牟夏 魏向旺 肖颯 胡超 李歡歡

（1.北京超圖信息技術(shù)有限公司 北京市 100015 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京市 100076）

公路作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，對于國民經(jīng)濟及社會發(fā)展具有極為重要作用，公路行車及運輸安全也關(guān)乎人民群眾的生命及財產(chǎn)安全。公路交通運輸安全狀況是對公路路網(wǎng)或某路段的交通安全狀況的客觀描述，可反映某個時間段內(nèi)公路行車安全狀況。國內(nèi)外對交通安全的研究主要集中在氣象與交通安全、安全評估方法、預(yù)警技術(shù)及評估系統(tǒng)等方面。李云峰等[1]分析了近10年吉林省主要高速公路交通事故與氣象要素的關(guān)系，得出了降雨、陰天、降雪天氣是氣象要素影響下交通事故發(fā)生的主要原因，降雨量級、降雪量級與交通事務(wù)的發(fā)生均成正比關(guān)系。朱涵和楊潤凱[2]在突變理論的基礎(chǔ)上建立了城市道路交通安全評估模型，對江西多個城市進行交通安全評估及合理性驗證，為道理交通安全評估提供了新的途徑。吳方健和李磊[3]基于智能交通技術(shù)建設(shè)了山東省智能交通安全系統(tǒng)，并闡述了系統(tǒng)的組成、數(shù)據(jù)流設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)部署等，使山東交通安全管理更智慧化、便捷化。近些年，隨著信息化技術(shù)的不斷進步，智能交通技術(shù)突飛猛進，交通監(jiān)控系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于城市交通運輸中，而交通運輸安全評估也逐漸開始推廣應(yīng)用[4-6]。市場化高度發(fā)展的今天，從人們的衣食住行到生產(chǎn)生活都需要長距離運輸，而運輸安全直接關(guān)系到生命及財產(chǎn)安全，深入分析公路交通運輸安全的影響因素，構(gòu)建起公路運輸安全的評估指標(biāo)及算法，搭建起安全評估系統(tǒng)，對于降低交通運輸事故發(fā)生概率、保障人民群眾生命及財產(chǎn)安全具有重要意義。

1 公路交通運輸安全影響因素分析

公路交通運輸安全受多種因素影響，包括車、路、環(huán)境等方面[7]。交通事故的發(fā)生不僅受單一因素影響，往往是多個因素綜合作用的結(jié)果，分析公路運輸安全的影響因素是公路安全評估的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1.1 車輛因素

車輛是交通運輸?shù)闹饕d體，也是道路交通系統(tǒng)的主要組成之一。車輛屬性對車輛的行駛安全具有影響，不同型號的車輛性能特性不同，對道路要求也不一樣，不同的道路狀況以及氣象環(huán)境對不同車輛的影響程度也不一樣。車輛屬性分析站在車輛角度，結(jié)合車輛自身特點分析車輛在道路上的通過、通行性情況。

1.1.1 車輛外形

車輛外形主要考慮車輛的長度、寬度和高度三個主要外形因素。車輛外形與道路、橋梁、隧道的通過性情況密切相關(guān)，如針對重型搶險車輛、應(yīng)急救援車輛等大型車輛，其車輛高度、寬度必須小于道路及附屬設(shè)施的設(shè)計高度、寬度要求，才能保證順利通過。

1.1.2 車輛重量

橋梁、道路具有設(shè)計限重指標(biāo)，對于行駛在道路、橋梁上的車輛具有限重要求。車輛重量屬性影響橋梁通過性、道路通過性。將車輛滿載重量與橋梁的限重相結(jié)合并開展分析，確定路線的通過性指標(biāo)。

1.1.3 車輛行駛條件

車輛行駛限制條件（如道路等級、彎度、坡度等）將影響道路通過性。車輛在道路上行駛，事故發(fā)生概率與道路質(zhì)量密切相關(guān)，尤其是路面、線形情況、交通狀況等對行車安全的影響很大，道路等級越高，車輛的行駛環(huán)境更好。道路坡度及彎度也會影響車輛的行駛，當(dāng)坡度過多則影響車輛的通過性；同理，當(dāng)?shù)缆窂澋肋^多或過大，也會影響車輛的通過條件。

