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随着我国高速公路的快速发展，高速公路交通安全越来越受到社会各界的重视，公路设计应“以人为本”，考虑道路使用者安全的设计理念越来越深入人心。但是现有的公路设计和安全评价规范对驾驶人的考虑不足，对线形设计值的约束单一，没有量化的考虑公路组合线形对安全的影响。同时，随着我国东部地区各级公路网的完善，未来公路的主要建设区将转移到我国的中西部地区。我国中西部地区地形条件复杂，在建设各级公路时势必会在设计中应用各类组合线形，这些组合线形的形式和设置是否安全、如何优化将成为道路设计者必须面对的问题。
近三十年来，国内外的研究者结合实地观测和路段历史事故数据对公路线形设计的安全性开展了广泛的研究，构建了大量以运行车速为主的预测模型和路段安全评价方法。但是受限于数据采集手段，以往的研究者只能采集部分公路线形样本，以线形截面的点速度为研究对象，构建回归模型，客观上割裂了公路线形的连续性，且很难开展针对其他道路运行指标的安全性研究。随着数据采集技术的发展，近年来驾驶模拟器越来越多地被应用于公路线形研究中，得益于驾驶模拟实验数据的完整性和精确性，研究者可以提取丰富且高频的道路运行指标，例如车辆的各向速度、各向加速度、各向姿态角、行驶轨迹等，全面地评价并优化线形设计的安全性。但是受到时间和成本的限制，驾驶模拟实验很难采集到事故样本，只能以运行指标的变化研究线形设计的相对安全性。对此，本文提出“几何设计参数-道路运行指标-事故替代指标-路段历史事故数”的公路线形安全性研究体系，首先基于线形设计参数预测道路运行指标的变化，而后基于道路运行指标变化曲线提取事故替代指标，然后基于历史事故数验证事故替代指标的有效性，最后基于验证有效的事故替代指标分析组合线形的安全性并提出优化建议。本研究的主要内容与成果包括以下几个方面：
第一、构建基于线形设计参数的道路运行指标预测模型组。基于湖南永吉高速公路的设计图纸构建道路3D模型，开展驾驶模拟实验，采集到38名有效驾驶员样本的道路运行指标变化序列。基于实验数据，研究分析了现有基于点速度的预测模型的缺陷，并提出了以路段上下游线形设计参数集计值为解释变量的连续建模策略。在提取上下游线形参数时，分别选择50m，100m，200m，300m，400m和500m的集计距离，通过比较预测模型的拟合优度选取各运行指标的最佳集计距离。对连续型变量速度、纵向加速度和侧向加速度，提取均值构建多元线性回归模型，基于各变量的驾驶员个体值构建以驾驶员为分类变量的混合线性模型；对有序离散变量侧向偏移等级，分别构建有序Logit模型和考虑驾驶员个体差异的分层有序Logit模型。根据模型对比和参数估计结果，使用路段上下游300m的曲率及坡度指标的统计值预测速度可以达到最佳的模型拟合优度，且上游路段越曲折、坡度差变化越大、路段总体坡度越大，则观测到的速度值越低，与实际情况相符。纵向加速度的最佳上下游参数集计距离为400m，侧向加速度的最佳上下游集计距离为50m，侧向偏移等级的最佳上下游集计距离为300m。
第二、事故替代指标构建与有效性验证。基于四类道路运行指标提出反映道路纵向平顺性和横向稳定性的8个潜在的事故替代指标：路段车速差、路段车速标准差、最小纵向加速度、最大纵向加速度、最大侧向加速度、路段侧向加速度标准差、无偏移等级比例和严重偏移等级比例，并分别提取这8类潜在的事故替代指标的总体均值、个体均值、个体85%或15%分位数值、极大值、极小值以及标准差。基于湖南长张高速公路张家界段(64km)的设计图纸应用本研究中构建的道路运行指标预测模型组，生成运行指标变化图，按照平曲线线形划分路段，提取各路段潜在的事故替代指标值。根据目标道路3年历史事故数据的空间分布计算各路段单位公里事故率，使用斯皮尔曼相关系数研究路段事故率和各潜在的事故替代指标之间的相关性，并基于Tobit模型进一步筛选最合适的事故替代指标。研究最终确定的五个事故替代指标分别为：路段车速差(减速段)、最小纵向加速度、最大侧向加速度85%分位数值、无偏移比例以及严重偏移比例均值。
第三、基于事故替代指标的组合线形安全评估与优化。考虑平曲线和竖曲线的道路设计要素，如圆曲线半径、圆曲线偏转角、回旋线参数、前坡坡度、后坡坡度和平纵曲线顶点相对位置等，使用Matlab模拟生成不同的组合线形设计参数序列，应用运行指标预测模型组生成各平纵组合线形的指标变化图，提取各组合线形路段上的五类事故替代指标。按照四类平纵组合线形：平曲线上坡、平曲线下坡、平曲线凸曲线、平曲线凹曲线，分别通过分类统计表和箱式图，研究事故替代指标和各道路设计要素之间的关系，研究发现：圆曲线半径是与路段安全性最相关的设计要素，半径越小，路段的纵向平顺性和横向稳定性越差；路段坡度对纵向平顺性的影响主要体现在最小纵向加速度上，对横向稳定性的影响则通过影响路段总体速度实现，路段总体坡度越大，平均速度越低，发生严重偏移的概率越低；其他的路段设计要素尽管影响运行指标的变化，但是对反映路段总体特征和极值的事故替代指标的影响程度有限。
