高速公路內(nèi)側(cè)車道采用緊急制動(dòng)停車視距安全風(fēng)險(xiǎn)分析

李 星，王 科，林宣財(cái)，李 濤，王 佐

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710075)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)行《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)(以下簡(jiǎn)稱《路線規(guī)范》[1])對(duì)圓曲線最小半徑和停車視距分別進(jìn)行了規(guī)定，因高速公路中間帶防撞護(hù)欄和防眩設(shè)施在圓曲線上遮擋駕駛員視線，造成停車視距所需要的圓曲線最小半徑比《路線規(guī)范》[1]中規(guī)定的圓曲線最小半徑大很多。山區(qū)高速公路地形條件復(fù)雜，為了更好的控制工程造價(jià)，早期已建高速公路較多項(xiàng)目平面圓曲線最小半徑采用一般值或接近一般值，如果依據(jù)《路線規(guī)范》[1]規(guī)定的停車視距所需要的圓曲線最小半徑進(jìn)行核查，較多路段不符合規(guī)范要求。根據(jù)山區(qū)高速公路內(nèi)側(cè)車道緊急制動(dòng)停車視距取值的研究，緊急制動(dòng)停車視距較規(guī)范值小，山區(qū)高速公路平面半徑較小路段如果采用緊急制動(dòng)停車視距，究竟有沒有安全風(fēng)險(xiǎn)或安全風(fēng)險(xiǎn)究竟多大這一核心問(wèn)題有必要開展系統(tǒng)的研究。

國(guó)內(nèi)針對(duì)停車視距安全風(fēng)險(xiǎn)的研究較少，長(zhǎng)安大學(xué)楊帆等[2]研究認(rèn)為通過(guò)提高視點(diǎn)目標(biāo)物高度至0.8 m時(shí)，規(guī)范規(guī)定的停車視距對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑值小于規(guī)范中圓曲線最小半徑，認(rèn)為沒有必要對(duì)中央分隔帶護(hù)欄進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)或增加高速公路占地措施。武漢理工大學(xué)張航等[3]提出滿足高速公路對(duì)應(yīng)安全等級(jí)的可靠性要求的停車視距。同濟(jì)大學(xué)吳斌等[4]利用遠(yuǎn)、近目標(biāo)點(diǎn)的轉(zhuǎn)向理論，建立更加符合實(shí)際駕駛員緊急轉(zhuǎn)向特征的變道模型，能較好地復(fù)現(xiàn)駕駛員緊急轉(zhuǎn)向變道行為。范爽等[5-10]以事故資料為依據(jù)，全面分析了公路平面設(shè)計(jì)中各元素之間組合關(guān)系的安全性，并提出了基于交通安全的高速公路平面設(shè)計(jì)指標(biāo)及其組合。陳雨人[11]建立視距計(jì)算模型，并將該模型應(yīng)用于實(shí)際隧道的視距檢驗(yàn)。文浩雄等[12]對(duì)高速公路中央分隔帶彎道路段橫凈距進(jìn)行驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)不能滿足停車視距要求，針對(duì)性地提出增大中央分隔帶橫凈距、設(shè)置限速標(biāo)志及減速標(biāo)線等措施。陳瑾等[13-16]考慮互通式立交出口車輛強(qiáng)制換道現(xiàn)象，提出了基于換道模型的分流區(qū)主線圓曲線最小半徑。張玥等[17-18]結(jié)合設(shè)計(jì)速度、圓曲線半徑、橫向力系數(shù) 、超高值及過(guò)渡段的關(guān)系進(jìn)行深入研究。

綜上，停車視距不足的問(wèn)題，多數(shù)研究?jī)H僅是與規(guī)范值的比較。為此，《公路路線及互通式立交安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究》課題組基于國(guó)內(nèi)外對(duì)停車視距計(jì)算參數(shù)取值的研究，提出緊急制動(dòng)停車視距概念，并研究表明在山區(qū)高速公路圓曲線半徑較小路段行駛時(shí)，駕駛員處于有預(yù)期的高警惕性狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)所做出停車決策的反應(yīng)時(shí)間要短于一般路段，以此計(jì)算緊急制動(dòng)停車視距，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為80 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑值與規(guī)范中規(guī)定的圓曲線最小半徑一般值基本一致；所以只要圓曲線半徑大于規(guī)范中規(guī)定的一般值，高速公路中間帶不需要特殊設(shè)計(jì)，但究竟安全風(fēng)險(xiǎn)有沒有或安全風(fēng)險(xiǎn)究竟多大，有必要進(jìn)行深入研究。

