高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評估模型

黃煜鑌，蘭興陽，魏治國，石紅星

(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400045； 2. 云南云嶺公路工程注冊安全工程師事務(wù)所有限公司，云南 昆明650299；3. 北京智華通科技有限公司，北京100124)

0 引 言

隨著我國高速公路建設(shè)技術(shù)的成熟與相關(guān)規(guī)范的完善，交通安全已成為設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營階段重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。據(jù)美國相關(guān)交通事故統(tǒng)計(jì)表明在所有道路交通事故中路側(cè)事故約占15%，而其死亡率卻非常高，可達(dá)42.9%，因此正確評估高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度并以此完善交通安全設(shè)施變得極其重要，C. V. ZEGEER等[1]最早根據(jù)路側(cè)事故的發(fā)生率、邊坡坡度情況以及安全凈區(qū)寬度間的關(guān)系提出將路側(cè)危險(xiǎn)劃分為7個(gè)等級進(jìn)行評價(jià)，并規(guī)定等級越高其危險(xiǎn)程度越高，而我國在此基礎(chǔ)上將路側(cè)危險(xiǎn)劃分為4個(gè)等級[2]；P.TANEERANANON等[3]通過研究道路交通事故數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，尤其以存在樹木、交通工程設(shè)施、護(hù)欄等路側(cè)障礙物的路側(cè)是導(dǎo)致嚴(yán)重甚至致命事故的主要原因；高海龍等[4]則利用灰色聚類模型并結(jié)合道路線形、交通量、歷史事故以及路側(cè)特征等安全指標(biāo)評價(jià)路側(cè)事故危險(xiǎn)程度；游克思等[5]以專家打分法為基礎(chǔ)，對影響路側(cè)安全性的主要因素：車輛駛出路外可能性、暴露路側(cè)危險(xiǎn)環(huán)境的頻率和發(fā)生路側(cè)事故的危險(xiǎn)程度按不同危險(xiǎn)程度進(jìn)行主觀的打分分級，并以量化確定的結(jié)果評價(jià)路側(cè)安全水平。在綜合道路線形、交通條件、路側(cè)特征等影響高速公路路側(cè)安全因素的基礎(chǔ)上，研究高速公路車輛的運(yùn)行速度及運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性對路側(cè)危險(xiǎn)度的影響，重新定義影響路側(cè)安全性的各類指標(biāo)，并利用對不同指標(biāo)因素的分等級客觀評估，建立高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評估模型。

1 建立危險(xiǎn)度評估模型

路側(cè)事故主要是指失事車輛駛離既行車道進(jìn)入路肩或路肩以外區(qū)域，與護(hù)欄、行道樹、交通設(shè)施桿柱等路側(cè)危險(xiǎn)障礙物發(fā)生碰撞事故，或因失事造成的翻車、墜入懸崖等事故[6]。路側(cè)危險(xiǎn)度指的是失事車輛發(fā)生路側(cè)事故時(shí)對車內(nèi)乘員造成的傷害程度，及事故造成的人員生命和財(cái)產(chǎn)損失程度[7]。

將高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度的影響因素按路側(cè)事故的成因以及形態(tài)表述為：①道路潛在的路側(cè)事故風(fēng)險(xiǎn)，即由于道路線形、交通條件、路側(cè)特征等既存在的客觀因素影響，導(dǎo)致車輛存在失事后駛離既行車道進(jìn)入路肩或路肩以外區(qū)域的潛在風(fēng)險(xiǎn)；②車輛暴露在路側(cè)事故中的風(fēng)險(xiǎn)，即因路段客觀因素存在的差異，導(dǎo)致車輛在路線上的運(yùn)行速度不同，當(dāng)相鄰路段的運(yùn)行速度差值過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致交通流運(yùn)行穩(wěn)定性較差，造成車輛暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)增大；③發(fā)生路側(cè)事故的嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)，即當(dāng)車輛發(fā)生路側(cè)事故時(shí)，由于路側(cè)環(huán)境差異造成車輛發(fā)生碰撞、翻車等事故的嚴(yán)重度不同；④車輛運(yùn)行速度的影響，即車輛以不同的行車速度進(jìn)入路肩或路肩以外的區(qū)域時(shí)，路側(cè)事故嚴(yán)重度受車輛運(yùn)行速度變化的影響。

綜合高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度影響因素，建立高速公路路側(cè)風(fēng)險(xiǎn)度值R的函數(shù)以評估其路側(cè)危險(xiǎn)度，即：

R=f(X1,X2,X3,K)

(1)

