（交通运输工程专业论文）高速公路安全评价方法研究.pdf

摘要 高速公路安全评价在保障安全行车，提高高速公路的服务水平等方面具有重 要作用。我国正进入高速公路迅速发展的新时期，高速公路交通安全评价是提高 道路交通安全水平首先要解决的问题。高速公路安全评价对指导目前我国高速公 路的规划、设计、建设和管理工作具有重要的现实意义。 高速公路交通安全系统是一个复杂大系统，影响因素众多。本文首先详细分 析了国内外高速公路安全评价已经取得的成果。提出了影响高速公路交通安全的 主要凶素，分析了线形评价、设施评价和管理评价的基本内容。根据高速公路交 通安全管理的实际需要，提出了高速公路安全评价的主要指标和评价方法，构建 了高速公路安全综合评价指标体系。在此基础上，提出了一种基于模糊区间数的 高速公路综合评价优化模型，该模型利用集值统计的方法，对评判矩阵和诸因素 的权重分配均用正有界闭区间数表示，并详细阐述了该方法的评价步骤。最后， 结合许平南高速公路近几年的安全现状，对该高速公路的事故多发段进行分析， 通过所提出的安全评价方法对该段高速公路进行了综合评价。 关键词：高速公路；安全评价；区间数；模糊优化 分类号：u 4 9 1 1 9 a b s t r a c t t r a f f i cs a f e t ye v a l u a t i o no nf r e e w a yi sv e r yi m p o r t a n to nv e h i c l et r a v e l ，i th a sg r e a t i m p a c to ni m p r o v i n gt h el e v e lo fs e r v i c ef o rf r e e w a y t r a f f i cs a f e t ye v a l u a t i o ni st h e f i r s tp r o b l e mt os o l v eo np r o m o t i n gt r a f f i cs a f e t y i t i sp r a c t i c a la n dn e c e s s a r yt o p l a n n i n g ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i n ga n dm a n a g e m e n to ff r e e w a y s t r a f f i cs a f e t ys y s t e mo f f r e e w a yi sal a r g ec o m p l e xs y s t e mw i t ha m o u n t so ff a c t o r s i n f l u e n c e d i nt h i sp a p e r , t h es t a t eo ft h ea r to ff r e e w a ys a f e t ye v a l u a t i o ni si n t r o d u c e d f i r s t t h e n ，t h em a i nf a c t o r so ft r a f f i cs a f e t ya r ep r o p o s e da n dt h el i n es h a p ee v a l u a t i o n ， i n f r a s t r u c t u r ee v a l u a t i o na n dm a n a g e m e n te v a l u a t i o na lea n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h e p r a c t i c a lu s e ，t h ei n d e xa n dm e t h o d o l o g yo ft r a f f i cs a f e t ye v a l u a t i o na r ep r o p o s e d a n e s t i m a t i n gi n d e xs y s t e mf o rf r e e w a ys a f e t ye v a l u a t i o ni sb u i l t b a s e do nt h ea n a l y s i s ，a n e s t i m a t i n gm o d e lb a s e do nf u z z yi n t e r v a ln u m b e ri sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dm o d e l m a k e su s eo ft h em e t h o do fs e tv a l u es t a t i s t i c s ，a n dr e p r e s e n t st h ee l e m e n to fe v a l u a t i o n m a t r i xa n dw e i g h to fs o m ef a c t o r