高速公路路面狀態(tài)安全評價方法研究

胡思濤，項喬君

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京210096;2.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安223003)

1 引 言

近年來高速公路的交通安全問題日益嚴(yán)峻，統(tǒng)計資料顯示，我國高速公路的事故率和死亡率遠(yuǎn)高出一般公路，分別約為一般公路的4倍和8倍［1］.分析發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的不良狀態(tài)是引起高速公路交通事故的重要原因之一.路面作為高速公路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其各項性能指標(biāo)如路面的平整度、抗滑性不僅直接關(guān)系到行車的舒適性，而且對行車安全也有重要影響.

當(dāng)前路面狀態(tài)的研究主要應(yīng)用于高速公路的養(yǎng)護(hù)與管理［2-4］，涉及交通安全的研究相對較少.路面的平整度、抗滑性、車轍深度、破損狀況和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等指標(biāo)已有相關(guān)的測量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，但這些指標(biāo)對交通安全的影響機(jī)理尚不明確.因此有必要建立高速公路路面狀態(tài)安全評價模型，溝通既有的路面狀態(tài)指標(biāo)和交通安全的關(guān)系.從而可以根據(jù)路面實際檢測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判別路面狀況對交通安全的影響程度，為有關(guān)部門選擇合理的路面養(yǎng)護(hù)和交通管理措施提供依據(jù).

2 評價指標(biāo)的確定

2.1 路面狀態(tài)表征指標(biāo)

柔性路面的技術(shù)指標(biāo)主要包括五類:路面破損程度(PCI)、路面平整度(RQI)、路面車轍(RDI)、抗滑性指數(shù)(SRI)，以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(PSSI)［5］.通過分析現(xiàn)有的5個路面狀態(tài)指標(biāo)，篩選出與交通安全緊密相關(guān)的路面狀態(tài)表征指標(biāo).

一般情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度只影響道路本身的安全，不對車輛行車安全造成影響，而平整度、車轍、破損程度和抗滑性這四類路面指標(biāo)對交通安全均有一定的影響.其中RQI、RDI、PCI對交通安全影響機(jī)理是相似的，主要是通過影響駕駛行為來實現(xiàn)的，而SRI主要影響的是車輛行駛、制動性能，與交通安全關(guān)系更為緊密.《2008年度滬寧路面檢測分析報告》相關(guān)統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，RQI、RDI、PCI和IRI之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，相互之間存在一定的可替代性.由于路面破損是我國高速公路路面病害主要形式之一，影響范圍更廣，目前已有較為完善的檢測方法.所以在這三類路面狀況指標(biāo)中，路面破損程度代表性更強(qiáng)、更易檢測.

因此選用路面破損程度與路面抗滑性構(gòu)成高速公路路面狀態(tài)的表征指標(biāo).

2.2 交通流表征指標(biāo)

道路交通安全狀況與交通流運行特征有關(guān)，不同的交通流運行特征對應(yīng)不同的交通安全狀態(tài).交通流運行平穩(wěn)，則事故發(fā)生的可能性較低，道路安全狀況較好;反之，當(dāng)交通流處于“非穩(wěn)定”狀態(tài)，車輛之間的干擾增強(qiáng)，事故發(fā)生的概率將明顯增大.因此，合理地選取交通流指標(biāo)能較好地反映實際交通安全狀況.

目前，交通流對交通安全影響的研究主要集中車速的相關(guān)指標(biāo)上［6-8］.研究發(fā)現(xiàn)平均車速、速度梯度、速度標(biāo)準(zhǔn)差和速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)(速度標(biāo)準(zhǔn)差/區(qū)間平均速度，記為Cv)都對交通安全具有較大的影響.其中速度標(biāo)準(zhǔn)差和Cv值都可以表征車速的離散型，但速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)可反映出不同的平均速度水平時速度標(biāo)準(zhǔn)差的影響程度，能更準(zhǔn)確的反映道路交通流的穩(wěn)定性，可采用Cv值作為交通安全間接評價指標(biāo)［9］.

