馬前進(jìn)

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

道路安全問題一直以來都是社會熱點(diǎn)問題，全球每天都有人死于交通事故，我國也同樣面臨著嚴(yán)峻的行車安全問題[1-3]。

現(xiàn)階段，我國在處理交通事故的過程中，主要是查看駕駛員操作是否符合規(guī)定、車輛性能是否完好等，但是忽視了道路因素引發(fā)的事故。近年來，隨著交通事故發(fā)生率持續(xù)增加，相關(guān)學(xué)者先后對道路設(shè)計(jì)與行車安全之間的關(guān)系進(jìn)行研究。例如文獻(xiàn)[4]中利用安全仿真模型對小半徑環(huán)圈匝道超高的設(shè)置展開分析，文獻(xiàn)[5]對城市主干道地下小半徑平曲線車道加寬安全性展開研究。但以上兩種傳統(tǒng)方法由于未構(gòu)建道路安全綜合評價(jià)體系，導(dǎo)致其難以真實(shí)描述道路因素和行車安全兩者間的關(guān)系。

針對上述問題，本文提出一種道路超高與加寬對行車安全的影響建模分析方法。

2 道路超高與加寬對行車安全的影響分析

2.1 道路彎道事故多發(fā)的主要原因

(一)半徑因素。當(dāng)車輛在行駛的過程中，如果突然遇到急轉(zhuǎn)彎，車輛會因?yàn)殡x心力C的作用產(chǎn)生外向滑動(dòng)。假設(shè)將平行于地面的分力代數(shù)稱為橫向力，采用X表示，具體的計(jì)算式如下：

其中，G表示向心力。采用Y表示垂向力，即：

通過橫向力和垂向力全面反映車輛的穩(wěn)定性，為了更好地反映車輛在行駛過程中的穩(wěn)定性和安全性等，需要將公式(1)和(2)代入到車輛恒定狀態(tài)μ中，則能夠獲取以下形式的計(jì)算式：

通過公式(3)可知，當(dāng)車輛的車速處于恒定狀態(tài)時(shí)，半徑會明顯減少，橫向力系數(shù)會上升，證明汽車整體承受的橫向力也會持續(xù)增加，導(dǎo)致車輛在圓曲線上行駛時(shí)整體的穩(wěn)定性越低；反之，系數(shù)越小，車輛的穩(wěn)定性越高。

通常情況下，汽車在形成傾覆前期會發(fā)生側(cè)向偏移，其中道路表面和車輪輪胎兩者之間的摩擦力是防止車輛滑移的[6-8]。如果X≥Yf(f 表示摩擦力)，能夠推導(dǎo)出車輛在任意圓曲線行駛時(shí)能夠達(dá)到的最高安全車速。

(二)超高因素。車輛在行駛時(shí)會受到多種因素的影響，導(dǎo)致離心力大小不同，車輛有向外側(cè)滑動(dòng)的跡象。當(dāng)彎道半徑低于任意值時(shí)，離心力會造成車輛發(fā)生偏移或者傾覆。為了促使車輛能夠安全且平穩(wěn)地通過彎道，需要合理調(diào)整重力和離心力兩者的關(guān)系，具體如圖1所示。

圖1 重力和離心力的分解圖

2.2 下坡道路事故多發(fā)的原因

縱坡度因素

當(dāng)車輛在下坡路行駛的過程中，重力的大小是根據(jù)車輛的整體載荷和坡度大小判定的，駕駛員自身是無法控制和改變的，需要連續(xù)采取制動(dòng)措施釋放對應(yīng)的能量[9]。

當(dāng)行駛道路縱坡度對應(yīng)的代數(shù)值高于2%時(shí)，交通事故發(fā)生的頻率會呈直線上升趨勢，縱向坡度越大越容易造成駕駛員在下坡過程中為了省油而空檔滑行。

2.3 平面線形對行車安全的影響分析

分析相關(guān)的交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，直線道路越長，出現(xiàn)交通事故的概率也就越大。當(dāng)行駛道路十分平坦且無障礙物阻礙時(shí)，因?yàn)閮牲c(diǎn)之間直線最短，同時(shí)駕駛過程十分簡單，道路定線人員會優(yōu)先考慮直線設(shè)計(jì)。雖然長直線道路存在上述明顯的優(yōu)勢，但是同樣也會存在弊端。

