（模式识别与智能系统专业论文）公路线形设计质量评价方法的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 公路线形设计应使线形连续、指标均衡，使汽车行驶安全、舒适，线形设计的质量 对公路的运营效果有重要的影响。在工程实际中，线形设计质量的检验与评价工作往往 被忽视或简化，或带有较强的主观性，或局限于规范条文的限定。研究如何方便、快速 和定量地进行路线线形质量的评价，对提高公路设计质量具有重要的理论和实用意义。 首先，基于路线设计规范的规定，针对常用线形设计指标，采用直接查询的方法， 建立了方便、快速、全面的检验与评分评价模型。 其次，对常用线形设计指标进行筛选，提出主要线形指标，评价各指标的合理性和 各指标之间的协调性与均衡性。应用层次分析法确定各指标的权重，并采用改进的德尔 菲法获得评价矩阵，再运用模糊数学评判方法评价指标的合理性，运用灰色关联度法评 价指标之间的协调性与均衡性。 最后，针对线形设计的关键指标一设计速度，建立运行速度的评价模型。通过模型 计算不同路段的运行速度，可获得运行速度与设计速度相差较大的区段，从而为保证和 提高汽车行驶的安全性、舒适性。 作为工程应用示例，结合丹本公路工程某路段实际线形资料，分别用上述三种方法 对线形设计指标进行检验与评价，获得该路段线形设计质量的优良程度，对不合理的线 形指标提出改进意见。 关键词：公路线形指标；设计质量；直接查询法；层次分析法；灰色关联度法；运行速 度检验 公路路线设计质量评价方法的研究 r e s e a r c ho f h i g h w a ya l i g n m e n tq u a l i t yo fd e s i g ne v a l u a t i o nm e t h o d s a b s t r a c t i kr o a da l i g n m e n td e s i g ns h o u l db ec o n t i n u u m ，t h ei n d e xt ob ec o n t i n u o u s l yb a l a n c e d l i n e a r , c a u s i n gt h ea u t o m o b i l et or u ns a f e l ya n dc o m f o r t a b l y i ti st h er o a da l i g n m e n td e s i g n t h a th a sa t l i m p o r t a n te f f e c tf o rt h eo p e r a t i n gr e s u l t s ，h o w e v e r , w h e np e o p l ew o r k e di n p r a c t i c e ，t h e yo f t e ni g n o r e do rs i m p l i f i e dt h ep r o c e s so ft h et e s t i n gf o rt h el i n e a rd e s i g na n d e v a l u a t i o no ft h eq u a l i t y ，w i t has t r o n gs u b j e c t i v e ，o rc o n f i n e dt ot h el i m i t e dp r o v i s i o n so ft h e n o r m s i th a st h eg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eh o wt oc a r r yo u tt h eq u e n t i t a t i v e e v a l u a t i o no ft h eq u a l i t yo fl i n e a rc o n v e n i e n t l ya n df a s tf o ri m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e h i g h w a yd e s i g n ： f i r s t l y ，b a s e do nd e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rh i g h w a yr o u t e ，t h i sa r t i c l ee v a l u a t e st h e d e s i g n e dr o a da l i g n m e n ta n dc o r r e c t st h eu n r e a s o n a b l ei n d e xv a l u et h r o u g hf i x i n go nt h e t h e o r ys c o p eo fa