基于交通安全的道路线形分析(1)(2)

2  道路线形与交通安全的关系

公路的线形最终是以平面线形、纵断面线形和横断面形式组合而成的立体线形映入驾驶员眼帘的。驾驶员在驾驶车辆过程中所选定的实际行驶速度，是由他对三维立体线形的判断做出的。公路的立体线形除必须满足驾驶动力学要求的最小值外，还应满足驾驶员视觉心理方面连续、舒适的要求，反映公路线形好坏的关键是速度的连续性，它直接影响道路交通的安全。

通过对多起交通事故的分析，我们发现：公路线形几何要素的不合理以及各种不良的线形组合，均可能导致交通事故的发生。

(1) 直线：过长的直线段，易使驾驶员因景观单调而产生疲劳，注意力不集中，反应迟缓，一旦有突显信息出现，就会因措手不及而肇事，如表２所示。另外，驾驶员在长直路段爱开快车，致使车辆进入直线路段末段后的曲线部分速度仍较高，若遇到弯道超高不足，往往导致倾覆或其它类型的交通事故。

(2) 曲线：据美国公路部门统计，在弯道上发生的事故约占全部事故的10%以上，特别是与陡坡和路面滑溜等情形加在一起时，发生在弯道上的事故要比直线上多。

(3) 平曲线：平曲线即弯道，平曲线与交通事故的关系很大。在圆曲线上，由于横向力的存在，对汽车的安全行驶会产生不利影响。大半径曲线比小半径曲线的事故率低；连续曲线当半径协调时事故率比不协调时低。调查表明曲率愈大，事故率愈高；尤其是曲率在10以上时，事故率急剧增大。原因是曲率越大，汽车在运行中的转弯半径越小，视线盲区增大。

(4) 竖曲线：由于道路的凸形竖曲线半径过小时，会影响到驾驶员的视距，使其视野变小,此时驾驶员不易发现前方情况，容易发生碰撞。凸形竖曲线上的视距越短，则交通事故也越频繁。

(5) 纵坡度：调查表明，在平原地区、丘陵地区和山区道路上，发生于坡道部分的交通事故分别占17%、18%和25%。分析坡道上交通事故率高的原因，主要是下坡时，驾驶员为节油常采取熄火滑行的操作方法，一旦遇到紧急情况来不及采取应急措施，此类事故约占坡道事故的24%，这样的事故案例不少。车辆下长坡时，由于重力作用，行驶速度过高，制动非安全区过长，频繁使用制动致使制动产生热衰减，遇有紧急情况不能及时停车，此种原因引起的事故占坡道事故的40%；车辆上坡行驶时，由于超越停放或后备功率较小的低速行驶车辆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) 线形组合：行车安全性的大小与不同线形之间的组合是否协调有密切的关系,下列不良的线形组合往往是导致交通事故发生的重要原因：

① 线形的骤变，如长直线的末端设置急转弯曲线,尤其是长下坡(大于1ｋｍ)接小半径曲线是有危险倾向的设计，易造成车辆在不自觉的高速情况下驶入平曲线，事故隐患大为增加。

② 在连续的高填方路段，如果没有良好的视线引导，驾驶员容易使车辆偏离车道中心线，可能冲出路面，酿成车祸。

③ 短直线介于两个弯曲的圆曲线之间，形成断背曲线，这样容易使驾驶员产生错觉，把线形看成反向曲线，从而发生操作错误，甚至酿成车祸。

④ 在直线路段的凹形纵断面上，驾驶员位于下坡时看到对面的上坡段，容易产生错觉，把上坡的坡度看得比实际的坡度大。这样驾驶员就有可能加速以便冲上对面的上坡路段；同时，在下坡路段看上坡路段，驾驶员觉察不出自己是在下坡，因而有可能发生事故。

