王曉夢 王雪松

摘 要：不合理的道路設(shè)計對駕駛行為、交通安全有不利影響。隨著我國公路建設(shè)迅猛發(fā)展，在公路工程建設(shè)項目的各個階段道路設(shè)計與安全評估變得越來越重要。美國交通委員會年會為全球各交通研究方向的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)提供了最新成果的交流平臺。本文總結(jié)和分析了道路設(shè)計與安全評估方向的熱點(diǎn)和最新成果。

關(guān)鍵詞：道路設(shè)計；安全評估；平曲線設(shè)計；駕駛模擬器；交通委員會

Recent research progress on highway design and safety evaluation

WANG Xiaomeng， WANG Xuesong

（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： Improper highway design will affect driving simulator and traffic safety. As the highway construction developed rapidly in our country， highway design and safety evaluation become more and more important during each stage of the highway construction. Transportation Research Board （TRB） annual meeting provides a communication platform to share new studies for researchers and academics. This paper summarizes and analyzes the latest research progress on highway design and safety evaluation.

Keywords： Highway design； safety evaluation； horizontal curve； driving simulator； TRB

不協(xié)調(diào)的道路設(shè)計，如某些道路設(shè)計元素存在突變，則會令駕駛?cè)烁械酱胧植患皬亩l(fā)不當(dāng)甚至危險的駕駛操作甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此駕駛?cè)说鸟{駛行為和車輛的運(yùn)行特征可以較準(zhǔn)確地反應(yīng)道路線形設(shè)計中存在的問題[1]。

我國高速公路里程在1988年突破零的記錄，并自此步入持續(xù)、快速的發(fā)展階段。2000年以來，高速公路發(fā)展勢頭迅猛，從1.63萬公里增長至2017年底的13.65萬公里，年均增長達(dá)到0.68萬公里。未來幾年內(nèi)，高速公路還將保持快速增長勢頭。同時，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國公路建設(shè)的重點(diǎn)也開始逐步向山區(qū)轉(zhuǎn)移，受地質(zhì)地形、水文條件、建設(shè)資金等因素的限制，山區(qū)高速公路包含了大量的平曲線、豎曲線及平縱曲線疊加的線形路段（簡稱：平縱組合線形）。平縱組合線形較單一的平曲線和豎曲線更為復(fù)雜。

美國交通研究委員會（Transportation Research Board， TRB）是美國國家研究委員會（National Research Council）下屬的六個部門之一，主要職責(zé)在于領(lǐng)導(dǎo)美國交通創(chuàng)新以及在研究和信息交換方面提供客觀的、跨學(xué)科和多通道的交流。2019年1月，TRB在美國首都華盛頓特區(qū)召開了第98屆年會，在接近800個不同會議和研討會中有超過5000個成果展示。針對道路設(shè)計與安全評估，本文對其研究進(jìn)展及熱點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 道路設(shè)計與安全評估研究熱點(diǎn)

1.1 駕駛模擬實驗最小樣本量

駕駛模擬器實驗中，樣本量大小還尚無統(tǒng)一定論，樣本量太大，會造成人力、物力和財力的浪費(fèi)；樣本量太小，會因抽樣誤差過大而影響研究結(jié)論的準(zhǔn)確性。統(tǒng)計抽樣中為了滿足對總體估計的誤差在一定范圍內(nèi)，在抽樣時需要滿足最小樣本量。

研究基于選定變量系數(shù)均方誤差（MSE）的收斂性，來找到最小樣本量[2]。采集了55位駕駛?cè)说能囕v運(yùn)行數(shù)據(jù)，將車速、車道偏離作為線形安全評估指標(biāo)。通過混合線性模型構(gòu)建了車速與幾何設(shè)計特征的定量關(guān)系；通過混合Logit模型構(gòu)建了車道偏離與幾何設(shè)計特征的定量關(guān)系。通過描述性統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)樣本數(shù)為30時，模型中自變量的系數(shù)及系數(shù)均方誤差趨于穩(wěn)定。進(jìn)一步通過T-test檢驗了樣本數(shù)為30與樣本數(shù)為55時模型系數(shù)的差異，研究表明樣本數(shù)為30時模型的系數(shù)與樣本數(shù)為55的模型系數(shù)沒有顯著差異，確定了基于駕駛模擬器評估道路線形的最小樣本量為55。研究為基于駕駛模擬器實驗的其他研究提供了最小樣本量研究的方法。圖1為不同樣本量的模型變量系數(shù)均方誤差折線圖。

