基于事故预测的山区高速公路长下坡安全评价

周维东,邬洪波,廖军洪

(1. 安徽省高速公路路政支队,安徽 合肥 230022；2. 交通运输部公路科学研究院,北京 100088)

基于事故预测的山区高速公路长下坡安全评价

周维东1,邬洪波2,廖军洪2

(1. 安徽省高速公路路政支队,安徽 合肥 230022；2. 交通运输部公路科学研究院,北京 100088)

在收集国内外相关资料的基础上,对影响山区高速公路长下坡安全性的线形因素进行了分析。通过对国内几条典型山区高速公路长下坡交通事故和线形数据的采集与分析,建立了长下坡路段交通事故预测模型,提出了基于事故预测的评价标准和评价流程,并将评价模型在某山区高速公路长下坡路段进行了应用。实例分析结果表明,该模型具有较好的适用性。

交通工程；高速公路；长下坡；事故预测；安全评价

近年来,随着我国西部地区交通基础设施建设速度的推进,山区高速公路的通车里程持续增长。山区高速公路越岭路段具有地势落差大、地形状况多变等特点,在进行道路纵断面设计时,为克服高差及控制工程规模,通常采取陡坡接缓坡的设计方式,即“台阶式”长下坡路段。据调查,对于许多已开通的山区高速公路连续长大下坡,重特大交通事故时有发生。通过对事故原因进行分析,主要有以下两个方面：① 小客车在长下坡路段超速行驶,车辆失控冲出路外；② 载重货车特别是超载车辆由于频繁使用制动,导致刹车失灵,与前方正常行驶的车辆发生追尾事故。对事故的深层次原因进行分析,线形设计的不合理性是诱发事故的重要因素[1]。因此,对于长下坡路段,有必要在设计阶段就线形指标及其组合进行安全评价,从而减少长大下坡路段的交通事故,并降低事故损失。目前,长下坡路段设计方案的安全评价,一般采用基于货车制动毂温度预测模型、运行速度、驾驶员心生理指标等间接的评价方法[2-4]。这些方法尽管考虑了道路线形和车辆参数的影响,但由于模型参数未与事故指标关联,评价结论往往与实际安全水平有一定的差异。基于此,笔者采集了国内典型的山区高速公路长大下坡路段的线形指标及交通事故数据,并进行相关性分析,建立了长下坡路段事故率与主要线形指标的关系模型。提出了基于事故预测的安全评价标准和评价流程,以对长下坡设计方案的安全性用事故指标进行直接评价,提高了评价结论的科学性和准确性。

1 长下坡安全影响因素分析

长下坡路段的安全性受纵坡坡度(G)、坡长(d)、平曲线半径(R)等线形因素的影响。

1.1 道路纵坡与安全性的影响

图1是德国交通事故率λ与纵坡坡度G的关系曲线[5]。由图1可见,当道路纵坡处于0%～2%范围时,下坡事故率与上坡事故率基本一致,且事故率较小；当道路纵坡处于2%～4%范围时,下坡事故率逐渐高出上坡事故率,下坡事故率的数值上升较快；当道路纵坡大于6%时,上坡事故率无明显变化,而下坡事故率迅速上升,以倍数速度增长。

图1 德国高速公路事故率与纵坡关系Fig.1 Relationships between the accident rate and longitudinal gradient in Germany

国内相关研究表明,道路纵坡与交通事故率之间的关系体现在数值上有一定差距,但曲线走向基本一致。

S.P. MIAOU[6]对美国犹他州的11 539个路段和6 680件单车冲出道路的事故数据进行分析,建立了两者之间的关系式,如式(1)：

(1)

对式(1)进行分析,当道路纵坡降低1%,交通事故率能减小约8.1%。

V. V. SILYANOV[7]分析了前苏联、德国和英国的道路交通事故数,建立了道路纵坡和事故率之间的关系,如式(2)：

N=0.265+0.105G+0.023G2

(2)

式中：G为道路纵坡坡度,%。

对式(2)进行分析,随着道路纵坡的增大,事故率也随之升高,且随着坡度的持续增长,道路交通事故率升高趋势越明显。

陈斌等[8]结合典型长下坡路段的交通事故数据,运用数理统计与回归分析方法,研究了交通事故与道路纵断面参数之间的关系。分析结果表明：在长下坡路段地点坡度为3%～4%时,事故率最高；事故率与事故发生地点前2 km以上路段平均纵坡呈显著的指数关系。

