道路线形设计中安全问题研究综述.docx
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道路线形设计中安全问题研究综述
道路线形设计中安全问题
研究综述
湖南大学土木工程学院
2018-09-24
2.2.3弯道个数与安全…………………………………………………………
4.1.3行车道宽度……………………………………………………………
4.3平曲线加宽与安全
4.4平曲线加宽与安全
插图索引
图3.1故次数与坡长的关系………………………………………………………………..
附表索引
1.绪论
交通运输是联系国民经济发展各部门的纽带，是促进经济发展的基础条件。
近十多年来随着我国经济的高速发展，交通运输在经济发展中的促进作用越来越突出，特别是公路建设的飞速发展，对于保障我国经济的快速、健康发展起到了重要的作用。
但随着我国公路里程的不断增长，我国的公路交通安全形势日趋严重，交通事故死亡率的绝对数近几年来高居世界第一。
如何解决国内日趋严重的公路交通安全问题，已引起有关国内外专家的高度重视并取得了一定的研究成果。
因此，科学地分析公路事故频发的诱因，展开以减少交通事故或降低交通事故的受害程度为目标的交通安全研究迫在眉睫。
.1.背景及目的
道路交通安全是一个世界性的问题，自地球上诞生汽车以来，人类即面临着交通事故的威胁。
据有关资料报告，在汽车发展的100多年历史中，全球死于道路交通事故的人数已达三千多万。
而对于汽车数量正在飞速增长的中国，道路安全问题更是摆在我们面前的一大难题。
据北京市公安局公安交通管理局高级工程师翟忠民透露，多年来中国每年因交通事故死亡人数均超过10万人，居世界第一。
中国的道路交通安全形势非常严峻，统计数据表明，每5分钟就有一人丧身车轮，每1分钟都会有一人因为交通事故而伤残。
每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元。
。
虽然导致交通事故发生的主要原因可归结为不按规定让行、纵向间距不够、措施不当、疏忽大意、超速行车等五大违章行为．但道路条件与交通安全的关系却也是密不可分的。
正如交通理论权威专家郝塔教授认为的：
不管各方面的意见如何．只是驾驶员一方面的错误，决不会引起最严重后果的事故事故的主要部分往往是不安全与危险的道路条件引起的。
道路交通是以“人、车、路和交通环境”四个基本要素组成的庞大体系。
交通事故产生的原因也是多方面的，包括道路环境、交通条件、车辆状态以及驾驶员特性等。
各种主客观因素的交错影响最后综合作用于驾驶员身上，使驾驶员的心理受到冲击，操作反应不及时或被迫做出错误判断而引发交通事故。
因此本文主要从道路线形设计的角度出发，讨论道路的交通安全问题，以及提出一些注意事项及较为可行的解决措施。
.2.国内外研究状况
在国内目前研究道路线形对道路安全的影响的方法主要分为两大类：
事后型和事前型。
事后型主要针对建成通车的道路进行安全考察．累积统计一定时段内发生的事故数据，鉴定事故多发点，挖掘事故发生的原因，采取相应的改善和整治措施。
事前型是从道路的规划，设计和建设时期开始对道路的交通安全特性进行研究，防患于未然，不是简单的根据事故累积数据来确定安全水平，而是从深层次的安全机理方面找原因．属于事前预测型。
“事前性”在目前的安全研究领域已经逐渐被认可并得到重视，成为一种切实可行的、有效的研究方法。
在国外，欧、美、日等国家的汽车工业和道路建设发展迅速．开展道路安全研究的工作也较早，其研究主要集中在以下几个方面：
（1）道路线形几何因素与交通安全
德国的RalfRoos教授采用计算机可视化技术，对道路空间线形进行优化设计，以提高道路设计的安全性。
