双车道公路交通事故风险评价与安全设计方法

第1章　绪论 提高行为安全和车辆安全是一个战略性的长期发展目标，社会发展、科技进步的渐进性决定了其必然需要经历漫长的发展过程。此外，任何道路交通事故均存在着不同程度的必然性和偶然性，任何发展阶段均无法彻底根除偶然交通事故对人类生命安全的威胁。 1.1　研究背景 近年来，随着我国社会经济的快速发展，公路交通运输事业取得长足进步，公路建设在总量和质量上实现了巨大突破。根据交通运输部统计数据[1]显示，截至2021年底，我国公路总里程达到了528.07万km，公路密度为55.01km/(百km2)。其中，高速公路里程为16.91万km（占公路里程的3.2%），一级公路里程为12.67万公里（占公路里程的2.4%），然而，以双车道公路为主的二、三级公路总里程为89.24万公里（占公路里程的16.9%），如图1-1所示。由此可知，双车道公路是我国公路路网中较为普遍的形式。 随着我国公路总里程不断增加，以及机动车保有量持续增加，当前我国道路交通事故频发，公路交通安全问题成为我国严重的社会问题之一。2015年10月19日，世界卫生组织在日内瓦发布的《2015年全球道路安全现状报告》指出，尽管道路交通安全有所改善，但每年仍有约125万人死于道路交通事故。《交通强国建设纲要》明确指出我国要构建“安全、便捷、高效、绿色、经济”的现代化综合交通体系，“安全”居于首位。道路交通安全研究也一直为交通运输工程学科的重点研究方向之一。 长期以来，我国各级公路管理部门投入了大量的资金和人力管理，虽然取得了一定成效，但是我国公路总里程数较多且交通事故基数较大，道路交通安全形势依然不容乐观。通过对我国近年来交通事故数据统计资料的整理[2]，可得出不同等级公路的交通事故年死亡人数的逐年变化情况，如图1-2所示。 通过图1-2不难看出，高速公路和一级公路的交通事故年死亡人数呈现出一定的下降趋势，但变化不大，与其他等级公路相比，死亡人数较少；四级公路则呈现出小幅度上升的趋势。二级公路的交通事故年死亡人数在所有等级公路中*多，其次为三级公路。 双车道公路作为我国普通国省干线公路的主体，承担公路上的大部分客、货运量，在公路网中发挥极其重要的作用。然而，其居高不下的交通事故死亡人数也说明我国双车道公路目前的交通安全形势依然不容乐观，应当引起足够重视。我国在道路交通安全方面的研究起步较晚，并且在交通安全保障技术方面的研究多侧重于高速公路和一级公路，对二级以下等级的双车道公路研究较少，但是每年发生在二级、三级公路上的交通事故却是*多、*严重的。尤其是路段上车辆超车不当而导致的交通事故，以及危险而复杂的路侧环境导致的路侧致死事故的比例较高。因此，解决好双车道公路的交通安全问题是解决整个公路网交通安全问题的关键，同时也是提高我国道路交通安全水平的当务之急。 1.1.1　双车道公路超车风险 一般情况下，行驶于双车道公路的车辆不仅会受到同向交通流之间的干扰，也会受到对向来车的影响。通常，车辆只在本向车道内运行，受汽车动力性能、驾驶人期望速度等因素的影响，车辆在运行速度上具有一定的差异，这使速度较快的车辆经常被迫跟驰于慢速车辆，只有当对向交通出现合理的间隙和足够的视距且本车道满足一定的回车条件时，驾驶人才会借用对向车道来超越慢速车辆。双车道公路的交通运行效率与安全性也主要取决于上述交通特点。 由图1-1和图1-2可以看出，在我国公路通车总里程数中，二、三级双车道公路占总里程数的比例小于20%，然而发生在其上的交通事故及死亡人数却超过半数，双车道公路已成为“事故之路”。从交通安全的角度来看，超车时，驾驶人将进行加速、制动、借道、回车等一系列操作，这些操作均有一定的失误风险，对超车机会的判断、道路环境的感知也存在一定偏差，这些因素均增加了超车的风险性和失误率。