高速公路護(hù)欄設(shè)置評(píng)價(jià)模型研究

1、高速公路護(hù)欄設(shè)置評(píng)價(jià)模型研究鄧寶，于海霞，張紹理，白書鋒 (北京中路安交通科技有限公司，北京，100071)摘要： 護(hù)欄是我國(guó)高速公路最主要的安全防護(hù)設(shè)施之一。本文通過(guò)對(duì)影響高速公路護(hù)欄設(shè)置影響因素的分析，確定了高速公路護(hù)欄設(shè)置的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算模型，并對(duì)模型中參數(shù)的確定提出了合理的計(jì)算方法。該護(hù)欄設(shè)置評(píng)價(jià)方法具有較強(qiáng)的可操作性，能夠針對(duì)不同高速公路的道路交通條件對(duì)不同路段的護(hù)欄防護(hù)等級(jí)進(jìn)行合理選擇，從而保證整條道路護(hù)欄的安全防護(hù)等級(jí)，提高道路的安全性。關(guān)鍵詞：高速公路 中央分隔帶護(hù)欄 路側(cè)護(hù)欄 評(píng)價(jià)模型Research of Barrier Installation Evalu

2、ation Model on HighwayDeng Bao, Yu Hai-xia, Zhang Shao-li, Bai Shu-feng(Beijing Zhongluan Traffic Technological Co.,Ltd，Beijing, 100071)Abstract: Barrier is one of the most important safety protection facilities on highway. In this paper, based on the analysis of the influencing factors on barrier s

3、etting, the evaluating indicator of barrier installation on highway is defined, the calculation model of evaluating indicator is established and the rational calculation method of parameters in the model is mentioned. This evaluating method of barrier installation has a good operability, it can choo

4、se the protection grade of barrier reasonably in different road according to the traffic conditions on different highway and improve the security effectively.Keywords: Highway; Median Barrier; Roadside Barrier; Evaluation Model0 引言護(hù)欄是我國(guó)高速公路上最主要的安全設(shè)施之一，護(hù)欄設(shè)置的好壞直接影響高速公路的運(yùn)營(yíng)安全，因此，高速公路護(hù)欄設(shè)置的目標(biāo)是：護(hù)欄的防護(hù)能力與安全要

5、求相適應(yīng)，最大可能地減少交通事故造成的損失。護(hù)欄的設(shè)置受到多方面因素的影響，包括安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性、環(huán)境限制等，其中最重要的兩個(gè)方面是安全和經(jīng)濟(jì)。一般而言，護(hù)欄的防護(hù)能力越高，護(hù)欄的造價(jià)也就越高，因此，在滿足安全防護(hù)要求的情況下，護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)應(yīng)與路段的危險(xiǎn)程度相適應(yīng)，過(guò)度防護(hù)是不經(jīng)濟(jì)的，也是沒(méi)有必要的。這就需要通過(guò)對(duì)護(hù)欄合理設(shè)置方法的研究，使護(hù)欄的設(shè)置達(dá)到既要保證安全，又要降低造價(jià)，達(dá)到“恰到好處”的目標(biāo)，取得最佳的性價(jià)比。1 護(hù)欄防護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定我國(guó)對(duì)道路交通安全的分析方法，一般分為數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法和強(qiáng)度分析的方法兩種。數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法主要以數(shù)學(xué)中概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)事故的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分

