重大公路交通基礎設施運行環(huán)境描述模型

馬 艷,郭忠印

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 201804)

重大公路交通基礎設施是為克服公路運輸線上的大江大河(海)、高山峻嶺等障礙而建造的重要道路設施,主要包括特大型橋梁、隧道(群)以及其他關鍵設施,在公路運輸網(wǎng)絡中起重要樞紐作用,是道路的控制工程.由于重大公路交通基礎設施往往處于大山、河流等特殊地理區(qū)段上,行駛于其上的車輛運行狀態(tài)不僅受到重大橋隧設施自身結構與設計的影響,還受交通環(huán)境、氣候環(huán)境等多方面因素的影響,車輛運行環(huán)境復雜.

國內外學者對道路設施結構、線形安全性、雨雪霧天氣等單因素影響道路運行安全性開展了一定研究[1],但在綜合考慮各因素對重大公路交通基礎設施運行安全的影響效果方面研究較少.本文對外部環(huán)境組合而成的重大公路交通基礎設施運行環(huán)境進行系統(tǒng)描述,對影響道路用戶駕駛行為的客觀環(huán)境進行分析描述和風險評估,同時描述運行環(huán)境綜合指標隨各單項指標的變化規(guī)律.

1 重大公路交通基礎設施運行環(huán)境影響因素

行駛于重大公路交通基礎設施的車輛時刻受到道路環(huán)境、交通環(huán)境及周邊自然氣候環(huán)境中各類因素的影響,其運行環(huán)境是多因素共同作用下的綜合系統(tǒng).復雜的運行環(huán)境信息容易導致交通參與者產生錯誤的判斷和行為,繼而誘發(fā)行車風險.學者鶴正田將交通活動中的用戶行為用人的因素和環(huán)境因素相互作用來表示,如圖1所示,認為自然環(huán)境、物理條件、空間條件和時間條件是影響道路用戶交通行為的重要環(huán)境因素.

圖1 交通行為與環(huán)境影響因素的關系Fig.1 R isk struc ture o f traf fic behavior and environm ent inf luencing factors

當?shù)缆酚脩粜旭傆诖笮蜆蛄骸⑺淼赖戎卮蟮缆吩O施上時,由于橋隧設施所處特殊地理區(qū)段,自然條件、物理條件和空間條件異于普通路段,環(huán)境因素的變化導致行駛風險增加,對道路用戶造成一定的行駛壓力.因此,以駕駛員對環(huán)境信息的客觀感知為依據(jù),選取對交通行為影響較大的氣候環(huán)境、道路環(huán)境和交通環(huán)境三類因素,綜合描述重大公路交通基礎設施的運行環(huán)境,如圖2所示.

圖2 重大公路交通基礎設施運行環(huán)境描述模型Fig.2 Description model of highway pivotal infrastru cture operation environmen t

2 重大公路交通基礎設施路段描述

行駛于重大公路交通基礎設施上時,由于不同路段風險因素以及運行環(huán)境差異較大,因此,道路用戶對不同路段運行環(huán)境的安全感受亦有較大差異.基于結構物特征,將重大公路交通基礎設施路段按接線路段、橋梁(群)路段、隧道(群)路段三類劃分,如圖3所示,以便于研究不同結構物路段的運行安全特征.

2.1 接線路段描述

重大公路交通基礎設施接線路段為橋隧設施結構物與相鄰道路設施或路網(wǎng)間的銜接路段,按其連接構造物類型的不同分為橋梁接線路段及橋隧接線路段,如圖3所示.

橋梁接線路段指大型橋梁主線與兩岸路網(wǎng)相銜接的路段部分,路段長度視銜接路網(wǎng)距離的遠近而不同,通常為橋梁引道至主線銜接立交出入口之間的距離.

橋隧接線路段為隧道(群)路段與橋梁引道相銜接的路段部分,路段長度視銜接距離的遠近而不同, 通常為橋梁引道至隧道(群)路段之間的距離.

圖3 重大公路交通基礎設施路段劃分示意圖Fig.3 Road division o f h ighw ay pivota l in frastructure

2.2 橋梁路段描述

橋梁路段包括橋梁主體工程及橋梁引道.橋梁全長對于有橋臺的橋梁應為兩岸橋臺側墻或八字墻尾端間的距離,無橋臺的橋梁應為橋面系行車道長度.

直線上的橋梁兩端引道的直線長度,一般不小于表1的規(guī)定.

表1 橋頭引道直線長度Tab.1 Straight line length of the bridge approach

2.3 隧道(群)路段描述

根據(jù)《公路工程技術標準》對隧道及其洞口兩端路線的規(guī)定,將洞口外側不小于3 s設計速度行程長度且不小于50 m的過渡段劃入相應的隧道路段.

對山嶺重丘區(qū)的隧道群,由于連續(xù)多個隧道相連對公路行車安全具有特殊影響,基于駕駛員的生理反應特征,以隧道進出口5 s設計車速行程長度作為臨界值,當隧道之間的間距小于或等于5 s設計車速行程長度時,將其相應劃分為隧道群路段[2].

