（道路与铁道工程专业论文）公路线形安全分析与评价研究.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济的高速发展，公路建设也在突飞猛进。截至2 0 0 5 年底，全国公路 总里程达到1 9 3 0 5 万公里，跃居世界第二位。取得成绩的同时也应该注意到现阶段交通 安全状况仍十分严重，事故次数、死亡人数、经济财产损失都逐年增加相比予其他国家， 中国高了近一个数量级。 以往分析交通事故原因时，往往单一强调人为原因。不可否认存在驾驶员操作失误的 因素，但在人、车、路组成的交通系统中，驾驶员的操作是根据公路反馈的信息进行的， 不良公路线形反馈的信息易引起驾驶员错误的判断和操作。另外，新手驾驶员增多，他们 的经验相对缺乏、心理素质相对较差，更不能苛求驾驶员以绝对正确的判断、敏捷的反应 来弥补不良的道路因素，而应从驾驶员角度考虑路线设计。 公路路线一旦建设成型，就很难有所改变，所以选择合理的设计指标取值尤为重要。 现今所应用的设计指标，是从汽车动力学原理角度出发得到，对于道路的使用者驾驶员因 素、具体环境因素考虑不足，因此有必要加入驾驶员因素来重新审视设计指标取值。 本研究课题着重对设计指标进行研究。首先，对驾驶员在车辆行驶过程中的动视觉特 征、行为特性和心理特征做出多方面分析研究；同时，在对公路交通事故统计资料分析基 础上，对公路平、纵及平纵组合线形对于交通安全的影响做出分析和研究，得出各种线形 因素对交通安全的影响结论。 在以上分析的基础上，针对平面、纵面、平纵组合线形的各个因素，以理论分析为基 础，结合考虑满足驾驶员的驾驶舒适需要、操作简便需要、安全可靠需要以及环境影响， 对线形设计指标取值进行合理化和细化，提出了不同环境可以采用的设计指际建议值。 最后，为了发现线形安全隐患，利用基于层次分析法的多级模糊评判法对公路的线 形质量进行评价。从而对公路线形的整体状况和局部的安全突出点做出分析，为线形设计 优选提供一种可行方法。利用此理论选择江苏3 2 8 省道洪泽段进行实例分析。 关键词：交通事故、影响因素、公路线形，安全分析、线形指标、模糊评价 a b s w a c t a b s t r a c t w t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m y , h i g h w a yc o n s t r u c t i o nw a s m p i d l yd e v e l o p e d b yt h ee n do f2 0 0 5 ，t h en a t i o n a lm a d w a yl e n g t hr e a c h e d1 9 3 0 5m i l l i o n k m i tw a sr a n k e ds e c o n di nt h ew o r l d b u t i ts h o u l db en o t e dt h a tt r a f f i ca c c i d e n t si ss t i l lv e r y s e r i o u s t h en u m b e ro fa c c i d e n t s d e a t ht o l la n de c o n o m i cl o s s e sh a v ei n c r e a s e dy e a rb yy e a r c o m p a r e d t oo t h e rc o u n t r i e s ，c h i n ai sn e a r l ya no r d e ro f m a g n i t u d eh i g h e r a n a l y s i so ft h er e a s o i l sf o rp r e v i o u sa c c i d e n t so f r e ne m p h a s i z e dr e a s o n so fd r i v e r t h e r ei s r i od e n y i n gt h ew r o n go p e r a t i o no f t h ed r i v e r b u ti nat r a n s p o r ts y s t e mo f c a r s ，r o a da n dd r i v e r , t h eo p e r a t i o no fd r i v e ri sb a s e do nf o e d b a c ki n f o r m 撕o nf o rt h eh i g h w a y a d v e r s ef e e d b a e k i n f o r m a t i o nc a l li e a dt od r i v e re r r o ri n u d g m e n ta n do p e r a t i o n i na d d i t i o n ，n o v i c ed f i v a r sa r e r e l a t i v el a c ko