sw i t hp o s i t i v el i m i t e dc l o s ei n t e r v a ln u m b e ra n d g i v e ak i n do fr a n k i n gm e t h o da b o u ti n t e r v a ln u m b e ra n dd e c i s i o nc r i t e r i o n t h e d e t a i l e d m e t h o do fe v a l u a t i o ni sp r e s e n t s a tl a s t ，t a k et h ex u p i n g n a n f r e e w a ya sa ne x a m p l e , t h ea c c i d e n td a t ao ft h ef r e e w a ya l ea n a l y z e d ，a n dt h ef r e e w a yu s i n g p r o p o s e dm e t h o di s e v a l u a t e d k e y w o r d s ：f r e e w a y , s a f e t ye v a l u a t i o n ，i n t e r v a ln u m b e r , f u z z yo p t i m i z a t i o n c l a s s n 0 ：u 4 9 1 1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作：锕 导师签名： 痒许 签字r 期：么棚年厂月f 驴日 签字同期：芦田年y 月i 孑同 致谢 本论文的工作是在我的导师悉心指导下完成的，我的导师严谨的治学态度、 渊博的学识、对学科前沿敏锐的洞察力给予我无尽的启迪，平和宽容的为人处事 的风范让我受益匪浅，在此衷心感谢导师对我的关心和指导。 无论是在论文的选题还是在论文的写作上，导师都给予了我莫大的帮助，使 我能顺利完成论文的撰写。此外，导师还在学习科研上和生活上同样也给予了我 很大的关心和帮助，在此再次向导师表示深深的谢意。 另外也感谢我所有的亲人和朋友，他们的理解和无尽的支持使我能够始终保 持健康地身体和饱满的精神在学校专心完成我的学业。 最后，向评阅本人论文以及参加论文评审的各位专家表示诚挚的谢意。 1 绪论 1 1研究背景 交通运输是社会经济发展的重要基础，是联系各行业各部门发展的重要纽带。 随着我国交通运输事业的发展，特别是高速公路的飞速发展，公路里程不断增长， 汽车保有量也迅速增加，这对保障我困经济的高速、健康、稳定的发展起到了积 极的作用。然而，高速公路在带来高效、快捷、方便的同时，不可避免地也带来 了交通拥挤、环境污染、事故损害等诸多问题。尤其是我国交通事故率居高不下， 死伤人数逐年增长，经济损失不断加大，这已同益成为影响我国道路交通可持续、 高速发展的蕈大问题。在道路交通安伞事故中，高速公路交通事故百公里发生率 约为普通公路的4 倍，且重大、恶性交通事故时有发生。由于高速公路在我国起 步较晚，尚缺乏规律性认识，因而深入分析当前我国高速公路安全中存在的各种 问题，探讨其内在的规律性，对有效预防交通事故的发生，提高高速公路行车安 全，具有重要的现实意义。由于影响高速公路交通安全的因素极其复杂多样，既 有内部因素( 如道路线型、车辆性能等) ，又有外部因素( 如管理水平、气候因素 等) ，所以，如何建立其合理的评价指标体系，至今还没有一个公认的行之有效的 方法。由于各种影响因素的权重信息不能完全确知，为了便于描述各影响因素对 道路交通安全的作用，本研究在模糊集合理论的基础上，应用模糊区间综合评判 法，对高速公路交通安全系统进行了评价。 1 2国内外研究概况 高速公路安全评价分为事前评价和事后评价法，两种评价由于考虑因素不同， 其方法也有所不同，但总体上可以分为平纵线形交通安全评价、交通设施评价和 交通管理评价三个方面的内容。 1 2 1国外研究现状 1 高速公路线形交通安全评价 目前，国外公路平纵线形的事i j 交通安全评价方法的相关研究主要在以下几 个方面展开：公路平纵线形对驾驶员心理和生理状态的影响、公路平纵线形对车 辆运行特性的影响、基于运行车速的公路平纵线形评价方法等。 ( 1 ) 公路平纵线形对驾驶员心理和生理状态及车辆运行特性的影响 1 9 9 3 年g o r a nk e c k l u n d 和t o r b j o ma k e r s t e d t 研究了夜问长距离下驾驶员疲劳 睡眠的影响冈素和规律；1 9 9 5 年d i c kd ew a 川等人研究了公路环境对驾驶员生 理状况的影响【2 1 ；1 9 9 4 年g e o r g ek a n e l l a i d i ：研究了公路曲线段驾驶员的速度选择 规律【3 】；1 9 9 9 年r u e d i g e rl a m m 等人研究了道路设计、驾驶员行为、驾驶动力特 性和交通安全的内在关系，在道路的平、纵、横断面设计和视距、线形协调设计 中，研究道路线形与交通事故的潜在关系，提出了交通安全标准和道路设计目标， 