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        山區(qū)二級(jí)公路彎坡組合路段安全性評(píng)價(jià)①

        2021-12-16 08:00:02袁志兵
        建材技術(shù)與應(yīng)用 2021年6期
        關(guān)鍵詞:線形慣性行車

        □□ 袁志兵

        (義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 金華 322000)

        引言

        設(shè)計(jì)速度目前仍是我國(guó)道路線形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo),對(duì)道路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)平、縱、橫線形都符合線形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),但存在線形一致性較差的問題,易造成事故頻發(fā),形成事故黑點(diǎn)。運(yùn)行速度作為人、車、路及環(huán)境耦合作用下的結(jié)果,對(duì)道路線形設(shè)計(jì)的連續(xù)性能有效地衡量,為道路線形設(shè)計(jì)以及行車安全分析提供參考。

        由于山區(qū)二級(jí)公路在道路線形、地質(zhì)條件、氣候環(huán)境、建設(shè)資金等多方面的限制,造成山區(qū)公路在進(jìn)行道路線形設(shè)計(jì)時(shí),采用較低的技術(shù)指標(biāo)。山區(qū)二級(jí)公路以急彎陡坡路段為典型,該路段線形一致性較差,行車風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高。因此,對(duì)山區(qū)二級(jí)公路交通安全進(jìn)行系統(tǒng)的分析與評(píng)價(jià)尤為重要。

        通過分析國(guó)內(nèi)外對(duì)山區(qū)公路安全性評(píng)價(jià)的研究發(fā)現(xiàn),評(píng)價(jià)方法主要分為兩大類:一是通過分析道路線形和道路事故率之間的作用機(jī)理,構(gòu)建事故預(yù)測(cè)模型[1-3],但事故數(shù)據(jù)的采集難度較大易導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不佳;二是借助運(yùn)行速度作為媒介工具,通過道路線形一致性評(píng)價(jià)對(duì)行車安全進(jìn)行分析,并提出相鄰兩個(gè)路段間的運(yùn)行速度差值作為安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。

        1 工程概況

        G108陜西省勉縣至寧強(qiáng)段(67.3 km)和G244陜甘界至鳳翔段(61.5 km)進(jìn)行山區(qū)二級(jí)公路彎坡組合路段運(yùn)行車速測(cè)試與數(shù)據(jù)采集。其中,K24+820~K39+261段設(shè)計(jì)速度為60 km/h,路肩寬度為1.50 m;其余路段設(shè)計(jì)速度為40 km/h,路肩寬度為0.75 m,測(cè)試路段均為雙向兩車道,年平均日交通量約為4 800 pcu/d,路面狀況干燥且完整度較好,主要的技術(shù)指標(biāo)見表1。

        表1 評(píng)價(jià)路段主要技術(shù)指標(biāo)

        2 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

        2.1 協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

        2.1.1 慣性運(yùn)行速度

        Llopis-Castelló D提出慣性運(yùn)行速度概念[7]:該速度是代表駕駛員的期望,該過程依賴于駕駛員的記憶性。慣性運(yùn)行速度被定義為對(duì)運(yùn)行速度的加權(quán)。通過該斷面與預(yù)測(cè)點(diǎn)位置間的距離計(jì)算權(quán)重值,從而獲取該斷面的慣性運(yùn)行速度,并提出四個(gè)典型權(quán)重變化函數(shù)如圖1所示,公式如下:

        圖1 權(quán)重函數(shù)分布形式

        ω常=1

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        權(quán)重值在0~1之間,距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置越遠(yuǎn)權(quán)重值越小。其中sj為j處位置,ωj為j處位置的權(quán)重值,s0和s1為起始點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置。其中vi,j為i點(diǎn)慣性運(yùn)行速度;v85,j為j處的運(yùn)行速度,ωj為j相對(duì)于點(diǎn)i處的權(quán)重。距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置宜控制在1 000 m以內(nèi)。其中,慣性運(yùn)行速度計(jì)算公式為:

        (5)

        JTG B05—2015《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”)中運(yùn)行速度計(jì)算模型中并未存在時(shí)間參數(shù),需對(duì)使用距離進(jìn)行替換,徐婷[8]提出駕駛員記憶時(shí)間與記憶準(zhǔn)確百分比間關(guān)系,見表2。

