針對高速公路的停車視距進(jìn)行研究，在現(xiàn)行規(guī)范《公路路線設(shè)計規(guī)范》計算停車視距的基礎(chǔ)上，考慮汽車實際的制動過程，將制動過程分為4個階段：駕駛員的感覺反應(yīng)階段、制動系統(tǒng)的間隙消除階段、制動力上升階段以及完全制動階段，改進(jìn)停車視距計算模型；并引入可靠度理論，基于該模型構(gòu)建視距可靠度功能函數(shù)，對"駕駛員反應(yīng)時間、汽車運行速度、路面摩擦系數(shù)等"隨機變量的隨機性及其分布規(guī)律進(jìn)行分析。采用一次二階矩方法討論現(xiàn)行規(guī)范的停車視距設(shè)計取值的安全可靠性，提出采用失效概率來描述行車視距的安全可靠性。根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，為滿足高速公路對應(yīng)安全等級的可靠度要求，計算在120，100，80 km/h共3種設(shè)計速度下的停車視距值，并結(jié)合實例驗證計算結(jié)果具有較高安全性。研究結(jié)果表明：引入可靠度理論經(jīng)改進(jìn)后計算模型計算的停車視距值大于現(xiàn)行規(guī)范值，其安全可靠度也明顯高于規(guī)范值，120，100，80 km/h速度下停車視距失效概率分別降低22.32%，13.2%，18.9%；視距失效概率較大，表明視距設(shè)計不足，易引發(fā)交通事故，推行基于可靠度理論計算得到的停車視距值進(jìn)行高速公路設(shè)計，可提高道路安全性。

關(guān)鍵詞: 道路工程     失效概率     可靠度     停車視距     交通安全    

0 引言

近年來，我國道路建設(shè)取得了巨大成就，但道路交通安全問題仍然十分嚴(yán)峻。其中，大多交通事故的發(fā)生與視距有密切關(guān)系，尤其是汽車高速行駛時，若視距不足將導(dǎo)致駕駛員遇見緊急情況時不能及時采取措施，事故發(fā)生不可避免。

很多學(xué)者就視距導(dǎo)致的安全問題做了相關(guān)研究[1-4]。趙永平等[5]通過分析在中央分隔帶外側(cè)超車道上駕駛員的視點位置以及橫凈距，計算該段道路提供的停車視距值不滿足規(guī)范的要求，提出了相應(yīng)的解決方案。袁浩等[6]從運動學(xué)的角度，用制動減速度來綜合描述整個制動過程，得到新的停車視距計算模型。這些研究從多方面考慮行車安全中視距不足的問題。

停車視距在道路線形設(shè)計中越來越得到重視，在研究視距特點、取值滿足規(guī)范及保證設(shè)計安全的同時，究竟其安全水平有多高，規(guī)范中沒有說明。特別是當(dāng)因受條件限制而取規(guī)范最小值時，設(shè)計指標(biāo)的預(yù)期安全效果將會更加不明確。鑒于此，1990年，Navin等[7-11]最先將可靠性理論引入到道路工程中去，并采用相關(guān)案例進(jìn)行說明。游克思等[12]將車速、路面摩擦系數(shù)作為隨機變量，以汽車發(fā)生側(cè)滑為失效條件構(gòu)建可靠函數(shù)，分析汽車在曲線段的安全性。朱興琳[13]以概率論為基礎(chǔ)建立各個設(shè)計指標(biāo)的可靠度模型，并分析各個指標(biāo)數(shù)值的變化對相應(yīng)可靠度模型的失效概率的影響。

基于此，本研究從汽車的實際制動過程出發(fā)，建立較符合實際的停車視距模型；由停車視距模型構(gòu)建可靠度功能函數(shù)；在一級安全等級下，計算出不同設(shè)計速度下滿足可靠度要求的停車視距值，探究基于可靠度理論的視距選用標(biāo)準(zhǔn)，給出相應(yīng)指標(biāo)的推薦值。

1 建立視距模型

高速公路與一級公路以停車視距作為視距要求，二、三、四級公路以會車視距作為視距要求，其長度一般為停車視距的兩倍。本研究主要討論停車視距值的安全可靠性并計算其推薦值，供道路路線設(shè)計參考。

現(xiàn)行規(guī)范《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)的停車視距由兩部分組成：①駕駛者在反應(yīng)時間內(nèi)行駛的距離S1(m)；②開始制動到剎車停止所行駛的距離，即制動距離S2(m)。停車視距計算公式為：