归纳起来,纵坡坡度对交通安全的影响主要表现在以下几个方面：① 坡度的不均匀变化,导致线形连续性差,随之车辆运行速度差值也较大,车辆制动频繁,易诱发刹车失灵等事故；② 车辆在长下坡路段受自身重力的影响产生顺坡方向的加速度,形成安全隐患；③ 车辆在长下坡路段的行驶速度较高,一旦遇到突发状况,往往来不及躲避或刹车,容易酿成追尾事故。

1.2 纵坡坡长与安全性的关系

纵坡坡长对交通安全的影响主要取决于纵坡坡度,加强或削弱坡度对安全的影响。一方面,长陡坡会导致车辆加速度的积累,车速逐渐加快从而导致事故发生。另一方面,纵坡过长易导致驾驶员出现错觉,比如驾驶员往往将长纵坡接缓下坡路段误认为上坡路段,从而加速行驶诱发交通事故。

法国SETRA关于长下坡的研究成果[9]将d·p值作为风险指数(d为长下坡累计坡长,m；p为长下坡平均纵坡坡度,%)。当d·p<130时,车辆在长下坡上不会发生过度风险；当d·p≥130且p≥3%时,随着d·p值的增加,长下坡事故率也随之增加；当p<3%时,无论d·p值多大,均不会发生交通事故。

在现行的JTG D20—2006《公路路线设计规范》[10]中,主要依据汽车的爬坡动力性能确定最大纵坡及坡长,很少考虑下坡路段的安全性。尽管设计方案中采用的纵坡坡度和坡长均符合标准规范,但通车后却容易发生交通事故,这种情况在长下坡路段尤为常见。纵坡长度过短,会使行车频繁颠簸,影响行车安全。当坡长过长时,车辆在下坡行驶中加速度导致速度持续增长,易诱发事故。

袁伟等[11]对事故率与地点坡度以及事故率与一定坡长的平均坡度进行了回归分析。结果表明,与地点坡度相比,事故率与一定坡长的平均坡度的相关关系更为密切。因此,在研究道路纵断面参数与交通事故之间的关系时,应当综合考虑道路纵坡和坡长参数。

山区高速公路长下坡路段交通事故统计也表明,长下坡路段后半段发生的事故在整个路段事故总数中占有相当高的比例,事故大多集中在路段中下部,而且随下坡里程的累积事故数呈递增趋势。

1.3 平曲线与安全性的关系

平曲线路段是山区高速公路长大下坡路段的事故多发段。车辆在长下坡路段行驶的速度通常较大,若长下坡伴有小半径曲线路段,车辆受到较大的离心力作用,驾驶员操纵车辆的难度加大。离心力与平曲线曲率相关性大,车辆在同一速度条件下,平曲线路段的曲率越大,则离心力越大。根据国内外相关研究[12-13],平曲线路段的曲率越大,道路交通事故率越大。特别是当平曲线路段曲率达到10以上时,事故率急剧增长。平曲线曲率与交通事故率之间的关系如表1。

表1 事故率与曲率的关系

2 长下坡路段事故预测模型

通过对典型山区高速公路长下坡路段的交通事故数据和线形指标进行调研分析,提取了事故率与地点坡度G、平均纵坡坡度P、累计坡长d和平曲线半径R等数据,以建立长下坡路段几何指标与事故率之间的定量关系模型。

2.1 单个指标与事故率的关系

长下坡路段事故率与地点坡度、累计坡长、平均纵坡和平曲线半径单个指标的关系如图2。

图2 长下坡路段事故率与影响因素的关系Fig.2 Relationships between accident rate and factors

由图2可知,事故率与平均坡度和平曲线半径的相关关系要强于事故率与地点坡度和累计坡长的相关关系。

进一步利用数理统计理论,分别建立了事故率λ与平均纵坡P和平曲线半径R的关系模型,如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

2.2 组合指标与事故率的关系

根据对单个指标与长下坡路段事故率关系分析可知,平曲线半径及平均纵坡对事故率有较高的影响。基于此,笔者进一步研究了平曲线半径和平均纵坡对长下坡路段事故率的综合影响,并且建立了相应的回归模型,如式(5)：

(R2=0.80)

(5)

式中：λ为预测点的事故率,次/百万车公里；P为从坡顶到预测点的平均纵坡,%；R为预测点所在的平曲线半径,m。

为分析上述模型的合理性,根据陕西某高速公路长下坡路段的数据对该模型进行了验证,结果如表2。

表2 事故预测模型验证结果

由表2可知,与实际事故率相比,预测结果的相对误差能控制在15%以内,这表明预测模型精度较高,可用于山区高速公路长下坡路段设计方案的安全评价。

3 基于事故预测的长下坡安全评价

3.1 评价思路

基于事故预测评价方法的基本思路是将长下坡路段划分为若干评价单元,每个评价单元具有确定的、唯一的平曲线半径和纵坡,把每一评价单元的中点作为该评价单元事故率的预测点,然后根据从坡顶到预测点的平均纵坡以及预测点所在的平曲线半径对评价单元的事故率进行预测,再利用预测结果对评价单元进行评价分析,借此找出设计方案中几何线形指标及其组合相对较差的路段。

