基于模糊理論的高速公路避險車道斷面寬度設(shè)計研究

程 乾

（山西交通建設(shè)中心 技術(shù)部，山西 太原 030006）

0 引言

我國高速公路部分路段事故頻發(fā)，安全性能令人堪憂，大部分山區(qū)，高速公路存在著大量的隧道以及長大下坡，為高速公路部分路段安全造成了極大的威脅。根據(jù)統(tǒng)計可知，高速公路交通事故占據(jù)交通事故的60.6%，其死亡人數(shù)在交通事故中占比高達77.8%[1]。故如何保障高速公路交通安全成為我國重點研究課題之一。

避險車道的出現(xiàn)為保障高速公路交通安全提供了有效的手段。避險車道設(shè)置在公路路側(cè)，不但可以使剎車失靈車輛分離出交通主線，防止其干擾主線車輛行駛，還可以通過重力減速度與滾動阻力等致使失控車輛減速停車[2]。若失控車輛不能及時進入避險車道，極有可能產(chǎn)生較為嚴重的交通事故，造成經(jīng)濟與生命的雙重損失。目前，部分高速公路長大下坡路段設(shè)置了避險車道，取得了一定的經(jīng)驗與成果。但是我國避險車道研究仍然處于初級階段，缺乏相關(guān)的規(guī)則與標準，在使用過程中，無法發(fā)揮避險車道的功效。例如，有些失控車輛進入避險車道后發(fā)生二次事故，依然會對駕駛員產(chǎn)生危害。針對高速公路避險車道斷面寬度設(shè)計方法由于考慮因素不全，導(dǎo)致設(shè)計寬度無法達到高速公路安全水平，故提出基于模糊理論的高速公路避險車道斷面寬度設(shè)計方法研究。

1 高速公路避險車道斷面寬度設(shè)計研究

1.1 避險車道斷面因素影響模型構(gòu)建

高速公路避險車道斷面主要由漸變段、引道與制動車道構(gòu)成。避險車道斷面影響因素較多，為了能夠精準地設(shè)計高速公路避險車道斷面寬度，構(gòu)建避險車道斷面因素影響模型[3]，對高速公路進行車輛自由流速度與環(huán)境條件變量的多元線性回歸分析，方程式為

式中：V表示的是自由流車速；a、b、c、d、e、f、g與h表示的是回歸系數(shù)；RAC表示的是公路線形等級；TRAF表示的是公路行政等級；SW表示的是路肩寬度；LU表示的是商業(yè)化程度；FRIC表示的是橫向干擾；CW表示的是公路車道寬度；HW表示的是硬路肩寬度。

此研究針對高速公路進行研究，則公路線形等級RAC與公路行政等級TRAF對多元線性回歸沒有任何影響，故式（1）可以簡化為

為了減少避險車道斷面寬度設(shè)計計算量，采用數(shù)學優(yōu)化軟件ISTOPT對多元線性回歸系數(shù)進行解算，步驟如下：

a）步驟一 將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入數(shù)學優(yōu)化軟件ISTOPT中，并設(shè)置函數(shù)形式、參數(shù)以及因變量等，執(zhí)行斷面影響模型回歸分析。

b）步驟二 采用麥夸特法對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化計算，使回歸模型判定系數(shù)約等于1，即結(jié)束優(yōu)化程序，并輸出多元線性回歸系數(shù)。

將上述步驟結(jié)果代入式（2），獲得避險車道斷面因素影響模型為

1.2 避險車道斷面寬度設(shè)計分析

依據(jù)上述構(gòu)建的避險車道斷面因素影響模型，分別對漸變段、引道與制動車道斷面寬度設(shè)計進行詳細分析[4]。

1.2.1 漸變段斷面寬度

常規(guī)情況下，避險車道主要設(shè)置在直線路段、左轉(zhuǎn)曲線路段、右轉(zhuǎn)曲線路段以及輔助車道路段上[5]。而避險車道中漸變段斷面寬度設(shè)計情況需要依據(jù)車道具體設(shè)置路段確定，漸變段斷面寬度設(shè)計如下。

1.2.1.1 直線路段

若避險車道設(shè)置在直線路段上，斷面設(shè)計由主線避險車道設(shè)計起點開始，利用線性漸變至數(shù)值為避險車道寬度位置。確定流出角與車道寬度后，漸變段距離長度即可進行計算。另外，為了保障失控車輛安全、順利地行駛出主線，避險車道分岔段路面結(jié)構(gòu)應(yīng)該與主線路面結(jié)構(gòu)保持一致[6]。

