改進IHSDM的交互式高速公路設(shè)計一致性評價

　　摘要:為滿足高速公路運行車速與線形設(shè)計之間的協(xié)調(diào)性，提高高速公路車輛運行的安全性，開展高速公路設(shè)計一致性評價研究.在收集實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)計模型(IHSDM)進行設(shè)計一致性評價，將評價結(jié)果與實際事故數(shù)據(jù)進行對比，分析了該模型的適用性.針對該模型在中國高速公路應(yīng)用中存在的不足進行了改進，并將設(shè)計一致性存在問題路段與線形設(shè)計存在不足路段進行對比分析，驗證了改進模型的有效性.分析結(jié)果表明:改進模型評價結(jié)果準確率為83.3%，較原模型評價準確率提高了25%，研究成果可以為高速公路線形設(shè)計的安全性評價提供技術(shù)支持.

　　關(guān)鍵詞:交通工程;運行速度預(yù)測;高速公路;設(shè)計一致性;安全評價

　　我國高速公路建設(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，也存在著安全隱患.2018年全國共發(fā)生交通事故864.3萬起.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，直接財產(chǎn)損失13.85億元.因此，減少道路交通事故，提高行車的安全性，是道路交通安全工作所需解決的重要問題.道路交通事故頻發(fā)的一個重要原因是道路幾何線形缺乏設(shè)計一致性.

　　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)計一致性是指道路幾何設(shè)計與駕駛員的期望和車輛安全運行相適應(yīng)的特性，所有駕駛員的期望都能對應(yīng)一個運行車速，表現(xiàn)為運行車速與線形設(shè)計的協(xié)調(diào)性[1].針對高速公路設(shè)計一致性進行評價，找出其內(nèi)在缺陷并進行改善，對高速公路的線形設(shè)計及交通安全有非常重要的意義.一些學(xué)者展開了相關(guān)研究，裴玉龍[2]等對高速公路的車速標準差和億車公里事故率的數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立了二者的關(guān)系模型.AltamiraA[3]等對平曲線與直線之間的加、減速度進行了研究.NieB[4]等結(jié)合實際駕駛數(shù)據(jù)，建立了考慮平曲線上速度行為的雙車道農(nóng)村公路和城市/郊區(qū)道路速度預(yù)測模型.

　　郭啟明[5]等基于駕駛模擬實驗，建立了的山區(qū)高速公路運行速度模型.CastroM[6]等對運行速度、速度差與道路設(shè)計一致性的關(guān)系進行了分析.劉建蓓[7]等提出了考慮公路交通特點、駕駛行為特征以及道路環(huán)境的公路安全性評價指標及評價標準.高建平[8]等將線形單元間運行車速及加速度的變化量作為評價標準，建立了基于運行車速的道路線形質(zhì)量評價模型.楊宏志[9]等提出了基于運行速度和直線獨立性分析的平面線形安全性評價模型.

　　目前國際上最有代表性的成果是美國聯(lián)邦公路局開發(fā)的基于交通安全與線形指標的交互式道路安全設(shè)計模型(InteractiveHighwaySafetyDesignModel，IHSDM)，由于其結(jié)構(gòu)簡單及建模思想可靠，在國外得到了廣泛的應(yīng)用，但是該模型在中國的適用性還有待進一步研究.Camacho-TorregrosaFJ[10]等基于西班牙雙車道運行速度數(shù)據(jù)，建立了用于道路安全評價的新型線形設(shè)計一致性模型.賀玉龍[11]等分析了中美公路車輛運行速度分布差異.

　　段萌萌[12]等對IHSDM事故預(yù)測模型在山區(qū)高橋隧比高速公路事故預(yù)測中的適用性進行了分析.孟祥海[13]等基于我國高速公路線形設(shè)計和事故數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一組IHSDM事故預(yù)測改進模型.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)計一致性評價模型在我國的適用性，并針對該模型在高速公路應(yīng)用中存在的不足構(gòu)建改進的設(shè)計一致性評價模型，驗證改進模型的有效性.

　　1設(shè)計一致性評價

　　IHSDM中設(shè)計一致性評價包括路段劃分、運行速度預(yù)測、設(shè)計一致性預(yù)測.其核心內(nèi)容是預(yù)測道路上各路段的運行速度(V85)，根據(jù)一致性評價指標判定設(shè)計是否連續(xù)，進而判定道路設(shè)計安全性.

　　1.1路段劃分

　　模型依據(jù)高速公路平縱線形指標對高速公路進行路段劃分，將平面線形上的緩和曲線視為平直線，依據(jù)路段劃分標準: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運行速度預(yù)測

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

　　(1)確定平面每個路段的運行速度，對于設(shè)計速度較高的高速公路，模型給出了不同線形條件下運行速度預(yù)測公式;(2)通過加(減)速度對平直線段運行速度進行調(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TWOPAS模型(TWOPAS是一種微觀模型，通過每隔1s模擬道路上每輛車的位置、速度和加速度，并以一種可實現(xiàn)的方式推動這些車輛在高速公路上行駛，來模擬道路上的交通運行.)預(yù)測極限坡度下的運行速度。

　　(4)比較步驟(2)和(3)的預(yù)測結(jié)果，選擇每個樁號最低的速度作為最終的運行速度預(yù)測結(jié)果.

