山區(qū)高速公路相鄰組合路段設(shè)計安全評估

王雪松， 劉 姣， 吳杏薇

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804； 2.華盛頓大學(xué) 土木工程系，西雅圖 98195)

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山區(qū)高速公路相鄰組合路段設(shè)計安全評估

王雪松1， 劉 姣1， 吳杏薇2

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804； 2.華盛頓大學(xué) 土木工程系，西雅圖 98195)

利用駕駛模擬技術(shù)，基于湖南省永吉高速公路道路設(shè)計參數(shù)及周邊地形環(huán)境參數(shù)，搭建了山區(qū)高速公路駕駛場景.以直線與平曲線及平曲線與平曲線兩類相鄰組合路段為研究對象，從實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、指標(biāo)選取、模型建立方面介紹了以駕駛模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的道路安全評價方法.實驗結(jié)果表明，直線與平曲線相鄰路段，直線長度、運行車速均與斷面車速差呈正相關(guān)；平曲線與平曲線相鄰路段，前一平曲線路段長度、前后平曲線半徑之比均與斷面車速差呈正相關(guān).根據(jù)斷面車速差分布特征，可將相鄰組合路段線形安全性劃分為“GOOD”，“FAIR”和“POOR”.

安全評估； 駕駛模擬器； 山區(qū)高速公路； 相鄰組合路段； 斷面車速差

駕駛員在駕駛車輛過程中，通過獲取的道路環(huán)境信息，采取相應(yīng)的駕駛行為控制車輛運行.道路設(shè)計線形作為駕駛員獲取的一條重要環(huán)境信息，直接影響著駕駛員的操縱行為，如方向盤轉(zhuǎn)動、加減速、車速選擇等.因此在道路設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮駕駛員駕駛行為特性、駕駛能力及所能承擔(dān)的駕駛負(fù)荷，減少駕駛員操作錯誤的可能性，這也是進(jìn)行公路安全評價的基本依據(jù).不協(xié)調(diào)的道路線形，如在相鄰組合路段上線形設(shè)計元素突變，不僅會誘導(dǎo)駕駛員產(chǎn)生無意識的危險駕駛行為，甚至?xí)铖{駛員感到措手不及而引發(fā)不當(dāng)?shù)鸟{駛操作[1].因此，通過駕駛員在組合路段上的駕駛行為和車輛運行特征反應(yīng)道路線形設(shè)計中的問題是可行的.

相鄰組合路段是指平面設(shè)計參數(shù)不同的路段相互銜接，例如直線與平曲線相連.駕駛員在山區(qū)高速公路駕駛時，在直線路段與平曲線路段過渡，或者不同平曲線之間過渡，容易引起較大的車速變化.相鄰路段車速差過大會增加駕駛員不適感，甚至形成安全隱患.我國現(xiàn)有的公路設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)主要針對單一道路特征斷面制定，對于設(shè)計要素在相鄰組合路段上的規(guī)定還停留在定性層面，缺乏組合線形路段設(shè)計參數(shù)的定量選取標(biāo)準(zhǔn).對地形復(fù)雜地區(qū)(如山嶺和丘陵地區(qū))公路，可能會出現(xiàn)單一設(shè)計要素分別滿足規(guī)范要求，但是相鄰路段組合則出現(xiàn)安全隱患的問題，如長直線接小半徑曲線.相鄰組合路段的車速一致性是衡量道路安全的重要指標(biāo)之一.前人的實驗研究一般采用斷面車速差對相鄰組合路段的車速一致性進(jìn)行評估，并發(fā)現(xiàn)相鄰組合路段設(shè)計參數(shù)與斷面車速差的部分關(guān)系，但是該領(lǐng)域的研究大部分基于國外駕駛員進(jìn)行，國內(nèi)幾乎還未開展相關(guān)研究，現(xiàn)階段研究成果未充分考慮我國具體駕駛環(huán)境、駕駛員駕駛習(xí)慣、地形特點等因素，且由于前人實驗設(shè)備的限制，批量采集駕駛員在不同組合路段上的車輛運行參數(shù)較困難，組合線形種類及數(shù)量受到限制，難以系統(tǒng)性地檢驗不同組合路段線形設(shè)計對于斷面車速差的影響.

