基于宽容理念的路侧净区宽度设计
2024-03-08
来源:欧得旅游网
交通运输 [程与信息学报第ll卷第4期2013年l2月Journal ofTransportation En西 ! ng nd! f0 : 旦!:!! 暨: ! 基于宽容理念的路侧净区宽度设计 范晓秋 邢莹莹 1.江苏省交通规划设计院股份有限公司,南京21000 2.上海交通大学交通研究中心,上海200240 摘 要:本文分析了路侧净区宽度设计的主要因素,包括驾驶员反应时间、车辆离开道路的状态及车辆在 净区内行驶距离.基于宽容设计理念建立了路侧净区计算模型,并结合我国路侧实际情况给出了路侧净区 宽度范围,该成果与美国相关研究结论较为接近,与欧盟相比偏安全。本文研究结果可为道路设计者和管 理者提供一定的指导或参考。 关键词:路侧安全;路侧净区;净区宽度设计 中图分类号:U418.9 文献标识码:A 文章编号:1 672-4747(201 3)04—0049—07 DOI:1 0.3969/j.i s SD.1672-4747.201 3.04.009 Study on the Width Design of Highway Roadside Clear Zone Considering Tolerance Concept FAN Xiao.qiu XING Ying.ying 1.Jiangsu Provincial Communications Planning and Designing Institute,Nanjing 210096,China 2.Transportation Research Center,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China Abstract:ThiS paper analysed the main clear zone design parameters,that iS,driver reaction time,conditions of vehicle leaving roadway and the driving distance in the Clear zone.Based on the tolerance forgiving design concept,thiS paper set up a calculation model for the roadside C1ear zone.Combined with the actual instance of roadside Situation,the recommended width of roadside clear zone was brought forward.Compared with RISER’S(roadside infrastructure for safer European roads)research,the paper’S cone1usion iS partial safety,and Simi 1ar to AASHTO’S (American Association of State Highway and Transportation Official s)research.The conclusions of the study could be a supp1ementary reference for road designers and administrator. 收稿日期:20l2.11.26. 作者简介:范晓秋(1980一)男,汉族,江苏靖江人,博士,主要从事交通领域的规划设计和研究。 49■纛 交通运输J:程 j信息学报 20I 3 筇4 Key words:Roadside safety,c 1ear zone。width designing 0 引 言 路侧一般定义为路 边缘以外到道路红线边 界的区域,对这一一区域的安全设计称为路侧安全设 计,即指对行车道以外空问的安全设计。路侧安全 建议价,并对平曲线处净区宽度进行了修iI I。 美阔蒙大拿州交通部道路设讣手册(2004)哭】 路 侧安全部分内容也给出了类似的建议位,它针埘后 坡坡度对路侧净区建议位进行了渊整。澳大利亚的 研究认为从路缘石边缘开始至少2m的净 宽度呵 设讣的目的为驶离路面的车辆提供合理的机会,使 其重新找到并返回路面,或找到相对安全的停靠 点 路侧安全设计的核心是在路侧设计过程中体现 宽容设计理念。基 宽容设计理念的公路允许驾驶 员犯错误驶出路外,但需要设计人员提供尽可能减 以显著减轻车辆离开道路的后果l4j。英闺对路侧净 区可恢复区域宽度增力lJ与相关事故减少的关系进 行了研究,发现随着路侧可恢复区域宽度值的增 大,与路侧相关的事故逐渐减少【5 J,如表l所示。 