道路超高与加宽对行车安全的影响建模分析

马前进

（中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南 郑州 450000）

1 引言

道路安全问题一直以来都是社会热点问题，全球每天都有人死于交通事故，我国也同样面临着严峻的行车安全问题[1-3]。

现阶段，我国在处理交通事故的过程中，主要是查看驾驶员操作是否符合规定、车辆性能是否完好等，但是忽视了道路因素引发的事故。近年来，随着交通事故发生率持续增加，相关学者先后对道路设计与行车安全之间的关系进行研究。例如文献[4]中利用安全仿真模型对小半径环圈匝道超高的设置展开分析，文献[5]对城市主干道地下小半径平曲线车道加宽安全性展开研究。但以上两种传统方法由于未构建道路安全综合评价体系，导致其难以真实描述道路因素和行车安全两者间的关系。

针对上述问题，本文提出一种道路超高与加宽对行车安全的影响建模分析方法。

2 道路超高与加宽对行车安全的影响分析

2.1 道路弯道事故多发的主要原因

(一)半径因素。当车辆在行驶的过程中，如果突然遇到急转弯，车辆会因为离心力C的作用产生外向滑动。假设将平行于地面的分力代数称为横向力，采用X表示，具体的计算式如下：

其中，G表示向心力。采用Y表示垂向力，即：

通过横向力和垂向力全面反映车辆的稳定性，为了更好地反映车辆在行驶过程中的稳定性和安全性等，需要将公式(1)和(2)代入到车辆恒定状态μ中，则能够获取以下形式的计算式：

通过公式(3)可知，当车辆的车速处于恒定状态时，半径会明显减少，横向力系数会上升，证明汽车整体承受的横向力也会持续增加，导致车辆在圆曲线上行驶时整体的稳定性越低；反之，系数越小，车辆的稳定性越高。

通常情况下，汽车在形成倾覆前期会发生侧向偏移，其中道路表面和车轮轮胎两者之间的摩擦力是防止车辆滑移的[6-8]。如果X≥Yf(f 表示摩擦力)，能够推导出车辆在任意圆曲线行驶时能够达到的最高安全车速。

(二)超高因素。车辆在行驶时会受到多种因素的影响，导致离心力大小不同，车辆有向外侧滑动的迹象。当弯道半径低于任意值时，离心力会造成车辆发生偏移或者倾覆。为了促使车辆能够安全且平稳地通过弯道，需要合理调整重力和离心力两者的关系，具体如图1所示。

图1 重力和离心力的分解图

2.2 下坡道路事故多发的原因

纵坡度因素

当车辆在下坡路行驶的过程中，重力的大小是根据车辆的整体载荷和坡度大小判定的，驾驶员自身是无法控制和改变的，需要连续采取制动措施释放对应的能量[9]。

当行驶道路纵坡度对应的代数值高于2%时，交通事故发生的频率会呈直线上升趋势，纵向坡度越大越容易造成驾驶员在下坡过程中为了省油而空档滑行。

2.3 平面线形对行车安全的影响分析

分析相关的交通数据统计结果可知，直线道路越长，出现交通事故的概率也就越大。当行驶道路十分平坦且无障碍物阻碍时，因为两点之间直线最短，同时驾驶过程十分简单，道路定线人员会优先考虑直线设计。虽然长直线道路存在上述明显的优势，但是同样也会存在弊端。

(1)长直线。由数据统计分析结果可知，直线道路越长，发生交通事故的概率也会增加，主要影响如下：

1)由于线性过分单调，长期驾驶会导致驾驶员视觉疲劳，注意力分散，反应速度变慢，如果遇到突发情况，会因为反应过慢导致车祸的发生。

2)通过专家对驾驶员的心理研究结果表明，如果车辆一直位于直线道路行驶，驾驶员会不自觉提高车速。如果驾驶超过4．8千米，驾驶员会变得心情烦躁，同时还会犯困，导致车祸发生的概率大幅度增加。

综合上述分析可知，在进行道路设计的过程中，需要慎重使用长直线路段[10]。

(2)短直线。圆曲线之间主要采用直线路径作为主要的连接方式，直线的长度不能过短。在进行平面线形设计的过程中，如果圆曲线的长度无法达到设定的需求，需要优先将各个曲线进行连接。

2.4 缓和曲线对行车安全的影响分析

通过研究不同类型车辆的运行轨迹可知，驾驶员在驾驶车辆转弯时，会自动组成一条连续的曲率轨迹线。利用表1给出我国目前规定的道路缓和曲线最小长度。

表1 公路缓和曲线最小长度

通常情况下，缓和曲线的取值需要大一些，但是并不是越大越好。如果转角大小和圆角的半径确定时，缓和曲线过长，会导致圆曲线长度变短，两者不协调，对行车安全也会产生一定程度的影响。

