過村鎮(zhèn)公路機(jī)動(dòng)車合理限制行駛速度研究

■黃 宏

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

1 研究背景

統(tǒng)計(jì)資料表明，我國建制鎮(zhèn)90%以上是過境公路穿城的布局，即大部分小城鎮(zhèn)都依賴于過境公路發(fā)展。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛的增多，公路穿城帶來的問題越來越嚴(yán)重[1]。過境公路將大量的過境車輛引入小城鎮(zhèn)，往往影響到小城鎮(zhèn)交通的安全性。

目前公路沿線城鎮(zhèn)化程度越來越高，存在著巨大的交通安全隱患[2]。位于公路沿線附近的商鋪，吸引交通安全意識(shí)淡薄的行人，促使公路的交通安全狀況更加惡化。同時(shí)，隨意設(shè)置的出入口，多為當(dāng)?shù)鼐用裨诖┰酱彐?zhèn)路段處自由式的接入設(shè)計(jì)，缺乏相應(yīng)的交通提醒標(biāo)識(shí)。

圖1所示為雙車道公路的城鎮(zhèn)化程度指標(biāo)與事故數(shù)之間的關(guān)系，由圖可以看出隨著城鎮(zhèn)化程度的增加，即支路口數(shù)量的增加，事故數(shù)也增加；城鎮(zhèn)化越嚴(yán)重，可能發(fā)生的交通事故數(shù)越多。

圖1 城鎮(zhèn)化程度與事故數(shù)的曲線圖

沿公路分布的城鎮(zhèn)多為靠對(duì)外交通發(fā)展起來，公路不僅具有服務(wù)于過境交通的功能，還承擔(dān)著城鎮(zhèn)主要交通干道的功能[3]。小城鎮(zhèn)規(guī)模小，用地混合程度高，隨著城鎮(zhèn)周邊建筑用地規(guī)模變大，城鎮(zhèn)內(nèi)部交通需求也隨之進(jìn)一步增大，使得公路沿線內(nèi)外交通的干擾日益嚴(yán)重，交通事故日趨增長。

發(fā)生交通事故的涉及因素主要是機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)車、機(jī)動(dòng)車和行人，車車正面、側(cè)面相撞及人車碰撞是主要的交通事故形態(tài)，車輛之間、車輛和行人之間的安全距離過小，車輛超速行駛是交通事故發(fā)生的主要原因。文獻(xiàn)[4,5,6]對(duì)交通事故的嚴(yán)重程度和車輛速度梯度、車輛運(yùn)行速度之間的關(guān)系做了很多的研究，速度梯度是路段中某輛車的運(yùn)行車速與所有車輛平均車速之差，其數(shù)值的大小反映了該車行駛狀態(tài)與一般車輛行駛狀態(tài)差異性的大小。若某些車輛的運(yùn)行車速過快或過慢，便會(huì)引起速度梯度的突變。研究表明：速度梯度和運(yùn)行車速是影響交通事故率和事故嚴(yán)重程度的兩個(gè)主要因素，當(dāng)這兩者的數(shù)值越大，發(fā)生嚴(yán)重事故的可能性也越大。交通事故死亡率隨著運(yùn)行車速的增加呈現(xiàn)出明顯的增加，若速度梯度有微小的增大，事故死亡率就會(huì)以四次方的比例成倍地增加。

在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，大多數(shù)貨車司機(jī)為了趕時(shí)間、爭(zhēng)速度、節(jié)約運(yùn)輸成本，通常會(huì)選擇以較高的車速行駛，相較于以低于平均車速的速度運(yùn)行，超速現(xiàn)象更普遍一些，超速行駛是速度梯度與運(yùn)行車速過大的主要表征對(duì)象。因此，從根本上去減少速度梯度和運(yùn)行車速數(shù)值的大小，成了交通安全上作中的重中之重。

制動(dòng)距離是指車輛從制動(dòng)生效到完全停住，這段時(shí)間內(nèi)所走的距離，應(yīng)為：

式中：S 為車輛的制動(dòng)距離，m；V 為車輛制動(dòng)生效時(shí)的車速，近似為車輛的初始車速，km/h；φ 為路面與輪胎之間的附著系數(shù)；ψ 為道路阻力系數(shù)。

