高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評(píng)估模型

黃煜鑌，蘭興陽(yáng)，魏治國(guó)，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(cè)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(guó)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(yíng)階段重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。據(jù)美國(guó)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(píng)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(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并規(guī)定等級(jí)越高其危險(xiǎn)程度越高，而我國(guó)在此基礎(chǔ)上將路側(cè)危險(xiǎn)劃分為4個(gè)等級(jí)[2]；P.TANEERANANON等[3]通過(guò)研究道路交通事故數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，尤其以存在樹(shù)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(lèi)模型并結(jié)合道路線(xiàn)形、交通量、歷史事故以及路側(cè)特征等安全指標(biāo)評(píng)價(jià)路側(cè)事故危險(xiǎn)程度；游克思等[5]以專(zhuān)家打分法為基礎(chǔ)，對(duì)影響路側(cè)安全性的主要因素：車(chē)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(guān)的打分分級(jí)，并以量化確定的結(jié)果評(píng)價(jià)路側(cè)安全水平。在綜合道路線(xiàn)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(chē)輛的運(yùn)行速度及運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性對(duì)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(lèi)指標(biāo)，并利用對(duì)不同指標(biāo)因素的分等級(jí)客觀(guān)評(píng)估，建立高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評(píng)估模型。

1 建立危險(xiǎn)度評(píng)估模型

路側(cè)事故主要是指失事車(chē)輛駛離既行車(chē)道進(jìn)入路肩或路肩以外區(qū)域，與護(hù)欄、行道樹(shù)、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(chē)、墜入懸崖等事故[6]。路側(cè)危險(xiǎn)度指的是失事車(chē)輛發(fā)生路側(cè)事故時(shí)對(duì)車(chē)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(xiàn)形、交通條件、路側(cè)特征等既存在的客觀(guān)因素影響，導(dǎo)致車(chē)輛存在失事后駛離既行車(chē)道進(jìn)入路肩或路肩以外區(qū)域的潛在風(fēng)險(xiǎn)；②車(chē)輛暴露在路側(cè)事故中的風(fēng)險(xiǎn)，即因路段客觀(guān)因素存在的差異，導(dǎo)致車(chē)輛在路線(xiàn)上的運(yùn)行速度不同，當(dāng)相鄰路段的運(yùn)行速度差值過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致交通流運(yùn)行穩(wěn)定性較差，造成車(chē)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(chē)輛發(fā)生路側(cè)事故時(shí)，由于路側(cè)環(huán)境差異造成車(chē)輛發(fā)生碰撞、翻車(chē)等事故的嚴(yán)重度不同；④車(chē)輛運(yùn)行速度的影響，即車(chē)輛以不同的行車(chē)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(chē)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(píng)估其路側(cè)危險(xiǎn)度，即：

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

(1)

式中：X1為車(chē)輛在道路上行駛時(shí)路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)值；X2為車(chē)輛在行駛過(guò)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(guān)因素和客觀(guān)因素是影響道路交通事故的主要因素，從車(chē)輛駛離既行車(chē)道的客觀(guān)原因分析，道路線(xiàn)形、交通條件和路側(cè)特征三大類(lèi)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(xiàn)形對(duì)路側(cè)事故的影響表現(xiàn)為縱面線(xiàn)形和平面線(xiàn)形，縱坡是影響縱面線(xiàn)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(zhǎng)對(duì)車(chē)輛行駛狀態(tài)的影響不同，在長(zhǎng)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(zhǎng)因素的平均坡度有很深的聯(lián)系；當(dāng)?shù)缆菲矫媲€(xiàn)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(duì)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(chē)比例對(duì)路側(cè)事故潛在風(fēng)險(xiǎn)的影響將隨貨車(chē)比例的增加而增大。此外，路側(cè)寬度對(duì)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(chē)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(xiàn)變量、平均縱坡、ADT、貨車(chē)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(jí)，其等級(jí)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(jí)及風(fēng)險(xiǎn)分值根據(jù)表1確定，采用層次分析法(AHP)對(duì)其權(quán)重加以確定，如表2。

由于各因素指標(biāo)對(duì)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(jí)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(chē)輛行駛過(guò)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(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)車(chē)輛在相鄰路段運(yùn)行速度相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致路線(xiàn)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(píng)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(píng)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(duì)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(jí)，不同等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)分值如表3。