Roos教授所在的大学（TechnicalUniversityofKarlsruhe）开发了一套可视化设计软件，设计者可以从驾驶员的视点观察道路景观，报据视觉规则可以定量地评价道路几何线形设计的好坏，这使得计者能够及时发现设计中驾驶员视距不足的安全隐患。
．
YasserHassan和SaidEasa利用计算机动画技术。
研究了道路平纵线形组合对驾驶员视觉的影响。
研究发现：
当平曲线与凸型竖曲线组合时，驾驶员会判断失误，认为平曲线半径比实际小相反，当平曲线与凹型竖曲线组合时，驾驶员则认为半径比实际大。
美国的AndrewYogi和JoeBared对Minnesota和Washillgton的双车道公路事故、线形、路侧环境进行了统计和分析，建立了双车道公路事故预测模型．该模型不仅考虑了空间线形对道路安全的影响，而且把路侧环境因素（危险度）引入模型中．对道路的设计和改建具有较大的指导意义。
但该模型只是针对双车道的公路．对空间线形组合产生的叠加效应考虑不足，需要进一步的修正和验证。
（2）运行车速与交通安全
由于车速与道路交通安全有着比较密切的关系．因此，不少学者把运行车速作为研究道路安全的一个重要指标。
澳大利亚通过研究建立了运行车速预测模型：
（1.1）
式中：
v——车辆运行速度：
r—平曲线半径；a，b—回归系数；
Fambr博士（1997年）对42个竖曲线车速数据进行了分析，建立了竖曲线的车速模型：
（1.2）
英国学者A.umya开发了适用于欧洲的速度与事故模型-EURO模型。
研究表明交通事故率与超速行驶有着必然的联系．EURO模型如下：
（1-3）
式中：
l—年平均事故率；v——平均运行车速，km/h；△v—速度梯度，km/h
美国、瑞士和澳大利亚等国家将相邻路段问运行车速差△V作为评价道路安全性的指标。
当两相邻路段运行车速差△v小于10km/h时，道路几何线形设计为优。
当两相邻路段运行车速差△V在10-20km／h之间时，线形设计为“一般”；当两相邻路段运行车速差△V超过20km／h时，线形设计为“差’。
其目的为在同一设计路段内，保证驾驶员能够连贯地驾驶行车，避免或最大限度地减少由于意外情况或判断失误造成交通事故的发生，从而提高行车的稳定性和安全性。
（3）交通冲突与交通安全
交通冲突技术（Time-To-Collision，简称TTC）是国际交通安全领域中新近开发出的一种非事故统计评价理论方法。
经过西方各国交通安全专家们的多年努力，现己趋于成熟完善。
TTC指两辆汽车若保持目前的速度和运动轨迹时，距离事故发生的时间，可以在短时间内观测获取大量交通冲突样本，从而实现已有道路设施的安全现状客观的评价与预测的目的。
VanderHorst根据冲突时间（TTC）的长短划分冲突的严重性，例如当TTC<1.5s时，交通冲突为严重冲突。
通过一定周期的观测，结合己有的事故统计资料，对事故数、交通冲突数和冲突严重程度进行回归分析，从而评价全无控制交叉口、信号控制交叉口、环形交叉口的安全状况，并从减少冲突的角度出发，提出安全改进措施，最后运用前后分析法（Before-AfterStudy）对改善措施的有效性进行评价，评价的标准仍为冲突数和冲突的严重程度．
瑞典Lurid大学VanderHorst等学者把冲突技术程序化，从冲突的评价标准，观测方法、评价方法等方面，建立了瑞典冲突技术（SwedishTrafficConflictTechnique），广泛地应用于实际道路交通安全改造。
（4）道路安全审计
较早的安全审计的概念产生于八十年代的英国．1987年，英国政府制订了力争在2000年将交通事故伤亡数降低三分之一的发展战略，为达到这一日标．有关安全检查的理论研究、方法探索、立法程序等都相继开展起来。
