高速公路运行速度设计方法与标准研究总报告(3).doc

1 交通部 2000 年度公路建设标准规范计划项目 高速公路运行速度设计方法与标准高速公路运行速度设计方法与标准 研究总报告研究总报告 主编单位：主编单位：xxxxxx 公路科学研究所公路科学研究所 参编单位：参编单位：xxxxxx 公路勘察设计研究院公路勘察设计研究院 2 目目 录录 1. 概 述1 1.1 立项背景1 1.2 研究内容与思路3 1.3 研究成果5 2.国内外研究现状6 2.1 国外研究现状概述6 2.2 国内应用情况概述10 3.数据采集方案设计.12 3.1 试验目的12 3.2 调查的内容12 3.3 调查的地点13 3.4 代表车型13 3.5 观测设备14 3.6 试验观测方案15 3.7 调查的样本量16 4.主要结论.17 4.1 启动/停止/稳定运行速度特征及模型 .17 4.2 行车道宽度对运行速度的影响模型19 4.3 纵坡坡度与运行速度的关系模型21 4.4 车辆在平曲线上运行速度特性及速度模型23 4.5 弯坡组合运行速度特征及模型28 4.6 绘制运行速度图32 4.7 路线设计的评价指标与评价标准34 4.8 干燥与潮湿路面上运行速度的差异38 5 “运行速度设计方法与标准”条文规定.40 6. 下一步工作建议46 1 1. 概概 述述 1.1 立项背景立项背景 速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数。我国从五十年代起引入 了设计车速即计算行车速度的概念。作为路线设计的基础指标，根据当时车辆 动力性能和地形条件，确定了不同等级公路的计算行车速度指标：各级公路按 地形条件的差别，从 20km/h 到 120km/h。设计速度一经选定，公路的所有相关 要素视距、超高、纵坡、竖曲线半径等指标必须与其配合以获得均衡设计。目 前，基于计算行车速度的路线设计方法已被所有规划设计人员所了解掌握。用 此标准设计的公路（即用计算行车速度作为设计车速进行平纵线形设计），意 味着中等水平驾驶员，在干燥平整的路面和良好的能见度下，受限制路段（弯 道）所能提供的最大安全车速。 但是经过几年来的设计实践，设计与管理人员发现这种设计方法本身存在 一定缺陷。因为计算行车速度对一特定路段而言是一固定值，这一值作为基础 参数，用于规定一个路段的最低设计标准。但在实际的驾驶行为中，没有一个 驾驶员自始至终地去恪守这一固定车速。现有路段观测结果表明，计算行车速 度的设计方法不能保证线形标准的一致性。实际的行驶速度总是随道路线形、 车辆动力性能与驾驶员特性等各种条件的改变而变化。只要条件允许，驾驶者 总是倾向于采用较高的速度行驶。因此，单相独立的指标符合规范要求的公路 几何线形，不能有效地保证汽车行驶的安全性。汽车在指标较高的路段上以远 大于计算行车速度的速度行驶，当遇到较小的指标的曲线时 ，驾驶者未必能够 意识到行驶速度过高或当感觉速度过高时已来不及减速或减速不够时，其结果 便可能会发生交通事故。所以依照现行公路路线设计规范确定的公路线形， 往往在承载实际的驾驶行为时产生出功能偏差，一些不“违规”的设计，如长 直线尽头或长大下坡端部紧接小半径曲线，车辆的实际运行速度要远高于设计 采用的计算行车速度，产生了高车速与低线形的矛盾。尤其是在某些施工条件 困难的路段，由于“标准”将设计车速与路基宽度指标对应起来，设计人员为 减小路基宽度，不得不采用 60km/h 的计算行车速度。通常当车辆驶过这些控制 路段时，要求驾驶员提高注意力，行车只允许采用设计时速才能保证安全。但 2 由于相邻路段的线形指标较高，司机不需要限制车速。这样，没有经验的或不 细心观察的驾驶员，驶过前面的道路时，由于没有考虑到后面控制路段几何线 形的特点，而加快了行车速度，使速度大大超过后面弯道的设计速度。这样一 旦遇到必须迅速减速和道路环境复杂、判断增多的时候，就会造成交通事故； 同样对于长时间驾驶而导致疲劳的驾驶员，由于其反应较慢也会发生类似的情 况。这种偏重工程经济、忽视运营成本和驾驶员心理感受的设计方法，存在着 较严重的行车安全隐患。 国内高速公路的某处道路线形是 600 米长直线末端接半径为 125 米的平曲 线，坡度为 1。据连续三年交通事故资料统计，此处发生事故占平曲线上事 故数的 21，虽然在曲线前设置了 60km/h 的限速标志，但事故仍屡有发生。 观测表明：弯道前的车辆实际行驶速度达到 96km/h，远远超出了该曲线 60km/h 的计算行车速度标准。因此，从为用路者安全考虑的角度，在进行公路 路线设计时，不能简单地以计算行车速度来控制道路线形指标，因为车辆是连 续行驶的，需要以动态的观点来考虑车辆进入曲线时的运行速度，所选择的设 计车速度要与车辆运行速度相适应，从而提高道路的安全性。 针对计算行车速度方法存在的主要问题，德、法等欧洲国家和美国、澳大 利亚等国外发达国家广泛运用了以运行速度概念为基础的路线设计方法。运行 速度是在特定路段上，在干净、潮湿条件下，85%的驾驶员行车不会超过的行 驶速度，简称 v85。因为。