式中：X1為車輛在道路上行駛時(shí)路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)值；X2為車輛在行駛過程中路側(cè)事故暴露風(fēng)險(xiǎn)值；X3為已發(fā)生事故時(shí)的事故嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)值；K為基于運(yùn)行速度的事故嚴(yán)重度加權(quán)系數(shù)。

1.1 路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)已有的研究成果，主觀因素和客觀因素是影響道路交通事故的主要因素，從車輛駛離既行車道的客觀原因分析，道路線形、交通條件和路側(cè)特征三大類是組成影響路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)的主要指標(biāo)。

其中道路線形對路側(cè)事故的影響表現(xiàn)為縱面線形和平面線形，縱坡是影響縱面線形危險(xiǎn)程度的主要因素，袁偉等[7]研究發(fā)現(xiàn)相同的縱坡下不同坡長對車輛行駛狀態(tài)的影響不同，在長下坡路段中，交通事故集中分布在其下半段，因此路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)與考慮坡長因素的平均坡度有很深的聯(lián)系；當(dāng)?shù)缆菲矫媲€的偏角越大時(shí)，事故潛在的風(fēng)險(xiǎn)也越大[8]。同時(shí)，路段交通流量對事故潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響將隨交通流量的增加而增大，并且在混合交通流下貨車比例對路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響將隨貨車比例的增加而增大。此外，路側(cè)寬度對路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響也不容忽視，足夠的路側(cè)凈區(qū)可給駕駛者提供足夠反應(yīng)的時(shí)間，并給失事車輛提供一個(gè)可返回道路的空間。

綜上所述，將影響路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)主要因素指標(biāo)概括為平曲線變量、平均縱坡、ADT、貨車比和路側(cè)凈區(qū)狀況。參照《路側(cè)安全設(shè)計(jì)指南》將路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)分為4個(gè)等級，其等級高低與路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)高低一致[4]。各因素指標(biāo)的分級及風(fēng)險(xiǎn)分值根據(jù)表1確定，采用層次分析法(AHP)對其權(quán)重加以確定，如表2。

由于各因素指標(biāo)對路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)都有影響，但影響效果各不相同，因此其值采用各因素指標(biāo)的不同等級分值的加權(quán)和確定，即：

(2)

式中：X1為路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)值；βi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；Pi為第i個(gè)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)分值。

1.2 路側(cè)事故暴露風(fēng)險(xiǎn)

車輛行駛過程中影響交通事故的因素不僅與該路段有關(guān)，還與相鄰路段有關(guān)。通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛在相鄰路段運(yùn)行速度相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致路線上的交通流運(yùn)行穩(wěn)定性較差，增加路側(cè)事故率，因此運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性是影響路側(cè)事故暴露風(fēng)險(xiǎn)的主要因素。根據(jù)公路安全性評價(jià)的相關(guān)規(guī)范規(guī)定，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性由相鄰路段運(yùn)行速度差值|Δυ85|作為評價(jià)指標(biāo)：當(dāng)運(yùn)行速度差值小于10 km/h，表示運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性好；當(dāng)運(yùn)行速度差值為10～20 km/h，表示運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性較好，但在條件允許時(shí)宜對相鄰路段技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使運(yùn)行速度的差值不超10 km/h；當(dāng)運(yùn)行速度差值大于20 km/h，表示運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不良，相鄰路段平、縱面技術(shù)指標(biāo)需要重新進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)[9]。

基于相鄰路段運(yùn)行速度差值的不同并結(jié)合工程實(shí)例和采用插值法將事故暴露風(fēng)險(xiǎn)分為4個(gè)等級，不同等級及風(fēng)險(xiǎn)分值如表3。

因評價(jià)路段的前后相鄰路段的運(yùn)行速度差值對路線交通流穩(wěn)定性的重要程度一致，故路側(cè)事故暴露風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算公式為

(3)

式中：C1和C2分別為評價(jià)路段前后相鄰路段的事故暴露風(fēng)險(xiǎn)值。

1.3 路側(cè)事故嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)

路側(cè)事故嚴(yán)重度受路側(cè)環(huán)境的影響很大，可根據(jù)路側(cè)環(huán)境的不同分為兩類：一是車輛碰撞如護(hù)欄及端頭、樹木、標(biāo)志立柱等路側(cè)危險(xiǎn)障礙物；二是車輛失事后駛離車道沖入如高陡邊坡、深谷、河流等路側(cè)危險(xiǎn)地帶發(fā)生事故。

利用歐盟標(biāo)準(zhǔn)中用于評價(jià)乘員傷害嚴(yán)重的加速度嚴(yán)重指數(shù)(ASI)指標(biāo)作為判斷路側(cè)事故嚴(yán)重度的指標(biāo)，其值大小表示乘員受傷害程度，根據(jù)仿真試驗(yàn)所得車輛碰撞后的加速度值，其計(jì)算公式為