3 路面狀態(tài)表征指標(biāo)與Cv的關(guān)系分析

從直觀上看，高速公路由于交通量大、車速快、車輛載荷較大等因素，不同路段、不同車道的路面狀態(tài)指標(biāo)不盡相同.在一定范圍內(nèi)，高速公路受到相似地理氣候環(huán)境影響，路面狀態(tài)主要受到交通流運行的各項指標(biāo)影響，包括交通量、運行車速、車型結(jié)構(gòu)、車速變化等指標(biāo)，這些影響可以通過高速公路路面狀態(tài)表征指標(biāo)在不同車道、不同路段上的變化得以體現(xiàn).

對于高速公路的交通流運行特征而言，在不同車道上、沿路段上的變化特征也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律.就不同車道而言，內(nèi)側(cè)車道車輛運行較快、車速運行平穩(wěn)，受干擾程度不大;外側(cè)車道車輛運行相對較慢、車輛加減速行為明顯增多、大型車比例較大.就不同路段而言，進(jìn)出口匝道附近區(qū)域車輛變速較為頻繁，基本路段車輛運行平穩(wěn).以上的分析表明，路面狀態(tài)表征指標(biāo)與交通流運行特征具有宏觀意義上的相關(guān)性，但在微觀層面，二者的變化規(guī)律是否具有一致性，尚需進(jìn)一步驗證.

3.1 路面狀態(tài)表征指標(biāo)沿車道的分布規(guī)律

從交通流的運行特征來看，內(nèi)側(cè)車道運行較為平穩(wěn)，外側(cè)車道加減速行為較多.如果路面狀態(tài)表征指標(biāo)與交通流運行特征指標(biāo)的變化具有一致性，那么內(nèi)側(cè)車道路面狀態(tài)指標(biāo)值在整體上應(yīng)該優(yōu)于外側(cè)車道所對應(yīng)的值.現(xiàn)以滬寧高速公路實測數(shù)據(jù)來驗證這一假設(shè)是否正確.滬寧高速為雙向八車道，第一車道為內(nèi)側(cè)車道，交通流運行平穩(wěn);第四車道為外側(cè)車道，車輛變換車道行為相對較為頻繁.滬寧高速(寧滬方向)第一和第四車道抗滑性指標(biāo)變化如圖1所示.通過圖1可以看出，總體上滬寧高速(寧滬方向)第一車道抗滑性指標(biāo)明顯高于第四車道，交通流運行特性的變化對路面抗滑性影響較為顯著.

圖1 滬寧高速(寧滬方向)第一和第四車道抗滑系數(shù)變化圖Fig.1 Fluctuation of SRI on lane 1 and 4 of Shanghai-Nanjing freeway

滬寧全線(滬寧方向)第一和第四車道破損程度指標(biāo)變化如圖2所示.通過圖2可以看出，總體上滬寧高速(滬寧方向)第一車道PCI值高于第四車道所對應(yīng)值，但相對SRI，PCI變化幅度有所降低.

圖2 滬寧高速(滬寧方向)第一和第四車道PCI變化圖Fig.2 Fluctuation of PCI on lane 1 and 4 of Shanghai-Nanjing freeway

3.2 路面狀態(tài)表征指標(biāo)的沿路段的分布規(guī)律

就路段而言，在高速公路合流、分流影響區(qū)域，車輛頻繁地加減速和變換車道，在基本路段上運行較為平穩(wěn).那么路面狀態(tài)表征指標(biāo)特別是抗滑性，是否也呈現(xiàn)出一定的差異?現(xiàn)以進(jìn)口匝道鼻端為路段起點、出口匝道鼻端為路段終點，對路段進(jìn)行劃分，研究路面指標(biāo)沿路段上的分布情況.

