（道路与铁道工程专业论文）基于运行速度的辽宁省高速公路运行安全性评价方法.pdf

摘要 摘要 目前，我国公路事业发展迅速，但也存在较为突出的交通安全问题。在公 路设计阶段消除各种可能的安全隐患，制定和采取相应安全的公路设计策略尤 为重要。车速是公路几何设计的控制技术指标，基于运行车速理念的公路线形 设计理论与方法是解决公路安全设计问题的核心技术，也是公路安全设计的发 展趋势。因此，有必要深入开展我国运行车速理论及其应用研究。 本文首先提出运行车速及其特征指标的概念，通过对辽宁省高速公路大量 断面车速的数据观测和分析，针对断面车速分布特征进行了研究，采用分布假 设检验方法确定了车速特征分布形式，运用统计学原理，根据车速频率分布及 累积频率分布函数，提出运行车速特征指标及其量化方法。 在此基础上根据目前我国高速公路的运营安全状况，提出了高速公路线形 安全性的评价方法，全面分析了运行车速与公路运营安全性两者之间的相互关 系后，针对行车中车速的协调性和连续性需求，提出车速标准差、车速变异系 数、客货差极差比、断面车速差、车速降低系数、路段车速离散度等指标；以 运行车速特征指标及事故率分别作为道路线形设计安全性研究量化指标，通过 分析两者之间的相关性，建立基于多项运行车速特征指标的高速公路线形设计 安全性综合评价模型。 最后，依托已建太旧高速公路和拟建鹤大高速公路，对本文基于运行车速 的高速公路线形安全性评价方法进行了应用。 关键词：高速公路；运行车速；运营安全；事故率；安全性评价模型 a b s t r a ( 了 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eh i g h w a y sd e v e l o pr a p i d l y , b u tt h et r a f f i cs a f e t yp r o b l e m sa r e s t i l lo u t s t a n d i n g i ti sv e r yi m p o r t a n tt oe l i m i n a t eh i d d e nd a n g e r sa n dt a k es a f e t y r o a dd e s i g ns t r a t e g y s p e e di st h ek e yp a r a m e t e r so fr o a dg e o m e t r yd e s i g n t h e a l i g n m e n td e s i g na n de v a l u a t i o nb a s e do no p e r a t i n gs p e e di s a l le f f e c t i v ew a yt o s o l v es a f e t yd e s i g np r o b l e m sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yd e e p l yo no p e r a t i n gs p e e dt h e o r ya n da p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h es p e e dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e rw a ss t u d i e dt h r o u g ho b s e r v a t i o n sa n d d a t aa n a l y s i s t h es p e e dd i s t r i b u t i o nf o r mw a sd e t e r m i n e db yd i s t r i b u t i o nh y p o t h e s i s t e s t s a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c a lt h e o r ya n d t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nc u m u l a t i v e f u n c t i o n ，t h ec a l c u l a t e