運行車速是指在特定路段長度上車輛的實際行駛速度.現(xiàn)階段在使用運行車速進(jìn)行公路項目安全性評價時認(rèn)為, 道路線形變化與運行車速變化具有同步性, 即當(dāng)?shù)缆肪€形條件發(fā)生變化時, 車輛運行車速同時發(fā)生變化.運行車速的變化也是道路幾何設(shè)計不一致的顯著指標(biāo)[2].車速一致性是判斷道路線形是否安全的一個重要依據(jù).不適宜的車速選擇會導(dǎo)致潛在的安全問題.通常用自由交通流下測定的各類小汽車在車速累計分布曲線上第85個百分位的車輛行駛速度作為運行車速，即v85.對于平曲線設(shè)計要素，Bella[3]評估了不同平曲線設(shè)計要素及斷面配置對車速的影響，發(fā)現(xiàn)運行車速不僅受本設(shè)計路段的影響，還與相鄰路段有關(guān).特別地，Bella[4-5]對直線路段和平曲線路段過渡期間的斷面車速差進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，斷面車速差對道路設(shè)計一致性具有重要意義.斷面車速差反映了連續(xù)兩個斷面間的車速一致性，較大的斷面車速差更易成為安全隱患.

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]和《公路路線設(shè)計規(guī)范》[7]均提出了不同設(shè)計參數(shù)路段銜接應(yīng)協(xié)調(diào)，速度過渡應(yīng)順適的要求.在2004年頒布的《公路項目安全評價指南》[8]中還引入了高速公路運行車速應(yīng)用模型.但是現(xiàn)階段基于運行車速的安全評價應(yīng)用范圍十分有限，并且該指南只是簡單針對運行斷面車速差的結(jié)果進(jìn)行分級，并未給出組合線形設(shè)計參數(shù)與運行斷面車速差的定量關(guān)系，同時，其對運行車速的評價標(biāo)準(zhǔn)是參考美國聯(lián)邦公路署(Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA)的研究成果確定的，未能充分考慮我國具體駕駛環(huán)境、駕駛員駕駛習(xí)慣、地形特點等因素.

隨著高仿真駕駛模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究者開始利用駕駛模擬器分析和解決道路設(shè)計中存在的問題.一項美國公路研究項目提出，在道路設(shè)計過程中，應(yīng)積極利用高仿真駕駛模擬器來提高道路設(shè)計效率和安全性[9].Wang等[10]基于駕駛模擬器獲取的車輛運行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了山區(qū)高速公路組合路段對車輛橫向加速度的影響.在過去的幾年中，多位研究者的主要成果已經(jīng)證實，先進(jìn)的駕駛模擬器是研究道路設(shè)計問題的有效工具[11].

駕駛模擬器作為一種能夠模擬真實道路環(huán)境并采集道路設(shè)計數(shù)據(jù)及車輛運行數(shù)據(jù)的科學(xué)工具，為道路線形安全評價提供了數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ).本文基于湖南省永吉高速公路道路設(shè)計參數(shù)及周邊地形環(huán)境參數(shù)，在駕駛模擬器中構(gòu)建山區(qū)高速公路進(jìn)行實驗，以直線與平曲線相鄰及平曲線與平曲線相鄰這兩類組合路段為研究對象，分別建立多元線性回歸模型，以反映道路設(shè)計參數(shù)對斷面車速差的影響，并根據(jù)斷面車速差的分布特征，將相鄰組合路段線形安全性劃分為“GOOD”，“FAIR”和“POOR”.

1 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

1.1 道路建模

本實驗使用同濟(jì)大學(xué)的交通行為與交通安全虛擬現(xiàn)實平臺進(jìn)行駕駛模擬實驗，該實驗平臺是目前國內(nèi)最先進(jìn)的駕駛模擬器系統(tǒng)，系統(tǒng)整體見圖1.

圖1 同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬器

本實驗基于湖南省永吉高速公路設(shè)計參數(shù)及其周邊地形環(huán)境數(shù)據(jù)，在駕駛模擬器中精確模擬一條雙向四車道山區(qū)高速公路，包括平曲線線形、縱斷面、橫斷面和路側(cè)元素，如圖2所示.根據(jù)實驗駕駛員完成實驗后填寫的“駕駛模擬器場景反饋評價問卷”，簡要分析了駕駛模擬器視景的真實度情況.問卷評價內(nèi)容包括道路標(biāo)志標(biāo)線真實性、護(hù)欄樹木真實性、環(huán)境動感真實性等，評價結(jié)果為21名駕駛員中超過80%的人認(rèn)為本實驗的實驗場景是真實可靠的.