表1 路侧净区可恢复区域宽度与路侧事故关系… 少事故发生或降低事故严重程度的设计对策,即: Tab.1 ReI ationshiP between OIear zone si ze and the accident reductionTM 不管什么原因致使车辆驶出路外,设计‘人员都应该 尽可能为驾驶员提供充分的路侧净区,以确保路侧安 全性,驾驶员所犯的错误不应以牺牲生命为代价…。路 侧净区设计是体现路侧宽容设计理念的核心。 路侧净区是指行车道外边缘线以外的一定区 域,该区域内没有能导致碰撞伤害的坚硬危险物, 相对平且I,驶出路外的车辆在该区域内不会发生倾 覆,失控车辆能得到有效控制,并通常能够再次安 全返回行车道,如图1所示。 路侧可恢复区域 宽度增加值/m 路侧事故的减少值/(%) 直线 曲线 1 路侧净区宽度计算模型 路侧净区设计需达到以下两个层次日标: (1)应尽量避免车辆与任何导致严晕碰撞后果 必需的路侧安全净区宽度 以可恢复的边坡坡度为基础 l 车行道 不可恢复的边坡 路肩 可恢复的边坡 . 停车净区 的危险物接触,这可以通过防止车辆侧翻和移除净 区范围内危险物来实现。 (2)蜘1果冲出路外的车辆不可避免地离开道 路,冲出路侧范围,净区应有足够宽度使车辆减速, 尽可能减小路侧净区外危险物造成的影响。 1 : 或更缓最佳6 I l 或1更币理 :6缓 图1 路侧净区示意 Fi g.1 Roadside CIear zone(RISER) 从我国道路特点和路侧实际情况出发,结合以 上两个层次目标,建立基于经典物理学的路f!l11J净区 关丁路侧净 的安全问题,美国进行了广泛的 研究,AASHTO出版的《路侧安全设计指南》(2002 年版)指出,高速公路行车道边缘外不少r 9m的 宽度计算方法。车辆驶离道路可以近似行为 典物 理学中匀述直线运动和匀减速直线运动的结合,确 定影响车辆 路侧净区内运行的参数,『』lJ乍辆制动 宽度可使80%的失摔车辆得到恢复;还给LH了 于 道路设计速度、设计交通量以及边坡坡度的路侧净 减迷度、车辆驶出角度和速度等, 的路侧净区宽度。 fil汁 …合删 50 挂 r宽容理念的路侧净区宽度设计 池晓秋等 1.1 路侧净区设计参数确定 l。。 -—’一 路侧净区宽度主要南i方面因素决定:驾驶员 8O 厂 , 的反应时问、车辆在何种条件下离开道路(驶出角 萋6。 , l 度、驶出速度等)及车辆在路侧行驶的距离。对这 薹4。 l , 些因素的讨沦和相关设计标准是确定安全净区的 20 l l 必要条件,因此本设计将从制动反应时问与距离、 O j O O.5 l 1.5 2 2.5 安全限制速度、车辆制动加速度、车辆驶出角度、 制动反应时间/s 车辆驶出速度等方面进行讨论,以确定合理的路侧 图3制动反应时间累计曲线 净区宽度。 Fig.3 CumuIative CHrve of the brake reactioR time 1.1.1 制动反应时间 汽车在行驶中,当驾驶员发现紧急情况直至踩 为0.6 S,95%的制动反应时间低于1.5 S。结合实验 下制动踏板发生制动作用之前的这段时间称为制 室的假定与实际情况,本文选取0.7 s ̄1.5 S作为制 动反应时间,制动反应时间内车辆行驶的距离称为 动反应时间波动范围。 制动反应距离。制动反应时间是控制汽车行驶性能 1.1.2安全限制速度 最重要的因素。对于制动反应时间,实验室的假定 车辆驶离道路,先以初速度vo匀速运动至汽车 是,确认危险(知觉一反应时间)0.4 s,将脚从油 制动系统完全作用,开始匀减速直线运动,穿越路 门踏板挪到制动踏板时间(抬脚时间)约为0.2 S, 侧净区后,速度降为’,・。如果v-较大,车辆与障碍 脚接触到制动踏板和将踏板踩下(踩下时间)约为 物发生碰撞,有可能会造成车毁人亡的严重后果。 0.1 s,共计约为O.7 s【刚。Johansson在实际交通流中 如果车辆末速度v。为0,车辆的制动距离较长,对 测量了32l位司机的刹车反应时间。试验中所测量 路侧净区宽度的要求大大增加,与实际情况不协 的反应时间包括:司机察觉需要减速停车的时间、 调。因此,应综合考虑驾驶员安全和路侧净区宽度, 脚从油门移动到刹车踏板上所需的时间,以及踩下 使车速从’,。减速到一个合理的’,。,既能降低事故严 刹车踏板到汽车产生减速效用的时间[71。其所测量 重程度(达到可接受范围),亦可节约土地资源。 的制动反应时间分布图及累计曲线分别如图2和图 交通事故中人员伤亡程度取决于车辆吸收了多少 3所示。从图中可以看出,制动反应时间最常见的 撞击能量。在没有防撞垫的情况下,撞击速度超过 40 km/h,人就会有生命危险,因此,40 km/h被认 为是致命事故的阀值。综合以上因素,本文选取 40 km/h作为车辆的安全限制速度。 