运行速度 v85考虑了公路上绝大多数驾驶员的交通心 理需求，以车辆的实际运行速度作为线形设计速度，从而有效地保证了路线所 有相关要素如视距、超高、纵坡、竖曲线半径等指标与设计速度的合理搭配， 以获得连续、一致的均衡设计。 运行车速的引入，可以有效解决路线设计指标与实际行驶速度所要求的线 形指标脱节的问题。但由于国内外的交通条件和驾驶员行为差别明显，欲采纳 这种设计方法，先决条件是对我国的运行速度要有深入的调查，确定适合国情 的设计参数值。反之，运行速度设计法就不能可靠地在我国应用。 为此，交通部公路司在 2000 年度标准规范项目中立专题开展高速公路运 行速度设计方法和标准专项研究，以期在观测数据的基础上，建立适合我国 3 驾驶员特征和山区高速公路特点的平、纵线形指标速度预测模型；确定基于运 行速度 v85的路线设计方法和设计流程，以确保公路几何线形设计能够满足车 辆实际行驶速度的要求，同时解决各设计要素之间的相容性问题，改善路线设 计质量，提高公路路线设计的安全性与协调性。 1.2 研究内容研究内容与思路与思路 公路路线设计的发展趋势，将从基于车辆动力学分析的旧有模式，向考虑 人、车、路系统因素，尤其是注重人的特性与驾驶行为的方向发展。运行速度 设计方法正是适应了这一趋势，以车辆的实际行驶速度作为路线几何要素的 “设计速度”。因此，研究需要解决两个关键问题：一是建立设计模式，提出 具体的设计原则和设计流程；二是建立路段的运行速度预测模型，用以在路线 设计阶段或线形优化阶段推算各路段的运行速度。而研究驾驶员在各种线形指 标和平、纵线形组合下的实际行驶速度，是运行速度设计方法能否推广实施的 关键。 众所周知：车辆的行驶速度受到公路类型，道路的平面线形、纵坡坡度与 坡长、行车道宽度与侧向净空，车辆动力性能、交通量与交通组成、路面状况 与交通管理控制措施，环境气候因素，出行距离与驾驶员行为特征等诸多参数 的影响。如交通量的大小就反映了道路上其它车辆对驾驶员选择行驶速度的干 扰程度高低。因此，应用于公路路线设计的运行速度应剔除交通量、路面状况 和气候环境等非线形指标的影响因素，集中考虑驾驶员在自由行驶条件下，由 公路线形指标控制的实际行驶速度。 由于不同的驾驶员在行车过程中可能采用不同的行驶速度，其分布规律呈 正态分布。从经济性出发，通常选用在速度累计分布曲线上第 85 位百分点的车 辆行驶速度作为运行速度 v85，这样采用绝大部分驾驶员都能遵守的运行速度 v85作为设计车速进行公路路线的设计与检验，更多地考虑了人、车、路的关系， 使设计与实际相贴近，并从根本解决由计算行车速度带来的线形标准不一致、 线形几何要素之间不相容、设计车速与实际运行速度的差距大等问题，保证交 通流中大部分汽车的运行安全。 4 从定义看，用于路线设计的运行速度与交通分析中采用的行驶速度都是在 良好的气候与实际道路条件下的运行速度，但二者有本质的区别。首先，前者 是自由行驶条件下，由公路线形指标控制的 85%位行驶速度，用于公路路线平、 纵指标的设计；而后者是受交通量控制的平均行驶速度，用于交通运行分析与 经济评价。 综上所述，高速公路运行速度设计方法和标准的主要研究内容，包括 以下四方面： （一）基于运行速度的公路路线设计方法研究（一）基于运行速度的公路路线设计方法研究 1）运行速度的设计方法：公路路线运行速度设计方法是以车辆的实际运行速度 v85为设计车速进行路线平纵几何设计或验证的方法。通过调查和分析国、 内外关于公路路线设计方法与现状，提出适合我国国情的公路路线设计方法； 2）公路路线设计路段划分与设计控制原则：确定路段划分的标准，建立路线设 计控制原则，明确控制指标； 3） 基于运行速度的路线设计流程图：在实际应用之前，首先需要建立具有可 操作性的设计模式，提出具体的设计和验证原则及设计流程； （二）高速公路运行速度预测模型研究与参数标定（二）高速公路运行速度预测模型研究与参数标定 1） 构造直线段与缓和曲线上的加、减速过程模型，确定稳态运行速度。 2） 构造各种曲线半径下速度预测模型。 3） 构造各种路面宽度、路肩宽度下的速度分布模型。 4） 构造各种纵坡下的运行速度和稳态速度模型。 5） 弯坡组合下的运行速度模型 ( (三三) ) 自由流状态下，分车型的运行速度采集、观测方法自由流状态下，分车型的运行速度采集、观测方法 1）观测、试验方案设计 2）影响因素与样本量的选取 5 ( (四四) ) “公路运行速度设计标准公路运行速度设计标准”条文规定与编写说明条文规定与编写说明 1）一般规定 2）运行速度设计流程 3）试设计 1.3 研究成果研究成果 项目历时 30 个月，投入了大量的人力、物力，取得了大量的研究成果。建 立了高速公路典型车型在自由流状态下车辆启动、停止、和直线上稳定运行的 速度预测模型；不同行车道宽度下的速度预测模型；平曲线半径、纵坡坡度对 运行速度的影响规律，以及弯坡组合线形的运行速度特征；经过实测数据的对 比验证，相对误差在 10%左右。 