l i g n m e n ti n d e xv a l u et or e d u c et h eu n s a f ef a c t o r sa n de n h a n c et h eq u a l i t yo f d e s i g n s e c o n d l y ，t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r dt h em a i na l i g n m e n ti n d e x ，a n da p p l i e st h ef u z z i n g m a t h e m a t i c sj u d g m e n tm e t h o dt oe v a l u a t et h es a f e t yo fr o a da l i g n m e n t , i nw h i c ha p p l i e st h e i m p r o v e dd e u e lp h i l i p p i n e sm e t h o dt oo b t a i nt h ea p p r a i s a lm a t r i x ，t h ea n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s st oo b t a i nt h ew e i g h t , t h r o u g ht h em e t h o do fg r a d i n gt oa p p r a i s et h es i t u a t i o no ft h e r o a dd e s i g nq u a l i t y m e a n w h i l e ，t h em e t h o do fg r e yr e l a t i o nd e g r e ei su s e dt oe v a l u a t et h e c o m p a t i b i l i t ya m o n gt h ei n d e x e si no r d e rt oa s s e s sw h e t h e rt h er o a da l i g n m e n td e s i g ni sw e l l o rn o t c o n t r a s t i n gt h et w om e t h o d s ，t h er e s u l t si so b t a i n e dt h a tt h ef o r m e r 晰t hc e r t a i n s u b j e c t i v i t yh a sg r e a tc o m p u t a t i o nl o a d ，a n dt h el a t t e ri ss m a l la n da p p l i e dw i d e l y f i n a l l y , f o rt h ek e yi n d i c a t o rl i n e a rd e s i g n - t h ed e s i g ns p e e d ，t oe s t a b l i s ho ft h e e v a l u a t i o nm o d e lo fs p e e d t oc a l c u l a t et h es p e e do ft h ed i f f e r e n ts e c t i o n st h r o u g ht h em o d e l ， a c c e s s i n gt h el a r g e rd i f f e r e n ts e c t i o nb e t w e e ns p e e da n dd e s i g ns p e e d ，s oa st og u a r a n t e ea n d i m p r o v et h ec a r ss a f e t ya n dc o m f o r t a st h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n , i no r d e rt oo b t a i nt h e9 0 0 dl e v e lo fc o m b i n i n g 丽t 1 1t h e p r a c t i c ea l i g n m e n tm a t e r i a lo fp r o j e c ti n s t a n c ed a n - b e nh i g h w a y ，t e s t i n ga n de v a l u a t i n gt h e i n d i c a t o r so fl i n e a rd e s i g nw i t ht h et h r e ea b o v em e n t i o n e d