1 高速公路內(nèi)側(cè)車道采用緊急制動(dòng)停車視距概述

1.1 緊急制動(dòng)停車視距基本概念

(1)緊急制動(dòng)停車視距基本概念

車輛在高速公路行駛過(guò)程中，為了避免追尾或保證安全換道，駕駛員經(jīng)常需要制動(dòng)減速，但一般不需要緊急停車；如果發(fā)現(xiàn)前方障礙物是靜止的物體時(shí)需要緊急停車或換道，最短停車距離取決于駕駛員緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間和最大制動(dòng)減速度。當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方障礙物后采取緊急制動(dòng)所需要的反應(yīng)時(shí)間，與駕駛員年齡、性別、駕駛經(jīng)驗(yàn)有關(guān)系，但與行駛時(shí)駕駛員的警惕性程度關(guān)系最大。為了保證舒適制動(dòng)駕駛狀態(tài)，道路通行條件應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的停車視距要求，規(guī)范規(guī)定的停車視距是理想的停車視距。根據(jù)緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的取值研究，所謂緊急制動(dòng)停車視距是指：駕駛員處于有預(yù)期的或高警惕性駕駛狀態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)前方障礙物所需要的反應(yīng)時(shí)間較無(wú)預(yù)期的正常駕駛狀態(tài)短，相應(yīng)的計(jì)算停車視距較規(guī)范值小。

(2)高速公路內(nèi)側(cè)車道采用緊急制動(dòng)停車視距合理性分析

根據(jù)高速公路實(shí)測(cè)運(yùn)行速度分析，運(yùn)行速度分布圖中V85與高速公路限速基本一致，從圖3可知，設(shè)計(jì)速度或公路限速為120 km/h時(shí)，超過(guò)60%車輛行駛速度在110 km/h以下，僅有15%的駕駛員行駛速度達(dá)到或超過(guò)高速公路限速值，顯然對(duì)行駛速度在110 km/h以上的駕駛員在較小的圓曲線路段上行駛時(shí)，駕駛員通常有相當(dāng)警惕性。高速公路內(nèi)側(cè)車道作為超車道或快車道，是多車道高速公路限速最高的車道，車輛在內(nèi)側(cè)車道上行駛，駕駛員需要保持高速行駛的相當(dāng)警惕性狀態(tài)；另一方面，從左偏線形停車視距分析，內(nèi)側(cè)車道行駛條件為最不利位置，車輛在內(nèi)側(cè)車道保持限制速度高速進(jìn)入較小圓曲線半徑路段時(shí)，駕駛員從對(duì)道路通行條件的預(yù)期考慮、駕駛狀態(tài)必須保持高警惕性；對(duì)行駛速度在110 km/h以下時(shí)舒適制動(dòng)停車視距滿足要求。所以，提出高速公路內(nèi)側(cè)車道采用緊急制動(dòng)停車視距。

圖1 高速公路內(nèi)側(cè)車道運(yùn)行速度分布

1.2 緊急制動(dòng)停車視距計(jì)算值及推薦值

根據(jù)“高速公路內(nèi)側(cè)車道小客車停車視距合理取值的研究”，小客車緊急制動(dòng)停車視距和舒適制動(dòng)停車視距計(jì)算值及推薦值如表1所示。表中計(jì)算參數(shù)取值：基于路面摩阻力系數(shù)的停車視距計(jì)算方法，摩阻力系數(shù)宜取0.46；基于制動(dòng)減速度計(jì)算方法，制動(dòng)減速度宜取4.51 m/s2；緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間取1.5 s，舒適制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間取2.5 s。

表1 緊急制動(dòng)停車視距和舒適制動(dòng)停車視距計(jì)算值及推薦值

2 山區(qū)高速公路內(nèi)側(cè)車道小客車采用緊急制動(dòng)停車視距安全風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 緊急制動(dòng)停車視距小于規(guī)范值路段發(fā)生概率與危害程度分析

2.1.1 高速公路左側(cè)車道被占發(fā)生概率分析

根據(jù)調(diào)查，高速公路車道內(nèi)側(cè)車道被占有3種情況：(1)在地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域出現(xiàn)山體滑坡，由于高速公路內(nèi)側(cè)車道停車視距不利位置在山體的外側(cè)，所以只有當(dāng)全幅路基的2/3被占時(shí)內(nèi)側(cè)車道才會(huì)被占，顯然滑坡體較大，中間帶防撞護(hù)欄和防眩設(shè)施可能遮擋不住視線；(2)發(fā)生交通事故，事故車輛尚未移除；(3)車輛落物，物體較大。這3類事故都是隨機(jī)偶發(fā)事件，并不完全在圓曲線半徑最小或較小的路段，對(duì)某一圓曲線路段而言發(fā)生概率非常小。