圖2 駕駛模擬器場景

本研究依據(jù)測試道路的平面線形特點，將路段劃分成直線單元和曲線單元(包含圓曲線和緩和曲線)兩種類型，雙側(cè)共105個路段單元，如表1所示.

選取該模擬高速公路上的69組平面線形組合路段為研究對象，其中直線+平曲線組合路段30組，平曲線+平曲線組合路段39組.

1.2 實驗人員

本實驗通過海報張貼、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等渠道招募和選擇測試駕駛員共22名，其中男性18名，女性4名，征募要求為總駕駛里程至少10 000 km，且每年年均駕駛里程不少于3 000 km.在招募過程中，為保證所收集數(shù)據(jù)的真實性和有效性，在模擬駕駛過程中若有駕駛員出現(xiàn)較為嚴(yán)重的不適，例如眩暈、惡心和頭痛等，則將其從樣本中排除.在招募測試駕駛員時，盡可能包含各類職業(yè)和年齡段的駕駛員，其中職業(yè)包含公交駕駛員、出租車駕駛員、代駕駕駛員、辦公文教人員、學(xué)生等，由于實驗過程中有一名男性駕駛員感到不適，因此總的分析樣本為21名駕駛員，其年齡跨度為23～59歲(平均年齡36.5歲，標(biāo)準(zhǔn)差10.4歲)，其中年齡小于35歲的8名，35～45歲之間的8名，大于45歲的5名.按駕齡將駕駛員分為新手駕駛員(駕齡<4年)、經(jīng)驗駕駛員(駕齡4～10年)、熟練駕駛員(駕齡>10年)，其占總分析樣本人數(shù)比例分別為23.81%，47.62%，28.57%.

表1 路段線形幾何特征

1.3 實驗流程

駕駛員在充分了解實驗內(nèi)容并熟悉駕駛環(huán)境后，在駕駛模擬器中分別進(jìn)行由西向東和由東向西兩部分駕駛實驗.實驗場景為白天，路面條件干燥良好，并且兩側(cè)路段都保持暢通狀態(tài)，使其駕駛過程中不受其他車輛干擾.圖3所示，分別為駕駛模擬實驗場景中道路和駕駛員視野情況.在進(jìn)行實驗過程中，車輛運行數(shù)據(jù)將被持續(xù)記錄.

a 研究的山路

b 駕駛員駕駛環(huán)境

2 分析方法

2.1 指標(biāo)選取

斷面車速差對評價相鄰組合路段線形安全具有重要意義[1].《公路項目安全性評價指南》[8]把相鄰單元運行車速的差值作為評價指標(biāo)，用以分析道路路線設(shè)計的安全性.Hirsh[12]認(rèn)為簡單將前后連續(xù)斷面在固定位置的運行車速差值作為斷面車速差會過低估計單個駕駛員所經(jīng)歷的車速下降值.因此，McFadden等[13]提出了一種新的斷面車速差參數(shù)的計算方法.他們將斷面車速差定義為最大車速變化值的第85分位值(vmsr85)，即首先計算單個駕駛員在直線路段最后200 m的最大車速 (vmax200)和曲線路段上最小車速(vminc)的差值，再取所有樣本駕駛員差值的第85分位值作為該連續(xù)路段的斷面車速差.計算公式如下：

(1)

傳統(tǒng)的運行車速采集方法選取路段上固定斷面點進(jìn)行觀測，而本研究在駕駛模擬器中完成，記錄的行車速度為實驗車輛沿著道路線形的連續(xù)的直線速度，采集頻率為20 Hz.在計算運行車速的過程中，首先提取路段上每間隔5 m的平均車速值，并在此基礎(chǔ)上計算每名駕駛員在相鄰組合路段上的最大車速差，以所有駕駛員最大車速差的第85分位作為相鄰組合路段的斷面車速差.

2.2 指標(biāo)評價

2.2.1 指標(biāo)評價依據(jù)

根據(jù)Cafiso等[14-15]的研究，當(dāng)安全替代指標(biāo)服從正態(tài)分布時，第50和第85分位值對于變量的分布范圍具有較為典型的代表性，可以作為劃分路段安全水平的閾值.

基于上述原理，圖4給出了斷面車速差(vmsr85)的累計百分率曲線.結(jié)果表明，斷面車速差能非常好地擬合正態(tài)分布，因此選取第50和第85分位值作為閾值來區(qū)分不同路段的車速一致性與安全性是合理的.