sr e s p e c t i v e l y , s i m u l t a n e o u s l y p r o p o s e st h ei m p r o v e m e n tp l a nt ot h eu n r e a s o n a b l ed e s i g n k e yw o r d s ：h i g h w a ya l i g n m e n ti n d e x ；q u a l i t yo f d e s i g n ；d i r e c tp o l l i n gl i s t ；a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ；g r e yr e l a t i o nd e g r e e ；t e s to fo p e r a t i n gs p e e d i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：金整线型遮i 土厦量迁俭友洼鲍叠究 作者签名：翘撞车 日期：苎年堡月上：l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 作者签名： 导师签名： 日期： 型量年j 生月二生日 击 日期：递墨年卫月4 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1公路线形设计的重要性 公路线形是指平、纵、横线形几何指标的立体组合。线形是整个公路工程设计的关 键，是反映设计优劣的最为直观的折射。线形设计则决定了行车的安全性、舒适性及经 济性，还决定了公路的技术等级及规模。由于公路线形是伴随其全部设计、施工的基础。 同时也是使用的基础，所以应该仔细考察有关公路设计、施工及使用的各个方面来进行 综合的系统设计与评价【。 随着公路事业以及汽车工业的发展，汽车在公路上的行驶速度也在不断提高，同时 公路等级也在不断提高，从而对线形的要求也越来越高。对于公路而言，由于其设计速 度相当高，它对线形也相应地提出了更高的要求，所以在设计初期阶段，就应该更加重 视高速公路构造物的几何设计。高速行驶时，人眼表现为动视觉特性，呈现在驾驶员视 野中的主要景物是线形。公路是一个线形构造物，人们乘坐汽车，在一定车速下运动， 连续的观察公路及周围环境的变化，司机的动视力、动视野也随车速变化。而当车速增 大时，动视力随之降低，视野也变小，驾驶员的注视距离也随之变大，当大到一定程度 时，就形成管状的隧道视。一般情况下车速较低辨认距离较远，车速增加能够清晰辨认 物体的距离相对缩短，因此司机能够分辨物体的能力也随之降低。在现代交通条件下， 由于车速提高，动视觉特性的变化必然要求我们用这些新的概念去研究和评价高速公路 的线形。 在以4 0 k m h 的速度行驶在六车道的公路上时，路面在驾驶员视野中所占的比例为 2 0 ，以9 6 k m h 的速度行驶时，驾驶员的视野缩小，路面所占的比例增加到3 0 ，空间 所占的比例为5 0 9 6 ，公路两侧所占的比例减少到2 0 以下，特别是在地形平坦的情况下， 更减少到1 5 以下。这就是说，行驶速度越快，路面本身在视觉透视图中所描绘的形状 即公路的线形，就越成为构成公路美观印象的控制因素。可以认为，行驶速度越快的公 路，越应有充分理由要求在视觉上重视优美的线形，以确保行驶舒适。所以，看起来优 美的公路线形，不仅对行驶安全是重要的，并且对行驶舒适性来说也是重要的。 行驶速度越高，线形的重要性也就越大，这对公路来说是不言而喻的。线形作为公 路的骨架，必须保证汽车行驶的安全性与舒适性。作为公路的线形设计，决定了路线的 走向和具体位置，其线位一旦确定便不能再作更改，所以线形设计是公路设计的关键。 线形设计的好坏往往是公路总体设计及其作用的主要评价标准，因此，必须精细设计， 力求线形质量的提高。由于现代生活质量的提高，人类所要求的服务标准也不断提高， 公路线形设计质量评价方法的研究 公路线形设计不仅要保证行车安全、迅速、经济，还要能适应人体生理和心理的需求， 并取得与地形、景观的协调，使公路线形性能达到行车的安全性、线形的连续性、视觉 的舒适性与形态的优美性。总而言之，公路线形设计要做到以人为本，不仅要满足汽车 行驶的需要，还要进一步满足司乘人员的需要，并贯彻可持续发展的思想，更深一步做 到与周围环境的协调。 1 2 公路线形设计质量评价的必要性 我国现行公路技术标准所规定的各种几何构造的设计参数以及各种公路等级的线 形标准值，只不过是保障了汽车在运动学和力学方面的最小安全性，即只是规定了应该 遵守的最小值，而在实际设计中究竟选取多大的技术指标，则由设计人员根据自己的主 观经验，并综合考虑实际地形、地物以及经济性等因素来做出适当的选择，以期设计出 有成效的线形。 跟火车以一定速度在规定轨道上行驶的情况不同，每个汽车驾驶员在车行道的任意 范围内以任意的速度行驶，对其安全性的容许度相当高，也就是说，要尽量适应驾驶员 的各种驾驶行为，又要努力确保行驶的安全性和舒适性。