(1)長直線。由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，直線道路越長，發(fā)生交通事故的概率也會增加，主要影響如下：

1)由于線性過分單調(diào)，長期駕駛會導(dǎo)致駕駛員視覺疲勞，注意力分散，反應(yīng)速度變慢，如果遇到突發(fā)情況，會因?yàn)榉磻?yīng)過慢導(dǎo)致車禍的發(fā)生。

2)通過專家對駕駛員的心理研究結(jié)果表明，如果車輛一直位于直線道路行駛，駕駛員會不自覺提高車速。如果駕駛超過4．8千米，駕駛員會變得心情煩躁，同時(shí)還會犯困，導(dǎo)致車禍發(fā)生的概率大幅度增加。

綜合上述分析可知，在進(jìn)行道路設(shè)計(jì)的過程中，需要慎重使用長直線路段[10]。

(2)短直線。圓曲線之間主要采用直線路徑作為主要的連接方式，直線的長度不能過短。在進(jìn)行平面線形設(shè)計(jì)的過程中，如果圓曲線的長度無法達(dá)到設(shè)定的需求，需要優(yōu)先將各個(gè)曲線進(jìn)行連接。

2.4 緩和曲線對行車安全的影響分析

通過研究不同類型車輛的運(yùn)行軌跡可知，駕駛員在駕駛車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，會自動(dòng)組成一條連續(xù)的曲率軌跡線。利用表1給出我國目前規(guī)定的道路緩和曲線最小長度。

表1 公路緩和曲線最小長度

通常情況下，緩和曲線的取值需要大一些，但是并不是越大越好。如果轉(zhuǎn)角大小和圓角的半徑確定時(shí)，緩和曲線過長，會導(dǎo)致圓曲線長度變短，兩者不協(xié)調(diào)，對行車安全也會產(chǎn)生一定程度的影響。

平曲線是由圓曲線和緩和曲線兩者共同組成，當(dāng)車輛在平曲線行駛的過程中，如果曲線過短，頻繁操作會導(dǎo)致駕駛員緊張感加劇，在高速駕駛的情況下會增加交通事故發(fā)生的概率。所以，合理設(shè)置平曲線的長度是十分必要的。

如果道路的路線轉(zhuǎn)角偏低，駕駛員會自動(dòng)拉長曲線長度，出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎的錯(cuò)覺。為了有效避免交通事故的發(fā)生，道路在進(jìn)行彎道設(shè)計(jì)的過程中需要滿足表2所示的相關(guān)規(guī)定。

表2 公路轉(zhuǎn)角等于或者小于7°時(shí)的平曲線長度

一般情況下，在設(shè)計(jì)平面線形的過程中，為了確保線性的整體協(xié)調(diào)，需要將緩和曲線和圓曲線的長度比例控制在1：1：1或者1：2：1范圍內(nèi)。

另外道路寬度也會影響行車安全，其中道路越寬，發(fā)生交通事故的概率越低，其中道路寬度和設(shè)計(jì)速度之間的關(guān)系如表3所示。

表3 道路寬度和設(shè)計(jì)速度間的關(guān)系

道路寬度主要取決于車輛自身的寬度以及錯(cuò)車所需要的距離。另外，還需要考慮駕駛員的行駛舒適度以及車輛的駕駛速度。

3 道路安全評價(jià)模型的建立

在進(jìn)行道路安全評價(jià)的過程中，專家主觀評價(jià)和比較判定方法等是組建評價(jià)體系的主要方式。通過對道路專家、駕駛員以及交警進(jìn)行問卷調(diào)查，采用直觀的評價(jià)方式針對不同的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評分，通過統(tǒng)計(jì)獲取最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)對數(shù)據(jù)的對比分析，按照指標(biāo)的重要程度選取重要的指標(biāo)構(gòu)建安全評價(jià)指標(biāo)，同時(shí)構(gòu)建道路安全綜合評價(jià)體系，如圖2所示。

圖2 道路線性安全評價(jià)指標(biāo)體系

在當(dāng)前綜合管理評價(jià)過程中，模糊評價(jià)是使用比較多的一種方法。主要是針對評價(jià)方案進(jìn)行等級劃分，將方案按照定量指標(biāo)進(jìn)行劃分，分別為一級指標(biāo)和二級指標(biāo)等，通過由上至下的順序，獲取最終的評價(jià)結(jié)果。

