基于交通安全的道路線形分析

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簡(jiǎn)介： 我國(guó)是交通事故頻發(fā)的國(guó)家，交通事故率和事故的嚴(yán)重程度已居世界首位，隨著人們生活水平的提高，交通安全問題已成為人們最關(guān)心的問題。本文分析了道路交通事故產(chǎn)生的主要原因和道路線形與道路交通事故的關(guān)系，提出了用布勞斯曲線改進(jìn)道路曲線的設(shè)計(jì)方法和道路線形設(shè)計(jì)的核查方法，以滿足行車的力學(xué)性能，同時(shí)滿足線形連續(xù)、指標(biāo)均衡、視覺良好、景觀協(xié)調(diào)、安全舒適等要求，使道路曲線與地形和車輛的行駛軌跡達(dá)到完美的組合。
關(guān)鍵字：交通安全 布勞斯曲線 道路線形

經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，汽車已成為現(xiàn)代文明與進(jìn)步的象征和標(biāo)志，成為社會(huì)生活不可缺少的重要組成部分。然而當(dāng)人類充分享受汽車帶來的諸多好處的同時(shí)，也為此付出了沉重的生命和財(cái)產(chǎn)代價(jià)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)自1951年到2002年，累計(jì)已有1551038人死于道路交通事故，其中僅2002年，道路交通事故就造成109381人死亡。據(jù)專家預(yù)言，如果按目前這種發(fā)展?fàn)顩r，發(fā)達(dá)國(guó)家的居民每三人中將有一人在其一生中遭受道路交通事故造成的身體傷害，每100人中將有一人以上死于交通事故。若將受害者的親屬考慮在內(nèi)，則道路交通事故造成的影響幾乎波及到每一個(gè)家庭。至于道路交通事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)專家估計(jì)，在許多國(guó)家已超過其國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的1%。

隨著機(jī)動(dòng)化水平的不斷提高和人民生活質(zhì)量的不斷提高，公眾的目光越來越關(guān)注于道路交通的安全性。然而，交通事故是道路交通不可避免的伴生物，即不發(fā)生任何交通事故的可能性不存在的。人們只有通過不斷提高交通參與者的安全意識(shí)和駕駛員的駕駛技能、不斷改進(jìn)車輛的結(jié)構(gòu)性能和技術(shù)水平、不斷改善道路狀況和環(huán)境條件、不斷加強(qiáng)交通管理和交通執(zhí)法等措施，使道路交通事故發(fā)生的概率降至一個(gè)可以容忍限度以下，從而滿足公眾對(duì)道路交通安全的要求。

研究表明，在一定時(shí)期內(nèi)交通事故死亡人數(shù)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和道路交通高速發(fā)展呈正比例關(guān)系。我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，從2002年交通事故的分析表明，年交通事故死亡的絕對(duì)數(shù)已穩(wěn)居世界的第一位，并且事故的嚴(yán)重性程度極高，道路交通事故仍處于持續(xù)增長(zhǎng)的時(shí)期。

1  道路交通事故的原因分析

道路交通是人、車、路、環(huán)境等要素構(gòu)成的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它們之間互相依賴、互相作用，系統(tǒng)狀態(tài)隨著時(shí)間的推移和環(huán)境的改變而改變。

人是交通事故的核心，影響交通事故的主要因素是人的因素造成，同時(shí)交通事故產(chǎn)生還與車輛性能、道路條件和環(huán)境有關(guān)，如表1所示。

表1  我國(guó)2002年道路交通事故主要原因分析

項(xiàng)目

機(jī)械故障

駕駛員

非機(jī)動(dòng)車

行人

道路

其它

合計(jì)

事故數(shù)

20925

675449

22114

21238

937

32474

773137

比例/%

2.70

87.37

2.87

2.74

0.12

4.20

100

研究表明，在諸多的交通事故中，除少數(shù)是由于駕駛員粗心大意造成的外，大部分駕駛員出事故的原因是由于困難的行駛條件所造成的，而困難的行駛條件則與道路設(shè)計(jì)或道路養(yǎng)護(hù)有關(guān)，當(dāng)車輛在這樣的條件下行駛時(shí)，駕駛員稍稍放松注意力，就會(huì)導(dǎo)致交通事故。美國(guó)交通事故事故專家海特（Hight.F）教授早在二十年前就指出，“不管各方面的意見如何，只是駕駛員一方面的錯(cuò)誤，決不會(huì)造成最嚴(yán)重后果的交通事故。事故的原因往往是不安全的、危險(xiǎn)的道路條件引起的”。前蘇聯(lián)的學(xué)者通過對(duì)13000個(gè)道路交通事故的分析認(rèn)為，不良道路條件的影響是70%的交通事故的直接或間接原因。而導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生疏忽大意或?qū)е缕洳扇×瞬徽?dāng)?shù)鸟{駛措施的主要原因之一是不良的道路幾何設(shè)計(jì)。只有深入進(jìn)行研究，揭示道路交通事故表面現(xiàn)象所掩蓋的實(shí)質(zhì)，才能有效的減少交通事故，切實(shí)提高道路安全水平。

