高速公路安全性設計綜合評價指標體系的研究

馬 騰 徐銀飛 丁明暢

1 概述

我國目前還缺乏在規劃設計階段具有可操作性的高速公路安全性設計綜合評價指標體系,由此無法確保基于安全性考慮的高速公路規劃設計方案的選優。本文通過調研與進行系統分析,試圖從影響高速公路安全性的有關“道路”方面的因素著手,利用AHP模型構建了規劃設計階段“高速公路安全性設計綜合評價指標體系”,并引進較先進的綜合評價方法與計算機程序,可直觀地計算出定量化的綜合評價結果,由此為基于安全性考慮的高速公路設計方案比選或針對已建成的有關高速公路進行安全改造提供可靠的依據。

2 高速公路安全性設計綜合評價指標體系的AHP模型

20世紀70年代初美國運籌學家Saaty提出一種層次分析(Analytical Hierarchy Process,簡稱 AHP)法。

本AHP模型共分為以下幾層：

1)總目標層A：高速公路安全性設計綜合評價。從系統設計法的概念出發,在規劃、設計階段對影響高速公路安全性的重要技術指標進行控制,以減少日后可能出現的安全隱患。總目標堅持前瞻性和可操作性的有機統一,既要立足當前實際,使目標具有可行性,措施具有可操作性,又要充分考慮發展的需要,使設計方案具有一定的超前性。

2)分目標層B：包含B1～B3共3項分目標。其中：

B1：幾何設計。除必須滿足駕駛動力學要求的最小值外,還應滿足駕駛員視覺心理方面連續、舒適的要求。基于對道路空間幾何形狀的研究,在高速公路受到沿線自然環境、人文環境和其他各種因素制約的情況下,通過對道路各幾何設計要素與安全性關系的分析,在進行設計時,既將每段路線作為一個整體考慮,同時也把它剖解為平面、縱面、橫斷面、平縱橫組合及平面交叉口這五個部分來研究,以實現日后獲得較高安全運行水平的目標。

B2：結構物設計。高速公路設計時應緊抓高速公路的自身特點,通過對路基、路面、橋梁、排水和護擋工程五種結構物影響行車安全原因的深入研究、合理把握,使各種結構物均能為行車提供良好條件,從而實現車輛可以按設計的速度平穩、安全地在道路上行駛的目標。

B3：交通安全措施設計。交通安全措施在規劃設計時,既要對各種交通安全設施的自身特點進行適用性分析,合理確定在高速公路的哪些路段必須或應該設置安全設施、設置哪些安全設施及如何設置這些安全設施;還要通過有效的安全監管措施提高高速公路使用者的安全素質。

3)準則層 C：包含C1～C12共12項準則。基本指標層D：包含分別隸屬于C層各有關準則的32個基本評價指標,分別評價它們各自是否滿足敘述中提出的要求。其中：

C1：平面線形設計。包括D1：直線。直線長度的合理使用應以保證線形連續性為前提,當不得已采用長直線時,要保證其對應的縱坡值不過大,并考慮改善直線段景觀,確保行車安全。D2：圓曲線。路線具有一定的曲率可以給駕駛員適當的緊張感,當選用圓曲線半徑時,在保證與地形等條件相適應的前提下,應盡量采用大半徑,但應保持線形的連續性;在不得已使用最小半徑時,應充分考慮駕駛員對周圍地形情況的自然接受程度。D3：緩和曲線。在道路中增加合理半徑和長度大小的緩和曲線,能減少車輛在正常轉彎行駛時對道路摩擦力的需求,還會緩和駕駛員由于受到離心力的影響而產生的不舒適感和危險感,從而增強道路使用的安全性。

C2：縱面線形設計。包括D4：縱坡。此指標的具體內容包括縱坡值和縱坡長度。在進行設計時,從行駛安全和路面排水角度對縱坡指標進行合理控制,避免出現縱向起伏變化頻繁或過長過陡的坡段。D5：豎曲線。對于凸形豎曲線路段,應避免視距受限;對于凹形豎曲線路段,應重點考慮曲線上方的路線結構物對行車視距的影響。

C3：橫斷面設計。包括D6：斷面寬度。高速公路的斷面寬度主要包括行車道寬度、路肩寬度。D7：橫向坡度。橫向坡度對排水有利但對行車不利,對橫向坡度的取值要從路面排水和行車平穩性兩個方面進行綜合考慮、合理權衡,以期真正滿足行車安全的要求。

C4：平縱橫組合設計。包括D8：線形連續性。在進行線形組合設計時,應協調好各項技術指標間的關系,避免平曲線與豎曲線組合線形連續性差的情況出現。D9：合成坡度。從安全角度考慮,對于急彎和陡坡組合的路段應嚴格控制其合成坡度。D10：橫向力系數。線形設計時,可通過控制橫向力系數的取值來控制平曲線半徑、超高率等設計指標,以有效地提高道路安全等級。

C5：平面交叉口設計。包括D11：彎道。在充分考慮交叉口處兩個方向的交通流發生疊加情況的基礎上,設計時應通過對設計彎道的半徑和寬度兩個指標的把握來保證行車安全。D12：行車視距。在平面交叉口的實際設計中,必須要滿足行車視距大于停車視距的要求。