3.2 评价标准

笔者调研分析了广东京珠北高速公路和山西太旧高速公路等具有典型山区高速公路特征的长大下坡路段的交通事故数据,并基于数理统计法建立了长下坡路段的安全评价标准。其基本思路为：首先确定在正常条件下事故发生的概率分布,以该概率分布作为安全评价的依据；然后检验路段事故发生次数是否在正常的概率范围内,若处于该范围,则判定其安全水平为中等,若高出范围上限,则判定其安全水平为差,若低于范围下限,则判定其安全水平为好。对于某一长大下坡路段,通常发生的事故次数近似服从正态分布,定义随机变量：

(6)

式中：λ1为路段预测事故率,次/百万车公里；λ2为路段平均事故率,次/百万车公里；σ为路段事故率标准差,次/百万车公里。

随机变量Z服从正态分布,取置信度为95%,则当Z>1.96时,表明路段安全水平为差；当Z<-1.96时,表明路段安全水平为好；当-1.96≤Z≤1.96时,表明路段安全水平为中等。

根据上述思路,笔者针对长下坡路段提出了基于事故预测的评价标准,如表3。

表3 基于事故预测的评价标准

3.3 评价流程

基于事故预测的长下坡路段安全评价流程可简单概括为如下4个步骤：

1)根据线形指标将长下坡路段分成若干评价单元；

2)通过事故预测模型对评价单元的事故率进行预测；

3)利用表3中的评价标准对评价单元的安全水平进行评价；

4)基于评价结果提出相应的安全完善建议。

3.4 评价实例

以某山区高速公路长下坡路段设计方案为例,该长下坡全长13.291 km,平均纵坡为2.404%。各评价单元坡长、纵坡及平曲线半径等相关信息如表4。

表4 长下坡路段各评价单元相关信息

由式(5)计算可得各评价单元的事故率,并对照表3给出的评价标准得到各评价单元的安全水平,结果见表5。

表5 各评价单元事故率及安全水平

由表5可以看出,在16个评价单元中,6个评价单元的安全水平为中,且基本位于长下坡路段中下部。由于纵坡的累积效应,长下坡路段坡中和坡底发生交通事故的概率明显高于坡顶,建议除尽可能降低长下坡路段中下部的纵坡坡度外,平曲线半径宜采用较大值,一般应不小于1 000 m。

4 结 语

受地形地貌、地质条件等自然环境因素的限制,我国一些山区高速公路不可避免地出现了长下坡路段。由于其特殊的道路环境条件,再加上重载货车和小型客车混行率较高,长下坡路段一旦发生交通事故后，事故严重程度高、社会负面影响大。基于事故预测的长下坡路段评价方法，重点利用长下坡路段预测点至坡顶的平均纵坡和平曲线半径,对预测点表征的评价单元的事故率进行预测。根据预测结果对评价单元进行分析,借此找出设计方案中几何线形指标及其组合相对较差的路段,并进行安全改善,以提高长下坡路段开通后的运营安全水平。该方法能合理地评价出长大下坡的危险路段,对提高山区高速公路长大下坡路段的安全水平具有重要借鉴意义。

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Safety Assessment for Long Downgrade of Expressway in Mountainous Area by Method of Accident-prediction

ZHOU Weidong1,WU Hongbo2,LIAO Junhong2

(1. Road Administration Detachment of Anhui Expressway, Hefei 230022, Anhui,P.R.China ； 2. Research Institute of Highway of the Ministry of Transport,Beijing 100088,P.R.China)

Based on collection of relevant materials domestic and abroad, alignment factors affecting the safety performance of long downgrade of expressway in mountainous area were analyzed. The traffic accident prediction model for long downgrade was developed by collecting and analyzing traffic accident and alignment data from several typical expressways in domestic mountainous area. The assessment standard and procedure based on accident prediction was proposed and applied in practice. The case analysis results show the good applicability of this given model.

traffic engineering；expressway；long downgrade；accident prediction；safety assessment

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.22

2015-06-18；

2015-09-23

周维东(1968—)，男，安徽合肥人，工程师，硕士，主要从事高速公路路政管理方面的研究。E-mail:330653341@qq.com。

U491.5

A

1674-0696(2016)05-110-05