dm e t h o do fs p e e dc h a r a c t e r i s t i ci n d e xw a sp u tf o r w a r d t h e n ，b a s e do nt h ec u r r e n ts e c u r i t ys i t u a t i o ni nt h eo p e r a t i o no ft h eh i g h w a yo fo u r c o u n t r y , t h ed i v i s i o nm e t h o do ft h es e c t i o nw a s d e t e r m i n e d t h es t a n d a r dd e v i a t i o no f s p e e d ，s p e e dv a r i a t i o nc o e f f i c i e n t ，r a n g er a t i oo fs p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e n c a r sa n d t r u c k s ，s p e e dd i f f e r e n c e ，s p e e dr e d u c t i o nc o e f f i c i e n ta n ds p e e dd i s p e r s i o nw e r ep u t f o r w a r db a s e do nt h es p e e dc o o r d i n a t i o na n dc o n t i n u i t yd e m a n d t a k e nt h e c h a r a c t e r i s t i ci n d e xo fo p e r a t i n gs p e e da n da c c i d e n tr a t i oa st h ea l i g n m e n td e s i g n c o n s i s t e n c y e v a l u a t i o na n ds a f e t yq u a n t i z a t i o ni n d e x ，t h ea l i g n m e n td e s i g n c o n s i s t e n c yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht h er e l a t i o n a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e x a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h es a f e t y s e r v i c el e v e lw a sd e t e r m i n e da n dt h e nt h ea l i g n m e n td e s i g ne v a l u a t i o ns t a n d a r d sa n d m e t h o d sw e r ep u tf o r w a r d f i n a l l y , t h er e s e a r c hr e s u l t so fa l i g n m e n td e s i g nc o n s i s t e n c ye v a l u a t i o nw e r e u s e di nt h et a ij i ua n dh ed ae x p r e s s w a y s k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y , o p e r a t i n gs p e e d ，o p e r a t i o ns a f e t y , a c c i d e n tr a t e ，s a f e t y e v a l u a t i o nm o d e l 3 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名： 年月日 - 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一一- - - - - - - - - - - - - - - - _ - - - 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 e 1年 月日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国社会经济的迅速增长，公路建设突飞猛进。