1.1.3车辆制动加速度 车辆在路面上行驶时,影响车辆制动效果和刹 车距离的主要因子是轮胎与路面之间的摩擦系数。 经典物理学中,摩擦系数和力ll速度通常分别用』 和 tT1表示,则车辆制动加速度口:=,f×g,其中g为晕力 加速度,取9.81 m.S~。tt的大小主要与路面类型与 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 天气状况有关,表2列出了不同路嘶类型及冰雪条 图2制动反应时间分布图Ⅲ 件下路面的摩擦系数。 Fig.2 Di s1:ribution of the brake reacti on time[7 对于设置路侧净区,边坡坡度宜爆可能的小, 5l 变通运输l 程与信息学报 201 3年 第4期 表2 不同路面类型及其在冰雪条件下的路面摩擦系数 TabI.2 FrictiOR coefficients of the d fferent road typeS and them under i ce wearher cond i t i onS 路 面 摩擦系数 0.8~0.95 O.6~0.7 O.4~0.5 搔 丑 干沥青与混凝一{ 路而 干碎石路而 湿沥青和混凝十路而 冰雪路而 罨 抖 车辆速度/(km/h) 图40_3~O.4 驶出速度与驶出角度之间理论上的关系 Fig.4 TheoreticaI reI ationshiP between exit speed and(3Xit angIe(RISER) 至于边坡坡度取多大位,对驶出路外的车辆安全不 致产生影响,并没有相关数据表明。故从路侧安全 以及计算方便的程度考虑,这里取最理想的情况, 即边坡为平坡。边坡上,大多数边坡表面都是土壤 植草的形式,摩擦系数为0.3,与最不利路面情况 (冰雪路面)路面摩擦系数相近,而重力加速度g 取9.8 m.S一,这样计算出的减速度为2.94 m.S~。对 实际情况而言,一旦驾驶员发觉车辆驶离道路,车 辆的减速度要远远高于2.94 m.S_ ,甚至可以达到 10 m.s 以上,所以这里制动减速度的取值对于驾 驶员也是偏安全的。 图5 车辆驶出角度示意 Fig.5 Definition of vehiCIe exit angIes 1.1.4车辆驶出角度 影响车辆驶出角度的因素很多,如果仅从物 理因素角度出发,不考虑驾驶员操作因素,车辆 不会突然制动或转向,车辆离开道路直到减到某 嘏 丑 个速度值,其驶出角度不会发生改变。这些物理 因素包括道路一轮胎摩擦系数、行驶速度、道路 薜 抖 几何参数等。假定车辆的行为仅由其转向系统决 定,则车辆驶出速度与驶出角度关系由图4表示。 但事实上,许多驾驶员一旦意识到车辆驶离道路, 图6车辆速度/(km/h) 驶出角度与驶出速度问关系 Fig.6 ReIationship between exit angle and exit 会立刻打方向盘,尽可能使车辆回到原来道路, speed(re—constructed)(R I SER) 因此,理论驶出角度与实际车辆离开道路的偏角 有一定差距,如图5所示。 , 分别为车辆理论 1.1.5 车辆驶出速度及车型的选取 道路等级和类型是影响车辆运行速度和午道 宽度的主要因素,因此也与车辆驶出速度紧密十H 关。车辆驶离道路的速度实际上是车辆的瞬时速 度,这个速度很难测得,容易得到的为道路的设计 时速。但是,驶离道路的车速亦不能简 地以设计 时速为标准。训查可知90%的事^叟7F速低丁 驶出角度与实际驶出角度,而图6则展示了 与 车辆行驶速度的关系。从图中可以看出,随着车 速的增长,车辆驶出道路的角度逐渐减小;对比 图4和图6,可知相同速度下车辆驶出角度实际 值约为理论值的一半。 52 基・j 宽容理念的路侧净区宽度设计 范晓秋等 120 km/h,80%的事故车速低于1 l0 km/h。我国平原 公路,小轿车运行速度的平均值为ll6 km/h,其他 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 o 小车、中车及大车的实际平均运行车速都在 微丘区高速公路设计时速一般为l20 km/h,一级公 路设计时速为1O0 km/h,但实际运行速度也要低于 这个值 】。因此车辆驶出速度应根据公路实际运行速 90 km/h左右。综合考虑各种因素,本文选取小轿 车为代表车型。 度选取,可以路段的平均速度为参考。图7为我国 几条重要高速公路的平均速度统计 】,从图中可以看 出90%的车辆运行速度低于1O0 km/h,但此图为所 有车型的统计,没有考虑车型间的差异,其中速度 最高的为小汽车,其平均车速可达到l10 km/h以上。 1.2净区宽度的计算模型 基本假设如下: (1)摩擦系数为0.3; (2)车辆驶出道路的轨迹为直线; (3)安全限制车速为40km/h; .1/ (4)最理想情况(边坡为平坡)。 