基于可拓云模型的高速公路隧道入口段行车风险评价研究.pdf
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1、第21卷 第2期2023年06月交通运输工程与信息学报Journal of Transportation Engineering and InformationVol.21 No.2Jun.2023文章编号:1672-4747(2023)02-0055-11基于可拓云模型的高速公路隧道入口段行车风险评价研究基于可拓云模型的高速公路隧道入口段行车风险评价研究芮红睿1,武加宝2,胡立伟*2(1.昆明市西山区交通运输局,昆明 650100;2.昆明理工大学,交通工程学院,昆明 650500)摘要:研究高速公路隧道入口段行车风险的影响因素,确定其行车风险等级,从而可提高隧道入口段行车的安全性与舒适性。
2、利用文献萃取法,从驾驶员因素、道路条件、交通条件和环境条件中选取18个行车风险因素,建立了高速公路隧道入口过渡段行车风险因素集。基于决策实验室-解释结构模型建立了高速公路隧道入口段行车风险因素识别模型,筛选出高速公路隧道入口过渡段行车风险评价指标,并结合风险评价指标建立了山区高速公路隧道入口过渡段行车风险可拓云评价模型。利用熵值法确定评价指标权重,根据最大关联度原则明确了隧道入口段的行车风险等级,通过与可拓法的对比分析进而验证模型的准确性。通过实例应用分析发现,利用可拓云模型和可拓法计算出隧道X和隧道Y的行车风险等级均为级,而隧道X的特征期望值大于隧道Y的特征期望值,表明隧道X的安全水平高于隧
3、道Y。两个模型计算出的可信度均小于0.01,可信度都较高,结果表明了可拓云模型的有效性和科学性,为探究高速公路隧道入口段行车风险提供了一个新的方向。研究结果不仅有助于高速公路隧道入口段行车安全的提升,同时对研究交通事故的影响因素与形成机理具有借鉴意义。关键词:交通工程,行车风险;可拓云模型;隧道入口段;高速公路中图分类号:U492.84文献标识码:ADOI:10.19961/ki.1672-4747.2022.09.006Driving risk assessment of highway tunnel entrances basedon extended cloud modelRUI Hon
4、g-rui1,WU Jia-bao2,HU Li-wei*2(1.Kunming Xishan District Traffic Transport Bureau,Kunming 650100,China;2.Faculty of TransportationEngineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)Abstract:The factors influencing the driving risk at highway tunnel entrances as well as the
5、 level ofrisk are studied with the aim to improve the safety and comfort of driving in these highway transitionsections.Using the literature extraction method,18 traffic risk factors are selected among driver fac-tors,road conditions,traffic conditions,and environmental conditions to establish a set
6、 of risk factorsfor highway tunnel entrance transition sections.Based on the decision laboratory-interpretation struc-ture model,a model is established to identify the traffic risk factors in these sections,to filter out thetraffic risk evaluation indexes,and to establish a topographic cloud evaluat
7、ion model for the trafficrisk at tunnel entrances in mountainous areas by combining the risk evaluation indexes.The entropy收稿日期:2022-09-08录用日期:2022-09-27网络首发:2022-10-09审稿日期:2022-09-0809-14;09-1909-27基金项目:国家自然科学基金项目(61863019,42277476)作者简介:芮红睿(1976),男,高级工程师,研究方向为公路工程管理,E-mail:通信作者:胡立伟(1978),男,教授,研究方向为
8、道路交通安全、交通运输规划与管理,E-mail:引文格式:芮红睿,武加宝,胡立伟.基于可拓云模型的高速公路隧道入口段行车风险评价研究J.交通运输工程与信息学报,2023,21(2):55-65.RUI Hong-rui,WU Jia-bao,HU Li-wei.Driving risk assessment of highway tunnel entrances based on extended cloud modelJ.Journal of Transportation Engineering and Information,2023,21(2):55-65.56交通运输工程与信息学报第2
