下坡路段的道路线形设计安全评价方法

　　摘要：长大下坡路段往往是事故多发路段，本文基于实测数据，分析长下坡路段道路线形设计的交通安全影响因素，总结出下坡路段道路加速度模型，根据加速度变化量与交通安全之间的关系，提出以加速度的变化量为评价道路安全的量化指标，确定下坡路段道路线形设计的评价标准，来评价其安全性和合理性。

　　关键词：下坡；加速度；安全评价

　　公路线形设计原则，体现了线形设计在公路设计中的重要程度。公路条件主要是由公路线形决定的，线形设计是公路设计的核心，它最终决定了公路的空间位置以及公路在驾驶员视觉中的反映。公路建成后，要改变线形几乎是不可能的，它将长期影响和限制汽车在公路上的运行。线形设计的好坏，对汽车行驶的安全、经济、舒适及通行能力都起着决定性的作用，因此在线形设计时，必须对公路应具有的性能与作用进行充分慎重地研究，所以对公路的线形设计质量进行安全评价的研究是很有意义的。

　　本文主要讨论下坡路段道路线形设计安全评价方法。根据以往的研究大多以速度为指标评价道路线形，因为速度可以体现道路线形的几何特征；由于受力而产生的加速度是速度的核心表征，更能体现道路线形对车辆行驶的影响，在一定程度上能够反映出道路线形所引起的车辆行驶状态的变化，反映出车辆行驶时的突然加速或减速的不稳定状态，这种变化往往是导致事故发生的原因。因此，本文从实测数据出发，以新疆连霍国道主干线博赛路段为样本点，采集其直接反映道路条件信息的实时车辆加速度数据，提出基于加速度变化的下坡路段道路线形设计的安全评价方法。

　　1 下坡路段的安全分析

　　车辆在纵坡上行驶时，无论上坡或下坡对交通安全都有直接影响，在单方向行车的公路上，下坡方向的事故数要比上坡多，且当纵坡坡度大于6%时，行车事故明显超出平均事故数[1]。因此，在道路设计规范中，从经济性与安全性出发，对允许的最大纵坡的坡长、坡度进行了规定。

　　在汽车的下坡过程中，驾驶员根据道路的情况会采取加速换档或减速换档操作。对于正常驾驶的驾驶员来说，当驾驶员根据道路的情况判断需要减速的时候，驾驶员会跟据当时道路线形的具体情况采取空档行驶、放松油门或者是踩刹车的方式来进行减速[2]。当驾驶员慢慢的减速，此时的加速度变化一般很小，对行车安全性不会有什么影响；但如果道路线形使得驾驶员紧急刹车或者减速，车辆加速度就会有较大的变化，此时行车的安全性就受到严重影响，甚至发生交通事故。

　　纵面线形因素对交通安全影响比较突出的因素主要有：坡度和变坡点处的竖曲线半径。尽管在连续上坡或下坡的变坡点处插入了竖曲线，但曲线上的纵坡坡度仍然很大，考虑到坡度和安全之间的关系极为密切，故采用平均坡度作为反映变坡点处公路线形条件的1个因素。

　　在下坡路段，凹凸竖曲线对交通安全的影响机理不同，而且相同半径竖曲线的影响效果也不同，因此在分析变坡点处交通安全时，将凹凸竖曲线分开来考虑，这样在下坡路段上的交通安全预估模型可以划分为3个部分：

　　1）直坡段上的交通安全预估模型，考虑因素为坡度值；

　　2）凹竖曲线上，考虑因素为竖曲线半径和平均坡度；

　　3）凸竖曲线上，考虑因素为竖曲线半径和平均坡度。

　　其中，平均坡度 是指一定长度的路段纵向所克服的高差与路线长度之比[3]。

　　2 下坡路段的加速度模型

　　速度是道路线形几何特征对驾驶行为影响的最直接和最客观的体现，而加速度是速度的核心表征[4]，更能体现道路线形对车辆行驶的影响，在一定程度上能够反映出道路线形所引起的车辆行驶状态的变化[5]。