道路的幾何要素或線形組合不合理，都有可能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。道路條件的因素主要有道路線形、道路的幾何特征、交叉口形式、路面狀況和交通設(shè)施等因素。

以往人們總喜歡把道路設(shè)計(jì)成平直形，根據(jù)表２我國(guó)2002年各種線形的交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，無論是事故的次數(shù)，還是死亡的人數(shù)或受傷的人數(shù)，96~98%集中在這種具有“良好線形條件”的道路上，即集中在平直路或一般彎、一般坡、一般彎坡的道路上，其原因是在“良好線形條件”的道路上，駕駛員容易麻痹大意，從而容易引發(fā)交通交通事故。在地形條件較好的平原地區(qū)，道路設(shè)計(jì)時(shí)往往設(shè)計(jì)成平直的道路線形，也是產(chǎn)生交通事故的一個(gè)重要原因，如表3所示。

表2 我國(guó)2002年各種道路線形的事故分析

項(xiàng)目

平直路

一般彎

一般坡

一般

彎坡

急彎

陡坡

急彎

陡坡

一般坡

急彎

一般彎

陡坡

合計(jì)

事故數(shù)

688942

31312

21184

13685

6108

2242

2087

4407

3170

773137

比例/%

89.11

4.05

2.74

1.77

0.79

0.29

0.27

0.57

0.41

100

表3 我國(guó)2002年各種地形的事故分析

項(xiàng)目

平原

丘陵

山區(qū)

合計(jì)

事故數(shù)

583641

118754

70742

773137

比例/%

75.49

15.36

9.15

100

2  道路線形與交通安全的關(guān)系

公路的線形最終是以平面線形、縱斷面線形和橫斷面形式組合而成的立體線形映入駕駛員眼簾的。駕駛員在駕駛車輛過程中所選定的實(shí)際行駛速度，是由他對(duì)三維立體線形的判斷做出的。公路的立體線形除必須滿足駕駛動(dòng)力學(xué)要求的最小值外，還應(yīng)滿足駕駛員視覺心理方面連續(xù)、舒適的要求，反映公路線形好壞的關(guān)鍵是速度的連續(xù)性，它直接影響道路交通的安全。

通過對(duì)多起交通事故的分析，我們發(fā)現(xiàn)：公路線形幾何要素的不合理以及各種不良的線形組合，均可能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

(1) 直線：過長(zhǎng)的直線段，易使駕駛員因景觀單調(diào)而產(chǎn)生疲勞，注意力不集中，反應(yīng)遲緩，一旦有突顯信息出現(xiàn)，就會(huì)因措手不及而肇事，如表２所示。另外，駕駛員在長(zhǎng)直路段愛開快車，致使車輛進(jìn)入直線路段末段后的曲線部分速度仍較高，若遇到彎道超高不足，往往導(dǎo)致傾覆或其它類型的交通事故。

(2) 曲線：據(jù)美國(guó)公路部門統(tǒng)計(jì)，在彎道上發(fā)生的事故約占全部事故的10%以上，特別是與陡坡和路面滑溜等情形加在一起時(shí)，發(fā)生在彎道上的事故要比直線上多。

(3) 平曲線：平曲線即彎道，平曲線與交通事故的關(guān)系很大。在圓曲線上，由于橫向力的存在，對(duì)汽車的安全行駛會(huì)產(chǎn)生不利影響。大半徑曲線比小半徑曲線的事故率低；連續(xù)曲線當(dāng)半徑協(xié)調(diào)時(shí)事故率比不協(xié)調(diào)時(shí)低。調(diào)查表明曲率愈大，事故率愈高；尤其是曲率在10以上時(shí)，事故率急劇增大。原因是曲率越大，汽車在運(yùn)行中的轉(zhuǎn)彎半徑越小，視線盲區(qū)增大。

