基于實(shí)際速度運(yùn)行特征的山區(qū)高速公路交通安全性分析

劉擁華，姚逸豪，孫靜怡，段莉珍,2，袁繼婷

(1.昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.云南省交通科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650011)

0 引 言

由于地理?xiàng)l件復(fù)雜，山區(qū)高速公路的行車安全是道路交通系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)，車速越高越容易誘發(fā)道路交通安全事故[1-2].如何進(jìn)行山區(qū)高速公路的交通安全性分析，進(jìn)而在事故高發(fā)路段合理控制車速是國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)注的問(wèn)題.云南省地處我國(guó)西南，省內(nèi)山區(qū)高速公路線形復(fù)雜陡峭，道路安全設(shè)施不完善，交通事故發(fā)生率比其它地區(qū)要高[3]，且隨著大型車輛重載化的發(fā)展及混入率的不斷提高，進(jìn)一步干擾了高速公路上其它類型車輛的通行，使得高速公路行車安全性逐年下滑[4].

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在山區(qū)高速公路速度與交通安全等方面都進(jìn)行了深入的研究.孔德文[5]基于高速公路的多車道特征，探討了多車道高速公路大型車輛速度運(yùn)行特征及對(duì)交通的影響；韋建穎[6]研究了廣西高速公路的限速對(duì)策，構(gòu)建了速度控制管理驗(yàn)證研究模型，用于山區(qū)高速公路車輛限速方案；郭忠印等[7]基于特殊路段及車輛運(yùn)行特征，根據(jù)流量與車速的關(guān)系構(gòu)建了特殊路段實(shí)際容量的理論分析模型；Batrakova等[8]研究發(fā)現(xiàn)交通事故率與環(huán)境、駕駛員、交通和車輛相關(guān)，構(gòu)建了交通狀況因素和駕駛員駕駛狀態(tài)指標(biāo)的關(guān)系模型；基于限速措施在交通安全方面的普適性，Vadeby等[9]研究了有無(wú)攝像機(jī)的高速公路限速差異及車輛速度對(duì)交通事故的影響.以上研究都對(duì)山區(qū)高速公路車輛速度運(yùn)行特征進(jìn)行了分析，但是數(shù)據(jù)多為采用新型數(shù)據(jù)采集手段得到的車速數(shù)據(jù)，缺少一定的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，也沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)方法.

本文從速度與交通安全的內(nèi)在關(guān)系出發(fā)，基于實(shí)際速度運(yùn)行特征進(jìn)行了觀測(cè)速度特征統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合路段交通狀況和沿線環(huán)境，從斷面車輛平均速度、運(yùn)行速度、斷面車輛速度離散度以及大小車型車速差極差比等方面進(jìn)行闡述.以云南省保山市老營(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段為例進(jìn)行速度特征分析，結(jié)合道路線形條件評(píng)價(jià)路段交通安全水平并提出相應(yīng)的交通安全改善措施，以期對(duì)我國(guó)山區(qū)高速公路的交通安全評(píng)價(jià)提供相關(guān)建議.

1 速度與交通安全

1.1 速度與交通事故致死率

美國(guó)重大事故研究所(NCSS)研究數(shù)據(jù)表明，交通事故中，致死率與ΔV4成正比，當(dāng)ΔV超過(guò)114.24 km/h時(shí)，交通事故致死率為100%.近似函數(shù)如下式[10]：

(1)

式中：IDeath為交通事故致死率，%；ΔV為運(yùn)行速度梯度，即斷面車輛的運(yùn)行速度與平均速度的差值.

1.2 速度標(biāo)準(zhǔn)差與交通事故率

交通事故率隨著車輛速度標(biāo)準(zhǔn)差(車輛速度離散性)的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)[11], 特定關(guān)系模型如下：

AR=9.583e0.055σ

(2)

式中：AR為億車公里事故率，次/(108veh·km)；σ為速度標(biāo)準(zhǔn)差，由公式2可知，速度標(biāo)準(zhǔn)差越大，交通事故率越高.

2 觀測(cè)速度特征統(tǒng)計(jì)分析

在事故高發(fā)路段的車輛速度分析中，主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)斷面車輛速度分布特征、斷面車輛速度離散度以及事故集中路段的車輛超速情況進(jìn)行評(píng)價(jià).對(duì)于整個(gè)路段的車輛運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性，主要是通過(guò)前后路段車輛運(yùn)行速度差以及大小車型車速差極差比對(duì)交通流運(yùn)行特性進(jìn)行評(píng)價(jià).

