基于事故預測的山區高速公路長下坡安全評價

周維東,鄔洪波,廖軍洪

(1. 安徽省高速公路路政支隊,安徽 合肥 230022；2. 交通運輸部公路科學研究院,北京 100088)

基于事故預測的山區高速公路長下坡安全評價

周維東1,鄔洪波2,廖軍洪2

(1. 安徽省高速公路路政支隊,安徽 合肥 230022；2. 交通運輸部公路科學研究院,北京 100088)

在收集國內外相關資料的基礎上,對影響山區高速公路長下坡安全性的線形因素進行了分析。通過對國內幾條典型山區高速公路長下坡交通事故和線形數據的采集與分析,建立了長下坡路段交通事故預測模型,提出了基于事故預測的評價標準和評價流程,并將評價模型在某山區高速公路長下坡路段進行了應用。實例分析結果表明,該模型具有較好的適用性。

交通工程；高速公路；長下坡；事故預測；安全評價

近年來,隨著我國西部地區交通基礎設施建設速度的推進,山區高速公路的通車里程持續增長。山區高速公路越嶺路段具有地勢落差大、地形狀況多變等特點,在進行道路縱斷面設計時,為克服高差及控制工程規模,通常采取陡坡接緩坡的設計方式,即“臺階式”長下坡路段。據調查,對于許多已開通的山區高速公路連續長大下坡,重特大交通事故時有發生。通過對事故原因進行分析,主要有以下兩個方面：① 小客車在長下坡路段超速行駛,車輛失控沖出路外；② 載重貨車特別是超載車輛由于頻繁使用制動,導致剎車失靈,與前方正常行駛的車輛發生追尾事故。對事故的深層次原因進行分析,線形設計的不合理性是誘發事故的重要因素[1]。因此,對于長下坡路段,有必要在設計階段就線形指標及其組合進行安全評價,從而減少長大下坡路段的交通事故,并降低事故損失。目前,長下坡路段設計方案的安全評價,一般采用基于貨車制動轂溫度預測模型、運行速度、駕駛員心生理指標等間接的評價方法[2-4]。這些方法盡管考慮了道路線形和車輛參數的影響,但由于模型參數未與事故指標關聯,評價結論往往與實際安全水平有一定的差異。基于此,筆者采集了國內典型的山區高速公路長大下坡路段的線形指標及交通事故數據,并進行相關性分析,建立了長下坡路段事故率與主要線形指標的關系模型。提出了基于事故預測的安全評價標準和評價流程,以對長下坡設計方案的安全性用事故指標進行直接評價,提高了評價結論的科學性和準確性。

1 長下坡安全影響因素分析

長下坡路段的安全性受縱坡坡度(G)、坡長(d)、平曲線半徑(R)等線形因素的影響。

1.1 道路縱坡與安全性的影響

圖1是德國交通事故率λ與縱坡坡度G的關系曲線[5]。由圖1可見,當道路縱坡處于0%～2%范圍時,下坡事故率與上坡事故率基本一致,且事故率較小；當道路縱坡處于2%～4%范圍時,下坡事故率逐漸高出上坡事故率,下坡事故率的數值上升較快；當道路縱坡大于6%時,上坡事故率無明顯變化,而下坡事故率迅速上升,以倍數速度增長。

圖1 德國高速公路事故率與縱坡關系Fig.1 Relationships between the accident rate and longitudinal gradient in Germany

國內相關研究表明,道路縱坡與交通事故率之間的關系體現在數值上有一定差距,但曲線走向基本一致。

S.P. MIAOU[6]對美國猶他州的11 539個路段和6 680件單車沖出道路的事故數據進行分析,建立了兩者之間的關系式,如式(1)：

(1)

對式(1)進行分析,當道路縱坡降低1%,交通事故率能減小約8.1%。

V. V. SILYANOV[7]分析了前蘇聯、德國和英國的道路交通事故數,建立了道路縱坡和事故率之間的關系,如式(2)：

N=0.265+0.105G+0.023G2

(2)

式中：G為道路縱坡坡度,%。

對式(2)進行分析,隨著道路縱坡的增大,事故率也隨之升高,且隨著坡度的持續增長,道路交通事故率升高趨勢越明顯。

陳斌等[8]結合典型長下坡路段的交通事故數據,運用數理統計與回歸分析方法,研究了交通事故與道路縱斷面參數之間的關系。分析結果表明：在長下坡路段地點坡度為3%～4%時,事故率最高；事故率與事故發生地點前2 km以上路段平均縱坡呈顯著的指數關系。