1.2 道路因素

道路是整個公路交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)，道路好壞直接影響到車輛的行駛狀態(tài)，對交通運輸安全影響也最直接。道路及道路設(shè)施對公路交通運輸安全的影響因子包括道路等級、路面坡度、路面承載力、以及公路設(shè)施等。

1.2.1 道路等級

道路等級是公路行車要重點考慮的因素，不同道路等級其行車速度要求及安全性不同。公路運輸時，應(yīng)盡量選擇路面狀況好、道路等級高的路線進行行駛。

1.2.2 路面坡度

路面坡度也是影響公路運輸安全的影響因子之一，坡度越大行駛難度越大。分析路面坡度情況，尤其是長大縱坡的情況對于車輛安全行駛具有必要。

1.2.3 道路彎道

道路彎道，尤其是急彎對公路運輸安全具有較大影響。若行駛車輛較長而道路彎道大、路面窄，對車輛的通行性具有較大限制；若對車輛通行有限制的急彎越多，則車輛通行性條件更差。

1.2.4 道路承載力

道路承載力也是影響公路運輸安全的影響因子之一，若車輛滿載重超過道路承載力，對于車輛的通行性及道路的安全性均具有影響。

1.2.5 橋梁屬性

橋梁具有設(shè)計限重、限寬等指標(biāo)，對行駛在橋梁上的車輛有限重、限寬等要求。若橋梁最大承載力低于車輛滿載重量，或橋梁寬度小于車輛寬度，則對車輛的通行性甚至是通過性均具有較大影響。

1.2.6 隧道屬性

隧道具有設(shè)計限高、限寬等指標(biāo)，對行駛在隧道上的車輛有限寬、限寬等要求。若隧道高度低于車輛高度，或隧道寬度小于車輛寬度，則對車輛的通行性甚至是通過性均具有較大影響。

1.3 環(huán)境因素

氣象環(huán)境及自然災(zāi)害對于車輛行駛影響較大。本文主要從氣象環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害出發(fā)，分析天氣狀況、地質(zhì)災(zāi)害對路面造成的影響，進而對車輛通行造成限制。

1.3.1 氣象環(huán)境

強降水、降雪、濃霧等惡劣氣象條件是威脅公路運輸安全的重要因素之一。降雨、降雪導(dǎo)致的路面濕滑會降低路面摩擦系數(shù)，使車輛制動性能減弱，危險性增加[8]；雨雪也使得駕駛員水平能見度降低，視野不開闊，影響道路標(biāo)志標(biāo)線或車間距的辨識，增加駕駛員誤判的概率。

霧對公路安全的影響主要體現(xiàn)在能見度降低上。霧天能見度低，視線障礙大，駕駛員可視距離大大縮短，由于景物、交通標(biāo)線及前后車輛都難以辨別，使駕駛員容易判斷失誤，導(dǎo)致前后車追尾。同時，霧會使光線散漫并吸收光線，致使物體亮度降低，影響駕駛員觀察。

1.3.2 自然災(zāi)害

泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，往往會引發(fā)道路損毀、掩埋、山體落石等危險事件，對于車輛運輸安全具有較大影響。公路運輸時需要考慮行駛路線的自然災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)狀或自然災(zāi)害風(fēng)險情況，避免運輸過程中遭遇自然災(zāi)害。