1.2平縱組合線形車道偏移行為

車輛在平曲線上行駛，車輛可能會產(chǎn)生車道偏離。車道偏離易引發(fā)側(cè)碰、追尾及車輛駛出路外事故，是交通安全研究中重要的考慮因素。不良的組合線形設(shè)計，易引發(fā)與車道偏離相關(guān)的事故，如側(cè)碰，追尾或車輛駛出路外事故等[3]。

研究通過駕駛模擬實驗采集了30位駕駛?cè)说能囕v運(yùn)行數(shù)據(jù)，對平縱組合線形路段的車道偏移事件進(jìn)行提取，并通過與離心力方向?qū)④嚨榔剖录譃椋海?）與離心力方向相反車道偏移事件；（2）與離心力方向相同車道偏移事件，并通過負(fù)二項模型分析了4類平縱組合線形的幾何設(shè)計與車道偏移事件的定量關(guān)系[4]。

研究表明：（1）與離心力方向相同車道偏移事件、與離心力方向相反車道偏移事件有顯著不同；（2）平縱組合線形的半徑、超高和圓曲線長度是顯著變量；（3） 對不同的平縱組合線形，顯著的幾何設(shè)計特征不同。

2道路設(shè)計與安全評估最新進(jìn)展

2.1平曲線設(shè)計與安全評估

現(xiàn)有的平曲線設(shè)計是基于車速、半徑、橫向摩擦力和超高，考慮的因素較少且沿用了1900年代的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[5]。加拿大卡爾頓大學(xué)的Bashar Dhahir與Yasser Hassan[6]提出了更為綜合的平曲線設(shè)計框架。利用自然駕駛數(shù)據(jù)、道路線形設(shè)計、路面條件、天氣數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)，此框架能夠定量評估平曲線的安全。具體的設(shè)計步驟如下：

（1）對平曲線的半徑、超高選取初始值，確定橫凈距。

（2）通過車速預(yù)測模型確定曲線起點(diǎn)、重點(diǎn)的車速。

（3）利用駕駛行為參數(shù)模型進(jìn)行可靠性分析預(yù)估行車不穩(wěn)定可能性（POF），駕駛不舒適可能性 （PNC），事故危險可能性（POH），車輛傾翻可能性 （POFR）。

（4）調(diào)整POF、PNC、POH及 POFR反映天氣、路面條件及交通量對行車安全的影響。計算每個平曲線的可靠性指標(biāo)。

（5）利用事故預(yù)測模型估計曲線的事故頻率。

（6）進(jìn)行設(shè)計一致性分析。

（7）若安全分析的結(jié)果在可接受范圍內(nèi)，則確定平曲線設(shè)計。相反，重復(fù)以上步驟，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，設(shè)計平曲線。圖3為平曲線設(shè)計框架。

研究通過數(shù)理統(tǒng)計模型建立了駕駛舒適性、車速、橫向摩擦系數(shù)及橫向加速度4個駕駛行為模型。通過可靠性分析方法對車輛穩(wěn)定性、駕駛舒適性、視距及車輛側(cè)翻進(jìn)行分析，從而進(jìn)行設(shè)計方案的安全性評估，最后通過安全評估模型進(jìn)行事故預(yù)測。

