在役高速公路安全設(shè)施有效性評價(jià)研究

朱 歡 鄭 銳 李振華 陳禹戈

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550000)

與新建高速公路不同，在役的高速公路安全設(shè)施存在磨損、毀壞、偷盜缺失等多種問題。目前，我國交通行業(yè)尚未形成對在役公路安全設(shè)施技術(shù)狀況的評定方法和標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)行JTG 5210-2018 《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》[1]中僅有沿線設(shè)施技術(shù)狀況TCI指標(biāo)對部分安全設(shè)施如標(biāo)志、標(biāo)線按缺損處數(shù)進(jìn)行粗略的評判，缺乏針對性，還難以反映不同路段間安全設(shè)施綜合狀況和差異。王凱[2]采用層次分析法對農(nóng)村公路生命防護(hù)工程進(jìn)行了實(shí)施后效果評價(jià)。王晨竹[3]針對低等級公路安全防護(hù)工程防護(hù)效果構(gòu)建了評估體系及模型。國外針對公路行車環(huán)境、安全設(shè)施狀況評估主要針對建設(shè)期項(xiàng)目，評估時(shí)會(huì)按照安全性、費(fèi)用、環(huán)境等方面進(jìn)行綜合評價(jià)?？紤]我國公路養(yǎng)護(hù)的實(shí)情，受養(yǎng)護(hù)費(fèi)用約束，在役高速公路的安全設(shè)施還普遍存在更換、維修不及時(shí)等現(xiàn)象，部分路段存在較大的安全隱患難以發(fā)現(xiàn)，因此對在役高速公路安全設(shè)施的有效性進(jìn)行綜合評估，提出針對性的提升方案，對減少交通事故發(fā)生率，降低事故嚴(yán)重程度均有重要意義。

1 安全設(shè)施有效性評價(jià)體系構(gòu)建

高速公路主線安全設(shè)施主要包括交通標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄，以及視線誘導(dǎo)設(shè)施等，由于在役期間安全設(shè)施存在不同程度的損毀、老化、失效等，導(dǎo)致不同路段之間安全隱患不一。其現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 某高速在役安全設(shè)施缺失現(xiàn)狀

在役高速公路安全設(shè)施的修復(fù)和提升一般納入養(yǎng)護(hù)工程，由于養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)受限，實(shí)際對安全設(shè)施進(jìn)改造時(shí)，應(yīng)明確不同路段安全設(shè)施提升需求和改造次序，在保證基本功能的情況下，盡量提高當(dāng)前公路整體、綜合的安全保障能力，充分發(fā)揮養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的效益。

由于高速公路安全設(shè)施的防護(hù)需求在不同路段間有明顯的差異，對安全設(shè)施的有效性評估是在駕駛員對當(dāng)前安全設(shè)施的使用需求基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，從而合理、客觀地對現(xiàn)有安全設(shè)施所產(chǎn)生的積極效果進(jìn)行評估。

基于道路交通工程研究成果，公路通過幾何線形、文字，以及誘導(dǎo)設(shè)施等對駕駛員進(jìn)行信息傳輸，對行車安全有明顯影響的主要為標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄，以及誘導(dǎo)設(shè)施，這類安全設(shè)施起到主動(dòng)引導(dǎo)和被動(dòng)防護(hù)等功能，在危險(xiǎn)路段對降低事故風(fēng)險(xiǎn)占主導(dǎo)作用[4]。因此，對在役安全設(shè)施綜合狀況進(jìn)行準(zhǔn)確有效的評估是以駕駛員對安全設(shè)施的需求和感知特性為前提，考慮安全設(shè)施主動(dòng)提醒、視線誘導(dǎo)、被動(dòng)防護(hù)等3個(gè)方面，選取標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄、視線誘導(dǎo)設(shè)施等4種主要安全設(shè)施為評價(jià)對象，構(gòu)建安全設(shè)施有效性評價(jià)體系。

為對安全設(shè)施有效性進(jìn)行準(zhǔn)確、綜合的評價(jià)，可按不同層次結(jié)構(gòu)和評價(jià)指標(biāo)來劃分安全設(shè)施有效性評價(jià)體系，體系示意見圖2。