由于研究内容丰富、报告篇幅较多，因此，按研究内容将横断面速度预测 模型、直线段的加、减速过程和稳态速度模型、平曲线半径速度预测模型、纵 坡坡度与运行速度的关系、以及弯坡组合线形的运行速度模型列入专项分报告 中，就各自内容的调研方法、分析过程和研究结论等作了详细的阐述，因此， 本报告只对研究的主要内容和成果做结论性叙述。 此外在速度预测模型的基础上，提出了“高速公路运行速度设计方法和设 计流程；作为公路路线设计规范中的独立一章，按规范编写要求完成了 “公路运行速度设计标准条文”和条文编写说明，为在国内推广基于运行速度 的路线设计方法奠定了理论基础和实施操作指南。 6 2.国内外研究现状国内外研究现状 2.1 国外研究现状国外研究现状概述概述 国外尤其是欧美发达国家关于公路路线设计理论，已从根据汽车行驶对道 路的动力学要求开始，逐渐考虑了驾驶员的驾驶行为和生理心理特征，提倡人 性化的设计。即以服务于用路者为目标，要求道路能够为其使用者提供舒适、 安全、快捷的交通服务。这种以人为本的设计思想，不仅考虑汽车行驶要求， 还要考虑路用者的交通要求，即驾驶员的心理生理反应，综合人、车的要求， 采用用动态的观点设计路线的各个元素，并力求指标协调。按此原则设计的公 路路线，可以满足驾驶员在行车过程中产生的期望心理要求，即能预知前进方 向的道路条件、交通条件，还可满足视觉连续、车速连续和交通安全。 2.1.1 联邦德国的设计方法联邦德国的设计方法 联邦德国的公路路线设计方法也经历了一个发展过程。早期（1937 年规范） 是采用平均行驶速度作为其设计车速，因此有很大比例的驾驶员车速超过平均 行驶速度。这里既有个别行车速度比车流主要组成部分的驾驶员开得快的驾驶 员，也包含一些经验不足或甘愿冒险以过高车速行驶的驾驶员。当这种设计出 现一定的安全问题后，1943 年的“路线设计规范”改用最高行驶速度作为路线 设计车速，平原区 160km/h、丘陵区 140km/h、山岭地区 120km/h。这种考虑个 别驾驶员而采取高成本的安全保障措施，虽然安全性得以改善，但公路投资却 大幅上升。故在 70 年代后期从经济性与安全性出发，采用统计学的原理，按 85%的汽车驾驶员所要求的速度作为检验与校核。因此，联邦德国的路线设 计规范rasl（1982） 中的设计原则是采用设计速度 ve 和运行速度 v85， 相结合的联合设计思路。即在按设计速度设计出初始线形指标后，再采用运行 速度进行设计检验与修正。 设计速度 ve 设计速度是根据经济性、道路在道路网中的功能而确定的。它是确定大多数设 计要素的极限值和推荐值共用的参数。对于 a 类道路，尽量在较长的路段内使 ve 保持不变。 7 运行速度 v85 v85是从平面线形、纵断面线形和横断面行驶力学要求取得的设计值。就是 说，即使在设计速度 ve 不变的区间内，v85也是变化的。对于 a 类城间公路， v85就是在潮湿而干净的路面上，行车无阻碍的情况下，85%的小客车不会超过 的速度；由 v85确定的主要设计要素有曲线段超高、停车视距和允许反超高的 最小曲线半径。 设计速度 ve 和运行速度 v85的关系 设计速度 ve，根据道路的种类、地形和其它条件确定。v85的求法如下： 对双幅 a 类城间公路： v85= ve+10km/h， 当设计速度 v e100km/h 时 v85= ve+20km/h， 当设计速度 v eve) （4.1-3） 2 00 2 s vva s ( v0=ve) 0s vv 表表 4.1-1 平直路段上期望运行车速与推荐加速度平直路段上期望运行车速与推荐加速度 小客车大型货车 期望车速 ve120km/h 75km/h 推荐加速度值 0 a 0.15-0.50 2 /m s0.20-0.25 2 /m s 19 4.2 行车道宽度对运行速度的影响模型行车道宽度对运行速度的影响模型 根据采集到的横断面相关数据进行了较为详尽的分析，并以此提出了行车 道宽度与运行速度的经验模型 （1）外侧车道）外侧车道 （4.2-1）)(-)( 000ssll wwbwwavv 外外 式中： 受横断面影响后，外侧车道自由流车辆的中位车速； 外 v 理想条件下，外侧车道内自由流车辆的中位车速，以本次试 0外 v 验的结果，应取为 120km/h 、理想条件下，外侧车道宽度和路肩宽度，以本次试验的 0l w 0s w 结果，为 3.75 米，为 2.5 米。 0l w 0s w 、实际的外侧车道宽度和路肩宽度，如超过理想条件下的 l w s w 外侧车道宽度和路肩宽度，则按理想条件下的外侧车道宽度和 路肩宽度值进行计算 、模型的标定常数，其系数值越大，表示该项因素对速度的影ab 响越大，取 24 ，取 8.5ab 整理后，外侧车道的速度模型为： （4.2-2）)5 . 2(5 . 8-)75 . 3 (24120 sl wwv 外 （2）内侧车道）内侧车道 （4.2-3）)(-)( 000mmll wwcwwavv 内内 式中： 受横断面影响后，外侧车道自由流车辆的中位车速； 内 v 理想条件下，外侧车道内自由流车辆的中位车速，以本次 0内 v 结果，应取为 120km/h； 20 、理想条件下，外侧车道宽度和路肩宽度，以本次试验的结 0l w 0m w 果，为 3.75 米，为 0.5 米。 