(4)

(5)

式中：ax，ay，az分別為碰撞試驗(yàn)過程中車輛重心3個(gè)方向的加速度；δ為時(shí)間間隔，取值δ=50ms。

龍科軍等[10]通過對車輛碰撞仿真試驗(yàn)的研究，將不同車型、路側(cè)障礙物或護(hù)欄以及路堤邊坡組合，利用有限元碰撞模擬軟件對組合的模型進(jìn)行模擬碰撞分析得到相應(yīng)的車輛重心3個(gè)方向加速度曲線，并以此通過計(jì)算公式(4)、公式(5)計(jì)算得加速度嚴(yán)重指數(shù)ASI，將其作為路側(cè)危險(xiǎn)度評估的唯一指標(biāo)。在選擇高速公路行駛過程中駕駛員系安全帶情形下，得到車輛碰撞路側(cè)不同障礙物及墜入邊坡的ASI值如表4、表5。而筆者在該研究基礎(chǔ)上僅將加速度嚴(yán)重指數(shù)作為評估路側(cè)事故嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，基于Fisher最優(yōu)分割法將ASI閾值分為4個(gè)等級，不同等級及風(fēng)險(xiǎn)分值如表6。

表4 車輛碰撞障礙物加速度嚴(yán)重指數(shù)ASI值Table 4 ASI values of vehicles crashing with obstacles

表5 車輛墜入邊坡加速度嚴(yán)重指數(shù)ASI值Table 5 ASI values of vehicles crashing into embankment slope

表6 加速度嚴(yán)重指數(shù)ASI等級與分值Table 6 The grades and scores of ASI values

在混合交通流下，將一種車輛的加速度嚴(yán)重指數(shù)作為該事故類型的嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)，勢必造成事故嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)的高估或低估，因此將各種車輛在同一危險(xiǎn)情況下的加速度嚴(yán)重指數(shù)的加權(quán)和作為該事故類型嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)的依據(jù)，其計(jì)算公式為

ASIi=asASIis+amASIim+abASIib

(6)

式中：as、am、ab分別為小、中、大型車的比重；i分別為車輛碰撞障礙物加速度嚴(yán)重指數(shù)或車輛墜入邊坡加速度嚴(yán)重指數(shù)；ASIs、ASIm、ASIb分別為3類車型的加速度嚴(yán)重指數(shù)。

基于綜合高速公路車輛碰撞障礙物和墜入邊坡的事故嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)，高速公路路側(cè)事故嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算為

X3=γiDi

(7)

式中：Di為不同事故嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)值；γi為不同事故類型的權(quán)重。根據(jù)對路側(cè)事故嚴(yán)重度研究，采用專家評分對兩類不同事故的嚴(yán)重度指標(biāo)評判的平均分值結(jié)果：與碰撞障礙物相比，車輛墜入邊坡對傷亡的影響更大，故挖方路段因車輛在不能墜入邊坡，取γ1=1.0，γ2=0；填方路段取γ1=0.2，γ2=0.8。

1.4 基于運(yùn)行速度的事故嚴(yán)重度加權(quán)系數(shù)

不僅路側(cè)環(huán)境會(huì)影響事故嚴(yán)重度，而且運(yùn)行速度也很關(guān)鍵。車輛失事后發(fā)生碰撞、側(cè)翻等產(chǎn)生的能量與運(yùn)行速度值為正相關(guān)，當(dāng)運(yùn)行速度增大，事故嚴(yán)重度也增加[11]；此外不同路段的運(yùn)行速度相對于道路設(shè)計(jì)速度比例不同，將造成相同的運(yùn)行速度在設(shè)計(jì)速度不同的路段對事故嚴(yán)重度影響不同?；诮Y(jié)合路側(cè)凈區(qū)寬度對車輛運(yùn)行速度影響的基礎(chǔ)上在路側(cè)危險(xiǎn)度評估模型中引入基于運(yùn)行速度的事故嚴(yán)重度加權(quán)系數(shù)，計(jì)算公式為

(8)

式中：K為事故嚴(yán)重程度加權(quán)系數(shù)，當(dāng)K≤1.0時(shí)取1.0；Sn-1和Sn分別為路段起始點(diǎn)樁號；V85為車輛運(yùn)行速度(已運(yùn)營道路采用實(shí)測值，設(shè)計(jì)階段道路采用預(yù)測值)；Vb為道路的設(shè)計(jì)速度值；K′為路側(cè)凈區(qū)寬度對運(yùn)行速度的影響系數(shù)，參照《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范》，取值如表7。

