基于实际速度运行特征的山区高速公路交通安全性分析

刘拥华，姚逸豪，孙静怡，段莉珍,2，袁继婷

(1.昆明理工大学 交通工程学院，云南 昆明 650500； 2.云南省交通科学研究院有限公司，云南 昆明 650011)

0 引 言

由于地理条件复杂，山区高速公路的行车安全是道路交通系统面临的主要挑战，车速越高越容易诱发道路交通安全事故[1-2].如何进行山区高速公路的交通安全性分析，进而在事故高发路段合理控制车速是国内外学者一直关注的问题.云南省地处我国西南，省内山区高速公路线形复杂陡峭，道路安全设施不完善，交通事故发生率比其它地区要高[3]，且随着大型车辆重载化的发展及混入率的不断提高，进一步干扰了高速公路上其它类型车辆的通行，使得高速公路行车安全性逐年下滑[4].

近年来，国内外学者在山区高速公路速度与交通安全等方面都进行了深入的研究.孔德文[5]基于高速公路的多车道特征，探讨了多车道高速公路大型车辆速度运行特征及对交通的影响；韦建颖[6]研究了广西高速公路的限速对策，构建了速度控制管理验证研究模型，用于山区高速公路车辆限速方案；郭忠印等[7]基于特殊路段及车辆运行特征，根据流量与车速的关系构建了特殊路段实际容量的理论分析模型；Batrakova等[8]研究发现交通事故率与环境、驾驶员、交通和车辆相关，构建了交通状况因素和驾驶员驾驶状态指标的关系模型；基于限速措施在交通安全方面的普适性，Vadeby等[9]研究了有无摄像机的高速公路限速差异及车辆速度对交通事故的影响.以上研究都对山区高速公路车辆速度运行特征进行了分析，但是数据多为采用新型数据采集手段得到的车速数据，缺少一定的实际观测数据，也没有形成一个系统的安全评价方法.

本文从速度与交通安全的内在关系出发，基于实际速度运行特征进行了观测速度特征统计分析，结合路段交通状况和沿线环境，从断面车辆平均速度、运行速度、断面车辆速度离散度以及大小车型车速差极差比等方面进行阐述.以云南省保山市老营至澜沧江山区高速公路路段为例进行速度特征分析，结合道路线形条件评价路段交通安全水平并提出相应的交通安全改善措施，以期对我国山区高速公路的交通安全评价提供相关建议.

1 速度与交通安全

1.1 速度与交通事故致死率

美国重大事故研究所(NCSS)研究数据表明，交通事故中，致死率与ΔV4成正比，当ΔV超过114.24 km/h时，交通事故致死率为100%.近似函数如下式[10]：

(1)

式中：IDeath为交通事故致死率，%；ΔV为运行速度梯度，即断面车辆的运行速度与平均速度的差值.

1.2 速度标准差与交通事故率

交通事故率随着车辆速度标准差(车辆速度离散性)的增加呈现指数增长[11], 特定关系模型如下：

AR=9.583e0.055σ

(2)

式中：AR为亿车公里事故率，次/(108veh·km)；σ为速度标准差，由公式2可知，速度标准差越大，交通事故率越高.

2 观测速度特征统计分析

在事故高发路段的车辆速度分析中，主要通过统计断面车辆速度分布特征、断面车辆速度离散度以及事故集中路段的车辆超速情况进行评价.对于整个路段的车辆运行速度协调性，主要是通过前后路段车辆运行速度差以及大小车型车速差极差比对交通流运行特性进行评价.

2.1 断面车辆平均速度、V85及V15统计

实际观测速度是指在路段上进行详细测量和拍摄，辅助使用测速仪进行数据采集后得到的观测速度.本文主要针对实际观测速度，对断面车辆平均速度、第85%位行驶速度(V85)以及第15%位行驶速度(V15)进行分析，而通常车辆运行速度采用第85%位行驶速度(V85)作为代表速度.断面车辆平均速度代表不同类型车辆观测速度的平均值，计算方法是将不同类型车辆的速度观测值累加，得到的结果再与不同车型的统计数量相除.断面车辆平均速度的计算公式如下：

(3)

第85%位行驶速度(V85)及第15%位行驶速度(V15)的统计示意图如图1所示.

图1 V85及V15统计方法Fig.1 Statistical method of V85andV15

2.2 断面车辆速度离散度

断面车辆速度离散度通常采用观测速度标准差(SD)、第85%位行驶速度与第15%位行驶速度之差(V85-V15)以及变异系数(CV)来表示.相关研究表明，速度离散程度越高，事故发生率越高.各指标的具体计算方法如下.