9、1卷value method is used to determine the evaluation index weights,and the traffic risk level is clarifiedaccording to the principle of maximum correlation.The results show that the risk level of both tunnelX and tunnel Y is II,and the characteristic expectation of tunnel X is greater than that of tun
10、nel Y,in-dicating that the safety level of tunnel X is higher than that of tunnel Y.The confidence level calculat-ed by both models is less than 0.01,and the confidence level is higher.The study results validate thetopo cloud model,thus providing a new direction to investigate the traffic risk at th
11、e entrances ofhighway tunnels.These findings not only help to improve traffic safety in these highway sections butalso have implications for the study of influencing factors and formation mechanisms of traffic acci-dents.Key words:traffic engineering;driving risk;extension cloud model;tunnel entranc
12、e section;expressway0引言随着我国高速公路不断向山区延伸及路网规模的不断扩大,隧道建设也越来越多地出现在高速公路建设中。作为公路最常见的一种结构,隧道能缩短行车里程和时间,优化公路线形,提高公路运输效率。隧道封闭的结构和特殊的行车环境,会加剧驾驶的心理负荷,引发交通事故,对营救和交通组织都极为不利,易引发二次事故。研究表明,隧道路段交通事故占高速公路总交通事故总数的36.5%,隧道出入口附近的交通事故率是隧道内的23倍1。为此,需要针对高速公路隧道入口段的风险影响机理和风险形态进行研究,明确该路段的风险水平,从而为提升行车安全提供理论依据。国内外对隧道交通安全做了大量研究,
13、在隧道事故成因与分布方面,赖金星等2通过分析2 193起隧道交通事故的分布特征和成因,发现隧道出入口交通事故占隧道交通事故总数的 58%,超速和不良天气是引发交通事故的主要原因。张生瑞等3以实际交通事故数据为基础,研究表明临近隧道口发生交通事故的比例较高,交通事故数与隧道长度呈“U”型关系,隧道长度增加,隧道内交通事故数先降低后增加。Kircher等4指出隧道内发生交通事故的可能性低于隧道外,若隧道内出现交通事故,其带来的不利影响和危害程度远大于一般路段。在隧道入口段行车安全研究方面,比较关注驾驶人的视觉特性5-8、心理和生理特性9-10、车辆的速度特性11-12、隧道基础设施13-16等,通
14、过模拟仿真17、模型构建18等分析事故成因,提出优化方法和措施,对提升隧道入口段的行车安全提供了理论指导。WAN等19通过分析典型低亮度公路隧道中侧壁标记的影响,构建高速公路隧道的三维模型。通过仿真测试研究刺激和反应时间与不同角度侧壁标记的关系,并基于最佳角度,分析不同长度的侧壁标记对速度感知的影响,结果表明,侧壁标记的角度和长度对驾驶员的反应时间有显著影响。LI等20通过模拟互联车辆环境,从速度控制、稳定性和紧迫性中选择指标,分析互联车辆环境对警告区和隧道入口区驾驶员行为和安全的影响,构建并测试了一个基于驾驶仿真技术的互联车辆环境测试平台,为实现隧道入口车辆主动防护提供了参考。岳全胜等21采
15、用演化博弈理论构建了超车过程中前车驾驶人和后车驾驶人的支付矩阵,使用普通最小二乘法构建回归方程,建立了前车驾驶人和后车驾驶人的演化博弈模型,为分析驾驶行为和保障公路超车安全提供了理论基础。在行车安全评价模型研究方面,潘晓东等22构建了模糊理论构建桥隧段安全评价模型,并结合神经网络确定各因素的隶属度。郭延永等23从道路、交通、环境和气候方面构建了高速公路隧道交通运行环境安全评价体系,并基于灰色熵权聚类建立了山区高速公路隧道交通安全评价模型。Audun等24基于贝叶斯网络,选取交通量、隧道线形、长度和隧道内外限速条件等因素对隧道行车安全进行评价。马超等25利用不确定性数学方法和Microsoft
16、Visual Basic软件编程,构建了恶劣天气条件下高速公路安全运营评估系统。薛锋26提出一种基于 AHP-DEMATEL 和云模型的公路隧道交通安全的组合评价方法,即利用决策与试验评价实验室法(DEMATEL)分析各指标的影响度、被影响度以及中心度,并联合 AHP-DE-MATEL确定各个安全评价指标的综合影响度,并采用云模型量化了公路隧道交通安全评价指标的芮红睿 等:基于可拓云模型的高速公路隧道入口段行车风险评价研究57第2期随机性和模糊性,对提升公路隧道安全具有重要意义。国内外学者对隧道行车安全作了较多的研究,从隧道交通事故的形成机理、分布特征研究,到路段的划分与风险评价。由于隧道特殊
17、的结构和行车环境,导致隧道行车过程中受较多因素影响,隧道入口前的接线形式、驾驶人的视觉特性、心理生理特性、车辆的速度特性以及交通量等都会给行车安全带来不同的影响。因此,为提高高速公路隧道入口段的行车安全性,从影响行车安全的风险因素着手,针对隧道入口段的安全影响机理进行研究,从而提出隧道入口段行车安全评价方法,确定行车风险等级,对提升隧道入口段的行车安全性和通行效率具有重要价值。1高速公路隧道入口段行车风险因素识别与筛选1.1高速公路隧道入口段行车风险因素集通过对高速公路隧道入口段行车风险影响因素的分析,影响行车安全的因素包括驾驶员因素、道路条件、交通条件和环境条件共同构成,其行车风险影响因素即