(1)

式中，v0為汽車運行速度；f1為縱向摩阻系數(shù)，依車速及路面狀況而定；g為重力加速度(9.8 m/s2)；t1為駕駛者反應(yīng)時間，取2.5 s(判斷時間1.5 s，運行時間1.0 s)。

上述停車視距只將整個階段分為兩部分，這與汽車緊急制動時的實際情況存在偏差。當(dāng)駕駛員接收到需要緊急停車的信號，大腦做出制動指令，駕駛員將腳移到制動踏板，踩下制動踏板。由于制動踏板存在自由行程，以及制動器存在間隙，即制動蹄片與制動鼓(盤)之間的間隙，所以制動器需要一段時間才能發(fā)揮作用。并且隨著使用時間的增長，制動摩擦片會被不斷磨損，其間隙增大，也會延長制動器的反應(yīng)時間。現(xiàn)行規(guī)范的停車視距在制動階段是假定汽車在制動開始時便得到最大制動力，忽略了制動力逐漸上升至最大值的這個階段。

停車視距模型包含4個階段，反應(yīng)階段、間隙消除階段、制動力上升階段和完全制動階段，如圖 1所示。

圖中t1為反應(yīng)階段是駕駛員發(fā)現(xiàn)前方障礙物至其將腳移至制動踏板這個過程，即感應(yīng)階段和操作反應(yīng)階段，該階段與規(guī)范相同行駛距離為S1。t2為間隙消除階段，是從駕駛員的腳觸碰到制動踏板至制動器間隙完全消除并開始起作用的這個過程，該階段汽車行駛距離為S2。t3為制動力上升階段，即制動力從零上升至最大值的過程，制動力與時間的關(guān)系近似為線性增長，該階段汽車制動減速度與時間的關(guān)系相應(yīng)簡化為線性增長。該階段汽車行駛距離為：

(2)

汽車制動力達(dá)到最大值后，以最大減速度持續(xù)制動直至汽車停止行駛，即完全制動階段：

(3)

則停車視距：

(4)

根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2006)，反應(yīng)時間t1取值2.5 s, 間隙消除時間t2取值0.05 s。不同類型的制動器所需時間各有差異，《機動車運行安全技術(shù)條件》(GB7258—2012)中規(guī)定：對液壓制動的汽車不應(yīng)大于0.35 s，對氣壓制動的汽車不應(yīng)大于0.60 s；汽車列車和鉸接客車、鉸接式無軌電車的制動協(xié)調(diào)時間不應(yīng)大于0.80 s。在考慮安全性和經(jīng)濟性的情況下，該停車視距模型的制動力上升的時間t3取0.60 s，使絕大多數(shù)的汽車能夠滿足其制動的需求。假定在縱坡坡度為零的潮濕路面條件下，停車視距式(4)計算值與現(xiàn)行規(guī)范的停車視距如表 1。

比較結(jié)果表明，在同樣條件下，式(4)的計算值普遍大于現(xiàn)行規(guī)范的停車視距計算值，在安全性程度上比現(xiàn)行規(guī)范的停車視距要高。

2 基于可靠度理論的視距分析2.1 停車視距可靠度功能函數(shù)建立

停車視距的作用在于讓駕駛員能夠安全及時平穩(wěn)地完成停車、會車、超車等行車行為。用于停車視距可靠性分析的功能函數(shù)應(yīng)為兩部分：一是由道路為駕駛員提供的行車視距，即公路技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值；二是駕駛員駕駛汽車行駛在道路上，為保證行車安全實際需要的行車視距。根據(jù)可靠度相關(guān)理論，可用式(5)描述分析行車視距可靠性的功能函數(shù)D：

(5)

式中，SR為公路技術(shù)規(guī)范行車視距規(guī)定值；SS為保證安全行車所需的行車視距。

2.2 可靠度功能函數(shù)參數(shù)分析

功能函數(shù)D具體涉及的變量較多，現(xiàn)將駕駛員反應(yīng)時間、汽車運行速度、路面摩擦系數(shù)等基本變量作為隨機變量。由于不同的汽車采用不同的制動器，即使是同種制動器也會由于結(jié)構(gòu)、材料差異導(dǎo)致性能差異，難以用同樣的標(biāo)準(zhǔn)去衡量，故將制動器間隙消除時間、制動力上升時間這兩個變量作為確定性變量。

