基于TOPSIS-RSR模型的山区普通公路运营安全风险评估实证研究.pdf
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1、第3 6卷 第4期2 0 2 3年7月武 汉 理 工 大 学 学 报(社会科学版)W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y(S o c i a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.3 6 N o.4J u l y 2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 9作者简介:邹 渊(1 9 8 7-),男,湖北巴东人,恩施州公路管理局路桥工程师。*基金项目:湖北省交通厅科技项目“山区在役国省干线公路运营安全风险评估及预警研究”(2 0 2 0-1 8 6-3-2)基于TO P S I S-R
2、 S R模型的山区普通公路运营安全风险评估实证研究*邹 渊1,尤良俊2(1.恩施州公路管理局,湖北 恩施 4 4 5 0 0 0;2.华中农业大学 理学院,武汉 4 3 0 0 7 0)摘 要:中国作为一个公路交通发达国家,每年发生的交通事故造成了大量人员伤亡和巨大的财产与经济损失,而山区普通公路常伴有路况较差、环境复杂、防护设施不足或落后等特点,更是交通事故频发的高危之地。为了减少山区普通公路事故的发生及其带来的各种损失,需要理清事故与风险源的关系,尤其是要进行科学合理的运营安全风险评估,找到安全影响较大的风险源,并提出防护措施。本文通过实地调查确定具有代表性的研究对象,并根据主动防护原则实
3、地选择具有代表性的风险指标,然后采用T O P S I S熵权法确定风险指标的权重,并运用R S R秩和比法构建评估模型对山区普通公路进行实证分析,以确定公路风险划分等级,最后使用敏感性分析确定造成公路高风险等级的风险源。研究结果表明,山区干线公路风险程度可分为三个等级:公路急弯数、纵坡数、防护设施安全程度,需要重点排查;公路平曲线半径、路基宽度关涉风险程度高低,需要引起高度重视。这些风险源可通过驾驶员素养提升、道路本身风险防范、交通管理部门风险管理等措施加以规避,以切实预防山区普通公路交通事故的发生及减少交通事故发生的概率与损失。关键词:山区普通公路;公路运营安全风险评估;TO P S I
4、S熵权;R S R模型;敏感性分析中图分类号:U 4 9 1;X 9 5 1 文献标识码:A D O I:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-6 4 7 7.2 0 2 3.0 4.0 0 2随着我国公路交通的快速发展,我国机动车保有量及机动车驾驶人数迅猛增长,与此同时,我国公路交通事故频发,交通事故数量不断攀升,公路交通事故已成为我国重要的公共安全危险因素,公路交通安全形势不容乐观。2 0 1 9-2 0 2 1年三年全国一共分别发生了2 4 7 6 4 6、2 4 4 6 7 4、2 5 0 7 2 3起交通事故1,公路交通事故数常年居高不下,造成了较为严重的人员伤
5、亡与经济损失。此外,中国作为一个多山的国家,山区普通公路由于受到地形条件的限制,沿溪临崖路段多、急弯纵坡比例大、道路线形多变、隧道桥梁较多、防护设施不全,加之山区气候环境多变,雨雪、大雾天气较为常见,致使公路交通事故屡屡发生,尤其是存在群死群伤的重特大恶性事故隐患。我国公路交通复杂多变的风险源,常常导致公路风险与事故成因之间的关系难以明确辨别,致使其造成交通事故的可能性大、后果严重。因此,需要我们高度重视公路风险管理中的风险评估工作,有必要针对性地对山区普通公路运营安全问题进行深入研究,构建风险指标体系,确定风险划分等级,理清各风险源与事故的关系2,尤其要重点找到造成公路高风险等级的风险源,并
6、有针对性地采取有效措施、提高管理效能,防范事故发生,以提高山区普通公路系统运营安全水平。鉴于山区普通公路与大部分普通公路在风险源上具有相似性,因此,研究山区普通公路风险所得出的结果,对于全国公路的风险评估、风险排查而言,应该具有一定的参考价值。目前,国内外对于公路风险的安全评估大都不只着眼于公路本身,而是将公路风险与其他风险联合起来进行评估,从而得到公路受其他因素风险的影响情况3。现有学者研究发现,交通事故往往与多方面因素相关,从不同的角度研究交通事故发生的原因,可以找到不同的影响因素:从公路交通安全风险的前期预防、减轻伤害、后期救援三个方面入手,以交通事故为主要研究对象,探讨交通事故中各风险