2.1.2 發(fā)生事故危害程度分析

根據(jù)《公路限速標(biāo)志設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3381-02—2020)(以下簡(jiǎn)稱《限速規(guī)范》)相關(guān)研究，行駛速度影響事故所導(dǎo)致傷害的嚴(yán)重程度，當(dāng)車輛行駛速度超過(guò)30 km/h，其所造成的傷害將超過(guò)人體的承受能力，但大多數(shù)人可以存活；被行駛速度50 km/h 的車輛撞擊時(shí)，大多數(shù)人會(huì)失去生命，如圖2。假設(shè)在高速公路內(nèi)側(cè)車道發(fā)現(xiàn)障礙物，且車輛沒有換道機(jī)會(huì)，以規(guī)范規(guī)定值為基準(zhǔn)，根據(jù)緊急制動(dòng)停車視距與規(guī)范值的差值，計(jì)算得到相應(yīng)的碰撞速度，見表2，不同設(shè)計(jì)速度可能的碰撞速度均低于20 km/h，顯然對(duì)車內(nèi)的人員傷害均非常小，對(duì)車輛損壞嚴(yán)重程度較低，高速公路上沒有行人，所以，即使出現(xiàn)碰撞事故安全風(fēng)險(xiǎn)較低，可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失較小。

圖2 行人與車輛碰撞遭受致命的可能性

表2 停車視距不足與碰撞速度表

2.2 換道行為的可能性及換道概率分析

2.2.1 換道長(zhǎng)度計(jì)算模型

當(dāng)車輛發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)，車輛采取緊急停車的同時(shí)會(huì)考慮換道行為。在內(nèi)側(cè)車道的車輛要完成變換到外側(cè)車道上，換道過(guò)程由發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間、尋找可插入間隙時(shí)間、變換車道時(shí)間等3部分組成，如圖3所示。

圖3 車輛換道過(guò)程示意圖

(1)緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間及距離L1

①緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間t1

根據(jù)前述，當(dāng)車輛發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)車輛采取緊急停車或換道行為的緊急制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，取1.603 s，即選擇信息容量1 bit且為有預(yù)期反應(yīng)時(shí)間的值。

②反應(yīng)時(shí)間前進(jìn)的距離L1

(2)

(2)等待可插入間隙時(shí)前進(jìn)的距離L2

車輛在準(zhǔn)備換道過(guò)程中，需要等待相鄰車道的可插入間隙時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的距離由式(3)計(jì)算。

(3)

式中,V為等待可插入間隙過(guò)程中車輛的行車速度；tw為平均等待一個(gè)可插入間隙的時(shí)間，由式(4)計(jì)算。

(4)

式中,t為車輛臨界間隙，一般取值為4.0 s；λ為單位時(shí)間的平均到達(dá)率，為直行交通量；τ為車頭時(shí)距的最小值，一般取值為1.2 s。

(3)判斷可插入間隙時(shí)行駛的距離L3

L3為判斷可插入間隙是否可以安全插入時(shí)縱向行駛距離，由式(5)計(jì)算。

(5)

式中,V為判斷可插入間隙過(guò)程中車輛的運(yùn)行速度。

(4)車輛變換一次車道時(shí)行駛的距離L4

研究表明，車輛的橫移速度為1 m/s，我國(guó)車道寬度3.75 m，根據(jù)“基于駕駛員視點(diǎn)位置的多車道高速公路最小圓曲線半徑研究”，換道橫移距離取3.05 m，橫移時(shí)間t4取值為3.05 s。車輛橫移時(shí)行駛的距離為L(zhǎng)4，由式(6)計(jì)算。

(6)

式中,V為變換車道過(guò)程中車輛的運(yùn)行速度。

(5)車輛換道距離L

綜合上述分析，得到車輛完成車道變換所需的距離，由式(7)計(jì)算。

L=L1+L2+L3+L4。

(7)

2.2.2 換道行為的可能性分析

根據(jù)上述換道計(jì)算公式計(jì)算，正常車輛換道所需要的距離要遠(yuǎn)大于停車視距，要在停車視距范圍內(nèi)完成換道，其前提條件必須是當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)能立即進(jìn)入可插入狀態(tài)，即換道距離L=L1+L4，同時(shí)可考慮障礙物占車道位置情況，本研究緊急制動(dòng)停車視距是以占半個(gè)車道(視點(diǎn)位置)為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，則L=0.771 V。按設(shè)計(jì)速度為120，100，80，60 km/h計(jì)算變換車道所需距離如表3。