翌年，《GuidelinesfortheSafetyAuditofHighways》（公路安全审计指南）闷世，安全审计有了系统的体系、方法与程序的支持．从1991年4月起，安全审计成为英国全境主干道、高速公路建设必须进行的程序，从而将安全审计的功能与作用在立法层次上得以确认，使英国成为安全审计重要的发起与发展国。
澳大利亚、新西兰都是启动工程项目安全审计程序时间较早、发展较成熟的国家。
澳大利亚的许多州在不同层次上开展了安全审计工作，国家交通机构Austroads已成立了一个专门的组织．致力于制订国家的安全审计指南嘲．
在新西兰，国家道路与公共交通机构TransitNewZealand已经认可了安全审计的作用，并于1992年进行了多次实验性的项目安全审计，已取得技术和经验方面的积累。
1993年，有20％的州级公路项目被要求必须进行安全审计。
美国提出正式的安全审计的名词不算早，但相关的工作先前已在进行，包括危险区段的识别与改造，各种交通设施的安全性能等。
这些工作提高了安全审计思想的受重视程度。
在国家级（HighwaySafetyProgramGuidelines}（公路安全系统指南）中非常强调安全管理系统的重要作用．美国权威的学术机构ITE指出，为达到安全管理系统预期的作用，国家机构应将安全审计引入到安全管理系统中。
在美国ITEJournal在美国ITETechnicalCouncilCommittee4s-7所作报告《RoadSafetyAudit：
．ANewToolforAccidentPrevention）（道路安全审核：
事故预防的新手段，ITEJournalFeb．1995）中，将RoadSafetyAudit定义为：
安全审核是对已有、或拟建的道路建设项目、交通工程项目及其它任何将与用路者发生相互影响的工程的项目方案所进行的正式的安全性能测试。
在该测试中，将由一组独立的、训练有素的安全专家对工程项目的规划、设计方案中的事故隐患作出
鉴别，并评估项目方案的安全特性，从而修正方案中的安全瑕疵，或推荐具有较佳安全性能的项目方案。
（5）计算机辅助安全设计程序
IHSDM系统介绍：
在计算机辅助进行道路安全设计程序的开发中，国外最具代表性的就是名为InteractiveHighwaySafetyDesignModel的程序。
中文名称为。
交互式公路安全设计模型”（简称为IHSDM），由FHWA研究开发。
这是一个集成化的应用软件包，在CAD环境中，辅助道路规划者与设计者评估道路几何设计方案所体现出的安全性能。
IHSDM的目标是提供一个方法工具，可以对比不同道路设计方案的安全性能，使设计者在一条道路的设计阶段即能够侦测到设计方案中的潜在安全隐患，进而制订措施，使道路几何设计要素的安全效益与设施成本比得以改善，达到优化道路设计方案安全性能的目标。
IHSDM的结构如图所示：
图1.1IHSDM模型
该模型由六个分模块构成，每个模块完成不同的功能．：
事故分析模块：
该模块中共有三个模型，模型l统计路线区段上的事故数目与严重程度指标，并加以分析处理．模型2针对道路方案的路侧设计，进行安全效益与消耗成本的对比分析．模型3是一个专家系统，进行交叉口的安全性能分析，勘定路线几何设计中的安全缺陷，并针对特定的安全缺陷提供改进措施。
人，车辆模块：
由一个用路者驾驶行为模型，以及与之相链接的车辆动态模型共同构成。
IHSDM的使用者可以通过这两个模型去模拟在特定的道路条件下，某种类型驾车者，驾驶某类型车辆的行驶状态变化规律，从中对道路条件进行评估，判断道路要素是否存在可以导致车辆失控的设计缺陷。
交通流分析模块：
以道路项目的预测交通量（道路改建工程则用统计交通量）为基准指标，利用现有的交通流微观仿真模型．模拟在道路设计方案所表征的交通环境下，交通流的运营状况，据此评估设计方案的安全性能。
政策法规模块：
