高鐵影響下的高速公路事故風險與改善

李雅斐，涂輝招，潘 磊

（同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

根據《中國鐵路中長期發展規劃》，到2020年，中國將建設客運專線1.2×104km以上，速度目標值達到200km／h及以上.在建設過程中，受地形地貌、工程地質條件及現有設施的限制，部分高鐵線位與已有高速公路走向一致、距離接近.例如：德國科隆—法蘭克福高速鐵路，設計時速300 km／h，與德國A3高速公路平行里程約70%；又如：中國在建的杭長高鐵，在浙江諸暨市域內與杭金衢高速公路線位走向一致，高鐵橋墩邊緣至高速公路路肩的距離最近處僅為21.8m.

圖1 高速鐵路與高速公路并行路段Fig.1 Adjacent sections of high－speed rail and freeway

高鐵運行改變了高速公路的路側環境.由于高速列車速度在200km／h以上，列車運行所產生的眩光、噪聲和氣流等突然刺激將會影響駕駛人的駕駛行為，給高速公路帶來安全隱患；而一旦發生汽車沖出護欄的事故，又會對高鐵運行安全產生極大威脅.因此，在高鐵與高速公路并行且距離較近的情況下，對如何降低事故風險開展研究非常重要.

在工程上，目前國內、外主要采用在高架橋上增設聲屏障以降低高鐵對環境的影響，或是在公路與高速鐵路之間設置護欄以杜絕公路行駛車輛侵入高速鐵路路權范圍；而在理論上，對于高鐵運行所引發的事故風險，以及其工程措施的有效性，還缺乏深入研究.為此，本研究擬采用FOSIM仿真，探討不同流量下由高鐵行駛引發的突然刺激對高速公路事故風險的影響；并針對駕駛人安全需求提出安全改善方案，以車速標準差和交通沖突（碰撞）風險TTC（Time To Collision）為指標對高鐵影響和改善措施的效果進行評價.

1 高鐵運行對鄰近高速運行安全影響探討

1.1 駕駛人影響

20世紀90年代初，Brookhuis［1］等人用心電圖結合腦電圖研究了分別在城市擁擠的快速環線和暢通無阻的高速公路上行車時駕駛人的心理壓力.結果顯示，行駛車輛周邊環境發生突然變化的時刻，是駕駛人心理緊張度最高的時刻.在心理緊張及注意力分散的情況下，駕駛人操作失誤以及交通事故發生的可能性增大.

高速公路行車時，駕駛人通過視覺、聽覺和振動覺等感覺器官接受來自車內、外的各種信息，包括：道路信息、車輛信息、交通和環境信息等；而高速運行的列車會導致并行段高速公路運行條件的改變，如：列車機車眩光、氣流和噪音等.當高速列車從行駛車輛旁高速通過時，突發刺激將引發駕駛人的緊張情緒.

另外，高速鐵路多采用高架橋形式修建.當高鐵的設計高程高于高速公路路基高程時，橋墩帶來的視線阻隔在快速的產生和釋放，由此帶來的不穩定駕駛和心里緊張感持續，再加之高速運行的列車帶來的噪音和眩光等因素，在很大程度上增加了交通事故的發生概率.

1.2 安全影響參數

高鐵運行對高速公路行車的影響，主要體現在高速公路駕駛人心理和行為的改變，以及駕駛環境的改變.這種改變可用安全影響參數（見表1進行描述：

1）駕駛人反應時間：駕駛人從視覺感覺器官眼睛接受刺激，到大腦分析并支配身體作出相應反應的時間距離.當駕駛環境較為復雜，要從眾多的信息中選擇與行車有關的信息并作出反應時這種復雜反應要比簡單反應的時間長［2］.反應時間能夠表征高鐵運行時且復雜刺激下駕駛人心理的變化.

2）汽車制動減速度：根據國內、外的實驗研究，在汽車高速運行且對前方道路信息缺乏了解的情況下，駕駛人大腦興奮度低，警惕性變差；當駕駛人因突發事件而受到驚嚇或刺激時，反應時間、駕駛操控和決策能力均會受到不同程度的影響，駕駛人采取的制動減速度絕對值隨著刺激逐漸變強而呈現增長態勢［3］.在高鐵運行引發的突發刺激下，該參數可用來描述駕駛人行為的變化.

3）空氣阻力系數：是表明汽車形狀和空氣摩擦等各種因素對空氣阻力綜合影響程度的系數汽車在高速公路上行駛時，除了受到路面作用力外，還受到周圍空氣流對它自身作用的各種力和力矩，它們的大小與空氣對汽車的相對速度v的平方成正比［4］.

