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(guó)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(zhǎng)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(jì)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(dá)77.8%[1]。故如何保障高速公路交通安全成為我國(guó)重點(diǎn)研究課題之一。

避險(xiǎn)車(chē)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(xiǎn)車(chē)道設(shè)置在公路路側(cè)，不但可以使剎車(chē)失靈車(chē)輛分離出交通主線，防止其干擾主線車(chē)輛行駛，還可以通過(guò)重力減速度與滾動(dòng)阻力等致使失控車(chē)輛減速停車(chē)[2]。若失控車(chē)輛不能及時(shí)進(jìn)入避險(xiǎn)車(chē)道，極有可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的交通事故，造成經(jīng)濟(jì)與生命的雙重?fù)p失。目前，部分高速公路長(zhǎng)大下坡路段設(shè)置了避險(xiǎn)車(chē)道，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)與成果。但是我國(guó)避險(xiǎn)車(chē)道研究仍然處于初級(jí)階段，缺乏相關(guān)的規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)，在使用過(guò)程中，無(wú)法發(fā)揮避險(xiǎn)車(chē)道的功效。例如，有些失控車(chē)輛進(jìn)入避險(xiǎn)車(chē)道后發(fā)生二次事故，依然會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生危害。針對(duì)高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)方法由于考慮因素不全，導(dǎo)致設(shè)計(jì)寬度無(wú)法達(dá)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(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)方法研究。

1 高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)研究

1.1 避險(xiǎn)車(chē)道斷面因素影響模型構(gòu)建

高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面主要由漸變段、引道與制動(dòng)車(chē)道構(gòu)成。避險(xiǎn)車(chē)道斷面影響因素較多，為了能夠精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度，構(gòu)建避險(xiǎn)車(chē)道斷面因素影響模型[3]，對(duì)高速公路進(jìn)行車(chē)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(chē)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(jí)；TRAF表示的是公路行政等級(jí)；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(chē)道寬度；HW表示的是硬路肩寬度。

此研究針對(duì)高速公路進(jìn)行研究，則公路線形等級(jí)RAC與公路行政等級(jí)TRAF對(duì)多元線性回歸沒(méi)有任何影響，故式（1）可以簡(jiǎn)化為

為了減少避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)計(jì)算量，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件ISTOPT對(duì)多元線性回歸系數(shù)進(jìn)行解算，步驟如下：

a）步驟一 將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入數(shù)學(xué)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(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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(xiǎn)車(chē)道斷面因素影響模型為

1.2 避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)分析

依據(jù)上述構(gòu)建的避險(xiǎn)車(chē)道斷面因素影響模型，分別對(duì)漸變段、引道與制動(dòng)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析[4]。

1.2.1 漸變段斷面寬度

常規(guī)情況下，避險(xiǎn)車(chē)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(chē)道路段上[5]。而避險(xiǎn)車(chē)道中漸變段斷面寬度設(shè)計(jì)情況需要依據(jù)車(chē)道具體設(shè)置路段確定，漸變段斷面寬度設(shè)計(jì)如下。

1.2.1.1 直線路段

若避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)置在直線路段上，斷面設(shè)計(jì)由主線避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)起點(diǎn)開(kāi)始，利用線性漸變至數(shù)值為避險(xiǎn)車(chē)道寬度位置。確定流出角與車(chē)道寬度后，漸變段距離長(zhǎng)度即可進(jìn)行計(jì)算。另外，為了保障失控車(chē)輛安全、順利地行駛出主線，避險(xiǎn)車(chē)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(xiǎn)車(chē)道設(shè)置在左轉(zhuǎn)曲線路段上，車(chē)道起點(diǎn)采用圓曲線切線方向確定，通過(guò)計(jì)算主線圓曲線，即可確定漸變段長(zhǎng)度。而漸變段斷面以非線性形式漸變至數(shù)值為避險(xiǎn)車(chē)道寬度位置，漸變段路面結(jié)構(gòu)應(yīng)該與主線右側(cè)車(chē)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(xiǎn)車(chē)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(guò)渡到車(chē)道引道寬度位置。確定流出角與車(chē)道寬度后，漸變段距離長(zhǎng)度即可確定。漸變段長(zhǎng)度必須保證失控車(chē)輛在橫向位移過(guò)程中可以順利、平穩(wěn)地進(jìn)行轉(zhuǎn)向[8]。若避險(xiǎn)車(chē)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(xiǎn)車(chē)道示意圖（單位：m）

1.2.1.4 輔助車(chē)道路段

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

1.2.2 引道斷面寬度

引道斷面寬度設(shè)計(jì)主要分為兩種，分別為引道到制動(dòng)車(chē)道全寬過(guò)渡型與引道到制動(dòng)車(chē)道斷面寬度漸變型[10]。其中，引道到制動(dòng)車(chē)道全寬過(guò)渡型如圖2所示。

圖2 引道到制動(dòng)車(chē)道全寬過(guò)渡型（單位：m）

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

圖3 引道到制動(dòng)車(chē)道斷面寬度漸變型（單位：m）

常規(guī)情況下，若主線避險(xiǎn)車(chē)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(xiǎn)車(chē)道，并作出相應(yīng)的正確操作。

