高速公路安全性设计综合评价指标体系的研究

马 腾 徐银飞 丁明畅

1 概述

我国目前还缺乏在规划设计阶段具有可操作性的高速公路安全性设计综合评价指标体系,由此无法确保基于安全性考虑的高速公路规划设计方案的选优。本文通过调研与进行系统分析,试图从影响高速公路安全性的有关“道路”方面的因素着手,利用AHP模型构建了规划设计阶段“高速公路安全性设计综合评价指标体系”,并引进较先进的综合评价方法与计算机程序,可直观地计算出定量化的综合评价结果,由此为基于安全性考虑的高速公路设计方案比选或针对已建成的有关高速公路进行安全改造提供可靠的依据。

2 高速公路安全性设计综合评价指标体系的AHP模型

20世纪70年代初美国运筹学家Saaty提出一种层次分析(Analytical Hierarchy Process,简称 AHP)法。

本AHP模型共分为以下几层：

1)总目标层A：高速公路安全性设计综合评价。从系统设计法的概念出发,在规划、设计阶段对影响高速公路安全性的重要技术指标进行控制,以减少日后可能出现的安全隐患。总目标坚持前瞻性和可操作性的有机统一,既要立足当前实际,使目标具有可行性,措施具有可操作性,又要充分考虑发展的需要,使设计方案具有一定的超前性。

2)分目标层B：包含B1～B3共3项分目标。其中：

B1：几何设计。除必须满足驾驶动力学要求的最小值外,还应满足驾驶员视觉心理方面连续、舒适的要求。基于对道路空间几何形状的研究,在高速公路受到沿线自然环境、人文环境和其他各种因素制约的情况下,通过对道路各几何设计要素与安全性关系的分析,在进行设计时,既将每段路线作为一个整体考虑,同时也把它剖解为平面、纵面、横断面、平纵横组合及平面交叉口这五个部分来研究,以实现日后获得较高安全运行水平的目标。

B2：结构物设计。高速公路设计时应紧抓高速公路的自身特点,通过对路基、路面、桥梁、排水和护挡工程五种结构物影响行车安全原因的深入研究、合理把握,使各种结构物均能为行车提供良好条件,从而实现车辆可以按设计的速度平稳、安全地在道路上行驶的目标。

B3：交通安全措施设计。交通安全措施在规划设计时,既要对各种交通安全设施的自身特点进行适用性分析,合理确定在高速公路的哪些路段必须或应该设置安全设施、设置哪些安全设施及如何设置这些安全设施;还要通过有效的安全监管措施提高高速公路使用者的安全素质。

3)准则层 C：包含C1～C12共12项准则。基本指标层D：包含分别隶属于C层各有关准则的32个基本评价指标,分别评价它们各自是否满足叙述中提出的要求。其中：

C1：平面线形设计。包括D1：直线。直线长度的合理使用应以保证线形连续性为前提,当不得已采用长直线时,要保证其对应的纵坡值不过大,并考虑改善直线段景观,确保行车安全。D2：圆曲线。路线具有一定的曲率可以给驾驶员适当的紧张感,当选用圆曲线半径时,在保证与地形等条件相适应的前提下,应尽量采用大半径,但应保持线形的连续性;在不得已使用最小半径时,应充分考虑驾驶员对周围地形情况的自然接受程度。D3：缓和曲线。在道路中增加合理半径和长度大小的缓和曲线,能减少车辆在正常转弯行驶时对道路摩擦力的需求,还会缓和驾驶员由于受到离心力的影响而产生的不舒适感和危险感,从而增强道路使用的安全性。

C2：纵面线形设计。包括D4：纵坡。此指标的具体内容包括纵坡值和纵坡长度。在进行设计时,从行驶安全和路面排水角度对纵坡指标进行合理控制,避免出现纵向起伏变化频繁或过长过陡的坡段。D5：竖曲线。对于凸形竖曲线路段,应避免视距受限;对于凹形竖曲线路段,应重点考虑曲线上方的路线结构物对行车视距的影响。

C3：横断面设计。包括D6：断面宽度。高速公路的断面宽度主要包括行车道宽度、路肩宽度。D7：横向坡度。横向坡度对排水有利但对行车不利,对横向坡度的取值要从路面排水和行车平稳性两个方面进行综合考虑、合理权衡,以期真正满足行车安全的要求。

C4：平纵横组合设计。包括D8：线形连续性。在进行线形组合设计时,应协调好各项技术指标间的关系,避免平曲线与竖曲线组合线形连续性差的情况出现。D9：合成坡度。从安全角度考虑,对于急弯和陡坡组合的路段应严格控制其合成坡度。D10：横向力系数。线形设计时,可通过控制横向力系数的取值来控制平曲线半径、超高率等设计指标,以有效地提高道路安全等级。

C5：平面交叉口设计。包括D11：弯道。在充分考虑交叉口处两个方向的交通流发生叠加情况的基础上,设计时应通过对设计弯道的半径和宽度两个指标的把握来保证行车安全。D12：行车视距。在平面交叉口的实际设计中,必须要满足行车视距大于停车视距的要求。

C6：路基设计。包括D13：路基高度。路基高度主要取决于纵坡设计及地形,其路基高度的设计值要避免过大,防止车辆发生意外时发生翻车现象。有条件时应尽量采用较矮路基,确保失控的车辆不会因驶出路外而翻车,从而降低事故的恶劣程度。D14：路基边坡。从安全角度出发,在条件允许情况下,应尽量减小路基边坡的坡度,这样可使发生意外的车辆沿着路基缓坡行驶一段距离,降低冲击强度,达到有效减轻事故严重程度的目的。D15：路基强度。为保证路基在外力作用下不致产生超过容许范围的变形,要求路基应具有足够的强度。