为此必须满足不同公路等级中 规定的线形要素的各种最小值，但同时也要在经济性的允许范围内，根据大于公路等级 的良好线形要素以至结合视觉、心理上的人机工程学以及周围环境等方面来进行设计。 所以公路线形设计的本质就在于考虑如上所述的各种情况，从而使用大于公路等级中规 定的线形要素标准的线形，以尽量修建安全度高的、舒适的公路。至于需要考虑到什么 程度，则由设计人员权衡，同时也关系到公路的经济性。因此，需对设计的线形进行检 验，以评价线形设计的成效性。 公路是线状构造物，线形设计的好坏不仅决定着设计阶段的工程造价，而且还决定 着运营阶段的使用质量，即行驶的安全性、舒适性及经济性。为此公路工程技术标准 规定：“公路建成以后，要改变公路线形几乎是不可能的，它将长期限制汽车的运行。线 形设计的好坏，对汽车行驶的安全、舒适、经济以及公路的通行能力都起着决定性作用。 因此线形设计时，必须对公路应具有的性能与作用进行充分而慎重的分析研究，以免留 下后患。平纵线形组合，应该综合考虑汽车行驶的安全、舒适，工程造价及营运费用的 经济性，驾驶员的视觉、心理状态以及与公路周围的环境与景观的协调【2 j 。 线形作为公路的骨架，其平、纵、横线形是永久性的设计要素，在公路建成后很难 再来改善线形的缺陷，对公路而言更是不可能的。为使线形在设计阶段工程造价具有最 优经济性的同时，其使用质量及服务水平在运营阶段也具有最佳的安全性、舒适性及经 济性，设计阶段就应对线形进行检验与评价。通过线形检验与评价，找出线形的内在缺 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 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需求，即线形的投入与产出协调统一这有其重要意义【3 】。 1 3 国内外研究状况 公路是一条三维空间的带状实体，要在公路建成后再来改变公路线形设计中存在的 缺陷是不可能的。为使设计线形具有最优的建设经济性，在营运期具有最佳的安全性、 舒适性，最佳的使用质量和服务水平，在设计阶段就应该对线形进行检验和评价，找出 缺陷进行改善，使得各线形要素的组合达到最优1 4 1 。目前，国外尤其是欧美发达国家关 于路线设计的理论已经从单纯考虑汽车的动力学要求，逐渐注重考虑驾驶员的生理心理 特征，提倡以人为本的设计理念，注重线形设计后使用上的舒适性。国内外对线形评价 的方法很多，从设计的安全性、连续性、一致性、经济性等方面都进行了研究。 1 3 1国内研究现状 目前，国内对公路线形进行评价的方法主要有以下的几种： ( 1 ) 利用油耗图来评价线形 油耗图【5 】的评价方法可以用来分析公路纵坡线形设计的合理性，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。 ( 2 ) 利用透视图评价线形 透视图法主要用在特殊路段的检查上，如平纵组合是否合理，驾驶员视线是否无阻， 前方路线与景观是否协调等，使设计人员直观地检查到公路平、纵、横立体形状及其与 周围环境的协调配合，是评价立体线形的一种直观有效的视觉评价方法。但这种方法只 能是定性的评价，不能对线形进行定量评价，没有确定的指标来评价公路立体线形效果 的好坏，只能作出视觉上的评价【6 l 【_ 7 1 。 ( 3 ) 利用车速图评价线形 所谓车速刚3 1 ，就是以路线里程桩号为横坐标，以速度为纵坐标所绘制的图。汽车 的速度一方面受纵坡的影响，另一方面受平曲线半径的约束，车速是纵坡、平曲线半径 和路面状态的函数，从车速图上可以反映出路线的平、纵线形要素及其组合对车速的影 响，检查平纵设计协调的合理性。传统的“沿线最高可能车速图 考虑了汽车动力学行 驶要求，但在纵断面上没有考虑竖曲线对汽车行驶速度的影响；平面上采用弯道阻力系数 f c = 4 0 r 表征汽车行驶在平曲线上额外增加的那部分阻力，当平曲线半径 2 0 0 m 时不计 一3 一 公路线形设计质量评价方法的研究 ，且未考虑缓和曲线的影响，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。 ( 4 ) 利用横向加速度变化率评价 横向加速度变化率是在考虑了平纵横三个方面的基础上提出的一种评价方法。它考 虑了汽车动力性的要求，建立了在公路线形设计中的控制和评价方程，通过该方程可以 对路线各几何要素进行控制和评价【8 】【9 1 。该方法并没有给出具体的评价标准。 ( 5 ) 利用运行速度评价 在车辆的行驶过程中，其运行速度不可能是一成不变的，它是随着道路线形、路面 状况、天气条件及交通状况和驾驶员的状态而变化的。从道路条件来说，汽车在平直段 上一般会加速行驶，加速度的大小和在直线末端的速度取决于直线的长度以及驾驶员对 该路段上行驶的速度期望( 即期望车速) 。