周維東,鄔洪波,廖軍洪

(1. 安徽省高速公路路政支隊(duì),安徽 合肥 230022；2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

基于事故預(yù)測的山區(qū)高速公路長下坡安全評價(jià)

周維東1,鄔洪波2,廖軍洪2

(1. 安徽省高速公路路政支隊(duì),安徽 合肥 230022；2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088)

在收集國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上,對影響山區(qū)高速公路長下坡安全性的線形因素進(jìn)行了分析。通過對國內(nèi)幾條典型山區(qū)高速公路長下坡交通事故和線形數(shù)據(jù)的采集與分析,建立了長下坡路段交通事故預(yù)測模型,提出了基于事故預(yù)測的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)流程,并將評價(jià)模型在某山區(qū)高速公路長下坡路段進(jìn)行了應(yīng)用。實(shí)例分析結(jié)果表明,該模型具有較好的適用性。

交通工程；高速公路；長下坡；事故預(yù)測；安全評價(jià)

近年來,隨著我國西部地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的推進(jìn),山區(qū)高速公路的通車?yán)锍坛掷m(xù)增長。山區(qū)高速公路越嶺路段具有地勢落差大、地形狀況多變等特點(diǎn),在進(jìn)行道路縱斷面設(shè)計(jì)時,為克服高差及控制工程規(guī)模,通常采取陡坡接緩坡的設(shè)計(jì)方式,即“臺階式”長下坡路段。據(jù)調(diào)查,對于許多已開通的山區(qū)高速公路連續(xù)長大下坡,重特大交通事故時有發(fā)生。通過對事故原因進(jìn)行分析,主要有以下兩個方面：① 小客車在長下坡路段超速行駛,車輛失控沖出路外；② 載重貨車特別是超載車輛由于頻繁使用制動,導(dǎo)致剎車失靈,與前方正常行駛的車輛發(fā)生追尾事故。對事故的深層次原因進(jìn)行分析,線形設(shè)計(jì)的不合理性是誘發(fā)事故的重要因素[1]。因此,對于長下坡路段,有必要在設(shè)計(jì)階段就線形指標(biāo)及其組合進(jìn)行安全評價(jià),從而減少長大下坡路段的交通事故,并降低事故損失。目前,長下坡路段設(shè)計(jì)方案的安全評價(jià),一般采用基于貨車制動轂溫度預(yù)測模型、運(yùn)行速度、駕駛員心生理指標(biāo)等間接的評價(jià)方法[2-4]。這些方法盡管考慮了道路線形和車輛參數(shù)的影響,但由于模型參數(shù)未與事故指標(biāo)關(guān)聯(lián),評價(jià)結(jié)論往往與實(shí)際安全水平有一定的差異?；诖?筆者采集了國內(nèi)典型的山區(qū)高速公路長大下坡路段的線形指標(biāo)及交通事故數(shù)據(jù),并進(jìn)行相關(guān)性分析,建立了長下坡路段事故率與主要線形指標(biāo)的關(guān)系模型。提出了基于事故預(yù)測的安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)流程,以對長下坡設(shè)計(jì)方案的安全性用事故指標(biāo)進(jìn)行直接評價(jià),提高了評價(jià)結(jié)論的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1 長下坡安全影響因素分析

長下坡路段的安全性受縱坡坡度(G)、坡長(d)、平曲線半徑(R)等線形因素的影響。

1.1 道路縱坡與安全性的影響

圖1是德國交通事故率λ與縱坡坡度G的關(guān)系曲線[5]。由圖1可見,當(dāng)?shù)缆房v坡處于0%～2%范圍時,下坡事故率與上坡事故率基本一致,且事故率較??；當(dāng)?shù)缆房v坡處于2%～4%范圍時,下坡事故率逐漸高出上坡事故率,下坡事故率的數(shù)值上升較快；當(dāng)?shù)缆房v坡大于6%時,上坡事故率無明顯變化,而下坡事故率迅速上升,以倍數(shù)速度增長。

圖1 德國高速公路事故率與縱坡關(guān)系Fig.1 Relationships between the accident rate and longitudinal gradient in Germany

國內(nèi)相關(guān)研究表明,道路縱坡與交通事故率之間的關(guān)系體現(xiàn)在數(shù)值上有一定差距,但曲線走向基本一致。

S.P. MIAOU[6]對美國猶他州的11 539個路段和6 680件單車沖出道路的事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立了兩者之間的關(guān)系式,如式(1)：