C7：路面设计。包括D16：路面强度。为确保车辆行驶时具有良好的平顺感以及使驾驶员对车辆行驶情况能有清晰的判断,必须保证路面具有足够的强度。D17：路面使用性能。必须要保证路面具有良好的使用性能,才能有效地保障道路的使用安全。

C8：桥涵设计。包括D18：桥涵承载力。设计时上部结构和下部结构的受力分析必须满足承载力要求,防止桥涵在正常使用中发生坍塌、断裂等恶性事故。D19：桥涵上部构造。该设计指标具体包括桥面宽度和桥面构造两部分内容,设计时必须保证路桥同宽;桥面构造多属于外露部位,直接与外界(包括车辆、大气等)接触,对环境的影响十分敏感,属于桥梁工程的薄弱环节,同时,其对行车安全也起着重要作用。

C9：排水设计。包括D20：路基路面排水。设计时应根据沿线的降水、地质水文及当地水利、集雨等具体情况,做到路基排水和路面排水实施与沿线桥涵配合,与当地排灌系统协调,形成良好的排水系统。D21：桥面排水。为了能迅速地排除桥面积水,保证行车安全,桥面应科学设置由桥面纵横坡及一定数量泄水管组成的排水系统。D22：桥涵排水。合理的位置应该使得桥涵与当地原有的排水系统及道路其他的排水设施组成一个整体,实现道路一侧的水体快速流至另一侧;桥涵孔径的大小应在科学确定设计洪水频率的基础上获得,必须要满足泄洪的要求。D23：其他构造物排水。设计时应严格把握每种排水构造物的自身特点,做到合理选用,科学布设。

C10：护挡设计。包括D24：路基防护与加固。为保证路基的整体稳定性和防止路基病害,提高公路的使用品质,除做好路基排水外,设置时还应根据具体的地质条件、水文条件、路基稳定性和高速公路周边环境的主要要求,按技术经济条件综合考虑。D25：路基支挡工程。其设置应结合路基形式、水文、地质情况等确定。在山体易失稳崩塌、滑坡体向下滑动、路基挤压河床以及工程填挖量较大处应合理设置。

C11：安全设施设计。包括D26：标志标线。高速公路标志、标线的设置除要在总体布局上防止信息不足或过载等现象的出现外,还应考虑高速公路主要使用者的行动特性。D27：防眩设施。该设施应根据高速公路中的眩光影响范围和路段几何、结构特性的实际情况确定。在平曲线半径小于最小半径、长直线或地形起伏变化较大等严重存在炫目影响的路段必须合理设置防眩设施,保证行车安全。D28：视线诱导设施。该设施的设置应在有效保证驾驶员能够判断设计视距以外道路方向的前提下,根据夜间行车、不良天气条件时行车等因素,结合设施自身诱导线条宽度、反光性能等特点,综合考虑后确定。D29：隔离设施。高速公路隔离栅是防止人和动物随意进入或横穿高速公路,防止他人非法占用公路用地,是保障行车安全,维护路产路权的重要设施。D30：防护设施。其应在高速公路不良路侧条件处以及行车极易出现意外的路段设置。

C12：安全监管措施。包括 D31：安全监管部门。应根据高速公路服务功能、车型特点在设计阶段进行安全监管部门设置,为运营期管理做好准备工作。D32：安全宣传教育。针对高速公路的特点,要全面提高运营期道路行车安全,就必须在设计阶段对道路使用者及沿线居民进行交通安全宣传和教育工作。

3 本AHP模型的应用途径

在利用AHP模型构建了“高速公路安全性设计综合评价指标体系”后,可把各种评价因素明确地表达出来,在此基础之上再通过调研获得有关数据,构建各层判断矩阵,通过我们已开发的AHP程序在计算机上进行单排序及总排序计算,从而得到各因素相对于总目标的组合权重值。由于我国幅员辽阔,各地区地理气候、经济文化发展水平差异较大以及历史传统、人文民俗也大相径庭,若通过本模型计算、制定全国通用的各层次因素的权重体系,则基本上无使用价值。但如我们采用聚类分析方法,根据各地区自然地理情况、社会、经济、文化发展水平等重要特征的区别或相似程度,将有关地区划分为几类,则属于同一类的地域的高速公路可采用相同的权重体系,并可分别贮存于数据库中备用。在求出基本指标权重值后,可参照各设计方案(或已完成的评价对象)对应的各有关指标所得“评价值”,利用“改进的TOPSIS方法程序”在计算机上进行计算,即可直观地得出各待评价对象优劣程度的定量化综合评价结果,从而实现基于安全性考虑的高速公路规划设计方案的优选,也可用于评价已建成的高速公路安全性的优劣等级。

[1]刘 清,曹 斌.高速公路交通安全评价指标体系的建立[J].武汉理工大学学报(社会科学版),2005(6)：36-37.

[2]王建军,刘乙橙,吴宜淞.高速公路交通安全设施系统评价指标及评价方法研究[J].交通运输系统工程与信息,2007(4)：24-25.

[3]裴玉龙.道路交通安全[M].北京：人民交通出版社,2007.

[4]戚昌滋.设计学[M].北京：中国建筑工业出版社,1991.

[5]刘启波,刘士铎.改进的TOPSIS方法在绿色建筑综合评价中的应用[J].基建优化,2001(5)：59-60.

[6]刘启波,周若祁.绿色住区综合评价方法与设计准则[M].北京：中国建筑工业出版社,2006.