（道路与铁道工程专业论文）基于可能速度的路线线形设计质量评价研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 如何评价公路路线线形设计质量，目前在我国的标准和规范中只是一般的 定性描述，无明确的定量指标，执行起来有一定的随意性，设计质量和行车安 全无检查依据和评定标准，使公路线形设计存在隐形安全问题，导致交通事故 率居高不下，对社会、经济影响极大。因此，迫切需要找到一种科学、合理的 线形评价方法。为此，本文在结合我国公路线形设计的现状和存在的问题的基 础上，提出了公路线形设计质量评价的研究课题。 首先，本文引入了可能速度的概念，阐述了其影响因素及计算方法，研究 了可能速度预测模型。分析表明可能速度受到公路本身几何条件的影响，它由 汽车行驶时的轴向加速度决定，并受到横向、竖向加速度的制约。 其次，本文分析了采用可能速度进行公路路线设计质量评价的可行性，提 出用可能速度速差量作为线形设计的连续性评价标准，用速差量作为度量速差 的指标，建立了公路线形评价指标。本文综合了目前国内外有关的基于公路线 形、运行车速、交通事故之间关系的交通安全评价的研究思路，提出了基于可 能速度的公路线形安全性评价标准，并给出了相应评价指标c 。该指标与交通 事故之间具有明显的相关性，c 值越大，道路的交通安全状况越好。 最后，本文结合工程实例某省省道二级公路的实际线形，采用文中介 绍的可能速度预测模型及评价标准与方法，给出了实际的评价、检验结论。实 践证明文中所选预测模型及所得结论对我国公路线形设计具有一定的指导意 义。 关键词：可能速度，线形质量，评价标准，连续性，安全性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h e r ei sj u s to n e q u a l i t a t i v ed e s c r i p t i o n ，w i t h o u ta d e a rq u a n t i t a t i v e i n d e xi nt h es t a n d a r da n dr e g u l a t i o no fo u rc o u n t r y s oh o wt oe v a l u a t eh i g h w a y a l i g n m e n td e s i g hi sd i f f i c u l t a n di tr e s u l t e di nt h ep r o b l e m so fd e s i g n i n gq u a l i t ya n d t r a f f i cs a f e t y , w h i c hh a dac r u c i a le f f e c to nt h es o c i e t ya n de c o n o m yo fc h i n a a s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a le v a l u a t i o ns t a n d a r di su r g e n tn e e d e d f o rt h i sr e a s o n , r e s e a r c h o nt h ee v a l u a t i o no fh i g h w a ya l i g n m e n td e s i g nw a sc a r r i e do u ti nt h ep a p e r f i r s t l y ，t h ec o n c e p to f t h ep o s s i b l ev e l o c i t yw a si n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n di t s i n f l u e n c ef a c t o ra n dc o m p u t i n gm e t h o dw e r ea n a l y z e d i nt h es a m et i m e ，t h ep r e d i c t m o d e lo fp o s s i b l ev e l o c i t yw a ss e tu p t h er e s u l t si n d i c a t e dt h ep o s s i b l ev e l o c i t yw 勰 n o to n l yi n f l u e n c e db yg e o m e t r i cc o n d i t i o no ft h eh i g h w a y , b u ta l s or e s t r i c t e db yt h e a x i a lv e l o c i t y , t r a n s v e r s ev e l o c i t ya n dv e r t i c a lv e l o c i t y s e c o n d l y ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sn e wm e t h o dw a sa n a l y z e d i nt h