政策法规模型中集成了各级政府有关的交通政策、法规、通令，地方性行政措施等信息库，职能是对道路设计方案进行上述各方面的评估，确认设计方案中是否包含有悖于政策法规的内容，并且帮助设计者进一步确认其中有关安全性能方面的内容。
以便有针对性进行改造，使设计方案与政策法规相适应。
设计一致性模块：
是一个度量道路线形设计整体协调性的模型。
设计一致性，解释为道路实际特征与驾车者的期望特性相一致。
当实际出现的道路特征与驾车者的期望特征有偏差时，驾车人就可能会犯错误．驾车者的期望是有惯性的，所以道路设计特征也应有可期望的惯性特征。
交叉口模块：
这一子模型建立在前文提及的政策评价模型基础之上。
综合考虑交叉口的各个元素（例如：
交叉口视距，交叉口转角，转角半径等）对道路道路安全性能的影响。
该系统的功能，集中体现在辅助规划，设计者改进、提高规划／设计方案的潜在安全性能，因而体现了安全设计的精神，是安全设计理论的一个具体实施体系，为安全设计的开发与发展提供了方法论与实施框架。
.3.主要内容及结构
本论文从道路线形设计的角度出发研究道路平、纵、横等设计中的各个因素对于公路交通安全的影响，分析和鉴别对道路使用者有安全影响，或者存在事故潜在隐患的各种因素，希望能进一步强化在道路线形设计阶段就应该考虑安全因素，而不是只追求技术上的合理，使得道路从设计施工到管理运营的整个过程，不仅技术经济合理，而且在道路投入使用后能取得比较高的整体社会效益。
同时，对于交通管理部门整合交通安全资源提供理论上的支持，能够为道路规划、设计、评审、道路安全审计方面提供参考；能够为交通管理部门、道路的运营管理等的工作提供一些可借鉴的思路和方法。
主要内容概括如下：
1、从道路平面设计角度出发考虑存在的安全问题
2、从道路纵断面设计的角度出发考虑存在的安全问题
3、从道路横断面设计的角度出发考虑存在的安全问题
4、从道路视距的角度出发考虑存在的安全问题
5、从道路的线形角度出发考虑存在的安全问题
2.平面设计中的安全问题
道路平面线形即道路中心线在水平面上的投影，在级别较低、行车速度要求不很高的道路上，一般是由直线和圆曲线两部分组成，对于车速要求较高的道路，为了使车辆从直线段上徐缓均匀地驶向圆曲线上，在直线段和圆曲线之间就需要插入一段缓和曲线，后者与前者相比，行车更为平顺安全。
道路平面线形主要有4种类型，即：
长直线——短曲线；长直线——长曲线；短直线——长曲线；连续曲线。
其中由直线和大半径曲线（包括缓和曲线）或连续曲线所组成者，从交通安全、畅通、舒适和美观等方面来看，是一种较为理想的平面线形。
近年来，这种线形采用得越来越多，尤其是在高速公路上采用得更多。
平面线形包括曲线半径、弯道个数、长直线和缓和曲线。
下面分别从这几方面分析对交通安全的影响。
2.1直线线形与安全
直线是道路设计中最常见的线型，其前进方向明确，里程最短。
一般来说，直线过长或过短都会使交通事故率偏高。
2.1.1长直线的安全问题
长直线具有视野开阔、超车视距大等优点，但在这种路段,驾驶员对迎面而来的车辆距离和速度的估计比较困难,而且线形笔直单调,容易引起驾驶员精神松弛和心理疲劳,从而反应迟缓。
据国外资料介绍，驾驶员在直线上正常行驶超过70秒钟后就会感到单调。
如果不需要超车，试验表明4.8km（即在时速97km/h下行驶3min的路程）的直线就会使驾驶员感到烦躁；另一方面容易超速。
在高速行驶时，驾驶员的动视力会下降。
一般来说，动视力比静视力低10％～20％，特殊情况下比静视力低3O％～4O％。
同时，随着行车速度的加大，有效视野范围会变窄。
再者夜间行车与对向来车产生眩光等原因都会影响行车安全,使事故增多。
因此,从人的因素考虑,在设计中应避免过多过长的直线。
下面是行驶速度与视野的关系。
表1.行驶速度与视野的关系
汽车行驶速度（km/h）
40
60
70
75
80
100
110
视野范围（m）
100
75
70
65
