基于主成分分析法的全國道路交通安全水平分析

趙增輝, 黃麗華, 荊海濤, 李偉杰

(1.首都經濟貿易大學管理工程學院,北京 100070;2.中鐵十一局集團有限公司,湖北 武漢 430061)

0 引言

近年來,我國民用汽車數量增長迅速。根據《中國統計年鑒》統計顯示,2022年民用汽車擁有量是2013年的大約3倍[1]。汽車數量的迅速增長導致交通擁堵問題日益嚴峻,交通事故頻發,嚴重威脅人民生命健康和財產安全。因此,科學評價我國不同地區的道路交通安全態勢,對道路交通治理具有重要意義。

主成分分析法具有將數據降維,同時保留數據特征的特點,不少學者將其運用到道路安全的研究中。如范東凱等[2]運用主成分分析法從道路設施等微觀角度進行研究,對不同道路的安全水平進行排序,并認為主成分分析法是處理交通系統復雜問題的有效方法;張文峰等[3]驗證主成分分析法評估道路安全水平的可行性;徐任婷等[4]用主成分分析法研究江蘇省不同城市道路的安全情況;江偉[5]用主成分分析法研究城市道路的應急疏散能力。綜上,多數學者運用主成分分析法研究道路交通安全水平,但選取的指標各有不同。本文通過文獻分析,運用主成分分析法研究全國道路交通安全水平在時間和空間上的變化,以期為我國交通事故的區域性治理提供決策依據。

1 主成分分析法

1.1 原理

主成分分析法是數理統計中的一種方法,其原理是設法將原來眾多的具有一定相關性的指標重新組合成一組新的相互無關的綜合指標,運用降維的思想,使變換后較少的綜合指標反映原始數據的大部分信息[6]。通常按累計方差貢獻率不低于某個值(如85%)的原則確定主成分的個數,各主成分以各自的方差貢獻率為權重,通過線性加權求和得到主成分得分。

1.2 計算步驟

(1)對原始數據進行標準化處理。設有n個樣本,p項指標,可得數據矩陣X=(Xij)n×p,i=1,2,…,n;j=1,2,…,p。Xij表示第i個樣本的第j項指標值,對數據矩陣中的元素Xij按照式(1)進行標準化,得到標準化后矩陣中的元素Zij。

(1)

式中:

Xj max—第j項指標中的最大值;

Xj min—第j項指標中的最小值。

(2)計算標準化矩陣的相關系數矩陣。相關系數矩陣R:

R=(rjk)p×p

(2)

(3)

式中:

rjk—第j項指標與第k項指標的相關系數,j=k,rjk=1;rjk=rkj,k=1,2,…,p;

Zik—第i個樣本的第k項指標值標準化后的矩陣中的元素。

(3)求解相關系數矩陣的特征值與特征向量,確定主成分。

|λE-R|=0

(4)

式中:

E—單位矩陣。

由式(4)可求得特征值λg,(g=1,2,…,p),將λg按大小順序排列為λ1≥λ2≥…≥λp≥0。λg表示主成分的方差,其大小代表各個主成分在描述被評價對象上所起作用的大小。每一個特征值對應一個特征向量Lg,Lg=(lg1,lg2,…,lgp),將標準化后的指標變量轉化為主成分,如式(5)。

(5)

式中:

lpp—第p個特征向量的第p個元素;

Fp—第p個主成分的數值;

Zp—第p項指標的原始數據無量綱化后的數值。

(4)根據方差貢獻率,確定主成分個數。方差貢獻率是該方差占所有方差之和的比率,可用特征值的比值來表示。主成分分析法是選取盡量少的m個主成分(m

(6)

(5)對m個主成分進行綜合評價。先求式(6)中前m項,F1,F2,…,Fm。然后對m個主成分進行加權求和,即得最終評價值F,如式(7)。

(7)