6、析，其統(tǒng)計(jì)依據(jù)是交通事故的指標(biāo)值，對(duì)其他因素考慮較少或不予考慮。這種方法在統(tǒng)計(jì)上簡(jiǎn)單易行，但這種方法對(duì)事故的分析過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮到不同道路交通條件的差別，使得結(jié)果缺乏科學(xué)性和說(shuō)服力。強(qiáng)度分析的方法主要是在事故指標(biāo)的基礎(chǔ)上結(jié)合道路交通的其他因素，得出的一個(gè)綜合評(píng)判指標(biāo)，以此指標(biāo)作為評(píng)判的依據(jù)進(jìn)行道路交通安全性能的評(píng)價(jià)。在強(qiáng)度分析法中加入了相對(duì)參照數(shù)據(jù)，使得不同道路的指標(biāo)間的比較更加合理，令人比較信服，特別是萬(wàn)車死亡率和億車公里事故數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)，不同地區(qū)道路之間的其他因素差異比較小，因而具有良好的可比性。根據(jù)公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則（JTG/T D81-2006）對(duì)不同防撞等級(jí)護(hù)欄的適用條件的規(guī)定

7、1、2（見(jiàn)表1和表2），其中對(duì)什么樣的路段車輛駛出路外可能造成的交通事故的等級(jí)很難判斷。因此，我們根據(jù)公安部對(duì)道路交通事故的的等級(jí)劃分，其等級(jí)劃分如下：輕微事故：是指一次造成輕傷1至2人，或者財(cái)產(chǎn)損失機(jī)動(dòng)車事故不足1000元，非機(jī)動(dòng)車事故不足200元的事故；一般事故：是指一次造成重傷1至2人，或者輕傷3人以上，或者財(cái)產(chǎn)損失不足3萬(wàn)元的事故；重大事故：是指一次造成死亡1至2人，或者重傷3人以上10人以下，或者財(cái)產(chǎn)損失3萬(wàn)元以上不足6萬(wàn)元的事故；特大事故：是指一次造成死亡3人以上，或者重傷11人，或者死亡1人，同時(shí)重傷8人以上，或者死亡2人，同時(shí)重傷5人以上，或者財(cái)產(chǎn)損失6萬(wàn)元以上的事故3。表1

8、路基護(hù)欄防撞等級(jí)的適用條件公路等級(jí)設(shè)計(jì)速度（km/h）車輛駛出路外或進(jìn)入對(duì)向車道有可能造成的交通事故等級(jí)一般事故或重大事故單車特大事故或二次重大事故二次特大事故高速公路120A、AmSB、SBmSS100、80SA、SAm表2 橋梁護(hù)欄防撞等級(jí)的適用條件公路等級(jí)設(shè)計(jì)速度（km/h）車輛駛出橋外可能造成的交通事故等級(jí)重大事故或單車特大事故二次重大事故或二次特大事故高速公路120SB、SBmSS100、80SA、SAm同時(shí)，我們結(jié)合對(duì)高速公路車輛碰撞護(hù)欄事故的調(diào)查分析，路段億車公里死亡率既能反映路段的安全狀況，又能間接反映該路段發(fā)生交通事故的等級(jí)。我們將由于護(hù)欄防護(hù)能力不足造成的年億車公里死亡率作

9、為量化指標(biāo)，以此來(lái)評(píng)價(jià)高速公路護(hù)欄設(shè)置的優(yōu)劣。路段億車公里死亡率的計(jì)算公式如下： （1-1）根據(jù)高速公路發(fā)生事故路段億車死亡率的調(diào)查以及理論分析，我們對(duì)可能發(fā)生不同類型事故路段億車公里死亡率的安全等級(jí)進(jìn)行了劃分，其初步劃分不同安全防護(hù)等級(jí)下所允許的億車公里死亡率如表3所示。表3 路段億車公里死亡率防護(hù)等級(jí)劃分表護(hù)欄安全防護(hù)等級(jí)億車公里死亡率（人/億車公里·年）一級(jí)<10二級(jí)1020三級(jí)2030四級(jí)>302 高速公路路段億車公里死亡率模型2.1 模型的建立通過(guò)對(duì)我國(guó)高速公路交通事故的調(diào)查分析，影響與護(hù)欄相關(guān)的年億車公里死亡率的因素主要有車輛碰撞護(hù)欄的事故率、車輛沖越護(hù)欄的比