3 重大公路交通基礎設施運行環(huán)境屬性描述

道路用戶對重大公路交通設施運行環(huán)境的安全感受主要受道路線形、路面使用狀況、交通信息、交通安全設施及氣候環(huán)境狀況因素的影響,對各影響因素進行屬性分析是建立運行環(huán)境描述模型的基礎.

3.1 線形屬性描述

重大公路交通基礎設施各路段線形安全性從以下三方面進行描述:

平面因素:平面線形構成要素對道路設施運行安全有直接的影響.直線運用不當會破壞線形連續(xù)性,過長直線使駕駛人員感到單調疲倦;平曲線超高過大影響行車舒適性并使方向操縱困難;交通事故的危險性和嚴重性隨曲線半徑的增加而降低;圓曲線轉角愈大,事故率愈高;緩和曲線使車輛在正常轉彎行駛時減少對道路摩擦力的需求,增強道路運營安全性.

縱斷面因素:道路縱坡坡度對道路運行安全影響較大.當縱坡坡度大于6%時,事故率會顯著增加;豎曲線的頻繁變換會影響行車視距,增大行車風險,降低運營安全性.

橫斷面因素:公路橫斷面組成要素中與運行安全有關的因素主要有車道數(shù)、路面寬度、路肩寬度等.合理的車道寬度、路肩寬度和車道數(shù)可有效緩解駕駛員的心理緊張程度,有利于運行安全.

3.2 路面狀況屬性描述

路面狀況的好壞直接影響道路行車安全.路面狀況優(yōu)劣從以下三方面進行描述:

路面平整度:路面平整度是路面行駛質量的直接反映.不平整的路面會影響車輛的拖掛和車輪荷載對地面的作用,迫使車速降低、車輛避讓,可能引發(fā)追尾碰撞等事故.

路面排水抗滑:路面排水是和路面防滑阻力有關的因素.路段排水不暢造成路面附著系數(shù)降低,車輛易產生滑溜,使道路行車風險顯著增大.

車轍深度:優(yōu)良的制動性能是車輛行駛安全性的重要保證,路面車轍產生的“溝槽效應”直接影響著車輛與路面間的相互作用,即影響著車輛的制動效能和車輛的操縱穩(wěn)定性.

3.3 交通信息屬性描述

交通信息是道路交通標志及標線所提供的靜態(tài)交通信息和動態(tài)交通信息的統(tǒng)稱.道路交通標志標線是向道路用戶傳遞特定信息、規(guī)范交通管理的重要交通工程設施,它在一定程度上反映路段及路網(wǎng)的信息化程度.

交通標志信息:設置在道路設施、橋梁設施及其接線路段上,以圖形符號、顏色和文字形式向交通參與者傳遞特定交通信息,引導和組織交通流,保證車輛安全、順暢、有序運行.

交通標線信息:以規(guī)定的線條、箭頭、文字、立面標志、突起路標或其他導向裝置,劃設于路面或其他交通設施上,為駕駛員提供視線誘導信息及駕駛行為管制信息.

3.4 交通安全保障設施屬性描述

交通安全保障設施對于排除各種縱、橫向干擾,降低事故率,提高道路服務水平,充分保障道路交通設施運營安全起著重要作用.對交通安保設施屬性從以下五個方面進行描述:

防護及隔離設施:包括安全護欄、防撞擋墻、防撞桶和隔離設施的設置.消除行車干擾,防止車輛、人員誤入,對車輛進行安全防護.

防眩設施:減輕眩光,避免由于相向行駛的車燈照射影響,改善夜間行車條件.

視線誘導設施:指示道路方向、行車道邊界及危險路面位置,在夜間、雨天和大雪、路面積雪等不良環(huán)境下,起到顯著視線誘導功能,保障道路交通安全.

照明設施:提高道路照明條件,保證照明質量,滿足駕駛視覺需求,提供良好的誘導性.

緊急救援設施:整合緊急醫(yī)療救助設備、應急消防設備、道路清障設備和車輛維修設備,用于道路交通事故緊急救援,有效提高事故人員的救助率和生存幾率,減輕事故影響.

3.5 氣候環(huán)境屬性描述

自然氣候引發(fā)的霧、雨、雪、冰、大風等災害性天氣,是影響道路運行安全的重要因素.對氣候環(huán)境屬性從以下四個方面進行描述:

霧:霧天能見度降低,視線障礙大,可視距離縮短,易判斷失誤,導致車輛追尾碰撞.

雨:雨水影響駕駛員視線,降低路面附著系數(shù),車輛溜滑,影響行駛安全.

冰雪:冰雪堆積使路面變滑,汽車轉向及制動的穩(wěn)定性下降,汽車操縱困難,造成整車失衡、側滑、甩尾失控,從而導致事故發(fā)生.