从上个世纪九十年代 开始，中国进入了公路建设快速发展的时期，从1 9 9 0 至2 0 0 3 年的1 4 年间，中 国公路建设投资累计达到近2 万亿元。至2 0 0 5 年年底，我国的公路通车总里程 己达1 9 3 万公里，居世界第二位，高速公路总里程已突破4 1 万公里居世界第 二位【l 】。特别是近几年，高速公路的发展更是如雨后春笋般迅猛。但同时伴随 着公路里程的不断增长，我国的道路交通安全形势日趋严重，交通事故死亡的 绝对数量历年来高居世界第一，2 0 0 7 年道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，死亡人数8 1 6 4 9 人，受伤人数3 8 0 4 4 2 人，直接经济损失高达1 2 亿元【2 1 。这其中有的是与公路 的线形设计质量有很大关系的。 公路线形指的是公路的空间形状，由平面、横断面及纵断面组成。对公路 空间形状的综合设计称为线形设计。路线设计应根据公路等级及其功能正确运 用技术指标保持线形连续、均衡，确保行驶安全、舒适。 我国现行的公路工程技术标准( j t gb 0 1 2 0 0 3 ) ( 以下简称标准) 所规定的各等级公路的线形设计标准值，只保障了汽车运动学和力学方面的最 小安全值，即只规定了各单个指标的最小值。我国在标准中的路线设计方 法为以设计速度为基础参数的设计方法，即在设计中设计速度作为设计的基础 参数用以规定最低设计标准，其他的设计指标根据它相应取定。一条公路的设 计速度确定后，其相应的圆曲线半径、车道宽度、超高、加宽、纵坡、视距、 竖曲线半径等设计要素的最低指标便确定了【3 1 。只要设计所采用的最小几何指 标大于所选定的设计速度所对应的最小几何指标，则认为该设计是符合规范要 求的。作为设计参数，设计速度规定了最低设计标准，是一个定值，一条公路 的设计速度确定以后，与此相关公路线形设计指标也就确定了。 第一章绪论 但经过多年的设计实践，国内外的设计者发现这种设计方法本身就存在一 定的缺吲4 1 ，主要表现为： ( 1 ) 线形设计要素与实际行车速度不相容 现行设计方法最显著的特征是对于一个设计路段的设计车速是一个固定 值，设计速度作为基础参数，规定了线形设计要素的最小指标值，却没有考虑 是否能够满足实际行车速度的要求。实际上，车辆在公路上行驶时，驾驶员是 根据道路条件特别是线形几何条件来不断调整车速的，实际车速经常会超过设 计速度。因此，满足设计速度要求的道路设计值，不一定能够满足车辆行驶的 安全性要求。 ( 2 ) 线形设计要素之间不相容 根据设计速度所做出的设计不一定能够保证线形设计要素之间的良好的连 续性。在设计中采用的最小线形设计值是指车辆按设计速度行驶，逐一驶过各 个孤立的道路特征路段时保证安全行车的设计值。在丘陵和山岭地区，经常需 要把纵面线形要素与平面线形要素结合使用。一般认为，对孤立要素适用的最 小值，在这些要素同时出现时可能就不安全。因此，不少国家都强调要避免组 合使用多种最小设计值。我国标准中也强调在线形设计时要避免同时采用 一些最小值的组合，这实际上正是对设计速度法的修正。然而，无论是这些特 殊说明，还是设计速度概念本身，都不能指导设计人员恰当地、合理地组合设 计值。 ( 3 ) 线形的行车速度标准不一致 根据设计速度所作的设计不能够保证线形行车速度标准的一致性。设计速 度仅仅规定了道路曲线几何特征的最小设计值，对于平坦的直线路段是没有意 义的。在不同半径的平曲线路段，车辆的实际行驶速度与设计速度也是不同的， 有时候差别还很大。因此，虽然设计人员希望用等值设计车速设计出与行车速 度标准一致的公路，但实际上由于平面线形的突变，各路段间经常会产生车速 2 第一章绪论 突变点，而这些突变点正是发生交通事故的主要地段。 基于以上原因，在设计阶段就应对线形进行检验与评价。通过线形检验， 找出线形的内在缺陷并进行改善，从而使得线形元素的选取以及它们之间的搭 配更有利于车辆行驶的安全性。 