        表2 記憶保持時(shí)間以及記憶準(zhǔn)確性百分比關(guān)系表

        JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》指出受地形、地質(zhì)條件限制時(shí),干線二級(jí)公路宜采用60 km/h,本文采用該設(shè)計(jì)速度對(duì)記憶保持時(shí)間進(jìn)行換算,結(jié)果見表3。

        表3 距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置以及記憶準(zhǔn)確性百分比關(guān)系表

        使用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)變量距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置以及記憶準(zhǔn)確性百分比(權(quán)重)分析,結(jié)果見表4。

        表4 權(quán)重分布方程模型統(tǒng)計(jì)

        通過對(duì)變量距離預(yù)測(cè)點(diǎn)位置(m)以及記憶準(zhǔn)確性百分比(權(quán)重),上述三種函數(shù)模型均具有很強(qiáng)的顯著性,但對(duì)R2分析發(fā)現(xiàn):指數(shù)模型和三次函數(shù)模型曲線優(yōu)于二次函數(shù)模型,但三次函數(shù)較指數(shù)函數(shù)模型計(jì)算更為復(fù)雜,宜采用指數(shù)函數(shù)確定權(quán)重。兩者關(guān)系表達(dá)式為:

        ω=0.88e-0.001sR2=0.98

        (6)

        式中:ω——權(quán)重;

        s——距離預(yù)測(cè)點(diǎn)距離,m。

        2.1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)采用相鄰路段運(yùn)行速度差值的絕對(duì)值|Δv85|以及慣性車速差ΔI[9]來表示。對(duì)道路線形協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)是保證駕駛員行駛的連貫性,降低行車風(fēng)險(xiǎn)的重要舉措。協(xié)調(diào)性計(jì)算公式如下:

        |Δv85|=|v85i-v85i-1|

        (7)

        ΔI=v85i-v85慣i

        (8)

        式中:|Δv85|——運(yùn)行速度差值,km/h;

        v85i——斷面i的運(yùn)行速度,km/h;

        v85i-1——斷面i連續(xù)的前一段面運(yùn)行速度,km/h;

        ΔI——慣性車速差,km/h;

        v85慣i——斷面i的慣性運(yùn)行速度,km/h。

        IHSDM運(yùn)行速度一致性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)指出,相鄰路段上運(yùn)行速度的差值≯10 km/h時(shí),道路線形設(shè)計(jì)為“優(yōu)”,潛在的安全隱患較少;而當(dāng)相鄰路段上運(yùn)行速度的差值介于10~20 km/h之間時(shí),道路線形設(shè)計(jì)為“較好”,潛在的安全隱患較多;而當(dāng)運(yùn)行速度的差值>20 km/h時(shí),道路線形設(shè)計(jì)為“差”。車輛處于曲線路段時(shí),進(jìn)行協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)宜從曲線中點(diǎn)分開分析,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)同IHSDM一致。Alfredo G研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)慣性運(yùn)行速度與運(yùn)行速度差值>20 km/h時(shí),道路線形設(shè)計(jì)的一致性也顯示為“差”,運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

        表5 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

        車輛在曲線段運(yùn)行時(shí)會(huì)受到離心力的作用,在曲線路段超高橫坡度和橫向力系數(shù)耦合作用能夠平衡車輛在曲線路段產(chǎn)生的離心力,從而確保在曲線路段行駛時(shí)行車的穩(wěn)定性。超高橫坡度與橫向力系數(shù)的計(jì)算公式如下:

        (9)

        式中:R——曲線半徑,m;

        v——車輛運(yùn)行速度,km/h;

        μ——橫向力系數(shù);

        i——超高橫坡度。

        對(duì)于在曲線段行駛的車輛來說,橫向力系數(shù)μ對(duì)車輛穩(wěn)定性有著顯著影響。當(dāng)μ值增大時(shí),駕駛員則需降低車輛運(yùn)行速度以保證車輛安全平穩(wěn)行駛。依據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》μ采用0.10~0.17,運(yùn)用橫向力系數(shù)進(jìn)行行車穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表6。

        表6 運(yùn)行速度穩(wěn)定性性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        3 數(shù)據(jù)分析