(4) 豎曲線：由于道路的凸形豎曲線半徑過小時(shí)，會(huì)影響到駕駛員的視距，使其視野變小,此時(shí)駕駛員不易發(fā)現(xiàn)前方情況，容易發(fā)生碰撞。凸形豎曲線上的視距越短，則交通事故也越頻繁。

(5) 縱坡度：調(diào)查表明，在平原地區(qū)、丘陵地區(qū)和山區(qū)道路上，發(fā)生于坡道部分的交通事故分別占17%、18%和25%。分析坡道上交通事故率高的原因，主要是下坡時(shí)，駕駛員為節(jié)油常采取熄火滑行的操作方法，一旦遇到緊急情況來不及采取應(yīng)急措施，此類事故約占坡道事故的24%，這樣的事故案例不少。車輛下長(zhǎng)坡時(shí)，由于重力作用，行駛速度過高，制動(dòng)非安全區(qū)過長(zhǎng)，頻繁使用制動(dòng)致使制動(dòng)產(chǎn)生熱衰減，遇有緊急情況不能及時(shí)停車，此種原因引起的事故占坡道事故的40%；車輛上坡行駛時(shí)，由于超越停放或后備功率較小的低速行駛車輛所造成的坡道事故占18%；由于其它原因引起的坡道事故占18%左右。

(6) 線形組合：行車安全性的大小與不同線形之間的組合是否協(xié)調(diào)有密切的關(guān)系,下列不良的線形組合往往是導(dǎo)致交通事故發(fā)生的重要原因：

① 線形的驟變，如長(zhǎng)直線的末端設(shè)置急轉(zhuǎn)彎曲線,尤其是長(zhǎng)下坡(大于1ｋｍ)接小半徑曲線是有危險(xiǎn)傾向的設(shè)計(jì)，易造成車輛在不自覺的高速情況下駛?cè)肫角€，事故隱患大為增加。

② 在連續(xù)的高填方路段，如果沒有良好的視線引導(dǎo)，駕駛員容易使車輛偏離車道中心線，可能沖出路面，釀成車禍。

③ 短直線介于兩個(gè)彎曲的圓曲線之間，形成斷背曲線，這樣容易使駕駛員產(chǎn)生錯(cuò)覺，把線形看成反向曲線，從而發(fā)生操作錯(cuò)誤，甚至釀成車禍。

④ 在直線路段的凹形縱斷面上，駕駛員位于下坡時(shí)看到對(duì)面的上坡段，容易產(chǎn)生錯(cuò)覺，把上坡的坡度看得比實(shí)際的坡度大。這樣駕駛員就有可能加速以便沖上對(duì)面的上坡路段；同時(shí)，在下坡路段看上坡路段，駕駛員覺察不出自己是在下坡，因而有可能發(fā)生事故。

⑤ 在凸形豎曲線與凹形豎曲線的頂部或底部插入急轉(zhuǎn)彎的平曲線，前者因?yàn)闆]有視線引導(dǎo)而必須急打方向盤；后者在超出汽車設(shè)計(jì)速度的地方仍然要急打方向盤，這些都是極易引起交通肇事的。美國(guó)人揚(yáng)格在加利福尼亞的調(diào)查，凸形豎曲線上的視距越短，則交通事故也越頻繁。在凸形豎曲線的頂部或凹形豎曲線的底部設(shè)置斷背曲線，在前者情況下，視線失去誘導(dǎo)效果，在公路上行駛的車輛好象突入空中的感覺，而且因接近頂點(diǎn)才知道線形開始向相反的方向彎曲，易使駕駛員因緊張而操作方向盤失誤。

⑥ 在平面曲線內(nèi)，如果縱斷面反復(fù)凹凸，每當(dāng)產(chǎn)生這樣的問題，即形成只能看見腳下和前頭，而看不見中間凹陷的線形，這樣的線形容易發(fā)生事故。

⑦ 轉(zhuǎn)彎半徑較小的平曲線與陡坡組合在一起時(shí)，則會(huì)使事故急劇增加。

⑧ 是否設(shè)置緩和曲線對(duì)于圓曲線上安全特性有著較為顯著的影響，未設(shè)緩和曲線的圓曲線，事故數(shù)顯著地高于設(shè)置了緩和曲線的圓曲線段。

⑨ 縱坡長(zhǎng)度過短，出現(xiàn)鋸齒形縱斷面，這種地形使行車頻繁顛簸，甚至可能產(chǎn)生顛簸的疊加與共震，危及安全。視覺上，這種地形使駕車者有路線不連續(xù)，坡長(zhǎng)越來越小，線形破碎的感覺。坡長(zhǎng)過大，下坡時(shí)使得車輛速度漸增，也不利于安全。