即设计的连贯性、行驶车速的一致性和驾驶的动力协调性，尤其对双车道公路的 研究比较深入【4 】【5 】；美国的g l e n n o n 和j o y n e r 曾深入分析了坡度对车速与事故率的 影响，并提出了爬坡车道的设计标准，给出了大型车车速下降f i 后的事故率比值 与车速相对于平均车速的下降值的关系曲线；1 9 9 8 年p e t e r r i c h t e 等人分析了不同 公路线形下驾驶员的心理负荷；英国的a a m a l i a n a h i 和a h r h o d e s 在1 9 9 9 年 对自由流条件下道路的车速、车速限制和交通事故之间的关系进行了研究；1 9 9 9 年d a v i dj l o v e l l 研究了平面线形对驾驶员视距的影响；2 0 0 0 年m a r cg a u d r y 和 k a r i n ev e r n i e 研究了道路线形和路面质量对车速和交通安全的影响，实验结果表 明，驾驶员通过车速调节并不能对可以感觉到的危险做出完全的反应；m c c a r t t 等 人研究了长距离下货车驾驶员发生事故的原因：2 0 0 1 年b o n g j oc h u n g 等人根据 驾驶员生理反应研究了直线段最小长度【6 】。 ( 2 ) 基于运行车速的公路平纵线形评价 1 9 6 4 年，s o l o m o n 对交通事故和速度两者之间的关系进行了研究，将事故诱 因归结为速度的变化，并建立了最初的车速模型；澳大利亚m o n a s h 大学事故研究 中心于1 9 9 3 年建立了速度梯度与事故率关系模型；英国学者a b u r u y a 丌发了适用 于欧洲的速度与事故模型e u r o 模型；l a m m 等人研究发现运行车速与路段曲 度具有很强的相关性，建立了二者之间的模型，另外建议根据运行速度的梯度等 级划分道路区段的安全水平；1 9 9 8 年n i c h o l s o n 研究了公路平纵线形的一致性与运 行车速的关系；1 9 9 9 年j a m e s 等人研究了运行车速作为平曲线设计控制因素的方 法；k a n e l l a i d i s 等人提出了运行车速与平曲线半径的计算模型；g i b r e e l 和e a s a 从 驾驶员期望的行车速度与行车视距的关系出发，提出视距受限路段出乎驾驶员期 望运行速度将增加事故率。2 0 0 1 年h a s s a n 和s a y e d 提出了根据驾驶员期望的行车 速度和行车视距的关系评价线形的方法；y u s i nl e e 和j u e y f u 研究了运行车速与 公路纵坡的关烈3 】；2 0 0 2 年，l a m m 等人提出了分别以运行速度与设计速度差值、 相邻路段运行速度梯度、考虑设计车速的假定路面摩擦系数与运行车速需要的路 面摩擦系数的差值三项指标进行安全评价的方法。除采用运行速度梯度评价线形 2 质量外，国外学者还提出采用车速降低系数s r c ( s p e e dr e d u c t i o nc o e f i c i e n t ) 进 行评价。莫斯科围立大学的学者们对1 5 0 0 0 多辆汽车进行观测，得出事故率与s r c 的关系，研究认为车速降低系数、加减速度和年平均事故率之间存在可量化的联 系。 ( 3 ) 交互式道路安全设计模型 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 g 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1 7 ，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 的核心思想足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 h 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末来的 发展方向，将在道路安全评价领域发挥重要的作用。 2 高速公路安全设施评价 国外对于交通安全设施系统的评价研究主要集中在其经济性评价、环境影响 评价以及设施研究生产过程中的其它相关评价。在安全设施评价研究方面，尤以 美国的路侧安全评估与防护方法研究最为系统、完善。在美国2 0 0 3 年推出的最新 i h s d m 模块的双车道安全性能评价中，根据路侧净空区的距离，边坡的坡度，汽 车驶出路外能否回到行车道，护栏形式，地形地貌等将路侧危险等级分为7 级。 3 高速公路交通管理评价 当前，世界各国对交通安全都非常重视，交通工程专家对交通安全进行了广 泛而深入的研究，并且取得了丰硕的成果。美国、加拿大、英国、德国、同本、 韩国等国家自五、六十年代起，各自经历了经济高速发展，交通安全状况严重恶 化的时期。但是，这些国家通过综合运用3 e 策略( e n f o r c e m e n t 、e n g i n e e r i n ga n d e d u c a t i o n ) ，完善交通安全法律体系，调整交通安全政策，明确交通安全责任，强 化政府的交通安全管理职能，大力推广和使用新技术、新方法，全面提高道路、 车辆的安全性，交通安全状况大为改观。