基于分隔設(shè)施的寒區(qū)城市道路行車安全間距研究

馮天軍，楊夏玉，夏春亭，梁春巖，李赫楠

(1. 吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118； 2. 長春建筑學(xué)院，吉林 長春 130600； 3. 長春市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130033)

0 引 言

城市道路是交通的直接載體，城市道路橫斷面結(jié)構(gòu)劃分越來越明確，車行道、人行道及分隔帶等交通設(shè)施的合理布設(shè)，能夠滿足行人過街安全、車輛運(yùn)行暢通及城市道路景觀優(yōu)化等各方面的需求。然而，分隔帶在起到管控、隔離作用的同時，對汽車的行駛也會造成干擾。因此，駕駛員在行車過程中應(yīng)使車輛與分隔帶保持一定的間距——行車安全間距(圖1)，該間距是一個動態(tài)的變量，其大小受多種因素影響。在設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮城市道路分隔設(shè)施的高度、長度等指標(biāo)，合理設(shè)置城市道路分隔設(shè)施，以保證道路通行效率和行車安全。

圖1 行車安全間距示意

目前，針對城市道路行車安全間距的研究大多集中在對道路中間帶橫向凈距或路側(cè)凈距的研究上。P.M.ASADOLLAHI等[1]通過模擬試驗(yàn)確定了美國中西部地區(qū)護(hù)欄的最大安全高度；A. RASCH等[2]通過模擬駕駛員的超車行為試驗(yàn)，得出超車時的最小橫向間距；YOU Qingchong等[3]提出用螺旋路邊曲線來確定滿足道路反向水平曲線視距需求的橫向間隙；趙一飛等[4]對高速公路中間帶的安全側(cè)向凈距值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)安全側(cè)向距離不足是行車安全的巨大隱患；潘兵宏等[5]計(jì)算得出中國高速公路中間帶波形梁護(hù)欄的適宜高度為87.6 cm；崔洪軍等[6]研究了護(hù)欄高度與安全防護(hù)能力之間的關(guān)系；祝站東[7]建立了雙車道公路的車輛運(yùn)行速度模型，研究得出公路上車輛運(yùn)行速度與分隔設(shè)施凈空之間存在對數(shù)關(guān)系的結(jié)論；文浩雄等[8]分析了高速公路中央分隔帶橫向凈距不足的問題并提出了改善措施；文獻(xiàn)[9-12]介紹了橫向凈距與視距結(jié)合在一起的研究成果在公路相關(guān)設(shè)施設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。然而，針對冰雪天氣下城市道路的分隔帶護(hù)欄高度與行車安全間距的相關(guān)理論研究鮮有文獻(xiàn)發(fā)表。

筆者采集并分析了長春市、吉林市幾條超車道上的分隔設(shè)施護(hù)欄高度、行車速度及相對應(yīng)的行車安全間距等數(shù)據(jù)；建立了城市道路分隔設(shè)施護(hù)欄高度、行車速度與行車安全間距的函數(shù)關(guān)系模型，用算例對模型進(jìn)行了驗(yàn)證；推薦了與分隔設(shè)施護(hù)欄高度值相對應(yīng)的行車安全間距最小值和舒適值。

1 采 樣

1.1 時間、路段及對象

1)時間。2019年12月15—17日，上午09：00—11：00及下午15：00—17：00。在調(diào)查的這3天中，無降雪，平均氣溫為-15～-23℃；道路能見度相對較好且車流量適中，易于觀測。

2)路段。長春市亞泰大街、亞泰大街快速路(簡稱快速路)、會展大街及吉林市吉林大街，所觀測路段上無交通事故等偶然因素影響。

3)對象——護(hù)欄。護(hù)欄形式及尺寸見表1。

表1 采樣路段的斷面形式及路段上護(hù)欄類形、尺寸

1.2 采集過程

首先，試驗(yàn)人員在城市道路中央分隔帶護(hù)欄高度和車道寬度均無變化的路段上選取一個斷面；然后，找尋合適的觀測地點(diǎn)，畫線標(biāo)識，視頻錄像，采集所有臨近護(hù)欄車道上連續(xù)車流數(shù)據(jù)；最后，將視頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，統(tǒng)計(jì)出各護(hù)欄高度下的行車速度V和相對應(yīng)的行車安全間距W。

2 結(jié)果分析

2.1 W正態(tài)分布驗(yàn)證

汽車以一定速度行駛在某一路段上時，車輛與路側(cè)設(shè)施應(yīng)保持一定的行車安全間距。駕駛員的駕駛習(xí)慣、交通流速度、分隔設(shè)施護(hù)欄高度等因素都會影響分隔設(shè)施與車輛之間的行車安全間距，這些影響因素是隨機(jī)的，因此，一定車速下的行車安全間距也是隨機(jī)的。