⑤ 在凸形竖曲线与凹形竖曲线的顶部或底部插入急转弯的平曲线，前者因为没有视线引导而必须急打方向盘；后者在超出汽车设计速度的地方仍然要急打方向盘，这些都是极易引起交通肇事的。美国人扬格在加利福尼亚的调查，凸形竖曲线上的视距越短，则交通事故也越频繁。在凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部设置断背曲线，在前者情况下，视线失去诱导效果，在公路上行驶的车辆好象突入空中的感觉，而且因接近顶点才知道线形开始向相反的方向弯曲，易使驾驶员因紧张而操作方向盘失误。

⑥ 在平面曲线内，如果纵断面反复凹凸，每当产生这样的问题，即形成只能看见脚下和前头，而看不见中间凹陷的线形，这样的线形容易发生事故。

⑦ 转弯半径较小的平曲线与陡坡组合在一起时，则会使事故急剧增加。

⑧ 是否设置缓和曲线对于圆曲线上安全特性有着较为显著的影响，未设缓和曲线的圆曲线，事故数显著地高于设置了缓和曲线的圆曲线段。

⑨ 纵坡长度过短，出现锯齿形纵断面，这种地形使行车频繁颠簸，甚至可能产生颠簸的叠加与共震，危及安全。视觉上，这种地形使驾车者有路线不连续，坡长越来越小，线形破碎的感觉。坡长过大，下坡时使得车辆速度渐增，也不利于安全。

3  道路条件的改进和核查

道路设计和规划的安全审查起源于90年代初，随后在英国、澳大利亚、新西兰得以推广。我国是世界上道路交通事故最频发的国家之一，为提高我国道路安全水平，必须从公路规划设计抓起，将安全性要求置于首位，并贯穿于公路规划设计的全过程。

公路的线形最终是以平面线形、纵断面线形和横断面形式组合而成的立体线形映入驾驶员眼帘的。驾驶员在驾驶车辆过程中所选定的实际行驶速度，是由他对三维立体线形的判断做出的。公路的立体线形除必须满足驾驶动力学要求的最小值外，还应满足驾驶员视觉心理方面连续、舒适的要求，反映公路线形好坏的关键是速度的连续性，它直接影响道路交通的安全。麦克康纳尔在经过大量的实验后认为：虽然当车辆在弯道上行驶时，它的6个自由度都处在变化之中，但人体的感觉器官并不是对所有的运动自由度的变化都能感知，而是只有当这些自由度的变化大到一定的程度后，驾驶员和乘客才会感觉得到，并逐渐大到影响人体舒适性；使各个运动自由度的特性值控制在感觉极限值以内，则车辆的行驶舒适性好，乘员将难以凭感觉器官感觉到弯道的存在，从而达到车辆在水平直路段上行驶时的舒适程度。

通过对大量线形实例及事故多发地段的分析对比，确定组合曲线多发交通事故的症结之一是：组合曲线中线形元素的起点和终点衔接不畅，其曲率变化不连续，出现陡变点。为了弥补这一不足，我们引入布劳斯关于汽车行驶规律的研究成果，考虑我国道路现状和国情，基于交通安全的角度对布劳斯曲线的研究成果进行改进和完善。

布劳斯曲线是以满足车辆行驶重心轨迹的三个主要特征（即车辆行驶重心轨迹连续且光滑、重心行驶轨迹曲率连续、重心行驶轨迹曲率变化率连续）为目标提出的过渡曲线形式中， 为缓和曲线上任意点的曲率； 为缓和曲线上任意点的平曲线半径； 为圆曲线半径； 为计算点至缓和曲线起点的距离（弧长）； 为缓和曲线的总长度。