10、例以及車輛沖越護(hù)欄后造成的死亡率。通過(guò)研究，我們建立與護(hù)欄碰撞交通事故的年億車公里死亡率的初步計(jì)算模型。模型如下： （2-1）式中：N年億車公里死亡率（人/億車公里·年）；P碰撞護(hù)欄的事故率（起/億車公里·年）；Jg越過(guò)護(hù)欄的比例（%）；Jl被護(hù)欄攔住的比例（%），Jl+Jg=1；Kg越過(guò)護(hù)欄后的死亡率（人/起）；Kl被護(hù)欄攔住后的死亡率（人/起）。由于被護(hù)欄攔住的事故車輛死亡率很低，因而，上式可以簡(jiǎn)化為： （2-2）在式（2-2）中， P可以通過(guò)實(shí)際調(diào)查得到，Jg可以通過(guò)碰撞事故的能量分布函數(shù)與護(hù)欄的防護(hù)能力對(duì)比得到，Kg的值最難得到，必須通過(guò)大量的調(diào)查數(shù)據(jù)回歸才行。由于

11、不同車型的P、Kg、Jg值等均存在較大的差異，研究中有可能采用分車型計(jì)算的辦法。根據(jù)對(duì)高速公路交通量和交通事故的調(diào)查，我們將車型大體可以劃分為小客車、大客車和貨車。億車公里死亡率按下式計(jì)算： （2-3）式中：N億車公里死亡率；Ncar小客車的億車公里死亡率；Nbus大客車的億車公里死亡率；Ntruck貨車的億車公里死亡率。另外，考慮到不同車輛碰撞中央分隔帶護(hù)欄和路側(cè)護(hù)欄的差異性，我們將中央分隔帶護(hù)欄和路側(cè)護(hù)欄的億車公里死亡率分開(kāi)計(jì)算，綜合以上各種因素，與護(hù)欄相關(guān)的高速公路年億車公里死亡率模型如下： （2-4）式中： i表示不同車型（小客、大客、貨車）碰撞中央分隔帶護(hù)欄；j表示不同車型（小客、大

12、客、貨車）碰撞路側(cè)護(hù)欄。護(hù)欄網(wǎng),; 電焊網(wǎng),; 護(hù)欄，圍欄，2.2 車輛碰撞護(hù)欄的事故率P由于每條道路都可能在主要功能、服務(wù)范圍、線形條件、交通量、交通構(gòu)成等方面存在差異，因此事故車輛構(gòu)成也不盡相同。根據(jù)國(guó)內(nèi)十五條高速公路的交通流狀況與車型比重，主要從小客車、大客車和貨車三種車型來(lái)考慮，高速公路運(yùn)行車輛和碰撞護(hù)欄車輛車型比例對(duì)比見(jiàn)表4。表4 高速公路運(yùn)行車輛和碰撞護(hù)欄車輛車型比例對(duì)比表 車型類別 小客車大客車貨車實(shí)際運(yùn)行車輛比例54.8%14.8%30.4%碰撞護(hù)欄車輛類型比例30.5%19%50.5%在護(hù)欄碰撞事故調(diào)查中，對(duì)京石、石安、石太、青銀、邯長(zhǎng)等九條高速公路車輛碰撞護(hù)欄的事故資料進(jìn)行

13、了收集和統(tǒng)計(jì)，結(jié)合該路段的交通量抽樣調(diào)查，根據(jù)公式（2-5）對(duì)不同類型車輛碰撞護(hù)欄的事故率做出分析。見(jiàn)表5。 （2-5）表5 高速公路分車型車輛碰撞護(hù)欄事故率車輛碰撞護(hù)欄事故率（次/年億車公里）40.43事故分類碰撞中央分隔帶護(hù)欄碰撞路側(cè)護(hù)欄比例31%69%事故率（次/年億車公里）12.5327.90車型小客大客貨車小客大客貨車碰撞護(hù)欄車型比例30.5%19%50.5%30.5%19%50.5%分車型碰撞護(hù)欄事故率3.822.386.338.515.3014.092.3 車輛越過(guò)護(hù)欄的比例Kg通過(guò)分析，車輛能否沖越護(hù)欄，主要取決于車輛碰撞護(hù)欄時(shí)在垂直護(hù)欄方向沖擊能量的大小，如果能量超過(guò)護(hù)欄的防

