山區(qū)高速公路隧道群路段安全評價

方守恩，鄔洪波，，廖軍洪，王 芳

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088）

在山區(qū)高速公路中，由于受地形限制，出現(xiàn)了越來越多的相鄰隧道，其中一部分形成隧道群，也就是數(shù)個隧道之間通過較短的橋梁或路基相連.由于隧道群路段隧道密集、隧道間距短，連續(xù)進(jìn)、出隧道口駕駛員將經(jīng)歷“暗適應(yīng)”和“明適應(yīng)”的快速轉(zhuǎn)換以及速率的不斷變換，駕駛員心理的自我調(diào)節(jié)加劇，緊張感隨之產(chǎn)生，使得隧道群路段成為高速公路上的敏感區(qū)，并可能演變成為交通事故的多發(fā)路段，影響行車安全.安全評價作為一種預(yù)防交通事故、減輕事故嚴(yán)重度的重要手段在國外得到了廣泛推廣［1］.在國內(nèi)安全評價在高速公路上已經(jīng)得到了較多應(yīng)用，然而到目前為止國內(nèi)學(xué)者僅針對隧道進(jìn)出口的安全問題及相應(yīng)的安全評價開展了一些初步的研究［2－3］，對于隧道群路段的安全評價尚未形成系統(tǒng)的理論與方法.為此本文通過對山區(qū)高速公路隧道群路段特征斷面車輛速率觀測數(shù)據(jù)和駕駛員實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析研究速率差和駕駛員心率增長率與隧道群路段結(jié)構(gòu)物長度和幾何線形指標(biāo)之間的量化關(guān)系，提出隧道群路段的安全評價方法和評價標(biāo)準(zhǔn)，以期為隧道群路段的安全評價提供理論支持，從而有效改善隧道群路段的行車安全性.

1 隧道群路段劃分及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

1.1 隧道群路段劃分

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)論［4－5］，在綜合考慮隧道通風(fēng)照明、交通安全、防火安全等因素的同時，結(jié)合線形連續(xù)性的考慮，本文將隧道群定義為公路路段上2座或2座以上間距在1km之內(nèi)的隧道總稱.隧道群交通事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及行車風(fēng)險表明［6］，隧道群不同區(qū)段事故發(fā)生率及行車風(fēng)險是不相同的，隧道進(jìn)出口和隧道之間的連接段為事故高發(fā)路段和高風(fēng)險路段.由于國內(nèi)對隧道進(jìn)出口的安全評價已經(jīng)開展了相應(yīng)研究，因此將重點(diǎn)放在隧道之間的連接段（簡稱隧道連接段）.對于隧道連接段，如果連接段足夠長，一般大于1 000m時，在該路段上的交通流趨于穩(wěn)定，交通事故發(fā)生率也就相對較低.如果連接段較短，路段上的交通流將受到隧道進(jìn)出口車流速率的影響，隨著交通流的波動，駕駛員的操作將受到影響，導(dǎo)致發(fā)生不良的駕駛行為，進(jìn)而引發(fā)交通事故.

為便于后續(xù)研究，將隧道群路段劃分為如下區(qū)段：包括進(jìn)口過渡段、隧道路段、隧道連接段和出口過渡段，如圖1所示.

圖1 隧道群區(qū)段劃分示意Fig.1 Division sketch of tunnel group segments

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

為探討在隧道群不同區(qū)段駕駛?cè)藛T的心理、生理特征變化和速率變化規(guī)律，研究隧道群及幾何線形對車輛交通行為的影響特征，本文依托西部某山區(qū)高速公路，主要采集駕駛員在隧道進(jìn)出口、隧道連接段、隧道內(nèi)及線形指標(biāo)變化等特征點(diǎn)的心率指標(biāo)和車輛速率值.

（1）調(diào)研路段.調(diào)研路段為山區(qū)雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)時速為80km·h－1，路基寬度為24.5 m，平曲線最大半徑為8 000m，平曲線最小半徑為320m，最大直線長度為2 185.706m，同向曲線間最小直線長度為540.875m，反向曲線間最小直線長度為161.953m，最小凸曲線半徑為12 000m，最小凹曲線半徑為12 000m，最大縱坡坡度為4.7%，最小縱坡坡度為零.