歸納起來,縱坡坡度對交通安全的影響主要表現在以下幾個方面：① 坡度的不均勻變化,導致線形連續性差,隨之車輛運行速度差值也較大,車輛制動頻繁,易誘發剎車失靈等事故；② 車輛在長下坡路段受自身重力的影響產生順坡方向的加速度,形成安全隱患；③ 車輛在長下坡路段的行駛速度較高,一旦遇到突發狀況,往往來不及躲避或剎車,容易釀成追尾事故。

1.2 縱坡坡長與安全性的關系

縱坡坡長對交通安全的影響主要取決于縱坡坡度,加強或削弱坡度對安全的影響。一方面,長陡坡會導致車輛加速度的積累,車速逐漸加快從而導致事故發生。另一方面,縱坡過長易導致駕駛員出現錯覺,比如駕駛員往往將長縱坡接緩下坡路段誤認為上坡路段,從而加速行駛誘發交通事故。

法國SETRA關于長下坡的研究成果[9]將d·p值作為風險指數(d為長下坡累計坡長,m；p為長下坡平均縱坡坡度,%)。當d·p<130時,車輛在長下坡上不會發生過度風險；當d·p≥130且p≥3%時,隨著d·p值的增加,長下坡事故率也隨之增加；當p<3%時,無論d·p值多大,均不會發生交通事故。

在現行的JTG D20—2006《公路路線設計規范》[10]中,主要依據汽車的爬坡動力性能確定最大縱坡及坡長,很少考慮下坡路段的安全性。盡管設計方案中采用的縱坡坡度和坡長均符合標準規范,但通車后卻容易發生交通事故,這種情況在長下坡路段尤為常見。縱坡長度過短,會使行車頻繁顛簸,影響行車安全。當坡長過長時,車輛在下坡行駛中加速度導致速度持續增長,易誘發事故。

袁偉等[11]對事故率與地點坡度以及事故率與一定坡長的平均坡度進行了回歸分析。結果表明,與地點坡度相比,事故率與一定坡長的平均坡度的相關關系更為密切。因此,在研究道路縱斷面參數與交通事故之間的關系時,應當綜合考慮道路縱坡和坡長參數。

山區高速公路長下坡路段交通事故統計也表明,長下坡路段后半段發生的事故在整個路段事故總數中占有相當高的比例,事故大多集中在路段中下部,而且隨下坡里程的累積事故數呈遞增趨勢。

1.3 平曲線與安全性的關系

平曲線路段是山區高速公路長大下坡路段的事故多發段。車輛在長下坡路段行駛的速度通常較大,若長下坡伴有小半徑曲線路段,車輛受到較大的離心力作用,駕駛員操縱車輛的難度加大。離心力與平曲線曲率相關性大,車輛在同一速度條件下,平曲線路段的曲率越大,則離心力越大。根據國內外相關研究[12-13],平曲線路段的曲率越大,道路交通事故率越大。特別是當平曲線路段曲率達到10以上時,事故率急劇增長。平曲線曲率與交通事故率之間的關系如表1。

表1 事故率與曲率的關系

2 長下坡路段事故預測模型

通過對典型山區高速公路長下坡路段的交通事故數據和線形指標進行調研分析,提取了事故率與地點坡度G、平均縱坡坡度P、累計坡長d和平曲線半徑R等數據,以建立長下坡路段幾何指標與事故率之間的定量關系模型。

2.1 單個指標與事故率的關系

長下坡路段事故率與地點坡度、累計坡長、平均縱坡和平曲線半徑單個指標的關系如圖2。

圖2 長下坡路段事故率與影響因素的關系Fig.2 Relationships between accident rate and factors

由圖2可知,事故率與平均坡度和平曲線半徑的相關關系要強于事故率與地點坡度和累計坡長的相關關系。

進一步利用數理統計理論,分別建立了事故率λ與平均縱坡P和平曲線半徑R的關系模型,如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

2.2 組合指標與事故率的關系

根據對單個指標與長下坡路段事故率關系分析可知,平曲線半徑及平均縱坡對事故率有較高的影響。基于此,筆者進一步研究了平曲線半徑和平均縱坡對長下坡路段事故率的綜合影響,并且建立了相應的回歸模型,如式(5)：

(R2=0.80)

(5)

式中：λ為預測點的事故率,次/百萬車公里；P為從坡頂到預測點的平均縱坡,%；R為預測點所在的平曲線半徑,m。

為分析上述模型的合理性,根據陜西某高速公路長下坡路段的數據對該模型進行了驗證,結果如表2。

表2 事故預測模型驗證結果

由表2可知,與實際事故率相比,預測結果的相對誤差能控制在15%以內,這表明預測模型精度較高,可用于山區高速公路長下坡路段設計方案的安全評價。

3 基于事故預測的長下坡安全評價

3.1 評價思路

基于事故預測評價方法的基本思路是將長下坡路段劃分為若干評價單元,每個評價單元具有確定的、唯一的平曲線半徑和縱坡,把每一評價單元的中點作為該評價單元事故率的預測點,然后根據從坡頂到預測點的平均縱坡以及預測點所在的平曲線半徑對評價單元的事故率進行預測,再利用預測結果對評價單元進行評價分析,借此找出設計方案中幾何線形指標及其組合相對較差的路段。