在最近二、三十年内，交通事故总量下 降并渐趋稳定，进入二十一世纪后，主要发达国家相继提出了以预防交通事故， 降低事故严重性为核心的交通安全政策和预防道路交通事故的交通安全管理机 制，以促进交通安全水平的进一步提高。同时他们还加强了公路交通安全相关的 标准、规范等的制定，以美国为例，目i ； 美国拥有公路交通安全方面的法规达2 0 多部，涵盖了安全管理、安全设施、工程手册等许多方面。 1 2 2国内研究现状 1 高速公路线形交通安全评价 我国的交通安全学者也在公路平纵线形对驾驶员心理和生理状态的影响、公 路平纵线形对车辆运行状态的影响、基于运行车速的公路平纵线形评价方法等方 面丌展了诸多研究，提出了适合我国公路实际状况的评价指标和方法。 ( 1 ) 公路平纵线形对驾驶员心理和生理状态及车辆运行特性的影响 1 9 9 8 年公安大学对平曲线特性对驾驶员行为的影响进行了分析h j ；2 0 0 0 年， 湖南大学提出行车速度对交通安全的影响与交通负荷有关【9 】，不同的交通流运行状 态具有发生不同形态和严重程度事故的特征，并给出了交通量一速度一事故关系 曲线；2 0 0 1 年，北京工业大学采用“驾驶期望车速与道路需求车速转换频度的离 差来表述“信息离差”，通过选用道路安全的核心指标，构筑了道路安全水平的 量化模型协1 3 l ，并研究了驾驶员在高速公路顺直路段上行驶时心理紧张量与车速、 超车等要素之间的关系：2 0 0 2 年采集高速公路直线段车辆连续运行速度数据，根 据平曲线半径不同，分别建立了直线段车辆稳定运行速度的数学模型：得到不同 驾驶员在平曲线半径与行驶速度间的变化规律，分析了高速公路平曲线设计指标 使用的恰当性和高速公路平曲线上实际行车状态的安全性【1 4 _ 7 1 ；2 0 0 2 年，哈尔滨 工业大学建立了平均车速与亿车公罩事故率的二项式关系模型以及车速标准离差 与亿车公罩事故率的指数关系模型，利用1 9 9 8 年对我国1 4 条高速公路的地点车 速调查数据，分别建立了小型车和大型车8 5 位车速与单圆曲线的曲率变化率的 回归模型以及小型车1 5 位车速与单圆曲线的曲率变化率的回归模型。 ( 2 ) 基于运行车速的公路平纵线形评价方法i _ 9 j 1 9 9 8 年同济大学按照联邦德国的思路观测统计出了二、三级公路上典型车型 的运行车速和线形之间的关系；2 0 0 1 年河北工业大学研究了车速、道路条件、事 故i 、日j 的关系；2 0 0 2 年同济大学进行了道路交通事故与车速建模的研究，并建立了 高速公路事故率预测模型；河北工业大学对车速作为线形评价参数进行了敏感性 分析，认为车速作为线形评价参数具有一定适用范围，2 0 0 2 年交通部规划研究院 研究了公路运行车速测算方法，并对模型参数进行标定；哈尔滨工业大学于2 0 0 3 年研究了我国高速公路不同地形类别和不同线形情况下的车速分布情况，并建立 了运行车速与平曲线半径和坡度之间的关系模型；中国公路工程咨询监理总公司 采用不同路段运行车速梯度v 和车速降低系数s r c 两项指标评价道路各路段的 线形质量；2 0 0 4 年同济大学标定了车辆运行速度和加速度与公路线形之间关系的 模型，建立了线形质量评价模型；我国交通部于2 0 0 4 年9 月1 同发布了推荐性行 业标准公路项目安全性评价指南( j t g 厂rb 0 5 2 0 0 4 ) ，推荐了运行车速的两 4 种测算方法和以运行车速为基础的评价方法。 2 高速公路安全设施评价 我国对于安全设施系统的评价研究主要体现在“公路建设项目后评价”中， 通常将交通工程设施作为一部分进行评价，没有对安全设施系统进行系统的评价。 对于单个设施的评价研究，目前我国j 下通过“西部公路交通安全应用技术研究” 课题的进行，进行公路路口安全评价及防护方法研究，通过上述研究，可以对我 国目前的路侧安全状况进行有效的评估，确定合理的改善措施。 安全设施系统在公路中的作用应该是通过整个系统的协调来发挥，我国目前 虽然开始对系统中某些子系统进行评价研究，但是为了能够更加合理的评价我国 目前的公路安全设施系统，并指导今后公路安全相关领域的设计、建设以及管理， 我们有必要进行安全设施系统评价的研究工作。 3 高速公路交通管理评价 我围道路交通管理部f - j s n 科研机构针对公路交通安全问题，开展了包括公路 事故多发段鉴别与改造、公路安全评价、公路安全设计、公路交通安全教育等与 公路安全问题有关的系统工作，对改善我国公路安全状况具有重要作用。我国目 前相关的公路交通安全法规相对于国外来说不是很完善，特别是公路交通安全管 理、评价、工程手册等指导意义较实用的一些法规，还需要进一步完善。 1 2 3 国内外研究小结 影响交通安全的因素是多方面的，包括人、车、路、环境及交通管理水平等。 综合以前的国内外研究成果，总体来看，目前国内外对于交通安全设施系统的评 价还处于对交通安全影响较大的子系统的安全性评价的阶段，主要有以下特点： ( 1 ) 以前国内外对交通安全的研究大多注重人和车的因素，对路与环境协调及管 理水平的因素研究甚少，以致于有的道路设计人员在设计时也不太考虑车辆在道 路上的行驶安全；( 2 ) 专项研究较多，综合研究较少。