即在长直线上，当车速达到期望车速后，车速 不再增大，而是以期望车速稳定行驶，直到进入曲线。当直线较短时，直线上的车速可 能还没有加速到期望车速就要进入曲线。在曲线路段，如果曲线半径较大，则车辆在曲 线上行驶与直线基本上没有区别。当曲线半径较小时，车辆进入曲线要减速，然后稳定 行驶一段距离，再加速离开曲线。车速的变化可以分为三部分，即从直缓点到缓圆点可 以认为是减速行驶，从缓圆点到圆缓点是匀速行驶，而从圆缓点到缓直点是加速行驶。 笨 期望率遽 旷”丽j 歹 一商线一，一。荫d 缓 一 _-h_-_o_，k；函4- 稚浆图 一“一- 燃程 图1 1 速度与平曲线关系图 f i g1 1 t h er e l a t i o no fs p e e da n dh o r i z o n t a lc u l n e 运行速度的大小受到道路几何条件的影响，所以可以通过一定的数学方法将运行车 速、线形和交通安全资料组合到一起，发现其中的规律，进而建立公路线形设计的安全 性评价标准和车速管理标准，为公路的安全性设计和管理打下基础，真正使其成为安全、 快速、舒适的高等级公路f 1 0 1 。 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 目前，对于运行车速研究有两种方法：即现场观测法和理论预测法。现场观测法是通 过路段现场测试，经回归分析建立平曲线半径与运行速度的关系，然后在不同纵坡上对 运行速度进行折减后得到【1 1 l 【1 2 1 。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，同时仅适用于已建公路，对于已建的其它公路或拟建公路不一定适用。另外，该 方法相邻平曲线之间直线段的速度大小没有考虑，当直线较长、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 段可起作用。另一种是理论预测法。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弯道上的允许行驶车速或引用国外 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【1 3 1 。此种方法存在的缺点是没有考虑竖曲线以及横 断面的影响。 利用运行速度的评价方法，国外研究较早，且已得到应用，提出了一些评价标准。 我国目前正在研究之中，尚未提出适合我国车型和公路等级的评价标准。 ( 6 ) 利用交通安全检查评价 该法从行车安全的角度出发，利用交通事故率与路线几何要素的关系来评价或控制 路线线形的设计【1 4 1 。主要根据交通事故调查资料，采用回归分析的方法，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并拟合成公式， 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具有一定的指导意 义。 ( 7 ) 利用可能速度的公路线形评价 此法是杨少伟教授提出的一种新的应用于公路线形设计的检查和评价的方法，研究 成果中采用速差作为应用可能速度的线形设计评价标准，并提出了各级公路利用可能速 度进行公路线形评价的评价指标【1 5 1 。速差既反应了线形的连续性，也可评价公路线形设 计的质量和安全性。 1 3 2 国外研究现状 ( 1 ) 利用线形图检查评价 日本早期利用该法将路线平面线形的线形图用曲率图表示，将纵断面的线形用坡度 图表示，通过比较两图的零点位置就可以简单地检查出平、纵线形组合设计的好坏。在 线形图上如果零点位置一致或接近则平、纵线形配合不好，反之，当零点相互交错则立 体线形良好【1 6 1 。 一5 一 公路线形设计质量评价方法的研究 ( 2 ) 从安全性评价线形设计 日本、美国、英国、德国等国用的是该法，根据调查收集的交通事故资料，分别建 立直线、圆曲线、缓和曲线、纵坡( 上下坡) 、竖曲线、视距等线形要素与事故率的表格 或回归曲线和公式，从而找出相对比较安全的数值或范围，用以指导线形设计或评价线 形设计的安全性【1 7 l 。该法的评价数值或范围属于评价标准，只适用于单个公路线形要素 的评价，没有建立平面和纵断面组合线形的评价标准。 ( 3 ) 美国联邦公路局公路安全评价思想 1 9 8 8 年美国联邦公路局( f h w a ) 开发了“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 s i g nm o d e l ，缩写为i h s d m ) 的集成软件包，在c a d 的环境中，辅助 道路设计者评估道路几何设计方案所体现出的安全性能，帮助设计人员从公路安全的角 度评价设计方案【l 引。该模型由八个分模块组成，每个模块完成不同的功能。