fe x p e r i e n c e ，t h er e l a t i v e l yp o o rq u a l i t yo fp s y c h o l o g y n o v i c ec a nn o tb e e x p e c t e dm o r et ot h er i g h tj u d g m e n t , t h eq u i c kr e a c t i o nt oc o m p e n s a t ef o rt i l eb a dh i g h w a y a l i g n m e n t s od e s i g nc o n s i d e r a t i o n sf o rh i g h w a ys h o u l db ef r o mt h ed r i v e rp e r s p e c t i v e o n c eh i g h w a yc o n s t r u c t i o nw a sc o m p l e t e d , i ti sh a r dt o c h a n g e s oi t i sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tt oc h o o s ear a t i o n a ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n s n o wa p p l i e dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n sg o tf r o m t h ep e r s p e c t i v eo f v e h i c l ed y n a m i c s ，l a c ko f c o n s i d e r a t i o n so f d r i v e r s ，s p e c i f i ce n v i r o n m e n t a l s o i ti sn e c e s s a r yt or e e x a m i n et h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sf r o mt h ed r i v e r sp e r s p e c t i v e t h er e s e a r c hf o c u 辩so nd e s i g n s p e c i f i c a t i o n s f i r s la n a l y s i s o fd y n a m i cv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c s ，b e h a v i o ra n dp s y c h o l o g i c a lc h a m c t e r i s t i c so ft h ed r i v e rw h e nt h e yd r i v eac a r w a sm a d e m e a n w h i l e ，o nt h eb a s i so fs t a t i s t i c a ld a t aa n a l y s i so ft r a f f i ca c c i d e n t , r e s e a r c ha n d a n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no fp l a n ea l i g n m e n t , v e r t i c a la l i g n m e n la l i g n m e n t c o m b i n a t i o na n da c c i d e n t sw a sm a d e ，t h e ng e tc o n c l u s i o n so f v a r i o u sf a c t o r so f a l i g n m e n to nt h e i m p a c to f t r a f f i ca c c i d e n t s o nt h eb a s i so ft h ea b o v e a n a l y s i s ，t h e f a c t o r so fp l a n ea n dv e r t i c a l ，a l i g n m e n t c o m b i n a t i o n ，m e e t i n gt h en e e d so f d r i v e r sc o n s i d e rc o m b i n i n gc o m f o r t a b l e ，c o n v e n i e n t , s a f ea n d r e l i a b l e ，i st ob er a t i o n a l i z e da n dd e t a i l e d d i f f e r