以在長春市會展大街采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖2為與行車速度V=50～60 km/h相對應(yīng)的行車安全間距W的頻數(shù)N。

圖2 V=50～60 km/h時行車安全間距頻數(shù)N分布

將圖2數(shù)據(jù)輸入SPSS軟件，進(jìn)行K-S (Kolmo-gorov-Smirnov test)正態(tài)性檢驗(yàn)并經(jīng)Lilliefors校正，結(jié)果見表2?？梢?，Sig.=0.200>0.050，表明數(shù)據(jù)可能服從正態(tài)分布。

表2 行車安全間距K-S正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果

查看行車安全距離實(shí)測值與正態(tài)期望值的Q-Q圖(圖3)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)基本在直線附近，可以初步判斷，在長春市會展大街調(diào)查路段，V=50～60 km/h時，行車安全間距W近似服從正態(tài)分布。

圖3 行車安全間距正態(tài)Q-Q圖

2.2 W-H-V的關(guān)系

2.2.1V正態(tài)分布驗(yàn)證

圖4為根據(jù)長春市亞泰大街、快速路及吉林市吉林大街?jǐn)嗝嫔喜杉臄?shù)據(jù)繪制的各斷面行車速度V的頻率f分布直方圖。將圖4數(shù)據(jù)輸入SPSS軟件進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，行車速度V符合正態(tài)分布。

圖4 3個道路斷面行車速度分布

2.2.2W-V-H的相互關(guān)系

在長春市亞泰大街、快速路及吉林市吉林大街3個路段上，各選取2個行車速度分布頻率較高的速度區(qū)間，各速度區(qū)間的行車安全間距均值Wav及標(biāo)準(zhǔn)差σ如表3。

表3 行車安全間距的均值及標(biāo)準(zhǔn)差

各路段斷面所采集的平均行車速度Vav、85%行車速度V85以及行車安全間距平均值Wav如表4。

表4 3個道路斷面樣本數(shù)據(jù)值

由表4可見，在H=0.6、0.8、1.2 m的路段，所采集的護(hù)欄臨近車道上的行車速度V及對應(yīng)的行車安全間距W之間存在以下關(guān)系：在交通狀況良好的路段，不考慮出入口車速降低的影響，隨著H的增加，V呈減小變化，而W呈增大變化趨勢。

2.2.3W-V的關(guān)系

整理、擬合在亞泰大街、快速路、吉林大街采集的H=0.6、0.8、1.2 m的數(shù)據(jù)，得到3個路段W與V的回歸式(W=kV+a)，如表5。

表5 3個道路斷面安全間距W與行車速度V的關(guān)系

由表5可見：

1)隨著行車速度V的增加，行車安全間距W以吉林大街?jǐn)嗝娴淖兓羁?，亞泰大街?jǐn)嗝娴淖兓盥砻麟S著護(hù)欄高度H的增高，W相應(yīng)增大。

2)從置信區(qū)間寬度可看出，道路斷面不同，護(hù)欄高度不同，但行車安全間距的離散程度相近。表明護(hù)欄高度對汽車在道路上的行駛限制不大。

根據(jù)表5中W與V回歸公式的斜率k與各斷面對應(yīng)的護(hù)欄高度H，可得到k與H的關(guān)系式：

k=0.016 7H- 0.005 8

(1)

在實(shí)地調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，汽車行駛時還會受到右側(cè)車輛、路緣石高度等因素的干擾，影響W-V關(guān)系式的精度。為此，筆者將采集的3個道路斷面的所有調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和線性回歸分析，如圖5，從而得出更精確的函數(shù)關(guān)系模型，如式(2)：

圖5 全部汽車行車安全間距W與行車速度V的關(guān)系

W=0.009 8V+ 0.189 4

(2)

3 W-H-V函數(shù)關(guān)系模型驗(yàn)證

在護(hù)欄高度H=1.0 m的會展大街路段，另外選取一個斷面采集車輛運(yùn)行狀況，樣本數(shù)為50，所測車速平均值V測=48 km/h，對測得的車速和對應(yīng)的行車安全間距進(jìn)行回歸，得到H=1.0 m時，W與V理論關(guān)系式，如式(3)：

W=kV+a

(3)

