特點(diǎn)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.1 確定評(píng)語(yǔ)集

影響路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性的指標(biāo)有4個(gè)，即{a，b，c，d}，通過(guò)對(duì)4個(gè)單因素進(jìn)行判斷，按照各因素對(duì)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性影響的不利程度劃分，確定模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)語(yǔ)集并給出評(píng)價(jià)等級(jí)：S=(100，80，60，40，20)，100表示很安全，80表示安全，60表示一般，40表示較不安全，20表示不安全。

3.2 構(gòu)造模糊權(quán)判斷矩陣

假設(shè)有n個(gè)專(zhuān)家參與評(píng)價(jià)，由他們對(duì)4個(gè)指標(biāo)的打分得到的樣本數(shù)據(jù)構(gòu)成矩陣

(3)

式中：aij為第i個(gè)專(zhuān)家對(duì)第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)分值。

引入白化權(quán)函數(shù)描述各評(píng)價(jià)指標(biāo)與路網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性的模糊關(guān)系，5個(gè)隸屬函數(shù)如下。

(6)

(7)

(8)

構(gòu)造單因素的模糊權(quán)矩陣

(9)

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

模糊權(quán)矩陣R反映了某個(gè)被評(píng)價(jià)事物從不同的單因素來(lái)看對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬程度，用模糊權(quán)向量將不同的因素進(jìn)行綜合，得到模糊綜合評(píng)價(jià)模型，然后采用加權(quán)求和法得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。假設(shè)存在n個(gè)區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)樣本，P為綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，則

P=W×Ri×ST

(10)

式中：Ri為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊權(quán)向量。

4 實(shí)例計(jì)算

4.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

以河北省區(qū)域高速公路網(wǎng)為例，截取4個(gè)市行政區(qū)劃內(nèi)的高速公路網(wǎng)作為評(píng)價(jià)對(duì)象，見(jiàn)圖2。

圖2 區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

4.2 專(zhuān)家打分確定模糊權(quán)矩陣

對(duì)每個(gè)樣本各指標(biāo)專(zhuān)家打分結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算得到4個(gè)樣本的模糊權(quán)矩陣，見(jiàn)式(11)～(14)。為了得到更加合理的模糊權(quán)矩陣，參與打分的專(zhuān)家人數(shù)應(yīng)該盡可能多，調(diào)查過(guò)程中還應(yīng)注意解釋指標(biāo)涵義。

4.3 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算

對(duì)于每一個(gè)樣本有：Ui=W×Ri(i=1～4)，計(jì)算得到

(15)

對(duì)Ui歸一化后得到

(16)

根據(jù)式(10)計(jì)算得到4個(gè)樣本的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：P=(60.50,69.12,75.68,72.22)。

5 結(jié) 語(yǔ)

區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征對(duì)區(qū)域交通安全有一定的影響，影響因素的影響特性很難定量計(jì)算并進(jìn)行分級(jí)，本文結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法處理模糊問(wèn)題的數(shù)學(xué)優(yōu)勢(shì)，依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)獲取模糊定量問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)資料，確定區(qū)域高速公路結(jié)構(gòu)安全性的各單因素判斷矩陣，采用集值統(tǒng)計(jì)法得到指標(biāo)權(quán)重，建立綜合評(píng)價(jià)模型。實(shí)例計(jì)算表明，模型能夠評(píng)價(jià)區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的安全性，評(píng)價(jià)結(jié)果反映了不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征對(duì)區(qū)域交通安全性的影響。