Sử dụng phần mềm IHSDM phân tích ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến mức độ ATGT trên các tuyến đường 2 làn xe ngoài đô thị

ª TS. Nguyễn Quang Phúc Trường Đại học Giao thông vận tải ª KS. Cao Thị Diện Trường Cao đẳng Giao thông vận tải miền Trung Người phản biện: TS. Đào Huy Hoàng

Tóm tắt: Mô hình tương tác thiết kế an toàn đường bộ IHSDM (Interactive Highway Safety Design Model) đã được Cục Quản lý Đường cao tốc liên bang Mỹ (FHWA) xây dựng để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến năng lực phục vụ và ATGT đường bộ.

Bài báo trình bày kết quả đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố hình học đường được thiết kế đến mức độ phục vụ và ATGT cho đường 2 làn xe tại Việt Nam sử dụng phần mềm IHSDM. Trên cơ sở kết quả đánh giá đề xuất các áp dụng có thể trong điều kiện Việt Nam để đảm bảo phối hợp tổng thể các yếu tố hình học với mức độ ATGT của đường khi vận hành, khai thác.

Từ khóa: Yếu tố hình học, an toàn giao thông, tuyến đường 2 làn xe ngoài đô thị.

Abstract: Interactive Highway Safety Design Model - IHSDM has been developed by Federal highways Administration (FHWA) in US to be used in analysis and evaluation of impacts of geometric road design to highway safety.

The paper presents case study of evaluating interaction between designed geometric road factors and road safety and road level of service. The output is used as principles combination of road factors approachs road safety and  its applicability in Vietnam.

Keywords: Geometric elements, traffic safety, two lane roads outside urban areas.

1. Ảnh hưởng của các yếu tố hình học đường ô tô và ATGT

Phương pháp luận thiết kế hình học yếu tố hình học đường cho thấy sự tiếp cận rõ ràng đến vấn đề ATGT. Thực tế cũng cho thấy, nhiều vụ TNGT có nguyên nhân chính là khiếm khuyết trong thiết kế hình học tuyến đường.

Một số vấn đề chính của thiết kế yếu tố hình học ảnh hưởng tới ATGT được mô tả dưới đây:

- Đoạn tuyến được thiết kế thẳng quá dài trước khi vào đường cong: Với tuyến thẳng không hạn chế tầm nhìn, mật độ dòng xe thấy người lái có xu hướng chạy với tốc độ mong muốn, cao hơn nhiều so với tốc độ vận hành an toàn cho phép của một đường cong ở phía trước. Tai nạn có thể xảy ra do người lái không kịp thời điều chỉnh tốc độ khi vào đường cong. Mặt khác, khi chạy trên đoạn tuyến thẳng quá dài, người lái dễ rơi vào tình trạng nhàm chán, đơn điệu và mất kiểm soát phương tiện dễ dẫn đến tai nạn.

- Đường cong bằng và bán kính đường cong bằng: Rất nhiều tài liệu thống kê cho thấy tỉ lệ tai nạn trong đoạn cong cao hơn đoạn đường thẳng đến 1.5 ¸ 1.7 lần, có nơi như Nam Phi đến hơn 3 lần. Nhiều tài liệu còn chỉ ra rằng số vụ tai nạn phụ thuộc vào tỉ lệ thay đổi độ cong CCR.

- Hệ số lực ma sát ngang trong đường cong là quan trọng và có ảnh hưởng đến an toàn của xe chạy. Sai khác giữa hệ số ma sát ngang yêu cầu (f_RD) và hệ số ma sat ngang thiết kế (f_RA) quyết định giới hạn an toàn.

- Độ dốc dọc cao và chiều dài đoạn dốc lớn không chỉ bất lợi đối với các xe nặng mà các xe chạy nhanh trong điều kiện bị cản trở làm tâm lý người điều khiển phương tiện bị ức chế, làm gia tăng tình trạng vượt xe trong các điều kiện nguy hiểm, dẫn đến dễ xảy ra tai nạn. Thực tế cho thấy, bố trí làn xe leo dốc trên đoạn dốc lớn (>3-4 %) cho đường hai làn xe ngoài đô thị có thể cho phép làm giảm đến 25% số vụ tai nạn.

- Chiều rộng phần xe chạy càng nhỏ càng có khả năng gây tai nạn. Trên cơ sở số liệu của Liên Xô cũ, Đức, và các nước châu Âu khác, Silyanov thiết lập mối quan hệ giữa cường độ tai nạn và bề rộng mặt đường như sau:

 

(1)

Trong đó:

AR - Cường độ tai nạn (vụ/ 10 triệu xe.km);

W - Chiều rộng mặt đường (m).

