高铁影响下的高速公路事故风险与改善

李雅斐，涂辉招，潘 磊

（同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

根据《中国铁路中长期发展规划》，到2020年，中国将建设客运专线1.2×104km以上，速度目标值达到200km／h及以上.在建设过程中，受地形地貌、工程地质条件及现有设施的限制，部分高铁线位与已有高速公路走向一致、距离接近.例如：德国科隆—法兰克福高速铁路，设计时速300 km／h，与德国A3高速公路平行里程约70%；又如：中国在建的杭长高铁，在浙江诸暨市域内与杭金衢高速公路线位走向一致，高铁桥墩边缘至高速公路路肩的距离最近处仅为21.8m.

图1 高速铁路与高速公路并行路段Fig.1 Adjacent sections of high－speed rail and freeway

高铁运行改变了高速公路的路侧环境.由于高速列车速度在200km／h以上，列车运行所产生的眩光、噪声和气流等突然刺激将会影响驾驶人的驾驶行为，给高速公路带来安全隐患；而一旦发生汽车冲出护栏的事故，又会对高铁运行安全产生极大威胁.因此，在高铁与高速公路并行且距离较近的情况下，对如何降低事故风险开展研究非常重要.

在工程上，目前国内、外主要采用在高架桥上增设声屏障以降低高铁对环境的影响，或是在公路与高速铁路之间设置护栏以杜绝公路行驶车辆侵入高速铁路路权范围；而在理论上，对于高铁运行所引发的事故风险，以及其工程措施的有效性，还缺乏深入研究.为此，本研究拟采用FOSIM仿真，探讨不同流量下由高铁行驶引发的突然刺激对高速公路事故风险的影响；并针对驾驶人安全需求提出安全改善方案，以车速标准差和交通冲突（碰撞）风险TTC（Time To Collision）为指标对高铁影响和改善措施的效果进行评价.

1 高铁运行对邻近高速运行安全影响探讨

1.1 驾驶人影响

20世纪90年代初，Brookhuis［1］等人用心电图结合脑电图研究了分别在城市拥挤的快速环线和畅通无阻的高速公路上行车时驾驶人的心理压力.结果显示，行驶车辆周边环境发生突然变化的时刻，是驾驶人心理紧张度最高的时刻.在心理紧张及注意力分散的情况下，驾驶人操作失误以及交通事故发生的可能性增大.

高速公路行车时，驾驶人通过视觉、听觉和振动觉等感觉器官接受来自车内、外的各种信息，包括：道路信息、车辆信息、交通和环境信息等；而高速运行的列车会导致并行段高速公路运行条件的改变，如：列车机车眩光、气流和噪音等.当高速列车从行驶车辆旁高速通过时，突发刺激将引发驾驶人的紧张情绪.

另外，高速铁路多采用高架桥形式修建.当高铁的设计高程高于高速公路路基高程时，桥墩带来的视线阻隔在快速的产生和释放，由此带来的不稳定驾驶和心里紧张感持续，再加之高速运行的列车带来的噪音和眩光等因素，在很大程度上增加了交通事故的发生概率.

1.2 安全影响参数

高铁运行对高速公路行车的影响，主要体现在高速公路驾驶人心理和行为的改变，以及驾驶环境的改变.这种改变可用安全影响参数（见表1进行描述：

1）驾驶人反应时间：驾驶人从视觉感觉器官眼睛接受刺激，到大脑分析并支配身体作出相应反应的时间距离.当驾驶环境较为复杂，要从众多的信息中选择与行车有关的信息并作出反应时这种复杂反应要比简单反应的时间长［2］.反应时间能够表征高铁运行时且复杂刺激下驾驶人心理的变化.

2）汽车制动减速度：根据国内、外的实验研究，在汽车高速运行且对前方道路信息缺乏了解的情况下，驾驶人大脑兴奋度低，警惕性变差；当驾驶人因突发事件而受到惊吓或刺激时，反应时间、驾驶操控和决策能力均会受到不同程度的影响，驾驶人采取的制动减速度绝对值随着刺激逐渐变强而呈现增长态势［3］.在高铁运行引发的突发刺激下，该参数可用来描述驾驶人行为的变化.