1.2.1.2 左轉(zhuǎn)曲線路段

若避險車道設(shè)置在左轉(zhuǎn)曲線路段上，車道起點采用圓曲線切線方向確定，通過計算主線圓曲線，即可確定漸變段長度。而漸變段斷面以非線性形式漸變至數(shù)值為避險車道寬度位置，漸變段路面結(jié)構(gòu)應(yīng)該與主線右側(cè)車道路面結(jié)構(gòu)保持一致[7]。

1.2.1.3 右轉(zhuǎn)曲線路段

若避險車道設(shè)置在右轉(zhuǎn)曲線路段上，漸變段斷面由圓曲線內(nèi)側(cè)逐漸過渡到車道引道寬度位置。確定流出角與車道寬度后，漸變段距離長度即可確定。漸變段長度必須保證失控車輛在橫向位移過程中可以順利、平穩(wěn)地進行轉(zhuǎn)向[8]。若避險車道設(shè)置在右轉(zhuǎn)曲線路段上，其示意圖如圖1所示。

圖1 避險車道示意圖（單位：m）

1.2.1.4 輔助車道路段

輔助車道設(shè)置在漸變段起點之前，主線最外側(cè)車道旁邊，專供失控車輛使用，以便大型車輛在發(fā)生剎車失靈狀況下，能夠及時變道至輔助車道，從而順利進入避險車道，既保障了正線車輛的有序行駛，也可以幫助失控車輛達到安全狀態(tài)。考慮到避險車道的服務(wù)對象大多數(shù)是失控車輛，而失控車輛絕大部分為超重車輛，故漸變段寬度需要大于超重車輛的寬度[9]。

1.2.2 引道斷面寬度

引道斷面寬度設(shè)計主要分為兩種，分別為引道到制動車道全寬過渡型與引道到制動車道斷面寬度漸變型[10]。其中，引道到制動車道全寬過渡型如圖2所示。

圖2 引道到制動車道全寬過渡型（單位：m）

引道到制動車道斷面寬度漸變型劃分為兩種，分別為設(shè)輔助車道與不設(shè)輔助車道[11]。引道到制動車道斷面寬度漸變型如圖3所示。

圖3 引道到制動車道斷面寬度漸變型（單位：m）

常規(guī)情況下，若主線避險車道設(shè)置位置右側(cè)用地條件允許情況下，應(yīng)該采用全寬形式設(shè)置引道寬度。此種形式引道左右寬度較大，可以有效降低駕駛員緊張的心理狀態(tài)，有助于駕駛員全面觀察避險車道，并作出相應(yīng)的正確操作。

若主線避險車道設(shè)置位置用地條件受限，應(yīng)該采用漸變過渡形式設(shè)置引道寬度[12]。此種形式會極大地節(jié)省用地面積，但相應(yīng)會增加失控車輛駛?cè)氡茈U車道的難度，主要的原因為引道入口寬度較小，若失控車輛行駛速度較快，極有可能撞向公路設(shè)施或者沖出車道，造成車輛以及人員的傷亡。

1.2.3 制動車道斷面寬度

《公路路線設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定避險車道斷面寬度應(yīng)大于或者等于4.5 m，但實際斷面寬度應(yīng)該根據(jù)實際用地條件進行具體設(shè)置。

通過現(xiàn)有文獻研究可知，側(cè)向安全寬度與車輛類型、行駛速度、駕駛?cè)藛T橫向感知等因素相關(guān)。而制動車道與常規(guī)道路材料具有明顯的差異，失控車輛進入服務(wù)車道后會發(fā)生側(cè)翻，為了保證車輛不超出制動車道（未與護欄產(chǎn)生撞擊），則需要將車輛左側(cè)的側(cè)向安全寬度考慮在內(nèi)[13]。

通過回歸分析獲取失控車輛行駛速度與路肩外側(cè)凈距離之間的關(guān)系為

式中：WjT表示的是大型車輛的外側(cè)凈距離；VT表示的是大型失控車輛行駛速度。

左側(cè)側(cè)向安全寬度計算公式為

式中：x與y表示的是路面邊緣與輪胎之間的安全距離；v表示的是失控車輛行駛速度。

假設(shè)避險車道制動車道左右兩側(cè)均設(shè)置路緣帶，超重車輛寬度為2.5 m，路面邊緣寬度為0.5 m，則制動車道寬度設(shè)計規(guī)則如表1所示。