　　因此，讨论下坡路段的各个影响因素与加速度的变化的关系，建立下坡路段的加速度模型。由于其不同的考虑因素，因此将下坡路段的加速度模型分为以下3部分。

　　其样本路段简介：调查路段为新疆博乐市辖区内，连霍国道主干线博赛段，一级公路，上下行分离段面(2＋2共4个车道)，连续约33km下坡，高差1100m，当地俗称“四台大坡”。

　　2.1 直坡段的加速度模型

　　因为直坡段只有坡度1个因素，采用曲线拟合回归加速度和坡度的相关关系。根据其散点图的变化趋势，采用2次多项式拟合，如图1所示。

 

　　拟合公式如下：

　　a = -0.0117i2 + 0.0901i + 0.0874

　　R2 = 0.8459

　　式中：

　　a——样本路段加速度(m/s2) i——样本路段纵坡坡度（%）

　　从图中可以看出，加速度随着坡度的增加而逐渐有所增加，回归曲线的拐点位置大约在坡度为3.8%左右的位置上，此后，加速度开始有明显的回落。

　　2.2 凸变坡点竖曲线的加速度模型

　　车辆在由直坡段驶入凸竖曲线时，必将引起的车辆行驶状态的变化，加速度的变化可以反映车辆行驶时的突然加速或减速的不稳定状态，这种变化往往是导致事故发生的原因。

　　因此，在凸变坡点处竖曲线上的加速度模型中，考虑竖曲线半径和平均坡度两个因素，采用多元回归拟合。在分析中，用曲度1/R来替代竖曲线半径R得出的结果优于直接用竖曲线半径。应用数理统计软件SPSS具体分析结果如下：

 

 

　　从表4中的数据可以看出，该模型具有良好的拟合程度较高，不仅参数整体( 检验)和各项参数(t检验)的显著性检验都满足，同时相关系数也比较高R2=0.955。此处事故率计算模型为：

 

　　式中：y——每公里加速度的变化量（m/s2）；x1——竖曲线曲率 ；x2——平均坡度 (%)。

　　3 下坡路段交通安全评价

　　3.1 加速度变化与交通安全的关系

　　交通事故是用来评价线形的一个重要而具体的指标。为提高新建高速公路的交通安全性，应该在线形设计完成后，对其进行交通事故预测来评价其建成后可能的使用质量。现根据已有交通事故统计资料来确定线形的安全标准。

　　如图2所示，每公里加速度变化量与事故率（次/km）呈正相关性，加速度变化的幅度越大，则发生交通事故的可能性就越大。

 

　　3.2 下坡路段交通安全评价标准

　　当加速度变化量 值大于0.2m/s2时，相应的事故率相当高；随着 值的减少，当 值落在区间(0.1m/s2，0.2m/s2］内时，相应的事故率逐渐降低，且变化趋于缓和；当 值落在区间(0.02m/s2，0.1m/s2］时，相应的事故率进一步降低；当 值小于0.02m/s2时，相应的事故率已经达到较为理想的状态。据此，可以初步将下坡路段线形的安全评价模型的评价标准划分为4个区间，其评价等级为：优、良、中、差，见表5。

 

　　3.3 安全评价步骤

　　1）根据所要评价下坡路段的设计图纸，进行简单的路段划分即分为直线路段和曲线路段，并列出模型中所需要的基本参数，纵面线形参数(坡度值、竖曲线半径)；

　　2）利用上述基本参数计算模型中所需要的其它参数：凹曲线与凸曲线的划分，变坡点处平均坡度；

　　3）确定线形连续性变化点；

　　4）根据加速度模型计算出变化点处的加速度变化量；

　　5）利用上述下坡路段交通安全评价标准，评价路段的安全情况，根据其安全评价的分布情况，找出线形存在的交通安全隐患，并评价线形设计的优劣。

　　4 结论

　　加速度作为速度的核心要素，在一定程度上能够反映出道路线形所引起的车辆行驶状态的变化，反映了车辆行驶时的突然加速或突然减速的不稳定状态，这种变化往往是导致事故发生的原因。因此可以说，加速度是表征道路交通安全的一项客观的指标，加速度变化量就对应着一定的道路安全水平。因此，本文以加速度的变化量为评价道路安全的量化指标，确定下坡路段道路线形设计的评价标准，来评价其安全性和合理性，应当是公路建设与运营管理的有效尝试。