高速公路路側危險度評估模型

黃煜鑌，蘭興陽，魏治國，石紅星

(1. 重慶大學 土木工程學院，重慶400045； 2. 云南云嶺公路工程注冊安全工程師事務所有限公司，云南 昆明650299；3. 北京智華通科技有限公司，北京100124)

0 引 言

隨著我國高速公路建設技術的成熟與相關規范的完善，交通安全已成為設計、建造及運營階段重點關注的問題之一。據美國相關交通事故統計表明在所有道路交通事故中路側事故約占15%，而其死亡率卻非常高，可達42.9%，因此正確評估高速公路路側危險度并以此完善交通安全設施變得極其重要，C. V. ZEGEER等[1]最早根據路側事故的發生率、邊坡坡度情況以及安全凈區寬度間的關系提出將路側危險劃分為7個等級進行評價，并規定等級越高其危險程度越高，而我國在此基礎上將路側危險劃分為4個等級[2]；P.TANEERANANON等[3]通過研究道路交通事故數據發現，尤其以存在樹木、交通工程設施、護欄等路側障礙物的路側是導致嚴重甚至致命事故的主要原因；高海龍等[4]則利用灰色聚類模型并結合道路線形、交通量、歷史事故以及路側特征等安全指標評價路側事故危險程度；游克思等[5]以專家打分法為基礎，對影響路側安全性的主要因素：車輛駛出路外可能性、暴露路側危險環境的頻率和發生路側事故的危險程度按不同危險程度進行主觀的打分分級，并以量化確定的結果評價路側安全水平。在綜合道路線形、交通條件、路側特征等影響高速公路路側安全因素的基礎上，研究高速公路車輛的運行速度及運行速度協調性對路側危險度的影響，重新定義影響路側安全性的各類指標，并利用對不同指標因素的分等級客觀評估，建立高速公路路側危險度評估模型。

1 建立危險度評估模型

路側事故主要是指失事車輛駛離既行車道進入路肩或路肩以外區域，與護欄、行道樹、交通設施桿柱等路側危險障礙物發生碰撞事故，或因失事造成的翻車、墜入懸崖等事故[6]。路側危險度指的是失事車輛發生路側事故時對車內乘員造成的傷害程度，及事故造成的人員生命和財產損失程度[7]。

將高速公路路側危險度的影響因素按路側事故的成因以及形態表述為：①道路潛在的路側事故風險，即由于道路線形、交通條件、路側特征等既存在的客觀因素影響，導致車輛存在失事后駛離既行車道進入路肩或路肩以外區域的潛在風險；②車輛暴露在路側事故中的風險，即因路段客觀因素存在的差異，導致車輛在路線上的運行速度不同，當相鄰路段的運行速度差值過大時會導致交通流運行穩定性較差，造成車輛暴露于危險環境的風險增大；③發生路側事故的嚴重度風險，即當車輛發生路側事故時，由于路側環境差異造成車輛發生碰撞、翻車等事故的嚴重度不同；④車輛運行速度的影響，即車輛以不同的行車速度進入路肩或路肩以外的區域時，路側事故嚴重度受車輛運行速度變化的影響。

綜合高速公路路側危險度影響因素，建立高速公路路側風險度值R的函數以評估其路側危險度，即：

R=f(X1,X2,X3,K)

(1)

式中：X1為車輛在道路上行駛時路側事故潛在風險值；X2為車輛在行駛過程中路側事故暴露風險值；X3為已發生事故時的事故嚴重度風險值；K為基于運行速度的事故嚴重度加權系數。

1.1 路側事故潛在風險

根據已有的研究成果，主觀因素和客觀因素是影響道路交通事故的主要因素，從車輛駛離既行車道的客觀原因分析，道路線形、交通條件和路側特征三大類是組成影響路側事故潛在風險的主要指標。

其中道路線形對路側事故的影響表現為縱面線形和平面線形，縱坡是影響縱面線形危險程度的主要因素，袁偉等[7]研究發現相同的縱坡下不同坡長對車輛行駛狀態的影響不同，在長下坡路段中，交通事故集中分布在其下半段，因此路側事故潛在風險與考慮坡長因素的平均坡度有很深的聯系；當道路平面曲線的偏角越大時，事故潛在的風險也越大[8]。同時，路段交通流量對事故潛在風險的影響將隨交通流量的增加而增大，并且在混合交通流下貨車比例對路側事故潛在風險的影響將隨貨車比例的增加而增大。此外，路側寬度對路側事故潛在風險的影響也不容忽視，足夠的路側凈區可給駕駛者提供足夠反應的時間，并給失事車輛提供一個可返回道路的空間。