ep a p e r t h e t h e s i sp u tf o r w a r dt h ev e l o c i t yd i f f e r e n c ea st h ee v a l u a t i n gs t a n d a r di nh i g h w a y a l i g n m e n td e s i g na n dt h ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n tt oe s t a b l i s ht h ee v a l u a t i n gi n d e xo f d i f f e r e n tc l a s s e so fh i g h w a y i ta l s os e tu ps t e p so fd r a w i n gg r a p h so fp o s s i b l e v e l o c i t y , j u d g i n gd e s i g nq u a l i t ya n ds a f e t y , a n dd e c i d i n go nm o d i f y i n gs p o t s w i l t h er e l a t i o n sb e t w e e nh i g h w a ya l i g n m e n t o p e r a t i n gs p e e da n dt r a n s p o r t a t i o ns a f e t y , t h es a f e t ye v a l u a t i n gs t a n d a r db a s e do nt h ep o s s i b l ev e l o c i t yw a ss e tu p t h e c o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i o ni n d e xcw a sp r o v i d e d ，w h i c hh a do b v i o u sr e l e v a n c e 诵m t r a m ca c c i d e n t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h eg r e a t e rcv a l u ew a s ，t h eb e t t e rt r a f f i cs a f e t y s t a t eo ft h er o a dw a s f i n a l l y , a d o p t i n gt h ep o s s i b l ev e l o c i t ym o d e la n de v a l u a t i o ni n d e xa n dm e t h o ds e t u pi nt h ep a p e r , t h i st e x tg a v et h ee v a l u a t i o nc o n c l u s i o na b o u tt h ep r o j e c ti n s t a n c e ，a s e c o n d a r yr o a do fo n ep r o v i n c eh a dp r o v e dt h a ti tw a sh e l p f u lt ot h eh i g h w a y a l i g n m e n td e s i g no fo u rc o u n t r y k e y w o r d s ：p o s s i b l ev e l o c i t y ；l i n e a rq u a l i t y ；e v a l u a t i o nc r i t e r i a ；c o n t i n u i t y ；s a f e t y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：蜱日期：世 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 导师( 签名) ：卫星辎日期鱼掣 导师( 签名) ：幽日期幺鳐丑 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国社会经济的迅速增长，公路建设突飞猛进。从上个世纪九十年代 开始，中国进入了公路建设快速发展的时期，自“十五 以来共新增高速公路 里程3 2 7 万公里。至2 0 0 7 年年底，我国的公路通车总里程已达3 5 7 3 万k m ， 居世界第二位，高速公路总里程已突破5 3 万k m ，居世界第二位。特别是近几 年，高速公路的发展更是如雨后春笋般迅猛发展。我国高速公路的网状骨架已 经形成，其必将促进沿线经济的进步与发展。高速公路不但加速城市与城市、 地区与地区甚至国家之间的联系，促进区域之间的经济、文化交流；而且高速 公路所承担的客货运输量也在不断攀升，高速公路已经成为国民经济发展不可 或缺的大动脉。但同时伴随着公路里程的不断增长，我国的道路交通安全形势 日趋严重，交通事故死亡的绝对数几年来高居世界第一。