(1)

對式(1)進(jìn)行分析,當(dāng)?shù)缆房v坡降低1%,交通事故率能減小約8.1%。

V. V. SILYANOV[7]分析了前蘇聯(lián)、德國和英國的道路交通事故數(shù),建立了道路縱坡和事故率之間的關(guān)系,如式(2)：

N=0.265+0.105G+0.023G2

(2)

式中：G為道路縱坡坡度,%。

對式(2)進(jìn)行分析,隨著道路縱坡的增大,事故率也隨之升高,且隨著坡度的持續(xù)增長,道路交通事故率升高趨勢越明顯。

陳斌等[8]結(jié)合典型長下坡路段的交通事故數(shù)據(jù),運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與回歸分析方法,研究了交通事故與道路縱斷面參數(shù)之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明：在長下坡路段地點(diǎn)坡度為3%～4%時,事故率最高；事故率與事故發(fā)生地點(diǎn)前2 km以上路段平均縱坡呈顯著的指數(shù)關(guān)系。

歸納起來,縱坡坡度對交通安全的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：① 坡度的不均勻變化,導(dǎo)致線形連續(xù)性差,隨之車輛運(yùn)行速度差值也較大,車輛制動頻繁,易誘發(fā)剎車失靈等事故；② 車輛在長下坡路段受自身重力的影響產(chǎn)生順坡方向的加速度,形成安全隱患；③ 車輛在長下坡路段的行駛速度較高,一旦遇到突發(fā)狀況,往往來不及躲避或剎車,容易釀成追尾事故。

1.2 縱坡坡長與安全性的關(guān)系

縱坡坡長對交通安全的影響主要取決于縱坡坡度,加強(qiáng)或削弱坡度對安全的影響。一方面,長陡坡會導(dǎo)致車輛加速度的積累,車速逐漸加快從而導(dǎo)致事故發(fā)生。另一方面,縱坡過長易導(dǎo)致駕駛員出現(xiàn)錯覺,比如駕駛員往往將長縱坡接緩下坡路段誤認(rèn)為上坡路段,從而加速行駛誘發(fā)交通事故。

法國SETRA關(guān)于長下坡的研究成果[9]將d·p值作為風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(d為長下坡累計(jì)坡長,m；p為長下坡平均縱坡坡度,%)。當(dāng)d·p<130時,車輛在長下坡上不會發(fā)生過度風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)d·p≥130且p≥3%時,隨著d·p值的增加,長下坡事故率也隨之增加；當(dāng)p<3%時,無論d·p值多大,均不會發(fā)生交通事故。

在現(xiàn)行的JTG D20—2006《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中,主要依據(jù)汽車的爬坡動力性能確定最大縱坡及坡長,很少考慮下坡路段的安全性。盡管設(shè)計(jì)方案中采用的縱坡坡度和坡長均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,但通車后卻容易發(fā)生交通事故,這種情況在長下坡路段尤為常見。縱坡長度過短,會使行車頻繁顛簸,影響行車安全。當(dāng)坡長過長時,車輛在下坡行駛中加速度導(dǎo)致速度持續(xù)增長,易誘發(fā)事故。

袁偉等[11]對事故率與地點(diǎn)坡度以及事故率與一定坡長的平均坡度進(jìn)行了回歸分析。結(jié)果表明,與地點(diǎn)坡度相比,事故率與一定坡長的平均坡度的相關(guān)關(guān)系更為密切。因此,在研究道路縱斷面參數(shù)與交通事故之間的關(guān)系時,應(yīng)當(dāng)綜合考慮道路縱坡和坡長參數(shù)。

山區(qū)高速公路長下坡路段交通事故統(tǒng)計(jì)也表明,長下坡路段后半段發(fā)生的事故在整個路段事故總數(shù)中占有相當(dāng)高的比例,事故大多集中在路段中下部,而且隨下坡里程的累積事故數(shù)呈遞增趨勢。