Các nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng, khi mở rộng đường từ 2,7m lên 3,7m, số vụ tai nạn có thể giảm tới 35%. Với lề đường, một lề đường được gia cố chắc chắn và rộng trên 2,0m luôn là điều mong muốn vì nó có thể giảm số vụ tai nạn đến 34% so với lề đường hẹp hơn và không được gia cố.

- Tầm nhìn là yếu tố rất quan trọng đối với ATGT. Các nghiên cứu của Silyanov tại Liên Xô cũ cho thấy có môi quan hệ tỷ lệ nghịch giữa cường độ tai nạn và tầm nhìn hãm xe. Babkov cũng công bố kết quả cho thấy việc không đảm bảo tầm nhìn là nguyên nhân cho từ 8 - 10% số tai nạn tại Liên xô cũ. Các kết quả nghiên cứu của Urbanik và Olson và các cộng sự ở Mỹ cũng cho các kết luận tương tự.

- Sự phối hợp giữa các yếu tố hình học đường đảm bảo một tuyến đường rõ ràng và liên tục trong phạm vi tầm nhìn của người điều khiển phương tiện. Phối hợp không tốt dẫn đến sự bóp méo ảnh trên không gian 3D tạo nên những sai lầm trong nhận định của người lái, tạo nguy cơ gây tai nạn. Nghiên cứu của Yasumori và các cộng sựchỉ ra rằng, với các loại tuyến trong không gian trên, đường cong phức tạp là nhân tố gây tới hơn 70% tai nạn có liên quan đến sự nhận định sai do sự bóp méo của ảnh phối cảnh, trong khi, dạng đường cong phẳng chỉ vào khoảng 20% và đường thẳng trong không gian là khoảng 10%.

2. Giới thiệu phần mềm IHSDM và các ứng dụng

IHSDM là mô hình tương tác thiết kế an toàn đường bộ. IHSDM là một bộ phần mềm mở dùng để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến ATGT đường bộ. IHSDM được nhiều tác giả ở các nước như Ý, Anh, New Zealand... nghiên cứu, sử dụng để đánh giá mức độ ATGT trên các tuyến đường 2 làn xe ngoài đô thị. IHSDM có khả năng đánh giá rất hiệu quả, có cái nhìn khách quan sau quá trình thiết kế con đường về mặt hình học và quang học.

IHSDM là phần mềm miễn phí có khả năng dự báo, đánh giá và phân tích an toàn giao thông từ bước thiết kế (xem thêm thông tin tại địa chỉ: http://www.ihsdm.org).

Phần mềm IHSDM hiện tại bao gồm 6 mô-đun. Mỗi mô-đun được sử dụng đánh giá mỗi khía cạnh cần xem xét và nghiên cứu gồm:

2.1. Mô-đun so sánh tiêu chuẩn (Policy Review module (PRM))

Mô-đun này kiểm tra một thiết kế bằng cách so sánh các thông số thiết kế với các giá trị tới hạn được quy định trong tiêu chuẩn. Kết quả PRM sẽ cung cấp một báo cáo đánh giá xem các yếu tố hình học có nằm trong phạm vi tiêu chuẩn hay không và được tóm tắt trong các bảng biểu.

Mục đích của mô-đun này là kiểm tra các yếu tố hình học của đường xem có phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế hay không. Các yếu tố hình học này chúng ta có thể nhập vào từ cửa sổ của mô-đun hoặc dùng file.xml được xuất ra từ phần mềm ADS PRM kiểm tra 4 hạng mục: Mặt cắt ngang, bình đồ, trắc dọc, tầm nhìn.

- Mặt cắt ngang: Kiểm tra quy mô mặt cắt ngang đường bao gồm bề rộng và độ dốc ngang mặt đường, bề rộng và độ dốc lề gia cố, bề rộng và độ dốc ngang lề đất, dốc mái ta-luy, độ dốc siêu cao trên đường cong.

- Bình đồ: Kiểm tra chiều dài cánh tuyến, bán kính đường cong nằm, siêu cao, độ lệch góc và chiều dài của đường cong.

- Trắc dọc: Kiểm tra dốc dọc, chiều dài đường cong đứng.

- Tầm nhìn: Kiểm tra tầm nhìn dừng xe, tầm nhìn vượt xe và tầm nhìn quyết định.

PRM đánh giá chính sách đã được số hóa với tiêu chuẩn AASHTO với các phiên bản 1990, 1994, 2001, 2004, 2011. Tuy nhiên, phần mềm còn cho phép người dùng tự định nghĩa tiêu chuẩn và chỉnh sửa các nội dung cho phù hợp với tiêu chuẩn mình lựa chọn. Đây là tính năng rất bổ ích có thể giúp kỹ sư Việt Nam cập nhập các tiêu chuẩn hiện hành ở nước ta như TCVN 4054-05 hoặc TCXDVN 104 - 2007 để sử dụng.

