使用基于风险的可靠性分析校准道路设计指南
摘要: 现有的几何设计指南为公路元素提供了确定性设计标准，忽略了与许多设计参数相关的不确定性。可靠性分析被提倡作为一种方法来考虑这种不确定性，并评估与特定设计特征相关的风险。本文讨论了可靠性分析的一个重要应用 : 几何设计模型的校准，以产生一致的安全风险水平。本文提供了中间纵坐标 M 的校准设计图表， M 定义为在不同的不符合概率水平下，中间障碍物边缘和相邻车道中心线之间的横向距离。结果表明，校准后的 M 值通常低于美国国家公路交通运输协会设计指南中的值。校准后的设计图表可以为处理道路限制的公路的设计者提供一个选择，使用较低的中间纵坐标值，并使他们能够估计他们的决定的安全后果。总的来说，校准后的图表有助于决策者确定偏离几何设计标准的安全影响，并量化被认为是可接受的设计值中的安全水平。 DOI:10.1061/(ASCE)TE . 19435436.0000694 。 2014年美国土木工程师协会。
作者关键词: 可靠性分析；设计指南校准。
1介绍
方法中，设计方程中的变量被视为随机变量，它们被表示为概率分布而不是单一制。在极限状态设计中，当需求超过供给时，系统被认为已经失效或不符合设计要求。可靠性理论可以用来发展包含供应和需求变量不确定性的安全因素。由此产生的安全因素被称为不符合概率 (Pnc) ，它与需求超过供应或特定设计不符合标准要求的概率度量相关联 (Richl 和 Sayed 2006) 。本文论证了使用可靠性分析来说明设计输入中的不确定性的重要性，并提出了可靠性分析在公路设计中的一个重要应用 : 几何设计模型的校准，以产生由 Pnc 值表示的一致且足够的安全水平。提议的校准过程将使设计指南能够提供新的设计标准，该标准在安全水平方面是一致的，并且更好地反映了设计输入的随机性。这种新的设计标准可以帮助设计者估计他们设计决策的安全含义。作为几何设计规范校准的一个示例，本文提供了不同不符合概率水平下的中间纵坐标 (M) 的校准设计图表，中间纵坐标定义为中间障碍物边缘和相邻车道中心线之间的横向距离。讨论了几个因素对校准设计图表的影响，包括操作和设计速度的使用以及目标 Pnc 值。图 1 示出了所研究的水平曲线的平面图。现有的几何设计指南，如 AASHTO 绿皮书 (AASHTO 2011) 和加拿大运输协会 (TAC) 的加拿大设计指南 (1999) ，为设计要求提供了一种确定性方法，使用不确定设计输入的保守百分位值来说明不确定性(Ismail 和 Sayed 2010) 。然而，在公路几何设计中，设计输入 ( 如设计速度 ) 、模型参数 ( 如感知和制动反应时间 ) 和模型形式 ( 如设计要素如视距的计算 ) 具有相当大的不确定性。道路设计的确定性方法有两个主要缺点 (Ismail 和 Sayed 2010) 。首先，百分位值的选择不是基于明确的安全措施；并且设计输出的安全裕度通常是未知的。第二，对偏离设计标准的安全影响知之甚少 ( 例如，提供小于标准要求视距的视距 ) 。可靠性分析被提倡作为一种方法来考虑几何设计过程中的不确定性，并评估与特定设计特征相关的风险。可靠性分析中使用的原则遵循结构工程师常用的极限状态设计方法。
在这里不列颠哥伦比亚大学土木工程系研究助理， 6250 应用科学学院，温哥华，不列颠哥伦比亚，加拿大V6T 1Z4( 对应作者 ) 。电子邮件 :m.hussein@civil.ubc.ca 教授，不列颠哥伦比亚大学土木工程系， 6250应用科学 Ln 。加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华 V6T 1Z4 。加拿大安大略省渥太华市 1125-3432 中校卡尔顿大学土木与环境工程系助理教授。不列颠哥伦比亚大学土木工程系研究助理， 6250 应用科学学院。加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华 V6T 1Z4 。请注意。该手稿于 2013 年 8 月 12 日提交； 2014 年 3 月 24 日批准； 2014 年 5 月 15 日在线发布。讨论期截止到 2014 年 10 月 15 日；个别论文必须提交单独的讨论。本文是美国运输工程杂志的一部分，刊号为 0733-947X/04014041(6)/$25.00 。
2以前的工作
文献报道了可靠性理论在道路运输工程中的几种应用。法格里和德梅斯基 (1988) 采用了一种概率方法来评估公路 - 铁路平面交叉口视距的李米站和碰撞概率。纳文 (1990) 是第一个使用这个术语的人ASCE 04014041-1J Transp 。英格。J.Transp 。英格。， 2014 ， 140(9): 04014041南京林业大学于 2008 年 8 月 1 日从 ascelibrary.org 下载。版权 ASCE 。仅供个人使用；保留所有权利。不符合概率是指设计不符合标准要求的概率。他提供了一个重的理论讨论，使用基于可靠性的设计的典型公路元素。 Easa (2000) 应用平均值一阶二阶矩可靠性方法 (MVFOSM) 来评估交叉口的视距。埃尔 ·胡里和霍贝卡 (2007) 应用蒙特卡罗模拟技术计算直线路段通过视距限制的概率。 Sarhan 和 Hassan(2008) 也使用蒙特卡罗模拟来计算水平曲线与平坦坡度、波峰曲线和波谷曲线重叠设计中三维视距限制的概率。本研究中视距限制的概率称为危险概率。 Ismail 和 Sayed (2009) 提出，与标准设计输出相关的安全水平应该是一致的，并且接近预先指定的目标水平。他们介绍了校准标准设计模型的一般框架以及一套旨在确定设计安全目标值的方法。 Ibrahim 和 Sayed (2011) 在安全性能函数 (SPFs) 中引入了基于可靠性的定量风险度量 Pnc ，以便将设计可靠性度量和预期碰撞频率联系起来。他们指出，这种联系将使设计者能够将 Pnc 引入传统的效益 / 成本分析，从而有可能在道路设计中更广泛地应用可靠性技术。Ismail 和 Sayed (2012) 提出了一种方法，用于在视距受限的路段重新测量横截面，以将设计的总体风险降至最低。 Ibrahim 等人 (2012 年 ) 提出了一种方法，用于选择具有受限视距的公路横截面元素的适当组合。该优化方法旨在 (1) 最小化与受限视距相关的风险， (2) 平衡公路两个车道之间的风险，以及 (3) 降低预期碰撞频率。