14、撞能力，車輛就將越過(guò)護(hù)欄。因此，我們將對(duì)不同類型車輛的碰撞護(hù)欄時(shí)的能量進(jìn)行研究，通過(guò)車輛碰撞能量與護(hù)欄防撞能力的比較，從而確定車輛越過(guò)不同防撞等級(jí)護(hù)欄的比例。車輛碰撞護(hù)欄時(shí)，在垂直護(hù)欄方向上的能量計(jì)算公式如下： （2-6）式中：車輛碰撞護(hù)欄能量（kJ）； 碰撞護(hù)欄的車輛質(zhì)量（t）；車輛的碰撞速度（m/s）；車輛的碰撞角度（0）；g重力加速度（9.81m/s2）1。參數(shù)碰撞護(hù)欄車輛質(zhì)量（m），根據(jù)我們對(duì)高速公路交通事故的調(diào)查分析，將碰撞護(hù)欄車輛類型分為小客車、大客車、貨車三種車型，對(duì)不同類型車輛的質(zhì)量分別進(jìn)行確定。參數(shù)車輛碰撞角度（），根據(jù)交通部2006年9月1日頒布的公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則（

15、JTG/T D812006）對(duì)車輛碰撞護(hù)欄角度的統(tǒng)計(jì)分析，確定我國(guó)護(hù)欄的碰撞角度為200。參數(shù)碰撞護(hù)欄的速度（v），車輛碰撞護(hù)欄時(shí)的速度大小主要取決于車輛在碰撞護(hù)欄前的運(yùn)行速度。根據(jù)現(xiàn)行的高速公路設(shè)計(jì)方法，高速公路線形的設(shè)計(jì)是以計(jì)算行車速度作為基礎(chǔ)參數(shù)，規(guī)定線形設(shè)計(jì)要素的最小指標(biāo)值。而實(shí)際上，車輛在公路上行駛時(shí)，駕駛員是根據(jù)道路條件特別是線形幾何條件來(lái)不斷調(diào)整車速的，實(shí)際車速經(jīng)常會(huì)超過(guò)計(jì)算行車速度。另外，由于在碰撞時(shí)司機(jī)可能采取的制動(dòng)措施，碰撞速度會(huì)低于實(shí)際運(yùn)行速度。因此，我們首先通過(guò)對(duì)不同設(shè)計(jì)時(shí)速的車輛實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行研究，然后確定車輛碰撞護(hù)欄的速度。根據(jù)公式（2-6），對(duì)不同設(shè)計(jì)速度條件下

16、，不同防撞等級(jí)護(hù)欄防止車輛越出護(hù)欄的概率的研究，則單車碰撞護(hù)欄車輛沖越護(hù)欄的概率見(jiàn)表6。表6 不同設(shè)計(jì)速度情況下，車輛沖出不同防撞等級(jí)護(hù)欄的比例Jg車型護(hù)欄等級(jí)小客車大客車貨車設(shè)計(jì)速度（km/h）120100801201008012010080B-70kJ0.280.1301.01.01.01.00.970.94A-160kJ0000.970.920.820.820.800.75SB-280kJ0000.610.550.430.460.420.38SA-400kJ0000.260.180.070.230.190.13SS-520kJ0000.04000.130.050.032.4 車輛越過(guò)護(hù)欄