2.2圓曲線車速預(yù)測模型

車速預(yù)測模型用于平曲線的設(shè)計、設(shè)計一致性評價及確定圓曲線部分的限速[7]?，F(xiàn)有研究中針對不同的道路類型，如高速公路、鄉(xiāng)村公路；不同的道路元素，如切線、圓曲線等都有其相對應(yīng)的車速預(yù)測模型。在進(jìn)行車速預(yù)測時，所用的數(shù)據(jù)并沒有考慮駕駛?cè)藢Φ缆返氖煜こ潭葘囁俚挠绊?。以往研究表明，?dāng)駕駛?cè)嗽絹碓绞煜ひ粭l道路時，駕駛?cè)藭x擇更高的車速、更快的瀏覽標(biāo)志標(biāo)牌[8][9]。

美國德州農(nóng)工大學(xué)的Michael P. Pratt[10]等學(xué)者通過自然駕駛數(shù)據(jù)、道路的幾何線形數(shù)據(jù)分析熟悉路線的駕駛?cè)撕筒皇煜ぢ肪€的駕駛?cè)嗽诮?jīng)過曲線時的車速選擇。利用Wilcoxon signed rank test對比分析了熟悉兩類駕駛?cè)说能囁儆袩o顯著區(qū)別，結(jié)果顯示兩類駕駛?cè)说能囁龠x擇有顯著區(qū)別。通過車速預(yù)測模型分別預(yù)測了兩類駕駛?cè)说能囁?，同樣通過Wilcoxon signed rank test分別對比了兩類駕駛?cè)说挠^測車速與預(yù)測車速是否有顯著區(qū)別，結(jié)果顯示，對于熟悉路線的駕駛?cè)耍A(yù)測車速與觀測車速有顯著區(qū)別；對于不熟悉路線的駕駛?cè)耍A(yù)測車速與觀測車速沒有顯著區(qū)別。圖4為兩類駕駛?cè)说能囁俜植紙D。

2.3駕駛模擬實驗與實地測試對比

意大利都靈理工大學(xué)Lorenzo Catani 及Marco Bassani[11]對比分析了模式模擬實驗與實地駕駛環(huán)境下的轉(zhuǎn)向行為。研究對比了曲線起點(diǎn)，中點(diǎn)及終點(diǎn)三處的預(yù)期反應(yīng)距離、曲率及曲率變化率在兩種實驗環(huán)境下的差異。圖5，圖6為該研究團(tuán)隊的實驗設(shè)備。

通過T-test對比分析了駕駛模擬器與實地測試中的預(yù)期反應(yīng)距離、曲率、曲率變化率。結(jié)果表明，在駕駛模擬環(huán)境下的預(yù)期反應(yīng)距離要高于實地測試中的值，曲率和曲率變化率在兩種測試環(huán)境中較為接近，且均低于設(shè)計值。

3 結(jié)論

在道路幾何線形設(shè)計方面，平曲線路段的設(shè)計與安全評估依然是研究的熱點(diǎn)，尤其是平縱組合道路的研究有很長的路要走。另外，匝道、加減速車道、防護(hù)欄、中央分隔帶、道路標(biāo)志標(biāo)線、路側(cè)安全等也成為了研究熱點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)采集方面，自然駕駛研究、駕駛模擬實驗以及兩者的結(jié)合是近幾年該領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集的主要方法。事故數(shù)據(jù)是安全評估最為直觀的評價指標(biāo)，然而事故是小概率事件，且只能用于已建道路的安全評估，通過自然駕駛和駕駛模擬實驗采集到的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，駕駛行為數(shù)據(jù)能夠作為事故替代指標(biāo)彌補(bǔ)事故數(shù)據(jù)的缺失與不足，并能夠為設(shè)計階段的道路安全評估提供依據(jù)。

每年TRB年會能夠吸引全球超過13000名交通運(yùn)輸從業(yè)人員參加。通過總結(jié)TRB年會的研究熱點(diǎn)和最近進(jìn)展，能夠更清晰的認(rèn)識到在道路設(shè)計及安全評估研究方面我國的進(jìn)展與國際最前沿之間的差距，有利用為我國道路設(shè)計及安全評估研究提供未來的前進(jìn)方向。

參考文獻(xiàn)

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