尤其是当临时占用对向车道超越本车道慢速车辆时，与对向来车碰撞引起的事故往往比其他类型的事故更严重。同时，双车道公路上的慢速车辆（载重量较大的货车或汽车性能较差的小型客车）对跟随其后的快速车辆具有一定的拦截作用，使快速车辆无法按其期望速度顺利通行，因同向车道及对向车道的交通条件而无法顺利超车的快速车辆延长了自身的在途时间，即慢速车辆降低了交通运行效率。因此，基于双车道公路的交通特点，如何采取措施提高超车安全性，减少双车道公路上的交通拥堵，进而提高通行能力成为道路交通领域的研究难点和热点之一。 双车道公路出现上述问题的根本原因在于快速车辆借用对向车道超车的可行性与安全性，如果在双车道公路两侧设置附加车道，使慢速车辆在对应位置驶入其中，既为快速车辆顺利超车提供条件，又能避免借道超车的风险。附加车道是一种新型的技术措施。目前，在我国《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）与《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）中，尚缺少附加车道的相关规定。 1.1.2　双车道公路路侧事故 路侧事故一般定义为车辆越过道路边缘或中心线，随后与护栏、电线杆、路侧行道树等固定物发生碰撞，甚至发生翻车、坠入深沟或河流。美国联邦公路局（Federal Highway Administration，FHWA）关于路侧安全研究项目的统计显示[3]，2018年，美国路侧事故导致的死亡人数占美国所有交通事故死亡人数的50%以上。欧洲的一项研究项目统计结果[4]也表明，路侧事故在德国、希腊和奥地利分别约占交通事故总数的19%、19%和22%，然而路侧事故造成的死亡人数比例却分别高达33%、34%和36%，如图1-3所示。与其他事故类型相比，路侧事故致死率较高。此外，中国《道路交通事故统计年报（2018年度）》[2]显示，在中国各种等级公路的路侧事故中，以双车道为主的二级、三级公路的路侧事故发生量占总事故数的38%，如图1-4所示，所占事故比例较大。因此，急需对双车道公路的路侧安全开展相关研究工作。 一些发达国家（如美国、澳大利亚）认识到提高行为安全、车辆安全是一项长期、艰巨的任务，相关学者通过分析路侧事故的致因机理研究影响路侧事故发生频率和严重度的风险因素，进而从人、车、路、环境等方面入手，通过驾驶人管理、车辆审查和道路优化设计改善路侧安全，降低路侧事故损失。从驾驶人管理、车辆审查角度来看，不良驾驶行为和车辆性能不佳往往是导致路侧事故发生的显著因素。从道路优化设计角度来看，多个设计控制因素对交通安全存在影响，总体上可归纳为包括平、纵、横在内的线形设计和包括路侧净区、路侧护栏和路侧障碍物在内的路侧设计。一般认为，不同的道路线形设计和路侧设计对提高道路交通安全具有不同效果。例如，驾驶人严格管理、车辆定期维护及基于人、车、路的人性化线形设计可消除特定的必然交通事故；宽容的路侧设计则可降低偶然交通事故的发生概率，减轻车辆驶入路侧后的事故损失。 自20世纪60年代中期至今，美国历年的道路交通事故死亡人数一直在4万人上下波动。考虑到美国的机动车数量和行驶里程已增长至原来的7.5倍，其亿车英里死亡率（平均每运行1亿车英里的交通事故死亡人数）实际上已降低至原来的一半以下。在世界大多数国家和地区，尤其是在亚洲和太平洋等地区的发展中国家交通事故死亡率不断攀升的同时，美国交通事故死亡率下降明显，这主要得益于美国自20世纪60年代以来，花费50多年时间进行完善和推广的到目前已被全社会和全行业广泛接受的宽容的路侧设计理念及相应的规划和设计方法。