17、的死亡率Jg2.4.1 車輛載客人數(shù)統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)實(shí)際調(diào)查，我們分別對(duì)高速公路小客車、大客車和貨車的載客人數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)了分析，其小客車、大客車和貨車的載客人數(shù)概率密度分布曲線見(jiàn)圖1，平均載客人數(shù)見(jiàn)表7。 圖1 小客車、大客車、貨車載客人數(shù)概率密度分布曲線表7 不同類型車型平均載客人數(shù) （單位：人）車型小客車大客車貨車平均載客人數(shù)2.6729.232.782.4.2 車輛越過(guò)中央分隔帶護(hù)欄死亡率分析由于車輛沖越中央分隔帶護(hù)欄與對(duì)向車輛碰撞具有隨機(jī)性，因此，我們運(yùn)用交通工程學(xué)中的交通流理論對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究。這里主要分析車輛沖越護(hù)欄后在穿過(guò)對(duì)向車道的過(guò)程中，與對(duì)向車輛碰撞發(fā)生二次事故的情況；如果沒(méi)有與

18、對(duì)向車輛發(fā)生碰撞，則事故的死亡率極低，可以近似為零。對(duì)于車輛穿過(guò)對(duì)向車道不與對(duì)向車輛發(fā)生碰撞，而是穿越對(duì)向車道路側(cè)護(hù)欄的特殊情況，以及碰撞中央分隔帶后翻車的事故，由于其概率較小，不作為主要分析對(duì)象。根據(jù)交通流理論，在車流密度不大，其他外界干擾因素基本不存在的情況下，即車流是隨機(jī)的情況，車輛在一定的時(shí)間間隔內(nèi)到達(dá)某一斷面的的車輛數(shù)服從泊松分布，其基本公式如下： （2-7）式中：在穿過(guò)護(hù)欄車輛通過(guò)對(duì)向車道t內(nèi)對(duì)向到達(dá)k輛車的概率； 對(duì)向車道平均到車率（輛/s）； t穿過(guò)護(hù)欄車輛通過(guò)對(duì)向車道的時(shí)間（s）； e自然對(duì)數(shù)的底4。這里若令在穿過(guò)護(hù)欄車輛通過(guò)對(duì)向車道的時(shí)間t內(nèi)對(duì)向車道平均到達(dá)的車輛數(shù)。遞推公

19、式如下： （2-8）這里，當(dāng)車輛沖越中央分隔帶時(shí)，如果車輛在穿越對(duì)向車道時(shí)間t內(nèi)，對(duì)向車道有車輛到達(dá)，我們就認(rèn)為車輛與對(duì)向車輛碰撞發(fā)生二次事故。我們可以通過(guò)公式（2-8）對(duì)發(fā)生碰撞的概率進(jìn)行計(jì)算。則越過(guò)中央分隔帶護(hù)欄的車輛發(fā)生二次事故的概率為： （2-9） 根據(jù)對(duì)十七條高速公路及行車狀況進(jìn)行實(shí)際調(diào)查分析，小客車由于碰撞能量較小，沖越中央分隔帶的概率較小。因此，在假設(shè)交通量Q=2萬(wàn)輛/日的情況下，我們選用大客車和貨車進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的車輛沖越中央分隔帶后，車輛發(fā)生二次事故的概率為：=0.2725 （2-10）通過(guò)對(duì)實(shí)際調(diào)查得到的護(hù)欄事故資料和收集媒體資料得到的2004年至2006年護(hù)欄沖越中央分隔

20、帶二次事故及一般等級(jí)公路車輛正碰事故資料共155起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出車輛沖越中央分隔帶護(hù)欄發(fā)生二次事故死亡率為7.38人/起，二次事故死亡人數(shù)占總載客人數(shù)的比例為51.96%。車輛沖越中央分隔帶事故死亡率Kg=二次事故車輛死亡率×車輛發(fā)生二次事故的概率=7.38人/起×0.2725=2.01人/起。2.4.3 車輛越過(guò)路側(cè)護(hù)欄死亡率分析在公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則（JTG/T D812006）路基護(hù)欄設(shè)置原則中指出：決定是否設(shè)置路堤護(hù)欄的關(guān)鍵因素是路堤高度和邊坡坡度。經(jīng)過(guò)分析，車輛沖出路側(cè)后，影響人員傷亡的嚴(yán)重程度主要與邊坡坡度、邊坡高度、坡腳狀態(tài)有關(guān)。（1） 邊坡坡度、邊坡