0l w 0m w 、实际的外侧车道宽度和路肩宽度，其值如超过理想条件下的 l w m w 外侧车道宽度和路肩宽度，则按理想条件下的内侧车道宽度 和路缘度值进行计算； 、 模型的标定常数，其系数值越大，表示该项因素对速度的影响ac 越大，取 24 ， 取 11.5ac 整理后，内侧车道的速度模型为： （4.2-4）)5 . 0( 5 . 11-)75 . 3 (24120 ml wwv 内 （3）中间车道）中间车道 （4.2-5）)( 00ll wwavv 中中 式中： 受横断面影响后，中间车道自由流车辆的中位车速； 中 v 理想条件下，中间车道内自由流车辆的中位车速，以本次试验 0中 v 的结果，应取为 120km/h； 理想条件下中间车道宽度，以本次试验的结果，为 3.75 米； 0l w 0l w 实际的中间车道宽度，其值如超过理想条件下的中间车道宽度， l w 则按理想条件下的中间车道宽度值进行计算； 模型的标定常数，其系数值越大，表示该项因素对速度的影响a 越大，取 24：a 整理后，中间车道的速度模型为： （4.2-6）)75. 3(24120 l wv 中 21 4.3 纵坡坡度与运行速度的关系模型纵坡坡度与运行速度的关系模型 4.3.1 纵坡运行速度特性纵坡运行速度特性 （1）上坡情况）上坡情况 从小客车上坡运行速度图，可以得出以下结论：小客车进入上坡路段后， 速度变化与进坡道前的初速度有关，但总体上呈减速趋势。可以看出随坡度 的增加，小客车减速的幅度将逐步增大。在前 500 米，减速幅度比较大， 500m 平均减速 1520km/h；而后 500m 平均减速为 10km/h 左右。在运行 800 米以后，速度渐渐趋于平稳。 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 020040060080010001200 坡长（m） 速度（km/h） 2.50% 3.00% 3.40% 4.00% 4.40% 5.80%70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 02004006008001000 坡长（m） 速度（km/h） -2.54% -3.00% -3.15% -4.00% -5.50% 图 4.3-1 小客车上坡运行速度图 图 4.3-2 小客车下坡运行速度图 （2）下坡情况）下坡情况 小客车运行情况在下坡时，有明显的加速过程。随坡度的增大，加速幅度 也在变大，同时随着坡长的增大，加速增幅将逐渐减小。当下坡车速超过 115km/h，一般便加速趋于平稳。 大型货车运行情况在下坡时，有明显的加速过程。前 300 米增幅比较大， 300 米平均增速 1315km/h 之间。随坡度的增大，大型车的速度增幅有增大的 趋势。在 800 米以后，速度趋于平稳，基本保持在在 7010km/h。 4.3.2 纵坡模型简述纵坡模型简述 高速公路坡度在 25%之间、坡长主要界于 4001000 米之间的路段。在正 常条件下，纵坡上的运行车速仅受坡度和坡长的影响，当车辆的动力性能基本 22 一致时，运行速度与实际的载货量 g 多少和车辆的特性(迎风面积，空气阻力系 数，惯性阻力系数)以及司机的驾驶行为有关，这时运行速度与用油门控制的发 动机输出功率有直接关系，而额定的功率重量比（出厂时作为一恒定的值）将 出现随坡度坡长而变化。因此，为研究运行速度随坡度坡长变化的规律，以公 路运行的典型车辆（总重 15 吨）作为试验车型，建立功率重量比 p 与运行速度 (坡顶速度 v2、坡底速度 v1)，坡长 s，坡度 i 的函数关系，用以描述运行速度 随坡度坡长而变化的特性和规律，如下式： 2 21 22 2121 13 21 /1000 22 vv kf vvvv gfip gsg （4.3-1） 其中，各车型坡底的行车速度，m/s； 1 v 各车型坡顶的运行速度，m/s； 2 v 坡长，m； s 、车辆的风阻系数和惯性阻力系数，小客车 k=0.0025， kf 大型货车 k=0.0035；小客车 ,大型货车 ； 2 2.0 mf 2 6.2 mf =0.01； 、 摩擦阻力、纵坡坡度； f i 重力加速度，取； g2 9.8/m s 车辆空载质量加实际载重，kg。小客车取，大型 g 1500gkg 车取；15000gkg 车辆的功率重量比，w/kg； p 在纵坡模型预测中，p 值的选用，如下表规定： 23 表 4.3-1 车辆的功率重量比 p 值参数表 小客车大型货车 2 0.1633*2.6188*8.2163 6%, 3%)(3%,6% pii i 1.579*0.102*4.874 6%, 2%)(2%,6% piv i -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 -6-4-20246 坡度 p值 观测值计 算结果 预测方程 计算结果 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 1591317 序号 p值 观测值计 算结果 预测方程 式结果 图图 4.3-3 小客车和大型货车观测小客车和大型货车观测 p 值与方程预测值与方程预测 p 值的对比值的对比 此外，调查表明：对于小于 3%的上坡和下坡，坡度对小客车的运行速度 影响不大，其运行速度可用直线上的运行情况做近似描述，推荐加速度取值 a=0.17；也可按照上述 p 值模型做近似计算。 