根据上式，布劳斯曲线起点处的曲率 ；布劳斯曲线终点处的曲率 ；且布劳斯曲线在起点 和终点 处有极值，这与车辆行驶重心轨迹特征及物理特性完全吻合，符合设计意图。

布劳斯曲线已经在德国、日本的试车场高速环道中取得了成功的应用，但布劳斯曲线作为一种纯数学型的缓和曲线，其几何设计方法中并未考虑技术参数的选择对高速舒适性的影响，而且目前这种技术只限于高速环道，没有更广泛的应用于民用的高速公路，其次布劳斯公式只是从平面上解决了组合曲线曲率连续的问题，但弯道部分是一个三维空间实体，平纵横断面的设计是一个相互联系相互结合的有机整体，布劳斯几何设计方法并未就弯道超高、纵坡度等进行深入的分析和研究。

根据现有的研究状况，为了使道路曲线尽可能接近光滑的自由曲线，本文建议在道路曲线设计时采有布劳斯曲线进行计算，并同时对道路曲线进行如下核查。

(1) 在平曲线上应该保持期望车速的连续性，如果由于经济和环境的原因在某一地点标准降低，就应通过清晰的标志、标线和其它警告设施提前告之驾驶员前方潜在的危险，并引导他们安全通过危险位置。

(2) 曲线的偏角不能太小。曲线偏角过小时，曲线长度将会看起来比实际的要短，使驾驶员对公路产生急转弯的错觉，这种错觉偏角越小越显著。因此，当偏角小时应设置较长的曲线，使之形成公路是在顺适转变的感觉，以避免驾驶员枉作减速的准备。

(3) 为了确保行车安全，要求曲线的长度不能太短，以免使汽车在曲线上悠忽而过，增加驾驶员的操作困难。对于曲线间的直线长度也应加以控制，在同向或反向曲线之间如果直线太短，同样会引起安全问题，因此应加以控制。

(4) 尽可能使用缓和曲线，使用道路曲线能自由流畅。缓和曲线是从安全角度出发设计的一条驾驶员易于遵循的路线，能使车辆在进入或离开圆曲线时不致侵入邻近的车道。

(5) 慎用直线，直线长度的长短直接影响车辆的行车安全。直线过长时，在长直线上行车过于单调乏味，容易造成驾驶人员的疲乏和放松警惕。

(6) 与地形相适应的路线不仅能诱导驾驶员的视线，而且能使司乘人员心情舒畅，提高驾驶的安全性。

(7) 在纵断面设计中，影响交通安全的因素有纵坡、坡长和竖曲线半径，采用较小的纵坡和大半径的竖曲线，能同时为驾驶员提供良好的视距及超车机会，有利于行车安全。因此，在竖曲线设计中就尽量避免连续的短竖曲线(特别是在直线路段)和长而浅的凹型竖曲线上应确保道路的横向排水系统。

(8) 横断面设计要素包括路面、路肩、路拱、路缘带、边沟、中间分隔带等对行车安全都有影响，其中尤以行车道宽度和路面状况对道路安全的影响最大。因此，规划设计人员在规划设计中始终要贯彻以人为本的理念，为用户提供安全、快速、便捷、舒适的公路交通基础设施。

4  结论与建议

道路曲线实际上不是一条简单的平曲线或竖曲线，而应该是一条自由舒展的空间曲线，它既能够满足行车的力学性能，又能满足线形连续、指标均衡、视觉良好、景观协调、安全舒适等要求。

车辆在行驶过程中，存在一条曲率连续变化的轨迹，无论车速高低，这一轨迹线都是客观存在的，它的形式和长度则随行驶速度、曲率半径和司机转动方向盘的快慢而定。

在诸多的交通事故中，大部分驾驶员出事故的原因是由于困难的行驶条件所造成的，道路的几何要素或线形组合不合理，都有可能导致交通事故的发生。

本文基于交通安全研究道路曲线元素的基本组合关系，指出曲线组合关系不当是发生交通事故的主要原因之一，然后从汽车出发，提出用布劳斯曲线改进道路曲线的设计方法和道路线形设计的核查方法，以满足行车的力学性能，同时满足线形连续、指标均衡、视觉良好、景观协调、安全舒适等要求，使道路曲线与地形和车辆的行驶轨迹达到完美的组合。

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