7、源武汉理工大学学报(社会科学版)2 0 2 3年 第4期的危险程度,旨在减少公路交通事故带来的损失,从而提高道路的安全水平;通过将公路建设和当地经济社会发展情况进行联系,认为公路建设的风险与社会环境、生活环境和发展水平相关4;通过对车辆危险情况的分析,提出控制车辆行驶中的危险因素能有效减少公路危险的产生5。而为了适应越来越复杂的评估环境,学者们提出了适应于不同评估环境的方法,如早年间的AH P(层次分析法)6、TO P-S I S(逼近理想点排序法)7等方法,为风险评估打下了坚实的方法论基础,之后学术界提出的敏感性分析法8、R S R(秩和比法)9、熵权T O P S I S法等,更是极大地丰
8、富了风险评估的方法选择。然而,每一种单一的方法都有其特有的优点和局限性,在结合工作实际进行风险评估时,常常不能完美地契合评估环境1 0。上述研究虽然具有重要的应用价值和参考价值,能够对大部分公路风险程度进行风险评估,但大多研究对象较为单一,且忽略了公路自身因素与驾驶员人为因素原因,对公路风险因素挖掘不足,且风险指标的评估较为主观,缺少客观的数据处理。基于上述国内外研究情况,本文拟采用公路管理人员和专家的意见,并用熵权法进行赋值,以减少人为主观因素1 1。TO P S I S熵权法1 2-1 4作为较为客观确定权重的方法,可以根据实际情况的改变对权重进行修改,具有较高的适应性1 5。本文通过实地
9、调查以确定具有代表性的研究对象 湖北省恩施州山区普通公路,并根据主动防护原则实地选择具有代表性的风险指标,然后采用TO P S I S熵权法确定风险指标的权重,运用R S R秩和比法所构建的评估模型对恩施州山区普通公路进行实证研究,确定公路风险划分等级,最后使用敏感性分析确定造成公路高风险等级的风险源,进而有针对性地提出风险控制措施。通过减少公路存在的风险因素及提出提高驾驶员素养的建议,从人为因素、道路与环境因素以及管理因素三个方面改善交通安全水平,最终实现减少公路交通事故的发生概率及事故带来的损失。一、山区普通公路运营安全风险评估模型的构建为了构建一个科学合理且实用的山区普通公路运营安全风险
10、评估模型,本文整理并研究了山区普通公路交通事故成因,这些成因可分为道路建设和公路管理两大类型。其中,道路建设层面包括公路设计指标、公路病害、交通安全设施三大方面;公路管理层面可分为交通规则完备程度、驾驶员素养程度等方面。为了体现山区普通公路交通事故成因的相对完整性,确保评估指标间的相对独立性,保障评估结果的准确性,本文结合专家意见,最终确定山区普通公路运营风险评估指标体系由道路建设层面的公路设计指标、公路病害、交通安全设施因素及公路管理层面的交通规则等因素构成。山区普通公路运营风险评估模型的实施步骤主要包括:进行实地调查,选取风险评估指标;采用TO P S I S方法,确定风险评估指标权重;采
11、用R S R模型,判断公路风险程度;运用敏感性分析法,找出导致公路高风险等级的风险源等。(一)进行实地调查,选取风险评估指标针对公路交通事故大多由安全设施防护功能不足、道路存在缺陷、管理存在漏洞引起等特点,其风险评价指标的选取应主要考虑道路自身的道路特征、公路安全设施以及交通安全管理等因素。依据道路交通安全制约因素分析4,构建具有四个维度的风险指标体系,即公路设计指标因素、公路病害因素、交通安全设施因素、交通管理因素。在不同的维度下,对数据的可量性、易采集性、可靠性进行综合比较分析,选取能够反映本地区公路交通特点的指标,构建风险评价指标体系。(二)采用T O P S I S方法,确定风险评估指
12、标权重各个风险源对公路危险的影响程度不同,故需要通过确定权重来显示其重要程度。本文采用TO P S I S熵权法确定权重:ri j=xi j-xm i nxm a x-xm i n(1)式中:xi j为第j个参与评价的人员对第i个指标的评估分值,i=1,2,m,其中m为公路风险评估指标个数,j=1,2,n,其中n为参与评估的总人数;xm a x、xm i n分别为参与评估的相关工作人员对同一01第4期邹 渊等:基于T O P S I S-R S R模型的山区普通公路运营安全风险评估实证研究个公路风险评估指标重要性评价的最高分和最低分,且各个指标的评分数值均为正值。Hi=kmi=1fi jfi