從上式可以看出，制動(dòng)距離與速度的平方成正比，車速越快，車輛的制動(dòng)距離越長，不安全區(qū)域越大，如圖2所示。

圖2 速度與制動(dòng)距離

過村鎮(zhèn)公路所穿越的村鎮(zhèn)出入口較多，行人或非機(jī)動(dòng)車往往會(huì)突然闖入駕駛員的視線，車輛速度越高，則發(fā)生交通事故的可能性越大及發(fā)生交通事故的后果也越嚴(yán)重。

在對(duì)過村鎮(zhèn)公路交通調(diào)查的基礎(chǔ)上，從人車碰撞、公路所經(jīng)過村鎮(zhèn)的出入口特性等方面對(duì)過村鎮(zhèn)公路的限制速度進(jìn)行研究。

2 通過人車碰撞確定合理運(yùn)行車速

清華大學(xué)袁泉等[7]對(duì)150多例行人事故統(tǒng)計(jì)得出行人的交通特征，包括橫過道路、路邊行走、路邊站立、路中行走、路中作業(yè)。有關(guān)人車路面接觸位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，橫過車行道路的行人約占80%，路面接觸位置在人行橫道內(nèi)的約占24%。由此可見，人車碰撞事故大部分發(fā)生在機(jī)動(dòng)車直行、行人橫過道路的交叉沖突過程中。

人車碰撞大概經(jīng)歷四個(gè)階段，在碰撞開始到碰撞完成的整個(gè)過程中，車輛對(duì)行人有三次碰撞（如圖3所示）：①汽車前部與行人腿部相撞；②第一次碰撞后，由于沖擊力的作用，行人會(huì)被拋起，頭部與前擋風(fēng)玻璃相撞；③此時(shí)汽車會(huì)緊急剎車，行人掉落地上，行人頭部又與地面進(jìn)行第三次碰撞。

圖3 轎車與行人碰撞的過程

圖4 車速分別為60 km/h 和90 km/h 時(shí)車輛與行人頭部的碰撞結(jié)果

在碰撞的過程中，碰撞時(shí)的瞬時(shí)速度不同，對(duì)行人的傷害程度也有較大的差異，圖4是車速分別為60km/h和90km/h時(shí)車輛前擋風(fēng)玻璃與行人頭部的碰撞結(jié)果比較。

表1表示人車在不同的碰撞車速下，行人的受傷部位也不同，由表可以看出，碰撞速度越大，人體受傷越嚴(yán)重。

表1 不同車速下轎車與行人相撞時(shí)人的受傷部位[8]

圖5～圖9分別表示在汽車和行人碰撞時(shí)，人體比較容易受傷的幾個(gè)重要部位的傷害程度和碰撞速度之間的關(guān)系以及國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的人體部位受傷害的法定值。其中人的頭部是最容易受到傷害的部位，也是首先最應(yīng)該得到保護(hù)的部位。

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)人車碰撞對(duì)行人傷害嚴(yán)重程度的資料，得到減速路面應(yīng)該使車輛的速度減到一旦人和車輛發(fā)生交通事故，人體的傷害較小（主要是人的頭部基本無傷害）可接受的車輛速度，這個(gè)速度害在35km/h是比較合理的。

圖5 HIC 隨碰撞速度的變化HIC-行人頭部傷害指數(shù)HIC=1000 為安全界限

圖6 膝關(guān)節(jié)橫向錯(cuò)位隨碰撞速度的變化法規(guī)規(guī)定的膝關(guān)節(jié)橫向錯(cuò)位的嚴(yán)重傷害界限=6mm

圖7 大腿沖擊力隨碰撞速度的變化（大腿所受沖擊力法定為5kN）

圖8 大腿彎曲力矩隨碰撞速度的變化(大腿所受彎曲力矩法定為300Nm)

圖9 脛骨加速度隨碰撞速度的變化(脛骨加速度法定為200g)