采用什么方法来检查处于复杂系统中公路线形的安全性，将对运营期车辆 行驶的安全性、舒适性有很大的影响。目前在我国的标准和规范中只是一般的 定性描述，无明确的定量指标，执行起来有一定的随意性，行车安全无检查依 据和评定标准，使公路线形设计存在隐形安全问题，导致交通事故率居高不下， 对社会、经济影响极大。 因此，迫切需要找到一种科学、合理的线形设计方法，公路线形一致性设 计是解决这一问题的有效途径。所谓公路线形一致性，指公路线形变化使运行 其上的车辆车速各项特征指标不出现较大的波动，保证车辆的运营安全。为此， 本研究结合我国公路线形设计的现状和存在的问题，针对不同类型公路路段上 运行车速特征指标与路段运营安全性的关系，运用数学建模的方法结合回归分 析，建立了不同类型车速特征指标与事故率的关系模型，提出了基于运行车速 的高速公路线形一致性设计方法。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基于运行车速的路线设计方法 目前国际上通用的公路线形设计方法主要有两种：基于设计速度的设计方 法和基于运行速度与设计速度相结合的设计方法。其中后者是近2 0 年来国外专 业人士针对设计速度法在实际应用的缺陷而提出来的。从2 0 世纪7 0 年代以来， 美国联邦公路局( f h w a ) 开展了多项道路交通安全方面的研究，开发了著名的“交 互式公路安全设计模型i h s d m ”的集成软件包【s l ，也是目前国际上发布的唯一的 专门而又系统化的道路安全设计计算机应用系统。目前的i h s d m 系统只适用于 第一章绪论 双车道公路。i h s d m 将整个道路安全评价系统分为车辆动态模型、车速一致性 模型、事故预计模型、道路设施模型、驾驶心理模型、交通流模型、政策评价 模型和费用效益模型这8 个子模型。从8 个方面对道路的安全性进行全面的评 价，然后调整设计方案，使之符合道路安全审计规范。其中在设计均衡性模型 ( d c m ) 中，f h w a 通过对6 个州2 0 0 多个测点的车速进行实测，采用回归方 法最终得到了一系列基于道路线形以及车辆运行环境的v 龉运行车速经验回归 公式，运用这些经验公式得到道路的速度轮廓模型。该模型通过速度指标确认 设计方案中一致性有波动的区段，使设计人员根据模型所提供的信息，有针对 性进行改造，并根据改造后方案所体现出的速度曲线平顺性，评估方案的安全 改善效果。 联邦德国的公路路线设计方法也经历了一个发展过程。早期( 1 9 3 7 年规范) 是采用平均行驶速度作为其设计车速，因此有很大比例的驾驶员车速超过平均 行驶速度。这里既有个别行车速度比车流主要组成部分的驾驶员开得快的驾驶 员，也包含一些经验不足或甘愿冒险以过高车速行驶的驾驶员。当这种设计出 现一定的安全问题后，1 9 4 3 年的“路线设计规范 改用最高行驶速度作为路线 设计车速，平原区1 6 0 k m h 、丘陵区1 4 0 k m h 、山岭地区1 2 0 k m h 。这种考虑 个别驾驶员而采取高成本的安全保障措施，虽然安全性得以改善，但公路投资 却大幅上升。故在7 0 年代后期从经济性与安全性出发，采用统计学的原理，按 8 5 的汽车驾驶员所要求的速度作为检验与校核。因此，联邦德国的路线设 计规范r a s l ( 1 9 8 2 )中的设计原则【q 是采用设计速度和运行速度相结合的 联合设计思路。即在按设计速度设计出初始线形指标后，再采用运行速度进行 设计检验与修正。 澳大利亚联邦公路局则将运行速度概念贯穿于路线设计的始终，提出了具 体的设计流程；即在初始平面线形和纵坡设计的基础上，通过运行速度预测模 型推算各路段的运行速度，并以一定”设计控制原则”为标准，检验和修正初期 的平纵设计，然后根据调整后的路线平纵线形和运行速度，最终确定曲线超高、 4 第一章绪论 加宽、视距等设计指标。这一设计思路，在其1 9 8 9 年出版的道路几何线形设 计指南中提供了详细的运行速度设计流程【7 l 。 目前国内对基于运行速度的公路线形设计方法还处于研究阶段，概括起来 主要有以下几个方面的研究： 1 ) 我国交通部公路司在2 0 0 0 年度标准规范项目中立专题开展高速公路 运行速度设计方法和标准专项研究 8 1 ，此项目由交通部公路科学研究所承担， 以期在观测数据的基础上，建立适合我国驾驶员特征和山区高速公路特点的平、 纵线形指标速度预测模型；确定基于运行速度v 8 5 的路线设计方法和设计流程， 以确保公路几何线形设计能够满足车辆实际行驶速度的要求，同时解决各设计 要素之间的相容性问题，改善路线设计质量，提高公路路线设计的安全性与协 调性。