干线公路安全预警可拓物元评价模型及策略研究

董沛武，杨 玫，刘世国

(北京理工大学 管理与经济学院，北京 100081)

一、引言

交通运输是国民经济的重要组成部分，对促进社会生产力发展，加快物资、人员流动，改善人民生活以及巩固国防均有着十分重要的作用。国省干线公路作为我国公路网的重要组成部分，其修建、养护、绿化等各方面的标准均高于支线公路，在国民经济发展和人们日常出行中发挥着重要作用。但是，在交通运输不断提升国民经济和居民生活水平的同时，其安全问题也日益突出，道路交通事故损失相当严重。这样，研究如何能够最大限度降低交通事故发生率，提高干线公路的安全性就显得极为重要了。

为最大限度地降低公路交通事故发生率和人民的生命财产损失，应做好干线公路的安全预警，通过对预警数据的检测和全面分析，准确、及时地掌握干线公路的安全状况，防范和化解可能出现的危机和波动，做到事故的提前预防。干线公路预警管理理论，就是以预警理论为基础，从管理学的角度，研究如何采取预控的手段防范公路交通事故的发生。

预警(Early Warning)源于军事，是指通过预警飞机、预警雷达、预警卫星等工具来提前发现、分析和判断敌人的进攻信号，并把这种进攻信号的威胁程度报告给指挥部门，以提前采取应对措施[1]。公路预警是以预警理论为基础，以预防公路灾害和交通事故为主要目的的工作。通过对公路安全影响因子的提取，建立公路安全预警量化评估模型，再由评估的结果，对公路的安全预警状态划出不同的级别，进而给出相关的警示。

在公路预警研究方面，国外学者Opitz R提出在道路两侧安装实时监测器和报警灯的方法，通过对路况的实时监测，利用信号灯向司机发出预警信息，达到道路预警的目的[2]。Lazecky M提出用SAR-X卫星图像来精确预测受损公路地基下陷情况，对公路进行安全预警[3]。Maddaloni、Giuseppe根据地震预警系统和结构控制之间的相互作用关系，借鉴地震预警的相关理论，提出利用地震预警的磁流变阻尼器原理，建立公路半主动式(SA)预警控制战略框架，并对所提出的控制策略的有效性进行评估[4]。国内学者在公路预警理论研究方面做的最早的就是佘廉教授。在《试论预警理论在公路灾害防治管理中的运用》[5]中对预警新功能在现有公路运营机制中的运用进行了设计，构建了公路灾害预警管理系统的运作模式。赵建友等通过对公路客运预警系统的分析，基于科学性、系统性、可行性和有效性原则基础上构建了评价指标体系，运用熵理论及GM(1,1)预测模型估计其发展趋势，得出预警分数，该方法可以用于指导和规范道路客运业的发展[6]。刘晓旭等结合现代测量和控制技术、通信技术、嵌入式系统控制技术、语音技术等高科技电子手段，设计了一个高速公路预警信息系统[7]。相比传统的GPS/GPRS系统结构，该系统更加稳定可靠，并且具有功耗低，维护简单，运行成本低等优点。

在高速公路预警理论和公路安全评价方面已有不少学者做出了研究，但是针对国省干线公路的安全预警管理评价和预警策略的研究还较少。本文的研究主要以预警理论为基础，结合国省干线公路特点，建立干线公路安全预警评价指标体系，运用可拓物元安全评价模型研究如何采取有效的预控手段，防范危机的发生，并针对预测结果提出相应的应急管理措施建议。将预警管理理论系统地运用于干线公路突发事件的预警。

二、干线公路安全预警相关理论

(一)干线公路的概念

公路按其重要性和使用性可分为：高速公路、国家干线公路、省级干线公路、县级公路和乡级公路(简称为国、省、县、乡道)以及专用公路5个行政等级，一般把国道和省道称为干线，县道和乡道称为支线[8]。干线公路是国家进行经济建设的重要交通枢纽，它将国家各个行政区(如省、市、县等)、旅游景点、车站、码头等，以及新农村建设和工业开发基地联系到一起，由此可见，干线公路延伸的长度与路况系统的好坏直接影响到该地区经济的发展。