表7 路側(cè)凈區(qū)寬度對運(yùn)行速度的影響系數(shù)Table 7 The influence coefficient of roadside clearance zonewidth on running speed

2 路側(cè)危險(xiǎn)度分級

綜合上述對高速公路路側(cè)事故風(fēng)險(xiǎn)因素為自變量的量化分析，提出通過自變量值計(jì)算因變量高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度值的計(jì)算方法，計(jì)算公式為

(9)

式中：各參數(shù)同上取值。

根據(jù)模型中路側(cè)危險(xiǎn)度值R的變化范圍，基于已有研究成果和梅河高速實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)，按表8將高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度分為4級，其中級別高低表示危險(xiǎn)度高低。

表8 路側(cè)危險(xiǎn)度分級方法Table 8 Classification method of the roadside risk

3 實(shí)例分析

以G25長深高速公路粵境梅河段為例，梅州方向K3 324+464到K3 320+244為連續(xù)下坡，坡長達(dá)到4 220 m。據(jù)統(tǒng)計(jì)該路段平均日交通量在10 000輛以上，貨車比為42.1%，小型車、中型車、大型車比為0.78∶0.11∶0.11。

路段1：如圖1位于雞雄山隧道與雞雄山大橋間某連續(xù)下坡彎道處，評價(jià)單元長500 m。該路段平曲線變量為15.62°，平均縱坡為3.3%，往梅州方向右側(cè)的凈區(qū)寬度為3 m，邊坡高度為9 m，坡度約為1∶1.5，運(yùn)行速度實(shí)測值為101 km/h，相鄰路段的運(yùn)行速度差值分別為6、7 km/h。在該路段車輛易因連續(xù)長下坡而導(dǎo)致車速增大，且車流量較大、路側(cè)有深懸崖，故路側(cè)環(huán)境十分危險(xiǎn)。

路段2：如圖2位于梅州方向某下坡路段，坡底處經(jīng)彎道與葵崗隧道相接，評價(jià)單元長500 m。該路段為挖方路段，平曲線變量為18.15°，平均縱坡為4.98%，往梅州方向右側(cè)的凈區(qū)寬度為4.65 m，設(shè)有局部護(hù)欄，路側(cè)有樹木與輪廓標(biāo)，運(yùn)行速度實(shí)測值為103 km/h，相鄰路段的運(yùn)行速度差值均為10 km/h。該路段車流量較大，路側(cè)有一定的緩沖凈區(qū)，但下坡可致車速增大，且路側(cè)有樹木和輪廓標(biāo)威脅行車安全。

圖1 G25高速公路某連續(xù)下坡彎道處Fig. 1 A continuous downhill curve of G25 expressway

圖2 G25高速公路某長直線連續(xù)下坡的彎道處Fig. 2 Bend of a long line continuous downhill on G25 expressway

實(shí)例評價(jià)結(jié)果如表9：路段1路側(cè)危險(xiǎn)度值為31.4，由表8可知路段危險(xiǎn)等級為Ⅳ級，在該路段路側(cè)設(shè)有三波梁護(hù)欄；路段2路側(cè)危險(xiǎn)度值為18.2，由表8可知路段危險(xiǎn)等級為Ⅱ級，在該路段設(shè)置縱向減速帶、輪廓標(biāo)和爆閃燈提醒駕駛員注意保持車速。該評估模型對實(shí)例路段計(jì)算結(jié)果與運(yùn)營階段梅河段高速《現(xiàn)狀分析及安全性評估報(bào)告》結(jié)果一致，說明該高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評估模型有效合理。

表9 實(shí)例評價(jià)結(jié)果Table 9 Evaluation results of examples

4 結(jié) 語

通過分析車輛運(yùn)行速度和運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性對高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度的影響，重新定義了影響高速公路路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)、暴露風(fēng)險(xiǎn)以及嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)的各類指標(biāo)，并根據(jù)對各指標(biāo)更客觀的分級評估提出一種適用于高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評估的模型。該模型的評估結(jié)果通過實(shí)例分析驗(yàn)證和運(yùn)營階段的實(shí)際結(jié)果一致，表明能夠準(zhǔn)確評估高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度。該模型也存在一定問題：路側(cè)事故暴露風(fēng)險(xiǎn)和事故嚴(yán)重度加權(quán)系數(shù)中所用為道路整體運(yùn)行速度及其計(jì)算而得的運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性，有必要針對不同車道的運(yùn)行速度影響進(jìn)行研究；可進(jìn)一步研究不同的路面結(jié)構(gòu)和車道數(shù)量等條件對路側(cè)危險(xiǎn)度的影響。