13、j(2)其中fi j=ri jmi=1ri j,k=1l nm,fi j为第j个评估人员对第i个指标的赋值权重。wi=1-Hin-nj=1Hi(3)其中wi为第i个指标的权重赋值。(三)采用R S R模型,判断公路风险程度本文采用非整次秩和比法(R S R)对熵权赋值后的评估指标矩阵进行编秩,即对于m个风险评估指标,按照指标值大小依次排序,将最大值赋予m秩次,最小值赋予1秩次,并利用类似方式对其余指标值进行编秩:Ri j=1+(n-1)xi j-xm i nxm a x-xm i n(4)其中,Xm a x=m a x(Xi1,Xi2,Xi n),Xm i n=m i n(Xi1,Xi2,Xi
14、 n)。WR S Rj=1nmi=1WiRi j(5)其中,Wi表示第i个评估指标的权重,满足mi=1Wi=1。将R S R值按照从小到大的顺序排列,列出各组频数并计算各组累计频数,得到各组R S R的秩次R及平均秩次R。最后计算累积频率R/m1 0 0%(最后一组累积频率设为1-1/(4/n),根据百分位数及其对应的概率单位表列出百分位数可得到对应的概率单位值Y。以累计频率所对应的概率单位值Y为自变量,以R S R值为因变量,计算回归方程:R S R=a+b Y(6)将赋值后的各个风险评估指标进行秩和比排名后代入回归方程,推出R S R估计值,以判断公路安全风险程度。(四)运用敏感性分析法,
15、找出导致公路高风险等级的风险源通过风险指标变量的权重值,结合对公路的风险程度的评估结果进行敏感性分析,可以找到对公路风险程度影响较大的指标。二水平正交表L a(2c)的构造规律为:a=4tc=a-1(7)其中,a为正交表的行数,c为正交表的列数,t(m+1)/4,m为指标的个数。各指标进行规范化处理后,取相同的变化量h,由正交表L a(2c)的前n列各指标的水平组合确定变异设计方案,如表1。表1 二水平指标取值水平l1l2ln1l1(1-h)l2(1-h)ln(1-h)2l1(1+h)l2(1+h)ln(1+h)各因素水平对应的风险值的平均值反映了风险等级在该因素该水平下的程度状态。yi j=
16、f(li j)vc o u n t(li j)(8)式中:yi j为第i(i=1,2,m)个风险指标j(j=1,2)水平对应的风险值的平均值;li j为第i个风11武汉理工大学学报(社会科学版)2 0 2 3年 第4期险指标j水平指标值;c o u n t函数用以计算列表中符合条件选项的个数。第i个指标安全风险平均值的极差Ri为Ri=m a xyi1,yi2-m i nyi1,yi2(9)极差Ri越大,说明第i个风险指标对于公路安全风险影响程度越大,并各风险指标的敏感度Si=|Ri/(li1-li2)|。通过对敏感度值进行排序为:Sr=m a x1imSi(1 0)确定出敏感度值高的风险因素即
17、为敏感风险因素。二、山区普通公路运营安全风险评估的实证分析本文通过对山区普通公路路网分布现状与路网发展规划进行调查,采用实地调查法,挖掘山区普通公路风险源,构建运营安全风险指标体系,并得到风险划分等级与造成公路高风险等级的风险源。恩施州作为湖北省重要的交通枢纽,境内山区普通公路众多,具有公路路况较差、地质情况较为险峻、防护设施需求量大等特点,能够有效反应大部分山区普通公路存在的风险源情况,其对于湖北省公路具有代表性,能够体现湖北省公路气候、地质等特点。同时,恩施州山区普通公路对于全国山区普通公路也具有代表性,体现了山区普通公路路况较差,环境复杂、防护设施落后等特点。综合考虑恩施州地区的地形地势
18、、自然条件、公路风险情况等因素,结合交通管理、公路运营养护管理等专家意见,本文选取恩施州所在地五段具有代表性的山区普通公路G 2 0 9 K 2 2 9 2+1 0 0K 2 3 5 7+2 0 0、G 2 0 9 K 2 0 9 2+5 0 0K 2 1 8 6+2 0 0、G 2 0 9 K 2 1 8 6+4 0 0K 2 2 9 0+6 4 4、G 2 0 9 K 2 3 6 5+7 0 0K 2 4 5 2+6 0 0、G 3 1 8 K 1 7 2 3+0 6 4K 1 7 4 3+8 6 4作为山区普通公路运营安全风险评估的实证研究对象。(一)山区普通公路运营安全风险评估指标的选
19、取针对山区普通公路路况及地质、气候、环境等特点,其运营安全风险评估指标的选取应主要考虑山区普通公路路况特征、地质环境以及交通安全设施设置等因素。本文以主动防护原则为主,兼顾地质、气候等环境因素,保证数据的准确性、易采集性和普适性,采用实地勘察与专家意见相结合的方法,选取可能导致山区普通公路发生事故以及可以通过人为管理减少风险程度的指标,从而构建运营安全风险评估指标体系。指标主要侧重公路本身安全隐患,旨在体现公路自身的风险程度。因此,选择指标需要紧密结合当地地质情况、天气情况、道路建设情况等。例如在相对欠发达的皖北山区,公路安全防护设施是否完备、道路设置是否与当地路缘环境不相符乃至设施是否完备等