2 /m s 4.4 车辆在平曲线上运行速度特性及速度模型车辆在平曲线上运行速度特性及速度模型 4.4.1 影响运行速度的最大曲线半径影响运行速度的最大曲线半径 车辆在曲线上行驶时，由于横向力的存在，使车辆驾驶复杂化，尤其是车 辆在弯道上高速行驶时,一旦使车辆向外移动的离心力超过车辆保持其正常行驶 路线的轮胎与道路之间的摩阻力时,则车辆将产生滑移。因此，为使驾驶员和乘 客感觉舒适，在曲线上的行驶速度必然要低于直线段，以保证安全舒适的行驶 状态。 为了找出影响驾驶员行驶速度的最大曲线半径，确定直线路段和曲线路段 的划分指标。进行了不同曲线半径下，两组驾驶员的自由行驶速度观测。其中， 一组为常在选定的高速公路上行车的驾驶员，设为 a 组；另一组为不常在该高 速公路上行车、对路线平、纵指标不熟悉的驾驶员，设为 b 组。按不同的驾驶 组、路上试验车在平曲线中点处有无超车，分别对数据进行处理拟合，得到小 24 客车在不同平曲线上的行驶速度规律。分别是驾驶组 a 在无超车需求时、速度 与半径的关系；驾驶组 a 在有超车需求时、速度与半径的关系；驾驶组 b 在无 超车需求时速度与半径的关系。区分有无超车需求，是以试验车行驶到平曲线 中点那一时刻前后 20 内同一车道及相邻车道上没有其他行驶车辆为准。这个 s 区分有无超车影响的标准，是通过正式试验前的初步试验得出的，而且 20 的 s 值偏于保守，即充分保证无超车需求时，曲线是在丝毫不受道路上其他车辆影 响的实验结果。 为便于对比分析，把各组实验结果和把规范上规定的设计车速与平曲线半 径之间的关系，共同示于图 4.4-1。 调查结果表明：各组驾驶员在平曲线半径小于 1000m 时，司机采取的运行 速度与设计要求的计算行车速度存在较大的差距：在平曲线半径 200m 时，实 际采用的运行速度比规范规定的最大速度高出 30km/h 左右；随半径增大，这种 差别逐渐变小；当平曲线半径为 1000m 时，实际运行速度与规范规定的设计速 度基本趋于一致。因此，本研究将影响运行速度的最大平曲线半径确定为 1000m，即当平曲线半径大于 1000m 时，该曲线不再对车辆的运行速度产生影 响。该结论与目前国外采用的 600m 的标准差距较大，集中体现了国内外驾驶 行为的差异，而且这种差别是不应在路线设计中被忽略的。 图3-1 各种条件下r-v关系对比 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 0481216202428323640444852566064 半径r(*100m) 速度v(km/h) a1 a2 b1 c 注：a1在无超车情况下，a 组驾驶员采取的运行速度与平曲线半径的关系； a2在超车情况下，a 组驾驶员采取的运行速度与平曲线半径的关系； b1在无超车情况下，b 组驾驶员采取的运行速度与平曲线半径的关系； c现行公路路线设计规划中要求的各运行速度下的最小平曲线半径。 25 图图 4.4-1 平曲线半径与运行速度关系图平曲线半径与运行速度关系图 4.4.2 平曲线运行速度模型平曲线运行速度模型 在理想状态下，对小客车和大型货车而言，平曲线半径及其连接的线形是 运行速度的主要影响因素，那么首先考虑用两阶段法，其思路是将曲线在曲中 点剖开、分为二支，即入口到曲中，曲中到出口两段，然后将入口分为直线接 曲线，曲线接曲线两种形式，出口分为曲线接直线，曲线接曲线两种形式。 一般而言，曲中点的运行速度 v-middle，与其所衔接的曲线的半径 r- back（直线可看成半径大于 1000m 以上的长曲线处理） ，当前的曲线半径 _now，进入曲线前的运行车速_in，以及所在的曲线长度 l-length 有关。 驶出曲线的运行速度 v-out，可能与驶出曲线后所衔接的的曲线半径 r- front（直线可看成半径在 1000m 以上的长曲线处理） ，正在运行的曲线半径 _now,当前曲线的中点车速-middle，以及所在的曲线长度 l-length 有关。 通过在太旧高速、铜黄高速、玉元高速上，曲线半径在 r150-r1000 范围 内的运行速度观测，得到以下结论： （1）入口接直线：经过直线进入半径 r1000 以下的曲线，无论对小客车还是 对大型货车而言，从入口到曲中总体上表现为有不同程度的减速，并且半 径越小相对进口速度而言减幅越大(如图 4.4-2)。 -7.00% -6.00% -5.00% -4.00% -3.00% -2.00% -1.00% 0.00% 20030040050060070080090010001100 半径（m) （曲中速度-入口速度）/入口速度% -8.00% -7.00% -6.00% -5.00% -4.00% -3.00% -2.00% -1.00% 0.00% 1.00% 200300400500600700800900100011001200 半径（m) （曲中速度-入口速度）/入口速度% （a）小客车 (b) 大型货车 图 4.4-2 曲中速度与入口速度增量百分比与半径关系图 26 （2）入口接曲线：经过一个曲线进入另一个半径更小的曲线，小客车和大型货 车从入口到曲中也同样表现为减速，并随半径的减小而减幅有增加的趋势。 （3）出口接直线，对小客车和大型货车来说，相对曲中点来说通常有一定程度 的加速或者相对曲中速度略有回升（如图 4.4-3） ，并可能超过入口车速。 0.00% 0.20% 0.40% 0.60% 0.80% 1.00% 1.20% 1.40% 1.60% 1.80% 2.00% 2.20% 0100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 0 110 0 半径(m) (出口速度-曲中速度）/曲中速度% 0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 2.50% 3.00% 3.50% 4.00% 4.50% 5.00% 01002003004005006007008009001000 1100 半径(m) （驶出速度-曲中速度）/曲中速度% （a）小客车 (b) 大型货车 图 4.4-3 出口连直线时出口速度与曲中速度增量百分比与半径关系 （4）出口接曲线，对小客车和大型货车来说，这种情况下通常要看在该路段的 期望车速以及所接的曲线半径与当所运行半径大小的关系。如果在不大于 期望车速时前方半径比当前曲线半径大那么通常是加速或匀速，其幅度通 常与随半径增大而减小，如果本来运行速度高于期望车速时，那么可能略 减速；如果前方半径比当前曲线半径小则进一步减速，其减速的大小与所 接半径多大有直接的关系。总体而言，同等的条件下，小车的变化幅度比 大车要小，这是由于小车的车速比大车高的原因。 （5）小客车和大型货车的速度曲中点均值，在前后线形对其影响不大（比如两 头连直线的话）且不超过期望车速的情况下，随半径的增大而增大（如图 4.4-4） 。 70.00 75.00 80.00 85.00 90.00 95.00 100.00 105.00 110.00 01002003004005006007008009001000 1100 半径(m) 曲中速度(km/h) 45.00 50.00 55.00 60.00 65.00 70.00 75.00 80.00 01002003004005006007008009001000 1100 半径（m） 曲中速度（km/h) (a) 小客车 (b) 大型货车 27 图 4.4-4 曲中速度与半径的关系 (6) 调查中确实存在有个别车辆进入曲线后还有加速行为或大幅减速等与统 计特性表现不一致的地方，这些个别样本的行为通常是由于视距或车速低 于期望车速或不是标准配载造成的，但是本项目研究是总体的统计特性， 所以考虑的是总体的运行速度规律。 根据所调查的不同曲线范围内下的运行速度规律，经统计拟合，建立了高 速公路平曲线半径在范围内的速度预测模型（表 4.4-1）： 150,1000r 表 4.4-1 平曲线上速度预测模型一览表 曲线连接形式平 曲 线 速 度 预 测 模 型 入口直曲 nowinmiddle rvvcar ln729 . 5 834 . 0 212.24: :9.4320.9631.522ln() middleinnow truck vvr 入口曲曲 backrrvvcar nowinmiddle _ln959 . 5 ln19 . 6 942 . 0 277 . 1 : nowinmiddle rvvtruck ln629 . 3 990 . 0 472.24: 出口曲直 :11.9460.908 outmiddle car vv middleout vvtruck 926 . 0 217 . 5 : 出口曲曲 :11.2990.9362.060ln5.203ln_ outmiddlenow car vvrrfront )_ln(329. 0ln005 . 1 925 . 0 899 . 5 :frontrrvvtruck nowmiddleout 表中：v-middle：曲中点的运行速度；v-out：驶出曲线的运行速度；r-front：曲线前方的 曲线的半径；-now：当前曲线半径；r-back：曲线后方的曲线半径； 28 4.4.3 各种运行速度下的平曲线半径各种运行速度下的平曲线半径 按照两阶段平曲线运行速度影响模型，分别计算了不同入口速度下，各种 平曲线半径上的曲中稳定行速度，其中小客车在平曲线的运行速度与平曲线半 径的关系见图 4.4-5，大型货车运行速度的变化规律则见图 4.4-6。图中可以看 出，由于小型车的动力性能较好，受平曲线半径的影响比较明显，从图中可以 确定各种初速度下、适宜的平曲线半径范围；而大型车由于运行速度通常较低， 受平曲线半径的影响相对较小。 