3）空气阻力系数：是表明汽车形状和空气摩擦等各种因素对空气阻力综合影响程度的系数汽车在高速公路上行驶时，除了受到路面作用力外，还受到周围空气流对它自身作用的各种力和力矩，它们的大小与空气对汽车的相对速度v的平方成正比［4］.

在高速公路上行驶的汽车，它所受到的空气阻力是主要的；当高速列车快速通过时，汽车所受到的空气阻力尤为明显，行车环境发生改变.

表1 安全影响参数Table 1 Parameters of safety influence

2 事故风险分析方法研究

计算机仿真可以再现多种交通现象，进行交通安全方面的研究.FOSIM（Freeway Operations Simulation）是专门面向高速公路的仿真软件，可以进行准确、细致的仿真.本研究拟采用FOSIM仿真，对高铁行驶下高速公路的事故风险进行分析和评价.该类工作的前提是确定合理的模拟方案和评价指标.

2.1 模拟方案

为了对比分析高铁对于邻近高速公路运行车辆的影响，选取两类情境进行对比仿真：①路侧无高铁影响，即道路环境简单，不存在高铁引发的眩光、振动及噪声等突然干扰和刺激，驾驶人生理心理保持平稳，高速行驶.②路侧有高铁运行，且高速公路未采取对应措施；此种情境下道路环境复杂，在突发刺激下驾驶人精神紧张.

目前的微观仿真软件难以直接引入高铁运行的影响，但这种影响可以通过FOSIM仿真参数调整来表征.在路侧有、无高铁影响两种情境中，参数取值较正常行驶状态下有所变化：

1）反应时间：驾驶人在正常高速行驶时，反应时间约为0.6s［2］；在高铁引发的恶劣驾驶环境中，驾驶人同时受到交通标志、其他车辆、噪音、光线及眩光的干扰与刺激，反应时间相应增加；根据实验研究，此类情况下反应时间延长至1.3s左右.

2）汽车制动减速度：高铁运行会引发光线和声音等突然刺激.结合驾驶人在不同刺激下的感知－判断－操作行为模式，对驾驶人通过障碍物时的车速变化特征和操作行为特征进行了实验分析并对减速行为进行统计.正常驾驶、刺激较小时制动减速度在－0.41～－0.58m／s2之间；当刺激程度加大时，制动减速度绝对值变大，取值在－1.54～－2.85m／s2之间.

3）空气阻力系数：是表明汽车形状和空气摩擦等各种因素对空气阻力的综合影响程度.在汽车动力学中，空气阻力为：

式中：A为汽车正面迎风面积；Vα为汽车行驶速度；CD为空气阻力系数.

CD越小，空气阻力就越小.在高速公路正常行车时，现代轿车CD为0.3～0.5；当路侧有高铁经过时，根据已有的风洞实验测试，CD为0.5～0.7.

表2 安全影响参数取值Table 2 Value of safety influence parameters

2.2 评价指标研究

国内、外研究［5］表明，高速公路上车辆的车速与平均车速的差值越大，即车速分布越离散，事故率越高；车速分布离散性越小，事故率越低.因此本研究选取车速标准差作为评价指标之一，用以表征车速离散性.

另外，有研究［6］表明，严重冲突与事故之间有着良好地相关性，能够较好地表征道路交通安全状况.TTC是描述前、后两车车头时距的参数，当车头时距较小时，冲突可能性增大；TTC能够表明实际道路的安全状态，适用于评价道路安全性.

因此，本研究采用车速标准差和TTC作为评价指标，用以分析高铁影响下的高速公路行车安全性.通过在仿真方案中设置断面检测器，获得车速数据与车头时距数据.

3 事故风险分析

杭金衢高速公路位于浙江省，全长290.5km.在诸暨市域，杭金衢高速公路与在建的杭长高铁线位接近，最近处仅21.8m.为了研究杭长高铁对于杭金衢高速公路驾驶人行车的影响，对杭金衢高速公路进行仿真建模分析.