圖4 vmsr85的累計百分率曲線

2.2.2 指標(biāo)評價結(jié)果

通過對速度一致性評價指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)斷面車速差(vmsr85)，在1%的顯著程度上擬合正態(tài)分布(Shapiro -Wilk檢驗系數(shù)為0.929).能夠利用正態(tài)分布的分位值來鑒定相鄰組合路段車速一致性的優(yōu)劣.通過借鑒Cafiso等[14-15]提出的方法，將單項指標(biāo)分布的第50和第85分位值作為“GOOD”，“FAIR”和“POOR”的閾值.在速度一致性評價中，路段vmsr85≤15.38 km·h-1被判定為“GOOD”；15.38 km·h-1

3 線形安全分析模型

3.1 參數(shù)相關(guān)性分析

表2為各項道路設(shè)計參數(shù)間的皮爾森相關(guān)性系數(shù).從表2中可以發(fā)現(xiàn)曲率半徑、曲率變化率、偏轉(zhuǎn)角和超高4項參數(shù)均從不同角度反映了路段的曲線特征，具有高度相關(guān)性，因此在建模過程中應(yīng)盡可能避免這幾項參數(shù)的同時存在.

表2 道路設(shè)計參數(shù)相關(guān)性分析

注：黑體數(shù)字對應(yīng)95%程度上顯著相關(guān)的變量；括號中的數(shù)字表示顯著度.

3.2 斷面車速差模型

3.2.1 直線+平曲線組合路段

針對直線+平曲線組合路段，通過單因素分析發(fā)現(xiàn)直線段的路段長度與運行車速顯著影響組合路段的斷面車速差.直線段長度Lt和運行車速v85對vmsr85變化的解釋度分別為33%和31%.

模型的擬合優(yōu)度值為193.665，模型的最終解釋度(R2)為51%，即模型能夠解釋斷面車速差的51%.表3為模型的參數(shù)估計結(jié)果.根據(jù)模型結(jié)果，對于直線+平曲線組合路段，直線段長度每增加1 km，斷面車速差增加6.85 km·h-1；運行車速值每增加1 km·h-1，斷面車速差增加0.59 km·h-1.

表3 vmsr85模型的參數(shù)估計結(jié)果(直線+平曲線)

3.2.2 平曲線+平曲線組合路段

針對平曲線+平曲線組合路段，通過單因素分析發(fā)現(xiàn)前后兩曲線半徑之比(r1/r2)與前一曲線路段長度L顯著影響組合路段的斷面車速差.斷面車速差隨前后兩曲線半徑之比和前一曲線長度的增大而增大.前后兩曲線半徑之比和前一曲線長度對于斷面車速差的解釋度分別為16%和22%.

模型的擬合優(yōu)度值為252.536，模型的最終解釋度(R2)為38%.表4為模型的參數(shù)估計結(jié)果.根據(jù)模型結(jié)果，對于平曲線+平曲線組合路段，前一曲線路段長度每增加1 km，斷面車速差增大27.5 km·h-1；前后兩曲線半徑之比每增加1個單位，斷面車速差提高約8.40 km·h-1.

表4 vmsr85模型的參數(shù)估計結(jié)果(平曲線+平曲線)

3.3 車速一致性安全閾值

以所有路段的vmsr85值的第50和第85分位值(15.38和22.99 km·h-1)作為劃分“GOOD”，“FAIR”和“POOR”的閾值界限，分析了在不同道路設(shè)計參數(shù)值下的vmsr85值的變化情況.

3.3.1 直線+平曲線組合路段

針對直線+平曲線組合路段，vmsr85的計算模型如下：

vmsr85=-51.15+6.85Lt+0.59v85

(2)

分別以直線段長度(Lt)和運行車速(v85)為控制變量，繪制在不同取值范圍下的vmsr85值分布區(qū)間，如圖5所示.為了保證路段的車速一致性在“GOOD”區(qū)間內(nèi)，運行車速必須控制在112.00 km·h-1以下，直線段長度越長，對運行車速的要求越嚴(yán)格.例如，當(dāng)直線段長度取2.00 km，運行車速必須在88.00 km·h-1以下才能保證車速一致性達(dá)到“GOOD”.若運行車速超過120.00 km·h-1，直線段長度必須小于500 m，才能保證車速一致性達(dá)到“FAIR”.