2 公路交通運輸安全評估算法設(shè)計

2.1 評估指標(biāo)構(gòu)建

通過對交通運輸安全的影響因素分析得知，交通運輸安全與車輛、道路、環(huán)境等相關(guān)，且受多種因素的綜合影響。本文時間、空間緯度，考慮車輛、道路及附屬設(shè)施、環(huán)境三大要素，針對具體運輸任務(wù)構(gòu)建影響公路交通運輸安全的道路通過性、道路通行性、環(huán)境影響3 項一級指標(biāo)及15 項二級指標(biāo)。評估系統(tǒng)默認采用此指標(biāo)體系，同時為使評估指標(biāo)更科學(xué)合理，系統(tǒng)可支持指標(biāo)新增、修改、刪除等自定義設(shè)置，滿足不同情境下公路交通運輸安全評估需求。

2.1.1 道路通過性

道路通過性是車輛行駛安全的前提條件。道路通過性指標(biāo)基于車輛、道路的基本屬性進行構(gòu)建，通過分析車輛屬性與道路及其附屬設(shè)施之間的關(guān)系，來評估車輛是否可通過某具體的公路路線?；诠愤\輸安全影響因素分析成果，重點考慮公路附屬設(shè)施（如橋梁、隧道等）的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是否滿足車輛的行駛要求，來作為車輛能否通過的評估指標(biāo)。本文考慮道路附屬設(shè)施限重、限寬、限高等因子，構(gòu)建起道路通過性的二級指標(biāo)，如表1所示。

表 1：道路通過性指標(biāo)評判標(biāo)準(zhǔn)

表 2：道路安全狀況分析指標(biāo)評判標(biāo)準(zhǔn)

表 3：道路安全狀況分析指標(biāo)權(quán)重

2.1.2 道路通行性

在公路能通過前提下，公路條件（如道路等級、坡度、彎道、承載力等）可影響車輛的行使?fàn)顟B(tài)?；诠愤\輸安全影響因素分析成果，重點考慮公路及其附屬設(shè)施的空間狀態(tài)及條件對車輛行駛的影響，來作為車輛通行狀況好壞的評估依據(jù)。本文考慮道路等級、橋梁數(shù)量、急彎數(shù)量及長大縱坡等因子，構(gòu)建起道路通行性的二級評估指標(biāo)，如表2所示。

2.1.3 環(huán)境影響

惡劣天氣、自然災(zāi)害等環(huán)境因素是車輛運輸安全的重要影響因素之一?；诠愤\輸安全影響因素分析成果，從時間、空間兩個維度，重點考慮運輸過程中可能遭遇的降水、大風(fēng)、能見度、自然災(zāi)害等因子，構(gòu)建起環(huán)境影響的二級評估指標(biāo)，如表2所示。

2.2 評估算法設(shè)計

在影響因素分析及指標(biāo)體系構(gòu)建基礎(chǔ)上進行公路交通運輸安全評估算法設(shè)計，首先進行道路通過性的先行判斷，然后進行道路通行性及其他安全因素的評判分析，得到公路交通安全總體評估算法。評價算法包含通過性判斷、道路安全得分計算及道路總體安全等級評估。

系統(tǒng)默認采用此評估算法，同時為使評估更科學(xué)合理，系統(tǒng)可支持指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)權(quán)重的修改等自定義設(shè)置，滿足不同情境下公路交通安全評估需求。

2.2.1 通過性判斷

基于行駛車輛與道路屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)置道路通過性的優(yōu)先判斷算法，若判斷通過性的指標(biāo)顯示“不能通過”，則自動將當(dāng)前路線判斷為不能通過，并中止其他道路安全指標(biāo)計算，優(yōu)先評判標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.2.2 道路安全得分計算

（1）指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

在道路“能通過”基礎(chǔ)上，基于已構(gòu)建的道路通行性、環(huán)境影響指標(biāo)體系，計算出每個二級指標(biāo)的評估結(jié)果。系統(tǒng)依據(jù)知識經(jīng)驗自動將計算結(jié)果從0-10 分進行打分，由此可得出每個二級指標(biāo)的得分。各二級指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置如表2所示。

（2）指標(biāo)權(quán)重設(shè)定。

依據(jù)專家打分[9]及經(jīng)驗積累，對分別對一級、二級指標(biāo)進行權(quán)重設(shè)定，設(shè)定的結(jié)果如表3所示。