2 0 0 7 年，全国共发生 道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡、3 8 0 4 4 2 人受伤，直接财产损失 1 2 亿元。这其中有的是与公路的线形设计质量有很大关系的。 公路线形设计原则，体现了线形设计在公路设计中的重要程度。公路工程 特别是高速公路、一级公路等高等级公路项目是一项复杂而且投资巨大的系统 工程。公路条件主要是由公路线形决定的，线形设计是公路设计的核心，最终 决定了公路的空间位置以及公路在驾驶员视觉中的反映。公路建成后，要改变 线形几乎是不可能的，将长期影响和限制汽车在公路上的运行。线形设计的好 坏，对汽车行驶的安全、经济、舒适及通行能力都起着决定性的作用，因此在 线形设计时，必须对公路应具有的性能与作用进行充分慎重地研究，所以对公 路的线形设计质量进行评价研究是很有意义的。 我国现行的公路工程技术标准( j t gb 0 1 - 2 0 0 3 ) ( 以下简称标准) 所 规定的各等级公路的线形设计标准值，只保障了汽车运动学和力学方面的最小 安全值，即只规定了各单个指标的最小值。我国在标准中的路线设计方法 为以设计速度为基础参数的设计方法，即在设计中设计速度作为设计的基础参 数用以规定设计标准，其他的设计指标根据它相应取定。一条公路的设计速度 确定后，其相应的圆曲线半径、车道宽度、超高、加宽、纵坡、视距、竖曲线 武汉理工大学硕士学位论文 半径等设计要素的最低指标便确定了。只要设计所采用的最小几何指标大于所 选定的设计速度所对应的最小几何指标，则认为该设计是符合规范要求的。作 为设计参数，设计速度规定了最低设计标准，是一个定值，一条公路的设计速 度确定以后，与此相关公路线形设计指标也就确定了。 但经过多年的设计实践，国内外的设计者发现这种设计方法本身就存在一 定的缺陷，主要表现为： ( 1 ) 线形设计要素与实际行车速度不相容 现行设计方法最显著的特征是对于一个设计路段的设计车速是一个固定 值，设计速度作为基础参数，规定了线形设计要素的最小指标值，却没有考虑 是否能够满足实际行车速度的要求。实际上，车辆在公路上行驶时，驾驶员是 根据道路条件特别是线形几何条件来不断调整车速的。实际车速经常会超过设 计速度。因此，满足设计速度要求的道路设计值，如视距、超高等不一定能够 满足驾驶员选用的实际运行车速。 ( 2 ) 线形设计要素之间不相容 根据设计速度所做出的设计不一定能够保证线形设计要素之间的相容性。 我们在设计中采用的最小线形设计值，是指车辆按设计速度行驶，逐一驶过各 个孤立的道路特征路段时保证安全行车的设计值。在丘陵和山岭地区，经常需 要把纵面线形要素与平面线形要素结合使用。一般认为，对孤立要素适用的最 小值，在这些要素同时出现时可能就不安全。因此，不少国家都强调要避免组 合使用多种最小设计值。我国标准中也强调在线形设计对要避免同时采用 一些最小值的组合，这实际上正是对设计速度法的修正。然而，无论是这些特 殊说明，还是设计速度概念本身，都不能指导设计人员恰当地、合理地组合设 计值。 ( 3 ) 线形的行车速度标准不一致 根据设计速度所作的设计不能够保证线形行车速度标准一致性。设计速度 仅仅规定了道路曲线几何特征的最小设计值，对于平坦的直线路段是没有意义 的。在不同半径的平曲线路段，车辆的实际行驶速度与设计速度也是不同的， 有时候差别还很大。因此，虽然设计人员希望用等值设计车速设计出与行车速 度标准一致的公路，但实际上由于平面线形的突变，各路段间经常会产生车速 突变点，而这些突变点正是发生交通事故的主要地段。 基于以上原因，在设计阶段就应对线形进行检验与评价。通过线形检验与 2 武汉理工大学硕士学位论文 评价，找出线形的内在缺陷并进行改善，从而使得线形元素的选取以及它们之 间的搭配在工程造价上经济合理，在使用质量上满足各项要求，即线形的投入 与产出协调统一h 】。 采用什么方法来检查和评价处于复杂系统中公路线形的设计质量，将对运 营期汽车行驶的安全性、舒适性有很大的影响。如何评价公路线形设计质量， 目前在我国的标准和规范中只是一般的定性描述，无明确的定量指标，执行起 来有一定的随意性，使公路线形设计存在隐性安全问题，导致交通事故率居高 不下，对社会、经济影响极大。 因此，迫切需要找到一种科学、合理的线形评价方法。为此，本文在结合 我国公路线形设计的现状和存在的问题的基础上，提出了公路线形设计质量评 价的研究课题。 1 2 国内外研究现状 关于公路线形设计的质量，目前国内外的研究方法较多。虽然从不同的研 究角度提出了很多用于评价的模型，但所遵循的原则和评价的目的是相同的， 即使公路线形不仅满足汽车行驶动力学的要求，而且还要满足驾驶员在行车过 程中产生的期望心理要求。因此，要全面地对公路线形进行评价，不仅要考虑 公路本身的技术指标，还要考虑驾驶者的驾驶行为和生理心理要求，贯穿以人 为本的评价思想。 1 2 1 国内研究现状概述 目前国内对线形设计评价还处于研究阶段，概括起来主要有以下几个方面 的研究。 ( 1 ) 利用交通安全进行评价：这方面的研究论文较多，参考文献e 5 - 1 5 就 是从安全性的角度进行的研究。从行车安全的角度利用交通事故率与路线几何 要素的关系来评价或控制路线线形设计的方法。