宽容的路侧设计理念认为驾驶人的过错不应以失去生命为代价，即应为冲出路面的驾驶人提供可以重新控制车辆并返回路面的空间（路侧净区），即使无法返回路面，也会使其某种程度的过失在道路交通系统中被化解，*大限度地降低交通事故的严重程度[5]。路侧净区是公路行车方向*右侧车行道以外、相对平坦、无障碍物、可使失控车辆重新返回正常行驶路线的带状区域，是从行车道边缘开始，车辆驶出路外后能够安全驶回车道的一个宽度范围，全名为路侧净区恢复区域（roadside clear recovery zone），是在美国州际公路大发展时期，道路安全隐患逐步暴露出来时提出的。如今，在高度机动化的国家，大部分公路建设广泛融合了“宽容道路”的设计概念，这反映了路侧设计对于行车安全的重要性。 1.2　国内外研究现状 1.2.1　双车道公路超车安全研究 在双车道公路上，驾驶人利用对向车道进行的超车行为是极其危险的，与发生在道路上的其他交通事故相比，因超车而引发的人员伤亡是较为严重的。鉴于超车造成的交通事故严重性，国内外针对超车行为进行了大量研究。 1.超车行为分析 关于超车行为的研究主要从车辆速度差、驾驶人特点、超车视距等因素入手，探究影响超车类型、超车次数的因素。Jenkins和Rilett在20世纪早期开始研究超车模型，他们根据超车过程中速度的变化，把超车分为快速超车、变速超车及强制超车等多种类型[6]。Brewer等从美国8个地区的20000组数据中选出约3500份中“单个超车”数据进行超车行为划分，*终得到四类超车行为：**类超车行为是受对向车辆的影响暂时延迟超车；第二类超车行为是超车过程中发现对向来车从而加速超车；第三类超车行为是先暂时延迟超车再加速超车驶回；第四类超车行为是在对向没有车辆经过的情况下进行的超车[7]。 针对超车过程中涉及的各种参数研究，Polus等采用视频手段，通过对超车行为的分析，研究确定了各个参数的取值[8]。随后，Carlson等对上述超车行为分析存在的弊端进行了改进，增加了超车行为的试验内容，并采用对超车行为数据实时观测的手段，使超车行为的数据描述更加准确[9]。Farah应用驾驶模拟器进行超车行为试验数据的采集，评价了驾驶人因素对超车行为的影响，但并未进行研究结果的有效性验证[10]。上述研究分别从理论和试验两方面分析了道路条件或驾驶人因素对超车行为的影响。另外，还有研究考虑了天气条件及夜间条件对超车行为的影响[11]。 通过在双车道公路的干燥路面和积雪路面上进行超车试验，Munehiro等探究了路面条件对超车距离、超车速度的影响，发现在干燥路面上的超车速度要大于在积雪路面上的超车速度，且超车距离比在积雪路面上短[12]。周泽民和马超通过分析双车道公路超车事故发现，当交通量较大时，如果驾驶人几次尝试超车失败，则情绪容易变得暴躁、冲动，使他们在超车视距不良时也会选择冒险超车，从而造成交通事故[13]。张慧丽等模拟了在超车视距不同的情况下的双车道公路超车行为，由此获取了超车完成时刻超车车辆与对向车辆之间的“时间距离”，将此作为超车行为危险性的评价指标，并提出了6个危险等级，用来衡量设计速度不同的双车道公路在不同超车视距情况下的危险程度[14]。 单晓峰等首先对双车道公路上的超车行为进行了分析研究，提出了在双车道公路上进行超车时存在“两难区域”；其次通过运动学分析提出了“两难区域范围”的概念，分别建立了“两难区域范围”、超车视距与双车道公路的设计速度、下游车队速度和下游车队规模的关系模型；*后基于建立的关系模型，提出了安全条件下对应不同下游车队情况的安全车速和安全视距，得出“当下游车队的车辆数超过5辆或设计速度达到80km/h时不建议进行超车”的结论[15]。