(二)干线公路的特点

干线公路是一个多维度的复杂系统，其驾乘人员状态、车况、路况、自然环境状态都是影响干线公路安全的关键因素。这里所指的驾乘人员包括机动车和非机动车驾驶员以及行人，该因素是干线公路最为重要的影响因素，也是交通事故产生的主要因素。车辆是交通事故的直接“参与者”，交通事故与车辆的保养、超载及构成比例状况密切相关[9]。道路是车辆在路上行驶的基础，只有保证路面系统的安全性，才能够缩减交通事故的发生。另外，环境因素也是影响道路行驶的重要因素之一，道路沿线良好的绿化环境，不仅可以起到与居民聚集地良好的隔音效果，而且能够缓解驾驶员行车过程的疲劳感；其次，天气状况也是不容忽视的因素之一，天气预报的及时准确发布，可以提醒驾驶员雨雪天气减缓车速及时刹车，能够有效防止事故发生；交通拥堵、高危边坡等恶劣的行车条件，会使驾驶员产生紧张的情绪，增大操作失误的可能性[10]。每起交通事故的发生，都是公路运营系统中某一因素遭到破坏的结果，协调好各个因素之间的相互关系，能够有效的防止和减少交通事故的发生率。

(三)公路预警管理流程

欲使预警理论在提高干线公路安全性中充分发挥其作用，必须建立一个完善的结构体系。预警管理一般分为警情监测、识别、诊断、评估和应对五个环节，具体来说就是“明确警情—寻找警源—分析警兆—判定警情—预报警度—启动相应预控策略”[11]。将预警理论与干线公路安全预警相结合，可以将干线公路预警系统分为3个子系统：数据采集子系统、安全评价子系统和报警子系统[12-13]。

数据采集子系统包括警情监测与识别两个环节，通过对干线公路4种影响因素(人、车、路、环境)的分析，建立干线公路安全性评价指标体系，对国省干线公路的交通安全发展态势进行过程描述；安全评价子系统就是运用数学方法对道路安全等级进行量化计算，得到当前道路的安全等级；报警判定子系统是根据安全等级的计算结果，做出是否发布预警信号的决定，并提醒相关部门采取有效措施进行危机防范。干线公路预警管理系统的构成关系图，如图1所示。

三、公路安全预警指标体系的建立

在数据采集阶段，为了明确警情、寻找警源，即做好预警管理的监测和识别过程，首先就要建立评价干线公路安全性的指标体系。

基于干线公路的特点，欲正确把握当前道路的安全状况，做好对安全性的评估，必须从人、车辆、道路、环境4个方面着手建立公路安全预警评价指标体系。本文通过对公路预警相关文献进行统计，从中选取使用频率较高的指标，并遵循指标选取的科学性、完备性、代表性、可比性和可操作性的原则，建立如图2所示的干线公路安全预警性评价指标体系[14-15]。

图1 干线公路安全预警管理流程图

图2 干线公路安全预警评价指标体系

四、公路安全可拓物元评价模型的建立

在预警管理评价阶段，要根据评价体系及指标特点，选取恰当的评价方法进行综合评价。目前，国内学者对于公路安全状况的综合评价方法大致可以分为两类。一类是定性研究，通过专家评审等群决策方法对道路安全状况进行评价[16-17]，其缺点是主观性较强，准确率较低。另一类就是定量研究，研究方法包括模糊综合评价[18]、因子分析[19]、灰色理论[20]和神经网络[21]等。这些方法虽然能够定量的评价道路安全性，但是往往忽略单个评价指标之间的一些评价信息，而且对结果等级的划分具有一定的主观性。从文章建立的安全性评价指标体系可以看出，影响公路安全性的因素较多，定性与定量指标兼具，评价目的之一就是要得到安全性等级的分类。针对这些特点，文章选取近年发展较快的可拓物元评价模型，它可以很好的地解决多属性复杂系统的评估问题，将定性与定量相结合，得到结果的归属等级，在地质工程、环境保护、交通工程等领域应用广泛。

1983年我国蔡文教授提出了物元分析方法，该方法主要适用于解决事物不相容问题，适用于多因子评价。物元分析在可拓集的基础上，将复杂问题抽象为具体的模型，将事物、特征及其量值作为基本单位，建立了质变与量变之间的关联信息，研究它们之间的可拓性及规律[22]。

(一)公路安全性评价物元

在可拓物元评价模型中，首先要确定物元，记作R=(事物，特征，量值)。公路预警安全性评价模型是以某干线公路为研究对象的，所以干线公路也就是物元模型中所谓的“事物”。又以安全预警评价指标体系最底层的各评价指标为特征，各指标的取值为特征值，三者构成了公路安全性评价物元。假设事物N的特征有n个，则该事物特征物元矩阵具体表达式如下：

(1)

