張鄒　韋春艷

摘要：我國(guó)現(xiàn)行的公路路線設(shè)計(jì)方法以設(shè)計(jì)速度為核心，但是設(shè)計(jì)速度與車輛行駛速度嚴(yán)重脫節(jié)，公路線形的指標(biāo)并不能滿足運(yùn)行速度下的安全要求。基于運(yùn)行速度的概念，文章分析了運(yùn)行速度的影響因素，對(duì)運(yùn)行速度的獲取方法進(jìn)行了總結(jié)，并在上述工作的基礎(chǔ)上，介紹了運(yùn)行速度在公路路線設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用，為公路路線設(shè)計(jì)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：路線設(shè)計(jì);運(yùn)行速度;線形評(píng)價(jià);預(yù)測(cè)模型

中國(guó)分類號(hào)：U412.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

路線是公路的骨架，確定了公路的位置和走向，路線設(shè)計(jì)是公路設(shè)計(jì)工作中的重要內(nèi)容，線形設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)乎工程項(xiàng)目的規(guī)模造價(jià)、行車舒適性、公路運(yùn)行效率和交通安全。近些年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，各地區(qū)的公路網(wǎng)絡(luò)日趨完善，交通參與者的數(shù)量達(dá)到了前所未有的數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，我國(guó)的交通安全問題日趨嚴(yán)重，道路交通事故發(fā)生頻率逐年增加，這對(duì)社會(huì)的健康有序發(fā)展以及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大影響。研究人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在道路運(yùn)行系統(tǒng)中，大部分交通安全事故是由道路缺陷造成的，而公路線形和車輛運(yùn)行速度不協(xié)調(diào)是造成公路缺陷的重要原因。因此，公路的設(shè)計(jì)方案不僅要與周圍環(huán)境和諧，還需要通過控制相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)來保證線形的連續(xù)、均衡和一致。

在《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）中，設(shè)計(jì)速度是路線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)。路線設(shè)計(jì)工作中，路線的許多技術(shù)指標(biāo)都是通過設(shè)計(jì)速度來確定的。經(jīng)過多年的工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，以設(shè)計(jì)速度作為基礎(chǔ)參數(shù)的路線設(shè)計(jì)方法存在許多不足：

（1）車輛性能逐漸提高，行車速度較快，車輛運(yùn)行速度與線形設(shè)計(jì)參數(shù)脫節(jié);

（2）線形設(shè)計(jì)要素之間兼容性較差;

（3）線形的行車速度標(biāo)準(zhǔn)不一致。

本文基于運(yùn)行速度理論，介紹了運(yùn)行速度的計(jì)算方法以及預(yù)測(cè)模型，結(jié)合目前行業(yè)規(guī)范，探討運(yùn)行速度理論在我國(guó)公路路線設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用。

1 運(yùn)行速度及計(jì)算方法

1.1 運(yùn)行速度的概念

車速是公路幾何設(shè)計(jì)中重要的控制因素，也是影響公路交通安全的直接因素。

設(shè)計(jì)速度是指在良好的氣象和交通條件下，在公路各項(xiàng)設(shè)計(jì)要素的制約下，一般駕駛技術(shù)的駕駛員所能達(dá)到的最大行駛速度。設(shè)計(jì)速度是公路設(shè)計(jì)者假設(shè)的理想行車速度，是一個(gè)固定值。但是在實(shí)際行車過程中，行車速度會(huì)受到車輛性能、駕駛員和周圍環(huán)境的影響，車速始終處于波動(dòng)狀態(tài)。

可能速度由文獻(xiàn)[3]楊少偉提出，是指當(dāng)交通和氣候條件良好，車輛的運(yùn)行只需要考慮線形本身因素時(shí)，熟練駕駛員所能達(dá)到的速度。

運(yùn)行速度是指在路面平整、潮濕，自由流狀態(tài)下，行駛速度累計(jì)分布曲線上對(duì)應(yīng)85%分位值的速度。運(yùn)行速度是車輛實(shí)際運(yùn)行動(dòng)態(tài)的重要參數(shù)，是“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)相互作用的折射。