2.1 斷面車輛平均速度、V85及V15統(tǒng)計(jì)

實(shí)際觀測(cè)速度是指在路段上進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量和拍攝，輔助使用測(cè)速儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后得到的觀測(cè)速度.本文主要針對(duì)實(shí)際觀測(cè)速度，對(duì)斷面車輛平均速度、第85%位行駛速度(V85)以及第15%位行駛速度(V15)進(jìn)行分析，而通常車輛運(yùn)行速度采用第85%位行駛速度(V85)作為代表速度.斷面車輛平均速度代表不同類型車輛觀測(cè)速度的平均值，計(jì)算方法是將不同類型車輛的速度觀測(cè)值累加，得到的結(jié)果再與不同車型的統(tǒng)計(jì)數(shù)量相除.斷面車輛平均速度的計(jì)算公式如下：

(3)

第85%位行駛速度(V85)及第15%位行駛速度(V15)的統(tǒng)計(jì)示意圖如圖1所示.

圖1 V85及V15統(tǒng)計(jì)方法Fig.1 Statistical method of V85andV15

2.2 斷面車輛速度離散度

斷面車輛速度離散度通常采用觀測(cè)速度標(biāo)準(zhǔn)差(SD)、第85%位行駛速度與第15%位行駛速度之差(V85-V15)以及變異系數(shù)(CV)來(lái)表示.相關(guān)研究表明，速度離散程度越高，事故發(fā)生率越高.各指標(biāo)的具體計(jì)算方法如下.

觀測(cè)速度標(biāo)準(zhǔn)差(SD)：

(4)

變異系數(shù)(CV)：

(5)

式中：CV為變異系數(shù)，SD為觀測(cè)速度標(biāo)準(zhǔn)差.

2.3 大小車型車速差極差比

大型車與小型車車速的差值定義為大小車型車速差. 通過(guò)對(duì)斷面車速進(jìn)行調(diào)研，得到斷面車速的大小車型車速差，進(jìn)一步地，提取區(qū)間內(nèi)各斷面大小車型車速差的極大值與平均值，可分析其與評(píng)價(jià)路段事故率的相關(guān)關(guān)系.同時(shí)，考慮到大小車型車速差極大值與平均值都沒(méi)有將區(qū)間內(nèi)大小車型車速差的離散性表現(xiàn)出來(lái)，引入?yún)^(qū)間大小車型車速差極差比進(jìn)行研究[12].區(qū)間內(nèi)大小車型車速差極差比的計(jì)算方法為：將區(qū)間各斷面大小車型車速差的極大值與極小值相減，再與區(qū)間內(nèi)各斷面大小車型車速差平均值相除，目的是消除樣本數(shù)據(jù)的波動(dòng)對(duì)事故率分析的影響.大小車型車速差極差比的計(jì)算公式如下：

(6)

根據(jù)路段車輛運(yùn)行速度特征指標(biāo)與安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，確定相應(yīng)的安全等級(jí)對(duì)應(yīng)的車輛運(yùn)行速度特征指標(biāo)范圍[12]，提出基于運(yùn)行速度特征的連續(xù)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示.

表1 基于運(yùn)行速度特征的連續(xù)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 案例應(yīng)用

3.1 評(píng)價(jià)路段背景

評(píng)價(jià)路段位于G56杭州至瑞麗高速公路大理至保山段上行：老營(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段.線路總長(zhǎng)約13 km，圓曲線半徑區(qū)間400 m～2 000 m，坡度區(qū)間-6%～6%，直線與曲線組合彎坡路段較多.

根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B05-2015)[13]的分析單元?jiǎng)澐衷瓌t，以縱斷面坡度和圓曲線半徑為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑牙蠣I(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段分為13個(gè)典型斷面.在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同分析單元的線性特性，結(jié)合評(píng)價(jià)路段所在的公路網(wǎng)布局，將老營(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段的13個(gè)典型斷面歸納為4個(gè)區(qū)間進(jìn)行區(qū)間調(diào)研，進(jìn)一步分析不同區(qū)間內(nèi)的交通流運(yùn)行狀況.每個(gè)區(qū)間各斷面的線性特性如表2所示.

表2 評(píng)價(jià)路段斷面概覽表

3.2 評(píng)價(jià)路段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2.1 斷面大型車比例

利用雷達(dá)測(cè)速儀和AxleLight RLU11便攜式路側(cè)激光交通調(diào)查儀采集各個(gè)區(qū)間各斷面車速以及交通流量數(shù)據(jù).老營(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段13個(gè)典型斷面的大型車比例如圖2所示，大型車占比過(guò)大容易對(duì)小型車安全行駛造成一定影響.