C6：路基設計。包括D13：路基高度。路基高度主要取決于縱坡設計及地形,其路基高度的設計值要避免過大,防止車輛發生意外時發生翻車現象。有條件時應盡量采用較矮路基,確保失控的車輛不會因駛出路外而翻車,從而降低事故的惡劣程度。D14：路基邊坡。從安全角度出發,在條件允許情況下,應盡量減小路基邊坡的坡度,這樣可使發生意外的車輛沿著路基緩坡行駛一段距離,降低沖擊強度,達到有效減輕事故嚴重程度的目的。D15：路基強度。為保證路基在外力作用下不致產生超過容許范圍的變形,要求路基應具有足夠的強度。

C7：路面設計。包括D16：路面強度。為確保車輛行駛時具有良好的平順感以及使駕駛員對車輛行駛情況能有清晰的判斷,必須保證路面具有足夠的強度。D17：路面使用性能。必須要保證路面具有良好的使用性能,才能有效地保障道路的使用安全。

C8：橋涵設計。包括D18：橋涵承載力。設計時上部結構和下部結構的受力分析必須滿足承載力要求,防止橋涵在正常使用中發生坍塌、斷裂等惡性事故。D19：橋涵上部構造。該設計指標具體包括橋面寬度和橋面構造兩部分內容,設計時必須保證路橋同寬;橋面構造多屬于外露部位,直接與外界(包括車輛、大氣等)接觸,對環境的影響十分敏感,屬于橋梁工程的薄弱環節,同時,其對行車安全也起著重要作用。

C9：排水設計。包括D20：路基路面排水。設計時應根據沿線的降水、地質水文及當地水利、集雨等具體情況,做到路基排水和路面排水實施與沿線橋涵配合,與當地排灌系統協調,形成良好的排水系統。D21：橋面排水。為了能迅速地排除橋面積水,保證行車安全,橋面應科學設置由橋面縱橫坡及一定數量泄水管組成的排水系統。D22：橋涵排水。合理的位置應該使得橋涵與當地原有的排水系統及道路其他的排水設施組成一個整體,實現道路一側的水體快速流至另一側;橋涵孔徑的大小應在科學確定設計洪水頻率的基礎上獲得,必須要滿足泄洪的要求。D23：其他構造物排水。設計時應嚴格把握每種排水構造物的自身特點,做到合理選用,科學布設。

C10：護擋設計。包括D24：路基防護與加固。為保證路基的整體穩定性和防止路基病害,提高公路的使用品質,除做好路基排水外,設置時還應根據具體的地質條件、水文條件、路基穩定性和高速公路周邊環境的主要要求,按技術經濟條件綜合考慮。D25：路基支擋工程。其設置應結合路基形式、水文、地質情況等確定。在山體易失穩崩塌、滑坡體向下滑動、路基擠壓河床以及工程填挖量較大處應合理設置。

C11：安全設施設計。包括D26：標志標線。高速公路標志、標線的設置除要在總體布局上防止信息不足或過載等現象的出現外,還應考慮高速公路主要使用者的行動特性。D27：防眩設施。該設施應根據高速公路中的眩光影響范圍和路段幾何、結構特性的實際情況確定。在平曲線半徑小于最小半徑、長直線或地形起伏變化較大等嚴重存在炫目影響的路段必須合理設置防眩設施,保證行車安全。D28：視線誘導設施。該設施的設置應在有效保證駕駛員能夠判斷設計視距以外道路方向的前提下,根據夜間行車、不良天氣條件時行車等因素,結合設施自身誘導線條寬度、反光性能等特點,綜合考慮后確定。D29：隔離設施。高速公路隔離柵是防止人和動物隨意進入或橫穿高速公路,防止他人非法占用公路用地,是保障行車安全,維護路產路權的重要設施。D30：防護設施。其應在高速公路不良路側條件處以及行車極易出現意外的路段設置。

C12：安全監管措施。包括 D31：安全監管部門。應根據高速公路服務功能、車型特點在設計階段進行安全監管部門設置,為運營期管理做好準備工作。D32：安全宣傳教育。針對高速公路的特點,要全面提高運營期道路行車安全,就必須在設計階段對道路使用者及沿線居民進行交通安全宣傳和教育工作。

3 本AHP模型的應用途徑

在利用AHP模型構建了“高速公路安全性設計綜合評價指標體系”后,可把各種評價因素明確地表達出來,在此基礎之上再通過調研獲得有關數據,構建各層判斷矩陣,通過我們已開發的AHP程序在計算機上進行單排序及總排序計算,從而得到各因素相對于總目標的組合權重值。由于我國幅員遼闊,各地區地理氣候、經濟文化發展水平差異較大以及歷史傳統、人文民俗也大相徑庭,若通過本模型計算、制定全國通用的各層次因素的權重體系,則基本上無使用價值。但如我們采用聚類分析方法,根據各地區自然地理情況、社會、經濟、文化發展水平等重要特征的區別或相似程度,將有關地區劃分為幾類,則屬于同一類的地域的高速公路可采用相同的權重體系,并可分別貯存于數據庫中備用。在求出基本指標權重值后,可參照各設計方案(或已完成的評價對象)對應的各有關指標所得“評價值”,利用“改進的TOPSIS方法程序”在計算機上進行計算,即可直觀地得出各待評價對象優劣程度的定量化綜合評價結果,從而實現基于安全性考慮的高速公路規劃設計方案的優選,也可用于評價已建成的高速公路安全性的優劣等級。

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