高速公路路基宽度变化段线形设计指标优化研究

吴 佳 华

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

高速公路路基宽度变化段线形设计指标优化研究

吴 佳 华

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

为了降低高速公路路基宽度变化段的行车风险，从驾驶员视觉、驾驶行为和车辆行驶状态等角度构建了安全性评价模型，并通过驾驶模拟实验数据分析，对高速公路路基宽度变化段的线形设计指标进行了优化。

路基宽度，变化段，模拟驾驶，线形设计

0 引言

高速公路路基宽度变化段一般设置在沿线地形变化较大的地区，由于路基宽度的变化特别是路基宽度变窄，直接从道路平面线形上给驾驶员的感知、决策和操作带来不利的影响[1]。因此，如何有效地对这些变化段的交通安全进行针对性的安全保障就成为交通安全研究的新方向。

发达国家针对公路横断面几何要素与交通安全的研究已经形成了比较成熟的理论和评价体系。Hauer曾就车道宽度对安全影响规律的研究成果进行了系统的总结，研究表明，3.35 m～3.66 m之间的车道宽度安全水平较高，当车道再加宽时，安全水平反而降低[2]。Zegeer等人对低交通流(低于2 000辆/d)乡村道路的车道、路肩宽度对事故的影响做了统计分析和研究，结果表明，从安全角度考虑，可以接受的车道最窄宽度为2.7 m[3，4]；Hadi等人利用负二项式回归方法对改进道路横断面以减少交通事故的问题作了研究，结果表明，增加车道、中间带、内侧路肩、外侧路肩宽度都有助于提高安全性[5]。国内相关的研究起步较晚，现有规范针对路基宽度变化段的设计很缺乏，尚没有一套完整的安全保障体系。

本文从驾驶员视觉、驾驶行为和车辆行驶状态等角度构建安全性评价模型，通过驾驶模拟实验数据分析，对高速公路路基宽度变化段的线形设计指标进行了优化，以期降低高速公路路基宽度变化段的行车风险。

1 路基宽度变化段驾驶模拟实验研究

1.1 实验主要仪器及场景构建

实验采用同济大学法国模拟设计软件Virtools TM4.0作为模拟驾驶研究平台，并使用瑞典Smart Eye非侵入式眼动仪对驾驶人的视觉信息进行采集分析。

构建的实验路段路基宽度在曲线段处由平原微丘区24.5 m过渡至山岭重丘区21.5 m，曲线段的缓和曲线长85 m，曲线方向转角20°00′00″，行车道宽度由3.75 m变为3.5 m，右侧硬路肩宽度由2.5 m变为1.5 m。

1.2 被试人员

实验选取10位驾驶员，男性8名，女性2名，年龄在20岁～30岁之间，驾龄在2年以上，其中6人有过模拟器驾驶经验。

1.3 实验方案设计

选用高速公路路基宽度变化段的曲线半径、宽度渐变率以及设置位置作为影响因素。把各因素视为相互独立的实验因素，进行3因素3水平的正交实验方案设计，见表1。

表1 因素水平表

2 路基宽度变化段行车安全性模糊评价模型

2.1 评价指标体系的构建

为了简化系统模型，突出主要因素，将对行车安全影响较小的因素从模型中忽略，对变化段的行车安全性进行多层次分析，得到评价指标体系如图1所示。

2.2 评价指标的权重和隶属度

采用系统工程学两两比较法来确定影响高速公路路基宽度变化段交通安全各因素的权重，再根据建立的评价指标体系，采用1～9标度法进行每两元素间的相对比较[6]，构造判断矩阵进行计算，求出判断矩阵的最大特征根λmax，并找出它所对应的特征向量W，即为同一层各影响因素相对于上一层因素的相对重要性的排序权重，然后进行一致性检验。

单因素评价矩阵Ri=(ri1，ri2，…，rim)(i=1，2，…，n)是根据指标因素Ui对目标层的隶属度来确定的，因此还应确定各指标因素Ui的隶属度μi。

2.3 多级模糊综合评价模型

分层次的多级模糊综合评判的基本思想是：先按最低层次的各个因素进行综合评判，然后再按上一层次的各个因素进行综合评判，逐层向上进行，直到最后的一个层次(最高层)，得出最后的综合评判结果。

设被评价事物因素集为U={u1，u2，u3，…，um}，决策评价集为V={v1，v2，v3，…，vn}，则m个评价因素的评价集就构成了总的评价矩阵。实质上，R是U与V之间的模糊关系，即R:U×V→[0，1]。

(1)

当模糊评价矩阵R与A已知时，就可利用模糊变换原理进行综合评价，得到最后的综合评价值:

B=W·R=(b1，b2，…，bn)

(2)

为了简练数据处理的过程，本文采用最大隶属度法作为结果评价的方法，即按照最大隶属原则选择最大的bj所对应的判断元素vj作为综合评判的结果。

3 路基变化段设计指标优化实验数据分析

3.1 实验样本数据预处理

对实验数据进行预处理，归类成指标体系数据。表2为样本1预处理后的实验数据。

表2 样本1实验数据汇总表

3.2 数据分析

9组实验的模糊评价结果计算结束后，对实验数据进行方差分析和配对比较，研究高速公路路基宽度变化段设计指标的影响程度及其最优组合。

从表3可以看到，路基宽度变化段的曲线半径和宽度渐变率的P<0.05，说明F检验是显著的，即这两个指标对于路基宽度变化段行车安全性模糊评价值具有显著影响。从P值的大小还可以看出，曲线半径对于路基宽度变化段行车安全性模糊评价值有较大影响，其次是宽度渐变率，而设置位置的影响不大。

表3 方差分析表

3.2.1 曲线半径R

从表4，表5可以看到，当R=1 700 m时，评价值的均值最大(0.848)，而且R=1 700 m与R=1 400 m有显著差异(P=0.000<0.05)，与R=2 200 m无显著差异(P=0.056>0.05)。

数据分析表明，高速公路路基宽度变化段宜设置在道路的曲线段，变化段的行车安全评价指标随着曲线半径的增大而提高，当曲线半径增加到1 700 m左右，路段的行车安全评价指标达到阈值。因此，对于高速公路的新建以及改扩建，路基宽度变化段的曲线半径在有条件的情况下宜取1 700 m，困难地区也不宜低于1 000 m。

表4 曲线半径单因素统计量表

表5 曲线半径配对比较表

3.2.2 宽度渐变率

从表6,表7可以看到，当宽度渐变率等于1∶70时，评价值的均值最大(0.818)，而且宽度渐变率等于1∶70与宽度渐变率等于1∶30有显著差异(P=0.002<0.05)，与宽度渐变率等于1∶50无显著差异(P=0.289>0.05)。

表6 宽度渐变率单因素统计量表

表7 宽度渐变率配对比较表

数据分析表明，高速公路路基宽度变化段的行车安全评价指标随着宽度渐变率的增大而提高，当宽度渐变率取1∶50左右，路段的行车安全评价指标达到阈值，宽度渐变率取1∶50和取1∶70在统计学上无显著差异。宽度渐变率取1∶30，从统计学意义上看，路段的行车安全评价指标是大幅降低的。结合JTD—D20—2006公路路线设计规范，建议高速公路路基宽度变化段的宽度渐变率宜设置取1∶50左右，而且不应大于1∶50。

3.2.3 设置位置

从表8,表9可以看到，当变化段设置在曲线中部时，评价值的均值最大(0.811)，但与变化段设置在曲线前部无显著差异(P=0.868>0.05)，与变化段设置在曲线尾部无显著差异(P=0.828>0.05)。

数据分析表明，曲线的设置位置在统计学意义上对于高速公路路基宽度变化段的行车安全评价指标无显著性差异，从道路设计和工程实施的难易度考虑，变化段宜设置在曲线路段的回旋线范围内。

表8 设置位置单因素统计量表

表9 设置位置配对比较表

4 结语

高速公路路基宽度变化路段属于道路环境信息发生突变的特殊路段，从平面线形上给驾驶员的感知、决策和操作带来不利的影响。因此，变化段道路线形的曲线半径、变化段宽度渐变率及变化段长度等设计指标需要精心的选取和优化组合设计。

高速公路路基宽度变化段设计指标优化实验的结果表明，曲线半径对于路基宽度变化段行车安全性影响显著，从行车安全考虑，应取1 700 m左右的曲线半径值；宽度渐变率对于路基宽度变化段行车安全性影响显著，从行车安全以及经济性考虑，宽度渐变率应设置1∶50左右；设置位置从方便施工的角度考虑应设置在曲线段的回旋线范围内。此外，在有条件的情况下应优先优化变化段标志标线的设计。

[1] 郭应时,付 锐,袁 伟,等.通道宽度对驾驶员动态视觉和操作行为的影响[J].中国公路学报，2006，19(5)：83-87.

[2] 张铁军，唐琤琤，吴玲涛，等.平原区公路横断面要素安全性研究[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,高丽敏,余 强,等.驾驶员道路安全感受模糊评判模型[J].交通运输工程学报，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

吴佳华(1987- )，女，硕士，助理工程师

1009-6825(2015)22-0150-03

U416.1

A