e n td e s i g ns p e c i f i c a t i o n sr e c o m m e n d e dv a l u ei s g o tt ou s e di nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t f i n a l l y , i n o r d e rt of i n da l i g n m e n tp o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m s ，u s em u l t i l e v e lf u z z y e v a l u a t i o nb a s e do nt h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s st oe v a l u a t eq u a l i t yo fh i g h w a ya l i g n m e n t t h u st h eo v e r a l ls t a t ea n dl o c a lh i g h w a ya l i g n m e n to f t h es a f e t ya n a l y s i sh i g l l i g h t sa r em a d et o p r o v i d eap o s s i b l ew a yf o rl i n e a rm u l t i - p r o g r a ms e l e c t i o n u s et h i st h e o r yt oa n a l y z et h e3 2 8 p r o v i n c i a lr o a do f h o n g z ef o re x a m p l e k e yw o r d s ：a c c i d e n t , f a c t o r & , h i g h w a ya u g n m e n t , s e c u r i t ya n a b 噶i s ，a l i g n m e n t i n d i c a t o r a f u z z ye v a l u a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：扬鳖堡 导师签名：舭 e l 期：趔j ：釜i 第一章绪论 1 1本课题研究背景 1 1 1 公路交通安全现状 第一章绪论 交通运输与国民经济息息相关，相互促进、相互制约。当交通运输适度超前经济发展 时，它将拉动经济的发展；反之，当交通运输滞后于经济发展时，它将制约经济的发展。 同样，当国民经济发展迅速时，它将刺激交通运输的发展；当国民经济发展萎靡时，它将 延缓交通运输的发展。随着社会生产力的高速发展，两者之间的关系更加水乳胶融交通 运输的重要性更加突兀，交通运输的任务也日益繁重，而公路运输作为大运输系统的重要 一环，其扮演的角色更是举足轻重。 随着我国国民经济建设和工业现代化的高速发展，公路建设也迅速发展。截至2 0 0 5 年底，全国公路总里程达到1 9 3 0 5 万公里，跃居世界第二位，仅次于美国。其中高速公 路4 1 0 0 5 公里、一级公路3 8 3 8 1 公里、二级公路2 4 6 4 4 2 公里、三级公路3 4 4 6 7 1 公里、四 级公路9 2 1 2 9 3 公里，等外公路3 3 8 7 5 2 公里p ”。二级及二级以上高等级公路里程3 2 5 8 万 公里，占公路总里程的1 6 9 ，这些等级公路担负着重要的枢纽和城市交通货运通道作用。 在公路以其方便、快捷的特点在社会和经济、生活中发挥重要作用的同时，也应看到 交通事故逐年上升，给人民生命财产造成了巨大的损失。1 9 9 0 年，我国有4 9 2 7 1 人死于 道路交通事故，到了2 0 0 1 年，这一数字就翻了一番以上，首次超过了1 0 万人，达到了 1 0 5 9 3 0 人，交通事故受伤人数也由1 9 9 0 年的1 5 5 0 7 2 人增长到2 0 0 2 年的5 6 2 0 7 4 人，年 均增长1 1 3 。而且2 0 0 2 年全国道路交通事故造成的经济损失高达3 3 2 4 亿元，比1 9 9 0 年的3 6 4 亿元增加了近3 0 亿元【1 1 。如图1 1 、1 - 2 所示，从1 9 9 8 年以来我国公路交通事故 造成的直接经济损失和死亡人数一直保持较高的势头，交通事故死亡的绝对人数稳居世界 第一位。从公路技术等级看，二、三级公路上交通死亡事故最多，以2 0 0 5 年为例，发生 在二、三级公路的交通事故共造成4 7 4 4 8 人死亡，占全部死亡总数的4 8 1 。 圈卜11 9 9 8 - 2 0 0 4 年全国公路交通事故死亡总人图1 21 9 9 8 - 2 0 0 4 年全1 3 1 i l t 路交通事故直 数统计接经济损失统计 公路的高事故率、高事故损害一直困扰着我国公路的管理者和使用者。