3.1 H=1.0 m，W-V關(guān)系式

1)將H=1.0 m代入式(1)，得到對應(yīng)k=0.010 9。

2)將V測=48 km/h代入式(2)，得到該速度下行車安全間距W=0.66 m。

3)將k=0.010 9、V測=48 km/h和W=0.66 m代入式(3)中，反推出截距a=0.136 8；從而，H=1.0 m時，W-V的線性關(guān)系如式(4)：

W=0.010 9V+ 0.136 8

(4)

3.2 W-V線性關(guān)系驗(yàn)證

將實(shí)際采集H=1.0 m道路斷面所有樣本的行車速度V分別帶入式(4)，計(jì)算得到與V對應(yīng)的行車安全間距理論值Wc。各個樣本點(diǎn)的行車安全間距理論值Wc與實(shí)測值Wt，及兩者的相對誤差δ如圖6。

圖6 H=1.0 m，與V相對應(yīng)的Wc和Wt及兩者的相對誤差δ

由圖6可見：最大相對誤差δmax< 8%，理論計(jì)算準(zhǔn)確度均為92%以上，樣本總體的平均相對誤差δav=∑δ/50=2.48%，平均計(jì)算準(zhǔn)確度達(dá)97.52%。表明理論值與實(shí)測值高度接近，因此認(rèn)為所建立線性關(guān)系是合理的。

4 寒區(qū)行車安全間距推薦

4.1 不同H下W推薦值

整理得到所采集的3個路段不同護(hù)欄高度下的行車安全間距累計(jì)頻率F，如圖7。

圖7 行車安全間距累計(jì)頻率

由圖7可以看出：

1)H=0.6 m時，行車安全間距的最小值Wmin=0.35 m；W=0.50～0.60 m區(qū)間，曲線斜率較大，說明汽車行駛的安全間距密集地分布在此范圍內(nèi)，保證了多數(shù)汽車行駛的舒適性。因此，取中間值W=0.55 m作為H=0.60 m時寒區(qū)城市道路行車安全間距的舒適值。

2)同理，H=0.8、1.2 m時，行車安全間距的最小值分別為Wmin=0.40、0.65 m，行車安全間距舒適值分別為W=0.60、0.75 m。

筆者研究的是城市道路，對于該類型道路上不同的護(hù)欄類形、等級，設(shè)計(jì)車速為20～80 km/h時，JTG D 81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的護(hù)欄高度最小值為0.6 m。即護(hù)欄高度H均大于0.6 m的情況下，筆者推薦的與H相對應(yīng)的W值適用于寒區(qū)道路。

4.2 考慮安全防護(hù)等級的護(hù)欄設(shè)置

由于城市道路混合交通特征明顯，護(hù)欄除了起到隔離與警示作用外，還應(yīng)具有一定的防碰撞作用。按照GB 50688—2011《城市道路交通設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范(2019版)》規(guī)定，筆者調(diào)查的亞泰大街、吉林大街、亞泰大街快速路，中央分隔帶護(hù)欄的防護(hù)等級應(yīng)該分別選用Bm級、Bm級、Am級，路側(cè)護(hù)欄等級應(yīng)該分別選用B級、B級、A級。

隨著防護(hù)等級的增加，護(hù)欄底座寬度相應(yīng)增大，這將對分隔帶的寬度產(chǎn)生影響，從而影響路幅寬度。筆者所調(diào)查的路段有主干路與快速路，道路設(shè)計(jì)速度均小于100 km/h，護(hù)欄底部寬度對應(yīng)分隔帶最小值見表6。

表6 分隔帶寬度最小值

路幅寬度的設(shè)置應(yīng)滿足表6分隔帶寬度最小值，同時，寒區(qū)受冰雪天氣積雪的影響，在滿足最小安全間距的前提下，考慮到冬季分隔設(shè)施旁臨時堆放積雪的要求，冬季分隔設(shè)施行車安全間距應(yīng)適當(dāng)增加0.5 m。

5 結(jié) 語

筆者選擇長春市亞泰大街、亞泰大街快速路、會展大街及吉林市吉林大街4個路段，采集了城市道路分隔設(shè)施護(hù)欄高度H、行車速度V與行車安全間距W數(shù)據(jù)，用SPSS軟件及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了W-H-V三者之間的關(guān)系，建立了寒區(qū)城市道路H、V與W的函數(shù)關(guān)系模型，并用算例驗(yàn)證關(guān)系模型。研究表明：H一定的情況下，相對應(yīng)的W、V基本服從正態(tài)分布；W-H-V三者具有線性關(guān)系，即W隨著V及H的增大而增大。推薦了與寒區(qū)城市道路分隔設(shè)施護(hù)欄高度0.6、0.8、1.2 m相對應(yīng)的行車安全間距最小值和舒適值。