選取全長為37.103 km的路段(樁號K236+437～K273+540)，以進(jìn)口匝道為起點，將其劃分為39個斷面，每個斷面間距為1 km，采集SRI數(shù)據(jù).如圖3所示，實線為實際指標(biāo)線，虛線為指標(biāo)變化趨勢線.由指標(biāo)變化趨勢線可以看出，離匝道進(jìn)出口的一定距離內(nèi)，即入口匝道下游或出口匝道上游一定范圍內(nèi)，由于路面指標(biāo)受到合流、分流中車輛加減速和變換車道的影響，路面指標(biāo)是相對較差的，中間路段隨著交通流的逐步穩(wěn)定，路面指標(biāo)有所回升，趨于平穩(wěn)，在一定長度的路段上，路段中部有一個路面狀況平穩(wěn)區(qū)間段.因此從路段上看，路面狀態(tài)表征指標(biāo)也與交通流運行特征指標(biāo)具有較好的相關(guān)性.

圖3 典型路段SRI變化圖Fig.3 Fluctuation of SRI on typical road sections

4 高速公路路面狀態(tài)安全評價模型

路面狀態(tài)指標(biāo)PCI、SRI獨立性好、代表性強(qiáng)，二者沿車道、路段的分布規(guī)律與交通流指標(biāo)的變化規(guī)律具有高度的相關(guān)性，存在某種可測的函數(shù)關(guān)系.下面基于實測數(shù)據(jù)和交通仿真數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析的方法對這種函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合.

4.1 數(shù)據(jù)采集

(1)路面狀態(tài)表征指標(biāo)的采集.

以滬寧高速公路為樣本，全長275 km，已標(biāo)定的匝道進(jìn)出口樁號共17個，將該高速公路分為有16個路段，每個路段包含合流影響區(qū)、基本路段和分流影響區(qū)三個組成部分，用檢測設(shè)備采集路面狀態(tài)表征指標(biāo).

(2)交通流表征指標(biāo)的采集.

利用TSIS仿真方法獲取所需交通流數(shù)據(jù)，仿真模型中關(guān)鍵數(shù)據(jù)為實際調(diào)查標(biāo)定，參數(shù)標(biāo)定值如 表1所示.

仿真結(jié)果表明，滬寧高速公路基本路段速度數(shù)據(jù)變化不明顯，因此僅檢測了4個斷面數(shù)據(jù).匝道出入口處交通流變化比較顯著，每個入口匝道下游段各檢測4個斷面，每個出口匝道上游段各檢測4個斷面.同時，匝道入口前200 m及出口后200 m各檢測一個斷面，以反映前后段高速公路主線速度.數(shù)據(jù)檢測斷面如圖4所示.為反映不同交通條件下的Cv值變化規(guī)律，通過設(shè)置不同交通量進(jìn)行多次仿真.同時結(jié)合滬寧高速公路路面指標(biāo)的檢測數(shù)據(jù)，建立Cv值與路面狀態(tài)表征指標(biāo)的關(guān)系.

圖4 仿真路段及數(shù)據(jù)檢測斷面示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulation sections and data detection cross sections

4.2 評價模型的建立

根據(jù)路段劃分結(jié)果，對16個普通路段的合流影響區(qū)間段、基本路段、分流影響區(qū)間段的SRI和PCI進(jìn)行分析，得到表2.

由表2可知，在車道數(shù)、車型結(jié)構(gòu)不變和其他交通條件不變的情況下，進(jìn)口道SRI、PCI合流影響區(qū)間值小于其相應(yīng)的出口道區(qū)間值，由于主線穩(wěn)定區(qū)間段車輛運行相對平穩(wěn)，穩(wěn)定區(qū)間段SRI、PCI值比其相應(yīng)合流及分流影響區(qū)間值高，這與前文的分析結(jié)論一致.