由于交通安全是一个多因 素问题，仅靠单一的手段已经无法完全解决交通事故的问题，需要从系统的角度 综合研究。随着对于系统研究的进一步深化和完善，将逐渐进入到以提高安全设 施总体性能为目的的安全设施系统评价研究，只有这样才能充分、公j 下地评价安 全设施系统在公路中的作用，并指导相似安全设施系统的规划、设计、施工以及 养护管理等工作。 1 3研究思路和内容 论文将高速公路评价划分为高速公路线形评价、高速公路安全设施评价和高 速公路交通管理评价三个层次。首先，分别对各自所包含的内容进行深入阐述； 其次，对各评价在高速公路安全综合评价中的运用进行了分析，用区间数模糊综 合评价的方法建立了高速公路安全综合评价体系。最后，以许平南高速公路为例， 进行了实际应用，以验证方法的有效性。 本文的论文结构如图1 1 所示。! 高速公路交通 设施评价 高速公路安全 综合评价方法 图1 1 论文结构图 f i g u r el - is t r u c t u r eo ft h et h e s i s 6 2 高速公路线形评价 从空间结构来看，高速公路是一条平、纵复杂组合在一起的带状建筑物，是 曲线与直线连接而成的空间立体形状，其组合是否合理直接影响着高速公路的行 车安全【1 8 之。公路路线设计规范( j t j0 11 9 ) 中对道路平、纵线形的配合有如 下要求：“计算行车速度 6 0 k m h 的公路，必须注蕈平、纵的合理组合。不仅应满 足汽车运动学和力学要求，而且应充分考虑驾驶者在视觉和心理方面的要求”。但 就如何在设计中考虑驾驶者的视觉和心理要求，并没有作具体的规定，只是在平、 纵配合的设计原则中提到：“应在视觉上能自然地诱导驾驶员的视线，并保持视觉 的连续性；平纵面线形的指标应大小均衡，使线形在视觉上、心理上保持协调； 平曲线与竖曲线应相互重合，且平曲线应稍长于竖曲线”。 长期以来，有关道路设计规范只对某些技术指标如：平曲线半径、纵坡坡度、 坡长、竖曲线半径等做出了规定，而对平曲线长度、平面与纵断面线形组合的特 殊性考虑甚2 2 2 5 1 。评价道路设计的优劣一般仅论其工程质量和造价，很少论其 使用安全性从而导致在道路的某一段或某一点上经常发生交通事故，即形成多发 事故段或多发事故点。 公路平面线形要素主要包括：直线长度、曲线半径、曲线转角、缓和曲线长 度和缓和曲线参数等。国内外大量研究表明，上述各要素中，直线段长度和圆曲 线半径对公路交通安全的影响显著，此外，平面线形设计的一致性也与公路交通 安全息息相关。 高速公路线形评价的基本内容包括线形的协调性评价、线形视距评价及线形 与车辆运行速度一致性评价三个部分。 2 1线形协调性评价 目前评价道路线形的理论方法很多，有透视图检验法、车速图和油耗图检验 等多种方法。高速公路的基本线形包括平面线形和纵断面线形，分别表示高速公 路中心线在水平面和纵断面上的投影。 2 1 1平面线形 高速公路平面线形一般由直线、圆曲线和缓和曲线三个部分组成，并且主要 有四种基本类型：长直线短曲线、长直线长曲线，短直线长曲线、 7 连续曲线，其中由直线和大半径曲线包括缓和曲线或连续曲线所组成的线形，从 交通安全、畅通、舒适和美观等方面来看，是一种比较理想的线形。 平面线形包括曲线半径、弯道个数、长直线和缓和曲线等，下面从这4 个方 面分别阐述其对交通安全的影响。 ( 1 ) 曲线半径 车辆行驶的横向稳定性先于纵向稳定性，因此，平曲线半径值的确定是依车 辆行驶的横向稳定性而定。其最小值按车辆在弯道处行驶时所产生的离心力等横 向力不超过由轮胎与路面间的摩擦力所能承受的程度为限，并考虑乘车人员是否 舒适，经计算确定的。平曲线半径过小会导致侧滑，发生危险。其确定公式为： 肛j 1 2 7 ( u 南i q - 1 ) 其中，r 为曲线半径，1 ，表示设计速度，表示横向力系数，i 表示路面横坡。在进 行高速公路设计时，半径值不能小于极限最小半径，且应尽量采用大半径曲线， 但最大半径一般不超过1 0 0 0 0 m 。 ( 2 ) 弯道个数 弯道是线形的重要组成部分。没有弯道的过长直线容易造成驾驶员视觉疲劳， 但太多的弯道个数会造成环境复杂，强迫驾驶员多而快地接受信息，从而导致驾 驶操作困难，有时措施不及或稍有疏忽便发生交通事故。因此，必须控制平面线 形中的弯道个数。通过研究发现，交通事故率( 次亿车k m ) 与弯道个数的关系可 以近似表示为如图2 1 所示【2 2 2 6 1 。 6 4 2 o 23 44 6 图2 - 1 交通事故率与弯道个数关系 f i g u r e2 - 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r v ea n dt r a f f i ca c c i d e n t 从图2 1 中分析发现，单位长度的弯道个数即弯道密度与事故率有很强的相关 关系，相关系数r 2 = o 9 9 ，进一步进行数值拟合n - - i 失n ，弯道密度与交通事故率之间 的关系可以表示为： p = 0 4 9 s 2 3 3 5 s + 8 3( 2 2 ) 可以看出，在弯道密度小于3 4 个k m 时，随着弯道密度的增加，交通事故呈 减少的趋势，而当弯道密度大于3 4 个k m 时，则趋势恰好相反。