近三十年来，国内外的研究者结合实地观测和路段历史事故数据对公路线形设计的安全性开展了广泛的研究，构建了大量以运行车速为主的预测模型和路段安全评价方法。但是受限于数据采集手段，以往的研究者只能采集部分公路线形样本，以线形截面的点速度为研究对象，构建回归模型，客观上割裂了公路线形的连续性，且很难开展针对其他道路运行指标的安全性研究。随着数据采集技术的发展，近年来驾驶模拟器越来越多地被应用于公路线形研究中，得益于驾驶模拟实验数据的完整性和精确性，研究者可以提取丰富且高频的道路运行指标，例如车辆的各向速度、各向加速度、各向姿态角、行驶轨迹等，全面地评价并优化线形设计的安全性。但是受到时间和成本的限制，驾驶模拟实验很难采集到事故样本，只能以运行指标的变化研究线形设计的相对安全性。对此，本文提出“几何设计参数-道路运行指标-事故替代指标-路段历史事故数”的公路线形安全性研究体系，首先基于线形设计参数预测道路运行指标的变化，而后基于道路运行指标变化曲线提取事故替代指标，然后基于历史事故数验证事故替代指标的有效性，最后基于验证有效的事故替代指标分析组合线形的安全性并提出优化建议。本研究的主要内容与成果包括以下几个方面：
第一、构建基于线形设计参数的道路运行指标预测模型组。基于湖南永吉高速公路的设计图纸构建道路3D模型，开展驾驶模拟实验，采集到38名有效驾驶员样本的道路运行指标变化序列。基于实验数据，研究分析了现有基于点速度的预测模型的缺陷，并提出了以路段上下游线形设计参数集计值为解释变量的连续建模策略。在提取上下游线形参数时，分别选择50m，100m，200m，300m，400m和500m的集计距离，通过比较预测模型的拟合优度选取各运行指标的最佳集计距离。对连续型变量速度、纵向加速度和侧向加速度，提取均值构建多元线性回归模型，基于各变量的驾驶员个体值构建以驾驶员为分类变量的混合线性模型；对有序离散变量侧向偏移等级，分别构建有序Logit模型和考虑驾驶员个体差异的分层有序Logit模型。根据模型对比和参数估计结果，使用路段上下游300m的曲率及坡度指标的统计值预测速度可以达到最佳的模型拟合优度，且上游路段越曲折、坡度差变化越大、路段总体坡度越大，则观测到的速度值越低，与实际情况相符。纵向加速度的最佳上下游参数集计距离为400m，侧向加速度的最佳上下游集计距离为50m，侧向偏移等级的最佳上下游集计距离为300m。
第二、事故替代指标构建与有效性验证。基于四类道路运行指标提出反映道路纵向平顺性和横向稳定性的8个潜在的事故替代指标：路段车速差、路段车速标准差、最小纵向加速度、最大纵向加速度、最大侧向加速度、路段侧向加速度标准差、无偏移等级比例和严重偏移等级比例，并分别提取这8类潜在的事故替代指标的总体均值、个体均值、个体85%或15%分位数值、极大值、极小值以及标准差。基于湖南长张高速公路张家界段(64km)的设计图纸应用本研究中构建的道路运行指标预测模型组，生成运行指标变化图，按照平曲线线形划分路段，提取各路段潜在的事故替代指标值。根据目标道路3年历史事故数据的空间分布计算各路段单位公里事故率，使用斯皮尔曼相关系数研究路段事故率和各潜在的事故替代指标之间的相关性，并基于Tobit模型进一步筛选最合适的事故替代指标。研究最终确定的五个事故替代指标分别为：路段车速差(减速段)、最小纵向加速度、最大侧向加速度85%分位数值、无偏移比例以及严重偏移比例均值。
第三、基于事故替代指标的组合线形安全评估与优化。考虑平曲线和竖曲线的道路设计要素，如圆曲线半径、圆曲线偏转角、回旋线参数、前坡坡度、后坡坡度和平纵曲线顶点相对位置等，使用Matlab模拟生成不同的组合线形设计参数序列，应用运行指标预测模型组生成各平纵组合线形的指标变化图，提取各组合线形路段上的五类事故替代指标。按照四类平纵组合线形：平曲线上坡、平曲线下坡、平曲线凸曲线、平曲线凹曲线，分别通过分类统计表和箱式图，研究事故替代指标和各道路设计要素之间的关系，研究发现：圆曲线半径是与路段安全性最相关的设计要素，半径越小，路段的纵向平顺性和横向稳定性越差；路段坡度对纵向平顺性的影响主要体现在最小纵向加速度上，对横向稳定性的影响则通过影响路段总体速度实现，路段总体坡度越大，平均速度越低，发生严重偏移的概率越低；其他的路段设计要素尽管影响运行指标的变化，但是对反映路段总体特征和极值的事故替代指标的影响程度有限。