表3 障礙物占道換道長(zhǎng)度計(jì)算表

從表3可知，如果障礙物占半個(gè)車道(視點(diǎn)位置)，在發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)能立即進(jìn)入變道情況下，換道長(zhǎng)度均短于緊急制動(dòng)停車視距，具有換道行為的可能性。

2.2.3 換道行為的可行性概率分析

車輛在準(zhǔn)備換道過(guò)程中，需要等待相鄰車道的可插入間隙時(shí)間，可插入間隙時(shí)間計(jì)算公式如下：

(8)

式中,tw為平均等待一個(gè)可插入間隙的時(shí)間，由式(4)計(jì)算。t為車輛臨界間隙，一般取值為4.0 s；λ為單位時(shí)間的平均到達(dá)率，為直行交通量；τ為車頭時(shí)距的最小值，一般取值為1.2 s。

根據(jù)可插入間隙時(shí)間計(jì)算結(jié)果，立即進(jìn)入換道行為的可行性概率，見表4。不同的設(shè)計(jì)速度，2級(jí)服務(wù)水平時(shí)換道概率超過(guò)65%，最高達(dá)79.4%；3級(jí)服務(wù)水平時(shí)換道概率在50%左右，最低為44.2%，最高達(dá)69%，顯然換道概率較大。

表4 換道行為的可行性概率

2.3 基于汽車剎車試驗(yàn)的剎車距離分析

根據(jù)許斌等[20]汽車剎車試驗(yàn)得到汽車剎車距離(表5)可知，在晴天路面干燥狀態(tài)下，相同的速度在剎車試驗(yàn)結(jié)果剎車距離相差較小，車速80 km/h時(shí)剎車距離20.18～25.42 m，車速100 km/h時(shí)剎車距離26.10～33.43 m。在小雨和中到大雨時(shí)，不同的路面類型及不同車型剎車距離相差相對(duì)較大；小雨?duì)顟B(tài)下，車速為80 km/h時(shí)剎車距離為23.50～29.50 m，相差3.35～4.79 m，車速100 km/h時(shí)剎車距離為30.70～37.53 m，相差3.85～4.72 m；在中到大雨?duì)顟B(tài)下，車速為80 km/h時(shí)剎車距離25.15～34.03 m，相差4.6～6.88 m，車速100 km/h時(shí)剎車距離為34.20～44.11 m，相差6.58～7.19 m。

表5 汽車剎車試驗(yàn)的剎車距離

該剎車試驗(yàn)是基于兩種不同路面結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，路面結(jié)構(gòu)類型不同，試驗(yàn)結(jié)果有差別，但相差不大，所以可作為停車視距計(jì)算取值時(shí)的參考依據(jù)。本研究推薦的緊急制動(dòng)停車視距及理想值，該汽車剎車試驗(yàn)的剎車距離相比較，仍然較小，而且設(shè)計(jì)速度越高，相差值越大，安全風(fēng)險(xiǎn)越小。

2.4 基于路面橫向力系數(shù)的高速公路平穩(wěn)運(yùn)行圓曲線最小半徑分析

2.4.1 橫向力系數(shù)計(jì)算公式

圓曲線路段路面橫向力系數(shù)計(jì)算公式如下：

(9)

式中，v為運(yùn)行速度；R為圓曲線半徑；i為超高橫坡值；μ為橫向力系數(shù)。

橫向力系數(shù)是反應(yīng)車輛圓曲線上行駛的力學(xué)指標(biāo)，與道路平面圓曲線半徑成反比，與運(yùn)行速度成正比。當(dāng)將路面與輪胎之間的摩阻系數(shù)作為橫向力系數(shù)時(shí)，即可分析計(jì)算速度與圓曲線半徑之間的關(guān)系；當(dāng)?shù)缆穲A曲線半徑和超高確定，即可分析運(yùn)行車速與其橫向力系數(shù)的關(guān)系。

2.4.2 基于橫向力系數(shù)的圓曲線安全性、舒適性判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)行《路線規(guī)范》第 7.3.2條文說(shuō)明：從人的承受能力與舒適感考慮，當(dāng)μ<0.10時(shí)，轉(zhuǎn)彎不感到有曲線的存在，很平穩(wěn)；當(dāng)μ=0.15 時(shí)，轉(zhuǎn)彎感到有曲線的存在，但尚平穩(wěn)；當(dāng)μ=0.20時(shí)，已感到有曲線的存在，并感到不平穩(wěn)；當(dāng)μ=0.35時(shí)，感到有曲線的存在，并感到不穩(wěn)定；當(dāng)μ>0.40時(shí)，轉(zhuǎn)彎非常不穩(wěn)定，有傾覆的危險(xiǎn)。