2.2. Mô-đun dự báo tai nạn (Crash Prediction module (CPM))

Dự báo số lượng và tỉ lệ tai nạn bằng cách đánh giá các yếu tố hình học và lưu lượng giao thông của đường 2 làn xe ngoài đô thị. Kết quả của mô-đun này cung cấp biểu đồ biểu diễn mức độ tai nạn của đoạn đường trong năm đánh giá và các bảng biểu thống kê tai nạn của tuyến đường và của từng đoạn đường trong năm đánh giá.

Mô hình dự báo tai nạn cho đoạn đường và tại các nút giao của đường 2 làn xe ngoài đô thị gồm 2 thành phần: Các chức năng hoạt động an toàn (SPFs) hay mô hình cơ sở và các yếu tố biến đổi tai nạn (CMFs).

Mô hình dự báo cho đoạn tuyến hai làn xe:

N_rs = C_r .N_spf-rs(CMF_1r...CMF_nr )         (2)

Với:  N_rs - Tổng số tai nạn dự báo cho đoạn đường bộ mỗi năm;

N_spf-rs - Số tai nạn dự đoán của đoạn đường mỗi năm với điều kiện danh nghĩa hoặc cơ sở;

C_r - Hệ số hiệu chỉnh cho đoạn đường phát triển để sử dụng cho một quốc gia cụ thể hoặc khu vực địa lý;

CMF_nr - Các yếu tố biến đổi tai nạn cho đoạn đường.

Mô hình dự báo cho nút giao:

N_int = C_i .N_spf-int(CMF_1i...CMF_ni)                (3)

N_int - Tổng số tai nạn dự báo cho một nút giao mỗi năm;

N_spf-int - Số tai nạn dự báo của nút giao mỗi năm với điều kiện danh nghĩa hoặc cơ sở;

Ci - Hệ số hiệu chỉnh cho ngã tư phát triển để sử dụng cho một quốc gia cụ thể hoặc khu vực địa lý;

CMF_ni - Yếu tố biến đổi tai nạn cho nút giao thông.

2.3. Mô-đun đánh giá điều hòa tuyến (Design Consistency module (DCM))

Uớc tính tốc độ khai thác và kiểm tra mức độ hài hòa thiết kế dựa trên các nhóm tiêu chí phụ thuộc tốc độ. Kết quả của mô-đun này cho ta các biểu đồ vận tốc và sự chênh lệch vận tốc thực tế V₈₅ và vận tốc thiết kế V_tk.

Thực chất mô-đun này xem xét sự phù hợp của các yếu tố tuyến thiết kế với mong muốn của người sử dụng đường hay không. Tần suất tai nạn sẽ giảm nếu sự điều hòa thiết kế được tăng lên. Đây là phương pháp này được xem là hiệu quả và được công nhận rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới.

Kết quả của mô-đun DCM cung cấp các biểu đồ vận tốc, sự chênh lệch giữa vận tốc V85 và vận tốc thiết kế, chênh lệch giữa V85 của các đoạn lân cận. Tiêu chí đánh giá điều hòa tuyến và an toàn giao thông thể hiện ở Bảng 2.1:

Bảng 2.1. Tiêu chi đánh giá thiết kế điều hòa tuyến

 

2.4. Mô-đun đánh giá nút giao thông (Intersection review module (IRM)):Đánh giá mang tính hệ thống các yếu tố thiết kế của nút giao thông cùng mức liên quan đến an toàn và khả năng vận hành của chúng.

2.5. Mô-đun phân tích giao thông (Traffic Anaysis module (TAM)): Tính toán các chỉ tiêu về mặt vận hành của đường như khả năng thông hành, thời gian chậm xe, mức độ phục vụ.

2.6. Mô-đun người lái/phương tiện (Driver\Vehicle module): Đánh giá phản ứng và ứng xử của người lái xe như thế nào với thiết kế đường bộ trong khi lái xe và cũng xác định nếu điều kiện đường có thể làm tăng khả năng mất kiểm soát của người lái xe.

3. Ứng dụng các mô-đun của IHSDM để phân tích ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến mức độ ATGT cho một tuyến đường 2 làn xe ngoài đô thị

Phần mềm được ứng dụng để đánh giá một đoạn tỉnh lộ hai làn xe từ Yên Bắc - Yên Nam thuộc địa bàn huyện Duy Tiên, tỉnh Hà Nam. Mô-đun được lựa chọn là mô-đun Crash Prediction Module (CPM) - Mô-đun dự báo tai nạn. Các kết quả được thể hiện trong các bảng từ Bảng 3.1 đến Bảng 3.4 và trong Hình 3.1.

