高速公路線形連續(xù)性評價指標體系的建立

孟占領

(任丘市交通局)

隨著我國高速公路建設的迅猛發(fā)展,高速公路的安全評價越來越成為研究高速公路安全的重要問題,其中線形安全評價是高速公路安全評價的最主要方面。公路線形的連續(xù)性是路線設計的基本要求之一。我國《公路工程技術標準》規(guī)定:“線形設計,應考慮車輛行駛的安全舒適,駕駛員的視覺和心理反應。引導駕駛員的視線保持線形的連續(xù)性。”《規(guī)范》指出:“等級較高的公路應注重立體線形設計,使駕駛員在視覺上能保持線形的連續(xù)性,在心理上有舒適感和安全感并與沿線的環(huán)境、景觀相協(xié)調?！钡珜τ谶B續(xù)性并無明確的標準。我國大部分地區(qū)處于山地和丘陵區(qū),由于受地形狀況的限制必然要在平面線形設計中設置大量的曲線。因此連續(xù)性設計的好壞將直接關系到設計成果的質量,關系到公路的使用質量,尤其可能對事故率的大小產生很大影響,據(jù)統(tǒng)計,交通事故中有近 50%發(fā)生在曲線上。因此,適應我國的交通流狀況,提出合理的連續(xù)性設計方法勢在必行。

1 公路線形連續(xù)性設計思想

線形設計連續(xù)性是指公路設計中的幾何條件(即公路的實際特征)與駕駛員的期望駕駛速度相適應的特性。從線形設計與車輛行駛速度的角度進行分析,線形設計上的任何突變,都將出現(xiàn)不連續(xù)的運行速度,造成駕駛員的不適應并使該位置所發(fā)生的交通事故具有集聚性。線形設計連續(xù)性可以保證公路全線的幾何線形設計的整體協(xié)調性,以路段中運行速度的連續(xù)變化值來評價公路路線設計的優(yōu)劣和公路線形設計安全性的一個重要指標。

連續(xù)性設計的原則有以下幾方面。

(1)視覺上的連續(xù)性。指應使線形能自然地引導駕駛員的視線,并保持視覺的連續(xù)性,任何使駕駛員感到茫然、迷惑或判斷失誤的線形,必須盡力避免。

(2)行駛速度的連續(xù)性。由平面相鄰線形要素、縱斷面相鄰線形要素以及平縱組合相鄰線形要素構成的公路空間線形,必須使汽車行駛速度不產生突變和相差過大,應使行駛速度平緩、連續(xù)、均衡地變化,保證汽車行駛的平順性、連續(xù)性和安全性。

(3)加速度的連續(xù)性。由平、縱產生的加速度變化不能過大和過快,以免影響汽車行駛的舒適性和安全性。

2 基于速度的連續(xù)性指標分析

2.1 計算行車速度與運行車速之間的差值Δv

車輛在曲線上行駛時會受到離心力的作用,為平衡離心力,當曲線半徑較小時需設置超高,超高的設置是按設計車速進行的。如果實際行車速度超過了設計車速,則會使車輛受到的橫向力增大,有可能造成橫向失穩(wěn)而發(fā)生事故。彎道半徑 R (m)、設計速度v(km/h)、橫向力系數(shù)μ,以及運行車速超出設計車速時的速度增量Δv、μ的增量Δμ之間的關系為

Δμ=(Δv-2vΔv)/127R

由上式可以看出,運行車速與設計車速的差值越大,則橫向力系數(shù)的增量也就越大,設計車速越低,這種影響越顯著。因此,線形設計應與設計車速相一致?；谠O計車速的線形設計質量等級表示了公路中某一路段的運行車速與設計車速差值Δv的合理范圍,制定的基于設計車速的線形質量標準見表 1。

表1 基于設計車速與運行速度差的線形連續(xù)性評價標準

2.2 相鄰路段運行速度差的比值 RV

運行速度協(xié)調性評價是對相鄰路段的運行速度的差值進行評價?！吨改稀分型扑]的評價指標是Δv85,但該指標是一個絕對值,表示的是相鄰路段運行速度的變化幅度,這種絕對值的指標對于某一個固定的設計車速前提下具有比較好的評價意義,但如果當前運行速度值區(qū)間不同,則采用同樣的Δv85來評價線形的連續(xù)性則不可靠。因此,采用相鄰路段運行速度差的比值RV來評價路段的連續(xù)性。該指標表述如下

式中:RV為相鄰路段運行速度差的比值;v85i為當前路段的運行速度;v85i-1為前一路段的運行速度。

推薦指標RV的評價標準為:

RV＜0.1時,線形較好;

0.1 ≤RV≤0.2時,線形一般;

RV＞0.2時,線形較差。

2.3 利用加速度a進行驗證評價

利用加速度作為評價指標主要考慮兩兩相鄰路段終點和起點間加減速時的加速度要求,加速度指標過大會降低駕乘人員的舒適感和安全感。在利用運行速度差進行評價的基礎上,對指標超出安全范圍的路段進行加速度指標驗算,對于加速度指標值超過安全范圍的路段應進行線形修改和調整,加速度指標在安全范圍內的路段可根據(jù)實際情況靈活對待。

2.4 總體線形連續(xù)性評價的指標 C

公路線形連續(xù)性評價的量化指標 C是通過建立相應的理論模型,對全路線進行連續(xù)性評價,并得出量化指標。線形連續(xù)性評價的量化指標可用于不同路線方案間的比選,同時為道路安全審計提供依據(jù)。