如表1 1 ，2 0 0 2 年每百起事故死亡高达1 5 3 人，而日本仅为1 人，美国为2 2 人，欧盟各国最高，但也只 东南大学颈l 学位论文 有3 1 人，差距之大是不言而喻的。道路交通中的死亡风险也很高，2 0 0 2 年我国每l o o k m 道路上就有6 7 人死于交通事故，而这一指标在美国、日本和欧盟各国分别为o 7 、0 8 和 1 0 ，中国高了将近一个数量级。1 0 万人口交通事故死亡率虽然低于美国的水平，但高于 日本，与欧盟其他各国相比己无大的优势可言，但事实上，这一指标不能说明太大问题， 因为我国的人口基数巨大，再高的死亡人数被巨大的人口数去除也会变得很小。在这些数 字的背后的问题应该引起我们足够的重视。 表1 1 中国与发达国家公路交通事故现状比较( 2 0 0 2 年) 项目中国美国欧盟日本 事故次数( 起)7 7 3 1 3 71 9 6 7 0 0 01 2 3 2 2 9 49 3 6 7 2 l 死亡人数( 个)1 1 8 1 3 l 4 2 8 1 53 8 8 2 4 9 5 7 5 百起事故死亡人数( 个百起事故)1 5 32 2 3 11 o 百公里死亡人数( 人i o o k m )6 70 7i o 0 8 万车死亡率( 人万机动车) 1 6 21 91 7l j2 1 0 万人口死亡率( 人1 0 万人口)9 4 1 4 91 0 37 5 注：包括奥地利、比利时、丹麦，芬兰、法国、德国、希腊、爱尔兰、意大利、卢森堡、荷兰、葡萄 牙西班牙瑞典、英国1 5 个国家。 其中软少希腊数据：意太利、卢森堡为2 0 0 0 年统计值；比利时为2 0 0 1 年统计值。 除希腊之外的其余欧盟1 4 国的平均值。 以上分析表明，我国现阶段的公路交通事故状况仍十分严重，特别二、三级干线公路 交通事故突出。为了降低交通事故的发生率，减少人员的伤亡，减少经济的损失，不能单 一苛求驾驶员以绝对正确的判断、敏捷的反应来弥补不良的道路因素。因此对路线的安 全影响进行讨论，并且研究其指标取值是一项重要工作。 i 1 2 公路交通系统分析 公路交通系统由人、车、路( 含整个环境) 等因素构成的复杂系统这些组成要素又 各为子系统。在这个系统中驾驶员先从道路交通环境中获取外界信息，这些信息综合到驾 驶员的大脑中，经判断形成动作指令，指令通过驾驶员操作行为，使汽车在道路上产生相 应的运动，运动后汽车的运行状态和道路环境的变化又作为新的信息反馈给驾驶员，如此 循环反复，完成整个行驶过程。图1 3 为公路交通系统示意图纠。 人 圈i - 3 人一车一路组成的公路交通系统示意图 在人一车一路一交通环境构成的交通系统中，影响交通安全的因素既有人，还有道路、 车辆和交通环境，它们相互作用，相互影响。“人”是整个系统的中枢；“路”是整个系统 的基础；“车”是完成运输功能的工具。首先“路”限定了“人”的信息来源和“车”的 2 第一章绪论 行驶状态，“人”通过感觉器官不断摄取道路信息，并经过加工处理，再通过运动器官来 控制车辆。使车辆来适应不断变化的道路条件和环境条件，同时感觉器官又不断的摄取车 辆对道路的适应情况信息，并对车辆进行进一步的微调，这样周而复始达到安全行驶的目 的t ”。 当这些因素组成道路交通系统这个整体时，它们之间就形成了相互依赖的关系，它们 本身的可靠性程度和它们之间的相互作用决定了这个复杂系统的运行状况和交通安全水 平。这三要素中潜在的危险性。主要体现在主观方面( 驾驶员、乘客、行人等交通参与者) 的不安全行为和客观方面( 道路、车辆、交通环境等) 的不安全状态。只有这三大要素相 互协调，相互配合，才能使公路交通系统这个大系统处于最优状态“j 。 交通事故作为随机事件，其成因看起来是有其偶然性的，分析却发现是由于构成交通 系统的各个因素自身或者相互作用的失调而引起的。比如道路线形和外界环境提供给驾驶 员的信息不足或驾驶员对道路，环境、和车辆信息判断失误而造成事故；车辆自身性能不 足在遇到恶劣道路条件时发生故障而造成事故：驾驶员的大意、疲劳驾驶等，也往往与单 调的道路条件有一定联系。因此，在分析事故原因时，应依据系统观点，应该从“人一车 一路【环境) ”三方面下手。 在交通系统中，人作为系统的中心，道路和环境、车辆都是为人服务的，各种诱发交 通事故的因素也都是通过人的影响而起作用的。但是，人是主动的有意识的，是整个交 通系统中最活跃的因素，也是随机性最大的因素；而车辆和道路是客观的，无意识的。所 以，一旦分析交通事故，我们大都倾向于一种简单的认识，即：事故的基本原因是人为的， 仅仅是由于驾驶员的失误和错误造成的。在我国更加的侧重于人为因素，对道路本身的因 素考虑到很少，甚至认为道路因素对交通事故不产生影响。图1 - 4 为2 0 0 3 年道路交通事 故原因统计f 5 】 行人、乘车 机动车驾驶 员原因 8 4 2 5 圈l - 42 0 0 3 年道路交通事故原因统计 从上图中我们可以看出，我国事故原因统计中道路原因占的比例最小。仅为0 1 2 说明我国对于道路在交通安全中的作用的认识还有很多的不足之处。 对交通系统而言，道路是基础，它必然要对整个系统的失衡、事故的发生起到直接或 间接的作用。