主要根据交通事故调查，经回 归分析后建立平面线形、纵断面线形、车道宽度、行车视距、平纵组合线形等 与事故率的关系曲线和拟合公式，从而确定事故多发点和控制路线线形的指标， 对指导公路线形设计与评价具有一定的指导意义。 ( 2 ) 利用油耗图进行评价叫n 们：油耗图的评价方法可以用来分析公路纵坡 3 武汉理工大学硕士学位论文 线形设计的合理性，多用于越岭线路线方案的比选中。具体做法是把各方案中 汽车行驶所消耗的油量绘成图，在耗油量图中进行分析，比较一下总的耗油量 多少，看全线的耗油量是否均匀，通过比较选择较好的设计方案。 ( 3 ) 利用透视图和三维模型进行线形连续性和协调性的评价：在我国规 范中提到：“高速公路、一级公路应借助于公路透视图或三维模型检查线形设 计同沿线景观的配合与协调：其他各级公路有条件时，亦可利用公路透视图检 验线形设计n 们。因此，利用公路透视图和三维模型检查线形连续性和协调性 是比较常用的方法之一，用这种方法能较为直观地观察到路线的立体形状，而 且这种方法可利用的软件也较多，例如纬地三维漫游系统、e i c a d 、c a r d 1 等 专业软件，但此法无法获得定量指标。 ( 4 ) 通过建立三个方向的加速度模型对线形舒适性进行评价n 钉n 羽：这种方 法通过对汽车行驶力学的分析，建立汽车横向、竖向及轴向加速度模型，提出 了关于舒适性的加速度取值范围，通过线形舒适性评价标准的建立来评价公路 平面及纵断面线形的舒适性。但所建立的模型是否满足安全性方面的要求，还 需要进一步的调查、分析和研究。 ( 5 ) 利用“沿线最高可能车速图抑检查评价n 引：传统意义的“沿线最高可 能车速图 可以反映出全线平、纵线形要素及其组合对可能最高车速的影响， 从而发现平、纵线形要素协调不好的部位，为修改设计提供依据。但此方法纵 断面上没有考虑竖曲线对汽车行驶速度的影响曲线的影响，显然理论依据不足。 正是由于该法理论上的缺陷和考虑因素的不全，目前公路设计中应用甚少。 ( 6 ) 利用运行速度检查评价线形：我国关于运行速度及其应用的研究比较 晚，目前处于研究阶段。就目前国内对运行速度的研究现状，归纳起来主要有 两种获得运行速度的方法： 一是路段实测法，这种方法需要大量的现场实测数据，经回归统计分析等 方法建立线形要素和运行速度的关系，再考虑纵坡对运行速度的影响，从而对 回归模型修正、折减，得到运行速度和线形几何要素之间的回归方程。该法还 可以通过路段实测车速，绘制车速累计分布曲线，取曲线中8 5 所对应的速度 值作为运行速度。路段实测法需要的样本量大，费工、费时、费钱，同时仅适 用于已建实测的公路，对于已建的其它公路或拟建公路不一定适用。而且该法 的结果是按沿线平曲线半径分段的直线图形，经过限制相邻速差不要过大达到 检查控制的目的，显然相邻平曲线之间直线段的速度大小没有考虑，当直线较 4 武汉理工大学硕士学位论文 长、纵坡较小时，直线段行驶速度可能大于平曲线上的行驶速度，不能起到控 制作用，只有在山区曲线连曲线的路段可能起作用。 另一种是理论预测法，如参考文献 5 儿6 等。根据汽车动力学加、减速行 程计算基于纵断面线形设计的运行速度，根据平曲线半径计算基本公式反算出 弯道上行驶的允许车速或引用国外的曲度与运行速度关系获得运行速度。将纵 断面和平面分别预测的运行速度比较后取小值，作为平、纵线形组合的运行速 度。该法没有考虑竖曲线以及横断面的影响。 1 2 2 国外研究现状概述 国外尤其是欧美发达国家关于公路路线的设计理论，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 以人为本的设计思想啪，。按此原则设计的公路路线，可以满足驾驶者在行车过 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、车速连续和交通条件。 ( 1 ) 美国、德国、英国、日本等国从安全性角度评价线形设计口u 胁1 ：此方 法首先收集调查交通事故资料，据此建立直线、圆曲线、缓和盐线、纵坡( 上下 坡) 、竖曲线、视距等线形要素与事故率之间的表格关系或回归曲线、公式，找 出相对比较安全的范围或数值，从而指导线形设计和评价线形设计的安全性。 ( 2 ) 日本早期的线形图检查评价嘲嘲；此法将路线平面图的线形图用曲率 图表示，将纵断面用坡度图表示，检查两图的零点位置，从而简单检查出平、 纵线形组合设计的好坏。如果两图零点位置一致或接近，则平纵配合不好；反 之，两图零点位置相互交错开，则平纵线形配合良好。这种线形检查评价的方 法，也就是我国规范中所提到的“平包纵力的平、纵线形组合原则嘲1 。 ( 3 ) 美国联邦公路局( f hw a ) 的公路安全评价思想汹m 剐：美国联邦公路局 ( f h w a ) 于1 9 8 8 年开始着手研究“交互式公路安全设计模型( i n t e r a c t i v e h i g h w a ys a f e t yd e i g nm o d e l ，缩写为i h s d m ) 筇。该模型是建立在大量观测数 据基础上的统计模型，综合考虑了人、车、路之间的相互影响，目的是建立一 个与c a d 集成在一起的公路安全设计和评价系统，帮助设计人员从公路安全的 角度评价设计方案。 i h s d m 将公路安全评价和c a d 集成的思想既实现了公路安全审计的目的， 又方便了设计方案的修改，代表了公路安全评价未来的发展方向，在公路安全 5 武汉理工大学硕士学位论文 评价方面发挥了重要作用。