基于模糊理论的高速公路避险车道断面宽度设计研究
2021-07-07程乾
程 乾
（山西交通建设中心 技术部，山西 太原 030006）
0 引言
我国高速公路部分路段事故频发，安全性能令人堪忧，大部分山区，高速公路存在着大量的隧道以及长大下坡，为高速公路部分路段安全造成了极大的威胁。根据统计可知，高速公路交通事故占据交通事故的60.6%，其死亡人数在交通事故中占比高达77.8%[1]。故如何保障高速公路交通安全成为我国重点研究课题之一。
避险车道的出现为保障高速公路交通安全提供了有效的手段。避险车道设置在公路路侧，不但可以使刹车失灵车辆分离出交通主线，防止其干扰主线车辆行驶，还可以通过重力减速度与滚动阻力等致使失控车辆减速停车[2]。若失控车辆不能及时进入避险车道，极有可能产生较为严重的交通事故，造成经济与生命的双重损失。目前，部分高速公路长大下坡路段设置了避险车道，取得了一定的经验与成果。但是我国避险车道研究仍然处于初级阶段，缺乏相关的规则与标准，在使用过程中，无法发挥避险车道的功效。例如，有些失控车辆进入避险车道后发生二次事故，依然会对驾驶员产生危害。针对高速公路避险车道断面宽度设计方法由于考虑因素不全，导致设计宽度无法达到高速公路安全水平，故提出基于模糊理论的高速公路避险车道断面宽度设计方法研究。
1 高速公路避险车道断面宽度设计研究
1.1 避险车道断面因素影响模型构建
高速公路避险车道断面主要由渐变段、引道与制动车道构成。避险车道断面影响因素较多，为了能够精准地设计高速公路避险车道断面宽度，构建避险车道断面因素影响模型[3]，对高速公路进行车辆自由流速度与环境条件变量的多元线性回归分析，方程式为
式中：V表示的是自由流车速；a、b、c、d、e、f、g与h表示的是回归系数；RAC表示的是公路线形等级；TRAF表示的是公路行政等级；SW表示的是路肩宽度；LU表示的是商业化程度；FRIC表示的是横向干扰；CW表示的是公路车道宽度；HW表示的是硬路肩宽度。
此研究针对高速公路进行研究，则公路线形等级RAC与公路行政等级TRAF对多元线性回归没有任何影响，故式（1）可以简化为
为了减少避险车道断面宽度设计计算量，采用数学优化软件ISTOPT对多元线性回归系数进行解算，步骤如下：
a）步骤一 将相关数据输入数学优化软件ISTOPT中，并设置函数形式、参数以及因变量等，执行断面影响模型回归分析。
b）步骤二 采用麦夸特法对相关参数进行优化计算，使回归模型判定系数约等于1，即结束优化程序，并输出多元线性回归系数。
将上述步骤结果代入式（2），获得避险车道断面因素影响模型为
1.2 避险车道断面宽度设计分析
依据上述构建的避险车道断面因素影响模型，分别对渐变段、引道与制动车道断面宽度设计进行详细分析[4]。
1.2.1 渐变段断面宽度
常规情况下，避险车道主要设置在直线路段、左转曲线路段、右转曲线路段以及辅助车道路段上[5]。而避险车道中渐变段断面宽度设计情况需要依据车道具体设置路段确定，渐变段断面宽度设计如下。
1.2.1.1 直线路段
若避险车道设置在直线路段上，断面设计由主线避险车道设计起点开始，利用线性渐变至数值为避险车道宽度位置。确定流出角与车道宽度后，渐变段距离长度即可进行计算。另外，为了保障失控车辆安全、顺利地行驶出主线，避险车道分岔段路面结构应该与主线路面结构保持一致[6]。
1.2.1.2 左转曲线路段
若避险车道设置在左转曲线路段上，车道起点采用圆曲线切线方向确定，通过计算主线圆曲线，即可确定渐变段长度。而渐变段断面以非线性形式渐变至数值为避险车道宽度位置，渐变段路面结构应该与主线右侧车道路面结构保持一致[7]。
1.2.1.3 右转曲线路段
若避险车道设置在右转曲线路段上，渐变段断面由圆曲线内侧逐渐过渡到车道引道宽度位置。确定流出角与车道宽度后，渐变段距离长度即可确定。渐变段长度必须保证失控车辆在横向位移过程中可以顺利、平稳地进行转向[8]。若避险车道设置在右转曲线路段上，其示意图如图1所示。
图1 避险车道示意图（单位：m）
1.2.1.4 辅助车道路段
辅助车道设置在渐变段起点之前，主线最外侧车道旁边，专供失控车辆使用，以便大型车辆在发生刹车失灵状况下，能够及时变道至辅助车道，从而顺利进入避险车道，既保障了正线车辆的有序行驶，也可以帮助失控车辆达到安全状态。考虑到避险车道的服务对象大多数是失控车辆，而失控车辆绝大部分为超重车辆，故渐变段宽度需要大于超重车辆的宽度[9]。
1.2.2 引道断面宽度
引道断面宽度设计主要分为两种，分别为引道到制动车道全宽过渡型与引道到制动车道断面宽度渐变型[10]。其中，引道到制动车道全宽过渡型如图2所示。
图2 引道到制动车道全宽过渡型（单位：m）
引道到制动车道断面宽度渐变型划分为两种，分别为设辅助车道与不设辅助车道[11]。引道到制动车道断面宽度渐变型如图3所示。