綜上所述，將影響路側事故潛在風險主要因素指標概括為平曲線變量、平均縱坡、ADT、貨車比和路側凈區狀況。參照《路側安全設計指南》將路側事故潛在風險分為4個等級，其等級高低與路側事故潛在風險高低一致[4]。各因素指標的分級及風險分值根據表1確定，采用層次分析法(AHP)對其權重加以確定，如表2。

由于各因素指標對路側事故潛在風險都有影響，但影響效果各不相同，因此其值采用各因素指標的不同等級分值的加權和確定，即：

(2)

式中：X1為路側事故潛在風險值；βi為第i個指標的權重；Pi為第i個指標的風險分值。

1.2 路側事故暴露風險

車輛行駛過程中影響交通事故的因素不僅與該路段有關，還與相鄰路段有關。通過研究發現當車輛在相鄰路段運行速度相差較大時，會導致路線上的交通流運行穩定性較差，增加路側事故率，因此運行速度協調性是影響路側事故暴露風險的主要因素。根據公路安全性評價的相關規范規定，運行速度協調性由相鄰路段運行速度差值|Δυ85|作為評價指標：當運行速度差值小于10 km/h，表示運行速度協調性好；當運行速度差值為10～20 km/h，表示運行速度協調性較好，但在條件允許時宜對相鄰路段技術指標進行適當調整，使運行速度的差值不超10 km/h；當運行速度差值大于20 km/h，表示運行速度協調性不良，相鄰路段平、縱面技術指標需要重新進行調整設計[9]。

基于相鄰路段運行速度差值的不同并結合工程實例和采用插值法將事故暴露風險分為4個等級，不同等級及風險分值如表3。

因評價路段的前后相鄰路段的運行速度差值對路線交通流穩定性的重要程度一致，故路側事故暴露風險值計算公式為

(3)

式中：C1和C2分別為評價路段前后相鄰路段的事故暴露風險值。

1.3 路側事故嚴重度風險

路側事故嚴重度受路側環境的影響很大，可根據路側環境的不同分為兩類：一是車輛碰撞如護欄及端頭、樹木、標志立柱等路側危險障礙物；二是車輛失事后駛離車道沖入如高陡邊坡、深谷、河流等路側危險地帶發生事故。

利用歐盟標準中用于評價乘員傷害嚴重的加速度嚴重指數(ASI)指標作為判斷路側事故嚴重度的指標，其值大小表示乘員受傷害程度，根據仿真試驗所得車輛碰撞后的加速度值，其計算公式為

(4)

(5)

式中：ax，ay，az分別為碰撞試驗過程中車輛重心3個方向的加速度；δ為時間間隔，取值δ=50ms。

龍科軍等[10]通過對車輛碰撞仿真試驗的研究，將不同車型、路側障礙物或護欄以及路堤邊坡組合，利用有限元碰撞模擬軟件對組合的模型進行模擬碰撞分析得到相應的車輛重心3個方向加速度曲線，并以此通過計算公式(4)、公式(5)計算得加速度嚴重指數ASI，將其作為路側危險度評估的唯一指標。在選擇高速公路行駛過程中駕駛員系安全帶情形下，得到車輛碰撞路側不同障礙物及墜入邊坡的ASI值如表4、表5。而筆者在該研究基礎上僅將加速度嚴重指數作為評估路側事故嚴重度風險的指標，基于Fisher最優分割法將ASI閾值分為4個等級，不同等級及風險分值如表6。

表4 車輛碰撞障礙物加速度嚴重指數ASI值Table 4 ASI values of vehicles crashing with obstacles

表5 車輛墜入邊坡加速度嚴重指數ASI值Table 5 ASI values of vehicles crashing into embankment slope

表6 加速度嚴重指數ASI等級與分值Table 6 The grades and scores of ASI values

在混合交通流下，將一種車輛的加速度嚴重指數作為該事故類型的嚴重度風險，勢必造成事故嚴重度風險的高估或低估，因此將各種車輛在同一危險情況下的加速度嚴重指數的加權和作為該事故類型嚴重度風險的依據，其計算公式為

ASIi=asASIis+amASIim+abASIib

(6)

式中：as、am、ab分別為小、中、大型車的比重；i分別為車輛碰撞障礙物加速度嚴重指數或車輛墜入邊坡加速度嚴重指數；ASIs、ASIm、ASIb分別為3類車型的加速度嚴重指數。

基于綜合高速公路車輛碰撞障礙物和墜入邊坡的事故嚴重度風險，高速公路路側事故嚴重度風險值計算為

X3=γiDi

(7)