針對道路線性指標(biāo)體系進(jìn)行分析，組建如公式(4)所示的評價(jià)指標(biāo)集：

根據(jù)方案分析的復(fù)雜程度，針對一級指標(biāo)再次進(jìn)行劃分，設(shè)定一級評價(jià)指標(biāo)Ui，同時(shí)還可以再次進(jìn)行指標(biāo)劃分，根據(jù)提供的數(shù)據(jù)信息劃分為n個(gè)二級指標(biāo)，即：

組建的評價(jià)指標(biāo)集為：

在進(jìn)行二級評價(jià)過程中對應(yīng)隸屬度為：

其中，二級評價(jià)結(jié)果能夠表示為：

其中一級評價(jià)矩陣的主要數(shù)據(jù)均來自二級評價(jià)結(jié)果，則對應(yīng)的一級評價(jià)矩陣可以表示為：

其中模糊綜合評價(jià)結(jié)果可以表示為：

將全部的因素一一列舉出來，由于在不同線性因素中包含的指標(biāo)不同，同時(shí)對分析結(jié)果也有不同的作用，權(quán)重取值也是不同的，需要優(yōu)先確定評價(jià)指標(biāo)中的權(quán)重，以下主要通過層析分析法，具體的操作步驟如下：

根據(jù)道路線性因素影響程度組建層次模型，將其表示為公式(11)的形式：

將不同的指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)根據(jù)不同的重要性給出數(shù)值判斷列表，進(jìn)而構(gòu)建判斷矩陣。

根據(jù)求解的權(quán)重向量進(jìn)行指標(biāo)一致性檢驗(yàn)，即：

各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的隸屬函數(shù)為：

采用評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度建立對應(yīng)的二級矩陣，獲取對應(yīng)的評價(jià)結(jié)果。結(jié)合得到的評價(jià)結(jié)果將其作為一級評價(jià)矩陣的主要數(shù)據(jù)來源，同時(shí)分析一級評價(jià)矩陣，獲取權(quán)重向量，以此為依據(jù)構(gòu)建道路安全評價(jià)模型，進(jìn)而結(jié)合最大隸屬度確定最終的道路安全評價(jià)結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證上述方法的有效性，實(shí)驗(yàn)選取H 城市任意一條路段作為測試對象，道路為瀝青路面，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

(1)半徑對行車安全的影響測試

實(shí)驗(yàn)分別選取不同半徑的道路進(jìn)行測試，采用65km/h的速度進(jìn)行分析，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 車輛后輪所受到的側(cè)向力變化情況

分析圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在直線道路行駛的過程中，兩個(gè)車輪所承受的垂力基本相同，但是方向相同。在進(jìn)入彎道之后，橫向力促使車輪的邊緣部分發(fā)生旋轉(zhuǎn)，增加風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，此時(shí)車輛左后輪受力更大一些，而另外一個(gè)車輪的受力降低。當(dāng)車輛再次進(jìn)入直線行駛以后，兩個(gè)車輪受到的力是相同的。通過上述分析可知，當(dāng)半徑較小時(shí)，由于橫向力偏大，會增加交通事故發(fā)生的概率，駕駛員在彎道時(shí)需要降低車輛行駛速度，有效防止側(cè)滑現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，經(jīng)過試驗(yàn)測試證明，所提方法在實(shí)際研究過程中進(jìn)行道路安全評價(jià)是可行且準(zhǔn)確的。

(2)超高對行車安全的測試

利用圖4給出超高對行車安全的影響。

分析圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)車輛進(jìn)入彎道以后未設(shè)定超高的路段會發(fā)生十分嚴(yán)重的側(cè)滑，最終滑出彎道；而設(shè)置超高為7%的路段上車輛位于中線行駛，同時(shí)車輛的側(cè)滑角并沒有產(chǎn)生明顯的側(cè)滑。

圖4 超高對行車安全的測試

5 結(jié)束語

道路超高與加寬對行車安全的影響分析是研究道路條件和交通事故的重要技術(shù)手段之一，對減少交通事故發(fā)生率、提升道路行駛安全具有十分重要的意義。提出一種道路超高與加寬對行車安全的影響建模分析方法，通過具體的實(shí)驗(yàn)測試，能夠更加直觀描述行車安全和道路因素之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而達(dá)到提升車輛駕駛穩(wěn)定性的目的。