可以把3 4 称为 临界密度。临界密度的取值直接影响到高速公路的安全性，国外的研究资料表明， 临界密度与公路的设计速度直接相关，并呈如下关系： s ：丝( 2 3 ) c ， 其中，& 表示临界密度，单位：个k m ，v 表示公路的设计速度，单位：k m h 。 ( 3 ) 长直线 长直线具有视野丌阔、超车视距大等优点，但在这种路段，驾驶员对迎面而 来的车辆距离和速度的估计比较困难，而且线形笔直单调，容易引起驾驶员精神 松驰和心理疲劳，从而反应迟缓；另一方面容易超速；再者夜间行车与对向来车 产生眩光等原因都会影响行车安全，使交通事故增多。因此，从人的因素考虑， 在设计中应避免过多过长的直线。 对长直线的长度有的专家提出以2 0 v 单位( 1 ，表示设计车速) 加以限制，目前 也基本上以此为标准进行设计，即允许驾驶员以设计车速不转动方向盘单调行车 7 2 s ，但经抽样调查测试驾驶员一般单调行车4 0 - - 5 0 s 以上，驾驶员即可能产生疏忽 大意，如果为5 0 s ，则计算可知长直线为1 4 v ，显然小于2 0 v ，高速公路的长直线 长度还应更小，如：在同本东京高速公路直线段仅占4 ，而罗马尼亚高速公路直 线长约占3 。 ( 4 ) 缓和曲线 缓和曲线是指在直线和曲线或不同半径的大曲线和小曲线之间的渐变曲线， 它是一段曲率逐渐变化的曲线。缓和曲线的主要作用有：车辆从一曲线过渡到另 一曲线的行驶过程中，缓和曲线使离心加速度逐渐变化，从而缓和人体感受到的 离心加速度的急剧变化。缓和曲线通过其曲率的逐渐变化，可适应车辆转向操作 行驶轨迹及路线顺畅，达到视线平顺、视觉协调，驾驶员易于操作：并町作为超 高变化的过渡段。 缓和曲线的设计应注意有足够的长度和合理的形式。目前，我国公路中采用 回旋线居多，回旋线是曲率随着曲线长度成比例变化的曲线，这一性质正好与驾 驶员匀速转动方向盘，与车辆以一定的速度由直线驶入圆曲线，由圆曲线驶入直 线或由一曲线驶入另一曲线的轨迹相符，缓和曲线长度取值应满足下式： l三f(2-4) 3 6 其中，v 表示行车速度，f 表示最短行程时间。 9 在高速公路上，当平曲线半径小于4 0 0 0 m 时，直线段与曲线段之间应设回旋 形缓和曲线，其所需长度由以下公式得出 3 5 ( 2 5 ) 尺 其中，r 表示平曲线半径。 2 1 2 纵断面线形 纵断面线形主要包括纵坡坡度、纵坡长度、竖曲线半径三个方面。 ( 1 ) 纵坡坡度 纵坡坡度对交通安全的影响较大，尤其当坡度较大时，对于维持连贯的驾驶 状态有负面影响，事故率明显增高。相关研究发现，交通事故次数随坡长线性增 加。另外，长距离的陡坡对车辆行驶也不利，低档长时问爬坡会引起发动机过热， 功率下降，下坡经常使用制动器，制动鼓温度升高，制动效果降低，影响行车安 全。 纵坡坡度过小虽利于车辆的行驶，但同样会产生弊端。公路路线设计规范 ( j t j0 1 1 - 9 4 ) 规定：各级公路的长路矩路段，以及其它横向排水不畅的路段，应 采用不小于0 3 的纵坡。当必须设计平坡( o ) 或小于o 3 的纵坡时，边沟应 作纵向排水设计。可见，纵坡坡度过小可能引发排水不畅，同样会危及公路交通 安全。根据车辆行驶理论，在保证车辆能够匀速爬坡，并尽量在下坡保持交通安 全的原则下，获得临界坡度为： i = d 8 ，一f ( 2 6 ) 其中，d 8 ，为车辆驶入坡段时的运行速度对应的动因系数，厂表示路面滚动阻力 系数，一般取0 0 1 5 。 ( 2 ) 纵坡长度 纵坡长度是影响高速公路线形安全的另一项重要因素，纵坡长度过长，下坡 时使得车辆速度惯性增大，易形成超速行驶。主要原因是下坡时速度往往太大而 驾驶员来不及转动方向盘进入平曲线，或由于惯性沿切线方向驶出路外，或者与 对向来车相撞而造成交通事故。纵坡长度过短，将造成“锯齿形纵断面”，车辆行 驶频繁颠簸，严重时会出现颠簸的叠加与共振，危及行车安全，同时这种地形还 会使驾驶者在视觉上产生路线不连续、坡长越来越小、线形破碎等错觉。研究发 现，理想情况下的纵坡长度公式为【2 3 】： s ：掣堕! 二亟： ( 2 7 ) 1 1 8 6 9 ( d 8 5 2 i 一0 0 2 2 3 ) ( 3 ) 竖曲线半径 l o 在纵坡变坡点处应设置怪曲线，驾驶员的视觉对坡度虽不那么敏感，但对坡 度差却十分敏感。竖曲线半径过小对安全行车将产生以下影响：在连续几条过短 的竖曲线上行车会把曲线看成折线，造成平纵曲线组合不合理；凸形竖曲线半径 过小将导致驾驶员失重感觉过大，同时离心力过大也减少了车辆与路面间摩擦力； 在凹曲线下坡时，驾驶员超重感觉过大，会把下坡坡度估计过小，而把对面上坡 坡度估计过大，所以行车往往采用下坡加速来冲坡，这样常常酿成事故。 在公路工程技术标准( j t gb 0 1 2 0 0 3 ) 中，关于竖曲线最小半径的一般值 是按竖曲线最小半径极限值的1 5 - 2 0 倍取值的，而凹形竖曲线最小半径极限值 则是根据缓冲冲击所要求的曲线长度、前灯光束距离所要求的曲线长度和跨线桥 下视距所要求的曲线长度三者的值共同确定的。