60
40
30
对长直线的长度有的专家提出以20V（单位以m计,设计车速V单位为km/h）加以限制,目前也基本上以此为标准进行设计,长度为20V即允许驾驶员以设计车速不转动方向盘单调行车72S。
但经抽样调查测试驾驶员一般单调行车40~50S以上,驾驶员即可能产生疏忽大意,如：
与同车人谈话、抽烟等。
我们取50S计算行程约14V,显然20V的限制长度偏大,是否修改目前的技术标准值得商榷。
当然还应从驾驶员行车视觉心理.环境特征,大脑处理信息的过程及各种长度的相对事故率来验证其合理性。
不过根据有些学者研究结果，设计时速为100km/h时，直线长度的上限应控制在1500m～2000m；超过1500m,直线段上潜在的事故危险程度开始增大；超过2000m时,危险性将快速上升；直线长度超过3000m时,发生事故的概率随着直线长度的增大，将以远超过线性规律的速度提高，其变化趋势如图
图2.1潜在事故与直线长度关系
笔者设想如果可以准确统计出潜在事故概率与直线长度的统计关系，就可以拟合出一个函数关系式，由于潜在事故概率与公路等级、交通量，设计交通量等因素相关，所以我们评估出潜在事故概率对该等级公路的影响程度，就可以根据需要制定出不同的潜在事故概率值上限从而确定不同路段直线的最大长度，从而可以形成一个比较规范的行业要求。
2.1.2短直线的安全问题
直线的长度也不宜过短，最小直线长度是基于保证线形连续性考虑的，能通视的同向或反向曲线之间如果直线过短，对同向曲线会看成反向弯曲；对于反向曲线如果半径不是足够大，除会造成行车转向不骗外，线性看起来不柔和。
我国《公路路线设计规范》（2003年送审稿）规定，曲线间设计直线段时，其最小长度：
当设计速度大于或等于60km/h时，同向曲线间的最小长度以不小于设计速度的6倍为宜；反向曲线间的最小长度以不小于设计速度的2倍为宜。
而当设计速度小于或等于40km/h时，可参照上述执行。
但是很多国家没有这样的规定，所以对于具体情况要灵活处理。
下面一个实例
图2.2短直线长度实例
2.2平曲线的安全问题
平曲线是一种比较简单和常用的线形。
它可以调整路线前进的方向．以适应地形、地物的变化，从而与直线形成一条连续、顺适的道路。
但是．我们知道，在道路平曲线上运动．也就是汽车在弯道上行驶，要受到离心力的作用．由物理学得知．弯道离心力的大小又会受到弯道半径和汽车本身速度的影响。
如果汽车速度很快，驾驶员偶尔疏忽以至来不及及时转动方向盘，行驶的车辆就有可能发生危险。
再则，车辆在曲线上行驶时，由于前方视距缩短的影响，不便于发现前方的情况，尤其是在夜间行车，因灯光照射不是顺着曲线的，更难发现前方的情况，增加了发生事故的潜在危险。
2.2.1平曲线半径与安全
统计，有10％～20％的交通事故发生在平曲线上，而且半径越小的曲线路段上，发生的交通事故也越多，即曲率愈大，事故率愈高，尤其是曲率大于10度以上，事故率急剧增加。
《公路项目安全性评价指南》综合分析几条高速公路事故率与平曲线半径的关系得出，当平曲线半径低于1500m时，曲线半径越小，事故率越高。
特别是当半径<600m时，事故率几乎是同类几何线形元素和全路事故率的1．5倍，当半径<400m时，事故率大约是其事故率的2倍。
下表是英国学者格兰维尔通过试验调查研究的道路平曲线的曲率与道路交通事故率的关系
表2曲率与交通事故率关系统计表
由车辆行驶理论可知，车辆行驶的横向稳定性先于纵向稳定性，因此平曲线半径值的确定是依据车辆行驶的横向稳定性而定，其最小值按车辆在弯道行驶时所产生的离心力等横向力，不超过由轮胎与路面间的摩擦力所能承受的程度为限，并考虑乘车人员是否舒适，经计算确定的。
平曲线半径过小会导致侧滑，发生危险。
在道路设计时，半径值不能小于极限最小半径，且应尽量采用大半径曲线，但最大半径不宜超过10000m.