（2）斷面速率.在考慮功率質(zhì)量比和車輛外廓尺寸的基礎(chǔ)上將車輛劃分為兩大類：小型車和大型車［7］.斷面車輛速率用雷達(dá)測速槍采集，為盡可能減少測速對駕駛員的影響，測速人員一般站在相對較遠(yuǎn)或比較隱蔽的地點(diǎn)進(jìn)行測速.對于每個觀測斷面，為了保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精度，需對每個斷面速率調(diào)查所需觀測的最小車輛數(shù)進(jìn)行控制.根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，每個斷面的樣本量不少于60輛車.

（3）心率數(shù)據(jù).選取不同行業(yè)具有不同駕駛經(jīng)歷、職業(yè)、年齡和駕齡的3名男性駕駛員，要求駕駛年限均超過5年，持有B照以上駕駛執(zhí)照資格，駕駛技術(shù)嫻熟，且有良好的駕駛習(xí)慣，視覺機(jī)能正常，無生理缺陷和重特大交通事故經(jīng)歷.選用普通小客車作為試驗(yàn)車，采用生物反饋儀實(shí)時記錄駕駛員的心率值.

2 隧道群路段車輛速率變化分析

2.1 斷面車輛速率

以某隧道群為例（其中1號隧道為長隧道，2號隧道為短隧道，3號隧道為特長隧道），車輛在特征斷面的平均速率變化趨勢如圖2所示.

圖2 隧道群路段車輛平均速率變化趨勢Fig.2 Change tendency of the vehicle average speed on tunnel group segments

由圖2可以看出，隧道群路段車輛平均速率分布具有如下特點(diǎn)：①在隧道群的各個區(qū)段，小型車的速率明顯高于大型車的速率，且小型車速率的變化幅度一般大于大型車速率的變化幅度，但速率變化趨勢基本相同；②在隧道群路段，與短隧道同長隧道、特長隧道相同，車輛基本按照進(jìn)隧道減速、出隧道加速的特征行駛，但在長隧道、特長隧道中的加減速趨勢明顯大于短隧道；③在隧道內(nèi)，車輛速率同進(jìn)出口處速率之間并無顯著差異，而隧道連接段車輛速率較高，甚至高于一般路段，車輛處于比較劇烈的加減速過程中，危險性系數(shù)大；④隧道進(jìn)出口的車輛速率一般低于隧道內(nèi)及兩相鄰隧道連接段的速率.

2.2 連接段車輛速率

由前面的分析可以看出隧道群路段車輛在隧道進(jìn)出口的速率變化規(guī)律與單個隧道類似，因此，本文以2座隧道組成的隧道群為例著重分析隧道連接段車輛速率的變化規(guī)律.

在分析影響隧道連接段的車輛速率變化特征時，主要考慮的因素有前一隧道（1號隧道）長度L1、后接隧道（2號隧道）長度L2、連接段長度L3以及連接段的平縱線形指標(biāo).取連接段上相鄰測點(diǎn)的最大速率差作為因變量來分析上述因素對連接段車輛速率影響的規(guī)律.

2.2.1 小型車

由圖3可見，在隧道連接段小型車的最大速率差受前一隧道和連接段的長度影響較大，后接隧道長度對小型車的最大速率差有一定的影響，而連接段平曲線半徑對小型車的最大速率差影響較小.

圖3 隧道連接段小型車最大速率差與各影響因素的關(guān)系Fig.3 The relationship between the maximum speed difference of small vehicles at tunnel linkage sections and the influencing factors

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件建立了隧道連接段小型車最大速率差與影響因素的關(guān)系模型，如式（1）所示：

式中：ΔVSV為隧道連接段小型車最大速率差，km·h－1.

根據(jù)式（1）可以得出，在隧道連接段，前一隧道越長最大速率差越小，這主要是由于駕駛員從較長隧道中出來時車輛速率保持在相對較低的水平，處于比較謹(jǐn)慎的駕駛階段.隨著隧道連接段的增長，駕駛員有加速行駛的趨勢，導(dǎo)致最大速率差明顯變大.

2.2.2 大型車

由圖4可以看出，在隧道連接段，大型車的最大速率差受連接段的長度以及縱坡影響較大，后接隧道長度對大型車的最大速率差有一定的影響，而前一隧道長度對大型車的最大速率差影響較小.