在高速公路上行駛的汽車，它所受到的空氣阻力是主要的；當高速列車快速通過時，汽車所受到的空氣阻力尤為明顯，行車環境發生改變.

表1 安全影響參數Table 1 Parameters of safety influence

2 事故風險分析方法研究

計算機仿真可以再現多種交通現象，進行交通安全方面的研究.FOSIM（Freeway Operations Simulation）是專門面向高速公路的仿真軟件，可以進行準確、細致的仿真.本研究擬采用FOSIM仿真，對高鐵行駛下高速公路的事故風險進行分析和評價.該類工作的前提是確定合理的模擬方案和評價指標.

2.1 模擬方案

為了對比分析高鐵對于鄰近高速公路運行車輛的影響，選取兩類情境進行對比仿真：①路側無高鐵影響，即道路環境簡單，不存在高鐵引發的眩光、振動及噪聲等突然干擾和刺激，駕駛人生理心理保持平穩，高速行駛.②路側有高鐵運行，且高速公路未采取對應措施；此種情境下道路環境復雜，在突發刺激下駕駛人精神緊張.

目前的微觀仿真軟件難以直接引入高鐵運行的影響，但這種影響可以通過FOSIM仿真參數調整來表征.在路側有、無高鐵影響兩種情境中，參數取值較正常行駛狀態下有所變化：

1）反應時間：駕駛人在正常高速行駛時，反應時間約為0.6s［2］；在高鐵引發的惡劣駕駛環境中，駕駛人同時受到交通標志、其他車輛、噪音、光線及眩光的干擾與刺激，反應時間相應增加；根據實驗研究，此類情況下反應時間延長至1.3s左右.

2）汽車制動減速度：高鐵運行會引發光線和聲音等突然刺激.結合駕駛人在不同刺激下的感知－判斷－操作行為模式，對駕駛人通過障礙物時的車速變化特征和操作行為特征進行了實驗分析并對減速行為進行統計.正常駕駛、刺激較小時制動減速度在－0.41～－0.58m／s2之間；當刺激程度加大時，制動減速度絕對值變大，取值在－1.54～－2.85m／s2之間.

3）空氣阻力系數：是表明汽車形狀和空氣摩擦等各種因素對空氣阻力的綜合影響程度.在汽車動力學中，空氣阻力為：

式中：A為汽車正面迎風面積；Vα為汽車行駛速度；CD為空氣阻力系數.

CD越小，空氣阻力就越小.在高速公路正常行車時，現代轎車CD為0.3～0.5；當路側有高鐵經過時，根據已有的風洞實驗測試，CD為0.5～0.7.

表2 安全影響參數取值Table 2 Value of safety influence parameters

2.2 評價指標研究

國內、外研究［5］表明，高速公路上車輛的車速與平均車速的差值越大，即車速分布越離散，事故率越高；車速分布離散性越小，事故率越低.因此本研究選取車速標準差作為評價指標之一，用以表征車速離散性.

另外，有研究［6］表明，嚴重沖突與事故之間有著良好地相關性，能夠較好地表征道路交通安全狀況.TTC是描述前、后兩車車頭時距的參數，當車頭時距較小時，沖突可能性增大；TTC能夠表明實際道路的安全狀態，適用于評價道路安全性.

因此，本研究采用車速標準差和TTC作為評價指標，用以分析高鐵影響下的高速公路行車安全性.通過在仿真方案中設置斷面檢測器，獲得車速數據與車頭時距數據.

3 事故風險分析

杭金衢高速公路位于浙江省，全長290.5km.在諸暨市域，杭金衢高速公路與在建的杭長高鐵線位接近，最近處僅21.8m.為了研究杭長高鐵對于杭金衢高速公路駕駛人行車的影響，對杭金衢高速公路進行仿真建模分析.

在一天內的不同時段，高速公路流量差異顯著.為了研究高速列車對于駕駛人的影響是否與流量有關，根據杭金衢高速公路的實際流量數據，對路側無、有高鐵影響兩種情境下的低流量（600 pcu／h）、中流量（1200pcu／h）和高流量（2000 pcu／h），共計6種情況進行仿真分析.每種情境下選取3個斷面設置檢測器，用以采集速度信息與車頭時距信息.仿真時間為7200s.

1）車速標準差

對仿真采集的速度數據進行整理，并進行標準差分析.分析結果如圖2所示.

圖2 車速標準差仿真結果Fig.2 Simulation results of speed standard deviation

從圖2中可以看到，車速的波動性隨著流量的升高而降低.不論在何種流量情況下，滬昆高鐵的建成都將會造成杭金衢高速公路行車速度波動性、離散性的增大，使駕駛安全性降低.在高流量情況下，駕駛安全性的下降較為明顯.