18、可表示为:A=A1,A2,A3,A4(1)式中:A1、A2、A3和A4分别表示驾驶员因素、道路条件、交通条件和环境条件。高速公路隧道入口段行车风险因素集包含风险因素种类繁多且关系复杂性,在实际评价中,行车风险因素的选取应适量,仅有部分因素会导致交通事故的发生,应考虑风险评价的可用性选取风险因素,才能确保风险评价的科学性。基于此,结合文献萃取法,以隧道入口段、行车风险、风险等级、驾驶员等为主要关键词,对文献进行广泛的阅读与筛选,围绕高速公路隧道入口段行车风险这一问题,获取近5年相关文献61篇,从驾驶员因素、道路条件、交通条件和环境条件4个方面提取了18个行车风险因素,构建高速公路隧道入口段行车风
19、险因素集,如下所示:驾驶员因素A1=视觉特性a1,心理特性a2,超速行驶a3,违法变道a4,安全意识与态度a5;道路条件 A2=隧道长度a6,隧道前接线形式a7,路面状况a8,线形连续性a9;交通条件A3=平均日交通量a10,大型车比例a11,隧道限速情况a12,平均行车速度a13,安全设施设置情况a14;环境条件 A4=照明情况a15,天气状况a16,空气质量a17,噪音强度a18。1.2高速公路隧道入口段行车风险因素识别模型构建国内外学者多用专家调查法、层次分析法、风险图法、灰色评价法、模糊综合评价法和事故数法等进行行车风险影响因素的分析与识别27,各方法均有其优点及要求,但这些方法难以有
20、效分析结构要素之间的内在影响机制。比较分析后发现决策实验室法能将繁杂的风险因素关系转化为方便计算的高速公路隧道入口段行车风险识别模型,以明确影响隧道入口段行车安全的最根本的要素,得出各因素对行车安全的影响程度和各因素相互作用情况。决策实验室法(Decision-making Trial and Eval-uation Laboratory),英文简称为DEMATEL,决策实验室法的建模步骤如图1所示。图1 决策实验室法的建模步骤Fig.1 Modeling steps of the decision-making laboratory method该方法是以图论和矩阵为基础,通过分析系统中各因
21、素间的逻辑关系建立直接影响矩阵,计算出各因素对其他因素的影响度与被影响度,得出各指标的中心度与原因度,利用中心度判断因素的重要性,利用原因度判别该因素的属性,还可依据计算出的中心度和原因度调整系统结构,保证系统结构的合理性28。目前,该模型已广泛应用在市场营销、全球问题分析、城市规划及安全等领域。1.3 高速公路隧道入口段行车风险因素指标体系构建采用 Delphi法确定各影响因素间的关系,建立隧道行车风险因素间的直接影响矩阵。在直接影响矩阵中:3表示两因素间相关性较强;2表示两因素间相关性一般;1表示两因素间相关性较弱;而0表示两因素间无相关性。通过专家调查法发放问卷,共发放调查问卷135份,
22、回收有效问卷127份。本次调查对象为均为交通安全领域的专家,专家组成人员为教授、副教授、高级工程师、工程师等。直接影响矩阵如表1所示。利用图1决策实验室法的建模步骤进行计算,最终可得到各因素的影响度、被影响度、中心度和原因度,模型求解结果如表2所示。表1 直接影响矩阵Tab.1 Direct-influence matrixaija1a2a3a4a5a6a7a8a9a10a11a12a13a14a15a16a17a18a1031103313010123130a2301123323321323313a3120022110111110101a4111022100101321000a50100031
23、00110110100a6000000000000000000a7000000000000010000a8000002100000000300a9000001210000000000a10001112000000210100a11001112000100210100a12000101101110200100a13331231131123032200a14001201101011200013a15000000000000000100a16000001001010000000a17101001110111010000a18001001100110011000表2 模型求解结果Tab.2 Model
24、 solution results因 素视觉特性a1心理特性a2超速行驶a3违法变道a4安全意识与态度a5隧道长度a6隧道前接线形式a7路面状况a8线形连续性a9平均日交通量a10大型车比例a11隧道路段限速情况a12平均行车速度a13安全设施设置情况a14照明情况a15天气状况a16空气质量a17噪音强度a18影响度fi0.611 60.623 10.689 80.339 30.811 71.671 00.869 40.615 80.657 60.882 80.921 20.506 61.097 20.974 40.519 11.206 10.296 40.435 2被影响度ei1.584
25、92.227 30.793 61.044 30.394 600.041 10.219 60.152 20.729 10.629 10.493 12.160 20.841 10.074 00.035 70.534 00.681 3中心度Mi2.196 52.850 41.483 41.383 51.206 31.671 00.910 50.835 40.809 81.611 91.550 30.999 73.257 41.815 50.593 11.241 80.830 41.116 5原因度Ni-0.973 4-1.604 2-0.103 8-0.705 00.417 11.671 00.82
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