1.3 平曲線與安全性的關(guān)系

平曲線路段是山區(qū)高速公路長大下坡路段的事故多發(fā)段。車輛在長下坡路段行駛的速度通常較大,若長下坡伴有小半徑曲線路段,車輛受到較大的離心力作用,駕駛員操縱車輛的難度加大。離心力與平曲線曲率相關(guān)性大,車輛在同一速度條件下,平曲線路段的曲率越大,則離心力越大。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究[12-13],平曲線路段的曲率越大,道路交通事故率越大。特別是當(dāng)平曲線路段曲率達(dá)到10以上時,事故率急劇增長。平曲線曲率與交通事故率之間的關(guān)系如表1。

表1 事故率與曲率的關(guān)系

2 長下坡路段事故預(yù)測模型

通過對典型山區(qū)高速公路長下坡路段的交通事故數(shù)據(jù)和線形指標(biāo)進(jìn)行調(diào)研分析,提取了事故率與地點(diǎn)坡度G、平均縱坡坡度P、累計(jì)坡長d和平曲線半徑R等數(shù)據(jù),以建立長下坡路段幾何指標(biāo)與事故率之間的定量關(guān)系模型。

2.1 單個指標(biāo)與事故率的關(guān)系

長下坡路段事故率與地點(diǎn)坡度、累計(jì)坡長、平均縱坡和平曲線半徑單個指標(biāo)的關(guān)系如圖2。

圖2 長下坡路段事故率與影響因素的關(guān)系Fig.2 Relationships between accident rate and factors

由圖2可知,事故率與平均坡度和平曲線半徑的相關(guān)關(guān)系要強(qiáng)于事故率與地點(diǎn)坡度和累計(jì)坡長的相關(guān)關(guān)系。

進(jìn)一步利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論,分別建立了事故率λ與平均縱坡P和平曲線半徑R的關(guān)系模型,如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

2.2 組合指標(biāo)與事故率的關(guān)系

根據(jù)對單個指標(biāo)與長下坡路段事故率關(guān)系分析可知,平曲線半徑及平均縱坡對事故率有較高的影響。基于此,筆者進(jìn)一步研究了平曲線半徑和平均縱坡對長下坡路段事故率的綜合影響,并且建立了相應(yīng)的回歸模型,如式(5)：

(R2=0.80)

(5)

式中：λ為預(yù)測點(diǎn)的事故率,次/百萬車公里；P為從坡頂?shù)筋A(yù)測點(diǎn)的平均縱坡,%；R為預(yù)測點(diǎn)所在的平曲線半徑,m。

為分析上述模型的合理性,根據(jù)陜西某高速公路長下坡路段的數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果如表2。

表2 事故預(yù)測模型驗(yàn)證結(jié)果

由表2可知,與實(shí)際事故率相比,預(yù)測結(jié)果的相對誤差能控制在15%以內(nèi),這表明預(yù)測模型精度較高,可用于山區(qū)高速公路長下坡路段設(shè)計(jì)方案的安全評價(jià)。

3 基于事故預(yù)測的長下坡安全評價(jià)

3.1 評價(jià)思路

基于事故預(yù)測評價(jià)方法的基本思路是將長下坡路段劃分為若干評價(jià)單元,每個評價(jià)單元具有確定的、唯一的平曲線半徑和縱坡,把每一評價(jià)單元的中點(diǎn)作為該評價(jià)單元事故率的預(yù)測點(diǎn),然后根據(jù)從坡頂?shù)筋A(yù)測點(diǎn)的平均縱坡以及預(yù)測點(diǎn)所在的平曲線半徑對評價(jià)單元的事故率進(jìn)行預(yù)測,再利用預(yù)測結(jié)果對評價(jià)單元進(jìn)行評價(jià)分析,借此找出設(shè)計(jì)方案中幾何線形指標(biāo)及其組合相對較差的路段。

3.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

筆者調(diào)研分析了廣東京珠北高速公路和山西太舊高速公路等具有典型山區(qū)高速公路特征的長大下坡路段的交通事故數(shù)據(jù),并基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)法建立了長下坡路段的安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其基本思路為：首先確定在正常條件下事故發(fā)生的概率分布,以該概率分布作為安全評價(jià)的依據(jù)；然后檢驗(yàn)路段事故發(fā)生次數(shù)是否在正常的概率范圍內(nèi),若處于該范圍,則判定其安全水平為中等,若高出范圍上限,則判定其安全水平為差,若低于范圍下限,則判定其安全水平為好。對于某一長大下坡路段,通常發(fā)生的事故次數(shù)近似服從正態(tài)分布,定義隨機(jī)變量：

(6)