其中车速一致性模型采用的是运行速度。 ( 4 ) 国外利用运行速度对线形进行检查评价的方法：我国现行的公路路线 的平、纵、横断面几何设计方法沿用的是前苏联的传统设计思路啪1 。这种设计 方法是以计算行车速度作为设计车速，一个设计路段采用一个固定值，作为平 纵线形指标的基础设计参数，以规定最低设计标准，并确定其它的相应设计指 标。随着汽车工业的迅速发展，现在的车辆运行速度要比当时的高很多，采用 设计车速作为路线设计的缺陷就显得越来越突出。因此，国外许多国家正在研 究运行速度及其在公路线形设计与评价中的应用，主要有如下成果： 早在2 0 世纪6 0 年代，西方发达国家就开始了车辆运行速度和运行费用 模型的研究。世界银行从2 0 世纪7 0 年代起，邀请了美国、法国和巴西等国的 专家投入数千万美元进行调查、实验，得到自由流交通条件下各类车型的运行 费用模型，即著名的h d m - i i i 模型，其中的基础性研究就是对车辆运行速度的 研究，并进行了大量的道路试验工作忉】。同期，英国运输道路与运输研究所也 在肯尼亚、印度和加勒比海等发展中国家进行了大量的试验和调查工作，采用 线性回归的方法建立了各类车辆的平均运行速度及燃油、轮胎和车辆保养模型。 澳大利亚和欧洲等国是最早在公路设计中采用运行速度概念的啪1 。通过 对小半径平曲线运行速度模型进行大量研究，认为平曲线半径是影响运行速度 的关键指标，各国基本上都采用“半径一运行速度 模型反映不同平曲线半径 与运行速度之间的对应关系。 l e i s c h 是美国最早提出运行速度概念的学者，并用来评价公路平面和纵 断面几何线形的一致性乜1 捌。该法认为单独使用设计速度作为公路设计的控制 原则可能会导致非期望的几何设计出现。为了实现车辆运行速度与设计速度的 一致性，更好地满足驾驶员的期望值，分别建立y d , 客车和大货车的运行速度 模型，该模型主要是根据平面及纵断面路况估计不同车型的平均速度估计值， 将其绘制成车速变化图，用于判断线形上的速度是否达到设计一致性。 美国学者l a m m 等人于1 9 9 0 年根据3 2 2 个圆曲线路段上收集到的试验数 据娜胁1 ，分析了圆曲线半径与运行速度的关系，认为平曲线半径( 曲率) 是影 响运行车速最显著的线形指标，并建立了回归模型。 另外，l a m m 等人又于1 9 9 9 年对2 6 1 个双向双车道路段的平曲线要素与v 蛄 进行统计分析后，认为具有相似平曲线线形要素特征路段上的运行速度具有相 对稳定性，同时还发现在转角、平曲线半径、车道宽度、路肩宽度、日平均交 6 武汉理工大学硕士学位论文 通量等因素中，平曲线长度和半径对v 踮的影响最大，回归出相应的测算模型。 美国k r a m m e s 等人采集在自由流状态下乜订侧，分布于纽约、俄勒冈、宾 西法尼亚、德克萨斯和华盛顿5 个州共1 3 8 个平曲线上车辆的运行速度数据， 推导出运行速度模型。 希腊k a n e l a i d is 等人于1 9 9 0 年分析了5 8 处双车道乡村公路上平面线形 对车速的影响瞄妇眦3 ，得到了回归模型。认为运行速度不仅是公路设计的一个基 本要素，而且是实现平面线形设计一致性的基本工具。 1 9 9 5 年a 卜m a s a e i d 等人分析了直线与其后相邻圆曲线之间的运行速度 之差v 嗨与线形几何参数、公路服务水平之间的关系“1 ，提出了一组回归模型。 1 9 8 7 年瑞典公路交通研究院开发了v t i 仿真软件1 ，通过事件驱动仿真 模型，细致考虑了道路条件对期望速度的影响，研究双向双车道道路的小客车 交通流特性。 瑞士采用理论速度模型分析平面线形的一致性口射。这种方法引入项目设 计速度分布图，根据速度的突变检查公路设计不一致的位置。项目设计速度是 以平面和纵断面的设计要素为参数的速度模型得到的。如果项目设计速度超过 传统的设计速度，则以项目设计速度作为评价视距、超高和缓和曲线长度的依 据。假定在同一平曲线上速度不变的前提下，根据统计研究确定了项目设计速 度的标准值，超过按不同平曲线半径列表供查。在相邻平曲线或平曲线与直线 之间，项目设计速度的变化量一般不大于2 0 k m h ( 1 2 m p h ) ，但对于更小项目设 计速度( 小于4 5 m p h ) 的公路其速度变化量的临界值为l o k m h ( 6 m p h ) 。 德国引入平面曲度的概念1 ，即路线平曲线任一时刻累计偏角的绝对值 除以路线长度。 德国定义的运行速度是干燥和潮湿路面状况下自由流状态小客车的8 5 分 位车速。经过研究，建立了平面曲度、横断面的路面宽度与运行速度的关系图。 直接查图就可以得到运行速度。 此外，国外对公路线形设计的评价还有从路用者的角度出发，如从驾驶员 视觉和工作量角度出发，分别建立与线形设计几何指标之间的关系模型。 1 2 3 国内外研究方法评述 目前，就公路线形设计质量评价方法，国内外研究方法主要有利用交通安 全评价、利用公路透视图和三维全景模型定性评价、利用“沿线最高可能车速 7 武汉理工大学硕士学位论文 图 评价、利用运行速度评价、利用横向加速度变化率以及驾驶员工作量等评 价方法。公路线形评价是近年来研究的热点问题，尽管各国所采用的评价方法 各不相同，就评价的目的都是相同的，即评价不是最终目的，而是通过检查评 价，使公路线形各要素的设计达到连续、均衡和协调，实现汽车在公路上安全 运行的目的。