隨著公路線形的變化，駕駛員在路況、車況和環(huán)境的影響下，運(yùn)行速度和可能速度圍繞設(shè)計(jì)速度上下波動(dòng)，運(yùn)行速度、可能速度和設(shè)計(jì)速度三者之間的關(guān)系如圖1所示。

1.2 運(yùn)行速度影響因素分析

作為交通系統(tǒng)的重要組成部分，車輛的運(yùn)行速度主要受到人、車、路、環(huán)境四個(gè)方面的影響，其中，公路線形是運(yùn)行速度的重要影響因素。

駕駛員作為“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)的主體，駕駛員的信息接收狀態(tài)、駕駛經(jīng)驗(yàn)以及應(yīng)急情況處理能力都會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行速度產(chǎn)生影響。大量研究表明，駕駛員對(duì)運(yùn)行速度的影響可以劃分為四個(gè)部分：駕駛過程、視覺特性、心理特性以及駕駛經(jīng)驗(yàn)。在駕駛過程中，駕駛員通過各種感受器官接收外界環(huán)境的變化，環(huán)境中的交通流信息、路況以及自身車輛行駛狀態(tài)等信息經(jīng)過大腦接收處理后，會(huì)引起駕駛員的心理狀態(tài)的波動(dòng)。結(jié)合駕駛經(jīng)驗(yàn)，大腦對(duì)當(dāng)前的駕駛情況作出判斷，并指示身體進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。因此，在駕駛過程中，駕駛員本身的視覺特性、心理特性和駕駛經(jīng)驗(yàn)都會(huì)對(duì)運(yùn)行速度產(chǎn)生影響。

車輛是交通行為的主要實(shí)現(xiàn)者，在行駛過程中，駕駛員主要依據(jù)前方路況和車輛本身狀況對(duì)駕駛速度做出調(diào)整，因此車輛的外廓尺寸信息、動(dòng)力性能和載重會(huì)對(duì)運(yùn)行速度產(chǎn)生影響。在上下坡路段，車輛的動(dòng)力性能是影響運(yùn)行速度的最直接和最主要的因素。

駕駛過程是一個(gè)相對(duì)開放的系統(tǒng)，周圍環(huán)境的各種因素都會(huì)干擾駕駛員的操作，同時(shí)，周圍環(huán)境的變化，也會(huì)使得車輛性能發(fā)生變化，進(jìn)而影響運(yùn)行速度。根據(jù)影響對(duì)象的不同，可以將環(huán)境因素分為交通干擾因素（交通流、非機(jī)動(dòng)車和交叉口等）、路側(cè)景觀因素（主要對(duì)駕駛員心理狀態(tài)產(chǎn)生刺激）和氣候環(huán)境因素。

公路的線形設(shè)計(jì)往往受到公路等級(jí)和地形條件的約束，研究表明，同一車輛在不同等級(jí)和地形條件下的運(yùn)行速度特性存在明顯差異，由此可以得出結(jié)論：公路線形會(huì)對(duì)運(yùn)行速度產(chǎn)生較大影響。

道路平面線形由直線、圓曲線和緩和曲線構(gòu)成，線形參數(shù)會(huì)對(duì)運(yùn)行速度產(chǎn)生較大影響。直線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，施工成本低，長(zhǎng)直線會(huì)使駕駛員放松警惕，產(chǎn)生疲勞感和焦躁感;距離過短的直線會(huì)造成駕駛員的頻繁操作，增加駕駛員心理負(fù)擔(dān)。長(zhǎng)度不合理的直線路段均會(huì)對(duì)運(yùn)行速度產(chǎn)生影響。為了調(diào)整路線方向，適應(yīng)地形變化，需要使用圓曲線和緩和曲線銜接兩段直線。車輛在曲線路段行駛時(shí)，為了保證行駛安全和舒適性，駕駛員會(huì)根據(jù)線形的變化而對(duì)行車速度進(jìn)行調(diào)整。

在我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范中，路基的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面由車道、中間帶和路肩等部分組成，這些要素都會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行速度產(chǎn)生影響。一般來說，隨著車道寬度的增加，駕駛?cè)诵睦韷毫?huì)減小，從而導(dǎo)致較高的運(yùn)行速度。同時(shí)，運(yùn)行速度也受到縱斷面的各類線形指標(biāo)的影響，主要有坡長(zhǎng)、坡度和豎曲線半徑等。其中，坡長(zhǎng)和坡度對(duì)運(yùn)行速度的影響較大，尤其對(duì)大型載重車輛而言，隨著坡長(zhǎng)和坡度的增加，運(yùn)行速度降低的幅度逐漸增大。