圖5 vmsr85預(yù)測值分布及安全評價區(qū)間(直線+平曲線)

Fig.5 Predictive value distribution ofvmsr85and domain analysis of safety thresholds (tangent + horizontal curve section)

3.3.2 平曲線+平曲線組合路段

類似地，對于平曲線+平曲線組合路段，vmsr85的計算模型如下：

(3)

vmsr85主要受前一曲線長度(L)和前后兩曲線半徑之比(r1/r2)的影響.圖6為控制這兩個因素時，vmsr85預(yù)測值的分布區(qū)間.當(dāng)曲線半徑之比為0.5，即前一曲線半徑是后一曲線半徑的一半的情況下，前一曲線長度必須滿足480 m以下才能保證車速一致性達(dá)到“GOOD”，而必須滿足750 m以下才能保證達(dá)到“FAIR”.相反，若車輛從曲線半徑較大的曲線到達(dá)半徑較小的曲線，如取半徑之比為2時，則幾乎不可能保證車速一致性達(dá)到“GOOD”，且必須使前一曲線長度小于300 m，才能使得車速一致性達(dá)到“FAIR”.因此，在道路設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能避免大彎接小彎的情況發(fā)生.

圖6 vmsr85預(yù)測值分布及安全評價區(qū)間(平曲線+平曲線)

Fig.6 Predictive value distribution ofvmsr85and domain analysis of safety thresholds (horizontal curve + horizontal curve section)

4 結(jié)論

本文在高仿真駕駛模擬器中，基于湖南省永吉高速公路道路設(shè)計參數(shù)及周邊地形環(huán)境參數(shù)，構(gòu)建山區(qū)高速公路的三維虛擬模型，以山區(qū)高速公路中的相鄰組合路段為研究對象，從實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、指標(biāo)選取、模型建立方面介紹了以駕駛模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的道路安全評價方法.評估對象是山區(qū)高速公路，因此其指標(biāo)選取具有一定的特殊性，但是使用的安全評價方法具有普遍性，對于其他類型線形的安全評價具有借鑒意義.

本文建立了以斷面車速差為評價指標(biāo)的相鄰組合路段線形安全分析模型.模型結(jié)果表明，在直線+平曲線組合路段中，直線長度和運行車速的增加均會導(dǎo)致斷面車速差的增大，在平曲線+平曲線組合路段中，前一曲線路段長度及前后兩曲線半徑之比的增大，也會導(dǎo)致斷面車速差的增大.同時，依據(jù)斷面車速差的第50和第85分位值劃分了組合路段線形安全閾值界限，為設(shè)計人員判斷相鄰組合路段的設(shè)計安全性提供了依據(jù).

本文基于駕駛模擬技術(shù)，提出了相鄰組合路段安全評估的科學(xué)可行的方案，不僅在理論層面為組合路段線形設(shè)計安全性評估提供了參考，也為實際的工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)，使工程設(shè)計人員能夠通過本文模型對設(shè)計階段的相鄰組合道路線形進(jìn)行安全檢驗，綜合考慮設(shè)計安全性和工程需求，選擇最為合適的道路設(shè)計參數(shù).

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Safety Evaluation of Adjacent Combined Alignments of Mountain Freeway

WANG Xuesong1, LIU Jiao1, WU Xingwei2

(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Civil and Environmental Engineering Department, University of Washington, Seattle 98195, USA)

In this paper, the driving simulator was used to realize the roadway scenario for Yongji freeway in Hunan Province, China. The driving scene was reproduced in virtual reality by the exact road design parameters and roadside elements from the design blueprint. The research objects are tangent + horizontal curve combined alignment and continuous horizontal curves combined alignment. The safety evaluation method was introduced based on the driving simulation data in terms of experimental design, data processing, indicator selection and model building. The results indicate that speed differential is positive correlated to the length of tangent segment and operating speed in the model of tangent + horizontal curve combined alignment, and it is also positive correlated to the length of the first horizontal curve and the ratio of curvature radius in the model of continuous horizontal curves combined alignment. The 50th/85th percentile values of the speed differentials are found as the safety thresholds of “GOOD”, “FAIR” and “POOR” according to their distribution.

safety evaluation; driving simulator; mountain freeway; adjacent combined alignments; speed differential

2015-11-04

國家自然科學(xué)基金(51522810)

王雪松(1977—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為交通安全，交通統(tǒng)計分析，交通規(guī)劃，駕駛模擬器應(yīng)用.

E-mail:wangxs@#edu.cn

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