風:高速行駛的車輛易受橫風作用,橫風對重大橋梁、隧道運行環(huán)境安全性有相當大的影響.強風使車輛操作穩(wěn)定性變差,易偏離行車路線而誘發(fā)交通事故.

4 重大公路交通基礎設施運行環(huán)境風險指標描述與評估

圖4 重大公路交通基礎設施運行環(huán)境風險指標結構Fig.4 Risk assessm ent indexes o f h ighw ay pivotal in frastructure

在重大公路交通基礎設施運行環(huán)境屬性分析與描述的基礎上,提取與其安全性顯著相關的特征指標進行描述,如圖4所示.

4.1 線形安全性指標U1

描述重大公路交通基礎設施線形安全性的指標有平曲線半徑、曲線長度、縱坡坡度及車道寬度等.由于道路線形與駕駛心理的差異導致車輛運行速度有所不同,因此選擇綜合值v85作為代表性的運行速度值,采用“相鄰路段運行車速差”[3-5]和客貨車速差對重大公路交通基礎設施線形安全性進行評估.為更好表現(xiàn)路段客貨差的離散性,引入路段客貨極差比,即路段各斷面客貨差極大值與極小值的差與各斷面客貨差平均值之比[6]來描述線形安全性.根據(jù)表2所示評估建議值對重大公路交通基礎設施線形安全性進行評估.

表2 線形安全性評估表Tab.2 A ssessment of a lignm ent sa fety

4.2 路面狀況安全性指標U2

路面狀況對運行安全性具有重要影響.對重大公路交通基礎設施中各類路段的路面狀況采用路面狀況指數(shù)PCI進行評價.采用側向力系數(shù)SFC,即作用在輪胎上的側向摩阻力與垂直荷載之比,對重大設施接線路段的路面抗滑能力進行測定.重大公路交通基礎設施路面狀況安全性評估建議如表3所示,可根據(jù)評估建議值對路面狀況安全性進行評估.

表3 路面狀況安全性評估表Tab.3 Assessment o f pavem ent performance sa fety

4.3 交通設施認知性指標U3

交通標志標線是交通信息發(fā)布的重要方式之一,交通信息發(fā)布的有效性很大程度上取決于標志標線認知性.標志標線設施的信息量、信息連續(xù)性以及標志標線的設置方式等均對交通標志標線的認知性產生影響.對交通設施認知性指標評估建議如表4所示,可根據(jù)評估建議對交通設施認知性進行評估.

表4 交通設施認知性評估表Tab.4 Cognitive character assessm ent o f tra ffic sign

4.4 安全設施有效性指標U4

交通安全保障設施包括安全防護設施、隔離設施、防眩設施、誘導設施、照明設施及緊急救援設施等.各類設施盡量做到全路統(tǒng)一,需具備一定的安全性和有效性,有抵抗外界不良環(huán)境的能力.根據(jù)我國交通工程設施標準體系的研究成果,參考公路項目安全性評價指南的相關要求,提出各項交通安全保障設施的有效性評估建議如表5所示,可根據(jù)評估建議對安全設施有效性進行評估.

4.5 氣候環(huán)境風險性指標描述U5

可能導致災害性后果的天氣種類通常包括霧、雨、風、冰雪等,對災害性氣候的風險評估建議如表6所示,可根據(jù)各評估內容的相應建議值進行氣候環(huán)境風險程度評估.

表5 安全設施有效性評估表Tab.5 Validity assessm ent of traf fic safety facilities

表6 氣候環(huán)境風險評估表Tab.6 Risk assessm ent o f c lim atic environm ent

5 重大公路交通基礎設施運行環(huán)境綜合指標描述

重大公路交通基礎設施運行環(huán)境綜合指標是以影響運行環(huán)境安全性的各單項風險指標為基礎,綜合考慮自然環(huán)境、物理條件及空間特性,能夠全面表征不同路段的運行環(huán)境安全性的綜合性指標.

重大公路交通基礎設施運行環(huán)境綜合指標值描述了不同路段對應各項風險指標的綜合特性,反映了道路用戶對客觀運行環(huán)境的安全感受.各單項指標安全等級越高,風險越小,則運行環(huán)境安全性越好,反之亦然.各單項風險指標隨綜合指標的變化規(guī)律如表7所示.

表7 綜合指標隨單項風險指標的變化規(guī)律Tab.7 Rules of com prehensive index changing with the risk index

6 結語

通過對重大公路交通基礎設施運行環(huán)境進行綜合描述,提出影響重大公路設施運行安全性的外部環(huán)境因素及風險組成,據(jù)此提出的運行環(huán)境風險特征指標和評估標準以及運行環(huán)境綜合指標隨單項指標的變化規(guī)律為重大公路交通基礎設施運行安全管理及決策研究提供參考.由于重大公路交通基礎設施運行環(huán)境的復雜性,對各單項特征指標的評價標準及綜合指標評價方法有待進行更深入系統(tǒng)的研究.

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