图3 引道到制动车道断面宽度渐变型（单位：m）
常规情况下，若主线避险车道设置位置右侧用地条件允许情况下，应该采用全宽形式设置引道宽度。此种形式引道左右宽度较大，可以有效降低驾驶员紧张的心理状态，有助于驾驶员全面观察避险车道，并作出相应的正确操作。
若主线避险车道设置位置用地条件受限，应该采用渐变过渡形式设置引道宽度[12]。此种形式会极大地节省用地面积，但相应会增加失控车辆驶入避险车道的难度，主要的原因为引道入口宽度较小，若失控车辆行驶速度较快，极有可能撞向公路设施或者冲出车道，造成车辆以及人员的伤亡。
1.2.3 制动车道断面宽度
《公路路线设计规范》中规定避险车道断面宽度应大于或者等于4.5 m，但实际断面宽度应该根据实际用地条件进行具体设置。
通过现有文献研究可知，侧向安全宽度与车辆类型、行驶速度、驾驶人员横向感知等因素相关。而制动车道与常规道路材料具有明显的差异，失控车辆进入服务车道后会发生侧翻，为了保证车辆不超出制动车道（未与护栏产生撞击），则需要将车辆左侧的侧向安全宽度考虑在内[13]。
通过回归分析获取失控车辆行驶速度与路肩外侧净距离之间的关系为
式中：WjT表示的是大型车辆的外侧净距离；VT表示的是大型失控车辆行驶速度。
左侧侧向安全宽度计算公式为
式中：x与y表示的是路面边缘与轮胎之间的安全距离；v表示的是失控车辆行驶速度。
假设避险车道制动车道左右两侧均设置路缘带，超重车辆宽度为2.5 m，路面边缘宽度为0.5 m，则制动车道宽度设计规则如表1所示。
表1 制动车道宽度设计规则表
制动车道数量也影响着其宽度设计，相关规则如表2所示。
表2 制动车道数量与宽度规则表
1.3 避险车道断面最佳宽度确定
以上述避险车道断面宽度设计分析结果为依据，基于模糊理论构造避险车道安全评估模型，利用构造模型最大化求取避险车道断面最佳宽度，实现高速公路避险车道断面宽度设计[14]。
基于避险车道安全评估模型确定避险车道断面最佳宽度步骤如下所示：
a）步骤一 确定避险车道安全评估指标，即渐变段、引道与制动车道断面宽度。
b）步骤二 构造评估指标权分配矩阵，如表3所示。
表3 评估指标权分配矩阵表
如表3所示，则评估指标权分配矩阵表示为
c）步骤三 将步骤二得到的评估指标权分配矩阵值输入到Matlab软件中，计算得到评估指标权重为
同时对式（7）结果进行一致性检验，得到检验结果为λmax=4.1009，CI=0.0336与CR=0.0378，充分表明评估指标权重满足赋权规范。
d）步骤四 确定评估集合为
式中：c1、c2、c3、c4、c5分别表示的是非常安全、较安全、基本安全、安全性差与不安全。
e）步骤五 避险车道断面宽度设计安全评估规则如表4所示。
表4 避险车道断面宽度设计安全评估规则表
依据表4规则对不同避险车道断面宽度进行评估，若评估结果为非常安全c1，模型输出数值即为避险车道断面最佳宽度[15]。
通过上述过程实现了高速公路避险车道断面宽度的设计，为高速公路失控车辆安全以及主线车辆有序行驶提供更加有效的保障。
2 实验结果与分析
为了验证提出方法的性能，采用proteus软件设计仿真实验，具体实验过程如下所示。
2.1 实验准备
选取G234高速公路段作为仿真实验对象，其地理位置如图4所示。
图4 实验对象地理位置图
实验对象技术指标如表5所示。
表5 实验对象技术指标表
2.2 实验结果分析
以实验准备情况为依据，进行高速公路避险车道断面宽度设计仿真实验。为了保障实验结果的准确性，在有辅助车道与无辅助车道两种环境下，分别进行实验，通过避险车道断面宽度设计安全评估结果反映提出方法性能，具体实验结果分析过程如下所示。
以失控车辆行驶速度为自变量，避险车道断面宽度为因变量。通过仿真实验得到避险车道断面宽度设计安全评估数据如表6所示。
表6 避险车道断面宽度设计安全评估数据表
如表6数据显示，无辅助车道环境下，避险车道断面宽度设计数值更大。两种环境下，避险车道断面宽度设计安全评估数据均在（90，100）范围内，安全等级为c1，充分说明提出高速公路避险车道断面设计方法具备可行性。
3 结语
提升高速公路避险车道断面宽度设计水平对保障高速公路安全至关重要，为此，将模糊理论引用至高速公路避险车道断面设计中。首先构建避险车道断面因素影响模型，再对将避险车道断面进行三段式划分，其次，对避险车道断面宽度设计情况进行细致分析，再利用模糊理论建构避险车道安全评估模型，以此实现对高速公路避险车道断面宽度的设计。仿真实验结果表明，所提方法的设计断面宽度安全评估等级均为c1等级，符合高速公路安全需求，可以为高速公路交通安全提供更加有效的手段支撑。但由于时间所限，尚未将更多因素考虑在内，在未来的研究过程中，将会着重对此方面进行研究，以期进一步提升高速公路交通安全水平。