同樣，建立了隧道連接段大型車最大速率差與影響因素的關(guān)系模型，如式（2）所示：

式中：ΔVLV為連接段大型車最大速率差，km·h－1；G為連接段縱坡坡度，%.

圖4 隧道連接段大型車最大速率差與各影響因素的關(guān)系Fig.4 The relationship between maximum speed difference of large vehicles at tunnel linkage sections and the infuencing factors

由式（2）可以看出，在隧道連接段，隨著連接段長度的增加，駕駛員有加速行駛的趨勢，導(dǎo)致車輛速率差明顯變大，且縱坡坡度的增大對大型車動力性能的影響愈發(fā)明顯，速率顯著降低.

3 隧道群路段心率變化分析

3.1 特征點(diǎn)心率

圖5 隧道群路段駕駛員心率變化趨勢Fig.5 Change tendency of drivers’heart rate on tunnel group segments

由圖5可以看出，隧道群路段駕駛員心率具有如下特點(diǎn)：①隨著車輛進(jìn)入第1座隧道（1號隧道），駕駛員心率逐漸增加，心率在隧道出口達(dá)到最大值；②當(dāng)車輛駛離第1座隧道時，駕駛員心率有較大的回落；③隨著駕駛員駛近第2座隧道（2號隧道），駕駛員心率又以比較快的速度上升，在隧道進(jìn)口達(dá)到較高的水平；④駕駛員駛?cè)氲?座隧道后，駕駛員的心率緩慢降低，在第2座隧道洞口外恢復(fù)到一個比較正常的水平；⑤如果隧道群包含3座以上的隧道，駕駛員的心率呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，且隨著對隧道環(huán)境的適應(yīng)，變化趨于平緩.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，對于隧道群路段，駕駛員心率一般在第1座隧道出口和第2座隧道進(jìn)口（該出口與進(jìn)口分別記為T1EX和T2EN）達(dá)到最大.因此，主要分析駕駛員在這2個特征點(diǎn)的心率變化規(guī)律.

3.2 駕駛員心率增長率

由于駕駛員存在個體差異性，因此簡單比較駕駛員心率的增加次數(shù)不能完全反映隧道群特殊的環(huán)境對駕駛員心理、生理的影響，因此采用心率增長率來研究.隧道群路段心率增長率定義為駕駛員心率增量（駕駛員行駛在隧道群路段時的平均心率與駕駛員在一般路段上行駛時的平均心率之差）與駕駛員在一般路段上行駛時的平均心率比之.

分析駕駛員在T1EX和T2EN兩個點(diǎn)心率增長率的影響因素時，主要考慮L1，L2，L3以及連接段的平縱線形指標(biāo).

3.2.1 第1座隧道出口

由圖6可以看出，在第1座隧道的出口，駕駛員心率增長率受前一隧道和連接段長度的影響較大，而后接隧道長度及隧道出口的平縱線形綜合指標(biāo)對駕駛員的心率增長率影響很小.

圖6 隧道出口駕駛員心率增長率與各影響因素的關(guān)系Fig.6 The relationship between drivers’heart rate increment at tunnel exit and influencing factors

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件，建立了隧道出口駕駛員心率增長率與影響因素的關(guān)系模型，如式（3）所示：

式中：n1EX為駕駛員在第1座隧道出口的心率增長率，%.

從式（3）可以看出，隨著第1座隧道長度的增加，駕駛員心率增長率隨之增加；隨著連接段長度的增加，駕駛員心率增長率隨之減少，且連接段長度的影響更為明顯.

3.2.2 第2座隧道進(jìn)口

由圖7可以看出，在第2座隧道進(jìn)口，駕駛員心率增長率受連接段長度以及隧道進(jìn)口平縱線形綜合指標(biāo)的影響較大，而前一隧道以及后接隧道長度對駕駛員心率增長率的影響不明顯.

圖7 隧道進(jìn)口駕駛員心率增長率與各影響因素的關(guān)系Fig.7 The relationship between drivers’heart rate increment at tunnel entrance and influencing factors

同樣，建立了隧道進(jìn)口駕駛員心率增長率與影響因素的關(guān)系模型，如式（4）所示：

式中：n2EN為駕駛員在第2座隧道進(jìn)口的心率增長率，%；I為隧道進(jìn)口平縱線形綜合指標(biāo)，I＝G/r，G為隧道進(jìn)口縱坡坡度，%，r為隧道進(jìn)口平曲線半徑，km.