虽然直接由道路缺陷引起的事故数量不到总数量的1 0 ，但是良好的道路线 形条件在很大程度上可以减少交通事故的发生，那么由此可见道路线形条件在交通安全 方面间接的作用是很大的。因此，道路因素其实是交通安全中最具隐蔽性的深层次的因素， 它不像车辆那样，直接作用于人体，而是通过对车辆的影响再将影响传递给驾驶员或者 东南，t 学硕士学位论文 通过驾驶员的视觉以非接触形式对驾驶员产生影响。这也许就是道路对交通安全影响因素 容易被忽略及人们对其认识肤浅的根源。 法国保险公司曾对导致交通事故的直接伴随因素进行分析。在详细研究了一千起交通 事故后得出结论，那些通常被认为驾驶员的错误和失误导致的事故背后，隐含着相当比例 的道路因素，详见表1 2 t 3 】 表1 2 道路因素与交通事故主要原因间的关系 事故的主要原因有不利道路因素促使事故发生的比例 驾驶员的不良生理状态 4 0 ( 如：疲劳，生病，醉酒等) 驾驶员操作失误错误 4 1 ( 如：不正确的超车等) 驾驶员的判断失误 3 4 ( 如：制动距离判断失误等) 所以，在不考虑道路线形因素前提下，理论上说，要求驾驶员应该对驾驶中各种因素 的变化心理应有所反应，而且在某种程度上应能预见到，并用相应的方式补偿这些因素变 化的影响，力求确保安全行驶。但是这种要求是苛刻的。并且对于越来越多的新手驾驶员， 我们不能苛求驾驶员以绝对正确的判断、敏捷的反应来弥补不良的道路因素，即使这些设 计是符合规范的，而是要通过在汽车动力学的前提下，充分满足驾驶员和乘客在视觉和心 理上连续性和舒适性的要求的情况下，同时对建设公路的环境加以考虑，对公路线形做出 良好的规划，设计和评价，以给驾驶员提供宽松、连续的驾驶环境h 。 1 2 论文研究意义 自有交通事故记录以来，我国道路交通事故次数、受伤人数及死亡人数均呈上升趋势， 特别是近年来这种上升势头更为明显。加之改革开放二十多年来，我国的综合国力和人民 的生活水平不断的提高，越来越多的人们有了自己的私家车，仅就北京一地而言，截至 2 0 0 5 年，统计有私家车已近一百一十万辆，其中私人小轿车已达五十六万辆，占全市小 汽车的百分之六十。随之而来的是许多新手上路驾驶，他们的驾驶经验相对缺乏、心理素 质相对较差。新手驾驶机动车辆的不断增加，交通安全状况也不断恶化。交通事故已经成 为我们现今首要解决的问题和面临的挑战。 对于变通事故成因，大都倾向于一种简单的认识，即：事故的基本原因是人为的，仅 仅是由于驾驶员的失误和错误造成的。但国内外研究表明，道路因素其实是引发交通事故 的最根本原因。前苏联学者认为不良道路条件的影响是7 0 的交通事故发生的直接或间接 原因：欧洲联合经济委员会指出，7 0 的交通事故是由于道路的缺陷所致9 1 i 法国国家保险 公司曾经对导致道路交通事故的直接伴随因素进行分析后得出结论，那些通常被视为驾驶 员的错误和失误导致的事故背后，隐藏着4 0 左右的道路因素。上述研究表明，道路因素 是引发事故的最深层次的原因，可直接或间接引发交通事故。 在认清道路条件对交通安全的影响后，我们应该对其设计规划认真对待，不能在苛求 驾驶员以绝对正确的判断、敏捷的反应来弥补不良的道路因素，即使这些设计是符合规范 的。而且公路是线状构造物，线形设计的好坏不仅决定着设计阶段的工程造价，而且还决 定者运营阶段的使用质量，即行驶的安全性、舒适性及经济性，为此公路工程技术标准 规定：“公路建成以后，要改变公路线形几乎是不可能的，它将长期限制汽车的运行。线 形设计的好坏，对汽车行驶的安全、舒适、经济以及公路的通行能力都起着决定性作用。 4 第一章绪论 因此，线形设计时，必须对公路应具有的性能与作用进行充分而慎重的分析研究，对设计 的线形进行检验，以评价线形设计的成效性。以免留下后患。”因此，在设计阶段，对其 安全问题进行考虑在内并且评价其安全性是尤为重要的。 我国现行的公路线形设计规范是公路行业长期经验的积累是众多的专家智慧的体 现，也是一部全国范围内的纲领性法规。其以汽车动力学理论为基础，根据绽计车速制定 的。而其中对于驾驶员的自身的生理和心理以及不同环境对驾驶员的影响考虑不充分对 于我国各个地区变化众多的交通环境、地形环境来说过于的统一，缺乏针对性，并且指标 仅给出了在动力学上必须满足的最极限情况，设计时采用值的随意性较大，有一定程度上 的局限性。 本文研究的意义在于从驾驶员角度入手，结合考虑环境影响，对公路线形设计指标取 值进行研究探讨。通过对驾驶员的驾驶心理和环境干扰的研究，初步提出线形设计指标建 议取值，用以指导和修改公路设计，使得设计不仅“合法”而且合理，并对设计做出评价， 做到防患于未然，减少交通事故发生可能。同时为以后根据具体环境傲到“一路一设计” 的灵活设计做出铺垫。这对公路的线形设计工作有非常重要的理论意义和实际作用 1 3国内外的研究现状 对道路线形条件与交通安全的关系以及线形评价的研究，国外开展的比较早，在六、 七十年代美国苏联、德国等发达国家就对其进行过广泛的研究，得出了许多宝贵的经验， 并用于道路的实际建设中，取得了比较好的效果。