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摘要
山区公路的工程设计强调合规性检查，以确保安全。但是，仅依靠合规性检查可能会使设计人员以高风险指标为代价将成本降至最低，因为高速公路设计的总体风险水平对于设计人员是未知的。本文介绍了一种同时考虑交通安全风险和与山区公路的适当规划和设计相关的相关成本负担的方法。该方法可以分四个步骤执行：首先，以新的参数框架表示高速公路设计，以提取不仅影响生命周期成本而且影响运营安全的关键设计变量。其次，在成本估算功能中建立了生命周期成本与运营安全风险因素之间的关系。第三，引入故障树分析（FTA）从设计变量中识别交通风险因素。设计解决方案的安全性能还可以通过广义线性回归模型进行评估。第四，将可接受风险分析的理论引入到交通安全评估中，并提出了一种计算算法来解决可接受风险范围内具有成本效益的最优解决方案，以帮助决策者。这种方法在四川-西藏公路工程项目中得到了应用和检验，该项目位于海拔高，山岭宽广的复杂地区。实验结果表明，该方法在研究区域内显着提高了该项目的安全性和成本性能。
关键词：公路规划设计，成本安全优化，可接受的风险评估，川藏公路
第一章 引言
位于中国青藏高原的川藏公路目前面临交通安全隐患和预算超支的严重问题。一方面，川藏公路是世界上最高，最危险的道路之一。一路上的最低和最高海拔分别约为500 m和5000 m。为了解决这种地形高度差异，在设计中采用了较长的垂直坡度以及很大比例的具有非凡长度的隧道和桥梁来穿越巨大的山区。但是，这些措施会导致严重的交通安全隐患。陡峭的地形和不利的天气条件使山区公路的驾驶环境恶化，并且总是比城市公路上的交通事故发生频率更高，严重程度更高[1]。此外，公路建设的单价大约是邻近地区的城市高速公路的两倍，交通死亡率（1times;105人）大约是全国水平的2-3倍[2,3]。由于川藏公路工程项目的施工地点位于荒芜的山区，平均海拔超过3000m，因此与其他地区相比，体力劳动以及材料和机械运输的成本要昂贵得多。
为了改善交通安全，传统的公路规划和设计通常需要更为保守的解决方案，包括扩展道路宽度和增加线段长度，以此作为应对高差的一种手段。但是，大多数这些改进都是昂贵的[4]。当然，高速公路的生命周期成本取决于其长度，几何参数和基础设施类型（例如桥梁，隧道等），这是交通安全的深层潜在因素[5-9]。因此，山区公路规划和设计中的两个最重要的挑战如下：①山区的地形变化很大，使得搜索算法更容易陷入局部最优状态。②在山区公路中成本超支和交通事故的风险比在城市公路中更大；因此，需要一种有效的优化方法，不仅可以提高安全性，降低成本，而且可以在两者之间取得平衡。
在现有文献中，大多数研究人员将优化目标限制为成本绩效[10-20]，因为很明显，最佳的道路设计将大大降低高速公路的总成本，包括建设，维护和用户成本。一些研究人员将安全问题纳入了社会成本项目（即事故成本）[15,17]旨在达到最低目标，或已将安全性视为设计约束[12-14,16,18-21]为了确保将设计解决方案对安全性的影响限制在合理范围内。其他人使用替代功能（不涉及安全相关参数，例如坡度和半径）作为模型的验证指标来评估安全性[25-27]，或专注于将某些安全隐患的影响降至最低[27-28]。但是，此类工作仅寻求一种最佳解决方案，以最小化成本并维持安全性能以满足设计规范的最低要求。
现有的高速公路设计规范通常会指定各种几何元素的允许值范围，例如最大坡度和最小曲线半径，以确保用户的操作安全。但是，符合设计规范并不意味着完全消除了高速公路路线设计中的交通风险。首先，即使高速公路路线的设计符合设计规范（例如，坡度le;4％），通过进一步的路线优化，仍可以显着降低事故率[29]。其次，在工程实践中，由于大多数安全性改进成本很高，因此工程师倾向于根据设计规范采用最低成本方案。这样的方案将在交通安全方面造成严重危害，并使它们的方法不适用于地形复杂的山区。例如，如果在不考虑所有其他因素的情况下，在具有高海拔梯度的两个点之间应用高速公路路线调整任务，则理想的解决方案（仅考虑合规性检查）将是连接这两个点的最大允许坡度的最短车道（因为最小长度表示最低费用）。但是，工程上的一种更好的做法是在预算限制内尽可能降低高速公路路线的总体风险水平，而不是仅满足设计规范的约束。第三，设计规范没有充分考虑风险因素的相互作用。例如，高级研究表明，低坡度与具有单调和半封闭环境的公路隧道的疲劳驾驶行为相互作用，并且似乎与山区公路上的交通事故有关[30,31]。因此，有必要采用一种基于安全风险评估而不是仅基于合规性检查的新的设计优化方法，以便确保风险水平在可接受的范围内。
本文介绍了一种成本安全最优平衡模型，以识别和优化不仅影响生命周期成本而且影响运营安全的高速公路规划和设计变量。该模型不仅可以用于公路线形问题，而且可以扩展到针对其他高风险工程设计任务的多目标设计优化。
这项工作以多种方式推动了高速公路路线优化的研究。首先，它为公路规划和设计提出了一种新的染色体表示形式，这是此处提供的成本和安全性能评估的基础。其次，它通过将设计变量中的安全风险因素与生命周期成本项相关联来开发综合评估模型，从而架起了成本与安全性之间的桥梁。第三，将故障树分析（FTA）与回归方法相结合，从公路工程设计的角度对交通事故原因进行建模。广义回归模型是介绍以制定公路规划与设计之间的数学函数以及相应的风险等级（预测的碰撞率）以进行路线调整。第四，提出了可接受的风险评估框架，以根据交通安全风险确定最佳解决方案的适用性。最后，提出了一种考虑成本效益变化的全球趋势和局部特征的计算算法，以便在成本和安全性之间取得平衡。
第二章 成本和安全功能的公式化
2.1确定安全分析的风险因素
公路交通安全是一个复杂的目标，在很大程度上取决于行车路线与车辆之间的相互作用[32]。尽管现有文献对导致交通事故的因素进行了大量分析，但从工程设计的角度进行的研究很少。本节使用自由贸易协定[33]缩小工程设计细节与交通事故之间的距离。