观测速度标准差(SD)：

(4)

变异系数(CV)：

(5)

式中：CV为变异系数，SD为观测速度标准差.

2.3 大小车型车速差极差比

大型车与小型车车速的差值定义为大小车型车速差. 通过对断面车速进行调研，得到断面车速的大小车型车速差，进一步地，提取区间内各断面大小车型车速差的极大值与平均值，可分析其与评价路段事故率的相关关系.同时，考虑到大小车型车速差极大值与平均值都没有将区间内大小车型车速差的离散性表现出来，引入区间大小车型车速差极差比进行研究[12].区间内大小车型车速差极差比的计算方法为：将区间各断面大小车型车速差的极大值与极小值相减，再与区间内各断面大小车型车速差平均值相除，目的是消除样本数据的波动对事故率分析的影响.大小车型车速差极差比的计算公式如下：

(6)

根据路段车辆运行速度特征指标与安全性评价指标的关系，确定相应的安全等级对应的车辆运行速度特征指标范围[12]，提出基于运行速度特征的连续性评价标准，如表1所示.

表1 基于运行速度特征的连续性评价标准

3 案例应用

3.1 评价路段背景

评价路段位于G56杭州至瑞丽高速公路大理至保山段上行：老营至澜沧江山区高速公路路段.线路总长约13 km，圆曲线半径区间400 m～2 000 m，坡度区间-6%～6%，直线与曲线组合弯坡路段较多.

根据《公路项目安全性评价规范》(JTG B05-2015)[13]的分析单元划分原则，以纵断面坡度和圆曲线半径为标准进行单元划分，把老营至澜沧江山区高速公路路段分为13个典型断面.在此基础上，根据不同分析单元的线性特性，结合评价路段所在的公路网布局，将老营至澜沧江山区高速公路路段的13个典型断面归纳为4个区间进行区间调研，进一步分析不同区间内的交通流运行状况.每个区间各断面的线性特性如表2所示.

表2 评价路段断面概览表

3.2 评价路段实测数据

3.2.1 断面大型车比例

利用雷达测速仪和AxleLight RLU11便携式路侧激光交通调查仪采集各个区间各断面车速以及交通流量数据.老营至澜沧江山区高速公路路段13个典型断面的大型车比例如图2所示，大型车占比过大容易对小型车安全行驶造成一定影响.

图2 评价路段激光观测断面大型车比例Fig.2 Large vehicle ratio of laser observation section of evaluation section

3.2.2 断面大小车型运行速度V85统计

老营至澜沧江山区高速公路路段13个典型断面的大小车型运行速度V85统计结果如表3所示，大小车型的运行速度均较高且速度差较大.在复杂多变的道路条件下行车，速度过高不利于减速且容易引发交通事故，应采取相应的限速措施，增加行车安全性.

表3 评价路段的大小车型运行速度统计结果

3.3 交通安全性分析

3.3.1 车辆运行速度一致性分析

老营至澜沧江山区高速公路路段大小车型分别限速60 km/h和90 km/h，根据速度调查结果，分别对小型车速度超过100 km/h、90 km/h、80 km/h和70 km/h以及大型车速度超过90 km/h、80 km/h、70 km/h和60 km/h的车辆数占观测小型车及大型车总数的比例进行了统计，统计结果如图3所示.大小车型速度较高且速度差较大，大型车高速行驶在危险路段，若遇恶劣气候条件容易侧翻，而大型车速度太慢易造成追尾、超车相撞等危险，在弯道行驶时若遇上雨天或其他突发状况容易导致连环事故.因此，应该根据路线情况实施合理的限速和保持车距等标志，并配合相应的行驶速度提示标志或速度监测设备，设置减速设施，控制车速.

图3 评价路段13个断面超过各速度区间的车辆占比Fig.3 The proportion of vehicles with 13 sections exceeding each speed ranges of evaluation section

3.3.2 断面车辆速度离散度分析

断面车辆速度离散度分析主要通过观测速度标准差、V85-V15以及变异系数等指标来评价.如图4所示，小型车的速度离散度偏大，相关研究表明，速度离散度越大，事故率越高.因此，建议设置减速设施，降低车辆在该路段的行驶速度，使其在一定范围内稳定波动，从而有效降低车速的离散程度，使车辆在高速公路上形成绿波流，减少车辆的行车延误，更重要的是尽可能地避免车辆反复制动，保证车辆在高速公路上安全有序地前行.