其中，ci表示事物的特征；vi表示事物特征的量值。

(二)公路安全预警评价经典域物元和节域物元

公路安全预警评价经典域物元是指将事物的安全系数定性地分为不同等级，将它们综合描述为定性、定量综合测度物元。对公路安全性评价，设其安全评价指标有m个，即为x1,x2,…,xm。根据各指标的具体要求，采取聚类分析与专家评价等方法将各指标进行等级划分，假设划分的等级数为s个。则公路安全预警评价的经典域物元矩阵为：

(2)

其中，R0j表示公路安全性处于第j级时的物元矩阵；N0j表示安全等级第j级时的安全系数；[a0jk,b0jk](j=1,2,…,s;k=1,2,…,m)表示公路安全等级为第j级时第k个指标的取值范围[23]。

公路安全预警评价节域物元是由综合测度事物安全各指标的允许取值范围构成。其表达式为：

(3)

其中，Rp表示公路安全预警综合测度物元模型的节域；Np表示公路安全预警级别的所属等级；vpk=[apk,bpk]表示安全预警评价指标xk的允许取值范围，并且有[a0jk,b0jk]⊂[apk,bpk]。

(三)熵值法确定指标权重

为避免过多主观因素影响，在确定可拓物元评价过程各指标的权重时采用熵值法。熵值法(entropy method)是一种根据各项观测值所提供的信息量的大小来确定指标权重的方法，可以有效避免过多的人为因素对指标权重的影响，其本质是利用该信息指标的价值系数来衡量其重要程度[24]。

其表达式为:

(4)

其中，xi为第i个状态的取值(假设共有s个状态)；p(xi)为第i个状态值出现的概率。

设有m位专家，n项选择指标的指标数据矩阵为X=(xij)m×n，则用熵值法计算指标权重的步骤为[25]：

1)计算出指标值xij在指标j下的权重p(xij)

(5)

2)计算指标j的熵值ej

(6)

3)计算指标j的差异性因数gj

gj=1-ej

(7)

4)权重的计算

(8)

(四)公路安全预警评价等级的判定

在对公路安全预警所属等级进行判定时，需知由评价指标实际取值构成的物元矩阵和经典物元矩阵之间的关联函数。用vk表某指标实际取值，则其与区间[a0jk,b0jk]和区间[apk,bpk]的接近度定义为：

(9)

(10)

则，待评价物元的第k个指标xk隶属于第j安全等级的关联度为：

(11)

由该式的特点可以看出：若kj(vk)>0，则表示安全性指标xk属于第j级，并且kj(vk)取值越大，说明该指标xk属于第j级的属性越多；若kj(vk)<0，表示安全性指标xk不属于第j级，且kj(vk)取值越小，表明xk距离第j级越远；当kj(vk)=0，说明指标xk取值处于第j级与相邻级别的临界点上。

由上述一系列过程准备，可以得出最终公路安全性评价的最终结果，即该公路安全度与第j级的关联程度，计算公式为：

(12)

按照关联性最大原则，就可以得到该公路的最终安全度值：

(13)

在式(13)中，K(p)为公路安全预警的综合评价结果值；Kj(R)取最大时j的取值就是该公路所属的安全等级。

道路安全等级评价模型将熵值法求权重和可拓物元评价方法相结合，通过定量计算可以直接得到道路的安全等级评价结果。该方法既适用于对某一干线公路若干年份安全性纵向测算；又可以用于不同干线公路间安全等级的横向对比。

(五)公路预警级别的发布

在公路安全预警的报警判定阶段，利用可拓物元评价模型将公路安全等级分为s个级别，这里以4级为例。在实际应用中，为了在警情发生时及时进行信息的传达，可以采用类似交通管制的预警信号灯，根据可拓物元模型的计算结果可以判别出某公路的安全等级及该公路的安全状态，分别用绿、黄、橙、红4个颜色的信号灯对应无警、轻警、重警、巨警4个警情等级。一般情况下认为，当预警等级为无警和轻警时是可以接受的，不必发布预警信号。路政管理部门可以根据公路的安全等级状况，对内向负责预警管理的相关部门发布预警等级，对外可以通过设置路边信号灯等方式向来往车辆提示道路行车安全状况。则公路预警安全等级与预警级别和信号灯对应关系如表1所示：

表1 公路安全等级与预警级别对应标准

五、实例分析

本文选取国道107作为研究对象，G107起点为北京广安门，终点为广东深圳文锦渡口岸，全程2698千米。这条国道经过北京、河北、河南、湖北、湖南和广东6个省份。本文选取河南省G107安阳县路段进行研究。

