高速公路路基寬度變化段線形設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化研究

吳 佳 華

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

高速公路路基寬度變化段線形設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化研究

吳 佳 華

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

為了降低高速公路路基寬度變化段的行車風(fēng)險(xiǎn)，從駕駛員視覺、駕駛行為和車輛行駛狀態(tài)等角度構(gòu)建了安全性評(píng)價(jià)模型，并通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)高速公路路基寬度變化段的線形設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。

路基寬度，變化段，模擬駕駛，線形設(shè)計(jì)

0 引言

高速公路路基寬度變化段一般設(shè)置在沿線地形變化較大的地區(qū)，由于路基寬度的變化特別是路基寬度變窄，直接從道路平面線形上給駕駛員的感知、決策和操作帶來不利的影響[1]。因此，如何有效地對(duì)這些變化段的交通安全進(jìn)行針對(duì)性的安全保障就成為交通安全研究的新方向。

發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)公路橫斷面幾何要素與交通安全的研究已經(jīng)形成了比較成熟的理論和評(píng)價(jià)體系。Hauer曾就車道寬度對(duì)安全影響規(guī)律的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，研究表明，3.35 m～3.66 m之間的車道寬度安全水平較高，當(dāng)車道再加寬時(shí)，安全水平反而降低[2]。Zegeer等人對(duì)低交通流(低于2 000輛/d)鄉(xiāng)村道路的車道、路肩寬度對(duì)事故的影響做了統(tǒng)計(jì)分析和研究，結(jié)果表明，從安全角度考慮，可以接受的車道最窄寬度為2.7 m[3，4]；Hadi等人利用負(fù)二項(xiàng)式回歸方法對(duì)改進(jìn)道路橫斷面以減少交通事故的問題作了研究，結(jié)果表明，增加車道、中間帶、內(nèi)側(cè)路肩、外側(cè)路肩寬度都有助于提高安全性[5]。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究起步較晚，現(xiàn)有規(guī)范針對(duì)路基寬度變化段的設(shè)計(jì)很缺乏，尚沒有一套完整的安全保障體系。

本文從駕駛員視覺、駕駛行為和車輛行駛狀態(tài)等角度構(gòu)建安全性評(píng)價(jià)模型，通過駕駛模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)高速公路路基寬度變化段的線形設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，以期降低高速公路路基寬度變化段的行車風(fēng)險(xiǎn)。

1 路基寬度變化段駕駛模擬實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)主要儀器及場(chǎng)景構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)法國(guó)模擬設(shè)計(jì)軟件Virtools TM4.0作為模擬駕駛研究平臺(tái)，并使用瑞典Smart Eye非侵入式眼動(dòng)儀對(duì)駕駛?cè)说囊曈X信息進(jìn)行采集分析。

構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)路段路基寬度在曲線段處由平原微丘區(qū)24.5 m過渡至山嶺重丘區(qū)21.5 m，曲線段的緩和曲線長(zhǎng)85 m，曲線方向轉(zhuǎn)角20°00′00″，行車道寬度由3.75 m變?yōu)?.5 m，右側(cè)硬路肩寬度由2.5 m變?yōu)?.5 m。

1.2 被試人員

實(shí)驗(yàn)選取10位駕駛員，男性8名，女性2名，年齡在20歲～30歲之間，駕齡在2年以上，其中6人有過模擬器駕駛經(jīng)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選用高速公路路基寬度變化段的曲線半徑、寬度漸變率以及設(shè)置位置作為影響因素。把各因素視為相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)因素，進(jìn)行3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，見表1。

表1 因素水平表

2 路基寬度變化段行車安全性模糊評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，突出主要因素，將對(duì)行車安全影響較小的因素從模型中忽略，對(duì)變化段的行車安全性進(jìn)行多層次分析，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬度

采用系統(tǒng)工程學(xué)兩兩比較法來確定影響高速公路路基寬度變化段交通安全各因素的權(quán)重，再根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用1～9標(biāo)度法進(jìn)行每?jī)稍亻g的相對(duì)比較[6]，構(gòu)造判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算，求出判斷矩陣的最大特征根λmax，并找出它所對(duì)應(yīng)的特征向量W，即為同一層各影響因素相對(duì)于上一層因素的相對(duì)重要性的排序權(quán)重，然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

單因素評(píng)價(jià)矩陣Ri=(ri1，ri2，…，rim)(i=1，2，…，n)是根據(jù)指標(biāo)因素Ui對(duì)目標(biāo)層的隸屬度來確定的，因此還應(yīng)確定各指標(biāo)因素Ui的隸屬度μi。

2.3 多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型

分層次的多級(jí)模糊綜合評(píng)判的基本思想是：先按最低層次的各個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)判，然后再按上一層次的各個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)判，逐層向上進(jìn)行，直到最后的一個(gè)層次(最高層)，得出最后的綜合評(píng)判結(jié)果。

設(shè)被評(píng)價(jià)事物因素集為U={u1，u2，u3，…，um}，決策評(píng)價(jià)集為V={v1，v2，v3，…，vn}，則m個(gè)評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)集就構(gòu)成了總的評(píng)價(jià)矩陣。實(shí)質(zhì)上，R是U與V之間的模糊關(guān)系，即R:U×V→[0，1]。

(1)

當(dāng)模糊評(píng)價(jià)矩陣R與A已知時(shí)，就可利用模糊變換原理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到最后的綜合評(píng)價(jià)值:

B=W·R=(b1，b2，…，bn)

(2)