当设计车速分别为1 2 0 k m h ， 1 0 0 k m h ，8 0 k m h ，6 0 k m h ，3 0 k m h 和2 0 k m h 时，前灯光束距离所要求的曲线长 度都大于缓冲冲击所要求的曲线长度和跨线桥下视距所要求的曲线长度。 2 2线形视距评价 公路线形中视距评价是一项很重要的工作，很多事故发生都是由于视距不足 所引起。为了保证行车安全，驾驶员行车时必须看清行驶前方一定距离的物体， 以便有充分的时i 自j 或距离，采取适当的措施，以防止事故发生。这段安全距离称 为行车视距【6 】【2 7 _ ，9 1 。 无论在公路的平面线形或纵断面线形设计时，都应保证必要的行车视距，经 分析，分别推出停车视距和会车视距的公式。 1 停车视距 高速公路小半径平曲线路段，受护栏等的影响，超车道和行车道上的车辆的 停车视距受到限制，在平面设计中应保证停车视距满足规范要求。弯道内的停车 视距一般是左转弯车道达不到要求，中央分隔带护栏的影响是平面控制停车视距 的主要因素，计算满足停车视距条件的平面最小半径如表2 一l 。 表2 - 1 不同设计速度对应的最小曲线、t - 径 设计速度( k m h )最小甲曲线、i ，径( m ) 1 2 02 2 0 0 l o o1 2 8 0 8 06 8 0 6 03 2 0 2 会车视距 会车视距是指两辆对向行驶的汽车能在同一车道上相遇及时制动并停车所必 须的安全视距，高速公路上会车视距应满足如下条件 耻去15 + 志2 7 ( ci + & ( 2 - 8 ) 12 2 ) ” 其中，1 ，表示行车速度，c 表示路面附着系数；f 为纵坡度，k 表示制动力系数，取 值在1 2 1 4 之间。 3 超车视距 超车视距指的是在双车道道路上，后车超越前车时，从丌始驶离原车道起， 至可见对向来车并能超车后安全驶回原车道所需的最短距离。 在双车道公路上，为提高道路的服务水平，应提供充分的超车机会，使快速 的车辆驾驶员不必忍受在慢行车辆后面行驶，而能实现超车。超车视距就是在双 车道公路上，后车超越前车，从开始驶离原车道之处起，至超车后安全驶回原车 道并与对向来车保持必要的安全距离所需的最短距离。 一般认为，对交通量大、车速较高的双车道公路，超车视距的计算式为： 全超车视距：黑= s i + 最+ 墨+ 只 必要超车视距：邑= 2 是1 3 + 墨+ 墨 ( 1 ) 加速行驶距离s l ( m ) 当尾随在慢车后面的超车汽车经判断认为有超车的可能时，于是加速行驶移 至对向车道，在进入对向车道之前所行驶的距离： s i = r o t i 3 6 + a t l 2 2 ( 2 9 ) 式中：1 r 被超汽车的行驶速度( k m h ) ；一般按低于设计速度5 - - 2 0 k m h 采用； t l 加速时间( s ) ； 口平均加速度( m s 2 ) 。 ( 2 ) 超车汽车在对向车道上行驶的距离& ( m ) & = v t 2 3 6 式中：1 一超车汽车行驶速度( k m h ) ；f 广在对向车道上行驶时间( s ) 。 ( 3 ) 超车完了时，超车汽车与对向汽车之间的安全距离岛( m ) 岛= l5 - - - 6 0 m ( 4 ) 从超车汽车开始加速到超车完成，在这段时间内，对向汽车的行驶距离 & ( m ) 有两种情况存在： 全超车时 只= v ( t l + f 2 ) 1 3 6 ( 2 1 0 ) 式中：v 为对向车车速，设对向汽车与超车汽车均按设计速度行驶； 超车汽车在对向车道上追上被超汽车后，一旦发现对向有来车而其距离不 1 2 足时，驾驶员还可以回到原来车道上，这个时间可取2 t 2 3 ，即其距离为2 s 2 3 。 2 3线形与车辆运行速度一致性评价 高速公路的选线是在技术标准和经济可行性的制约下受到地形、地质、水文 条件以及环境等综合因素的影响。所以一条高速公路在局部选线时，有时很难达 到理想的线形组合。而检验高速公路路线设计优劣最直接有效的办法，是通车以 后车辆运行的实际效果安全、舒适、快捷的程度。 高速公路线形与车辆运行速度一致性是指一定条件下公路的几何线形与驾驶 员的期望值保持一致。运行速度的突变尤其是较大的速度落差会使驾驶员措手不 及、处置不当，导致行车事故，而这种速度的不连续性一般是由于线形突变所致。 据统计，当前后路段速度差小于或等于1 0 k m h 时，事故发生的概率为0 4 6 次百 力车公里；而小于或等于2 0 k m h ，并且大于1 0 k m h 时，事故的发生概率要扩大 3 5 倍，达到1 4 4 次百万车公里；当速度差大于2 0 k m h 时，事故发生的概率要达 到2 7 6 次百万车公里。这说明速度差与道路交通事故的发生有着重要的内在关系。 在进行车辆运行速度一致性评价前，先将该高速公路划分成多个评价分析段， 而分析段的划分要有一定的原则，以达到路段划分合理，安全评价效果合理。因 此，车辆运行速度一致性评价主要分四个步骤： ( 1 ) 划分分析路段 根据曲线半径和纵坡坡度的大小将整条路线划分为直线段、纵坡段、平曲线 段和弯坡组合段等若干分析单元。