40 50 60 70 80 90 100 110 120 01002003004005006007008009001000 平曲线半径（m） 平曲线的运行速度（km/h） 60km/h 70km/h 80km/h 90km/h 100km/h 110km/h 120km/h 应避免的平曲线半径范围 推 荐 最 小 半 径 图图 4.4-5 小客车在平曲线的运行速度与平曲线半径的关系图小客车在平曲线的运行速度与平曲线半径的关系图 20 30 40 50 60 70 80 90 01002003004005006007008009001000 平曲线半径（m） 平曲线运行速度（km/h） 30km/h 40km/h 50km/h 60km/h 70km/h 80km/h 应避免的 平曲线半径范围 推 荐 最 小 半 径 29 图图 4.4-6 大型车在平曲线的运行速度与平曲线半径的关系图大型车在平曲线的运行速度与平曲线半径的关系图 4.5 弯坡组合运行速度特征及模型弯坡组合运行速度特征及模型 （1）对于小半径大纵坡组合的弯坡上运行速度受平曲线和纵坡的综合作用，不 论小客车还是大型货车都受不同程度的影响。 （2）从所观测的小客车和大型货车速度均值变化的规律来看，与两者单独作用 时变化不同。弯坡上运行速度所受影响的大小，与上坡与平曲线组合、下 坡与平曲线组合的组合方式有关。 (a)一般来说，在进入 r1000 米以下的上坡曲线，运行的车辆进入曲线后到 曲中前都有不同程度的减速，减速幅度与曲线半径和坡度有关，通常是半 径越小减幅越大，坡度越陡减速越大，两者的作用比例随机性变化比较大。 而下坡进入曲线时，通常对小半径弯道会有明显的减速，而且半径越小坡 度越陡减幅越大，这说明货车司机能够意识到弯道刹车对其产生的不利影 响，因而在下陡坡进入急弯时，大多数司机还是小心翼翼的降低车速。 (b)驶出弯坡路段时：对上坡来讲，如果前方是继续上小坡或又上小坡又进 弯道，相对当前半径有明显大的曲线通常不会再有明显的减速，甚至小幅 加速，但如果还是继续上陡坡或又进更急的弯道，则会进一步减速或匀速 行驶。 对下坡来讲，如果前方是继续下坡或又下小坡又进弯道，曲线半径相对当 前半径明显增大，通常会加速下坡；但如果还是继续下陡坡或又进入更小 半径弯道，会进一步有较大幅度的减速或匀速，其具体采用何种形式与前 方连接的线形有关。 （3）从所观测的速度均值变化规律来看，小客车和大型货车加、减速的幅度有 所不同，尽管在这些组合中小客车的速度变化幅度为 10%左右，大型货车 为 20%左右。 (4) 在弯坡速度预测的两阶段模型（表 4.5-1）和线性组合的模型（表 4.5-2） 都通过了统计检验，结果表明所建立的模型均能比较真实地反映高速公路 30 自由行驶车辆在弯坡上的运行规律，两组模型的精度也较高。 (5) 弯坡两阶段速度模型是基于线形指标与速度关系的统计模型，而线性组合 模型是结合了汽车动力学理论和线形指标对速度的影响模型。但由于高速 路上汽车的臷重有所不同，且其重要的功率重量比参数需要标定后使用， 所以推荐使用两阶段弯坡组合的速度预测模型。 (6) 在采集数据时，发现在小半径上运行如果视距良好，车辆密度小，驾驶员 状 态不受外界环境影响时，不排除可能由于受低速度或车的性能影响表现 为进入弯曲线后有加速行为，或视距不好时有大幅减速形行为，这种随机的 个别现象不能用现有的统计模型来做很好的描述，所以模型未必对每一单车 都适用，但对于速度的总体统计特性，大多数样本能很好描述总体反映的规 律，说明模型具有较好的实用性。 两种形式下的弯坡组合速度预测模型：两阶段模型和线性组合的模型分 别列入表 4.5-1 和表 4.5-2 31 表表 4.5-1 两阶段弯坡模型两阶段弯坡模型 曲线 连接形式 两阶段弯坡组合速度预测模型 入口直曲 :31.6690.54711.714ln0.176 _1 middleinnow car vvrinow 1) :1.7820.8590.511.196ln( middleinnownow truck vvir 入口曲曲 :0.7500.8022.717ln0.281 _1 middleinnow car vvrinow 1 :1.7980.248ln0.9770.1330.23ln middlenowinnowback truck vrvir 出口曲直 :27.2940.7201.444 _2 outmiddle car vvinow 2 :13.4900.7970.697 outmiddlenow truck vvi 出口曲曲 :1.8190.8391.427ln outmiddlenow car vvr 0.782ln_0.48 _2rfrontinow :26.8370.109ln3.039ln outfrontnow truck vrr 2 0.5940.830 nowmiddle iv 表中： 120,1000,6%, 2%2%,6%ri 驶入曲线中，曲中或变坡点前的速度，驶出曲线速度 