在一天内的不同时段，高速公路流量差异显著.为了研究高速列车对于驾驶人的影响是否与流量有关，根据杭金衢高速公路的实际流量数据，对路侧无、有高铁影响两种情境下的低流量（600 pcu／h）、中流量（1200pcu／h）和高流量（2000 pcu／h），共计6种情况进行仿真分析.每种情境下选取3个断面设置检测器，用以采集速度信息与车头时距信息.仿真时间为7200s.

1）车速标准差

对仿真采集的速度数据进行整理，并进行标准差分析.分析结果如图2所示.

图2 车速标准差仿真结果Fig.2 Simulation results of speed standard deviation

从图2中可以看到，车速的波动性随着流量的升高而降低.不论在何种流量情况下，沪昆高铁的建成都将会造成杭金衢高速公路行车速度波动性、离散性的增大，使驾驶安全性降低.在高流量情况下，驾驶安全性的下降较为明显.

2）车头时距

在FOSIM仿真中，对仿真车辆通过检测器断面的时刻进行采集.考虑当车头时距小于4s时，车辆追尾风险显著增加，因此对车头时距小于4s的频率进行统计，统计结果如图3所示.

由分析结果可知，以TTC表征追尾风险时，追尾风险随着流量的增大而升高.而高铁的建成将造成追尾风险的显著提升，使驾驶安全性降低.在中流量情况下，追尾风险的提升尤为明显.

图3 车头时距频率统计结果（TTC＜4s）Fig.3 Statistical results of headway frequency（TTC＜4s

4 改善方案及效果评价

事故风险分析结果表明，当高速列车快速驶过时，邻近高速公路的驾驶安全性降低、事故风险明显提升；究其原因，在于高铁运行引发的复杂道路环境未能提前被驾驶人知晓，驾驶人对突然出现的信息没有充分的准备时间.

汽车行驶的安全性，取决于道路交通环境的复杂性，同时也取决于这种复杂性能否以“信息的形式客观地显示出来，并为驾驶人所感受.若驾驶人能及时、准确地获取前方道路信息，针对可能出现的状况预先做好心理准备，则可有效规避高铁运行带来的安全隐患.因此，在现有道路线形和设施状况下，限制车辆速度、提供道路信息和提高驾驶人注意力将能显著减轻由高速列车所引发的影响.针对交通需求，作者建议在并行段采取一些应对措施，以提高行车安全性.

4.1 限制车辆速度

限速的主要目的是通过降低驾驶人自由选择速度所引起的事故风险来提高安全性.首先，驾驶人在速度较高时视觉特征变差，获取信息能力变差，而限速可以有效限制过高车速；其次，限速可以降低车辆行驶速度之间的离散程度，降低车辆发生追尾等冲突的风险；再次，限速可以降低事故发生的严重程度.因此，对高速—高铁并行路段采用限速控制十分重要.

交通最高限速数值主要受交通量、安全距离路面附着系数和道路线形要素等微观因素的影响.在高速—高铁并行路段，由于高铁的影响导致驾驶人反应时间增长、或是引发驾驶人眩光，最终影响驾驶人的行车安全距离；因此从安全距离方面入手，计算高速－高铁并行段的限速数值.考虑行车安全距离约束较为常见的一种情况——前方是慢速行驶车辆.

图4 安全行驶条件示意Fig.4 Diagrammatic sketch of safe driving condition

前方车辆以较慢车速V0行驶时，安全行驶条件为：L1＋L2≤L＋L3.式中：L1为驾驶在识别前方车辆时间t1内行驶的距离（m），由后方车辆的行驶初速度（要计算的限速数值）和驾驶人总反应时间确定；L2为车辆制动时间t2内行驶的距离（m），由汽车初始速度、轮胎与路面的摩阻系数和路线纵坡坡度确定；L3为前方车辆在时间t1＋t2内行驶的距离（m），由前方车辆行驶速度决定（考虑到高速公路存在最低限速，取前方慢速行驶车辆速度为60km／h）；L为考虑夜间不利情况，并考虑眩光等影响，夜间能见距离取100m.

将L，L1，L2和L3的计算公式分别带入安全行驶条件不等式中，计算出高速—高铁并行段的夜间安全行驶车速为83km／h.建议限速80km／h，从而达到降低事故风险的目的.