鑒于車速標準差與事故率的相關關系,故引入車速標準差等構建線形連續(xù)性評價量化模型。考慮到模型計算得出的連續(xù)性指標與車速標準離差之間的關系,并結合我國公路實際的運營狀況,建立改進后的線形連續(xù)性模型

式中:C為線形連續(xù)性評價的指標值;S為里程L內第85%位車速與平均車速所圍成的面積與公路里程的商,S= (∑si/L);σ為車速標準差;A、B為參數(shù)。

推薦指標C值的評價標準為:

0＜C＜1時,設計一致性差;

1＜C＜3時,設計一致性一般;

C＞3時,設計一致性好。

3 基于線形的連續(xù)性指標分析

3.1 單曲線半徑與平均半徑之比KR

該指標是把路段上單獨圓曲線半徑和該路段上所有圓曲線半徑的平均值的比值作為評價線形連續(xù)性的指標

式中:AR為路段上平均圓曲線半徑,m;n為路段上圓曲線個數(shù);R為路段上第i個圓曲線半徑,m。

下面用加權平均值來建立平面基本線形元素圓曲線的評價指標KR

因此,在考慮該指標的評價標準時,將對半徑減小或增加兩種情況做分別的考慮,推薦該指標的安全評價標準為:

0＞KR＞-0.2或0＜KR＜0.4……好;

-0.2＞KR＞-0.4或KR＞0.4……中;

KR＜-0.4……差。

3.2 單豎曲線率與平均豎曲線率的比值KV

平均豎曲線率為公路上豎曲線的改變次數(shù)提供了衡量依據(jù),該線形指標的假定為縱斷面線形上豎曲線的改變次數(shù)將影響車輛的行駛速度與事故。

路段平均豎曲線率定義如下

式中:AVC為平均豎曲線率;Li為路段上第i個豎曲線長度;│Ai│為路段上第i個豎曲線上坡度代數(shù)差的絕對值;n為路段豎曲線的個數(shù)。

平均豎曲線率主要的作用在于對一個路段內的縱斷面連續(xù)性狀況做出評估,因其是一個平均值,所以要在有一定樣本數(shù)量的時候才具有意義。該指標可以對一個較長路段或全路線范圍給出一個評價的結果,但是對于單個豎曲線的設計優(yōu)劣則無法在該指標中反映,因此,本研究引入單豎曲線率與平均豎曲線率的比值KV用來評價單個豎曲線在整個路段縱面線形中的狀況,表述如下

式中:KV為單豎曲線率與平均豎曲線率的比值;VC為單個豎曲線率;L為單個豎曲線長度;│A│為單個豎曲線上坡度代數(shù)差的絕對值。

當 KV值為正時,有較為平緩的豎曲線,對于交通安全的影響較小;當KV值為負時,該豎曲線對于行車連續(xù)性影響較為突出,KV的絕對值越大,這個豎曲線嚴重違背司機行駛的主觀期望,很可能會出現(xiàn)意外事故。顯然,豎曲線率減小時對于安全的影響要大于豎曲線率增大的情況,即KV值為負且絕對值越大時,線形越不連續(xù),安全隱患越大。因此,在考慮該指標的評價標準時,將對減小或增加兩種情況做分別的考慮。

結合現(xiàn)有線形評價的研究成果,并以上述思想為指導擬定該指標的安全評價標準為

0＞KV＞-0.18或 0＜KV＜0.36……好;

-0.18＞KV＞-0.36或KV＞0.36……中;

KV＜-0.36……差。

曲率變化率指標ΔD。德國在線形上采用曲率變化率指標(平曲線角度變化的絕對值除以路段長度)來描述整體路段的線形質量,并避免同一路段之間的運行速度突變來增加線形的一致性。

其評價標準為:

ΔD＜5°……好;

5°≤ΔD≤10°……中;

ΔD＞10°……差。

平縱協(xié)調組合評價指標。用一個相對的平縱協(xié)調組合評價指標Ki來表征某個線形單元設計縱坡與該表中最大坡度的適應情況,計算公式如下

當平縱組合中的縱坡度超過按計算所得圓曲線相對應的最大縱坡度時,汽車行駛的不穩(wěn)定性因素增加,平縱線形組合的安全性就會降低。該控制指標具有一定的可靠性,它反映了平縱橫三維立體線形相互作用的關系,又考慮了實際的行車環(huán)境和司機的主觀期望,因此該指標是一個系統(tǒng)的綜合性評價指標。

其評價標準為:

0.6 ＜Ki＜1……好;

0.1 ≤Ki≤0.6……一般;

Ki＜0.1……差。

4 線形連續(xù)性指標體系的建立

通過上述分析,建立我國高速公路線性連續(xù)性指標體系如圖 1所示。

5 結 論

連續(xù)的運行速度是路線設計連續(xù)性的最終表現(xiàn),可以把路線的幾何設計對公路安全的綜合影響轉化為車輛在路段上行駛過程中前后速度變化的大小,并以路段中運行速度的連續(xù)變化值來評價公路路線設計的優(yōu)劣。建立了由速度連續(xù)性指標和線形連續(xù)性指標構成的線形連續(xù)性指標體系,為我國高速公路線形安全評價奠定了基礎,對于合理、安全的高速公路線形設計具有重要指導意義。

圖1 高速公路線性連續(xù)性指標體系

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