为此，本文寻求一种更加科学、合理的公路线性设计质量评价方 法。 1 3 研究的目的及意义 1 3 1 研究的目的 国内外目前还没有一种科学、合理的公路线形评价方法，各国都意识到采 用设计速度带来的严重安全性问题，都试图寻找方法来弥补这一缺陷，因此从 方法上仍在研究、探索中。本文正是在此背景下提出了应用可能速度进行公路 线形设计评价的方法，研究的目的主要是： ( 1 ) 寻找一种比较科学、合理的方法来评价公路线形设计： ( 2 ) 解决行车安全性问题或减少交通事故的发生。多数交通事故是由于超 速行驶造成的，采用设计速度设计，对设计车辆肯定会超速，采用国外的运行 速度还会有1 5 的超速行驶。而采用本文提出的可能速度不会超速行驶。 1 3 2 研究的意义 在理论上，本文引入了“可能速度 的概念，可能速度是指在良好的气候 和交通条件下，汽车行驶只受公路本身几何条件影响，技术熟练的驾驶员驾驶 汽车沿某条公路行驶时可能达到的最大行驶速度。它不同于设计速度，也不同 于国外提出的运行速度，它是汽车沿着公路行驶时可能达到的最高车速。由概 念可以知道可能速度主要由道路的几何线形指标决定，因此可能速度的获得途 径比较简易，不需要大量的观测数据。研究了应用可能速度进行线形设计的方 法。该法是一种比较科学、合理的评价线形设计的方法；根据汽车动力学，研 究了基于平、纵线形设计的可能速度预测模型。通过理论研究，提供了一整套 公路线形设计质量评价标准，与利用运行车速评价交通安全的方法比较丽言更 加简单易行。另外，可能速度评价法还可以在道路的线形设计阶段及早地发现 严重存在连续性、安全隐患的路段并及早修正，避免设计工作的盲目性和被动 8 武汉理工大学硕士学位论文 性，达到减少交通事故的目的。更为道路的规划、设计、运营和管理提供科学 的理论支持；同时，对于补充、完善公路线形设计理论与方法做了一定的研究， 具有重要的学术研究价值和理论研究意义。 1 4 研究的内容及技术路线 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，但设计速度本身存在一定的缺陷，越来越 不满足当代汽车与交通事业的快速发展。为此，引入了可能速度的概念。 1 4 1 研究的主要内容 本文从道路线形几何条件对线性质量的影响入手，引用可能速度这一能够 直观体现道路几何线形的指标，探讨可能速度与设计速度、运行之间的关系， 建立基于可能速度的预测模型，提出了基于可能速度的公路线形设计质量评价 标准。主要研究内容如下： ( 1 ) 深入分析可能速度及相关概念，提出可能速度评价方法 根据采用设计速度作为公路线形设计依据存在的问题，在研究分析目前国 内外线形设计评价方法和利用运行速度现状的基础上，提出可能速度的概念及 应用可能速度的线形设计方法。 ( 2 ) 探讨影响可能速度的因素 汽车在公路上行驶时会受到许多因素的影响，本课题研究中剔除交通量、 公路类型、路面状况和气候环境等非线形指标的影响因素，主要考虑驾驶员在 自由行驶条件下，由公路线形指标如道路平面线形、纵坡坡度与坡长、超高、 行车道宽度等控制的可能速度。 ( 3 ) 研究分析可能速度预测模型 根据行车安全性要求，提出加速度的控制指标，研究按汽车动力特性、平 曲线及竖曲线确定加速度指标的方法。并根据汽车动力学原理，综合考虑平、 纵线形设计要素，研究可能速度的预测模型。 ( 4 ) 提出了基于可能速度的线形设计质量评价标准 结合国内外比较成熟的线形评价标准与方法，建立了基于可能速度的公路 线性设计评价标准。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 将本文的评价标准应用于工程实例 1 4 2 研究的技术路线 本文的研究路线如图1 1 所示。 1 5 本章小结 图1 1 技术路线图 本章在分析国p 够, l - 研究现状的基础上，分析了现阶段我国高速公路线形设 计、评价中存在的缺陷：( 1 ) 线形设计要素与实际行车速度不相容；( 2 ) 线形设 计要素之间不相容：( 3 ) 线形的行车速度标准不一致。提出了基于可能速度的公 路线形设计质量评价研究的课题，从而确定了本文要研究的主要内容，提出了 本文的研究技术路线，并阐述了本课题研究的目的及意义。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章可能速度及其影响因素 可能速度是目前国内外的研究热点问题，主要是为解决公路的线形设计质 量问题。本章介绍可能速度的概念，在我国路线设计速度设计方法的基础上， 结合国内公路设计的实际情况，理论分析可能速度及相关概念，同时分析了公 路上影响可能速度的因素。对于改善我国公路设计理念、加快可能速度设计方 法在我国的应用具有一定的现实意义。 2 1 可能速度及相关概念分析 2 1 1 可能速度 汽车在公路上行驶时，驾驶员是根据公路的几何条件和汽车的动力性能来 控制行驶速度的，只要条件允许，驾驶员是倾向于采用较高的速度行驶。比如 在线形指标较高的直线路段或大半径的平、竖曲线路段，汽车常常是超过设计 速度高速行驶，即使在线形指标较低的陡坡路段或小半径平、竖曲线路段，驾 驶员也会倾向于或来不及减速而高出设计速度行驶。