20、风险源,都需要作为重点考察对象列入运营安全风险评估指标1 6;如公路处在多雾天气的地区,公路上是否具有充足的照明装置以保证雾天行车的能见度,则需另作为一个指标进行评估;如公路路面湿度较高,公路是否具有足够的抗滑能力也需要重点考察1 7。恩施州山区普通公路急弯、下坡数较多,防护设施等级较低且缺乏维护更新,这是选取运营安全风险评估指标时重点考察的指标因素。本文根据恩施州山区普通公路特点所选取的的山区普通公路运营风险指标如表2所示。表2 山区普通公路运营安全风险指标体系公路设计指标公路病害交通安全设施交通管理道路线形指标结构设计指标路基病害安全防护设施交通标志标牌交通规则直线长度(X 1)路基宽度(
21、X 6)路基沉陷(X 1 0)护栏防护等级(X 1 3)标志标牌规范性和有效性(X 1 6)山区普通公路交通规则(X 1 7)平曲线半径(X 2)路面结构材料和组成(X 7)边坡失稳(X 1 1)护栏高度(X 1 4)平均每千米急弯个数(X 3)衔接路段行车视距(X 8)路基边坡防护失效(X 1 2)护栏长度(X 1 5)21第4期邹 渊等:基于T O P S I S-R S R模型的山区普通公路运营安全风险评估实证研究(续表2)公路设计指标公路病害交通安全设施交通管理道路线形指标结构设计指标路基病害安全防护设施交通标志标牌交通规则纵坡(X 4)衔接路段防护措施(X 9)坡长(X 5)(二)山
22、区普通公路运营安全风险指标权重的确定对恩施州5条山区干线公路进行研究分析,通过熵权TO P S I S方法进行权重赋值,其计算结果如表3所示。表3 指标权重指标权重指标权重X 10.1 2 2X 1 00.0 7 9X 20.1 0 9X 1 10.0 4 1X 30.1 2 3X 1 20.1 2 8X 40.0 2 6X 1 30.1 2 2X 50.0 6 9X 1 40.0 1 5X 60.0 6 1X 1 50.0 3 7X 70.0 0 5X 1 60.0 6 9X 80.0 0 9X 1 70.0 0 8X 90.0 3 7计算所得到权重较大的指标主要属于道路线形指标以及防护设施
23、两个方面,而山区普通公路与其他公路在这两个方面更具有典型性。作为能典型体现山区普通公路特有危险的指标,需要得到相关管理部门以及驾驶员的高度重视。此外,山区普通公路相对较差的驾驶条件同时会造成驾驶员行为的规范性与安全性丧失,在长下坡、连续急弯等山区危险地带,因驾驶员驾驶行为不规范导致的交通事故明显增多,需要引起重视1 8。根据秩和比法的编制规则对各风险因素指标值进行赋秩,计算得到各项加权秩和比值,如表4所示。表4 秩和比值风险评估对象Y值R S R拟合值G 2 0 9 K 2 0 9 2+5 0 0K 2 1 8 6+2 0 06.6 4 50.6 8 5G 2 0 9 K 2 2 9 2+1
24、0 0K 2 3 5 7+2 0 04.7 4 70.5 6 2G 2 0 9 K 2 1 8 6+4 0 0K 2 2 9 0+6 4 45.2 5 30.5 9 5G 3 1 8 K 1 7 2 3+0 6 4K 1 7 4 3+8 6 45.8 4 20.6 3 3G 2 0 9 K 2 3 6 5+7 0 0K 2 4 5 2+6 0 04.1 5 80.5 2 4可得回归方程R S R=0.2 5 5+0.0 6 5Y(1 1)(三)山区普通公路运营安全风险等级的划分参考L E C风险评估划分等级,通过将风险危害性与风险可能性结合考虑,并按R S R的合理分档方法1 9,将风险等级分
25、为3档(如表5所示),以此对山区普通公路运营安全风险程度进行预警管理工作。表5 风险等级分档风险程度Y临界值拟合R S R临界值较轻微460.6 4 331武汉理工大学学报(社会科学版)2 0 2 3年 第4期 通过计算1 7个风险源评估指标的秩和比值,得以划分选定公路的运营安全风险程度。通过等级划分直观地体现评估对象的风险等级的高低,并据此确定各条公路安全改善的迫切度。吴志敏等人利用负二项分布法对广东省公路进行风险等级划分,结合事故多发路段鉴别结果,同样将公路风险等级划分为高、中、低三个等级2 0,说明三个等级能有效地反应大部分公路的危险程度。本文选取考察的5条山区普通公路中G 2 0 9
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