国内学者也在国外研究的基础上作了适 合中国的发展，但由于结果的可靠性、实用性等种种原因，很少用于实践，因此我国在这 方面还存在一定差距。 1 3 1 利用事故数据统计分析公路线形 事故率系数法是指在不同道路条件的路段上发生的事故率与标准路段上的事故率的 比值。这种方法是目前比较成熟、应用比较广泛的方法，它最早由联邦德国在1 9 5 6 年提 出，用于分析道路的横断面与交通事故的关系，后前苏联的巴布可失教授对其作了进一步 完善和推广，深入系统的分析并建立了各种道路条件因素与交通事故之间的关系模型。我 国同济大学的景天然教授，利用该法对我国的交通事故与道路条件进行统计分析后，也得 出了适合我国的道路条件与交通事故的关系模型【”。 多元统计回归法，将道路及交通特性参数作为自变量，交通安全指标作为因变量进行 回归分析。由于多元统计方法是一种比较严密的数理方法，近代已经发展的相当成熟，并 在各领域得到了广泛的应用，因此用这种方法将各种道路条件因素结合起来考虑，具有比 较可靠的理论基础。能比较贴切的反映道路条件与交通事故闻的关系，但由于影响交通事 故的因素比较多、回归模型的工作全和复杂性决定了不可能将各种因素都计为变量，因此 模型中自变量的选择及合成极为重要。 1 3 2 公路线形的评价方法 利用油耗图评价线形可用来分析公路线形纵坡设计的合理性。其具体做法是把各方案 沿线汽车行驶时所消耗的油量绘制成图。在图上进行耗油量分析，对路线总耗油量进行比 较，另外看沿线耗油量是否均匀，通过比较可以选出较好的线形设计方案。这种方法在多 东南大学硕士学位论上 方案的越岭线比选中尤为有用。 评价公路线形设计连续性最常用的参数是运行速度( 期望速度) ，即8 5 位车速。运行 速度变化是线形不连续最明显直观的标志，大量事故的发生多是司机采用不恰当的车速引 起的，所以运行车速也可以作为表征路段安全水平的标志。这种方法首先分析了各种道路 条件与实际行车速度v 8 5 ( 即速度累计分布曲线上8 5 对应的车速) 的关系，并建立了回归 模型。在此基础上对路段上的行车速度进行预估，并以实际行车速度的变化值作为评价道 路的连续性及安全状况的指标。常用的评价线形连续的标准有运行速度和设计速度之差 v s 5 一v d 以及直线和相邻圆曲线之间、相邻曲线之间的运行速度差值v 8 5 。 公路安全设计模型i h s d m ( i n t e r a c t i v eh i 卫h w a ys a f e t yd e s i g nm o d e l ) 是美国联邦公路 局( f h w a ) 于1 9 8 8 年提出的，该模型基于公路平纵线形，通过与c a d 集成在一起的评价 系统进行评价，可帮助道路设计人员从道路安全的角度评价设计方案。i h s d m 的核心思 想是将整个道路安全评价系统分为车辆动态、车速一致性、事故预测、道路设施、驾驶心 理、交通流、政策评价和费用一效益等8 个子模型，这些子模型和c a d 软件采用交互式 工作方式，用户能够随时调整评价系统的工作过程。f i - i w a 认为，i h s d m 将道路安全评 价和c a d 集成的思想既实现了道路安全审计的目的，又方便了设计方案的修改这代表 了道路安全评价未来的发展方向，将在道路安全评价领域发挥重要的作用j 。 从国内研究的情况来看，国内外的相关研究分别集中于事后通过事故率来分析线形和 总体评价公路线形两个方面，但在如何从正面结合考虑驾驶员的视觉和心理特征，充分考 虑国内的道路线形设计步骤和采用的设计指标，从事前交通安全的角度评价公路平纵线形 的研究尚不够完善，i h s d m 虽考虑了多种因素，但是毕竟是针对美国的双车道，对于我 国公路平纵线形设计的指导作用毕竟有限。 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 驾驶员在行车过程中，其生理和心理上会有不同程度的变化。分别从以下的 方面进行分析研究，首先分析驾驶员行为特性，主要从驾驶员信息处理特性、环境与反应 时间、驾驶疲劳程度、驾驶倾向性等方面关系入手研究；行车时视觉不在是单纯静态的， 而是成为动态的，由此分析动态视觉环境，总结动态视觉的特点；最后分析环境对驾驶员 的影响，也就是环境与驾驶员行为之间关系以及环境刺激的作用； ( 2 ) 通过公路安全系统的分析，得出交通事故的发生与道路线形有着直接或间接 关系的结论。由此，对组成线形的平面、纵面各种因素以及平纵组合与交通事故的关系做 出合理的总结分析。 ( 3 ) 平面指标的合理建议取值研究。分析影响平面各个指标的因素，从驾驶员的 角度出发，分别对直线最大长度、平曲线半径、缓和曲线长度的取值做出分析计算，提出 不同区域可供灵活设计参考的直线最大长度取值，根据地形不同灵活采用的平曲线半径取 值。以及缓和曲线取值。 ( 4 ) 纵断面指标的合理建议取值研究。分析影响纵断面各个指标的因素，从驾驶 员的角度出发，分别对纵坡度、纵坡长、竖曲线半径取值做出分析计算，提出不同地域可 以灵活设计参考的纵坡度、纵坡长取值。以及满足驾驶员实际视觉要求的竖曲线半径取值。 ( 5 ) 对平纵组合设计现存问题和平纵各种组合情况的线形特点进行分析。