高速公路路基寬度變化段線形設計指標優化研究

吳 佳 華

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

高速公路路基寬度變化段線形設計指標優化研究

吳 佳 華

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

為了降低高速公路路基寬度變化段的行車風險，從駕駛員視覺、駕駛行為和車輛行駛狀態等角度構建了安全性評價模型，并通過駕駛模擬實驗數據分析，對高速公路路基寬度變化段的線形設計指標進行了優化。

路基寬度，變化段，模擬駕駛，線形設計

0 引言

高速公路路基寬度變化段一般設置在沿線地形變化較大的地區，由于路基寬度的變化特別是路基寬度變窄，直接從道路平面線形上給駕駛員的感知、決策和操作帶來不利的影響[1]。因此，如何有效地對這些變化段的交通安全進行針對性的安全保障就成為交通安全研究的新方向。

發達國家針對公路橫斷面幾何要素與交通安全的研究已經形成了比較成熟的理論和評價體系。Hauer曾就車道寬度對安全影響規律的研究成果進行了系統的總結，研究表明，3.35 m～3.66 m之間的車道寬度安全水平較高，當車道再加寬時，安全水平反而降低[2]。Zegeer等人對低交通流(低于2 000輛/d)鄉村道路的車道、路肩寬度對事故的影響做了統計分析和研究，結果表明，從安全角度考慮，可以接受的車道最窄寬度為2.7 m[3，4]；Hadi等人利用負二項式回歸方法對改進道路橫斷面以減少交通事故的問題作了研究，結果表明，增加車道、中間帶、內側路肩、外側路肩寬度都有助于提高安全性[5]。國內相關的研究起步較晚，現有規范針對路基寬度變化段的設計很缺乏，尚沒有一套完整的安全保障體系。

本文從駕駛員視覺、駕駛行為和車輛行駛狀態等角度構建安全性評價模型，通過駕駛模擬實驗數據分析，對高速公路路基寬度變化段的線形設計指標進行了優化，以期降低高速公路路基寬度變化段的行車風險。

1 路基寬度變化段駕駛模擬實驗研究

1.1 實驗主要儀器及場景構建

實驗采用同濟大學法國模擬設計軟件Virtools TM4.0作為模擬駕駛研究平臺，并使用瑞典Smart Eye非侵入式眼動儀對駕駛人的視覺信息進行采集分析。

構建的實驗路段路基寬度在曲線段處由平原微丘區24.5 m過渡至山嶺重丘區21.5 m，曲線段的緩和曲線長85 m，曲線方向轉角20°00′00″，行車道寬度由3.75 m變為3.5 m，右側硬路肩寬度由2.5 m變為1.5 m。

1.2 被試人員

實驗選取10位駕駛員，男性8名，女性2名，年齡在20歲～30歲之間，駕齡在2年以上，其中6人有過模擬器駕駛經驗。

1.3 實驗方案設計

選用高速公路路基寬度變化段的曲線半徑、寬度漸變率以及設置位置作為影響因素。把各因素視為相互獨立的實驗因素，進行3因素3水平的正交實驗方案設計，見表1。

表1 因素水平表

2 路基寬度變化段行車安全性模糊評價模型

2.1 評價指標體系的構建

為了簡化系統模型，突出主要因素，將對行車安全影響較小的因素從模型中忽略，對變化段的行車安全性進行多層次分析，得到評價指標體系如圖1所示。

2.2 評價指標的權重和隸屬度

采用系統工程學兩兩比較法來確定影響高速公路路基寬度變化段交通安全各因素的權重，再根據建立的評價指標體系，采用1～9標度法進行每兩元素間的相對比較[6]，構造判斷矩陣進行計算，求出判斷矩陣的最大特征根λmax，并找出它所對應的特征向量W，即為同一層各影響因素相對于上一層因素的相對重要性的排序權重，然后進行一致性檢驗。

單因素評價矩陣Ri=(ri1，ri2，…，rim)(i=1，2，…，n)是根據指標因素Ui對目標層的隸屬度來確定的，因此還應確定各指標因素Ui的隸屬度μi。

2.3 多級模糊綜合評價模型

分層次的多級模糊綜合評判的基本思想是：先按最低層次的各個因素進行綜合評判，然后再按上一層次的各個因素進行綜合評判，逐層向上進行，直到最后的一個層次(最高層)，得出最后的綜合評判結果。

設被評價事物因素集為U={u1，u2，u3，…，um}，決策評價集為V={v1，v2，v3，…，vn}，則m個評價因素的評價集就構成了總的評價矩陣。實質上，R是U與V之間的模糊關系，即R:U×V→[0，1]。

(1)

當模糊評價矩陣R與A已知時，就可利用模糊變換原理進行綜合評價，得到最后的綜合評價值:

B=W·R=(b1，b2，…，bn)

(2)