3.2 評價標準

筆者調研分析了廣東京珠北高速公路和山西太舊高速公路等具有典型山區高速公路特征的長大下坡路段的交通事故數據,并基于數理統計法建立了長下坡路段的安全評價標準。其基本思路為：首先確定在正常條件下事故發生的概率分布,以該概率分布作為安全評價的依據；然后檢驗路段事故發生次數是否在正常的概率范圍內,若處于該范圍,則判定其安全水平為中等,若高出范圍上限,則判定其安全水平為差,若低于范圍下限,則判定其安全水平為好。對于某一長大下坡路段,通常發生的事故次數近似服從正態分布,定義隨機變量：

(6)

式中：λ1為路段預測事故率,次/百萬車公里；λ2為路段平均事故率,次/百萬車公里；σ為路段事故率標準差,次/百萬車公里。

隨機變量Z服從正態分布,取置信度為95%,則當Z>1.96時,表明路段安全水平為差；當Z<-1.96時,表明路段安全水平為好；當-1.96≤Z≤1.96時,表明路段安全水平為中等。

根據上述思路,筆者針對長下坡路段提出了基于事故預測的評價標準,如表3。

表3 基于事故預測的評價標準

3.3 評價流程

基于事故預測的長下坡路段安全評價流程可簡單概括為如下4個步驟：

1)根據線形指標將長下坡路段分成若干評價單元；

2)通過事故預測模型對評價單元的事故率進行預測；

3)利用表3中的評價標準對評價單元的安全水平進行評價；

4)基于評價結果提出相應的安全完善建議。

3.4 評價實例

以某山區高速公路長下坡路段設計方案為例,該長下坡全長13.291 km,平均縱坡為2.404%。各評價單元坡長、縱坡及平曲線半徑等相關信息如表4。

表4 長下坡路段各評價單元相關信息

由式(5)計算可得各評價單元的事故率,并對照表3給出的評價標準得到各評價單元的安全水平,結果見表5。

表5 各評價單元事故率及安全水平

由表5可以看出,在16個評價單元中,6個評價單元的安全水平為中,且基本位于長下坡路段中下部。由于縱坡的累積效應,長下坡路段坡中和坡底發生交通事故的概率明顯高于坡頂,建議除盡可能降低長下坡路段中下部的縱坡坡度外,平曲線半徑宜采用較大值,一般應不小于1 000 m。

4 結 語

受地形地貌、地質條件等自然環境因素的限制,我國一些山區高速公路不可避免地出現了長下坡路段。由于其特殊的道路環境條件,再加上重載貨車和小型客車混行率較高,長下坡路段一旦發生交通事故后，事故嚴重程度高、社會負面影響大。基于事故預測的長下坡路段評價方法，重點利用長下坡路段預測點至坡頂的平均縱坡和平曲線半徑,對預測點表征的評價單元的事故率進行預測。根據預測結果對評價單元進行分析,借此找出設計方案中幾何線形指標及其組合相對較差的路段,并進行安全改善,以提高長下坡路段開通后的運營安全水平。該方法能合理地評價出長大下坡的危險路段,對提高山區高速公路長大下坡路段的安全水平具有重要借鑒意義。

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Safety Assessment for Long Downgrade of Expressway in Mountainous Area by Method of Accident-prediction

ZHOU Weidong1,WU Hongbo2,LIAO Junhong2

(1. Road Administration Detachment of Anhui Expressway, Hefei 230022, Anhui,P.R.China ； 2. Research Institute of Highway of the Ministry of Transport,Beijing 100088,P.R.China)

Based on collection of relevant materials domestic and abroad, alignment factors affecting the safety performance of long downgrade of expressway in mountainous area were analyzed. The traffic accident prediction model for long downgrade was developed by collecting and analyzing traffic accident and alignment data from several typical expressways in domestic mountainous area. The assessment standard and procedure based on accident prediction was proposed and applied in practice. The case analysis results show the good applicability of this given model.

traffic engineering；expressway；long downgrade；accident prediction；safety assessment

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.22

2015-06-18；

2015-09-23

周維東(1968—)，男，安徽合肥人，工程師，碩士，主要從事高速公路路政管理方面的研究。E-mail:330653341@qq.com。

U491.5

A

1674-0696(2016)05-110-05