1.3 運(yùn)行速度的獲取方法

運(yùn)行速度的計(jì)算是評(píng)價(jià)公路線形設(shè)計(jì)和公路安全評(píng)估的基礎(chǔ)性工作。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行公路工程行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及文獻(xiàn)調(diào)研，運(yùn)行速度的獲取方法主要有以下四種：

1.3.1 定義法

運(yùn)行速度是行駛速度累計(jì)分布曲線上85%分位值的速度，根據(jù)此定義，在所測(cè)路段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處設(shè)置錄像設(shè)備或者雷達(dá)測(cè)速儀器，分析數(shù)據(jù)后可以得到該路段的行駛速度分布曲線，尋找85%分位值的速度即為運(yùn)行速度。

1.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回歸模型法

一般認(rèn)為，運(yùn)行速度受到駕駛員、車輛、公路線形和周圍環(huán)境的影響，其中公路線形對(duì)運(yùn)行速度的影響最大。在運(yùn)行速度回歸模擬中，只考慮公路線形的影響。首先分析會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行速度造成影響的路線設(shè)計(jì)參數(shù)，從而建立路線關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)參數(shù)的影響方程。然后在路線關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置測(cè)速設(shè)備，獲取車輛的實(shí)際速度。最后利用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，從而得到運(yùn)行速度的回歸模型。

1.3.3 基于車輛的運(yùn)行速度模型法

該方法通過對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的模擬，利用車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及汽車安全運(yùn)行情況，推導(dǎo)車輛運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)模型。

1.3.4 規(guī)范法

在我國(guó)現(xiàn)行的《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05-2015）中，提出了針對(duì)不同等級(jí)公路、不同分析單元的運(yùn)行速度模型及其修正方法，可以利用該模型計(jì)算得到車輛運(yùn)行速度。

規(guī)范法預(yù)測(cè)運(yùn)行速度主要包含以下步驟：

（1）劃分分析單元

根據(jù)公路的線形參數(shù)，將公路劃分為平直路段、平曲線路段、縱坡路段和彎坡組合路段，劃分原則如表1所示，然后選擇各單元的起終點(diǎn)以及平曲線段和彎坡組合段的中點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

（2）根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05-2015）中推薦的各等級(jí)公路運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型，建立各分析單元的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。

（3）結(jié)合各分析單元交通量、交叉口和交通干擾等因素對(duì)初始運(yùn)行速度模型進(jìn)行修正，得到最終預(yù)測(cè)模型。

1.4 典型運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型

1.4.1 澳大利亞法

基于運(yùn)行速度的公路設(shè)計(jì)理論最初由澳大利亞學(xué)者提出，并在歐盟多國(guó)中進(jìn)行了應(yīng)用。通過對(duì)小半徑平曲線車輛行駛速度的調(diào)研，研究者認(rèn)為，平曲線半徑是車輛運(yùn)行速度的最主要制約因素，式（1）為澳大利亞平曲線運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。

該模型只選取了路段平曲線半徑作為計(jì)算指標(biāo)，由本文1.2節(jié)可知，路面超高及寬度、坡道長(zhǎng)度和縱向坡度等路線參數(shù)也會(huì)影響運(yùn)行速度，因此該模型的合理性及準(zhǔn)確性有待商榷。

1.4.2 美國(guó)法

與澳大利亞研究思路一致，美國(guó)的學(xué)者選取了位于加州、德州和明尼蘇達(dá)州等地的140個(gè)平曲線作為研究對(duì)象，測(cè)量研究路段上的車輛運(yùn)行速度，經(jīng)過回歸推算得到運(yùn)行速度模型：

1.4.3 理論預(yù)測(cè)法

文獻(xiàn)[7]長(zhǎng)安大學(xué)楊少偉從車輛本身出發(fā)，使用極限功率法和驅(qū)阻平衡的思想研究了車輛運(yùn)行速度與功率之間的關(guān)系，并且結(jié)合公路線形推算出運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。