目前，大多數(shù)研究認(rèn)為駕駛員的反應(yīng)時間近似服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。李霖等[14]通過采集上海地區(qū)6種典型的危險交通工況中的駕駛員反應(yīng)時間，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時間能夠很好地被對數(shù)正態(tài)分布擬合，并給出了其樣本統(tǒng)計的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。故本研究采用更符合國內(nèi)情況的，其中反應(yīng)時間最長的工況的參數(shù)，即均值為1.387 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.34 s，且服從對數(shù)正態(tài)分布。

汪雙杰、方靖[15]等以處于自由流狀態(tài)的行駛車輛為研究對象，驗證運行速度服從正態(tài)分布的假設(shè)。王麗金[16]研究河南、廣東、重慶、陜西等地的高速公路汽車運行速度分布情況，均較好地驗證了其服從正態(tài)分布。本研究采用對高速公路汽車運行速度統(tǒng)計樣本經(jīng)SPSS軟件K-S檢驗得到的正態(tài)參數(shù)，見表 2。

汽車與路面的摩擦系數(shù)與路面材料、天氣氣候、車速、輪胎性能等因素有關(guān)。現(xiàn)有研究大多表明正態(tài)分布能夠較好地描述路面摩擦系數(shù)。文獻(xiàn)[17]給出了潮濕路面和干燥路面的摩擦系數(shù)服從正態(tài)分布的情況，見表 3。

2.3 停車視距可靠度求解

根據(jù)以上各參數(shù)的概率分布情況，采用式(4)構(gòu)建可靠度函數(shù)來檢驗我國現(xiàn)有規(guī)范的停車視距的可靠性。因現(xiàn)有規(guī)范中沒有對停車視距可靠度作出明確規(guī)定，一般來講，由于視距不足而引發(fā)的事故程度與由路面結(jié)構(gòu)引發(fā)的事故程度較接近，故以《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50283—1999)中對路面結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度的規(guī)定為依據(jù)進(jìn)行求解，見表 4。

現(xiàn)以求解設(shè)計速度為120 km/h時停車視距可靠度為例。

研究[18]表明路面摩擦系數(shù)隨速度增加呈指數(shù)分布，隨著速度增加，路面摩擦系數(shù)逐漸趨近于某一值，故設(shè)計速度為120 km/h時，其參數(shù)路面摩擦系數(shù)可以參照表 3中速度為99.8 km/h時的路面摩擦系數(shù)值。停車視距可靠性功能函數(shù)中采用的參數(shù)變量見表 5。

根據(jù)視距可靠度功能函數(shù)式(5)，SR為210 m，SS為本研究的停車視距計算式，通過JC法進(jìn)行多次迭代計算得：

結(jié)果表明，現(xiàn)行規(guī)范在設(shè)計速度為120 km/h對應(yīng)的視距210 m的可靠指標(biāo)僅為0.603 3，其失效概率為27.32%，可靠概率僅為72.68%，參照表 4，其在一定程度上沒有符合安全等級為一級的可靠度要求。

若取SR為221.80 m，即表 1中停車視距式(4)的計算值，參數(shù)不變，經(jīng)求解迭代結(jié)果顯示：視距取SR=221.80 m時，可靠指標(biāo)為0.772 3，其失效概率為22.01%，可靠概率為77.99%，可靠程度依然較低，不滿足安全等級為一級的可靠度要求。較SR=210 m時的計算結(jié)果而言，可靠概率較大，該視距值更加可靠，同時證實了優(yōu)化的停車視距計算模型較為可靠。

相應(yīng)地，可求解出設(shè)計時速分別為100, 80 km/h時停車視距可靠度，結(jié)果匯總于表 7。

根據(jù)上述計算結(jié)果，現(xiàn)行規(guī)范在設(shè)計速度為120，100，80 km/h時停車視距可靠概率分別為72.68%，81.8%，76.1%，且均小于表 4中對應(yīng)的可靠度要求。可知規(guī)范中規(guī)定的停車視距在建立的視距可靠度功能函數(shù)D的檢驗下，其失效概率較大。另外，求解時SR取表 1中停車視距式(4)計算值進(jìn)行計算，得到的可靠概率雖仍不滿足安全等級為一級可靠指標(biāo)的要求，但均高于利用規(guī)范求得的值，優(yōu)化后的停車視距計算模型更加安全可靠。