2.2.2缓和曲线与安全
缓和曲线是指在直线和曲线或不同半径的大曲线和小曲线之间的渐变曲线,它是一段曲率逐渐变化的曲线。
缓和曲线的主要作用有：
车辆从一曲线过渡到另一曲线的行驶过程中,缓和曲线使离心加速度逐渐变化,从而缓和人体感受到的离心加速度的急剧变化；缓和曲线通过其曲率的逐渐变化,可适应车辆转向操作行驶轨迹及路线顺畅,达到视线平顺、视觉协调,驾驶员易于操作；作为超高变化的过渡段。
缓和曲线的设计应注意有足够的长度和合理的形式。
目前,我国公路中采用回旋线居多，回旋线是曲率随着曲线长度成比例变化的曲线，这一性质正好与驾驶员匀速转动方向盘,与车辆以一定的速度由直线驶入圆曲线,由圆曲线驶入直线或由一曲线驶入另一曲线的轨迹相符。
这就是采用回旋线作为缓和曲线的依据。
缓和曲线长度L（m）应满足下式:
（2.1）
式中为v行车速度,km/h;t为最短行程时间,s。
同时,根据回旋线设计原理,下式成立：
（2.2）
式中C为回旋线参数,表示缓和曲线曲率变化的缓急程度,r为缓和曲线任意点的曲率半径，l为由缓和曲线起点到任意点的弧长，
为回旋线型的缓和曲线长度,R为缓和曲线所连接的圆曲线半径。
由此可知,当参数C较大时,缓和曲线曲率变化比较缓,驾驶员容易感到线形的连续,觉得道路间线形变化柔和,过渡自然,易于操作。
反之,C较小时,不易于驾驶员操作,甚至酿成事故。
因此,设计时应尽可能让参数C取较大值。
研究资料表明,在高速公路上,当平曲线半径小于4000m时,直线段与曲线段之间应设回旋形缓和曲线，其所需长度L由以下公式得出
（2.3）
2.2.3弯道个数与安全
弯道是线形的重要组成部分，没有弯道的过长直线是不可取的，但太多的弯道个数会造成环境复杂，强迫驾驶员多而快地接受信息（驾驶操作困难，有时候措施不及或稍有疏忽便发生交通事故。
因此，必须控制平面线形中的弯道个数。
下图是重庆市几条主干道的交通事故率（次/亿车·km）与弯道个数的关系绘成的散点图。
分析后发现单位长度的弯道个数即弯道密度与事故率有很强的相关关系，相关系数为0.99.
图2.3弯道密度与事故率关系
（2.4）
式中:
S为弯道密度;P为事故率
该方程是开口向上的抛物线,最佳弯道密度S=3.4个/km时,发生交通事故最少，否则交通事故就会以抛物线形式增加。
当然不同地理环境和道路等级其最佳弯道个数不同。
国外研究资料表明，最大弯道密度与道路设计速度与道路设计速度V有如下关系：
（2.5）
上式仅作为一个经验公式,供道路设计时参考，严格地说,最大弯道密度是与多方面因素相关的,还有待更深入的研究。
3.纵断面设计中的安全问题
纵面线形是指道路中心线在垂直平面上的投影。
它包括竖曲线，竖曲线与直线的连接，坡道等。
纵面线形应与地形相适应，线形设计应平顺圆滑、视觉连续，保证行驶安全。
.1纵坡与安全
纵坡对交通安全的影响主要表现在：
汽车上坡时，由于坡度的阻力使车速降低，坡道越陡，车速下降的越快。
坡道越长，车速降低越多。
为了维护汽车的爬坡能力，要不断增加动力，如果动力不足，制动不及时操作失误，就会造成车辆向下溜滑从而引起交通事故的发生。
汽车下坡时，由于汽车自身重力加速度的作用，使车辆速度越来越快，尤其是有的驾驶员为了节油，采取下坡熄火滑行的操作方法，一旦遇到意外的交通事态，来不及采取应急措施，失去控制就会造成交通事故。
.1.1纵坡坡度与安全
道路纵坡对交通安全的影响非常大，尤其当坡度比较大时，事故率明显增大。
根据统计数据可知。
同一条曲线在坡度大干3％时，交通事故率就急剧上升。
发生在坡度路段的交通事故率平原地区为7％，丘陵为18％、山地为25％，其主要原因是下坡来不及
制动或制动失灵。
下表是道路纵坡度与交通事故率的关系：
除了坡度的影响，在竖曲线上,人的视觉对坡度和坡度差的敏感度是不同的，人的视觉对坡度虽不那么敏感,但对坡度差却十分敏感。
在连续几条过短的竖曲线上行车会把曲线看成折线，在凹曲线下坡时会把下坡坡度估计过小，而把对面上坡坡度估计过大，所以行车往往采用下坡加速来冲坡，这样常常酿成事故。
3.1.2纵坡长度与安全
纵坡长度有最大坡长限制和最小坡长限制的要求。
纵坡越陡，坡长越长，对行车影响也越大。
主要表现在：
行驶速度显著下甚至要
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