图1显示了一个故障树，该树以交通事故为主要事件，而工程设计因素为基本事件，以加深对从工程设计变量到不希望的最高事件的逻辑理解。值得注意的是，故障树在图1是专门为工程设计的安全性分析而专门开发的新提出的FTA图（在本文中称为NFTA）。NFTA图和传统FTA图之间有两个区别。基本事件图1是某个公路项目中的确定性因素，而FTA方法通常使用基本事件的预定发生概率来推断最高事件的概率。其次，变量之间的依存关系是概率性的而不是确定性的[34]。例如，即使“驾驶员失误”是导致交通事故的重要因素，但驾驶员失误的存在并不一定会导致交通事故，因此，NFTA与传统的FTA假设有所不同。
图1中的NFTA表明交通事故主要是由于道路设计不良而导致的驾驶员错误和车辆操作问题。
驾驶员失误是指在困难的情况下，不良的高速公路设计可能会对驾驶员的性能产生负面影响。例如，超长的隧道和昏暗的驾驶环境是驾驶员疲劳的重要因素，这会延长驾驶员的反应时间，并经常导致事故。高海拔对于穿越高原的山区高速公路和隧道通风不良的耦合作用可能导致驾驶员变得缺氧，从而导致交通事故。
车辆操作问题是指危险事件，即使驾驶员有足够的经验并且车辆处于良好的操作状态，不良的高速公路路线设计也会增加车辆操作的难度和车辆故障的可能性。先前的研究表明，设计一致性在提供车辆实际操作与驾驶员期望之间的一致性方面起着至关重要的作用[35]。良好的道路一致性设计可以消除意外和突然的变化，从而有效降低事故发生的可能性[27]。设计一致性可分为三大类：车辆稳定性，单个元素上的运行速度一致性以及后续元素上的运行速度一致性。车辆稳定性分析了弯道处提供的侧向摩擦力是否足以防止车辆打滑。
运行速度是指驾驶员选择的实际速度，在自由流动的情况下，通常由高速公路的线形几何确定。除了以上设计一致性标准，较大的纵向坡度和较差的视距也给车辆控制带来了巨大挑战，并可能导致意外碰撞。
鉴于有时会不可避免地出现驾驶员的失误和车辆故障，将容错设施（例如路肩和紧急停车带）纳入高速公路可有效降低交通事故率。
图1.公路交通事故的NFTA
虽然NFTA在图1由于提供了对高速公路工程项目中可能导致交通事故的因素的洞察力，由于NFTA和FTA之间的主要差异，因此传统FTA方法的推论方法不适用于本研究。为了解决这个问题，将NFTA图映射到广义线性回归模型上，以便在给定的情况下计算高速公路路段的交通事故概率和工程设计信息。映射算法描述如下：首先，最小割集[36]在NFTA中确定了，这是指发生交通事故的最小，必要和充分条件。接下来，将最小割集转换为回归模型中的解释变量。特别是，NFTA中的AND门将结合较低事件的信息以计算较高事件的状态。表格1提供了从NFTA图推导出的风险因素，这些风险因素将用作回归模型中的解释变量。
列出的危险因素表格1是与山区公路规划和设计相关的重要参数。值得注意的是，这些风险因素不仅影响道路交通安全，而且影响高速公路的生命周期成本。
表格1 公路交通事故的危险因素列表
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Risk factors |
Corresponding engineering design variables |
Design variables relation with |
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Construction cost |
Maintenance cost |
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Dim tunnel environment |
Lighting design in tunnel |
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radic; |
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Long tunnels |
Tunnel length |
radic; |
radic; |
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Long tangents |
Tangent length |
radic; |
radic; |
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Poor ventilation in tunnel |
Ventilation design in tunnel |
radic; |
radic; |
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Poor vehicle stability |
Pavement friction,superelevation,curve radius |
radic; |
times; |
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Poor driving consistency |
Slope grade,curve radius,and roadside context |
radic; |
times; |
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Large steep slope |
Slope grade and slope length |
radic; |
times; |
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