式中：λ1為路段預(yù)測事故率,次/百萬車公里；λ2為路段平均事故率,次/百萬車公里；σ為路段事故率標(biāo)準(zhǔn)差,次/百萬車公里。

隨機(jī)變量Z服從正態(tài)分布,取置信度為95%,則當(dāng)Z>1.96時,表明路段安全水平為差；當(dāng)Z<-1.96時,表明路段安全水平為好；當(dāng)-1.96≤Z≤1.96時,表明路段安全水平為中等。

根據(jù)上述思路,筆者針對長下坡路段提出了基于事故預(yù)測的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),如表3。

表3 基于事故預(yù)測的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 評價(jià)流程

基于事故預(yù)測的長下坡路段安全評價(jià)流程可簡單概括為如下4個步驟：

1)根據(jù)線形指標(biāo)將長下坡路段分成若干評價(jià)單元；

2)通過事故預(yù)測模型對評價(jià)單元的事故率進(jìn)行預(yù)測；

3)利用表3中的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對評價(jià)單元的安全水平進(jìn)行評價(jià)；

4)基于評價(jià)結(jié)果提出相應(yīng)的安全完善建議。

3.4 評價(jià)實(shí)例

以某山區(qū)高速公路長下坡路段設(shè)計(jì)方案為例,該長下坡全長13.291 km,平均縱坡為2.404%。各評價(jià)單元坡長、縱坡及平曲線半徑等相關(guān)信息如表4。

表4 長下坡路段各評價(jià)單元相關(guān)信息

由式(5)計(jì)算可得各評價(jià)單元的事故率,并對照表3給出的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)得到各評價(jià)單元的安全水平,結(jié)果見表5。

表5 各評價(jià)單元事故率及安全水平

由表5可以看出,在16個評價(jià)單元中,6個評價(jià)單元的安全水平為中,且基本位于長下坡路段中下部。由于縱坡的累積效應(yīng),長下坡路段坡中和坡底發(fā)生交通事故的概率明顯高于坡頂,建議除盡可能降低長下坡路段中下部的縱坡坡度外,平曲線半徑宜采用較大值,一般應(yīng)不小于1 000 m。

4 結(jié) 語

受地形地貌、地質(zhì)條件等自然環(huán)境因素的限制,我國一些山區(qū)高速公路不可避免地出現(xiàn)了長下坡路段。由于其特殊的道路環(huán)境條件,再加上重載貨車和小型客車混行率較高,長下坡路段一旦發(fā)生交通事故后，事故嚴(yán)重程度高、社會負(fù)面影響大。基于事故預(yù)測的長下坡路段評價(jià)方法，重點(diǎn)利用長下坡路段預(yù)測點(diǎn)至坡頂?shù)钠骄v坡和平曲線半徑,對預(yù)測點(diǎn)表征的評價(jià)單元的事故率進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)預(yù)測結(jié)果對評價(jià)單元進(jìn)行分析,借此找出設(shè)計(jì)方案中幾何線形指標(biāo)及其組合相對較差的路段,并進(jìn)行安全改善,以提高長下坡路段開通后的運(yùn)營安全水平。該方法能合理地評價(jià)出長大下坡的危險(xiǎn)路段,對提高山區(qū)高速公路長大下坡路段的安全水平具有重要借鑒意義。

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Safety Assessment for Long Downgrade of Expressway in Mountainous Area by Method of Accident-prediction

ZHOU Weidong1,WU Hongbo2,LIAO Junhong2

(1. Road Administration Detachment of Anhui Expressway, Hefei 230022, Anhui,P.R.China ； 2. Research Institute of Highway of the Ministry of Transport,Beijing 100088,P.R.China)

Based on collection of relevant materials domestic and abroad, alignment factors affecting the safety performance of long downgrade of expressway in mountainous area were analyzed. The traffic accident prediction model for long downgrade was developed by collecting and analyzing traffic accident and alignment data from several typical expressways in domestic mountainous area. The assessment standard and procedure based on accident prediction was proposed and applied in practice. The case analysis results show the good applicability of this given model.

traffic engineering；expressway；long downgrade；accident prediction；safety assessment

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.22

2015-06-18；

2015-09-23

周維東(1968—)，男，安徽合肥人，工程師，碩士，主要從事高速公路路政管理方面的研究。E-mail:330653341@qq.com。

U491.5

A

1674-0696(2016)05-110-05