平曲线是由圆曲线和缓和曲线两者共同组成，当车辆在平曲线行驶的过程中，如果曲线过短，频繁操作会导致驾驶员紧张感加剧，在高速驾驶的情况下会增加交通事故发生的概率。所以，合理设置平曲线的长度是十分必要的。

如果道路的路线转角偏低，驾驶员会自动拉长曲线长度，出现急转弯的错觉。为了有效避免交通事故的发生，道路在进行弯道设计的过程中需要满足表2所示的相关规定。

表2 公路转角等于或者小于7°时的平曲线长度

一般情况下，在设计平面线形的过程中，为了确保线性的整体协调，需要将缓和曲线和圆曲线的长度比例控制在1：1：1或者1：2：1范围内。

另外道路宽度也会影响行车安全，其中道路越宽，发生交通事故的概率越低，其中道路宽度和设计速度之间的关系如表3所示。

表3 道路宽度和设计速度间的关系

道路宽度主要取决于车辆自身的宽度以及错车所需要的距离。另外，还需要考虑驾驶员的行驶舒适度以及车辆的驾驶速度。

3 道路安全评价模型的建立

在进行道路安全评价的过程中，专家主观评价和比较判定方法等是组建评价体系的主要方式。通过对道路专家、驾驶员以及交警进行问卷调查，采用直观的评价方式针对不同的评价指标进行评分，通过统计获取最终的统计结果。根据对数据的对比分析，按照指标的重要程度选取重要的指标构建安全评价指标，同时构建道路安全综合评价体系，如图2所示。

图2 道路线性安全评价指标体系

在当前综合管理评价过程中，模糊评价是使用比较多的一种方法。主要是针对评价方案进行等级划分，将方案按照定量指标进行划分，分别为一级指标和二级指标等，通过由上至下的顺序，获取最终的评价结果。

针对道路线性指标体系进行分析，组建如公式(4)所示的评价指标集：

根据方案分析的复杂程度，针对一级指标再次进行划分，设定一级评价指标Ui，同时还可以再次进行指标划分，根据提供的数据信息划分为n个二级指标，即：

组建的评价指标集为：

在进行二级评价过程中对应隶属度为：

其中，二级评价结果能够表示为：

其中一级评价矩阵的主要数据均来自二级评价结果，则对应的一级评价矩阵可以表示为：

其中模糊综合评价结果可以表示为：

将全部的因素一一列举出来，由于在不同线性因素中包含的指标不同，同时对分析结果也有不同的作用，权重取值也是不同的，需要优先确定评价指标中的权重，以下主要通过层析分析法，具体的操作步骤如下：

根据道路线性因素影响程度组建层次模型，将其表示为公式(11)的形式：

将不同的指标进行区分，同时根据不同的重要性给出数值判断列表，进而构建判断矩阵。

根据求解的权重向量进行指标一致性检验，即：

各个评价指标对应的隶属函数为：

采用评价指标对应的隶属度建立对应的二级矩阵，获取对应的评价结果。结合得到的评价结果将其作为一级评价矩阵的主要数据来源，同时分析一级评价矩阵，获取权重向量，以此为依据构建道路安全评价模型，进而结合最大隶属度确定最终的道路安全评价结果。

4 实验与分析

为了验证上述方法的有效性，实验选取H 城市任意一条路段作为测试对象，道路为沥青路面，具体实验数据如表4所示。

表4 实验参数设置

(1)半径对行车安全的影响测试

实验分别选取不同半径的道路进行测试，采用65km/h的速度进行分析，具体实验结果如图3所示。

图3 车辆后轮所受到的侧向力变化情况

分析图3中的实验数据可知，在直线道路行驶的过程中，两个车轮所承受的垂力基本相同，但是方向相同。在进入弯道之后，横向力促使车轮的边缘部分发生旋转，增加风险发生的概率，此时车辆左后轮受力更大一些，而另外一个车轮的受力降低。当车辆再次进入直线行驶以后，两个车轮受到的力是相同的。通过上述分析可知，当半径较小时，由于横向力偏大，会增加交通事故发生的概率，驾驶员在弯道时需要降低车辆行驶速度，有效防止侧滑现象的发生。同时，经过试验测试证明，所提方法在实际研究过程中进行道路安全评价是可行且准确的。

(2)超高对行车安全的测试

利用图4给出超高对行车安全的影响。

分析图4中的实验数据可知，当车辆进入弯道以后未设定超高的路段会发生十分严重的侧滑，最终滑出弯道；而设置超高为7%的路段上车辆位于中线行驶，同时车辆的侧滑角并没有产生明显的侧滑。

图4 超高对行车安全的测试

5 结束语

道路超高与加宽对行车安全的影响分析是研究道路条件和交通事故的重要技术手段之一，对减少交通事故发生率、提升道路行驶安全具有十分重要的意义。提出一种道路超高与加宽对行车安全的影响建模分析方法，通过具体的实验测试，能够更加直观描述行车安全和道路因素之间的关联性，进而达到提升车辆驾驶稳定性的目的。