高速公路网风险评估理论——基于网络的综合方法

摘要

近年来随着我国逐渐加大基础设施建设的投资，高速公路的建设也达到了空前的规模，高速公路路网结构进一步形成。高速公路在给人们带来现代交通高效、快捷的全新感受的同时，也以高事故率、惊人的事故伤亡困扰着公路的管理者和使用者。然而，从目前现有的研究成果来看，尚缺乏一套较为完整的、面向全局的路网风险评估方法为道路的管理者提供决策支持。在路网风险影响因素分析层面，现有的路网风险评估方法仅针对单个影响因素或者几个影响因素进行探讨，尚不能从多尺度、多层次来表征路网的交通安全状况;在路网结构特征层面，尚没有一种方法能够在综合考虑路网的结构风险和运营风险的基础上对路网风险进行综合评估。本论文针对以上这些问题，结合国家“十一五”科技支撑计划项目课题——“交通安全信息集成、分析及平台构建技术开发与示范应用”，对高速公路网风险评估方法进行了深入研究。
　　本文首先结合国内外研究成果和现场调研的实践经验，从“人—车—路—环—管”五个方面阐述了高速公路交通安全影响因素，建立了直接、间接和综合选取三类安全影响要素的选取依据，研究了安全影响要素的形式化表达方法，为下一步利用安全影响要素描述高速公路路网属性奠定了基础。
　　以高速公路网的实际功能特性和路网拓扑结构性质为背景，对高速公路路网、基础路网、运营路网、网络构件进行了完整的形式化定义，并提出了网络构件、路网的静动态属性的定义和计算模型，这些定义和模型可以全面综合反映路网及其构件的拓扑属性、物理属性及交通流影响等静态和动态性质。
　　基于风险理论和高速公路网自身结构特点，给出了路网结构风险、运营风险及路网风险等概念的形式化定义，构建了高速公路网风险分析的理论和方法框架，明确了高速公路网安全性的内涵及其与路网风险的关系。
　　为了对路网结构风险、运营风险及路网风险进行有效度量和定量分析评估，分别定义了路网结构风险测度集、运营风险测度集，并提出了这些测度的计算模型;其中结构风险测度集主要从路网的拓扑结构特性出发，包括基础路网非均匀性测度、连通性测度和抗毁性测度三类测度;运营风险测度集从路网交通流特性参数出发，包括运营路网非均匀性测度、连通性测度和抗毁性测度三类测度。
　　基于对路网结构风险测度和路网运营风险测度的分析，定性描述了各类风险测度之间的相互关系，构建了路网风险综合评估的层次化关联结构;采用ANP网络分析方法，得到了路网风险测度指标的Shapley值，并根据最大Shapley熵原理计算得到测度指标集的gλ模糊测度，最后运用多重Choquet积分计算得到了路网风险评估值;为了明确路网风险和路网安全性之间的对应关系，借助待评估路网近两年的事故统计数据以及K-means聚类方法，对路网风险评估值进行了聚类分析，划分了路网安全性和风险等级。
　　将灰色动态建模和小波神经网络模型相结合，提出了基于灰色—小波神经网络的多因素组合预测模型。该方法同时考虑了多个测度指标对路网安全性预测的影响，深化了对系统演化规律的认识，提高了预测精度，为多因素预测提供了一种新的实用方法。
　　最后，结合课题情况，以北京市高速公路网为背景，全面运用本文提出的理论和方法，结果表明，运用本文提出的方法对路网的分析和预测结果与实际路网运营状态较为一致，预测精度较高，表明本文提出的路网风险测度理论、风险评估和预测模型能够较为真实的再现路网的实际运营状况，可以对路网风险和全局安全性进行有效的分析、评估和预测。

目录

声明

致谢

摘要

高速公路网风险测度注释

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 研究内容

1．3 论文结构

2 国内外研究综述

2．1 道路交通安全分析方法的研究现状

2．2 道路交通安全评估方法的研究现状

2．3 拟采用理论方法的研究现状

2．3．1 路网风险分析理论基础

2．3．2 路网风险评估理论基础

2．3．3 路网风险预测理论基础

2．4 小结

3 高速公路安全影响因素分析及路网构建

3．1 引言

3．2 高速公路安全影响因素分析

3．2．1 人的因素

3．2．2 车的因素

3．2．3 道路因素

3．2．4 环境因素

3．2．5 管理因素

3．3 高速公路安全影响要素分析

3．3．1 安全影响要素选取依据

3．3．2 安全影响要素形式化表达方法分析

3．4 高速公路网构建

3．4．1 相关假设描述

3．4．2 高速公路网定义

3．4．3 高速公路网安全性的内涵

3．5 小结

4 高速公路网结构风险测度分析

4．1 引言

4．2 基础路网非均匀性分析

4．2．1 熵的本质含义

4．2．2 路网非均匀性测度分析

4．2．3 基础路网非均匀性测度相关性分析

4．3 基础路网连通性分析

4．3．1 基于路网拓扑属性的连通性测度

4．3．2 基于路网功能属性的路网连通性测度

4．3．3 基础路网连通性测度相关性分析

4．4 基础路网抗毁性分析

4．4．1 基于路网构件重要度的抗毁性测度

4．4．2 基于路网连通差异性的抗毁性测度

4．4．3 基础路网抗毁性测度相关性分析

4．5 小结

5 高速公路网运营风险测度分析

5．1 引言

5．2 运营路网非均匀性分析

5．2．1 基于流量分布的路网非均匀性测度

5．2．2 基于节点流量均衡度的非均匀性测度

5．3 运营路网连通性分析

5．3．1 基于路径运营连通度的连通性测度

5．3．2 基于节点间流量裕度的连通性测度

5．3．3 基于路段密度的连通性测度

5．4 运营路网抗毁性分析

5．4．1 基于路网构件重要度的抗毁性测度

5．4．2 基于路网失效方式的抗毁性测度

5．5 小结

6 高速公路网风险评估及预测方法

6．1 引言

6．2 基于ANP和模糊积分的路网风险评估模型

6．2．1 路网风险评估层次关联结构构建

6．2．2 路网风险测度归一化

6．2．3 路网风险测度重要度计算

6．2．4 路网风险评估模型

6．3 路网安全性及风险划分标准

6．3．1 K-means聚类算法分析

6．3．2 基于K-means聚类算法的路网安全等级划分

6．4 基于灰色——小波神经网络的路网风险组合预测方法

6．4．1 最优组合预测模型

6．4．2 组合预测模型预测效果评价

6．5 小结

7 高速公路网风险评估及预测方法仿真实现

7．1 原始信息采集与分析

7．1．1 信息采集方法与获取方式

7．1．2 原始信息分析

7．2 仿真环境构建

7．2．1 仿真软件选择

7．2．2 仿真路网构建

7．2．3 仿真参数设置

7．3 路网风险评估仿真实现

7．3．1 路网特征分析

7．3．2 路网结构风险测度计算

7．3．3 路网运营风险测度计算

7．3．4 基于ANP和模糊积分的路网风险计算

7．4 基于灰色——小波神经网络组合预测方法的路网风险预测仿真实现

7．5 小结

8 研究成果及展望

8．1 研究成果

8．2 主要创新点

8．3 研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集