（3）指標(biāo)得分計算。

基于指標(biāo)算法、評分標(biāo)準(zhǔn)可得出二級指標(biāo)的得分，在此基礎(chǔ)上可計算出一級指標(biāo)得分及道路總體安全評估得分，計算方法如下所示：

2.2.3 道路總體安全等級評估

基于依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗及知識圖譜，將公路交通總體安全狀況分為6 個等級，分別是極其嚴重、比較嚴重、嚴重、一般、比較安全和安全。每個等級評判標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。同時，將一級指標(biāo)計算得分、道路總體得分與評判等級進行匹配，即可得到某公路交通安全等級。

表4：公路交通安全等級描述

3 公路交通運輸安全評估系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)基于Supermap Desktop 在服務(wù)發(fā)布、自動化制圖、交通分析、空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析、三維等方面的專業(yè)功能進行二次開發(fā)，系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層，如圖1所示。數(shù)據(jù)層包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（矢量、影像、地形等）、交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、專題事件數(shù)據(jù)、三維實體數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)存儲在SuperMap 自定義的UDB 本地數(shù)據(jù)庫中供系統(tǒng)調(diào)用和展示。支撐層包括SuperMap Desktop以及SuperMap Objects Java 組件，為安全評估系統(tǒng)提供三維地球及精細化小場景、交通分析、空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析等技術(shù)支撐。應(yīng)用層用于交通安全狀況評估應(yīng)用實現(xiàn)，包含評估事件管理、指標(biāo)體系管理、數(shù)據(jù)分析處理、交通安全評估及交通安全展示等模塊。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)針對具體公路交通運輸安全狀態(tài)評估進行設(shè)計，用戶確定好運輸任務(wù)的起終點、經(jīng)停點，以及出發(fā)、到達時間等信息，輸入相應(yīng)的專題事件數(shù)據(jù)、選取相關(guān)的評估指標(biāo)，系統(tǒng)可進行運輸路線規(guī)劃及各路線的行車安全狀況評估及展示，使用戶能從運輸?shù)缆返耐ㄟ^性、通行性及氣象環(huán)境影響等方面，全方位了解運輸過程中的行車安全狀況，輔助搶險救災(zāi)時選取最優(yōu)行駛路線。運輸任務(wù)、數(shù)據(jù)、評估結(jié)果等均保存在SuperMap 自定義的工作空間中，系統(tǒng)的運行流程設(shè)計如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)運行流程設(shè)計

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

依據(jù)交通運輸安全評估的目標(biāo)及應(yīng)用場景，本系統(tǒng)包含運輸任務(wù)管理、數(shù)據(jù)分析處理、指標(biāo)體系管理、行車安全評估、安全狀況展示等系統(tǒng)功能，使用戶能從道路通過性、通行性及氣象環(huán)境影響等方面，全方位了解行車安全狀況，輔助用戶選取最優(yōu)行駛路線。

3.2.1 運輸任務(wù)管理

運輸任務(wù)管理重點針對具體運輸任務(wù)，提供任務(wù)管理、路線管理、車輛管理功能。任務(wù)管理實現(xiàn)對運輸任務(wù)的描述，包含運輸時間、運輸貨物明細、運輸路線及車輛等，提供任務(wù)的新建、導(dǎo)入、修改、刪除及查詢等功能，滿足運輸任務(wù)創(chuàng)建及管理；路線管理基于SuperMap 網(wǎng)絡(luò)分析模塊開發(fā)設(shè)計，可實現(xiàn)運輸路線的自動規(guī)劃，用戶輸入起、終點及路線經(jīng)停點，系統(tǒng)可自動規(guī)劃出可供選擇的多條運輸路線，并基于已規(guī)劃好的多條路線，進行后續(xù)的路線安全評估；車輛管理實現(xiàn)對車輛長、寬、高、時速、滿載重等屬性信息的管理，提供車輛的新建、修改、查詢等功能，并可關(guān)聯(lián)運輸任務(wù)。運輸任務(wù)以SuperMap 自定義的.smwu 格式進行儲存，添加和導(dǎo)入的數(shù)據(jù)源可組織進工程文件，以供分析評估及場景展示調(diào)用。