        3.1 運(yùn)行速度分析

        試驗(yàn)采用Metro Count 5600氣壓管式車輛分型統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)分別采集車型及車速數(shù)據(jù)。參考《規(guī)范》和試驗(yàn)設(shè)備對(duì)車型劃分標(biāo)準(zhǔn),將軸距≤3.2 m的車定義為小型車。為確保測(cè)試數(shù)據(jù)具有代表性和可比性,主要在白天天氣晴好、路面干燥、自由流交通(車頭間距為5 s或車輛間距為120 m以上)條件下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試位置的選擇重點(diǎn)考慮平曲線上車速變化規(guī)律,分別將觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在曲線的入口、中點(diǎn)以及出口,如圖2所示。

        其中斷面編號(hào)1~11分別為K13+183(ZH)、K13+240(QZ)、K13+292(GQ)、K13+347(QZ)、K13+413(QZ)、K13+490(QZ)、K13+555(GQ)、K13+598(QZ)、K13+641(GQ)、K13+700(QZ)、K13+700(QZ)、K13+770(HZ),測(cè)量結(jié)果見表7~表9。

        表7 G108國(guó)道評(píng)價(jià)斷面慣性運(yùn)行速度(上行方向) km/h

        表8 G108國(guó)道評(píng)價(jià)斷面間權(quán)重系數(shù)矩陣(上行方向)

        表9 G108國(guó)道評(píng)價(jià)斷面慣性運(yùn)行速度(上行方向) km/h

        3.2 路段安全性分析

        選擇Δv85和ΔI作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)行車穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)依據(jù)計(jì)算公式選擇運(yùn)行速度較大值(此時(shí)車輛的穩(wěn)定最差),且利用曲線中點(diǎn)速度評(píng)價(jià)曲線前半段車輛行駛的穩(wěn)定性,用曲線出口速度評(píng)價(jià)曲線后半段車輛行駛的穩(wěn)定性。評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表10。

        表10 G108上行彎坡組合路段安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

        上述路段的超高橫坡度設(shè)計(jì)值均為5%,由上述統(tǒng)計(jì)表格可知:不同車型在特征斷面間的速度差值和慣性車速差均較小,但由于路段半徑較小且車輛的運(yùn)行速度較大使得橫向力系數(shù)較大。

        對(duì)選取G108國(guó)道上行彎坡組合路段的安全評(píng)級(jí)指標(biāo)計(jì)算,結(jié)合基于運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性性、穩(wěn)定性指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎坡組合路段的上行方向行車安全進(jìn)行分析,得到斷面的安全等級(jí)見表11。

        表11 G108上行彎坡組合路段安全評(píng)價(jià)等級(jí)

        3.3 安全措施

        建議對(duì)G108評(píng)價(jià)路段的車輛行駛速度進(jìn)行限定,車輛上行時(shí)行車穩(wěn)定性在多個(gè)彎道處難以得到保證。當(dāng)車輛行車穩(wěn)定性安全等級(jí)表現(xiàn)為良好時(shí),利用該路段極限半徑計(jì)算。行車穩(wěn)定性為良好時(shí)的臨界速度為50.65 km/h。因此,建議對(duì)該路段上行方向均進(jìn)行50 km/h的限速規(guī)定。通過安全評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)下行時(shí)路段入口處運(yùn)行速度差值較大,建議在上游路段設(shè)置減速標(biāo)志,提醒駕駛員減速。

        上述評(píng)價(jià)的路段均為連續(xù)急彎路段,在此路段設(shè)置視線誘導(dǎo)標(biāo)志可以使駕駛員提前獲悉線形急劇的變化,清晰道路輪廓,可以有效降低行車風(fēng)險(xiǎn),減少交通事故。

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)使用氣壓管式車輛分型統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)MC5600在彎坡組合路段的特征點(diǎn)進(jìn)行斷面車速觀測(cè),獲取斷面運(yùn)行速度。

        (2)通過駕駛員記憶時(shí)間與記憶準(zhǔn)確百分比分析,對(duì)慣性運(yùn)行速度的權(quán)重函數(shù)進(jìn)行確定,研究發(fā)現(xiàn)其函數(shù)表達(dá)更符合指數(shù)函數(shù)形式。

        (3)基于運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性和行車穩(wěn)定性等指標(biāo)對(duì)山區(qū)公路的行車安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。僅局部路段穩(wěn)定性指標(biāo)較差,需采用相應(yīng)的限速或安全保障措施。

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