山區(qū)二級(jí)公路彎坡組合路段安全性評(píng)價(jià)①

□□ 袁志兵

(義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 322000)

引言

設(shè)計(jì)速度目前仍是我國(guó)道路線形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)道路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)平、縱、橫線形都符合線形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但存在線形一致性較差的問(wèn)題，易造成事故頻發(fā)，形成事故黑點(diǎn)。運(yùn)行速度作為人、車、路及環(huán)境耦合作用下的結(jié)果，對(duì)道路線形設(shè)計(jì)的連續(xù)性能有效地衡量，為道路線形設(shè)計(jì)以及行車安全分析提供參考。

由于山區(qū)二級(jí)公路在道路線形、地質(zhì)條件、氣候環(huán)境、建設(shè)資金等多方面的限制，造成山區(qū)公路在進(jìn)行道路線形設(shè)計(jì)時(shí)，采用較低的技術(shù)指標(biāo)。山區(qū)二級(jí)公路以急彎陡坡路段為典型，該路段線形一致性較差，行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高。因此，對(duì)山區(qū)二級(jí)公路交通安全進(jìn)行系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)尤為重要。

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外對(duì)山區(qū)公路安全性評(píng)價(jià)的研究發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)方法主要分為兩大類：一是通過(guò)分析道路線形和道路事故率之間的作用機(jī)理，構(gòu)建事故預(yù)測(cè)模型[1-3]，但事故數(shù)據(jù)的采集難度較大易導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不佳；二是借助運(yùn)行速度作為媒介工具，通過(guò)道路線形一致性評(píng)價(jià)對(duì)行車安全進(jìn)行分析，并提出相鄰兩個(gè)路段間的運(yùn)行速度差值作為安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。

1 工程概況

G108陜西省勉縣至寧強(qiáng)段(67.3 km)和G244陜甘界至鳳翔段(61.5 km)進(jìn)行山區(qū)二級(jí)公路彎坡組合路段運(yùn)行車速測(cè)試與數(shù)據(jù)采集。其中，K24+820～K39+261段設(shè)計(jì)速度為60 km/h，路肩寬度為1.50 m；其余路段設(shè)計(jì)速度為40 km/h，路肩寬度為0.75 m，測(cè)試路段均為雙向兩車道，年平均日交通量約為4 800 pcu/d，路面狀況干燥且完整度較好，主要的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)路段主要技術(shù)指標(biāo)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

2.1 協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

2.1.1 慣性運(yùn)行速度

Llopis-Castelló D提出慣性運(yùn)行速度概念[7]：該速度是代表駕駛員的期望，該過(guò)程依賴于駕駛員的記憶性。慣性運(yùn)行速度被定義為對(duì)運(yùn)行速度的加權(quán)。通過(guò)該斷面與預(yù)測(cè)點(diǎn)位置間的距離計(jì)算權(quán)重值，從而獲取該斷面的慣性運(yùn)行速度，并提出四個(gè)典型權(quán)重變化函數(shù)如圖1所示，公式如下：

圖1 權(quán)重函數(shù)分布形式

ω常=1

(1)

(2)

(3)

(4)

權(quán)重值在0～1之間，距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置越遠(yuǎn)權(quán)重值越小。其中sj為j處位置，ωj為j處位置的權(quán)重值，s0和s1為起始點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置。其中vi,j為i點(diǎn)慣性運(yùn)行速度；v85,j為j處的運(yùn)行速度，ωj為j相對(duì)于點(diǎn)i處的權(quán)重。距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置宜控制在1 000 m以內(nèi)。其中，慣性運(yùn)行速度計(jì)算公式為：

(5)

JTG B05—2015《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”)中運(yùn)行速度計(jì)算模型中并未存在時(shí)間參數(shù)，需對(duì)使用距離進(jìn)行替換，徐婷[8]提出駕駛員記憶時(shí)間與記憶準(zhǔn)確百分比間關(guān)系，見(jiàn)表2。