其结果必然是超速行驶， 导致公路几何设计指标均满足现行技术标准，但事故多发点和事故率居高不下， 这种现象在我国各级公路上都不同程度地存在。 可能速度是指在良好的气候条件和交通条件下，汽车行驶只受公路本身线 形条件影响，技术熟练的驾驶员驾驶汽车沿某条公路行驶时，可能达到最大的 速度，简称可能速度【5 。定义中良好的气候条件是指路面干净、平整，不考虑 积雪、结冰和降雾等；良好的交通条件是指自由流行驶状态，不考虑交叉口、 行人及非机动车等横、纵向干扰；在公路宽度、视距足够的线形条件下，驾驶 员驾驶汽车所能达到的最大速度，考虑上坡加减速换档和下坡加速换档操作； 驾驶员技术熟练是指能保持尽可能高的速度行驶，但不冒险。 2 1 2 设计速度、运行速度及与可能速度的关系 本文主要研究的是可能速度，但有几个与其有重要关系的基本概念，分别 论述如下： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 设计速度 根据美国各州公路与运输工作者协会( a a s h t 0 ) 编制的公路与街道几何设 计方针，1 9 9 4 年版的定义，“设计车速是当条件良好，公路设计特征均起控制 作用情况下，公路特定路段上能保持的最高安全速度。设计车速一经选定，公 路的所有相关特征必须与其配合以获得均衡设计 。 设计车速是一个定速，通常作为通用基础参数用于规定一个路段的最低设 计标准。 ( 2 ) 运行速度 运行速度即是公路上车辆的实际行驶速度。汽车在路段上行驶时的车速各 异，不同的驾驶员驾驶相同的汽车运行时车速也不同，即使相同的驾驶员驾驶 相同的汽车也会因驾驶员的心理状况、汽车的状况、道路的状况而车速不同， 另外货车和小客车的运行速度也是不同的。有证据表明驾驶员在一个路段上的 自由车速通常约以o 1 4 的变化系数分布。在百分比上限内，车速随着频率的积 累而均匀提高，直至后者达到8 5 左右。从该点以后，车速的趋势是向上增加 的。这说明观测到的车速中有1 5 是出奇的高。因此，公路设计的目的是创造 条件满足近乎所有驾驶员，但不是全体驾驶员的速度要求，因为设计若也考虑 占总数1 5 的专爱高速飞车的驾驶员，则从经济上说是不可行的。所以，有必 要选择一个有代表性的运行速度值。 基于以上的分析，提出了运行速度v 眄的概念，v 。是指：在理想的外部条件 下，公路特定路段上第8 5 位车辆的运行速度。其中，理想的外部条件是指良 好的天气条件，干净、潮湿的路面条件和自由流状态的交通条件。 ( 3 ) 可能速度与设计速度、运行速度的关系 由上面的概念分析可以看出，设计速度为一定值，可能速度和运行速度在 其上、下变动。 引用可能速度与运行速度的目的是相同的，都是为了控制、检查和评价线 形设计，作为确定路线技术指标的主要依据。但二者的获取方法不同，运行速 度是通过路上实测，采用第8 5 位的行驶速度，需要有大量的试验数据，经回 归分析后获得，此法主要适用于对已建公路运行速度的测定，用以指导公路改 建或设置交通安全设施，已建公路实测到的运行速度是否能用于指导拟建公路 的线形设计，还需要做大量的研究工作。而可能速度是汽车可能达到的最大速 度，因安全原因，可能速度不可能通过路上实测获取，只能在公路平、纵线形 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 指标己知的基础上，通过建立理论预测模型获得，可用以指导已建公路的改建 或拟建公路的线形设计评价和改进，同时可作为已建或拟建公路设置交通安全 设施的依据。另外，二者的大小不尽相同，可能速度为最大速度，而运行速度 为车辆实际行驶速度。 可能速度与设计速度、运行速度的关系如图2 1 所示。 图2 1 可能速度与设计速度、运行速度的关系示意图 2 1 3 设计速度设计路线的局限性 我国从上个世纪五十年代起，引入了计算行车速度即设计车速的概念。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，从2 0 k m h 到1 2 0 k m h 。一条公路的设计速度一经选 定，公路所有相关要素视距、超高、纵坡、竖曲线半径、平曲线半径等指标必 须与其配合以获得均衡设计。用此方法设计的公路( 即用计算行车速度作为设计 速度进行平纵线形设计，将意味着中等水平的驾驶员，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。实际上一条公路 的受限路段一般较少，而大多数路段为非受限路段，其线形指标高于受限路段， 可以容许汽车以高于设计速度的车速行驶。在实际的驾驶行为中，没有一个驾 驶员自始至终去遵守计算行车速度这一固定车速，只要条件容许，驾驶者总是 倾向于采用较高的速度行驶。从设计控制的角度考虑，在这些非受限路段，公 路路线的平、纵、横及其它相关指标就没有依据确定。我国的技术标准规定路 线设计的基本要求是根据公路的等级及其使用任务和功能，合理地利用地形， 正确地使用技术标准，保证线形设计的安全性、均衡性和连续性，在条件许可 时，应尽量选用较高的技术指标。从原则上讲，这种要求是非常必要的，但在 实际设计中设计人员是难以把握的，比如与设计速度有关的平曲线半径、缓和 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 曲线长度、超高值、视距、竖曲线半径等指标的取值，在非受限路段无依据确 定，导致各指标取值不合理、相互组合不协调、高低指标之间无过渡等问题。 