研究分别针对直线段车辆加减速运行过程、平曲线、纵坡以及平纵组合 与运行速度的关系等做了详细的研究，并对运行速度设计流程中的两个关键问 题：直线段与曲线段的划分标准和公路路线设计的安全评价标准进行了详细阐 述，在此基础上形成了“公路路线运行速度设计标准条文”和条文编写说明，为 在国内推广基于运行速度的路线设计方法奠定了理论基础和实施操作指南。研 究成果之一是出版了公路项目安全性评价指南( j t g 厂rb 0 5 2 0 0 4 ) ) ) 。 2 ) 利用可能速度的公路线形评价【9 】：此方法提出用速差作为线形设计的评 价标准，用速差量作为度量速差的指标，建立了各级公路评价指标；提出在初 定路线平、纵面各技术指标基础上，根据汽车动力性和平、竖曲线的允许速度 建立可能速度预测模型。假设一条公路横向、轴向及竖向加速度是连续的，分 别建立各自加速度模型和加速度指标模型，得到横向允许速度、轴向行驶速度 和竖向允许速度计算式。轴向行驶速度是汽车本身动力决定的，但又受横向和 竖向允许速度的限制，因此取二者之中最小值作为可能速度的预测值。 3 ) 利用”沿线最高可能车速图”检查评价【1 0 】：传统意义的“沿线最高可能车 速图”可以反映出全线平、纵线形要素及其组合对可能最高车速的影响，从而发 第一章绪论 现平、纵线形要素协调不好的部位，为修改设计提供依据。但此方法纵断面上 没有考虑竖曲线对汽车行驶速度的影响，平面上未考虑缓和曲线的影响，显然 理论依据不足。正是由于该法理论上的缺陷和考虑因素的不全，目前公路设计 中应用甚少。 1 2 2 基于运行车速的线形安全性评价 目前评价公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。国外对线形连续性的研究非常重视，认为公路线形的连续性是 线形设计的基本要求之一，并且已经着力于保证线形几何设计要素的连续性， 并提出了不同的研究模型或定量评定方法，其中以j e l e i s c h 和j p l e i s c h 提 出的用车辆实际行驶速度来评定线形连续性的概念最具有启发性【1 2 i 。行驶速度 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一般是由于线形突变所致。美国和西欧一些国家评定线形 连续性的方法就是以此原理为基础的。1 9 9 9 年l a m m 首先提出了基于运行车速 的三个线形安全性评价标准【1 1 1 ：线形单元中运行车速与设计车速的差；相邻连 续断面的8 5 位车速差；车辆稳定性评价，用预测的侧向摩擦系数与所需侧向 摩擦系数的差值来表示。与此同时，其他国家也提出了一些基于车速的线形评 价指标，下面是其中几种比较典型的方法。 1 ) l e i s c h 是美国最早提出运行速度概念的学者，并用来评价公路平面和纵 断面几何线形的一致性【1 2 】。该法认为单独使用设计速度作为公路设计的控制原 则可能会导致非期望的几何设计出现。为了实现车辆运行速度与设计速度的一 致性，更好地满足驾驶员的期望值，分别建立了小客车和大货车的运行速度模 型，该模型主要是根据平面及纵断面路况估计不同车型的平均速度估计值，将 其绘制成车速变化图，用于判断线形上的速度是否达到设计一致性。研究成果 建议一个连续的公路线形设计应满足如下条件： 一条路线的小客车平均速度变化不应超过16 k m h ； 6 第一章绪论 连续路段中所采用的设计速度变化量不应超过16 k m h ； 一般路段上大货车的平均速度和小客车的平均速度相差不应超过 1 6 k m h 。 