提出平 纵线形组合灵活、安全设计的原则。最后通过研究提出平纵组合线形设计选取的评价指标。 ( 6 ) 利用模糊评判法对公路线形质量进行评价。首先提出评价公路线形的指标体 系，再由层次分析法分析其指标体系中各个指标的权重。其次提出评价指标的隶属度函数， 用来对指标进行实际的量化评价。利用此理论选取江苏3 2 8 省道洪泽段进行实例分析。 6 第一章绪论 1 5 论文研究思路与技术路线 1 5 1 论文研究思想 规范是公路行业长期经验的积累，是众多的专家智慧的体现，也是一部全国范围内的 纲领性法规，是设计人员进行设计时所必须要遵守的依据和指南。但是我国的幅员辽阔， 各省甚至一省的地形环境和交通环境存在着很大的不同，以同一指标来约束显然是欠合理 的。以美国为例，即有全国性通用的规范，又有各个州结合自身的特点所制定的规范，便 于灵活采用，以达到节省投资，符合当地情况的目的。另外，设计指标对于驾驶员的考虑 显得不足，应该加入考虑驾驶员因素和环境影响来对设计指标进行一定合理化。 本课题的研究内容主要针对线形设计指标，提出加入考虑驾驶员因素，可在不同地域 灵活的采用指标建议值。因为环境的影响必定通过驾驶员作用在车辆上产生效果，因此本 文以驾驶员生理和心理上在指标计算时的考虑为研究入手点，考虑不同环境对驾驶员影 响，进而分析得到不同环境下的平面线形指标、纵断面线形指标的建议取值。另外在分析 平纵线形组合设计存在问题的前提下，提出其设计的原则和评价的指标。最后针对设计提 出公路线形质量优良的评价方法。 1 5 2 技术路线 ( 1 ) 结合环境心理学，对驾驶员在驾驶过程中的视觉特征、行为特征和环境对其影 响进行分析研究，为下面的研究作出前期准备工作。 ( 2 ) 分析车辆进入直线的实际行驶状态、不同景观对驾驶员产生疲劳时间的研究t 提出不同景观下可供参考的直线最大长度取值；分析驾驶员的视觉需要、舒适性要求、布 线实际情况，提出与布线夹角有关系的平曲线半径计算公式，进而可以得到其不同夹角情 况下参考的取值；从离心加速度变化要求、驾驶员操作时间，视觉要求计算得到缓和曲线 的取值。 ( 3 ) 在分析汽车动力学的基础上，考虑驾驶员实际换档操作、操作难度、超载问题 和海拔高度计算的得到不同档位下可以参考的纵坡取值；考虑驾驶员实际换档操作、操作 难度得到不同档位下可以参考的纵坡长取值；结合考虑实际的视觉要求、交通组成对竖曲 线半径取值进行合理化。 ( 4 ) 在分析平纵组合设计现存问题和各种平纵组合线形的基础上，提出平纵线形组 合灵活、安全设计的原则。通过研究提出平纵组合线形设计结果安全性评价指标。 ( 5 ) 结合以上研究，提出可与采用线形指标相联系的隶属度函数的公路线形综合模 糊评价方法，作为评价线形设计指标 7 第一二章骂驶受自身特性及环境对兵影响 第二章驾驶员自身特性及环境对其影响 2 1驾驶员行为特性 2 1 1 驾驶员信息处理 驾驶员驾驶车辆在道路上正常行驶，需要不断地认知情况、确定措施并实施操作。情 况一措施操作这一过程，实质就是获取信息和处理信息的过程，驾驶员的信息处理过程 如图2 一l 所示。图2 1 表示由环境获得信息，由接受器( 感觉器官，主要是视觉、听觉、 触觉等) 经传入神经系统传递到信息处理部( 中枢神经系统) ，经过思考判断，做出决定，然 后经传出神经系统传递到效果器( 手脚等运动器官) ，从而使汽车产生运动。如果效果器在 响应上有偏差，导致汽车发动响应异常，则必须把此信息返回到中枢神经系统进行修正， 然后经传递由效果器执行修正后命令。实际上，驾驶员的情绪、身体条件、疲劳程度以及 疾病、药物等与安全驾驶都有密切关系，情报处理得正确与否对响应特性有很大的影响 驾驶员对信息的处理，是在一定的时间下进行，并在一定时间内完成的。如果不能及时准 确地对信息进行处理，必然引发交通事故。 2 1 2 驾驶员反应时间 圈2 - l 驾驶员信息处理过程 反应时间就是从刺激到反应之间的时距。人体在受到某种刺激后所做出的反应不可能 恰在给予刺激的同时从机体那里发出。刺激引起了一种过程的开始，但是这种过程在机体 内部进行时，却是隐藏的或潜伏的，直到这种过程到达肌肉，产生一种外部可见的对环境 的反应为止州。 人的反应时间与道路交通安全有密切关系。前苏联 o 4 0 时，转弯非常不稳定，有倾倒的危险。 能源消耗 汽车在曲线上行驶与在直线上行驶的能源的消耗不同，不同的横向力系数，对于汽车 燃料消耗和轮胎磨耗的影响也不同。研究资料表明，与在直线上行车相比： 当“= 0 1 0 时：燃料消耗增加1 0 ，轮胎磨耗增加1 2 倍； 当h = o 1 5 时：燃料消耗增加1 5 ，轮胎磨耗增加2 0 倍： 当“= o 2 0 时：燃料消耗增加2 0 ，轮胎磨耗增加2 9 倍； 4 ) 路面超高横坡度f 珀口选值在车速较高的情况下为了平衡离心力要用较大的超高，但是道路上行使车辆 的速度并不一致，特别是在混合交通的道路上，不仅要照顾快车，也要考虑到馒车的安全。 对于慢车，乃至因故暂停在弯道上的车辆，其离心力接近于0 或等于0 。