划分标准如下： 直线段：r 【1 0 0 0 ，+ 】u ，( 一3 ，3 ) 纵坡段：r 【1 0 0 0 ，+ o o 】u i 3 或r 【1 0 0 0 ，+ 叫u ，之3 平曲线段：r 1 0 0 0ui ( 一3 ，3 ) 弯坡组合段：r 1 0 0 0ui s 3 或r 1 0 0 0u ，3 ( 2 ) 运行速度k ，的预测 运行速度是指在理想的外部条件下，公路路段上第8 5 位车辆的运行速度。 其中，理想的外部条件是指良好的天气条件，干净、潮湿的路面条件和自由流状 态的交通条件。因为运行速度，考虑了公路上绝大多数驾驶员的交通心理需求， 以运行速度作为设计车速进行线形设计的方法运行速度设计方法，就有效地 保证了路线所有相关要素如视距、超高、纵坡、竖曲线半径等指标与设计速度的 合理搭配，故可获得连续、一致的均衡设计。运行速度嵋，的预测就是通过调查， 任选一个行车方向进行运行速度测算。 ( 3 ) 线形的连续性检验 检验相邻路段的运行速度之差。两相邻均匀路段之间的运行速度差应控制在 l o k m h 以内；不符合要求的线形设计应进行调整或设置一过渡段。 ( 4 ) 设计速度的一致性检查 当路段推算的运行速度，小于该路段原定的设计速度时，原设计车速不需要 调整：若路段运行速度大于该路段原定的设计速度，但小于设计速度+ 2 0 k m h 时，设计速度保留，但路面超高、停车视距的计算应采用+ 1 0 k m h 作为设计车 速；当路段运行速度大于该路段原定的设计速度v d + 2 0 k a n h 时，则需要提高原定 的设计速度或调整路线设计要素，以减少该路段的运行速度v 。 1 4 3 高速公路交通设施评价 高速公路交通设施作为交通安全微观构件之一，其配置能否与其交通特点相 适应，将会直接影响高速公路的交通安全水平。 3 1高速公路基本交通设施 3 1 1标志 高速公路交通标志以确保交通顺畅和行车安全为目的，应结合公路线形、交 通状况、沿线设施等情况，根据交通标志的不同种类来设置，以利于向公路使用 者提供正确的、及时的信息。公路标志分主要标志和辅助标志两大类，按作用分： 指示标志、警告标志、禁令标志、指路标志4 种主要标裂1 1 】【1 9 】【3 0 铘】。标志还分固 定、移动和可变3 种，可变标志将依据气象环境、车流量和路况变化，对驾驶员 提示、预告行车路线、速度和其他要求。移动标志主要用于道路维修养护工程和 路政管理，用于指示车辆行至该路段应保持的车速和行车道。 为使公路使用者能安全、顺畅、舒适地行驶，标志设置应遵从以下原则： ( 1 ) 公路标志的设置应通盘考虑、整体布局： ( 2 ) 公路标志的设置应确保行驶的安全、快捷、顺畅； ( 3 ) 交通标志应为公路使用者提供i f 确、及时的信息，但避免提供过多的信息， 防止信息过载； ( 4 ) 交通标志的位置应根据标志的类别分别计算确定，应充分考虑公路使用者 对标志感觉、识别、理解、行动的特性，根据运行速度和反映时间确定合 适的设置地点； ( 5 ) 应充分考虑公路附属设施( 如照明设施、监控设施等) 及路上构造物( 如 电话，门架等) 对标志视认性影响； ( 6 ) 静态的交通标志应与动态可变标志相辅相成，相互配合，统一布局，形成 整体； ( 7 ) 避免交叉口标志林立，妨碍驾驶员视野。 1 5 3 1 2 标线 交通标线是由标划于路面上的各种线条、箭头、文字、立面标记、突起路标 和轮廓标等构成的一种交通安全设施，是配合标志对交通作有效管制，指引车辆 分道行驶的安全设施。它可以和交通标志配合使用，也可以单独使用。 目前，我困主要高速公路交通标线基本都按照相应的舰范、标准进行设计， 在完备水平和识认性上达到了养护管理要求，但也存在着一些问题： ( 1 ) 涂料品种单一，无法合理使用，容易造成浪费； ( 2 ) 反光玻璃珠使用不当，使标线的夜间反光效果不佳； ( 3 ) 雨天时标线的可视性差； ( 4 ) 对标线的抗滑性能重视程度不够，容易导致车辆打滑和甩尾事故的隐患。 3 1 3 路面 路面是公路承载车辆运行的主要结构，高速公路路面设计包括了路面材料设 计、路面结构设计、防水设计等，其中以路面材料设计最为影响高速公路行车安 全。在高速公路上通行的车辆对路面的要求较高，为了确保车辆在高速公路上快 速、安全、舒适地运行，就必须使路面长期处于良好的平整状态。合理地选用路 面材料对路面的平整产生直接影响。 路面材料按材料组成可划分为4 类，即松散颗粒型材料和块料类、无机( 稳 定) 结合料类、有机( 沥青) 结合料类及新型路面材料，见表3 1 。 表3 1 路血材料分类 t a b l e3 1r o a ds u r f a c em a t e r i a lc l a s s i n c a t i o n 分类路面材料名称 松散颗粒型材料及块料类水结碎彳i 路面、泥绐碎4 i 路面、泥灰结碎彳i 路面 填隙干压碎1 i 基层、级配砾f i 路【面、块料路面 无机( 稳定) 结合料类彳i 灰稳定类荩层( 底基层) 、水泥稳定类基层、 i ：业废渣稳定基层、水泥混凝十路面 有机( 沥青) 结合料类沥青混凝一卜、热拌沥青碎彳i