表1 制動車道寬度設(shè)計規(guī)則表

制動車道數(shù)量也影響著其寬度設(shè)計，相關(guān)規(guī)則如表2所示。

表2 制動車道數(shù)量與寬度規(guī)則表

1.3 避險車道斷面最佳寬度確定

以上述避險車道斷面寬度設(shè)計分析結(jié)果為依據(jù)，基于模糊理論構(gòu)造避險車道安全評估模型，利用構(gòu)造模型最大化求取避險車道斷面最佳寬度，實現(xiàn)高速公路避險車道斷面寬度設(shè)計[14]。

基于避險車道安全評估模型確定避險車道斷面最佳寬度步驟如下所示：

a）步驟一 確定避險車道安全評估指標，即漸變段、引道與制動車道斷面寬度。

b）步驟二 構(gòu)造評估指標權(quán)分配矩陣，如表3所示。

表3 評估指標權(quán)分配矩陣表

如表3所示，則評估指標權(quán)分配矩陣表示為

c）步驟三 將步驟二得到的評估指標權(quán)分配矩陣值輸入到Matlab軟件中，計算得到評估指標權(quán)重為

同時對式（7）結(jié)果進行一致性檢驗，得到檢驗結(jié)果為λmax=4.1009，CI=0.0336與CR=0.0378，充分表明評估指標權(quán)重滿足賦權(quán)規(guī)范。

d）步驟四 確定評估集合為

式中：c1、c2、c3、c4、c5分別表示的是非常安全、較安全、基本安全、安全性差與不安全。

e）步驟五 避險車道斷面寬度設(shè)計安全評估規(guī)則如表4所示。

表4 避險車道斷面寬度設(shè)計安全評估規(guī)則表

依據(jù)表4規(guī)則對不同避險車道斷面寬度進行評估，若評估結(jié)果為非常安全c1，模型輸出數(shù)值即為避險車道斷面最佳寬度[15]。

通過上述過程實現(xiàn)了高速公路避險車道斷面寬度的設(shè)計，為高速公路失控車輛安全以及主線車輛有序行駛提供更加有效的保障。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證提出方法的性能，采用proteus軟件設(shè)計仿真實驗，具體實驗過程如下所示。

2.1 實驗準備

選取G234高速公路段作為仿真實驗對象，其地理位置如圖4所示。

圖4 實驗對象地理位置圖

實驗對象技術(shù)指標如表5所示。

表5 實驗對象技術(shù)指標表

2.2 實驗結(jié)果分析

以實驗準備情況為依據(jù)，進行高速公路避險車道斷面寬度設(shè)計仿真實驗。為了保障實驗結(jié)果的準確性，在有輔助車道與無輔助車道兩種環(huán)境下，分別進行實驗，通過避險車道斷面寬度設(shè)計安全評估結(jié)果反映提出方法性能，具體實驗結(jié)果分析過程如下所示。

以失控車輛行駛速度為自變量，避險車道斷面寬度為因變量。通過仿真實驗得到避險車道斷面寬度設(shè)計安全評估數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 避險車道斷面寬度設(shè)計安全評估數(shù)據(jù)表

如表6數(shù)據(jù)顯示，無輔助車道環(huán)境下，避險車道斷面寬度設(shè)計數(shù)值更大。兩種環(huán)境下，避險車道斷面寬度設(shè)計安全評估數(shù)據(jù)均在（90，100）范圍內(nèi)，安全等級為c1，充分說明提出高速公路避險車道斷面設(shè)計方法具備可行性。

3 結(jié)語

提升高速公路避險車道斷面寬度設(shè)計水平對保障高速公路安全至關(guān)重要，為此，將模糊理論引用至高速公路避險車道斷面設(shè)計中。首先構(gòu)建避險車道斷面因素影響模型，再對將避險車道斷面進行三段式劃分，其次，對避險車道斷面寬度設(shè)計情況進行細致分析，再利用模糊理論建構(gòu)避險車道安全評估模型，以此實現(xiàn)對高速公路避險車道斷面寬度的設(shè)計。仿真實驗結(jié)果表明，所提方法的設(shè)計斷面寬度安全評估等級均為c1等級，符合高速公路安全需求，可以為高速公路交通安全提供更加有效的手段支撐。但由于時間所限，尚未將更多因素考慮在內(nèi)，在未來的研究過程中，將會著重對此方面進行研究，以期進一步提升高速公路交通安全水平。