2 ) 美国学者l a m me ta 1 于1 9 9 0 年根据3 2 2 个圆曲线路段上收集到的试验 数据，分析了圆曲线半径与运行速度v 8 5 的关系，认为平曲线半径( 曲率) 是影响 运行车速最显著的线形指标【1 l 】，并建立了如下回归模型： v s 5 = 9 4 3 9 8 一t 3 1 8 8 6 5 6 r 2 = o 7 9 式中：蚝，曲线上第8 5 百分位车速即运行速度( k m h ) ； r 曲线半径( m ) ： 另外，l a m me ta 1 又于1 9 9 9 年对2 6 1 个双向双车道路段的平曲线要素与 v 8 5 进行统计分析后，认为具有相似平曲线线形要素特征路段上的运行速度具有 相对稳定性，同时还发现在转角、平曲线半径、车道宽度、路肩宽度、日平均 交通量等因素中，平曲线长度和半径对v 8 5 的影响最大，相应回归测算模型为： 比= 9 5 7 8 0 0 0 7 6 c c r c c r = i 1t 争- - - , i l d + 莩兰2 r i 】厶午墨午 。 式中：c c r 一相似特征路段上单位长度的角度变化之和( 。) ； 厶路段总长度( m ) ； 厶相似特征路段内圆曲线i 的长度( m ) ； 相邻缓和曲线j 的长度( m ) ； r l 圆曲线i 的半径( m ) 。 第一章绪论 根据运行速度v 8 s 与c c r 的关系，并通过对交通事故的分析，l a m m 提出当 v 8 s v d 2 0 k m h 时( 其中v d 为设计速度k m h ) ，公路线形设计为极不连续的 设计。 3 ) 1 9 9 5 年a 1 m a s a e i d 等人分析了直线与其后相邻圆曲线之间的运行速度 之差v 8 5 与线形几何参数、公路服务水平之间的关系，提出了如下一组回归模 蚝5 = 3 3 + 1 5 8 d r 2 = 0 6 2( 式1 ) 比= 1 8 4 + 1 3 9 d + 4 0 9 p + 0 0 7 g 2 r 2 = 0 7 7( 式2 ) = 1 4 5 + 1 5 5 d + 4 p + 0 0 0 0 1 _ ；, r 2 = 0 7 6( 式3 ) 式中：直线段与圆曲线段上的运行速度之差( 1 a m o ； d 曲度o ) ； p 公路状况，服务水平3 时p = 0 ，否则p - - 1 ； g 纵坡( ) ； 乙平曲线上竖曲线的长度( m ) 。 其中，式1 适用于平曲线和缓和纵坡组合时；式2 适用于平曲线和一般纵 坡组合时；式3 适用于平曲线和竖曲线组合时。此外还提出对于两个径相衔接 的圆曲线，当半径比值小于1 5 时两圆曲线的速度差为： v s s = 5 0 8 i ( r 玄一i 1 ) r 2 = 0 6 2 第一章绪论 式中：两圆曲线之间的运行速度之差( k m h ) ； 墨、是两圆曲线半径( m ) 4 ) 瑞士采用理论速度模型分析平面线形的一致性。这种方法引入项目设计 速度分布图，根据速度的突变检查公路设计不一致的位置。项目设计速度是以 平面和纵断面的设计要素为参数的速度模型得到的。如果项目设计速度超过传 统的设计速度，则以项目设计速度作为评价视距、超高和缓和曲线长度的依据。 假定在同一平曲线上速度不变的前提下，根据统计研究确定了项目设计速度的 标准值，按不同平曲线半径列表供查。在相邻平曲线或平曲线与直线之间，项 目设计速度的变化量一般不超过2 0 k m h ( 1 2 m p h ) ，但对于更小项目设计速度( 小 于4 5 m p h ) 的公路其速度变化量的临界值为l o k m h ( 6 m p h ) 此外，国外对公路线形设计的评价还有从车速特征指标与事故率的角度出 发，如不同线形条件下车速的离散程度与事故率的关系等，间接的建立与线形 一致性的评价体系。 车速的分布特征，影响并决定着道路特定位置的交通安全性能。车速分布 特征中的指标包括地点车速的样本均值、车速的样本方差、样本标准差、变异 系数( 标准差与均值之比) 、偏度、峰值。一个正态分布的车速概率分布曲线如 图1 - 1 所示。 ， 霉 、一 潞 翌 缓 鬻 速发纽l n 施) 第一章绪论 图1 - 1 连续型正态分布的车速样本 大量的统计研究显示，上述车速分布的指标与交通事故之间存在着相关性 【1 4 】。这里只选取部分较为成熟的研究成果，对车速的分布指标与安全水平的关 系加以说明： 1 ) t a y l o r 的研究将车速样本的偏度及峰值与事故率进行相关分析【1 5 】，得到 的结论是：有偏度的速度分布的区段比无偏度的速度分布的区段具有显著偏高 的事故率。 2 ) g a r b e r 与g a d i r a j u 研究了速度分布指标与事故记录之间关系【1 6 1 ，得到 的与交通安全相关的结论是：第一，对于所有等级的道路，速度方差增大时， 交通事故率上升；第二，当公路区段的平均速度增高时，其事故率并不一定上 升。这也充分说明了