2.4.3 基于橫向力系數(shù)安全性判別標(biāo)準(zhǔn)的圓曲線最小半徑

我國(guó)現(xiàn)行《路線規(guī)范》對(duì)圓曲線最小半徑取值計(jì)算時(shí)，一般值和極限值對(duì)應(yīng)的橫向力系數(shù)非常小，見表6，極限值對(duì)應(yīng)的μ=0.10～0.15。不同的橫向力系數(shù)對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑計(jì)算結(jié)果如表7所示。當(dāng)μ=0.10時(shí)，對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑均小于規(guī)范規(guī)定的一般值；當(dāng)μ=0.15 時(shí)，對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑均小于規(guī)范規(guī)定的極限值。根據(jù)《公路限速標(biāo)志設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3381-02—2020)條文說(shuō)明第5.4.2條：“隨著車輛性能大幅提升，μ值的冗余性非常充足”，“在圓曲線上的安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以μ值不大于0.15為限制值較為合適”。因此，根據(jù)路面橫向力系數(shù)計(jì)算圓曲線最小半徑進(jìn)行安全性分析，充分表明滿足緊急制動(dòng)停車視距要求的平曲線交通安全風(fēng)險(xiǎn)非常小。

表6 不同橫向力系數(shù)的圓曲線最小半徑計(jì)算表

3 結(jié)論

研究主要從高速公路內(nèi)側(cè)車道被占概率、停車視距不足時(shí)可能碰撞速度與風(fēng)險(xiǎn)，以及換道行為的可能性與換道概率等多角度進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)調(diào)查，高速公路車道內(nèi)側(cè)車道被占有3種情況，但事故都是隨機(jī)偶發(fā)事件，并不完全在圓曲線半徑最小或較小的路段，對(duì)某一圓曲線路段發(fā)生概率非常小。而且，根據(jù)緊急制動(dòng)停車視距與規(guī)范值比較，即使在緊急制動(dòng)停車視距范圍未能將車輛停止，經(jīng)計(jì)算不同的設(shè)計(jì)速度可能的碰撞速度均低于20 km/h，對(duì)車內(nèi)的人員傷害非常小，對(duì)車輛損壞嚴(yán)重程度較低，即使出現(xiàn)碰撞行人事故，安全風(fēng)險(xiǎn)較低，可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失小，建議山區(qū)高速公路采用緊急制動(dòng)停車視距作為內(nèi)側(cè)車道圓曲線最小半徑的控制指標(biāo)。

(2)正常車輛換道所需要的距離要遠(yuǎn)大于停車視距，要在停車視距范圍內(nèi)完成換道，其前提條件必須是當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方有障礙物時(shí)能立即進(jìn)入可插入狀態(tài)，以此計(jì)算結(jié)果障礙物占半個(gè)車道(視點(diǎn)位置)且在發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)能立即進(jìn)入變道行為下，不同設(shè)計(jì)速度換道長(zhǎng)度均短于緊急制動(dòng)停車視距，具有換道行為的可能性。

(3)根據(jù)可插入間隙時(shí)間計(jì)算結(jié)果，不同的設(shè)計(jì)速度，2級(jí)服務(wù)水平時(shí)換道概率超過(guò)65%，最高達(dá)79.4%；3級(jí)服務(wù)水平時(shí)換道概率在50%左右，最低為44.2%，最高達(dá)69%，顯然換道概率比較高，特別是交通量較小的高速公路。

(4)根據(jù)許斌等[20]汽車剎車試驗(yàn)得到的汽車剎車距離，與基于緊急制動(dòng)減速度a=4.51 m/s2時(shí)計(jì)算的設(shè)計(jì)速度80 km/h剎車距離為54.75 m，設(shè)計(jì)速度100 km/h時(shí)剎車距離為85.54 m相比較，緊急制動(dòng)停車視距安全冗余度富余較大。

(5)根據(jù)橫向力系數(shù)對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑計(jì)算結(jié)果，當(dāng)μ=0.10時(shí)，對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑均小于規(guī)范規(guī)定的一般值；當(dāng)μ=0.15 時(shí)，對(duì)應(yīng)的圓曲線最小半徑均小于規(guī)范規(guī)定的極限值，相比較滿足緊急制動(dòng)停車視距要求的平曲線交通安全風(fēng)險(xiǎn)非常小。