Bảng 3.1. Dự báo số thống kê tổng số vụ tai nạn theo năm

Hình 3.1: Biểu đồ dự báo tai nạn trên tuyến

 

Bảng 3.2. Bảng dự báo tần số và tỉ lệ tai nạn theo phân đoạn đường

 

Bảng 3.3. Bảng dự báo tần số và tỉ lệ TNGT theo đoạn phụ thuộc yếu tố bình đồ

 

Qua bảng dự báo tần số và tỉ lệ TNGT trên từng phân đoạn đường, bảng dự báo tần số và tỉ lệ TNGT bằng các chi tiết thiết kế theo phương ngang, ta thấy tại các phân đoạn đường sau có tỉ lệ tai nạn được dự báo là lớn nhất trên toàn tuyến đường.

Bảng 3.4. Phân đoạn đường tiềm ẩn nguy cơ TNGT cao

Tại 3 phân đoạn trên được dự đoán tiểm ẩn nguy cơ tai nạn cao. Vì vậy, để tránh những nguy cơ tiềm ẩn về TNGT ở các vị trí này, tiến hành đưa biện pháp xử lý các yếu tố hình học kịp thời trong quá trình thiết kế.

Tại 2 phân đoạn Km 2+428.200 - Km 2+442.840, phân đoạn Km 2+442.84 - Km 2+473.000 thuộc phạm vi lý trình của đường cong DC16, các yếu tố đường cong A = 137d13’14’’, R = 60m, Ln = 20m, isc = 4%.

Tại phân đoạn Km 2+503.150 -  Km 2+535.090 thuộc phạm vi lý trình của đường cong DC17, các yếu tố đường cong A = 149d29’57’’, R = 60m, Ln = 20m, isc = 4% .

Theo TCVN4504 – 05, ta thấy ngay với đường cấp IV, ĐB, bán kính tối thiểu giới hạn bố trí trên đường cong bằng Rmin = 125m. Như vậy, 3 phân đoạn tuyến trên việc bố trí bán kính đường cong R = 60m là vi phạm quy trình.

Do vậy, để giải quyết bài toán nguy cơ TNGT ta có thể đưa ra 1 số giải pháp cải thiện các yếu tố hình học như sau:

Tiến hành cắm lại bán kính đường cong DC16, DC17 R = 125m. Song, với vị trí 2 đường cong quá gần nhau, nếu tiến hành cắm bán kính cong R = 125m thì chiều dài đoạn nối tương ứng là Ln = 70m, sẽ dẫn tới không bố trí đủ đoạn nối. Vì vậy, biện pháp thiết kế cho đoạn tuyến này là tiến hành điều chỉnh tuyến bỏ đỉnh DC16; tiến hành chỉnh tuyến từ DC15 đến DC17 đảm bảo cắm được Rmin và bố trí được đường cong chuyển tiếp và đoạn nối tương ứng.

5. Kết luận và kiến nghị

Kết quả phân tích cho thấy hiệu quả của phần mềm IHSDM trong việc dự báo đánh giá ATGT. Phần mềm có thể phân tích được số vụ tai nạn, số người bị thương, số người tử vong, thiệt hại tài sản trên toàn tuyến đường và tần số và tỷ lệ tai nạn trên từng đoạn đường thông qua các chỉ tiêu thiết kế hình học của tuyến đường. Ngoài ra có thể dự báo được vận tốc khai thác từ các yếu tố hình học được thiết kế để đánh giá tuyến đường có hài hòa hay không, từ đó có thể điều chỉnh được vận tốc thiết kế, yếu tố hình học tuyến đường ở những đoạn không phù hợp với tiêu chuẩn và có nguy cơ xảy ra tai nạn cao.

Sử dụng phần mềm IHSDM phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố hình học đến mức độ ATGT trên các tuyến đường hai làn xe ngoài đô thị ngay từ bước thiết kế; theo dõi dài hạn trên các tuyến đường trong thời kì khai thác về diễn biến TNGT để đánh giá về độ tin cậy và phân tích tính thực tiễn trong ứng dụng phần mềm tích hợp với phần mềm thiết kế hình học đường ô tô.

Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. TS. Bùi Xuân Cậy, TS. Nguyễn Quang Phúc (2008), Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô, NXB. GTVT, Hà Nội.

[2]. Bộ GTVT, Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế, TCVN 4054 - 2005.

[3]. IHSDM Tutorial.

[4]. A Policy on Geometric Design of Highway and Streets 2011 6^th Edition.