i h s d m 的 结构图如图1 2 所示 图1 2i h s 喇结构图 f i g1 2 s t r u c t u r a lp a t t e r no fi h s d m 在i h s d m 中，通过期望速度分布曲线图，进行速度的连续性检查和设计速度与运行 速度的一致性检查，从而确定路线的设计质量【1 9 1 。 ( 4 ) 利用运行速度的评价方法 随着汽车性能的不断改进，采用设计速度为依据进行公路路线设计的缺陷越来越突 出。因而，世界上许多国家都在广泛研究运行速度及其在公路设计中的应用。 联邦德国的设计原则是采用设计速度和运行速度相结合的联合设计思路，即按设计 速度设计出初始线形指标后，再用运行速度进行检查和修正。德国定义的运行速度【2 0 】 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 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，德国设计指南中采用了与美 国和瑞士不同的方法。德国引入平面曲度的概念，经过研究，建立了平面的曲度、横断 面的路面宽度b 与运行速度的关系。德国设计指南中规定，任何给定路段的预测运行速 度应不超过其设计速度2 0 k m h ，要求一条连续路段上相邻线形要素之间的运行速度差允 许最大限制值为l o k m h ，以确保公路线形设计的一致性。如果特定路段不能达到这一限 定要求，平面线形设计必须进行调整。 澳大利亚联邦公路局则将设计速度贯穿路线设计的始终，即在初定平面线形和纵坡 的基础上，通过运行速度预测模型预测各路段的运行速度，并以一定的设计控制原则为 标准，检查和修正初定的平纵线形设计，然后根据调整后路线的平纵线形和运行速度， 最终确定曲线加宽、超高、视距等设计指标。美国学者l e i s c h 是美国最早提出基于运 行速度设计概念，并用之来评价公路平面和纵断面几何线形设计一致性的【2 l 】。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，分别建立了小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线形估计不同车型的平均速度，将其绘制成车速变化图， 用来判断线形是否达到设计一致性。 瑞士采用理论速度模型分析平面线形的一致性瞄】。这种方法类似于美国l e i s c h 方 法，引入与运行速度相似的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。项目设计速度是根据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。英国运输道路与运输研究所也进行了大量的试验和调查工作，采用了线 性回归的方法建立了各类车辆的平均运行速度模型瞄j 。 ( 5 ) 利用驾驶员工作负荷评价线形设计 驾驶员工作负荷模型主要是针对驾驶员驾驶汽车过程中的感知、反应、与决策等过 程的脑力劳动。这些过程所需的时间多少对行车安全是至关重要的，往往决定着执行过 程的结果。通常，驾驶员操纵车辆需要处理的信息越少，可以自由地保持视觉闭塞状态 的时间越长，其工作量越小。相反，驾驶员需要处理的信息量越大，需要观察路面的时 间越长，其脑力劳动强度越高，则工作负荷越大 2 1 。 美国m e s s e r 建立了一个基于公路几何学评价驾驶员工作负荷的模型，初步的评价 显示这种工作负荷评价方法对控制公路危险路段具有较好的作用。但该程序是人工操 作，基本上是主观评价而不是客观评价，难以对模型进行验证，从而限制了其可信度。 为了改变上述驾驶员工作量估计主观评价的不足，s h a f e r 开发的驾驶员工作量模型系统 中，采用了视觉闭塞法( t h ev i s i o no c c l u s i o nm e t h o d ) 的客观方法来评价驾驶员工作负荷。 一7 一 公路线形设计质量评价方法的研究 利用驾驶员工作负荷模型来评价公路线形设计的方法是以驾驶员工作量的变化作 为评价指标的。它的技术关键在于建立了平曲线上驾驶员工作量和直线上驾驶员工作量 的计算公式，但仍然为单个指标，缺乏具体的评价标准。 1 4 问题的提出 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，它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，特别是对高速公路而言，它将长期影 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的方法研究是很有意义的。 