辟 墨碡; ./ / / / 60 70 80 90 1O0 110 l2O 根据以上假设可得车辆运动距离计算方程为: + (1) 根据三角关系,则净区宽度为: W= ×sin (2) 50 平均速度/(km/h) 式中: ——制动距离,m; v0——车辆驶出速度,m/s; 图7 高速公路车辆平均速度累计曲线图 Fig.7 CumuIati ve percent of vehiCIa average speed on highway ’,l——安全限制车速40km/h; ——驾驶员反应时间,取1.0-1.5s; ——选取车型时要考虑到公路上车型的分布及所 占比例问题。据事故资料的统计分析可知,高速公 摩擦系数,取0.3; g——重力加速度,取9.81m/s ; ——路上的车型中小轿车占主导地位,约为65%,而且 随着我国经济的持续发展和轿车的私有化,未来高 速公路将以小轿车为主。根据我国几条重要高速公 路平均车速的调查资料,设计车速120 km/h的高速 驶出角度,。; ,——道路宽度,取3.75m。 联合式(1)和式(2)可计算出坡度=0、p=O.3、 a=2.943 m.S-2时净区宽度的范围,如表3所示。 表3理论净区宽度范围 Tab.3 Theoratjca J cIaar zone wjdths 蔓53 交通运输1.程 j信息学报 2013 第4期 驶…角度与驶}}J述度存 着+定的反比例关 Tab 4 表4我国路侧净区宽度标准 系。从 6可以看 ,当驶出述度为l00 km/h ftq’, Recommend dimensionS of the CIea r zone for OUr countrY 下辆驶出角度 }:5。应有:_述度为50 km/h时,乍辆 驶it{角度约为l0”。结合表3的计算结果可知,当 驶…速度为50 km/h时,净区宽度范 为3.5~5.5 rll; 运行速度/(km.h) 建议净区宽度范嗣/m 驶 速度为1 00 km/h时,净区宽度范围为 l1.5~l 3.5 m。由】 进行了一些 本假设,将计算简 化,亦鄙是选取的最不利情况,因此表中计算出的 数值上限应为路侧净区宽度的最大值。道路管理者 和当地条件进行路侧净区宽度设计时必须考虑这 点。由丁0.7 S为最 本的制动反应时问,因此路侧 净区宽度至少要满足表中路侧净区建议范围的下 限婴求。 营车速70 km/h及以下的公路,路侧净区标准在部 分地区是可以实现的,尤其是运营速度60 km/h的 公路,除去3.5 m的路肩宽度,缓边坡再有l-3 m 宽左右即可满足路侧净区的宽度要求。需要注意的 是,表4的路侧净区宽度标准主要基于经典物理 美围对路侧净区进行了多年研究,《路侧安全 设计指南》给出了 丁曰均交通量、设计速度及边 坡坡度的路侧净区宽度建议值。通过对比可以发 现,本义汁算的路侧净区宽度范围与《路侧安全设 ¨ 三三O m O O O 0 O 9 8 7 6 5 计指南》的口均交通量大于6 000veh/d,前坡坡度 为一学理论确定,没有考虑公路实际运营中的一些交 通流参数,如交通量、交通流密度,因此在具体实 施时还应具体考虑这些因素,在交通量较低、交通 流密度较小的路段可适当放低对路侧净区宽度的 l:6或更缓条件下的净区宽度建议范围基本 敛。英、法、德等9国联合启动的“RISER” 计划,亦对路侧安全设计进行了系统而深入的研 究。通过收集、分析路侧安全有关数据,建立了 路侧净区计算模型,给出了理论路侧净区宽度值。 要求,并结合具体的路侧地形情况设定合适的路侧 宽度值。 南于本文考虑了制动反应时问,计算结果较 RISER计算值偏大。 m o9 ~ 3 结 论 影响公路路侧净区宽度设计的因素众多,涵盖 2路19.0净宽设置合理取值 如上文所述,在确定路侧净区宽度时,以设计 内容广泛。本文基于宽容设计理念和经典物理学理 论,综合考虑影响路侧净区宽度的参数,建立 路 侧净区计算模型,计算出路侧净区理论宽度范围, 并结合我国路侧实际确定路侧净区宽度标准。与欧 盟道路路侧基础设施安全的计算值相比,由 本文 速度120 km/h为标准是不合适的,应结合我国路侧 净 的实际情况,根据不同的设计车速,定性地取 其对应运行速度的平均值作为计算路侧净区宽度 的标 ,得出我国净区指标,『』l1表4所示。 从丧4能够看出,对于_乍辆运行时速为 考虑了驾驶员反应时间,因此建议值更大,更 {安 全。但本文的建议范围与美同AASHTO的路f!J!l安 全设计指南建议值较为接近,具有合理性。因此, 本义的研究成果可以作为道路设计‘者干¨政府竹 l10 km/h的公路,建c义的净区宽度范围为12~I4 m, 除…些荒漠地 ,此冲 标准 我闻较难实现,应 设 道路防护哎施,以提高行乍安全。但是对r运 人员的补充指导秆I参考。 下转第62页