3 根據(jù)過村鎮(zhèn)公路出入口確定合理行車速度

一般說來，過村鎮(zhèn)公路的接入口主要包括過村鎮(zhèn)公路交叉口和周邊建筑出入口等，該區(qū)域交通沖突點(diǎn)數(shù)量多，存在著較多的交通安全隱患。我國過村鎮(zhèn)公路街道化嚴(yán)重、車型構(gòu)成復(fù)雜，很多建筑物都在道路紅線以內(nèi)，出入口離公路距離較近，再加上居民交通安全意識(shí)淡薄，有必要根據(jù)過村鎮(zhèn)公路出入口的特征對(duì)過村鎮(zhèn)公路車輛進(jìn)行限速。國外對(duì)公路接入點(diǎn)的研究，主要從保證通行能力、行車速度和交通安全的角度出發(fā)，提出了公路接入點(diǎn)的控制、間距及設(shè)計(jì)的綜合方法，上述的研究成果主要集中在接入管理技術(shù)（AccessManagement）中[9，10]。本文借助于接入管理技術(shù)理論，根據(jù)實(shí)際的過村鎮(zhèn)公路（包括國道、省道、縣道）自身的特點(diǎn)和實(shí)際調(diào)查的出入口間距，推導(dǎo)出合理的過村鎮(zhèn)公路限速值。公路平面交叉口區(qū)域可分為交叉口物理區(qū)和交叉口功能區(qū)兩種，交叉口物理區(qū)指交叉口道路的重疊部分，它以交叉口轉(zhuǎn)角和相鄰的所有邊界為限，通常被認(rèn)為是交叉口的入口，如圖10所示。交叉口功能區(qū)是指交叉口物理區(qū)及其上游和下游車道的延伸，其中包括輔助車道（見圖10）。交叉口功能區(qū)對(duì)交叉口交通運(yùn)行的機(jī)動(dòng)性和安全性有著重要的意義。機(jī)動(dòng)車在進(jìn)入交叉口前，駕駛員需作進(jìn)行一系列復(fù)雜的操作：包括反應(yīng)、減速、排隊(duì)等待、轉(zhuǎn)向或穿越、加速等，功能區(qū)則是駕駛員實(shí)施這一系列操作的面積范圍，也是交叉口對(duì)其相交道路的影響區(qū)域范圍。

根據(jù)車輛駛進(jìn)和駛出交叉口，交叉口進(jìn)口道可分為功能區(qū)上游和功能區(qū)下游。駛?cè)胲嚨罏樯嫌喂δ軈^(qū)，駛出車道為下游功能區(qū)。交叉口功能區(qū)范圍的界定就是分別確定上、下游車道的長度。

通常情況下，交叉口功能區(qū)上游由三部分構(gòu)成，即：駕駛員發(fā)現(xiàn)交叉口的感知反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離d1；駕駛員采取措施后車輛減速行駛的距離d2以及車輛排隊(duì)長度d3。交叉口功能區(qū)的上游長度為，如圖11所示。

圖10 交叉口物理區(qū)和功能區(qū)

圖11 交叉口功能區(qū)上游組成

dl隨著感知-反應(yīng)時(shí)間和車輛行駛速度的增大而增大。感知-反應(yīng)時(shí)間因駕駛員對(duì)道路的熟悉程度和其駕駛時(shí)的警覺狀態(tài)不同而有變化。警覺并且對(duì)道路熟悉的駕駛員,感知-反應(yīng)時(shí)間要少于一個(gè)不熟悉道路的駕駛員的反應(yīng)時(shí)間。此外,過村鎮(zhèn)公路復(fù)雜的交通條件,使得與在村鎮(zhèn)路段行駛相比,駕駛員具有更高的警覺水平。因此,選用2.5s作為駕駛員在過村鎮(zhèn)段公路的感知-反應(yīng)時(shí)間[9],這段距離采用式(2)計(jì)算。

式中:v 為限制車速,km/h；t 為感知-反應(yīng)時(shí)間。

d1的計(jì)算值見表2。

表2 感知-反應(yīng)距離d1

減速距離d2采用式(3)計(jì)算。

式中:v 為限制車速,km/h；g 為重力加速度,取9.8；f 為縱向摩阻系數(shù),取0.30。

d2的計(jì)算值見表3。

表3 減速距離d2

我國過村鎮(zhèn)公路中國道一般為4車道，道路寬14m，省道和縣道一般為2車道，道路寬為7m，通過對(duì)北京和福建近20條過村鎮(zhèn)公路的行人過交叉口的交通特性調(diào)查，得到行人過街時(shí)的步行速度如表4所示：