為了簡(jiǎn)練數(shù)據(jù)處理的過程，本文采用最大隸屬度法作為結(jié)果評(píng)價(jià)的方法，即按照最大隸屬原則選擇最大的bj所對(duì)應(yīng)的判斷元素vj作為綜合評(píng)判的結(jié)果。

3 路基變化段設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，歸類成指標(biāo)體系數(shù)據(jù)。表2為樣本1預(yù)處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 樣本1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

3.2 數(shù)據(jù)分析

9組實(shí)驗(yàn)的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果計(jì)算結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和配對(duì)比較，研究高速公路路基寬度變化段設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響程度及其最優(yōu)組合。

從表3可以看到，路基寬度變化段的曲線半徑和寬度漸變率的P<0.05，說明F檢驗(yàn)是顯著的，即這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于路基寬度變化段行車安全性模糊評(píng)價(jià)值具有顯著影響。從P值的大小還可以看出，曲線半徑對(duì)于路基寬度變化段行車安全性模糊評(píng)價(jià)值有較大影響，其次是寬度漸變率，而設(shè)置位置的影響不大。

表3 方差分析表

3.2.1 曲線半徑R

從表4，表5可以看到，當(dāng)R=1 700 m時(shí)，評(píng)價(jià)值的均值最大(0.848)，而且R=1 700 m與R=1 400 m有顯著差異(P=0.000<0.05)，與R=2 200 m無顯著差異(P=0.056>0.05)。

數(shù)據(jù)分析表明，高速公路路基寬度變化段宜設(shè)置在道路的曲線段，變化段的行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著曲線半徑的增大而提高，當(dāng)曲線半徑增加到1 700 m左右，路段的行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到閾值。因此，對(duì)于高速公路的新建以及改擴(kuò)建，路基寬度變化段的曲線半徑在有條件的情況下宜取1 700 m，困難地區(qū)也不宜低于1 000 m。

表4 曲線半徑單因素統(tǒng)計(jì)量表

表5 曲線半徑配對(duì)比較表

3.2.2 寬度漸變率

從表6,表7可以看到，當(dāng)寬度漸變率等于1∶70時(shí)，評(píng)價(jià)值的均值最大(0.818)，而且寬度漸變率等于1∶70與寬度漸變率等于1∶30有顯著差異(P=0.002<0.05)，與寬度漸變率等于1∶50無顯著差異(P=0.289>0.05)。

表6 寬度漸變率單因素統(tǒng)計(jì)量表

表7 寬度漸變率配對(duì)比較表

數(shù)據(jù)分析表明，高速公路路基寬度變化段的行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著寬度漸變率的增大而提高，當(dāng)寬度漸變率取1∶50左右，路段的行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到閾值，寬度漸變率取1∶50和取1∶70在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無顯著差異。寬度漸變率取1∶30，從統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上看，路段的行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)是大幅降低的。結(jié)合JTD—D20—2006公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范，建議高速公路路基寬度變化段的寬度漸變率宜設(shè)置取1∶50左右，而且不應(yīng)大于1∶50。

3.2.3 設(shè)置位置

從表8,表9可以看到，當(dāng)變化段設(shè)置在曲線中部時(shí)，評(píng)價(jià)值的均值最大(0.811)，但與變化段設(shè)置在曲線前部無顯著差異(P=0.868>0.05)，與變化段設(shè)置在曲線尾部無顯著差異(P=0.828>0.05)。

數(shù)據(jù)分析表明，曲線的設(shè)置位置在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上對(duì)于高速公路路基寬度變化段的行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)無顯著性差異，從道路設(shè)計(jì)和工程實(shí)施的難易度考慮，變化段宜設(shè)置在曲線路段的回旋線范圍內(nèi)。

表8 設(shè)置位置單因素統(tǒng)計(jì)量表

表9 設(shè)置位置配對(duì)比較表

4 結(jié)語

高速公路路基寬度變化路段屬于道路環(huán)境信息發(fā)生突變的特殊路段，從平面線形上給駕駛員的感知、決策和操作帶來不利的影響。因此，變化段道路線形的曲線半徑、變化段寬度漸變率及變化段長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)指標(biāo)需要精心的選取和優(yōu)化組合設(shè)計(jì)。

高速公路路基寬度變化段設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，曲線半徑對(duì)于路基寬度變化段行車安全性影響顯著，從行車安全考慮，應(yīng)取1 700 m左右的曲線半徑值；寬度漸變率對(duì)于路基寬度變化段行車安全性影響顯著，從行車安全以及經(jīng)濟(jì)性考慮，寬度漸變率應(yīng)設(shè)置1∶50左右；設(shè)置位置從方便施工的角度考慮應(yīng)設(shè)置在曲線段的回旋線范圍內(nèi)。此外，在有條件的情況下應(yīng)優(yōu)先優(yōu)化變化段標(biāo)志標(biāo)線的設(shè)計(jì)。

[1] 郭應(yīng)時(shí),付 銳,袁 偉,等.通道寬度對(duì)駕駛員動(dòng)態(tài)視覺和操作行為的影響[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19(5)：83-87.

[2] 張鐵軍，唐琤琤，吳玲濤，等.平原區(qū)公路橫斷面要素安全性研究[J].公路，2008(4):34-39.

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Research on geometric design parameters of highway subgrade width transition section

Wu Jiahua

(TongjiUniversityArchitecturalDesign(Group)Co.,Ltd,Shanghai200092,China)

A driving safety evaluation model is built considering driver’s vision, driving behavior and vehicle travelling states. Through driving simulation experiments, geometric design parameters of highway subgrade width transition section is optimized to reduce the driving risk.

subgrade width, transition section, driving simulation, geometric design

2015-05-23

吳佳華(1987- )，女，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)22-0150-03

U416.1

A