4.2 提供道路信息

为满足驾驶人对全面信息的需求，引导驾驶人安全和顺畅行车，建议按照车辆在并行路段行驶的3个阶段——并行段前、并行段中和并行段后分别采取标志标线综合引导措施.

1）并行段前：引导驾驶人缓慢减速，提示前方有高铁区

段前500m：设置交通指示标志，提示前方状况，提醒驾驶人谨慎行车；

段前200m：设置限速标志，限速80km／h，提示驾驶人准备防范应变措施.

2）并行段：对驾驶人进行引导和警示

并行段道路环境较为复杂.若驾驶人对道路复杂性缺乏足够的感知能力，容易发生交通事故建议在并行段路侧设置警示标志和限速标志，并利用可变信息板发布路况信息；同时在路侧设置视线诱导标识，帮助驾驶人在夜间复杂环境下准确判断道路走向.

3）并行段后：结束限速

在路侧设置交通标志，提示驾驶人已驶出高铁并行区域，此处为限速结束点，并引导车辆缓慢加速至恢复原速度.

4.3 提高驾驶人注意力

在高铁引发的复杂道路环境中，驾驶人要面临眩光等各种信息，短暂的注意力分散就有可能导致事故的发生；驾驶人保持行车警惕性有助于提高反应速度，提高行车安全性.建议采取一些措施提高驾驶人注意力.

1）并行段前：路面设置限速标志与减速标线

段前500m：设置间隔布设式彩色减速标线利用标线的颜色刺激和振动刺激提高驾驶人注意力，并提醒驾驶人开始减速.

段前200m：在高速公路地面设置彩色限速标志，与路侧标志配合使用以加强效果.

2）并行段：设置彩色路面

在高速公路与高铁的距离最窄处设置红色的路面铺装薄层.彩色路面可以大幅降低刹车距离同时利用颜色和振动刺激警示驾驶人，以此降低并行段的事故风险.

4.4 效果评价

为了对本研究提出措施的效果进行验证，利用FOSIM对路侧有高铁影响但采取改善方案后的情境进行模拟，取低、中和高3种情况进行仿真.

仿真参数方面，在改善方案的影响下，驾驶人行车警惕性高、反应时间变短；汽车制动操作平稳、减速度变小；行驶速度降低导致空气阻力系数变低；本研究根据国内、外有关研究结果对这3个参数进行调整.路段限速值取80km／h，其余设置与之前相同.通过这4个参数的调整反映高铁、改善措施对于高速公路行车的影响.

对仿真结果进行整理，得到速度标准差和TTC（＜4s）频率见表4.

将改善后的仿真验证结果与改善前的仿真结果进行对比，车速标准差和车头时距频率分别如图5，6所示.

表4 改善措施效果验证Table 4 Results verification of improved measures

图5 车速标准差仿真结果对比Fig.5 Comparison of speed standard deviation

图6 车头时距频率结果对比（TTC＜4s）Fig.6 Comparison of headway frequency（TTC ＜4s）

通过对仿真结果的对比分析可知，以车速标准差做评价指标时，高铁建成将造成车速离散性的增大，而改善措施将会有效缓解这种影响；由于限速的作用，车速标准差甚至比无高铁影响时还低.以TTC表征追尾风险时，高铁建成将会引起追尾风险的提升，而改善方案将会显著降低这种风险.

5 结论

高速铁路的存在使得相邻高速公路的行车环境和驾驶人心理受到很大影响，进而影响到行车安全，对此开展事故风险分析很有意义.本研究以车速标准差和TTC作为评价指标，采用FOSIM建模对杭金衢高速公路进行仿真计算，有针对性地提出改善方案并进行评价.分析得到结论：

1）车速离散性随着流量的升高而降低，以TTC表征的追尾风险随着流量的升高而增大.

2）在附近有高铁运行的情况下，高速公路行车的车速离散性和追尾风险较无高铁情况有较大提高，行车安全性显著降低.

3）限制车辆速度、提供道路信息和提高驾驶人注意力等改善方案，将有效降低高速公路行车的车速离散性和追尾风险.

（References）：

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