2）車頭時距

在FOSIM仿真中，對仿真車輛通過檢測器斷面的時刻進行采集.考慮當車頭時距小于4s時，車輛追尾風險顯著增加，因此對車頭時距小于4s的頻率進行統計，統計結果如圖3所示.

由分析結果可知，以TTC表征追尾風險時，追尾風險隨著流量的增大而升高.而高鐵的建成將造成追尾風險的顯著提升，使駕駛安全性降低.在中流量情況下，追尾風險的提升尤為明顯.

圖3 車頭時距頻率統計結果（TTC＜4s）Fig.3 Statistical results of headway frequency（TTC＜4s

4 改善方案及效果評價

事故風險分析結果表明，當高速列車快速駛過時，鄰近高速公路的駕駛安全性降低、事故風險明顯提升；究其原因，在于高鐵運行引發的復雜道路環境未能提前被駕駛人知曉，駕駛人對突然出現的信息沒有充分的準備時間.

汽車行駛的安全性，取決于道路交通環境的復雜性，同時也取決于這種復雜性能否以“信息的形式客觀地顯示出來，并為駕駛人所感受.若駕駛人能及時、準確地獲取前方道路信息，針對可能出現的狀況預先做好心理準備，則可有效規避高鐵運行帶來的安全隱患.因此，在現有道路線形和設施狀況下，限制車輛速度、提供道路信息和提高駕駛人注意力將能顯著減輕由高速列車所引發的影響.針對交通需求，作者建議在并行段采取一些應對措施，以提高行車安全性.

4.1 限制車輛速度

限速的主要目的是通過降低駕駛人自由選擇速度所引起的事故風險來提高安全性.首先，駕駛人在速度較高時視覺特征變差，獲取信息能力變差，而限速可以有效限制過高車速；其次，限速可以降低車輛行駛速度之間的離散程度，降低車輛發生追尾等沖突的風險；再次，限速可以降低事故發生的嚴重程度.因此，對高速—高鐵并行路段采用限速控制十分重要.

交通最高限速數值主要受交通量、安全距離路面附著系數和道路線形要素等微觀因素的影響.在高速—高鐵并行路段，由于高鐵的影響導致駕駛人反應時間增長、或是引發駕駛人眩光，最終影響駕駛人的行車安全距離；因此從安全距離方面入手，計算高速－高鐵并行段的限速數值.考慮行車安全距離約束較為常見的一種情況——前方是慢速行駛車輛.

圖4 安全行駛條件示意Fig.4 Diagrammatic sketch of safe driving condition

前方車輛以較慢車速V0行駛時，安全行駛條件為：L1＋L2≤L＋L3.式中：L1為駕駛在識別前方車輛時間t1內行駛的距離（m），由后方車輛的行駛初速度（要計算的限速數值）和駕駛人總反應時間確定；L2為車輛制動時間t2內行駛的距離（m），由汽車初始速度、輪胎與路面的摩阻系數和路線縱坡坡度確定；L3為前方車輛在時間t1＋t2內行駛的距離（m），由前方車輛行駛速度決定（考慮到高速公路存在最低限速，取前方慢速行駛車輛速度為60km／h）；L為考慮夜間不利情況，并考慮眩光等影響，夜間能見距離取100m.

將L，L1，L2和L3的計算公式分別帶入安全行駛條件不等式中，計算出高速—高鐵并行段的夜間安全行駛車速為83km／h.建議限速80km／h，從而達到降低事故風險的目的.

4.2 提供道路信息

為滿足駕駛人對全面信息的需求，引導駕駛人安全和順暢行車，建議按照車輛在并行路段行駛的3個階段——并行段前、并行段中和并行段后分別采取標志標線綜合引導措施.

1）并行段前：引導駕駛人緩慢減速，提示前方有高鐵區

段前500m：設置交通指示標志，提示前方狀況，提醒駕駛人謹慎行車；

段前200m：設置限速標志，限速80km／h，提示駕駛人準備防范應變措施.

2）并行段：對駕駛人進行引導和警示

并行段道路環境較為復雜.若駕駛人對道路復雜性缺乏足夠的感知能力，容易發生交通事故建議在并行段路側設置警示標志和限速標志，并利用可變信息板發布路況信息；同時在路側設置視線誘導標識，幫助駕駛人在夜間復雜環境下準確判斷道路走向.

3）并行段后：結束限速

在路側設置交通標志，提示駕駛人已駛出高鐵并行區域，此處為限速結束點，并引導車輛緩慢加速至恢復原速度.

4.3 提高駕駛人注意力

在高鐵引發的復雜道路環境中，駕駛人要面臨眩光等各種信息，短暫的注意力分散就有可能導致事故的發生；駕駛人保持行車警惕性有助于提高反應速度，提高行車安全性.建議采取一些措施提高駕駛人注意力.