2 道路交通安全指標選取

道路交通安全指標通常分為2類,即絕對指標和相對指標。絕對指標是指以具體數值或數量表示的指標;相對指標是2個有聯系的現象數值相比得到的比率,反應現象的發展程度、結構、強度、普遍程度或比例關系[7]。為使評價結果更準確,通常不會直接使用道路交通事故起數、死亡人數等絕對指標開展研究,而是需要結合該區域的人口數、車輛數、道路情況等因素構成相對指標進行研究[8]。單位行車里程死亡率考慮了動態交通量,是公認的最具說服力的評價指標,常用的有億車公里死亡率、億車英里死亡率等,但車輛行駛總里程數據統計困難。郭應時等[9]對美國近40年道路交通事故統計數據分析發現,在宏觀評價時,萬車死亡率與億車英里死亡率有相同的說服力;同時,對9個國家分別用10萬人口死亡率和萬車死亡率對國家交通安全水平進行分析,結果表明萬車死亡率比10萬人口死亡率能更真實和客觀地反映一個區域的交通安全水平。因此,本文指標選取從車輛的角度考慮,確定研究指標為萬車死亡率、萬車受傷率、萬車事故損失(萬元)、萬車事故率。

3 全國道路交通安全水平分析

《中國統計年鑒》交通事故數據更新到2022年,選取2013—2022年的交通事故數據對我國道路交通安全水平進行分析。交通基礎設施建設是我國國民經濟與社會發展五年規劃的重要部分,同時,本文統計年份跨越了3個五年規劃,“十四五”還在實施過程中不予考慮,因此,選取“十二五”和“十三五”最后一年的數據進行分析,即2015和2020年。

3.1 數據處理

查詢《中國統計年鑒》2013—2022年全國包含31個省市自治區(香港特別行政區、澳門特別行政區、臺灣省未統計)的交通事故發生數(起)、交通事故死亡人數(人)、交通事故受傷人數(人)和交通事故直接財產損失(萬元)、民用汽車擁有量(萬輛)等數據,轉化后得到萬車死亡率、萬車受傷率、萬車事故損失(萬元)、萬車事故率。

3.2 數據分析

3.2.1 2013—2022年全國道路交通安全水平

對2013—2022年的數據進行標準化,處理后的數據,見表1。以標準化后的數據進行主成分分析,方差分解及主成分提取分析,見表2。由于選取的指標與道路交通安全水平存在負相關關系,對指標數據以標準化的方式進行逆歸一化,因此主成分得分越高,全國的道路交通安全水平越高。

表1 2013—2022年指標標準化Tab.1 Standardization of indicators from 2013 to 2022

表2 方差分解及主成分提取分析Tab.2 Variance decomposition and principal component extraction analysis

由表2可知,特征值為3.93,方差貢獻率為98.12%,大于85%,因此用一個主成分解釋,F的表達式為:

F=0.497X1+0.501X2+0.5X3+0.501X4

(8)

將表1中不同年份的指標代入公式(8),得到2013—2022年全國道路交通安全水平得分,見表3。

表3 2013—2022年主成分得分及排名Tab.3 The principal component score and ranking table from 2013 to 2022

從表3可知,2013—2022年全國道路交通安全水平整體上呈現逐年上升的趨勢,其中,2017、2020年的道路安全水平較前一年有明顯提高。國務院發布的《關于實施公路安全生命防護工程的意見》指出,2017年底,我國全面完成急彎陡坡、臨水鄰崖等重點路段約6.5萬km的安全隱患治理;2020年底,我國鄉道及以上行政等級公路交通安全基礎設施明顯改善?？梢?對路段進行安全隱患排查和治理是提高道路交通安全水平的有效措施。2018、2021年的道路交通安全水平出現輕微下降,可能是階段性任務完成后有所松懈,也與車輛數的增加有關。