(一)数据来源

通过项目实地调研并查阅G107相关设计资料，加强与河南省交通厅公路管理局的相关配合，得到G107安阳县桩号528处2008-2012年的指标统计数据。结合《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)中关于某些指标换算标准的规定得到如表2所示的数据结果。这些数据将作为该公路安全预警评价可拓物元模型的待评物元。

表2 G107安阳县桩号528处2008-2012年指标统计数据

注：所有指标均保留一位小数。其中C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C12均为百分比单位；C8和C9的取值为实际测量值与JTG B01-2003《公路工程技术标准》中规定数值的比值。

(二)经典域及节域的确定

根据道路安全评价集的可拓性并结合国家公路部门关于预警级别的相关规定，相应地，将道路安全级别评价结果划分为4个等级：很高；一般；较低；极低。记为：M={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}。一般认为安全性等级不大于Ⅱ级可以接受，大于Ⅱ级时，就要发布预警信号，提醒相关部门找出安全隐患，采取整改措施。公路安全性可拓物元模型经典域的确定是通过征询相关专家的意见，并参照相关资料[26]得到的。其经典域和节域的结果如表3所示。

表3 干线公路安全性评价经典域和节域取值

(三)评价指标权重的确定

以准则层的4个指标为例按照熵值法计算指标的权重。首先，由10位专家对准则层指标进行打分，文章建立4级评分制，即评语集={很重要，重要，一般，不重要}={4,3,2,1}。准则层打分结果如表4所示。

接着，令m=10,k=1/ln10，代入式(5)-式(8)得到差异性因数等中间值以及最终权重的取值结果，如表5所示。

表4 准则层指标专家评分结果

表5 准则层指标的熵值法计算结果

同理，按照熵值法可以算出指标层各指标的权重。其结果如表6所示。

(四)安全等级关联度

以2008年的数据为例，将其指标层的16个指标的实际测量结果组成的待评物元代入式(9)-式(12)，得到各指标的对应于评价等级的关联度，如表7所示。

由式(13)，结合表7所示的计算结果可以看出，2008年G107安阳县路段的安全等级为Ⅲ级，属于安全性较低的等级，预警级别为重警，发布信号橙色预警，提醒公路部门采取有效措施提高公路的安全等级。

可拓物元评价方法之所以适用于公路安全性评价，是因为它不仅可以得到综合的评价结果，还可以得到各单一指标的安全性等级，以安全级别等级较低的若干指标为着眼点，有针对性的提高公路整体的安全状况。由2008年的计算结果可以看出，指标C6、C10和C12安全等级均属于Ⅳ级，安全风险较大，所以针对这些安全等级较差的因素，可以采取加强车辆超载超限检查和惩罚力度；对道路安全设施进行定期的维修和检查；增强气象预报准确性，采用可变情报板及时向驾驶员提供气象信息等措施提高公路的安全性，达到降低道路事故发生率和提高道路安全性的目的。

(五)安全等级评定及预警级别发布

采用上述同样的方法计算出2009-2012年安全等级结果，则2008-2013年G107安阳县路段安全性评价结果见表8。

表6 各指标权重的熵值法计算结果

表7 2008年G107安阳县路段各指标安全水平计算结果

表8 2008年-2013年G107安阳县路段安全等级结果

从表8中可以看出该公路2008-2010年安全状况较差，公路部门应发布橙色预警信号，向相关部门通报预警级别，并找出等级得分较差的指标，采取诸如加强交通法规普及、道路安全设施合理性等方面的措施。2011年和2012年安全等级有所提升，为可接受的Ⅱ级，所以不必发布预警，可以鼓励相关部门继续做好本职工作，在某些较弱的环节进行补足。还可以看出G107这5年的安全状况变化总体规律由安全性较低的等级到安全性一般，有安全性变好的趋势。这一结果也跟实际状况相吻合，2010年安阳市道路交通管理局响应省交通厅的部署，对道路安全隐患逐步排查和情理，加强了车辆违规违章、超载超限的检查和惩罚力度、巩固了道路两侧绿化和道路养护，2010年当地的交通事故发生率统计数据明显下降。尤其在2011年，为响应国务院《公路安全保护条例》，安阳市公路管理局及相关单位积极学习研究，制定了一系列的公路安全应急预案。此预案中除了积极进行应急演练和加强道路基础设施维修建设外，还包括了建立健全辖区内干线公路的安全预警体系。此体系的建设，较大程度的降低公路的安全隐患。所以，利用可拓物元模型对公路安全等级进行评价的结果基本符合实际，该模型可以作为评价道路安全状况的有效方法。