我国现行的公路工程技术标准( j t g b 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最低设计标准，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着缺陷，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 一3 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 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 7 6 0 k m h ) 上宜尽可能保证，而对于低速道路( v 4 0 k i n h ) 则有所放宽，参考执行即可。在受到条件限制时，无论是高速路还是低速路，都宜将在 同向曲线间插入大半径曲线或将两曲线做成复曲线、卵形曲线或c 形曲线。l ：规范规 定反向曲线间最小直线长度( 以m 计) 以不小于行车速度( 以k m h 计) 的2 倍为宜【4 】。 据铁道部第四勘测设计院对行驶于长直线上的驾驶人的调查，大多数驾驶人在长直 线上行驶5 - - 6 m i n 后就会感到疲劳，心率下降，反应变得迟钝，速度判断的准确性降低。因 此本文把直线分为以下几个层次。详见表2 1 公路线形设计质量评价方法的研究 表2 1 直线评价表 t a b 2 1t h ee v a l u a t i o nl i s to fs t r a i g h tl i n e 同向曲线间l l 2 0 v 2 0 v 同向曲线间l 6 v 2 0 v 反向曲线间l 2 v 4 0 5 0 6 08 0 注：1 ) 峨行速度，鼬； 2 ) 8 3 产- 5 r a i n 内运行长度； 3 ) 1 9 4 产- 7 0 s 内运行长度。 ( 2 ) 圆曲线半径 对于设计速度y 与运行速度之差较大的一般路段，在路拱横坡度不变的前提下， 采用路段运行速度计算值计算圆曲线半径。当采用路段运行速度计算的圆曲线半径大于 设计速度对应的圆曲线半径时，应该加大圆曲线半径或者降低运行速度对应的平曲线半 径。圆曲线半径采用式( 2 1 ) 进行计算【2 4 】： 矿2 r = ：墨 ( 2 1 )= 旦l( 2 ) 1 2 7 ( # + f ) 式中：卜路段运行速度要求的圆曲线半径( m ) ； 瞄一运行速度计算值( k m h ) ： 横向力系数： j 路拱横坡度( ) 。 下表是设计规范【l 埒，规定的圆曲线的最小半径要求和范围。 表2 2 圆曲线最小半径 t a b 2 2t h el e a s tr a d i u so fc i r c u l a rc u r v e 大连理工大学硕士研究生学位论文 圆曲线越大，行车越舒服，但是最大不能超过1 0 0 0 0 m ，同时直线的长度也影响着圆 曲线的安全性。极限最小半径是路线设计中的极限值【6 】，是在特殊困难的条件下不得已 才使用的，一般不轻易采用。一般最小半径，一方面要考虑汽车在这种半径的曲线上以 设计速度或以接近设计速度行驶时，旅客有充分的舒适感，另一方面也要注意到在地形 比较复杂的情况下不会过多的增加工程量。从舒适和安全的角度考虑，i i 应取尽可能小 的值，以使乘客行驶在曲线上大致相同的感觉。我国标准所制定的“不设超高的最 小半径 是取旷0 0 3 5 ，i h ( m a x ) 按照公式2 1 计算出来的。 ( 3 ) 缓和曲线长度 由于车辆要在缓和曲线上完成不同曲率的过渡行驶，所以要求缓和曲线有足够的长 度，以使司机能从容地打方向盘，乘客感觉舒适，线形美观流畅，圆曲线上的超高和加 宽的过渡也能在缓和曲线内完成【2 5 】。缓和曲线长度的确定 依据离心加速度变化率小于等于o 6 ，即乘客的舒适感： l , = 0 0 0 3 6 ； 亿2 ， 依据司机操作反应时间( 至少3 s ) ： 厶= 0 8 3 v ( 2 3 ) 依据视觉条件： 。= 竺。r ( 2 4 ) 。 9 这三个方面来确定缓和曲线长度的。规范规定【l 】如下表2 3 表2 3 缓和曲线的最小长度 t a b 2 3t h em i n i m u ml e n g t ho f t r a n s i t i o nc u r v e 最后取最大值作为缓和曲线的长度，并且在允许的条件下，考虑缓和曲线和圆曲线 的配合，尽量满足缓和曲线与圆曲线1 ：l ：1 到1 ：3 ：l 的比例。 ( 4 ) 平曲线的长度 公路的平曲线一般情况下应具有设置回旋线( 或超高、加宽缓和段) 和一段圆曲线 的长度。若曲线过短，司机操作方向盘频繁，在高速驾驶的情况下是危险的。同时，如 不设置足够长度的曲线使离心加速度变化率小于一定数值，从乘客心理状况来看也是不 公路线形设计质量评价方法的研究 好的。一方面，当转角7 。以下时，曲线长度就显得比实际短，另一方面也引起曲线半 径很小的错觉，确定平曲线的最小长度应按以下几个方面考虑： 曲线过短、司机操作困难。根据经验至少要有6 s 的行驶时间。因此，最小长度 为：k = v t = ( v 3 6 ) x 6 = 1 6 7 v ( m ) ( 2 5 ) 当受条件限制时，汽车在圆曲线行驶至少要有3 s 的时间。 满足离心加速度变化率所要求的曲线长度。当平曲线由两个缓和曲线组成时， 依离心加速度允许变化率确定。 