考慮交通流量的影響，在車輛正常行駛(自由流、穩(wěn)定流)情況下，根據(jù)滬寧線各段歷史交通流量，將交通流分為 5 級(1、2、3、4、5 級)，從低到高分別對應(yīng)每車道交通量小于500 vel/h、501～1 000 vel/h、1 001～1 500 vel/h、1 501 ～2 000 vel/h和2 001～2 500 vel/h的交通量，對不同級別交通流路段進(jìn)行仿真，可得進(jìn)口道合流影響區(qū)間段、主線穩(wěn)定區(qū)間段、出口道分流影響區(qū)間段的Cv值，結(jié)合滬寧全線各路段SRI和PCI的變化情況，五級交通量情況下 Cv值對應(yīng)的 SRI和 PCI值，如表3所示.

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，令Cv為因變量Y，SRI為自變量X1，PCI為自變量X2，利用SPSS軟件對X1與X2的相關(guān)性進(jìn)行分析，R2=0.358 8表明指標(biāo)間獨立性較高，這與路面指標(biāo)選取分析結(jié)果相一致的.對Y與X1相關(guān)性進(jìn)行分析，R2=0.440 3，SRI并不能完全反映Cv的變化情況;對Y與X2相關(guān)性進(jìn)行分析，R2=0.662 8，PCI也并不能完全反映Cv的變化情況;進(jìn)一步建立Cv與PCI、SRI關(guān)系，得到

Y=12.605-0.011X1-0.117X2(1)R2=0.711，擬合度良好.

表2 各路段SRI和PCI值Table 2 Value of SRI and PCI on road sections

表3 不同級別交通量下Cv值對應(yīng)的SRI和PCI值Table 3 Five classes of Cvcorresponding SRI and PCI in the three regions

4.3 路面狀態(tài)安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

Cv值可以作為間接指標(biāo)來衡量交通安全，但不同的Cv值對應(yīng)著什么樣的交通安全水平?首先利用調(diào)查數(shù)據(jù)繪制速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)累積頻率曲線，如圖5所示.選擇15%位累積頻率對應(yīng)的Cv值作為一般安全等級的下限值，選擇85%位累積頻率對應(yīng)的數(shù)值作為不安全等級的下限值，從而將路面狀態(tài)安全狀態(tài)分為三級.

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，繪制速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)累積頻率曲線可得，Cv15%=0.054，Cv85%=0.227.因此Cv≥0.227為不安全等級;0.054＜Cv＜0.227為一般安全等級;Cv≤0.054為安全狀態(tài).

圖5 高速公路車速標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的累積頻率曲線Fig.5 Cumulative frequency curve of Cvon freeway

4.4 路面狀態(tài)安全評價模型的應(yīng)用

依據(jù)上述的評價方法，根據(jù)日常養(yǎng)護(hù)過程中將實際路面檢測數(shù)據(jù)PCI和SRI，代入式(1)可求出相應(yīng)的Cv值，根據(jù)路面狀態(tài)安全等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定高速公路不同區(qū)段路面狀態(tài)所處的安全等級，進(jìn)而對安全等級較低路段進(jìn)行及時的養(yǎng)護(hù)和管理.

5 研究結(jié)論

高速公路路面狀態(tài)對交通安全的影響日益受到廣泛的關(guān)注和重視.本文選取了路面抗滑性能和路面破損程度作為高速公路路面狀態(tài)的代表性指標(biāo)，速度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)作為交通安全的間接評價指標(biāo)，通過實測數(shù)據(jù)和仿真分析相結(jié)合的方法，研究了PCI、SRI與Cv沿不同車道、路段的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)路面抗滑性能、路面破損程度與Cv具有較強(qiáng)的相關(guān)性.運用回歸分析的方法，建立了高速公路路面狀態(tài)安全評價模型，利用Cv累計頻率曲線將路面狀態(tài)安全等級劃分為三級.該評價方法成功地建立起高速公路路面檢測數(shù)據(jù)與交通安全的關(guān)系，為高速公路路面的養(yǎng)護(hù)和管理提供了科學(xué)的依據(jù).

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