outmiddlein vvv , 驶入曲线前，所在曲线，前方曲线的半径 frontnowback rrr, , 曲线前后两段的不同坡度 21,nownow ii 32 表表 4.5-2 线性组合弯坡模型线性组合弯坡模型 曲线连接形式线性组合的弯坡速度预测模型 入口直曲 11 :20.4530.444 _0.335 _ middle car vvcurvevgrade 11 :0.394 _0.625 _ middle truck vvcurvevgrade 入口曲曲 11 :9.4690.554 _0.321 _ middle car vvcurvevgrade 11 :0.7020.610 _0.423 _ middle truck vvcurvevgrade 出口曲直 2 :13.149 1.101 _ out car vvcurve 2 :5.634 1.080 _ out truck vvcurve 出口曲曲 22 :1.5260.604 _0.393 _ out car vvcurvevgrade 2 :2.721 1.038 _ out truck vvcurve 表中： 120,1000,6%, 2%2%,6%ri 为弯坡曲线的曲中速度 middle v 为驶出弯坡曲线的出口速度 out v 进入弯坡后受到平曲线影响后按照直曲或曲曲的平曲 1 v curve 线模型计算的前半支曲线速度 进入弯坡后受到平曲线影响后按照直曲或曲曲的平曲线 2 v curve 模型计算的后半支曲线速度 进入弯坡后受到纵坡影响后按照纵坡模型计算的前半支曲 1 _vgrade 线速度，根据实际线形可以看成是坡底 v1 或坡顶速度 v2 进入弯坡后受到纵坡影响后按照纵坡模型计算的后半支曲 2 _vgrade 线速度，根据实际线形可以看成是坡底 v1 或坡顶速度 v2 33 4.6 绘制运行速度图绘制运行速度图 1.根据前期可行性研究确定的计算行车 速度标准，采用计算行车速度概念进行 公路线形初始设计，绘制路线的平面图 和纵断面图。 2.将要研究其运行速度的路线划分为直 线段，纵坡段，平曲线段和弯坡组合等 各个不同的路段。 直线段：r 1000, + , i-2%,2% 纵坡段： r1000, + i-6%,-2%)(2%,6% 平曲线段： r120,1000 i-2%,2% 弯坡组合段： r120,1000 i 6%,-2%)(2%,6% 3.输入路段的横断面、纵坡坡度、平曲 线参数和弯坡参数。 4.对小客车和大型车分别计算经过加速 车道直线后的初速度，然后按相 0, l 0 v 应的模型计算纵坡、平曲线、弯坡组合 等不同的路段区间的 123 ,., n l l ll 运行速度和速度梯度 12 ,., n v vv ，最后计 (1)(2)(n) grads ,grads ,grads 算减速车道的速度。 1n l 1n v l0 v0 l i v0 l1,l2,.li,.ln v1v2v3vi,vn grads1,grads2, gradsn ln+1 vn+1 34 5.根据运行速度梯度差，找出速度突变点，找出危险地段速度异动的原因，对 其平纵线形进行修正。 6.对修正后的线形的运行速度进行校核，直到满足梯度要求。 7.最后以运行速度 v85为纵坐标，路线长度为横坐标，绘制公路沿线运行速度变 化曲线，即“运行速度断面曲线图” 。 汽车运行速度是公路线形设计中最关键的起决定性作用的参数，尤其 85% 位的运行速度是作为路线几何要素和交通控制措施的设计依据。沿线的运行速 度曲线图和速度梯度图，能直观地反映一条路的运行速度变化情况，以便检查 和调整公路路线的初步设计线形，或进行公路安全审核。 根据运行速度断面曲线图的绘制方法与步骤，对云南省某条高速公路进行 了运行速度预测。采用速度预测模型得出的模型速度和实地观测速度的匹配图， 如下图 4.6-1，4.6-2 所示。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 9303098030103030 108030 113030 118030 123030 128030 133030 138030 143030 148030 153030 158030 163030 168030 173030 178030 183030 188030 193030 198030 203030 km/h 实测速度 模型组-预测速度（用两阶段弯坡模型) 模型组二预测速度(线性组合弯坡模型) 图图 4.6-1 云南某高速公路小客车运行速度断面曲线图与实测速度图云南某高速公路小客车运行速度断面曲线图与实测速度图 通过与实测运行速度图对比，可以看出：二者的复合规律还是相当明显的， 这进一步验证了模型的有效性和合理性。经过与实测数据的对比验证，模型的 整体相对误差在 10%左右。 35 30 40 50 60 70 80 90 92000.00 98198.56 102580.00 109922.90 114637.75 118615.34 120982.29 123