式中：Di為不同事故嚴重度風險值；γi為不同事故類型的權重。根據對路側事故嚴重度研究，采用專家評分對兩類不同事故的嚴重度指標評判的平均分值結果：與碰撞障礙物相比，車輛墜入邊坡對傷亡的影響更大，故挖方路段因車輛在不能墜入邊坡，取γ1=1.0，γ2=0；填方路段取γ1=0.2，γ2=0.8。

1.4 基于運行速度的事故嚴重度加權系數

不僅路側環境會影響事故嚴重度，而且運行速度也很關鍵。車輛失事后發生碰撞、側翻等產生的能量與運行速度值為正相關，當運行速度增大，事故嚴重度也增加[11]；此外不同路段的運行速度相對于道路設計速度比例不同，將造成相同的運行速度在設計速度不同的路段對事故嚴重度影響不同?；诮Y合路側凈區寬度對車輛運行速度影響的基礎上在路側危險度評估模型中引入基于運行速度的事故嚴重度加權系數，計算公式為

(8)

式中：K為事故嚴重程度加權系數，當K≤1.0時取1.0；Sn-1和Sn分別為路段起始點樁號；V85為車輛運行速度(已運營道路采用實測值，設計階段道路采用預測值)；Vb為道路的設計速度值；K′為路側凈區寬度對運行速度的影響系數，參照《公路項目安全性評價規范》，取值如表7。

表7 路側凈區寬度對運行速度的影響系數Table 7 The influence coefficient of roadside clearance zonewidth on running speed

2 路側危險度分級

綜合上述對高速公路路側事故風險因素為自變量的量化分析，提出通過自變量值計算因變量高速公路路側危險度值的計算方法，計算公式為

(9)

式中：各參數同上取值。

根據模型中路側危險度值R的變化范圍，基于已有研究成果和梅河高速實際應用的基礎，按表8將高速公路路側危險度分為4級，其中級別高低表示危險度高低。

表8 路側危險度分級方法Table 8 Classification method of the roadside risk

3 實例分析

以G25長深高速公路粵境梅河段為例，梅州方向K3 324+464到K3 320+244為連續下坡，坡長達到4 220 m。據統計該路段平均日交通量在10 000輛以上，貨車比為42.1%，小型車、中型車、大型車比為0.78∶0.11∶0.11。

路段1：如圖1位于雞雄山隧道與雞雄山大橋間某連續下坡彎道處，評價單元長500 m。該路段平曲線變量為15.62°，平均縱坡為3.3%，往梅州方向右側的凈區寬度為3 m，邊坡高度為9 m，坡度約為1∶1.5，運行速度實測值為101 km/h，相鄰路段的運行速度差值分別為6、7 km/h。在該路段車輛易因連續長下坡而導致車速增大，且車流量較大、路側有深懸崖，故路側環境十分危險。

路段2：如圖2位于梅州方向某下坡路段，坡底處經彎道與葵崗隧道相接，評價單元長500 m。該路段為挖方路段，平曲線變量為18.15°，平均縱坡為4.98%，往梅州方向右側的凈區寬度為4.65 m，設有局部護欄，路側有樹木與輪廓標，運行速度實測值為103 km/h，相鄰路段的運行速度差值均為10 km/h。該路段車流量較大，路側有一定的緩沖凈區，但下坡可致車速增大，且路側有樹木和輪廓標威脅行車安全。

圖1 G25高速公路某連續下坡彎道處Fig. 1 A continuous downhill curve of G25 expressway

圖2 G25高速公路某長直線連續下坡的彎道處Fig. 2 Bend of a long line continuous downhill on G25 expressway

實例評價結果如表9：路段1路側危險度值為31.4，由表8可知路段危險等級為Ⅳ級，在該路段路側設有三波梁護欄；路段2路側危險度值為18.2，由表8可知路段危險等級為Ⅱ級，在該路段設置縱向減速帶、輪廓標和爆閃燈提醒駕駛員注意保持車速。該評估模型對實例路段計算結果與運營階段梅河段高速《現狀分析及安全性評估報告》結果一致，說明該高速公路路側危險度評估模型有效合理。

表9 實例評價結果Table 9 Evaluation results of examples

4 結 語

通過分析車輛運行速度和運行速度協調性對高速公路路側危險度的影響，重新定義了影響高速公路路側事故潛在風險、暴露風險以及嚴重度風險的各類指標，并根據對各指標更客觀的分級評估提出一種適用于高速公路路側危險度評估的模型。該模型的評估結果通過實例分析驗證和運營階段的實際結果一致，表明能夠準確評估高速公路路側危險度。該模型也存在一定問題：路側事故暴露風險和事故嚴重度加權系數中所用為道路整體運行速度及其計算而得的運行速度協調性，有必要針對不同車道的運行速度影響進行研究；可進一步研究不同的路面結構和車道數量等條件對路側危險度的影響。