為了簡練數據處理的過程，本文采用最大隸屬度法作為結果評價的方法，即按照最大隸屬原則選擇最大的bj所對應的判斷元素vj作為綜合評判的結果。

3 路基變化段設計指標優化實驗數據分析

3.1 實驗樣本數據預處理

對實驗數據進行預處理，歸類成指標體系數據。表2為樣本1預處理后的實驗數據。

表2 樣本1實驗數據匯總表

3.2 數據分析

9組實驗的模糊評價結果計算結束后，對實驗數據進行方差分析和配對比較，研究高速公路路基寬度變化段設計指標的影響程度及其最優組合。

從表3可以看到，路基寬度變化段的曲線半徑和寬度漸變率的P<0.05，說明F檢驗是顯著的，即這兩個指標對于路基寬度變化段行車安全性模糊評價值具有顯著影響。從P值的大小還可以看出，曲線半徑對于路基寬度變化段行車安全性模糊評價值有較大影響，其次是寬度漸變率，而設置位置的影響不大。

表3 方差分析表

3.2.1 曲線半徑R

從表4，表5可以看到，當R=1 700 m時，評價值的均值最大(0.848)，而且R=1 700 m與R=1 400 m有顯著差異(P=0.000<0.05)，與R=2 200 m無顯著差異(P=0.056>0.05)。

數據分析表明，高速公路路基寬度變化段宜設置在道路的曲線段，變化段的行車安全評價指標隨著曲線半徑的增大而提高，當曲線半徑增加到1 700 m左右，路段的行車安全評價指標達到閾值。因此，對于高速公路的新建以及改擴建，路基寬度變化段的曲線半徑在有條件的情況下宜取1 700 m，困難地區也不宜低于1 000 m。

表4 曲線半徑單因素統計量表

表5 曲線半徑配對比較表

3.2.2 寬度漸變率

從表6,表7可以看到，當寬度漸變率等于1∶70時，評價值的均值最大(0.818)，而且寬度漸變率等于1∶70與寬度漸變率等于1∶30有顯著差異(P=0.002<0.05)，與寬度漸變率等于1∶50無顯著差異(P=0.289>0.05)。

表6 寬度漸變率單因素統計量表

表7 寬度漸變率配對比較表

數據分析表明，高速公路路基寬度變化段的行車安全評價指標隨著寬度漸變率的增大而提高，當寬度漸變率取1∶50左右，路段的行車安全評價指標達到閾值，寬度漸變率取1∶50和取1∶70在統計學上無顯著差異。寬度漸變率取1∶30，從統計學意義上看，路段的行車安全評價指標是大幅降低的。結合JTD—D20—2006公路路線設計規范，建議高速公路路基寬度變化段的寬度漸變率宜設置取1∶50左右，而且不應大于1∶50。

3.2.3 設置位置

從表8,表9可以看到，當變化段設置在曲線中部時，評價值的均值最大(0.811)，但與變化段設置在曲線前部無顯著差異(P=0.868>0.05)，與變化段設置在曲線尾部無顯著差異(P=0.828>0.05)。

數據分析表明，曲線的設置位置在統計學意義上對于高速公路路基寬度變化段的行車安全評價指標無顯著性差異，從道路設計和工程實施的難易度考慮，變化段宜設置在曲線路段的回旋線范圍內。

表8 設置位置單因素統計量表

表9 設置位置配對比較表

4 結語

高速公路路基寬度變化路段屬于道路環境信息發生突變的特殊路段，從平面線形上給駕駛員的感知、決策和操作帶來不利的影響。因此，變化段道路線形的曲線半徑、變化段寬度漸變率及變化段長度等設計指標需要精心的選取和優化組合設計。

高速公路路基寬度變化段設計指標優化實驗的結果表明，曲線半徑對于路基寬度變化段行車安全性影響顯著，從行車安全考慮，應取1 700 m左右的曲線半徑值；寬度漸變率對于路基寬度變化段行車安全性影響顯著，從行車安全以及經濟性考慮，寬度漸變率應設置1∶50左右；設置位置從方便施工的角度考慮應設置在曲線段的回旋線范圍內。此外，在有條件的情況下應優先優化變化段標志標線的設計。

[1] 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.

[2] 張鐵軍，唐琤琤，吳玲濤，等.平原區公路橫斷面要素安全性研究[J].公路，2008(4):34-39.

[3] Zegeer, Charles V, Steward, et al. Accident relationships of roadway width on low-volume roads[J].Transp Res Rec,1994(1445):160-168.

[4] Zegeer, Charles V, Council, et al. Safety relationships associated with cross-sectional roadway elements[J].Transp Res Rec,1995(1485):134-139.

[5] Hadi, Mohammed A., Aruldhas, et al. Estimating safety effects of cross-section design for various highway types using negative binomial regression[J].Transp Res Rec,1995(1500):169-177.

[6] 魏 朗,高麗敏,余 強,等.駕駛員道路安全感受模糊評判模型[J].交通運輸工程學報，2004，4(1):102-105.

Research on geometric design parameters of highway subgrade width transition section

Wu Jiahua

(TongjiUniversityArchitecturalDesign(Group)Co.,Ltd,Shanghai200092,China)

A driving safety evaluation model is built considering driver’s vision, driving behavior and vehicle travelling states. Through driving simulation experiments, geometric design parameters of highway subgrade width transition section is optimized to reduce the driving risk.

subgrade width, transition section, driving simulation, geometric design

2015-05-23

吳佳華(1987- )，女，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)22-0150-03

U416.1

A