表2 記憶保持時(shí)間以及記憶準(zhǔn)確性百分比關(guān)系表

JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》指出受地形、地質(zhì)條件限制時(shí)，干線二級(jí)公路宜采用60 km/h，本文采用該設(shè)計(jì)速度對(duì)記憶保持時(shí)間進(jìn)行換算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置以及記憶準(zhǔn)確性百分比關(guān)系表

使用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)變量距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置以及記憶準(zhǔn)確性百分比(權(quán)重)分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 權(quán)重分布方程模型統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)變量距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置(m)以及記憶準(zhǔn)確性百分比(權(quán)重)，上述三種函數(shù)模型均具有很強(qiáng)的顯著性，但對(duì)R2分析發(fā)現(xiàn)：指數(shù)模型和三次函數(shù)模型曲線優(yōu)于二次函數(shù)模型，但三次函數(shù)較指數(shù)函數(shù)模型計(jì)算更為復(fù)雜，宜采用指數(shù)函數(shù)確定權(quán)重。兩者關(guān)系表達(dá)式為：

ω=0.88e-0.001sR2=0.98

(6)

式中：ω——權(quán)重；

s——距離預(yù)測(cè)點(diǎn)距離，m。

2.1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)采用相鄰路段運(yùn)行速度差值的絕對(duì)值|Δv85|以及慣性車速差ΔI[9]來(lái)表示。對(duì)道路線形協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)是保證駕駛員行駛的連貫性，降低行車風(fēng)險(xiǎn)的重要舉措。協(xié)調(diào)性計(jì)算公式如下：

|Δv85|=|v85i-v85i-1|

(7)

ΔI=v85i-v85慣i

(8)

式中：|Δv85|——運(yùn)行速度差值，km/h；

v85i——斷面i的運(yùn)行速度，km/h；

v85i-1——斷面i連續(xù)的前一段面運(yùn)行速度，km/h；

ΔI——慣性車速差，km/h；

v85慣i——斷面i的慣性運(yùn)行速度，km/h。

IHSDM運(yùn)行速度一致性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指出，相鄰路段上運(yùn)行速度的差值≯10 km/h時(shí)，道路線形設(shè)計(jì)為“優(yōu)”，潛在的安全隱患較少；而當(dāng)相鄰路段上運(yùn)行速度的差值介于10～20 km/h之間時(shí)，道路線形設(shè)計(jì)為“較好”，潛在的安全隱患較多；而當(dāng)運(yùn)行速度的差值>20 km/h時(shí)，道路線形設(shè)計(jì)為“差”。車輛處于曲線路段時(shí)，進(jìn)行協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)宜從曲線中點(diǎn)分開分析，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)同IHSDM一致。Alfredo G研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)慣性運(yùn)行速度與運(yùn)行速度差值>20 km/h時(shí)，道路線形設(shè)計(jì)的一致性也顯示為“差”，運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

表5 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

車輛在曲線段運(yùn)行時(shí)會(huì)受到離心力的作用，在曲線路段超高橫坡度和橫向力系數(shù)耦合作用能夠平衡車輛在曲線路段產(chǎn)生的離心力，從而確保在曲線路段行駛時(shí)行車的穩(wěn)定性。超高橫坡度與橫向力系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(9)

式中：R——曲線半徑，m；

v——車輛運(yùn)行速度，km/h；

μ——橫向力系數(shù)；

i——超高橫坡度。

對(duì)于在曲線段行駛的車輛來(lái)說(shuō)，橫向力系數(shù)μ對(duì)車輛穩(wěn)定性有著顯著影響。當(dāng)μ值增大時(shí)，駕駛員則需降低車輛運(yùn)行速度以保證車輛安全平穩(wěn)行駛。依據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》μ采用0.10～0.17，運(yùn)用橫向力系數(shù)進(jìn)行行車穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表6。

表6 運(yùn)行速度穩(wěn)定性性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 運(yùn)行速度分析