3.2.2 2015、2020年不同地區的道路交通安全水平

2015和2020年不同地區的道路交通安全水平由高到低排序,見表4。

表4 2015和2020年不同地區排名Tab.4 The rankings of different regions in 2015 and 2020

由表4得,2015年上海、河北、貴州的道路安全水平排名前三,2020年上海、河北、山東的道路安全水平排名前三;道路安全水平進步較快的有重慶、安徽、浙江;道路安全水平退步較大的是貴州、廣西、湖北。上海是道路交通安全水平保持第一的城市,重慶是道路交通安全水平進步最大的城市,因此,對這2個城市交通安全管理措施進行深入分析。上海市道路交通安全水平高的原因如下:①有更完善的交通法律法規。2017年3月25日,《上海市道路交通管理條例》開始實施,使得對違法行為的整治有法可依。該條例85%的條款為新創設,其中大多是針對“微違法”。如機動車過馬路必須禮讓行人,一次連續變換多條車道,機動車司機不系安全帶、開車打手機,都會受到處罰。將交管信用信息納入“市公共信用信息服務平臺”,嚴重交通違法將“掛鉤”個人及企業信用記錄,實現對交通違法行為人的有力約束。②嚴查嚴整。2016年上海市實施道路交通違法行為大整治。整治針對以下10項問題:機動車亂停車、機動車亂占道、機動車亂變道、機動車亂鳴號、機動車涉牌違法、機動車路口違法行為、機動車逆向行駛、非機動車亂騎行、行人亂穿馬路、非法客運。執法網絡覆蓋范圍廣,除了現場執法,還推廣多功能、復合型電子警察,進一步織密非現場執法網絡,有效增加了監管的覆蓋路段,監管時間。嚴格執法,一旦發現違法行為,交警必須進行糾正,按法律法規嚴格處分當事人。③提升道路通行效率。優化信號控制方案,減少交通沖突點,如應用“智能交通信號燈管理系統”,可以實時感知路況,動態分配路權,智能引導交通參與者,道路的通行效率平均提升10%;應用潮汐車道、可變車道等手段,根據車流量及時調整車道用途,實現路網資源最大化。充分發掘停車場資源,如夜間利用商圈、社區的停車場資源。④切實提升市民的獲得感和滿意度。深化“互聯網+”服務,形成以“上海交警”APP為龍頭的全覆蓋式網上交通管理業務集群,如在線繳罰、快處易賠、一鍵挪車等APP的實用功能廣受好評。⑤持續開展道路交通安全宣傳教育。利用全市3萬個東方明珠移動電視、公交站點、輪渡LED顯示屏等公共終端,廣泛宣傳道路交通安全內容。

重慶是道路安全水平進步最大的城市,2018年開始實施“城市提升行動計劃”和“交通建設三年行動計劃”?？偨Y其進步的原因如下:①公共交通的建設和優化。加速建設軌道交通,主城區軌道日均客運量明顯增加。不斷優化重慶主城區運營車輛及線網,公交優先道的實行可提升車速10%以上;社區巴士解決了“最后一公里”難題,較大地方便了重慶市民的出行。②公路路網的完善。在農村公路建設方面,為切實解決群眾出行“最后一公里”,推動農村公路向進村入戶傾斜。高速公路加密成網,省際出口通道西部領先,區域互聯互通水平顯著提升。

4 對策措施

結合上海、重慶的做法,對于提升道路安全水平給出以下建議:

(1)重視路網的擴建及改造。結合當地的交通需求,完善路網建設,提高區域互聯互通能力。針對交通基礎設施薄弱路段進行改造,尤其是對事故多發處進行改造與維護,難以改造時,可以在事故易發路段設置醒目的提醒標志[10-11]。

(2)公共交通的建設和優化。加速建設軌道交通,不斷優化城區運營車輛及線網,設置公交優先道。

(3)運用科技手段,提高道路通行效率。運用智能信號燈管理系統、潮汐車道、可變車道等措施使道路資源最大化。

(4)完善道路交通安全法規體系、加強執法部門的監管力度。結合當地實際情況,補充微小違法行為及其處理措施,將嚴重違法行為納入征信,提高違法門檻,做到有法可依。提高現場和非現場的執法能力,增加交警人數,使用多功能電子警察,及時抓拍違法違章車輛,形成對市民的有效監督。

(5)加強對駕駛員、行人的教育和管理。針對不同年齡的人群,考慮接受意愿,選擇合適的平臺及方法加強道路交通安全宣傳教育。

5 結論

(1)運用主成分分析法對萬車死亡率、萬車受傷率、萬車事故損失(萬元)、萬車事故率4個指標進行主成分分析,發現2013—2022年全國的道路交通安全水平整體呈上升趨勢,2017、2020年較其他年份上升明顯。

(2)根據主成分分析,2015年上海、河北、貴州的道路安全水平排名前三,2020年上海、河北、山東的道路安全水平排名前三;道路安全水平進步靠前的有重慶、安徽、浙江,道路安全水平退步較多的是貴州、廣西、湖北。

(3)深入分析上海和重慶的交通安全措施,提出擴建和改造路網、建設和優化公共交通、提高道路通行效率、完善法規建設、加強執法力度、加強對駕駛員和行人的教育和管理等對策建議。