若主線避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)置位置用地條件受限，應(yīng)該采用漸變過(guò)渡形式設(shè)置引道寬度[12]。此種形式會(huì)極大地節(jié)省用地面積，但相應(yīng)會(huì)增加失控車(chē)輛駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道的難度，主要的原因?yàn)橐廊肟趯挾容^小，若失控車(chē)輛行駛速度較快，極有可能撞向公路設(shè)施或者沖出車(chē)道，造成車(chē)輛以及人員的傷亡。

1.2.3 制動(dòng)車(chē)道斷面寬度

《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度應(yīng)大于或者等于4.5 m，但實(shí)際斷面寬度應(yīng)該根據(jù)實(shí)際用地條件進(jìn)行具體設(shè)置。

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

通過(guò)回歸分析獲取失控車(chē)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(chē)輛的外側(cè)凈距離；VT表示的是大型失控車(chē)輛行駛速度。

左側(cè)側(cè)向安全寬度計(jì)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(chē)輛行駛速度。

假設(shè)避險(xiǎn)車(chē)道制動(dòng)車(chē)道左右兩側(cè)均設(shè)置路緣帶，超重車(chē)輛寬度為2.5 m，路面邊緣寬度為0.5 m，則制動(dòng)車(chē)道寬度設(shè)計(jì)規(guī)則如表1所示。

表1 制動(dòng)車(chē)道寬度設(shè)計(jì)規(guī)則表

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

表2 制動(dòng)車(chē)道數(shù)量與寬度規(guī)則表

1.3 避險(xiǎn)車(chē)道斷面最佳寬度確定

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

基于避險(xiǎn)車(chē)道安全評(píng)估模型確定避險(xiǎn)車(chē)道斷面最佳寬度步驟如下所示：

a）步驟一 確定避險(xiǎn)車(chē)道安全評(píng)估指標(biāo)，即漸變段、引道與制動(dòng)車(chē)道斷面寬度。

b）步驟二 構(gòu)造評(píng)估指標(biāo)權(quán)分配矩陣，如表3所示。

表3 評(píng)估指標(biāo)權(quán)分配矩陣表

如表3所示，則評(píng)估指標(biāo)權(quán)分配矩陣表示為

c）步驟三 將步驟二得到的評(píng)估指標(biāo)權(quán)分配矩陣值輸入到Matlab軟件中，計(jì)算得到評(píng)估指標(biāo)權(quán)重為

同時(shí)對(duì)式（7）結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到檢驗(yàn)結(jié)果為λmax=4.1009，CI=0.0336與CR=0.0378，充分表明評(píng)估指標(biāo)權(quán)重滿足賦權(quán)規(guī)范。

d）步驟四 確定評(píng)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(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)安全評(píng)估規(guī)則如表4所示。

表4 避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)安全評(píng)估規(guī)則表

依據(jù)表4規(guī)則對(duì)不同避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度進(jìn)行評(píng)估，若評(píng)估結(jié)果為非常安全c1，模型輸出數(shù)值即為避險(xiǎn)車(chē)道斷面最佳寬度[15]。

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度的設(shè)計(jì)，為高速公路失控車(chē)輛安全以及主線車(chē)輛有序行駛提供更加有效的保障。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證提出方法的性能，采用proteus軟件設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取G234高速公路段作為仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其地理位置如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)對(duì)象地理位置圖

實(shí)驗(yàn)對(duì)象技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)對(duì)象技術(shù)指標(biāo)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況為依據(jù)，進(jìn)行高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。為了保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在有輔助車(chē)道與無(wú)輔助車(chē)道兩種環(huán)境下，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)安全評(píng)估結(jié)果反映提出方法性能，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下所示。

以失控車(chē)輛行駛速度為自變量，避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度為因變量。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)安全評(píng)估數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)安全評(píng)估數(shù)據(jù)表

如表6數(shù)據(jù)顯示，無(wú)輔助車(chē)道環(huán)境下，避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)數(shù)值更大。兩種環(huán)境下，避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)安全評(píng)估數(shù)據(jù)均在（90，100）范圍內(nèi)，安全等級(jí)為c1，充分說(shuō)明提出高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面設(shè)計(jì)方法具備可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

提升高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)水平對(duì)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(xiǎn)車(chē)道斷面設(shè)計(jì)中。首先構(gòu)建避險(xiǎn)車(chē)道斷面因素影響模型，再對(duì)將避險(xiǎn)車(chē)道斷面進(jìn)行三段式劃分，其次，對(duì)避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度設(shè)計(jì)情況進(jìn)行細(xì)致分析，再利用模糊理論建構(gòu)避險(xiǎn)車(chē)道安全評(píng)估模型，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路避險(xiǎn)車(chē)道斷面寬度的設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法的設(shè)計(jì)斷面寬度安全評(píng)估等級(jí)均為c1等級(jí)，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(shí)間所限，尚未將更多因素考慮在內(nèi)，在未來(lái)的研究過(guò)程中，將會(huì)著重對(duì)此方面進(jìn)行研究，以期進(jìn)一步提升高速公路交通安全水平。