六、干线公路安全预警应对策略

道路安全预警理论的提出，安全性评价模型的建立以及公路安全性等级的判定，其最终目的是根据计算的结果为国省干线公路安全性的提高提出合理化建议，以达到预警的目的。干线公路安全等级可拓物元评价模型将公路安全等级分为安全性很高、安全性一般、安全性较低、安全性极低4类。由模型的分类结果可以相应的将预警级别分为无警、轻警、重警和巨警4个等级。在预警级别为重警和巨警时，需要根据不同的预警级别和等级较差影响因素的判定制定出关于人、车、路、环境4方面应采取的相应程度的应急预案，以便在警情发生时做到有章可循、有案可依。本文就预警方案的设计提出以下几点建议。

(一)加强交通参与人的宣传教育工作

交通参与人包括机动车和非机动车驾驶员以及行人是影响道路安全性的主导因素，并且是唯一具有主观能动性的因素。因此，对于机动车驾驶员安全驾驶和安全防范意识水平的教育尤其重要，可以利用媒体不定期的向驾驶员播放交通事故现场，向其展示交通违规带来的严重危害；另外，在机动车驾照考试方面，坚持持证上岗，规范考试流程和纪律，提升机动车驾驶员整体行车安全和水平；严格执行对非机动车和行人及沿线居民的宣传教育，充分利用学校教育、广播、电视、报纸、杂志、社区板报及各种宣传栏向周边群众宣传新出台的交规及政策，使其意识到违章的危险性及自觉遵守交通法规的重要性。

(二)加强车辆管理及交通管制

加大道路巡查执法力度，防止改装车辆、超限车辆、超期服役车辆、超载车辆等违章车辆上路行驶；严禁酒驾、醉驾、毒驾以及疲劳驾驶、无证驾驶、超范围驾驶等违法驾驶行为。同时更加严禁出现违章车辆高速行驶、危险品车辆未经允许上路行驶等行为。各级车管部门对车辆年度审验严格把关，对不符合标准的车辆不予等级注册，严格执行车辆的强制报废制度；在道路交通饱和度较高时，通过交通管制，以分流、调度、管制等交通手段疏散车流，减少交通事故的发生[27]。

(三)保证道路设计合理并加强日常养护管理

驾驶行车安全受到道路条件的制约，因此，定期请相关专家对道路线形、视距以及纵断面和边坡等合理性进行评估，其中平面线形应尽量用较大半径，视距应能够满足行车要求，纵断面应满足视距的要求，边坡尽量放缓，对设计不合理的及时上报有关部门进行整改；及时清除路面障碍物，针对雨雪冰雹等恶劣行车天气及时排除积水、积雪，铺设防滑防冻材料等；对道路护栏灯有无损坏、变形、脱漆、缺少等情况进行定期检查；完善交通标志线，使其内容清楚醒目、整洁易读。

(四)营造良好的驾乘环境

首先，气象部门应提高道路沿线天气预报准确率，并采用可变情报板等向过往车辆及公路应急相关部门及时提供天气信息，做好恶劣天气的物资储备和预防；定期检查是否所有急弯、桥梁隧道等危险路段和事故高发路段的明显位置都设置了警告标识；同时，对于道路的停车场、路边标志牌等设施加强检修，对于遮挡转弯视线的违章建筑和违规植物等，要积极拆除和整修，以保证良好的驾乘环境。

七、结语

本文以河南省交通厅公路管理局《普通公路突发事件应急能力评估体系研究》项目为依托开展研究。为降低干线公路突发事件的事故发生率，做好事前的预防工作，将预警管理理论应用于干线公路的预警，运用可拓物元模型对道路安全状况进行综合评价，并以G107安阳县路段为例进行了实例分析。分析结果显示出G107安阳县路段在2008年的安全等级状况属于Ⅲ级，安全性等级较低，应向相关部门发布橙色预警，计算结果显示其在车辆违规超载超限比率、安全设施合理性和沿线气象预报准确率等指标上的得分较低。从整体趋势上看，G107安阳县路段2008年至2012年的安全状况有逐渐变好的趋势。针对2008-2010年安全状况较差的年份，公路部门应发布橙色预警信号，向相关部门通报预警级别，根据各年份指标具体等级得分状况采取诸如加强交通法规普及、道路安全设施合理性等方面的措施。实例的计算结果和当地实际状况相吻合，这一方法在一定程度上得到了验证。

干线公路预警理论的应用可以在一定程度上提高人们出行的安全系数，降低事故损失。此文的研究为干线公路预警管理工作的开展提供了依据。

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