　　1.3評價指標

　　設(shè)計一致性評價方式有兩種:同一路段運行速度(V85)與設(shè)計速度之差;相鄰不同路段(直線與平曲線)之間V85的差值.根據(jù)以上兩種評價方式來判斷道路設(shè)計是否連續(xù)，從而對道路進行安全評價.

　　1.4IHSDM給出的模型適用性分析

　　采用實例，驗證設(shè)計一致性評價模型的有效性.選用工程為京哈高速公路部分路段，該路段全長70.96km，共設(shè)16個轉(zhuǎn)角點;最小平曲線半徑500m/1處，其余均大于3000m，平曲線占路線總長度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，豎曲線占路線總長度47.1%，設(shè)計速度為120km/h，該高速公路的期望速度為120km/h.

　　(1)設(shè)計一致性評價結(jié)果利用IHSDM設(shè)計一致性評價模型對該高速公路進行設(shè)計一致性評價，該模型在平面上將高速公路劃分為16個直線與平曲線組合路段，各路段V85均小于設(shè)計速度;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)計一致性良好。

　　2模型的改進

　　2.1改進方案

　　IHSDM設(shè)計一致性評價的速度預(yù)測公式中，平曲線及平縱曲線組合路段，預(yù)測的運行速度主要與平曲線半徑R有關(guān)，僅在縱坡坡度不同時公式才會有所不同.而在實際條件下，高速公路上車輛的運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《公路路線設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)規(guī)定，高速公路設(shè)計速度為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，最大縱坡可增加到4%.

　　但在速度預(yù)測公式中，縱坡坡度在0～4%(-4%～0)之間時，預(yù)測公式完全相同，運行速度僅由平曲線半徑?jīng)Q定，導(dǎo)致IHSDM設(shè)計一致性評價模型對設(shè)計速度為120km/h的高速公路進行安全評價時，設(shè)計一致性評價結(jié)果與縱斷面線形設(shè)計無關(guān).因此針對縱斷面線形指標對平曲線上的預(yù)測速度進行折減.研究表明:影響高速公路事故率的主要線形指標有直線段長度、平曲線半徑、縱坡坡度[14]、豎曲線半徑及豎曲線長度.設(shè)計一致性越差，事故率越高，影響高速公路設(shè)計一致性的線形指標與事故率相同.

　　2.2速度預(yù)測公式修正

　　IHSDM設(shè)計一致性評價模型的速度預(yù)測公式中已經(jīng)充分考慮了直線段長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度對平曲線上預(yù)測的運行速度進行修正.

　　3模型有效性驗證

　　采用改進的速度預(yù)測模型重新對該高速公路進行設(shè)計一致性評價，高速公路各路段運行車速均小于設(shè)計車速;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)計一致性良好，其余路段運行速度與原模型預(yù)測結(jié)果相同，設(shè)計一致性評價結(jié)果保持不變.

　　4結(jié)論

　　(1)本文在給出IHSDM設(shè)計一致性評價方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實例，應(yīng)用國內(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，對運行速度預(yù)測模型進行了改進，利用改進模型對高速公路進行設(shè)計一致性評價，采用規(guī)范驗證了改進模型的有效性;(3)高速公路共有6處路段在線形設(shè)計方面存在不足，其中有4處路段被原模型評價為設(shè)計一致性一般或較差，原評價模型評價結(jié)果準確率約為66.6%.改進模型評價結(jié)果準確率約為83.3%，較原模型提高了25%，可以有效對高速公路線形設(shè)計進行一致性分析，研究成果對于高速公路線形運行安全評價具有重要的參考應(yīng)用價值.

　　參考文獻:

　　[1]HASSANY，GIBREELG，EASASM.Evaluationofhighwayconsistencyandsafety:Practicalapplication[J].JournalofTransportationEngineering，2000，126(3):193-201.

　　[2]裴玉龍，程國柱.高速公路車速離散性與交通事故的關(guān)系及車速管理研究[J].中國公路學(xué)報，2004，17(1):78-82.

　　[3]ALTAMIRAA，GARCY，ECHAVEGURENT，et，al.Accelerationanddecelerationpatternsonhorizontalcurvesandtheirtangentsontwo-laneruralroads[C]//TransportationResearchBoard93rdAnnualMeeting.Washington，D.C.:TransportationResearchBoardoftheNationalAcademies，2014:1-15.

　　[4]NIEB，HASSANY.ModelingDriverSpeedBehavioronHorizontalCurvesofDifferentRoadClassifications[C]//Proceedingsof86thAnnualmeetingoftheTransportationResearchBoard.Washington，D.C.:TransportationResearchBoard，2007:1-16.

　　[5]郭啟明，王雪松，陳志貴.基于駕駛模擬實驗的山區(qū)高速公路運行速度建模[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2019，47(7):1004-1010.

　　[6]CASTROM，SANCHEZJF，SANCHEZJA，etal.OperatingSpeedandSpeedDifferentialforHighwayDesignConsistency[J].JournalofTransportationEngineering，2011，137(11):837-840.

　　[7]劉建蓓，郭忠印，胡江碧，等.公路路線設(shè)計安全性評價方法與標準[J].中國公路學(xué)報，2010，23(增1):28-35.

　　[8]高建平，郭忠印.基于運行車速的公路線形設(shè)計質(zhì)量評價[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(7):906-911.

　　作者：田佳佳1，張宿峰2，馬艷麗1

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