從式（4）可以看出，隨著隧道連接段長度的增加，駕駛員心率增長率隨之降低；隨著隧道進(jìn)口平縱線形綜合指標(biāo)的增大，駕駛員心率增長率也呈現(xiàn)降低的趨勢.

4 隧道群路段安全評價方法

國內(nèi)外關(guān)于安全評價方法的研究大致可以分為2類［8］，其中，基于事故（絕對或相對）的安全評價方法是最直接的評價方法，另一類是間接相關(guān)分析法，即通過尋找與道路安全水平密切相關(guān)的中介指標(biāo)，建立道路線形條件與中介指標(biāo)的關(guān)系以及中介指標(biāo)與交通安全的關(guān)系，從而間接分析道路條件與交通安全的關(guān)系.目前，常用的中介指標(biāo)包括：車輛速率、交通沖突、駕駛員心理和生理指標(biāo)、視距等.本文采用速率差和心率增長率作為研究隧道群路段安全性的中介指標(biāo).

4.1 基于速率差的評價方法

（1）預(yù)測模型驗(yàn)證.為驗(yàn)證上述車輛速率差預(yù)測模型（關(guān)系模型）的合理性，利用部分未用于建模的數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，如表1所示.預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的絕對誤差均保持在0～2 km·h－1以內(nèi)，表明預(yù)測模型精度較高，可用于隧道連接段的安全評價.

表1 隧道連接段最大速率差預(yù)測模型驗(yàn)證Tab.1 Validation of prediction models for maximum speed differences at tunnel linkage section（km·h－1）

（2）安全評價標(biāo)準(zhǔn).車輛速率的突變，尤其是較大的速率差會使駕駛員措手不及、處置不當(dāng)，從而導(dǎo)致行車事故.美國和歐洲一些國家在評價線形一致性時采用的方法就是依據(jù)該原理.根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果［9－10］，對于隧道連接段，基于速率差的安全評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示.

表2 基于速率差的安全評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Safety evaluation criteria based on speed difference

4.2 基于心率增長率的評價方法

（1）預(yù)測模型驗(yàn)證.同樣，為驗(yàn)證上述心率增長率預(yù)測模型的合理性，利用部分未用于建模的數(shù)據(jù)對預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，如表3所示.預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的相對誤差絕大部分在10%以內(nèi)，表明預(yù)測模型精度較高，能較好地應(yīng)用于隧道連接段的安全評價中.

（2）安全評價標(biāo)準(zhǔn).心率的劇烈變化往往導(dǎo)致人的不安感、緊張感和焦躁感，導(dǎo)致精力不集中，注意力及判斷力下降，是用來衡量人心理、生理負(fù)荷的重要指標(biāo).國內(nèi)外研究表明［11－12］，駕駛員行車過程中心率增長率超過正常心率的20%駕駛員就會緊張，超過正常心率的40%駕駛員心理負(fù)荷過大極易發(fā)生危險.因此，基于心率增長率的隧道連接段安全評價 采用表4所示的評價標(biāo)準(zhǔn).

表4 基于心率增長率的安全評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Safety evaluation criteria based on heart rate increment

5 結(jié)語

（1）針對山區(qū)高速公路隧道群路段存在的行車安全隱患及交通事故易發(fā)的特點(diǎn)，通過對隧道群路段特征斷面車輛速率的觀測，建立了隧道連接段小型車的最大速率差與隧道長度和連接段長度的關(guān)系模型以及大型車的最大速率差與連接段長度和縱坡坡度的關(guān)系模型.

（2）隧道群路段駕駛員心理、生理指標(biāo)的實(shí)車試驗(yàn)分析結(jié)果表明，對于隧道群路段，駕駛員心率一般在第1座隧道出口和第2座隧道進(jìn)口達(dá)到最大，并建立了心率增長率與隧道長度、連接段長度和隧道洞口平縱線形指標(biāo)之間的關(guān)系模型.

（3）對預(yù)測模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并通過借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果，提出了基于速率差和心率增長率的隧道群路段安全評價方法，對于山區(qū)高速公路特殊路段的安全評價技術(shù)是有益的補(bǔ)充.

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