表4 過村鎮(zhèn)公路行人過街步行速度

行人過街時(shí)安全穿越所需的臨界穿越間隙為

其中：τ 為行人安全過街所需要的臨界穿越間隙；n 為道路單向機(jī)動(dòng)車車道數(shù)；D 為一條機(jī)動(dòng)車車道寬度；v 為行人過街步行速度；tR為過街行人觀測(cè)車流情況、判斷車輛間安全間隙所需要的時(shí)間，一般取2s；t1為車身長度通過的時(shí)間，一般取0.72s[11]。

據(jù)此可得到臨界最小間隙如表5所示:

表5 過村鎮(zhèn)公路行人過街臨界最小間隙

過村鎮(zhèn)公路交叉口及出入口一般均沒有信號(hào)，通過對(duì)北京、福建20條過村鎮(zhèn)公路的車頭時(shí)距的調(diào)查，得到過村鎮(zhèn)公路的國道、省道及縣道的平均車頭時(shí)距如表6所示：

表6 過村鎮(zhèn)公路機(jī)動(dòng)車平均車頭時(shí)距

對(duì)于過村鎮(zhèn)公路，車流密度不是很大且車輛到達(dá)的隨機(jī)性較大，因此車輛到達(dá)的車頭時(shí)距分布可以用負(fù)指數(shù)分布來進(jìn)行描述。則車頭時(shí)距H大于等于t的概率函數(shù)為：

式中，參數(shù)λ 為平均車頭時(shí)距的倒數(shù)。

由式（5）可求得國道、省道和縣道車頭時(shí)距大于臨界最小間隙17s和10s的概率，如表7所示：

表7 過村鎮(zhèn)公路車頭時(shí)距大于臨界最小間隙的概率分布

由表7可以看出，在行人過街的17s和10s內(nèi)，車輛到達(dá)的概率對(duì)于國道、省道和縣道分別為54.5%、27.6%、20.7%，對(duì)于省道和縣道，過街行人一般都為單個(gè)過街，且過街?jǐn)?shù)量較少，因此，交叉口功能區(qū)上游的等待車輛國道可取2輛，省道和縣道取1輛，每輛車長度為7.5m，國道的d3為15m，省道和縣道的d3為7.5m。

接入口的上游功能區(qū)域長度是感知-反應(yīng)距離、減速距離和排隊(duì)距離三者之和,其值見表8。

表8 上游功能區(qū)域長度dup

接入口下游功能區(qū)域長度確定的方法是采用停車視距,這樣可以使駕駛員在必須考慮后續(xù)接入口產(chǎn)生的潛在沖突前穿過當(dāng)前接入口,從而可以減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。下游功能區(qū)域長度見表9。

表9 下游功能區(qū)域長度 [12]

接入口的最小間距設(shè)置原則應(yīng)根據(jù)上游接入口的下游功能區(qū)域與下游接入口的上游功能區(qū)域不重合來確定,即最小間距應(yīng)等于上游功能區(qū)域長度加上下游功能區(qū)域長度。接入口最小間距見表10。

表10 出入口最小間距長度

通過實(shí)地對(duì)過村鎮(zhèn)的國道、省道、縣道沿街出入口的調(diào)查可知，出入口平無間距為210m，其中小于100m的間距占了整個(gè)出入口的20%左右，因此，根據(jù)出入口最小間距確定的過村鎮(zhèn)公路的限制車速應(yīng)不大于40km/h。

4 結(jié)論

在充分保證人車碰撞發(fā)生時(shí)行人安全的條件下，過村鎮(zhèn)公路機(jī)動(dòng)車的最大行駛速度為35km/h；在充分調(diào)查我國過村鎮(zhèn)公路出入口間距的基礎(chǔ)上，運(yùn)用出入口管理技術(shù)、臨界間隙及車頭時(shí)距等交通工程領(lǐng)域的研究成果，推導(dǎo)得到過村鎮(zhèn)公路的限制車速不大于40km/h。綜合二者所得結(jié)論，考慮到我國過村鎮(zhèn)公路交叉口交通控制等實(shí)際運(yùn)用及運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益，確定我國過村鎮(zhèn)公路機(jī)動(dòng)車最大行駛速度為40km/h。

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