圖2 評(píng)價(jià)路段激光觀測(cè)斷面大型車比例Fig.2 Large vehicle ratio of laser observation section of evaluation section

3.2.2 斷面大小車型運(yùn)行速度V85統(tǒng)計(jì)

老營(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段13個(gè)典型斷面的大小車型運(yùn)行速度V85統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示，大小車型的運(yùn)行速度均較高且速度差較大.在復(fù)雜多變的道路條件下行車，速度過(guò)高不利于減速且容易引發(fā)交通事故，應(yīng)采取相應(yīng)的限速措施，增加行車安全性.

表3 評(píng)價(jià)路段的大小車型運(yùn)行速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 交通安全性分析

3.3.1 車輛運(yùn)行速度一致性分析

老營(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段大小車型分別限速60 km/h和90 km/h，根據(jù)速度調(diào)查結(jié)果，分別對(duì)小型車速度超過(guò)100 km/h、90 km/h、80 km/h和70 km/h以及大型車速度超過(guò)90 km/h、80 km/h、70 km/h和60 km/h的車輛數(shù)占觀測(cè)小型車及大型車總數(shù)的比例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示.大小車型速度較高且速度差較大，大型車高速行駛在危險(xiǎn)路段，若遇惡劣氣候條件容易側(cè)翻，而大型車速度太慢易造成追尾、超車相撞等危險(xiǎn)，在彎道行駛時(shí)若遇上雨天或其他突發(fā)狀況容易導(dǎo)致連環(huán)事故.因此，應(yīng)該根據(jù)路線情況實(shí)施合理的限速和保持車距等標(biāo)志，并配合相應(yīng)的行駛速度提示標(biāo)志或速度監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)置減速設(shè)施，控制車速.

圖3 評(píng)價(jià)路段13個(gè)斷面超過(guò)各速度區(qū)間的車輛占比Fig.3 The proportion of vehicles with 13 sections exceeding each speed ranges of evaluation section

3.3.2 斷面車輛速度離散度分析

斷面車輛速度離散度分析主要通過(guò)觀測(cè)速度標(biāo)準(zhǔn)差、V85-V15以及變異系數(shù)等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià).如圖4所示，小型車的速度離散度偏大，相關(guān)研究表明，速度離散度越大，事故率越高.因此，建議設(shè)置減速設(shè)施，降低車輛在該路段的行駛速度，使其在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，從而有效降低車速的離散程度，使車輛在高速公路上形成綠波流，減少車輛的行車延誤，更重要的是盡可能地避免車輛反復(fù)制動(dòng)，保證車輛在高速公路上安全有序地前行.

圖4 評(píng)價(jià)路段13個(gè)斷面速度離散度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Statistical results of speed dispersion of 13 sections of evaluation section

3.3.3 大小車型車速差極差比分析

評(píng)價(jià)路段大小車型車速差極差比結(jié)果如表4所示. 該評(píng)價(jià)路段區(qū)間運(yùn)行速度特征連續(xù)性一般，大小車型速度線性一致性較差.可以采取的措施有：①降低小型車運(yùn)行速度，減小大小車型車速差；②改變公路線形，可適當(dāng)重新設(shè)計(jì)相關(guān)路段線形；③在線形過(guò)渡段設(shè)置不平整的減速路面；④在事故多發(fā)路段合理設(shè)置減速標(biāo)志標(biāo)識(shí).

表4 評(píng)價(jià)路段大小車型車速差極差比

3.3.4 路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性分析

評(píng)價(jià)路段4個(gè)區(qū)間的大小車型運(yùn)行速度V85統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示. 各觀測(cè)斷面的大小車型運(yùn)行速度差較大，其中K119+400、K114+200和K112+200前后路段運(yùn)行速度差甚至超過(guò)30 km/h.從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，小型車運(yùn)行速度較高，前后斷面運(yùn)行速度波動(dòng)較大，大型車在斷面K119+400運(yùn)行速度最大，后呈下降趨勢(shì)；K112+200是小半徑圓曲線所處路段，路段較為危險(xiǎn).建議在評(píng)價(jià)路段采取必要的速度控制措施，設(shè)置橫向減速標(biāo)志，急彎處設(shè)置警示標(biāo)志，降低小型車運(yùn)行速度，減小大小車型運(yùn)行速度差.

圖5 評(píng)價(jià)路段4個(gè)區(qū)間的大小車型運(yùn)行速度統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical chart of running speed of large and small vehicles in 4 sections of evaluation section

3.4 限速措施分析

區(qū)間1中，K120+850觀測(cè)點(diǎn)位于長(zhǎng)下坡路段，前方路段為圓曲線路段，為了安全減速，應(yīng)設(shè)置橫向減速標(biāo)線或視覺(jué)減速標(biāo)線.K118+800觀測(cè)點(diǎn)位于駛出曲線的直線路段終點(diǎn)，該直線段太短，加速時(shí)間不足，運(yùn)行速度下降. 由于此斷面車輛開(kāi)始駛?cè)敕聪驈澋溃覐澋绖偤迷跇蛄憾紊?，視距?yán)重受阻，盡管運(yùn)行速度有所下降，但大小車型的運(yùn)行速度差較大，應(yīng)在該路段增加相應(yīng)的左轉(zhuǎn)彎上橋提示標(biāo)志及橫向減速標(biāo)線或視覺(jué)減速標(biāo)線.

