改進(jìn)IHSDM的交互式高速公路設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)

　　摘要:為滿(mǎn)足高速公路運(yùn)行車(chē)速與線形設(shè)計(jì)之間的協(xié)調(diào)性，提高高速公路車(chē)輛運(yùn)行的安全性，開(kāi)展高速公路設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)研究.在收集實(shí)際高速公路線形及事故數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用交互式道路安全設(shè)計(jì)模型(IHSDM)進(jìn)行設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)，將評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際事故數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析了該模型的適用性.針對(duì)該模型在中國(guó)高速公路應(yīng)用中存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)，并將設(shè)計(jì)一致性存在問(wèn)題路段與線形設(shè)計(jì)存在不足路段進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了改進(jìn)模型的有效性.分析結(jié)果表明:改進(jìn)模型評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率為83.3%，較原模型評(píng)價(jià)準(zhǔn)確率提高了25%，研究成果可以為高速公路線形設(shè)計(jì)的安全性評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持.

　　關(guān)鍵詞:交通工程;運(yùn)行速度預(yù)測(cè);高速公路;設(shè)計(jì)一致性;安全評(píng)價(jià)

　　我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，高速公路為交通出行提供高效便捷服務(wù)的同時(shí)，也存在著安全隱患.2018年全國(guó)共發(fā)生交通事故864.3萬(wàn)起.其中，涉及人員傷亡的道路交通事故244937起，造成63194人死亡、258532人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失13.85億元.因此，減少道路交通事故，提高行車(chē)的安全性，是道路交通安全工作所需解決的重要問(wèn)題.道路交通事故頻發(fā)的一個(gè)重要原因是道路幾何線形缺乏設(shè)計(jì)一致性.

　　高速公路論文：高速公路隧道智慧一體化管控系統(tǒng)研究

　　設(shè)計(jì)一致性是指道路幾何設(shè)計(jì)與駕駛員的期望和車(chē)輛安全運(yùn)行相適應(yīng)的特性，所有駕駛員的期望都能對(duì)應(yīng)一個(gè)運(yùn)行車(chē)速，表現(xiàn)為運(yùn)行車(chē)速與線形設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性[1].針對(duì)高速公路設(shè)計(jì)一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出其內(nèi)在缺陷并進(jìn)行改善，對(duì)高速公路的線形設(shè)計(jì)及交通安全有非常重要的意義.一些學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)研究，裴玉龍[2]等對(duì)高速公路的車(chē)速標(biāo)準(zhǔn)差和億車(chē)公里事故率的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立了二者的關(guān)系模型.AltamiraA[3]等對(duì)平曲線與直線之間的加、減速度進(jìn)行了研究.NieB[4]等結(jié)合實(shí)際駕駛數(shù)據(jù)，建立了考慮平曲線上速度行為的雙車(chē)道農(nóng)村公路和城市/郊區(qū)道路速度預(yù)測(cè)模型.

　　郭啟明[5]等基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，建立了的山區(qū)高速公路運(yùn)行速度模型.CastroM[6]等對(duì)運(yùn)行速度、速度差與道路設(shè)計(jì)一致性的關(guān)系進(jìn)行了分析.劉建蓓[7]等提出了考慮公路交通特點(diǎn)、駕駛行為特征以及道路環(huán)境的公路安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).高建平[8]等將線形單元間運(yùn)行車(chē)速及加速度的變化量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于運(yùn)行車(chē)速的道路線形質(zhì)量評(píng)價(jià)模型.楊宏志[9]等提出了基于運(yùn)行速度和直線獨(dú)立性分析的平面線形安全性評(píng)價(jià)模型.

　　目前國(guó)際上最有代表性的成果是美國(guó)聯(lián)邦公路局開(kāi)發(fā)的基于交通安全與線形指標(biāo)的交互式道路安全設(shè)計(jì)模型(InteractiveHighwaySafetyDesignModel，IHSDM)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及建模思想可靠，在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用，但是該模型在中國(guó)的適用性還有待進(jìn)一步研究.Camacho-TorregrosaFJ[10]等基于西班牙雙車(chē)道運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，建立了用于道路安全評(píng)價(jià)的新型線形設(shè)計(jì)一致性模型.賀玉龍[11]等分析了中美公路車(chē)輛運(yùn)行速度分布差異.