21、高度與人員傷亡的關(guān)系為了建立邊坡坡度、邊坡高度與人員死亡率的關(guān)系，我們引入描述邊坡坡度和邊坡高度的參數(shù)，將邊坡坡度和邊坡高度的乘積作為一個(gè)參數(shù)，即定義： （2-11） 其中：路側(cè)邊坡坡度； 路側(cè)邊坡高度。當(dāng)路外的邊坡坡度和邊坡高度一定，即一定時(shí)，對(duì)于不同的路側(cè)地形和環(huán)境狀況，車輛越出路外的死亡率是不同的。我們通過(guò)對(duì)68起越出路外交通事故死亡率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)回歸，得到車輛越出路外死亡率與值的關(guān)系為： （2-12）其實(shí)際死亡率散點(diǎn)圖與擬合回歸曲線如圖2所示。圖2 車輛越出路外死亡率曲線圖（2）坡腳狀態(tài)根據(jù)不同坡腳狀態(tài)對(duì)人員傷亡的影響，我們將坡腳狀態(tài)分為三類：第一類：土地、樹木、水深<1

22、.5m；第二類：一般亂石、1.5m<水深<3.5m；第三類：重度亂石、水深>3.5m【5、6】。我們根據(jù)回歸得到車輛越出路外的死亡率公式，結(jié)合實(shí)際死亡率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)人員死亡率曲線進(jìn)行上下偏移，可近似得到不同坡腳狀態(tài)下人員的死亡率曲線。3 典型路段護(hù)欄設(shè)置評(píng)價(jià)結(jié)果通過(guò)對(duì)中央分隔帶護(hù)欄設(shè)置不同防護(hù)等級(jí)下億車死亡率的計(jì)算，結(jié)合我們的防護(hù)目標(biāo)，不同設(shè)計(jì)速度下，中央分隔帶護(hù)欄設(shè)置不同防護(hù)等級(jí)護(hù)欄的安全等級(jí)如表8所示。表8 中央分隔帶護(hù)欄設(shè)置安全等級(jí)評(píng)價(jià)表護(hù)欄等級(jí)設(shè)計(jì)速度（km/h）12010080Am-160kJ二級(jí)二級(jí)二級(jí)SBm-280kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)SAm-400kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)通

23、過(guò)對(duì)路側(cè)護(hù)欄設(shè)置不同防護(hù)等級(jí)下億車死亡率的計(jì)算，結(jié)合我們的防護(hù)目標(biāo)，不同設(shè)計(jì)速度下、不同路側(cè)狀況，路側(cè)護(hù)欄設(shè)置不同防護(hù)等級(jí)護(hù)欄的安全等級(jí)如表9所示。表9 路側(cè)護(hù)欄設(shè)置安全等級(jí)評(píng)價(jià)表值路側(cè)狀況護(hù)欄等級(jí)設(shè)計(jì)速度120100804AA-160kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)4ASB-280kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)4ASA-400kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)4ASS-520kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)8BA-160kJ四級(jí)四級(jí)四級(jí)8BSB-280kJ三級(jí)三級(jí)二級(jí)8BSA-400kJ二級(jí)一級(jí)一級(jí)8BSS-520kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)12CA-160kJ四級(jí)四級(jí)四級(jí)12CSB-280kJ四級(jí)四級(jí)四級(jí)12CSA-400kJ三級(jí)二級(jí)一級(jí)12CSS-520kJ一級(jí)一級(jí)一級(jí)注：，路側(cè)狀況：A:土地、樹木、水深<1.5m；B