試驗(yàn)采用Metro Count 5600氣壓管式車輛分型統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)分別采集車型及車速數(shù)據(jù)。參考《規(guī)范》和試驗(yàn)設(shè)備對(duì)車型劃分標(biāo)準(zhǔn)，將軸距≤3.2 m的車定義為小型車。為確保測(cè)試數(shù)據(jù)具有代表性和可比性，主要在白天天氣晴好、路面干燥、自由流交通(車頭間距為5 s或車輛間距為120 m以上)條件下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試位置的選擇重點(diǎn)考慮平曲線上車速變化規(guī)律，分別將觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在曲線的入口、中點(diǎn)以及出口，如圖2所示。

其中斷面編號(hào)1～11分別為K13+183(ZH)、K13+240(QZ)、K13+292(GQ)、K13+347(QZ)、K13+413(QZ)、K13+490(QZ)、K13+555(GQ)、K13+598(QZ)、K13+641(GQ)、K13+700(QZ)、K13+700(QZ)、K13+770(HZ)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7～表9。

表7 G108國(guó)道評(píng)價(jià)斷面慣性運(yùn)行速度(上行方向) km/h

表8 G108國(guó)道評(píng)價(jià)斷面間權(quán)重系數(shù)矩陣(上行方向)

表9 G108國(guó)道評(píng)價(jià)斷面慣性運(yùn)行速度(上行方向) km/h

3.2 路段安全性分析

選擇Δv85和ΔI作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)行車穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)依據(jù)計(jì)算公式選擇運(yùn)行速度較大值(此時(shí)車輛的穩(wěn)定最差)，且利用曲線中點(diǎn)速度評(píng)價(jià)曲線前半段車輛行駛的穩(wěn)定性，用曲線出口速度評(píng)價(jià)曲線后半段車輛行駛的穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 G108上行彎坡組合路段安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

上述路段的超高橫坡度設(shè)計(jì)值均為5%，由上述統(tǒng)計(jì)表格可知：不同車型在特征斷面間的速度差值和慣性車速差均較小，但由于路段半徑較小且車輛的運(yùn)行速度較大使得橫向力系數(shù)較大。

對(duì)選取G108國(guó)道上行彎坡組合路段的安全評(píng)級(jí)指標(biāo)計(jì)算，結(jié)合基于運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性性、穩(wěn)定性指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎坡組合路段的上行方向行車安全進(jìn)行分析，得到斷面的安全等級(jí)見(jiàn)表11。

表11 G108上行彎坡組合路段安全評(píng)價(jià)等級(jí)

3.3 安全措施

建議對(duì)G108評(píng)價(jià)路段的車輛行駛速度進(jìn)行限定，車輛上行時(shí)行車穩(wěn)定性在多個(gè)彎道處難以得到保證。當(dāng)車輛行車穩(wěn)定性安全等級(jí)表現(xiàn)為良好時(shí)，利用該路段極限半徑計(jì)算。行車穩(wěn)定性為良好時(shí)的臨界速度為50.65 km/h。因此，建議對(duì)該路段上行方向均進(jìn)行50 km/h的限速規(guī)定。通過(guò)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)下行時(shí)路段入口處運(yùn)行速度差值較大，建議在上游路段設(shè)置減速標(biāo)志，提醒駕駛員減速。

上述評(píng)價(jià)的路段均為連續(xù)急彎路段，在此路段設(shè)置視線誘導(dǎo)標(biāo)志可以使駕駛員提前獲悉線形急劇的變化，清晰道路輪廓，可以有效降低行車風(fēng)險(xiǎn)，減少交通事故。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)使用氣壓管式車輛分型統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)MC5600在彎坡組合路段的特征點(diǎn)進(jìn)行斷面車速觀測(cè)，獲取斷面運(yùn)行速度。

(2)通過(guò)駕駛員記憶時(shí)間與記憶準(zhǔn)確百分比分析，對(duì)慣性運(yùn)行速度的權(quán)重函數(shù)進(jìn)行確定，研究發(fā)現(xiàn)其函數(shù)表達(dá)更符合指數(shù)函數(shù)形式。

(3)基于運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性和行車穩(wěn)定性等指標(biāo)對(duì)山區(qū)公路的行車安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。僅局部路段穩(wěn)定性指標(biāo)較差，需采用相應(yīng)的限速或安全保障措施。