　　段萌萌[12]等對(duì)IHSDM事故預(yù)測(cè)模型在山區(qū)高橋隧比高速公路事故預(yù)測(cè)中的適用性進(jìn)行了分析.孟祥海[13]等基于我國(guó)高速公路線形設(shè)計(jì)和事故數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一組IHSDM事故預(yù)測(cè)改進(jìn)模型.本文結(jié)合京哈高速公路線形數(shù)據(jù)及事故數(shù)據(jù)，分析IHSDM設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)模型在我國(guó)的適用性，并針對(duì)該模型在高速公路應(yīng)用中存在的不足構(gòu)建改進(jìn)的設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)模型，驗(yàn)證改進(jìn)模型的有效性.

　　1設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)

　　IHSDM中設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)包括路段劃分、運(yùn)行速度預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)一致性預(yù)測(cè).其核心內(nèi)容是預(yù)測(cè)道路上各路段的運(yùn)行速度(V85)，根據(jù)一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)判定設(shè)計(jì)是否連續(xù)，進(jìn)而判定道路設(shè)計(jì)安全性.

　　1.1路段劃分

　　模型依據(jù)高速公路平縱線形指標(biāo)對(duì)高速公路進(jìn)行路段劃分，將平面線形上的緩和曲線視為平直線，依據(jù)路段劃分標(biāo)準(zhǔn):路段1、5、6、7為直線段;路段2、4、8為平曲線段;路段3為平縱曲線組合路段.

　　1.2運(yùn)行速度預(yù)測(cè)

　　速度預(yù)測(cè)模型假設(shè):運(yùn)行車(chē)速只受道路線形變化影響;在平曲線上運(yùn)行車(chē)速保持不變;直線上的運(yùn)行車(chē)速可以達(dá)到駕駛員期望速度.具體步驟如下:

　　(1)確定平面每個(gè)路段的運(yùn)行速度，對(duì)于設(shè)計(jì)速度較高的高速公路，模型給出了不同線形條件下運(yùn)行速度預(yù)測(cè)公式;(2)通過(guò)加(減)速度對(duì)平直線段運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整;(3)如果存在部分特殊路段縱坡坡度大于5%(G≥5%或G≤-5%)，通過(guò)TWOPAS模型(TWOPAS是一種微觀模型，通過(guò)每隔1s模擬道路上每輛車(chē)的位置、速度和加速度，并以一種可實(shí)現(xiàn)的方式推動(dòng)這些車(chē)輛在高速公路上行駛，來(lái)模擬道路上的交通運(yùn)行.)預(yù)測(cè)極限坡度下的運(yùn)行速度。

　　(4)比較步驟(2)和(3)的預(yù)測(cè)結(jié)果，選擇每個(gè)樁號(hào)最低的速度作為最終的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果.

　　1.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)方式有兩種:同一路段運(yùn)行速度(V85)與設(shè)計(jì)速度之差;相鄰不同路段(直線與平曲線)之間V85的差值.根據(jù)以上兩種評(píng)價(jià)方式來(lái)判斷道路設(shè)計(jì)是否連續(xù)，從而對(duì)道路進(jìn)行安全評(píng)價(jià).

　　1.4IHSDM給出的模型適用性分析

　　采用實(shí)例，驗(yàn)證設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)模型的有效性.選用工程為京哈高速公路部分路段，該路段全長(zhǎng)70.96km，共設(shè)16個(gè)轉(zhuǎn)角點(diǎn);最小平曲線半徑500m/1處，其余均大于3000m，平曲線占路線總長(zhǎng)度60.6%;最大縱坡為2.9%/1處，最小凸豎曲線半徑12000m/3處，最小凹豎曲線半徑11000m/1處，豎曲線占路線總長(zhǎng)度47.1%，設(shè)計(jì)速度為120km/h，該高速公路的期望速度為120km/h.