因評(píng)價(jià)路段的前后相鄰路段的運(yùn)行速度差值對(duì)路線(xiàn)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(píng)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(lèi)：一是車(chē)輛碰撞如護(hù)欄及端頭、樹(shù)木、標(biāo)志立柱等路側(cè)危險(xiǎn)障礙物；二是車(chē)輛失事后駛離車(chē)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(píng)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(chē)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(guò)程中車(chē)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(guò)對(duì)車(chē)輛碰撞仿真試驗(yàn)的研究，將不同車(chē)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(duì)組合的模型進(jìn)行模擬碰撞分析得到相應(yīng)的車(chē)輛重心3個(gè)方向加速度曲線(xiàn)，并以此通過(guò)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(píng)估的唯一指標(biāo)。在選擇高速公路行駛過(guò)程中駕駛員系安全帶情形下，得到車(chē)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(píng)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(jí)，不同等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)分值如表6。

表4 車(chē)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(chē)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(jí)與分值Table 6 The grades and scores of ASI values

在混合交通流下，將一種車(chē)輛的加速度嚴(yán)重指數(shù)作為該事故類(lèi)型的嚴(yán)重度風(fēng)險(xiǎn)，勢(shì)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(chē)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(lèi)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(chē)的比重；i分別為車(chē)輛碰撞障礙物加速度嚴(yán)重指數(shù)或車(chē)輛墜入邊坡加速度嚴(yán)重指數(shù)；ASIs、ASIm、ASIb分別為3類(lèi)車(chē)型的加速度嚴(yán)重指數(shù)。

基于綜合高速公路車(chē)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(lèi)型的權(quán)重。根據(jù)對(duì)路側(cè)事故嚴(yán)重度研究，采用專(zhuān)家評(píng)分對(duì)兩類(lèi)不同事故的嚴(yán)重度指標(biāo)評(píng)判的平均分值結(jié)果：與碰撞障礙物相比，車(chē)輛墜入邊坡對(duì)傷亡的影響更大，故挖方路段因車(chē)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(chē)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(duì)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(duì)事故嚴(yán)重度影響不同?；诮Y(jié)合路側(cè)凈區(qū)寬度對(duì)車(chē)輛運(yùn)行速度影響的基礎(chǔ)上在路側(cè)危險(xiǎn)度評(píng)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(hào)；V85為車(chē)輛運(yùn)行速度(已運(yùn)營(yíng)道路采用實(shí)測(cè)值，設(shè)計(jì)階段道路采用預(yù)測(cè)值)；Vb為道路的設(shè)計(jì)速度值；K′為路側(cè)凈區(qū)寬度對(duì)運(yùn)行速度的影響系數(shù)，參照《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》，取值如表7。

表7 路側(cè)凈區(qū)寬度對(duì)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(jí)

綜合上述對(duì)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(guò)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(jí)，其中級(jí)別高低表示危險(xiǎn)度高低。

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

3 實(shí)例分析

以G25長(zhǎng)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(zhǎng)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(chē)比為42.1%，小型車(chē)、中型車(chē)、大型車(chē)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(píng)價(jià)單元長(zhǎng)500 m。該路段平曲線(xiàn)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(cè)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(chē)輛易因連續(xù)長(zhǎng)下坡而導(dǎo)致車(chē)速增大，且車(chē)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(píng)價(jià)單元長(zhǎng)500 m。該路段為挖方路段，平曲線(xiàn)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(shù)木與輪廓標(biāo)，運(yùn)行速度實(shí)測(cè)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(chē)流量較大，路側(cè)有一定的緩沖凈區(qū)，但下坡可致車(chē)速增大，且路側(cè)有樹(shù)木和輪廓標(biāo)威脅行車(chē)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(zhǎng)直線(xiàn)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(píng)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(jí)為Ⅳ級(jí)，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(jí)為Ⅱ級(jí)，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(chē)速。該評(píng)估模型對(duì)實(shí)例路段計(jì)算結(jié)果與運(yùn)營(yíng)階段梅河段高速《現(xiàn)狀分析及安全性評(píng)估報(bào)告》結(jié)果一致，說(shuō)明該高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評(píng)估模型有效合理。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析車(chē)輛運(yùn)行速度和運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性對(duì)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(lèi)指標(biāo)，并根據(jù)對(duì)各指標(biāo)更客觀(guān)的分級(jí)評(píng)估提出一種適用于高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度評(píng)估的模型。該模型的評(píng)估結(jié)果通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證和運(yùn)營(yíng)階段的實(shí)際結(jié)果一致，表明能夠準(zhǔn)確評(píng)估高速公路路側(cè)危險(xiǎn)度。該模型也存在一定問(wèn)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(duì)不同車(chē)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(chē)道數(shù)量等條件對(duì)路側(cè)危險(xiǎn)度的影響。