3  道路條件的改進(jìn)和核查

道路設(shè)計(jì)和規(guī)劃的安全審查起源于90年代初，隨后在英國(guó)、澳大利亞、新西蘭得以推廣。我國(guó)是世界上道路交通事故最頻發(fā)的國(guó)家之一，為提高我國(guó)道路安全水平，必須從公路規(guī)劃設(shè)計(jì)抓起，將安全性要求置于首位，并貫穿于公路規(guī)劃設(shè)計(jì)的全過程。

公路的線形最終是以平面線形、縱斷面線形和橫斷面形式組合而成的立體線形映入駕駛員眼簾的。駕駛員在駕駛車輛過程中所選定的實(shí)際行駛速度，是由他對(duì)三維立體線形的判斷做出的。公路的立體線形除必須滿足駕駛動(dòng)力學(xué)要求的最小值外，還應(yīng)滿足駕駛員視覺心理方面連續(xù)、舒適的要求，反映公路線形好壞的關(guān)鍵是速度的連續(xù)性，它直接影響道路交通的安全。麥克康納爾在經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為：雖然當(dāng)車輛在彎道上行駛時(shí)，它的6個(gè)自由度都處在變化之中，但人體的感覺器官并不是對(duì)所有的運(yùn)動(dòng)自由度的變化都能感知，而是只有當(dāng)這些自由度的變化大到一定的程度后，駕駛員和乘客才會(huì)感覺得到，并逐漸大到影響人體舒適性；使各個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的特性值控制在感覺極限值以內(nèi)，則車輛的行駛舒適性好，乘員將難以憑感覺器官感覺到彎道的存在，從而達(dá)到車輛在水平直路段上行駛時(shí)的舒適程度。

通過對(duì)大量線形實(shí)例及事故多發(fā)地段的分析對(duì)比，確定組合曲線多發(fā)交通事故的癥結(jié)之一是：組合曲線中線形元素的起點(diǎn)和終點(diǎn)銜接不暢，其曲率變化不連續(xù)，出現(xiàn)陡變點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這一不足，我們引入布勞斯關(guān)于汽車行駛規(guī)律的研究成果，考慮我國(guó)道路現(xiàn)狀和國(guó)情，基于交通安全的角度對(duì)布勞斯曲線的研究成果進(jìn)行改進(jìn)和完善。

布勞斯曲線是以滿足車輛行駛重心軌跡的三個(gè)主要特征（即車輛行駛重心軌跡連續(xù)且光滑、重心行駛軌跡曲率連續(xù)、重心行駛軌跡曲率變化率連續(xù)）為目標(biāo)提出的過渡曲線形式中， 為緩和曲線上任意點(diǎn)的曲率； 為緩和曲線上任意點(diǎn)的平曲線半徑； 為圓曲線半徑； 為計(jì)算點(diǎn)至緩和曲線起點(diǎn)的距離（弧長(zhǎng)）； 為緩和曲線的總長(zhǎng)度。

根據(jù)上式，布勞斯曲線起點(diǎn)處的曲率 ；布勞斯曲線終點(diǎn)處的曲率 ；且布勞斯曲線在起點(diǎn) 和終點(diǎn) 處有極值，這與車輛行駛重心軌跡特征及物理特性完全吻合，符合設(shè)計(jì)意圖。

布勞斯曲線已經(jīng)在德國(guó)、日本的試車場(chǎng)高速環(huán)道中取得了成功的應(yīng)用，但布勞斯曲線作為一種純數(shù)學(xué)型的緩和曲線，其幾何設(shè)計(jì)方法中并未考慮技術(shù)參數(shù)的選擇對(duì)高速舒適性的影響，而且目前這種技術(shù)只限于高速環(huán)道，沒有更廣泛的應(yīng)用于民用的高速公路，其次布勞斯公式只是從平面上解決了組合曲線曲率連續(xù)的問題，但彎道部分是一個(gè)三維空間實(shí)體，平縱橫斷面的設(shè)計(jì)是一個(gè)相互聯(lián)系相互結(jié)合的有機(jī)整體，布勞斯幾何設(shè)計(jì)方法并未就彎道超高、縱坡度等進(jìn)行深入的分析和研究。

根據(jù)現(xiàn)有的研究狀況，為了使道路曲線盡可能接近光滑的自由曲線，本文建議在道路曲線設(shè)計(jì)時(shí)采有布勞斯曲線進(jìn)行計(jì)算，并同時(shí)對(duì)道路曲線進(jìn)行如下核查。