由于技术指标的不协调，很难实现路线线形的均衡性和连续性，使行车速度忽 高忽低，容易产生速度突变，多数路段超速现象严重，这种超速和突变极易发 生交通事故。显然，以设计速度作为公路线形设计的依据具有其不足的一面。 2 2 采用可能速度进行公路线形设计质量评价的可行性 2 2 。1 控制车辆超速行驶 据交通警察部门统计，在我国每年发生的6 0 多万起道路交通事故中，有 9 0 以上是“主要属于驾驶员的责任”，其中又有近七成属于“超速行驶”、“违 章超车”、“纵向行车间距不够 等关于行车速度的判断失误，即我国有三分之 二的交通事故与车辆驾驶人员过高的车速控制有关。超速是引起交通事故最主 要的原因，超过设计速度行驶就处于临界失控状态，即处于不安全行驶状态。 现行的设计速度为设计参数的思想，其出发点是达到“安全行驶的最大速度”， 标准规定的相关线形指标是对应设计速度的极限值，但在具体设计中该极限值 又不能“轻易采用，结合地形条件尽可能采用比极限值大的指标，因此以设计 速度为依据的方法必然产生车辆超速行驶状态，只不过因车辆、车况的不同超 速大小不等而己，在高速公路上超速行驶的应为车辆最高速度高于设计速度的 小型车，在一般公路上只要交通环境条件允许则大、小型车都可能超速行驶， 设计速度越低，出现超速行驶的机率越高。所以，采用设计速度的思想实质上 从线形设计的角度为超速行驶创造了条件，并且对超速的程度没有控制。 采用可能速度的思想，据其定义为沿线可能最大速度，经过对可能最大车 速的检查、修正，实际上控制了车辆行驶的最大速度，控制了超速行驶状况， 使车辆在公路上行驶处于控制状态、处于相对安全行驶状态，从而大大减少因 超速行驶而导致的交通事故发生。 因此采用可能速度的线形设计方法可以有效地控制车辆超速行驶，对公路 线形设计起到检查、评价和控制作用，采用可能速度进行线形评价是可行的。 2 2 2 可能速度的获取方法科学、方便 ( 1 ) 运行速度获取方法的局限性 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 目前国内外正在研究应用运行速度( v 髓) 作为公路线形设计评价和控制的方 法，其运行速度的获取途径是通过已建公路上路段试验实测得到。由于实测方 法样本数量所限，一般能通过实测建立一个线形要素与运行速度的回归公式、 图或表格关系，如圆曲线半径与运行速度v 艏的关系；建立两个线形要素与运行 速度的关系比较困难，如圆曲线半径、纵坡与运行速度v 8 5 的关系；建立三个线 形要素与运行速度的关系更困难，如圆曲线半径、纵坡、路面宽度或路肩宽度 与运行速度v 。的关系。 因为二个及其以上线形要素的排列组合较多。n 个圆曲线半径与m 个纵坡 组合数有n m 个，要在一条试验路段上找到完整的组合地点并且保证找到相当数 量的样点是不可能的，必须在一个相当大的范围内寻找样点，这样人力、财力、 物力、时间等耗费是相当大的。 因此，目前关于运行速度的研究成果绝大多数是建立了一个线形要素与v 髓 的关系，显然这种运行速度获取方法不科学，也不全面。实际上影响运行速度 的因素很多，除了路线平、纵、横几何要素以外，还有驾驶员、行人、非机动 车、交通量、气候等因素。另外，由于实测样点数量的限制和实测时驾驶员、 车况、路况、交通环境等的影响，通过路段实测的运行速度只代表已建公路运 营到当时的实际行驶速度，只对实测公路改建或设置交通安全设施具有指导意 义，运行速度这些获取方法的局限性，决定了它不一定能用作未建公路设计阶 段的设计依据。 ( 2 ) 可能速度获取方法的方便合理性 可能速度是在考虑路线平、纵线形要素影响的基础上，根据汽车动力学原 理，通过理论预测模型计算得到的。 根据可能速度的定义，在假定路面条件良好、交通环境良好、驾驶员状态 良好的前提下，公路行驶速度只受公路自身线形条件限制所能达到的最大速度。 公路自身线形条件包括：路线平面的直线、缓和曲线及圆曲线，纵断面的坡度、 坡长及竖曲线。 根据汽车行驶特性，考虑了汽车动力因数、行驶阻力、加减速行程以及汽 车换档操作等。 因此，可能速度同时考虑了平、纵线形要素的综合影响，与运行速度获取 方法比较，可能速度获取方法更科学、合理、方便。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 不改变现有的路线设计程序与步骤 对现有设计程序没有较大影响，只是在现有设计步骤的基础上，增加了线 形检查、评价的步骤，体现了与原有设计程序很好的一致性。 根据交通部公路工程基本建设项目设计文件编制办法( 2 0 0 7 ) ( 以下简 称办法) ，公路工程基本建设项目一般采用两阶段设计，即初步设计和施工 图设计啪1 。对于技术简单、方案明确和小型建设项目，可采用一阶段设计，即 一阶段施工图设计；技术上复杂、基础资料缺乏和不足的建设项目或建设项目 中的特大桥、互通式立体交叉、隧道、高速公路和一级公路的交通工程及沿线 设施中的机电设备等，必要时一可采用三阶段设计，即初步设计、技术设计和 施工图设计。 根据办法中的规定，选定路线设计方案、基本确定路线位置应该在初 步设计阶段完成，确定路线的具体位置应该在施工图阶段完成。因此