1）并行段前：路面設置限速標志與減速標線

段前500m：設置間隔布設式彩色減速標線利用標線的顏色刺激和振動刺激提高駕駛人注意力，并提醒駕駛人開始減速.

段前200m：在高速公路地面設置彩色限速標志，與路側標志配合使用以加強效果.

2）并行段：設置彩色路面

在高速公路與高鐵的距離最窄處設置紅色的路面鋪裝薄層.彩色路面可以大幅降低剎車距離同時利用顏色和振動刺激警示駕駛人，以此降低并行段的事故風險.

4.4 效果評價

為了對本研究提出措施的效果進行驗證，利用FOSIM對路側有高鐵影響但采取改善方案后的情境進行模擬，取低、中和高3種情況進行仿真.

仿真參數方面，在改善方案的影響下，駕駛人行車警惕性高、反應時間變短；汽車制動操作平穩、減速度變小；行駛速度降低導致空氣阻力系數變低；本研究根據國內、外有關研究結果對這3個參數進行調整.路段限速值取80km／h，其余設置與之前相同.通過這4個參數的調整反映高鐵、改善措施對于高速公路行車的影響.

對仿真結果進行整理，得到速度標準差和TTC（＜4s）頻率見表4.

將改善后的仿真驗證結果與改善前的仿真結果進行對比，車速標準差和車頭時距頻率分別如圖5，6所示.

表4 改善措施效果驗證Table 4 Results verification of improved measures

圖5 車速標準差仿真結果對比Fig.5 Comparison of speed standard deviation

圖6 車頭時距頻率結果對比（TTC＜4s）Fig.6 Comparison of headway frequency（TTC ＜4s）

通過對仿真結果的對比分析可知，以車速標準差做評價指標時，高鐵建成將造成車速離散性的增大，而改善措施將會有效緩解這種影響；由于限速的作用，車速標準差甚至比無高鐵影響時還低.以TTC表征追尾風險時，高鐵建成將會引起追尾風險的提升，而改善方案將會顯著降低這種風險.

5 結論

高速鐵路的存在使得相鄰高速公路的行車環境和駕駛人心理受到很大影響，進而影響到行車安全，對此開展事故風險分析很有意義.本研究以車速標準差和TTC作為評價指標，采用FOSIM建模對杭金衢高速公路進行仿真計算，有針對性地提出改善方案并進行評價.分析得到結論：

1）車速離散性隨著流量的升高而降低，以TTC表征的追尾風險隨著流量的升高而增大.

2）在附近有高鐵運行的情況下，高速公路行車的車速離散性和追尾風險較無高鐵情況有較大提高，行車安全性顯著降低.

3）限制車輛速度、提供道路信息和提高駕駛人注意力等改善方案，將有效降低高速公路行車的車速離散性和追尾風險.

（References）：

［1］Brookhuis K A，Waard D D.The use psychophysiology to assess drive status［J］.Ergonomics，1993，361099—1108.

［2］徐濟宣，吳紀生.惡劣環境對駕駛員反映時間的影響研究［J］.交通標準化，2009，210（3）：103—106.（XU Ji－xuan，WU Ji－sheng.Harsh environment influence on drivers’response time［J］.Communications Standardization，2009，210（3）：103—106.（in Chinese））

［3］郭應時，付銳，袁偉，等.通道寬度對駕駛員動態視覺和操作行為的影響［J］.中國公路學報，2006，19（5）83—87.（GUO Ying－shi，FU Rui，YUAN Wei，et al Influences of passage width on driver’s dynamic vision and operation behavior［J］.China Journal of Highway and Transport，2006，19（5）：83—87.（in Chinese））

［4］陳南翼，張健.高速列車空氣阻力試驗研究［J］.鐵道學報，1998，20（5）：40—45.（CHEN Nan－yi，ZHANG Jian.Experimental investigation on aerodynamic drag of high speed train［J］.Journal of the China Railway Society，1998，20（5）：40—45.（in Chinese））

［5］裴玉龍，程國柱.高速公路車速離散性與交通事故的關系及車速管理研究［J］.中國公路學報，200417（1）：74—78（PEI Yu－long，CHENG Guo－zhu.Research on the relationship among discrete character of speed the traffic accident and speed management of freeway［J］.China Journal of Highway and Transport，2004，17（1）：74—78.（in Chinese））

［6］張蘇.中國沖突技術［M］.成都：西南交通大學出版社，1998.（ZHANG Su.China conflict technology［M］.Chengdu：Southwest Jiaotong University Press 1998.（in Chinese））