圖2 在役高速公路安全設(shè)施有效性評價(jià)體系

2 灰色關(guān)聯(lián)分析模型建立

通過將在役安全設(shè)施有效性評價(jià)體系分為3個(gè)結(jié)構(gòu)層次，對評估目標(biāo)進(jìn)行分解和細(xì)化，可以明確各個(gè)指標(biāo)之間的主要關(guān)系?；谏鲜鲈u價(jià)體系，采取灰色關(guān)聯(lián)分析的方法對在役高速公路安全設(shè)施綜合有效性進(jìn)行綜合評估?；疑到y(tǒng)理論中可以對同一序列中不同因素之間的相關(guān)程度進(jìn)行分析，研究因素之間的相似程度或差異?；疑P(guān)聯(lián)分析法不需要大量的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)之間相互影響關(guān)系也無要求，分析時(shí)可將不同情況下的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)放在統(tǒng)一的環(huán)境下進(jìn)行比較，既能兼顧定量計(jì)算，也能反映定性分析結(jié)果[5]。

在役安全設(shè)施的主要特點(diǎn)是已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的老化、性能下降，且存在破損、缺失、更換不及時(shí)等情況，可采用絕對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，將滿足現(xiàn)行規(guī)范要求和駕駛員需求的理想狀態(tài)作為評估參考值，即將現(xiàn)在與參考值進(jìn)行對比，分析當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)序列曲線與理想狀態(tài)數(shù)據(jù)序列曲線之間的貼近程度，能夠清晰地反映既有安全設(shè)施與理想狀態(tài)的差距，評判當(dāng)前安全設(shè)施的有效性。數(shù)據(jù)序列曲線越貼近則表示關(guān)聯(lián)程度越高，有效性越高。具體步驟如下。

1) 數(shù)據(jù)無量綱化及零點(diǎn)初始化。安全設(shè)施評價(jià)指標(biāo)采用不同的數(shù)據(jù)和評判方式，為消除各評價(jià)的量綱，首先對數(shù)據(jù)均值化處理，計(jì)算均值像，形成具有灰色系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列。

設(shè)k為指標(biāo)序列號，xi(k)為因素關(guān)于Xi第k個(gè)指標(biāo)的評分值，定義Xi為指標(biāo)序列。

Xi=[xi(1),xi(2),…,xi(n)]

(1)

XiD0=[xi(1)d0,xi(2)d0,…,xi(n)d0]

(2)

式中：xi(k)d0=xi(k)-x0(1)，k=1,2,…,n。

2) 計(jì)算效果序列與設(shè)定最優(yōu)序列。計(jì)算待評價(jià)對象路段安全設(shè)施在k項(xiàng)指標(biāo)下的效果值u，生成效果序列。

(3)

(4)

式中：wk為k項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；u為最優(yōu)序列，最優(yōu)序列的各項(xiàng)指標(biāo)可采用對應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)或參數(shù)值，無設(shè)計(jì)指標(biāo)參考的，按該項(xiàng)指標(biāo)滿分值計(jì)。

3) 計(jì)算關(guān)聯(lián)度ε0i。根據(jù)效果序列，計(jì)算待評價(jià)路段各項(xiàng)指標(biāo)的效果與最佳效果直接的貼近程度ε0i。

(5)

(6)

(7)

即為u0與ui的灰色絕對關(guān)聯(lián)度。ε0i關(guān)聯(lián)度數(shù)值越大表示與最優(yōu)向量最接近，則該路段安全設(shè)施綜合有效性越大。

3 指標(biāo)權(quán)重確定

由圖2可知，在役高速公路安全設(shè)施效性評價(jià)體系中間層為3項(xiàng)，基礎(chǔ)指標(biāo)層為10項(xiàng)，對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行一一量化是比較困難的，可將基礎(chǔ)指標(biāo)層分為定量和非定量2類，定量指標(biāo)(如標(biāo)線逆反系數(shù)、護(hù)欄防護(hù)等級與性能)可根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求值進(jìn)行比對，非定量指標(biāo)可采用專家打分法，根據(jù)評分對指標(biāo)進(jìn)行量化處理。

