基于交通安全的道路线形分析

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简介： 我国是交通事故频发的国家，交通事故率和事故的严重程度已居世界首位，随着人们生活水平的提高，交通安全问题已成为人们最关心的问题。本文分析了道路交通事故产生的主要原因和道路线形与道路交通事故的关系，提出了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。
关键字：交通安全 布劳斯曲线 道路线形

经过一个多世纪的发展，汽车已成为现代文明与进步的象征和标志，成为社会生活不可缺少的重要组成部分。然而当人类充分享受汽车带来的诸多好处的同时，也为此付出了沉重的生命和财产代价。据不完全统计，我国自1951年到2002年，累计已有1551038人死于道路交通事故，其中仅2002年，道路交通事故就造成109381人死亡。据专家预言，如果按目前这种发展状况，发达国家的居民每三人中将有一人在其一生中遭受道路交通事故造成的身体伤害，每100人中将有一人以上死于交通事故。若将受害者的亲属考虑在内，则道路交通事故造成的影响几乎波及到每一个家庭。至于道路交通事故所造成的经济损失，根据专家估计，在许多国家已超过其国内生产总值的1%。

随着机动化水平的不断提高和人民生活质量的不断提高，公众的目光越来越关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，即不发生任何交通事故的可能性不存在的。人们只有通过不断提高交通参与者的安全意识和驾驶员的驾驶技能、不断改进车辆的结构性能和技术水平、不断改善道路状况和环境条件、不断加强交通管理和交通执法等措施，使道路交通事故发生的概率降至一个可以容忍限度以下，从而满足公众对道路交通安全的要求。

研究表明，在一定时期内交通事故死亡人数与国民经济和道路交通高速发展呈正比例关系。我国是发展中国家，从2002年交通事故的分析表明，年交通事故死亡的绝对数已稳居世界的第一位，并且事故的严重性程度极高，道路交通事故仍处于持续增长的时期。

1  道路交通事故的原因分析

道路交通是人、车、路、环境等要素构成的复杂的动态系统，它们之间互相依赖、互相作用，系统状态随着时间的推移和环境的改变而改变。

人是交通事故的核心，影响交通事故的主要因素是人的因素造成，同时交通事故产生还与车辆性能、道路条件和环境有关，如表1所示。

表1  我国2002年道路交通事故主要原因分析

项目

机械故障

驾驶员

非机动车

行人

道路

其它

合计

事故数

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，在诸多的交通事故中，除少数是由于驾驶员粗心大意造成的外，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，而困难的行驶条件则与道路设计或道路养护有关，当车辆在这样的条件下行驶时，驾驶员稍稍放松注意力，就会导致交通事故。美国交通事故事故专家海特（Hight.F）教授早在二十年前就指出，“不管各方面的意见如何，只是驾驶员一方面的错误，决不会造成最严重后果的交通事故。事故的原因往往是不安全的、危险的道路条件引起的”。前苏联的学者通过对13000个道路交通事故的分析认为，不良道路条件的影响是70%的交通事故的直接或间接原因。而导致驾驶员产生疏忽大意或导致其采取了不正当的驾驶措施的主要原因之一是不良的道路几何设计。只有深入进行研究，揭示道路交通事故表面现象所掩盖的实质，才能有效的减少交通事故，切实提高道路安全水平。

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。道路条件的因素主要有道路线形、道路的几何特征、交叉口形式、路面状况和交通设施等因素。

以往人们总喜欢把道路设计成平直形，根据表２我国2002年各种线形的交通事故统计结果可以看出，无论是事故的次数，还是死亡的人数或受伤的人数，96~98%集中在这种具有“良好线形条件”的道路上，即集中在平直路或一般弯、一般坡、一般弯坡的道路上，其原因是在“良好线形条件”的道路上，驾驶员容易麻痹大意，从而容易引发交通交通事故。在地形条件较好的平原地区，道路设计时往往设计成平直的道路线形，也是产生交通事故的一个重要原因，如表3所示。

表2 我国2002年各种道路线形的事故分析

项目

平直路

一般弯

一般坡

一般

弯坡

急弯

陡坡

急弯

陡坡

一般坡

急弯

一般弯

陡坡

合计

事故数

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 我国2002年各种地形的事故分析

项目

平原

丘陵

山区

合计

事故数

583641

118754

70742

773137

比例/%

75.49

15.36

9.15

100

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。