三= 2 z ：2 w ：o 0 7 2 芝( 2 6 ) 尺 视觉的要求。当曲线转角口 s 吼2 云卜百4j 亿8 ， 大连理工大学硕士研究生学位论文 式中：卜竖曲线长度； 兄，一最小竖曲线半径： 。卜视距： 厶广一纵剖面坡度值的代数和。 凹形竖曲线半径除应满足行车舒适、限制离心力不要过大的要求外，还应保证夜间 行车车头灯照射距离以及行驶跨线桥下时行车视距不受影响。若汽车行驶在凹形曲线上 夜间行车车头灯照射距离必须保证不小于停车视距。设车头灯高出地面0 7 5 m 。车头灯 光束扩散角万= 14 ，则 当l s 时，k = s 2 4 5 + 0 0 3 5 s ( 2 9 ) 凯妈吼k 2 云ls 一半产j 亿 汽车行驶在凹形曲线上，必须保证桥梁结构物不影响行车视距。设桥下净空为4 5 m ， 司机视线高1 2 m ，障碍物高度按最不利条件为0 7 5m ，则 当l s 时，氏= s 2 2 6 9 5 ( 2 1 1 ) 当l s 时，k = ( 2 8 - 2 6 。9 2 ) a ； ( 2 1 2 ) 符号同上。 结合以上公式，求得在各种速度下的满足公路行车视距所需最小竖曲线半径。见 下表 表2 5 按9 s 行程为通视视距的凸形竖曲线计算极限半径 t a b 2 5 a c c o r d i n gt on i n es e c o n dd i s t a n c ef o rs t a d i ai nc o n c c x i t y v e r t i c a lc u r v ec o m p u t a t i o nl i m i tr a d i u s 公路线形设计质量评价方法的研究 标准规定的一般最小半径约为极限最小半径的1 5 2 0 倍，在条件许可时应尽 量采用大于一般最小半径的竖曲线为宜，但是我国没有规定最大半径的范围。以此可以 得到如下的竖曲线的取值评分标准表2 7 、表2 8 。 表2 7 凸形竖曲线半径的评价表 t a b 2 7t h ee v a l u a t i o nl i s to f r a d i u so f c o n v e x i t yv e r t i c a lc u r v e 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) 竖曲线长度 汽车从直坡道行驶到竖曲线上，尽管竖曲线半径较大，如其长度过短，汽车倏忽而 过旅客感到不舒适。因此，应限制汽车在凸形竖曲线上的行程时间不过短。：标准中 规定满足3 秒行程，即 k = v 1 2 ( 2 1 3 ) 在凹形竖曲线中，竖曲线的长度与坡差有关，即： k = 国 ( 2 1 4 ) 平曲线与竖曲线应相互重合，且平曲线应稍长于竖曲线，最好使竖曲线的起终点分 别放在平曲线的两个缓和曲线内，即所谓的“平包竖一。根据德国计算统计，若平曲线 半径小于1 0 0 0 m ，竖曲线半径大约为平曲线半径的1 0 - 2 0 倍时，便可达到均衡的目的。 标准规定竖曲线最小长度如表2 9 。 公路线形设计质量评价方法的研究 平、纵线形组合设计是指在满足汽车运动学和力学要求前提下，研究如何满足视觉 和心理方面的连续、舒适、与周围环境的协调和良好的排水条件。平曲线与竖曲线大小 应保持均衡，合理组合，取值时应相互对应鲫。 ( 7 ) 视距 在公路设计中，行车视距是一项综合性指标，它与公路的平面、纵断面、横断面及景 观设计有非常密切的关系。为了保证行车安全，司机在行车时，需要随时都能看到公路前 方的一定距离，以便发现障碍物或对迎面来车采取停车、避让、错车或超车等措施，为完 成这些操作过程所必需的、最短时间内的汽车行驶路程称为行车视距。行车视距s 包括 停车视距s 。、超车视距s 。、会车视距s 。其中停车视距s 。为【2 6 】： 广1 2 s t _ s t + s 2 + s a 2 磊vt + 上l 去l + 3 3(215)29f33 6 i6 j 式中：s 司机的反映距离( m ) ； 岛制动距离( m ) ： 岛安全距离，一般取5 1 0 m ； 矿行车速度( k i n h ) ； 芒司机反应时间，一般t = 2 5 s ； g 重力加速度； ，轮胎与路面的纵向摩擦系数。 会车视距s 。不小于停车视距的两倍( 即s 。术2 s 。) ，超车视距s 。分为全超车视距和最 小超车视距。 平面设计中行车视距的保证主要取决于平曲线半径的大小。当平曲线半径大到足以 保证行车视距时，从行车道中心线到障碍物边缘的侧向距离为保证行车视距时的净空限 界，该平曲线半径称为临界半径。临界半径r 与横净距h 、行车视距s 的关系如下： r = s h ) ( 2 1 6 ) 式中，s 可按司机反应时间t = 2 5 s 由公式( 2 1 5 ) 计算而得。w 为行车道宽度，l 为 路肩宽度，m 为中间带宽度，a 为侧带宽度，于是保证标准横断面范围内视线宽度为： 右转弯时：h = w