區(qū)間2中，K115+900觀測(cè)點(diǎn)位于緩和曲線路段的終點(diǎn)，快速左轉(zhuǎn)彎進(jìn)入彎道行駛，容易引發(fā)交通事故，應(yīng)在該路段設(shè)置左轉(zhuǎn)彎提示標(biāo)志.K115+000與K113+750觀測(cè)點(diǎn)位于長(zhǎng)下坡入彎路段和長(zhǎng)下坡路段，大小車型的運(yùn)行速度較高且速度差較大，應(yīng)在該路段設(shè)置橫向減速標(biāo)線或視覺(jué)減速標(biāo)線，適當(dāng)布置減速帶.

區(qū)間3中，K112+450觀測(cè)點(diǎn)位于曲率較大的圓曲線的曲中位置，該斷面大小車型的運(yùn)行速度較高且速度差較大，速度過(guò)大不利于車輛曲線行駛，更壞的情況下可能會(huì)加大車輛與隔離欄碰撞的可能，應(yīng)在該路段進(jìn)入小半徑路段前設(shè)置急彎減速標(biāo)志及橫向減速標(biāo)線，實(shí)現(xiàn)低速過(guò)彎.K112+200觀測(cè)點(diǎn)位于圓曲線與直線交點(diǎn)位置，該斷面大小車型的運(yùn)行速度相對(duì)穩(wěn)定，但此斷面處于過(guò)渡段，故該路段在進(jìn)入圓曲線路段前應(yīng)設(shè)置急彎減速標(biāo)志及橫向減速標(biāo)線，實(shí)現(xiàn)低速過(guò)彎.K111+050觀測(cè)點(diǎn)位于橋面上，該點(diǎn)處于曲線與直線組合的直線段上，大小車型的運(yùn)行速度較高且運(yùn)行速度差較大，此區(qū)間運(yùn)行速度過(guò)高不利于在圓曲線路段上減速，應(yīng)在該路段設(shè)置橫向減速標(biāo)線、視覺(jué)減速標(biāo)線或設(shè)置抓拍攝像頭.

區(qū)間4中，K109+200觀測(cè)點(diǎn)處于圓曲線的下坡，彎道較大，大小車型的運(yùn)行速度較高且速度差較大，此區(qū)間運(yùn)行速度過(guò)高不利于在圓曲線路段上減速，應(yīng)在該路段設(shè)置橫向減速標(biāo)線或視覺(jué)減速標(biāo)線.K108+500觀測(cè)點(diǎn)位于直線與緩和曲線交點(diǎn)處，大小車型的運(yùn)行速度相對(duì)穩(wěn)定，但處于線形過(guò)渡區(qū)，應(yīng)在此處設(shè)置線形過(guò)渡指示標(biāo)志，提醒駕駛員做好相應(yīng)駕駛準(zhǔn)備.

4 結(jié) 論

山區(qū)高速公路的交通安全評(píng)價(jià)主要考慮車輛運(yùn)行速度的特性與道路線形設(shè)計(jì)的特征等.本文基于實(shí)際速度運(yùn)行特征提出了觀測(cè)速度特征統(tǒng)計(jì)分析方法，以云南省保山市老營(yíng)至瀾滄江山區(qū)高速公路路段為例從車輛運(yùn)行速度一致性、斷面車輛速度離散度、大小車型車速差極差比以及路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性4個(gè)方面進(jìn)行速度特征分析，結(jié)合道路線形條件評(píng)價(jià)路段交通安全水平并提出相應(yīng)的交通安全改善措施.研究結(jié)果表明：基于實(shí)際速度運(yùn)行特征的山區(qū)高速公路交通安全性分析方法與采用新型數(shù)據(jù)采集手段得到的車速數(shù)據(jù)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，顯著加強(qiáng)了評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，結(jié)合案例驗(yàn)證了利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)山區(qū)高速公路進(jìn)行安全性分析的合理性，可為實(shí)際工程評(píng)價(jià)提供一定參考.

本文提供了一種面向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的山區(qū)高速公路交通安全評(píng)價(jià)思路，但由于車輛的實(shí)際速度經(jīng)常受到非道路因素的影響，下一步研究中可在不同非道路因素影響下多觀測(cè)幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)一步加強(qiáng)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性.