如超高率过大， 超出轮胎与路面问的横向摩阻系数，车辆有沿着路面最大合成坡度下滑的危险，因此必须： ( 蝌】s l 式中：工一一年中气候恶劣季节路面的横向摩阻系数。 制定最大超高坡度“r 胛。) 除根据道路所在地区的气候条件外，还必须给予驾驶者和乘 客以心理上的安全感。对于重山区，城市附近交叉口以及有相当数量非机动车行驶的道 路，最大的超高还要比一般道路小一些。 以上的横向力系数与路面超高横坡度，要根据具体地域道路需要的特点来选择，本文 分别选择如下表3 4 ，3 6 2 1 东南大学顾士学位论文 3 2 2 2 圆曲线半径取值分析 因为在汽车转弯的过程中，存在一条曲率连续变化的轨迹线，无论车速高低这条轨迹 线都是客观存在的，称为缓和曲线。它的形式和长度随行驶的速度、曲率半径和司机转动 方向盘的快慢而定。另外，汽车行驶在曲线上将产生离心力，离心力的大小与曲线的曲率 成正比，如果曲率的突然变化会有不舒适的感觉。因此，不论从驾驶员操作的实际性和舒 适性来说，有必要在驶入圆曲线之前设置一条驾驶员易于遵循的路线。 线形设计是灵活多变的，需要根据地形等等因素确定，不论那种平面要素组合型式， 为了过度直线到圆曲线需要设置缓和曲线，本文以基本型为代表分析研究。从前面的分析 可知。线形的协调需要平曲线的缓和曲线( ) 、圆曲线( l c ) 和缓和曲线 代入上( 3 1 0 ) 式，得： 铲丢- - 0 0 2 1 4 岳- - 3 8 5 2 品 另外，满足行车在衄线上的力的平衡的基本计算公式为： 矿2 r = 二一 1 2 7 ( u + 0 式中：v 一汽车行驶速度( k m h ) 。 “一路面与轮胎问的横向力系数： f 一路面超高横坡度，为代数值，正超高f 为正；反超高f 为负 对于设计车速v 确定时，将上式0 1 3 玳入( 3 1 2 ) 得到： 口：3 8 5 21 1 1 垫塑： ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 考虑到满足驾驶员视觉条件的夹角口的取值范围为7 暮； 二 o ( 即妒 d 。) 时 船= 南脚一蔫嘲： ， ( 2 ) a = q 2 - 4 p ( w 一) = o ( 即妒= d 一) 时， 砖= 志1 29 6 9 f f l 志q 2 p v + l i l | 旦2 p + 矿1 = + ( 3 ) a = q 2 - 4 p ( w y ) d 。) 时 ( 4 3 8 ) 船= 南巴州一南孵喾 ： ， 当v z v i v z v p 时，五s 为加速行程； 当v p v 2 v i 僻 璺 鞋盛 鞋醛 嗟 己 乓阿胃 蟮 昌 卜 鼍 g毯 幂永爨 爨 uvv v 期 嚣越越越 型# 郫筇 鬟【 鬟【 ：七 搿 守 晷 善 8 z 百 贷 昌 zz z 第四章纵断面线彤安全分折与取值研究 4 2 4 竖曲线半径取值研究 4 2 4 1 竖曲线半径取值考虑因素 竖曲线分为凸形竖曲线和凹形竖曲线，其半径的设置大小直接影响驾驶员视距的满足 情况。从而影响驾驶员的正确判断和操作。规范中规定公路一般应按小客车特征采用停车 视距计算竖曲线半径，停车视距计算中的眼高和物高规定为：眼高1 2 1 1 1 ，物高0 1 。如表 4 1 5 。 表4 1 5 停车视距 i 殳c 托皴釉1 2 0t o o8 0 6 04 03 0 2 0 i停车视距( m )2 1 01 6 0u 07 54 03 02 0 注：积雪冰冻路段的停车视距宜适当增长 1 ) 凸形竖曲线考虑因素 在实际的行车中发现，凸形竖曲线上影响交通安全的原因往往是由于双向会车所造成 的，因此考虑满足停车视距的竖曲线是最极限的要求，在此基础上还应该满足会车视距的 要求作为一般设计采用值。会车视距是在同一车道上两对向汽车相遇，从相互发现时起， 至同时采取制动措施使两车安全停车，所需要的最短距离【l “，一般约等于停车视距的两倍。 2 ) 凹形竖曲线考虑因素 由于凹形竖曲线限制主要满足前灯照明距离，而从目前运输情况看，夜间货车运营占 有相当大的比重。由于夜间行车视线不足、驾驶人员容易疲劳，对安全运营带来隐患，所 以夜间行车的安全问题不容忽视，保证夜间行车视距是交通安全的强有力保障。随着经济 发展，物资流通更加频繁，夜间行车的交通量也会相应地增加，因此有必要针对货车适当 调壤提高凹型竖曲线极限最小半径的规定值。 4 2 4 2 凸形竖曲线半径取值分析 当汽车行驶在凸形竖曲线变坡点位置附近，由于变坡角的影响使得驾驶员的视线范 围将产生视觉盲区。因此最大的安全隐患就是两车会车由于视距不良而产生的，这种情况 对于小汽车驾驶员较低的视觉位置容易。按照两对向会车车辆在竖曲线位置关系可以分为 两种情况，如图4 - 4 ，4 - 5 所示： 一 图4 4 两会车车辆在竖曲线范围外圈4 两会车车辆在竖曲线范围内 当在竖曲线范围外时： 自上图几何关舸知：啊= 鑫一友t 2 叫= 周而 ( 4 4 0 ) 东南大学硕士学位论文 ”丝一妥一d：瓣2r2 r = 面小厨一z 一铲孚一j l ( 4 4 1 ) ( 4 4 2 ) 由r 2 咄川- f ) = 压而m d r 2 = 鲁一等 ( 4 4 3 ) 所以可以