日本學(xué)者在參考幾何線形和路面狀況的基礎(chǔ)上，分析了汽車動(dòng)力性能和駕駛員操作行為對(duì)運(yùn)行速度的影響，建立了式（3）的預(yù)測(cè)模型。

式中，VBRAKE、VDRIVE、VROUGH、VCURVE、VDESIR分別為制動(dòng)功率決定的速度、行駛功率決定的速度、路面不平度決定的速度、平曲線段的最大速度和期望車速。

2 基于運(yùn)行速度的公路線形設(shè)計(jì)方法

我國(guó)現(xiàn)行的公路線形設(shè)計(jì)方法是基于設(shè)計(jì)速度進(jìn)行的，實(shí)際情況中車輛的運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度有很大差別?！豆仿肪€設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2017）中規(guī)定，公路應(yīng)按設(shè)計(jì)速度進(jìn)行路線設(shè)計(jì)，采用運(yùn)行速度進(jìn)行檢驗(yàn)，保持線形連續(xù)性;應(yīng)綜合協(xié)調(diào)公路平面、縱斷面和橫斷面三者的關(guān)系，做到平面順適、縱面均衡、橫面合理。根據(jù)上述要求，提出基于運(yùn)行速度的公路線形設(shè)計(jì)方法，具體流程如圖2所示。

2.1 運(yùn)行速度模型的建立

（1）分析單元?jiǎng)澐?/p>

根據(jù)初步設(shè)計(jì)的結(jié)果，結(jié)合表1中的劃分原則將設(shè)計(jì)路段劃分為若干分析單元。

（2）根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05-2015），結(jié)合設(shè)計(jì)路段公路等級(jí)和設(shè)計(jì)路線參數(shù)，選擇適宜的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型并對(duì)模型進(jìn)行修正。

2.2 基于運(yùn)行速度的線形指標(biāo)檢驗(yàn)

2.2.1 設(shè)計(jì)線形協(xié)調(diào)性檢驗(yàn)

公路線形的協(xié)調(diào)性可以采用相鄰路段運(yùn)行速度之間的差值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

2.2.2 設(shè)計(jì)線形連續(xù)性檢驗(yàn)

評(píng)價(jià)線形的連續(xù)性采用設(shè)計(jì)速度和運(yùn)行速度的差值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

2.2.3 設(shè)計(jì)線形舒適性檢驗(yàn)

車輛行駛在曲線路段時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，使人感到不適，因此采用橫向力系數(shù)來評(píng)價(jià)線形的舒適性，橫向力系數(shù)使用式（4）進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

2.2.4 視距安全性檢驗(yàn)

視距是線形安全性能的重要體現(xiàn)，由于貨車質(zhì)量大，剎車距離長(zhǎng)，所以通常采用貨車的停車視距來對(duì)線形視距進(jìn)行檢驗(yàn)。單純的視距檢驗(yàn)并不能體現(xiàn)貨車停車視距滿足安全需求的程度，因此采用式（5）的指標(biāo)對(duì)視距安全性進(jìn)行檢驗(yàn)，相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

2.3 設(shè)計(jì)線形調(diào)整

根據(jù)本文2.2節(jié)中的檢驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)設(shè)計(jì)路段的所有分析單元逐個(gè)進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)線形評(píng)價(jià)指標(biāo)為“不良”的分析單元，調(diào)整該單元的線形設(shè)計(jì)參數(shù)，使對(duì)應(yīng)的線形指標(biāo)滿足相關(guān)要求。

3 結(jié)語

本文在分析現(xiàn)有公路線形設(shè)計(jì)方法缺陷的基礎(chǔ)上，基于車輛運(yùn)行速度的概念，總結(jié)了運(yùn)行速度的影響因素和獲取方法以及典型的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型。鑒于當(dāng)前公路路線設(shè)計(jì)方法的瑕疵，在借鑒已有成果的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)并改進(jìn)了基于運(yùn)行速度的公路路線設(shè)計(jì)方法，對(duì)詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟和相關(guān)指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了論述，對(duì)以后的公路路線設(shè)計(jì)工作有一定的參考價(jià)值。

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