图4 评价路段13个断面速度离散度统计结果Fig.4 Statistical results of speed dispersion of 13 sections of evaluation section

3.3.3 大小车型车速差极差比分析

评价路段大小车型车速差极差比结果如表4所示. 该评价路段区间运行速度特征连续性一般，大小车型速度线性一致性较差.可以采取的措施有：①降低小型车运行速度，减小大小车型车速差；②改变公路线形，可适当重新设计相关路段线形；③在线形过渡段设置不平整的减速路面；④在事故多发路段合理设置减速标志标识.

表4 评价路段大小车型车速差极差比

3.3.4 路段运行速度协调性分析

评价路段4个区间的大小车型运行速度V85统计图如图5所示. 各观测断面的大小车型运行速度差较大，其中K119+400、K114+200和K112+200前后路段运行速度差甚至超过30 km/h.从统计结果可以看出，小型车运行速度较高，前后断面运行速度波动较大，大型车在断面K119+400运行速度最大，后呈下降趋势；K112+200是小半径圆曲线所处路段，路段较为危险.建议在评价路段采取必要的速度控制措施，设置横向减速标志，急弯处设置警示标志，降低小型车运行速度，减小大小车型运行速度差.

图5 评价路段4个区间的大小车型运行速度统计图Fig.5 Statistical chart of running speed of large and small vehicles in 4 sections of evaluation section

3.4 限速措施分析

区间1中，K120+850观测点位于长下坡路段，前方路段为圆曲线路段，为了安全减速，应设置横向减速标线或视觉减速标线.K118+800观测点位于驶出曲线的直线路段终点，该直线段太短，加速时间不足，运行速度下降. 由于此断面车辆开始驶入反向弯道，且弯道刚好在桥梁段上，视距严重受阻，尽管运行速度有所下降，但大小车型的运行速度差较大，应在该路段增加相应的左转弯上桥提示标志及横向减速标线或视觉减速标线.

区间2中，K115+900观测点位于缓和曲线路段的终点，快速左转弯进入弯道行驶，容易引发交通事故，应在该路段设置左转弯提示标志.K115+000与K113+750观测点位于长下坡入弯路段和长下坡路段，大小车型的运行速度较高且速度差较大，应在该路段设置横向减速标线或视觉减速标线，适当布置减速带.

区间3中，K112+450观测点位于曲率较大的圆曲线的曲中位置，该断面大小车型的运行速度较高且速度差较大，速度过大不利于车辆曲线行驶，更坏的情况下可能会加大车辆与隔离栏碰撞的可能，应在该路段进入小半径路段前设置急弯减速标志及横向减速标线，实现低速过弯.K112+200观测点位于圆曲线与直线交点位置，该断面大小车型的运行速度相对稳定，但此断面处于过渡段，故该路段在进入圆曲线路段前应设置急弯减速标志及横向减速标线，实现低速过弯.K111+050观测点位于桥面上，该点处于曲线与直线组合的直线段上，大小车型的运行速度较高且运行速度差较大，此区间运行速度过高不利于在圆曲线路段上减速，应在该路段设置横向减速标线、视觉减速标线或设置抓拍摄像头.

区间4中，K109+200观测点处于圆曲线的下坡，弯道较大，大小车型的运行速度较高且速度差较大，此区间运行速度过高不利于在圆曲线路段上减速，应在该路段设置横向减速标线或视觉减速标线.K108+500观测点位于直线与缓和曲线交点处，大小车型的运行速度相对稳定，但处于线形过渡区，应在此处设置线形过渡指示标志，提醒驾驶员做好相应驾驶准备.

4 结 论

山区高速公路的交通安全评价主要考虑车辆运行速度的特性与道路线形设计的特征等.本文基于实际速度运行特征提出了观测速度特征统计分析方法，以云南省保山市老营至澜沧江山区高速公路路段为例从车辆运行速度一致性、断面车辆速度离散度、大小车型车速差极差比以及路段运行速度协调性4个方面进行速度特征分析，结合道路线形条件评价路段交通安全水平并提出相应的交通安全改善措施.研究结果表明：基于实际速度运行特征的山区高速公路交通安全性分析方法与采用新型数据采集手段得到的车速数据形成优势互补，显著加强了评价结果的可靠性，结合案例验证了利用实测数据对山区高速公路进行安全性分析的合理性，可为实际工程评价提供一定参考.

本文提供了一种面向实测数据的山区高速公路交通安全评价思路，但由于车辆的实际速度经常受到非道路因素的影响，下一步研究中可在不同非道路因素影响下多观测几组数据进行综合考虑，进一步加强评价结果的准确性.