灰色關(guān)聯(lián)分析時(shí)對樣本需求量小，不依賴數(shù)據(jù)之間具有明確的內(nèi)部規(guī)律[6]，但為了更換表達(dá)各評估指標(biāo)間的指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性和重要程度，可引入層次分析法對評價(jià)體系各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重劃分。因此，根據(jù)有效性評價(jià)體系建立層次分析結(jié)構(gòu)，引用1～9標(biāo)度法進(jìn)行指標(biāo)，構(gòu)造判斷矩陣。構(gòu)建中間層和基礎(chǔ)指標(biāo)層判斷矩陣為

(8)

根據(jù)專家調(diào)查打分法，分別構(gòu)建中間層和基礎(chǔ)指標(biāo)層判斷矩陣，對判斷矩陣進(jìn)行量化和一致性檢驗(yàn)。并計(jì)算矩陣特征根。 進(jìn)而確定權(quán)向量Aw=λmaxw和其最大特征根λmax。

采用一致性指標(biāo)CI衡量判斷矩陣的不一致程度。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(9)

定義隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，當(dāng)階數(shù)大于2時(shí)，其一致性的指標(biāo)用CR表示。當(dāng)CR<0.1時(shí)，可表示該權(quán)重值分配合理，否則就需要進(jìn)行調(diào)整。CR計(jì)算方法見式(10)。

(10)

分別計(jì)算各層及總排序CR值，并進(jìn)行檢驗(yàn)及調(diào)整，結(jié)果見表1。

表1 在役高速公路安全設(shè)施有效性評價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重匯總

4 實(shí)例分析與應(yīng)用

以貴州省仁懷至望謨高速公路填方路基接隧道出入口段為例進(jìn)行分析，通過對該高速公路4處隧道入口當(dāng)前安全設(shè)施綜合狀況進(jìn)行調(diào)查，收集實(shí)測數(shù)據(jù)按評價(jià)體系進(jìn)行初步評判。以現(xiàn)行JTG/T D81-2017 《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中對隧道入口段安全設(shè)施綜合設(shè)置要求作為最優(yōu)序列參照[7-8]。評價(jià)指標(biāo)中非定量指標(biāo)采用專家打分法取均值，定量分析指標(biāo)則以最優(yōu)序列為參考值按比例計(jì)算，整理初步評判結(jié)果見表2。

表2 不同路段現(xiàn)有安全設(shè)施評價(jià)指標(biāo)賦值

根據(jù)上表評價(jià)指標(biāo)賦值結(jié)果，按式(1)～(7)分別計(jì)算待評價(jià)路段效果序列與最優(yōu)序列的灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 現(xiàn)有安全設(shè)施計(jì)算效果值曲線表

灰色關(guān)聯(lián)度值計(jì)算結(jié)果為ε1=0.748，ε2=0.724，ε3=0.650，由圖3可知，所調(diào)查的3個(gè)路段與理想最優(yōu)序列均有較大差距，其中路段3綜合狀況最差，現(xiàn)有安全設(shè)施存在較明顯的缺陷，需采取針對性的處置措施對與設(shè)計(jì)期望差距較大的5、3、6、10指標(biāo)進(jìn)行有效提升，以降低運(yùn)營期風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

針對在役高速公路安全設(shè)施現(xiàn)狀和路段間提升需求的差異性，對在役高速公路安全設(shè)施有效性評價(jià)方法進(jìn)行了探究，主要結(jié)論如下。

1) 對在役高速公路安全設(shè)施現(xiàn)狀特點(diǎn)進(jìn)行分析，綜合考慮駕駛員對安全設(shè)施的需求和作用效果，將安全設(shè)施劃分為主動(dòng)提醒、視線誘導(dǎo)、被動(dòng)防護(hù)3個(gè)方面進(jìn)行有效性評價(jià)。

2)采用層次分析法對評價(jià)體系進(jìn)行分解和細(xì)化，提出了具體的評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了安全設(shè)施有效性評價(jià)體系。

3) 基于灰色關(guān)聯(lián)分析方法構(gòu)建評價(jià)模型，通過關(guān)聯(lián)度對比來甄別不同路段安全設(shè)施提升需求的重點(diǎn)及程度，能夠直觀、科學(xué)地對安全設(shè)施當(dāng)前狀況進(jìn)行綜合評估，可為改善方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。