3 基于可靠度理論的停車視距選用標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表 4中高速公路對應(yīng)的安全等級為一級可靠指標(biāo)的要求，以及已知的參數(shù)變量，通過停車視距可靠度功能函數(shù)D反算出相應(yīng)指標(biāo)下道路所需提供的視距值SR，見表 8。

上表計算時采用可靠概率95%進(jìn)行反算，即將失效概率降低至5%，120，100，80 km/h速度下停車視距失效概率較規(guī)范值而言分別降低22.32%，13.2%，18.9%。

4 實例分析

現(xiàn)以某全封閉的六車道高速公路為例，選取樁號K156+000~K200+000區(qū)間段，長44 km，設(shè)計速度為120 km/h。根據(jù)該公路當(dāng)年事故統(tǒng)計資料，全年共發(fā)生交通事故1 689起。根據(jù)不同的事故原因分類來說，追尾一般由視距不足引起，駕駛不當(dāng)也與行車視距有一定的聯(lián)系，由圖 2可知，追尾和駕駛不當(dāng)引發(fā)的交通事故占總的48.61%，而這也意味著有相當(dāng)一部分的事故可能是由視距不足引發(fā)的。

為了進(jìn)一步研究視距與事故的聯(lián)系，現(xiàn)將該公路的事故多發(fā)路段即單向每公里事故次數(shù)大于10的路段，列于表 9。

4.1 行車視距失效概率

根據(jù)汽車在各個事故多發(fā)路段的運行速度最大值vmax與最小值vmin，采用停車視距可靠度功能函數(shù)D，通過蒙特卡羅法計算其停車視距的失效概率。安全等級一級要求的失效概率需小于0.05，根據(jù)相關(guān)研究，為保證計算精度，單次可靠度計算的抽樣次數(shù)必須大于2 000次，工作量較大，故通過MATLAB編程進(jìn)行計算。

將同一事故多發(fā)路段按照不同的縱坡劃分，根據(jù)上述參數(shù)變量抽樣類型，以及事故多發(fā)路段的縱坡大小，采用蒙特卡羅法，單個路段進(jìn)行10 000次抽樣計算現(xiàn)行規(guī)范的小客車停車視距失效概率以及滿足95%可靠概率所需的視距，如表 10所示。

4.2 結(jié)果分析

(1) 在設(shè)計速度為120 km/h的事故多發(fā)路段的視距失效概率均大于25%，小客車視距失效概率大于50%的事故多發(fā)路段占其總的41.67%，失效概率大于30%的事故多發(fā)路段占其總的93.33%。視距失效概率較大，表明視距設(shè)計不足，易引發(fā)交通事故，與前文所述這些路段均是單向每公里事故次數(shù)大于10的路段相符。

(2) 根據(jù)表中計算的事故多發(fā)路段所需滿足一級安全等級、95%可靠概率的視距，可以看出其較好地符合表 8中基于可靠度理論的視距推薦值。

5 結(jié)論

從汽車實際的制動原理出發(fā)，將制動過程分為4個階段：駕駛員的感覺反應(yīng)階段、制動系統(tǒng)的間隙消除階段、制動力上升階段以及完全制動階段。由此考慮了全過程的停車視距模型，在同樣的限制條件下，其計算的停車視距大于現(xiàn)行規(guī)范值。

根據(jù)構(gòu)建的停車視距，建立視距的可靠度功能函數(shù)，對現(xiàn)行規(guī)范的停車視距標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠度分析，發(fā)現(xiàn)其未達(dá)到相應(yīng)安全等級的要求。并根據(jù)安全等級一級的可靠性要求計算出相應(yīng)的停車視距值，給出了不同設(shè)計速度下基于可靠度理論的行車視距選用標(biāo)準(zhǔn)值，推行基于可靠度理論計算得到的停車視距值進(jìn)行高速公路設(shè)計可提高道路安全性。

本研究中反應(yīng)時間、運行速度、路面的摩擦系數(shù)等參數(shù)的分析是基于現(xiàn)有研究成果，因此，對設(shè)計變量的統(tǒng)計分析將是今后研究的主要內(nèi)容，以提高可靠性分析準(zhǔn)確性。現(xiàn)有規(guī)范中沒有對停車視距可靠度作出明確規(guī)定，本研究以規(guī)范對路面結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度的規(guī)定為依托求解可靠度函數(shù)，所以，停車視距可靠度如何規(guī)定也是今后需要研究的問題。