(1) 在平曲線上應(yīng)該保持期望車速的連續(xù)性，如果由于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的原因在某一地點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)降低，就應(yīng)通過清晰的標(biāo)志、標(biāo)線和其它警告設(shè)施提前告之駕駛員前方潛在的危險(xiǎn)，并引導(dǎo)他們安全通過危險(xiǎn)位置。

(2) 曲線的偏角不能太小。曲線偏角過小時(shí)，曲線長(zhǎng)度將會(huì)看起來比實(shí)際的要短，使駕駛員對(duì)公路產(chǎn)生急轉(zhuǎn)彎的錯(cuò)覺，這種錯(cuò)覺偏角越小越顯著。因此，當(dāng)偏角小時(shí)應(yīng)設(shè)置較長(zhǎng)的曲線，使之形成公路是在順適轉(zhuǎn)變的感覺，以避免駕駛員枉作減速的準(zhǔn)備。

(3) 為了確保行車安全，要求曲線的長(zhǎng)度不能太短，以免使汽車在曲線上悠忽而過，增加駕駛員的操作困難。對(duì)于曲線間的直線長(zhǎng)度也應(yīng)加以控制，在同向或反向曲線之間如果直線太短，同樣會(huì)引起安全問題，因此應(yīng)加以控制。

(4) 盡可能使用緩和曲線，使用道路曲線能自由流暢。緩和曲線是從安全角度出發(fā)設(shè)計(jì)的一條駕駛員易于遵循的路線，能使車輛在進(jìn)入或離開圓曲線時(shí)不致侵入鄰近的車道。

(5) 慎用直線，直線長(zhǎng)度的長(zhǎng)短直接影響車輛的行車安全。直線過長(zhǎng)時(shí)，在長(zhǎng)直線上行車過于單調(diào)乏味，容易造成駕駛?cè)藛T的疲乏和放松警惕。

(6) 與地形相適應(yīng)的路線不僅能誘導(dǎo)駕駛員的視線，而且能使司乘人員心情舒暢，提高駕駛的安全性。

(7) 在縱斷面設(shè)計(jì)中，影響交通安全的因素有縱坡、坡長(zhǎng)和豎曲線半徑，采用較小的縱坡和大半徑的豎曲線，能同時(shí)為駕駛員提供良好的視距及超車機(jī)會(huì)，有利于行車安全。因此，在豎曲線設(shè)計(jì)中就盡量避免連續(xù)的短豎曲線(特別是在直線路段)和長(zhǎng)而淺的凹型豎曲線上應(yīng)確保道路的橫向排水系統(tǒng)。

(8) 橫斷面設(shè)計(jì)要素包括路面、路肩、路拱、路緣帶、邊溝、中間分隔帶等對(duì)行車安全都有影響，其中尤以行車道寬度和路面狀況對(duì)道路安全的影響最大。因此，規(guī)劃設(shè)計(jì)人員在規(guī)劃設(shè)計(jì)中始終要貫徹以人為本的理念，為用戶提供安全、快速、便捷、舒適的公路交通基礎(chǔ)設(shè)施。

4  結(jié)論與建議

道路曲線實(shí)際上不是一條簡(jiǎn)單的平曲線或豎曲線，而應(yīng)該是一條自由舒展的空間曲線，它既能夠滿足行車的力學(xué)性能，又能滿足線形連續(xù)、指標(biāo)均衡、視覺良好、景觀協(xié)調(diào)、安全舒適等要求。

車輛在行駛過程中，存在一條曲率連續(xù)變化的軌跡，無論車速高低，這一軌跡線都是客觀存在的，它的形式和長(zhǎng)度則隨行駛速度、曲率半徑和司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的快慢而定。

在諸多的交通事故中，大部分駕駛員出事故的原因是由于困難的行駛條件所造成的，道路的幾何要素或線形組合不合理，都有可能導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

本文基于交通安全研究道路曲線元素的基本組合關(guān)系，指出曲線組合關(guān)系不當(dāng)是發(fā)生交通事故的主要原因之一，然后從汽車出發(fā)，提出用布勞斯曲線改進(jìn)道路曲線的設(shè)計(jì)方法和道路線形設(shè)計(jì)的核查方法，以滿足行車的力學(xué)性能，同時(shí)滿足線形連續(xù)、指標(biāo)均衡、視覺良好、景觀協(xié)調(diào)、安全舒適等要求，使道路曲線與地形和車輛的行駛軌跡達(dá)到完美的組合。