3.2.2 指標(biāo)體系管理

指標(biāo)體系管理在交通運輸安全影響因素分析及安全評估算法研究成果基礎(chǔ)上進行設(shè)計。系統(tǒng)將本文設(shè)計的公路交通運輸安全評估指標(biāo)體系及算法作為系統(tǒng)評估模板，供用戶直接進行安全評估。同時，系統(tǒng)提供評估指標(biāo)的新建、刪除、指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)修改、指標(biāo)權(quán)重修改等功能，一方面滿足用戶特定運輸任務(wù)安全評估的需求，另一方面也使評估結(jié)果更加科學(xué)合理。用戶自定義的評估指標(biāo)體系僅保存在當(dāng)前運輸任務(wù)中，對其他任務(wù)信息不構(gòu)成影響。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析處理

基于SuperMap 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、融合及治理的能力，針對具體運輸任務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析處理功能，包含數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出、地圖預(yù)覽、數(shù)據(jù)編輯、拓撲構(gòu)建及檢查、事件表生成等。導(dǎo)入每個評估指標(biāo)所需要的各類專題數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，生成動態(tài)事件表及事件數(shù)據(jù)集，可快速的實現(xiàn)路線的安全評估、數(shù)據(jù)上圖等。用戶可導(dǎo)入并處理當(dāng)前運輸任務(wù)安全評估所需的數(shù)據(jù)，為運輸安全評估做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

3.2.4 行車安全評估

行車安全評估基于已創(chuàng)建的運輸任務(wù)、指標(biāo)體系及分析處理的數(shù)據(jù)進行計算，系統(tǒng)提供道路通過性、通行性及環(huán)境影響的評估，用戶可查看二級指標(biāo)、一級指標(biāo)計算得分及安全等級評估結(jié)果，也可查看路線總體得分及安全等級，全方位獲取到各路線的運輸安全狀況，輔助最優(yōu)行駛路線的選取。

3.2.5 安全狀況展示

安全狀況展示基于安全狀況評估結(jié)果，以二三維地圖方式多維度呈現(xiàn)路線的運輸安全狀況，展示內(nèi)容包含規(guī)劃路線展示、通過狀況展示、通行狀況展示、環(huán)境影響展示、道路總體安全等級展示等。結(jié)合道路、橋梁、隧道及周邊環(huán)境的BIM 數(shù)據(jù)、三維實體數(shù)據(jù)，基于SuperMap 強大的三維場景搭建及空間分析展示能力，構(gòu)建起車輛行駛的真實場景，全方位展示各路線上道路橋梁狀況、車輛行駛狀況、天氣狀況等；設(shè)置行駛推演器，按照任務(wù)預(yù)設(shè)要求，推演車輛在運輸路線上的行駛狀態(tài)，使用戶能沉浸式的感受運輸現(xiàn)場狀況，達到既美觀又實用的效果。

4 小結(jié)

本文基于搶險救災(zāi)公路交通運輸過程中行車安全評估的需要，分析了車輛、道路及環(huán)境等影響公路運輸安全的因素，開展了運輸安全評估的指標(biāo)體系構(gòu)建及算法設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上完成了公路交通運輸安全評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，使用戶針對具體的運輸任務(wù)，能提前規(guī)劃好備選運輸路線，并從運輸?shù)缆返耐ㄟ^性、通行性及氣象環(huán)境影響等方面評估各備選路線的安全狀況及等級，全方位了解運輸過程中的行車安全狀況，輔助搶險救災(zāi)過程中最優(yōu)行駛路線的選取。本研究以期通過智慧化手段為駕駛員提供便捷評估工具，降低行車過程中交通事故發(fā)生的概率，減少因交通事故導(dǎo)致的生命及財產(chǎn)損失。