　　(1)設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)結(jié)果利用IHSDM設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)模型對(duì)該高速公路進(jìn)行設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)，該模型在平面上將高速公路劃分為16個(gè)直線與平曲線組合路段，各路段V85均小于設(shè)計(jì)速度;有一處路段直線與平曲線之間V85的差值大于20km/h，設(shè)計(jì)一致性較差;有3處路段直線與平曲線之間V85的差值在10km/h與20km/h之間，設(shè)計(jì)一致性一般;其余路段直線與平曲線之間V85的差值均不大于10km/h，設(shè)計(jì)一致性良好。

　　2模型的改進(jìn)

　　2.1改進(jìn)方案

　　IHSDM設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)的速度預(yù)測(cè)公式中，平曲線及平縱曲線組合路段，預(yù)測(cè)的運(yùn)行速度主要與平曲線半徑R有關(guān)，僅在縱坡坡度不同時(shí)公式才會(huì)有所不同.而在實(shí)際條件下，高速公路上車(chē)輛的運(yùn)行速度并不僅是由平曲線半徑這一要素決定的，而是由平面線形和縱斷面線形共同決定.我國(guó)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范)規(guī)定，高速公路設(shè)計(jì)速度為120km/h，最大縱坡僅為3%，僅在受地形情況或其他特殊情況限制時(shí)，最大縱坡可增加到4%.

　　但在速度預(yù)測(cè)公式中，縱坡坡度在0～4%(-4%～0)之間時(shí)，預(yù)測(cè)公式完全相同，運(yùn)行速度僅由平曲線半徑?jīng)Q定，導(dǎo)致IHSDM設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)模型對(duì)設(shè)計(jì)速度為120km/h的高速公路進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)結(jié)果與縱斷面線形設(shè)計(jì)無(wú)關(guān).因此針對(duì)縱斷面線形指標(biāo)對(duì)平曲線上的預(yù)測(cè)速度進(jìn)行折減.研究表明:影響高速公路事故率的主要線形指標(biāo)有直線段長(zhǎng)度、平曲線半徑、縱坡坡度[14]、豎曲線半徑及豎曲線長(zhǎng)度.設(shè)計(jì)一致性越差，事故率越高，影響高速公路設(shè)計(jì)一致性的線形指標(biāo)與事故率相同.

　　2.2速度預(yù)測(cè)公式修正

　　IHSDM設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)模型的速度預(yù)測(cè)公式中已經(jīng)充分考慮了直線段長(zhǎng)度以及平曲線半徑的影響，故本文結(jié)合縱坡坡度、豎曲線半徑與豎曲線長(zhǎng)度對(duì)平曲線上預(yù)測(cè)的運(yùn)行速度進(jìn)行修正.

　　3模型有效性驗(yàn)證

　　采用改進(jìn)的速度預(yù)測(cè)模型重新對(duì)該高速公路進(jìn)行設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)，高速公路各路段運(yùn)行車(chē)速均小于設(shè)計(jì)車(chē)速;1處路段修正后直線與平曲線之間V85的差值為11km/h，設(shè)計(jì)一致 性一般;1處路段修正后直線與平曲線之間V85的差值為10km/h，設(shè)計(jì)一致性良好，其余路段運(yùn)行速度與原模型預(yù)測(cè)結(jié)果相同，設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)結(jié)果保持不變.

　　4結(jié)論

　　(1)本文在給出IHSDM設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例，應(yīng)用國(guó)內(nèi)某高速公路，分析了模型的適用性;(2)給出了IHSDM在高速公路應(yīng)用中的不足，對(duì)運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了改進(jìn)，利用改進(jìn)模型對(duì)高速公路進(jìn)行設(shè)計(jì)一致性評(píng)價(jià)，采用規(guī)范驗(yàn)證了改進(jìn)模型的有效性;(3)高速公路共有6處路段在線形設(shè)計(jì)方面存在不足，其中有4處路段被原模型評(píng)價(jià)為設(shè)計(jì)一致性一般或較差，原評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率約為66.6%.改進(jìn)模型評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確率約為83.3%，較原模型提高了25%，可以有效對(duì)高速公路線形設(shè)計(jì)進(jìn)行一致性分析，研究成果對(duì)于高速公路線形運(yùn)行安全評(píng)價(jià)具有重要的參考應(yīng)用價(jià)值.

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　　作者：田佳佳1，張宿峰2，馬艷麗1

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