（道路与铁道工程专业论文）道路线形连贯性的评价方法研究.pdf

摘要 摘要 公路运输是现代运输的主要形式之一，也是我国国民经济基础产业的重要组 成部分。公路运输具有灵活、机动和适应性强的特点，因此在我国的综合运输体 系中，它是最活跃的一种运输形式。 高速公路在全国路网中占有很大的比例，肩负着经济运输的重要任务。近 3 0 年来，我国的公路交通运输系统得到了前所未有的发展，但是随着路网得到 很大改善的同时，交通事故的数量却是逐年上升。虽然我国的交通事故数量不是 世界上最多的，但死亡人数和万车死亡人数却是远远的高出其他国家。 当前道路线形设计的发展趋势，将从基于车辆动力学分析的旧有模式，转向 考虑人、车、路系统因素，尤其是注重人的特性和驾驶行为的方向发展。运行速 度设计方法适应这一趋势，而车辆实时运行的加速度能够反映速度的实时变化情 况。因此，基于车辆实际运行加速度的道路线形评价研究需要解决如下关键问题： 一是以道路路段实测运行加速度数据为基础，经统计回归建立运行加速度模 型； 二是建立以运行加速度为基础评价指标的公路线形评价标准、方法； 三是确定用于指导公路线形设计时的指标取值范围。 由上所述，本文研究的主要内容包括如下几个方面： 1 深入分析加速度及相关概念，研究影响加速度的因素 2 建立以观测数据为基础的高速公路加速度模型 3 基于加速度的高速公路线形评价标准与方法 高速公路设计连贯性评价方法研究的最终目的在于开发一种事前道路设计 连贯性的量化评价体系，针对高速公路设计方案从道路设计连贯性的角度进行安 全评价，勘定该道路中设计不连贯的位置，并根据道路设计连贯性的要求进行改 进。 关键词连贯性；加速度；道路线形 北京t 业大学工程硕二l 学位论文 a b s t r a c t r o a dt r a n s p o r ti st h em a i nf o r m so fm o d e mt r a n s p o r t ，a n di sa l s oc h i n a sn a t i o n a le c o n o m yb a s i c i n d u s t r i e se s s e n t i a lc o m p o n e n t r o a dt r a n s p o r ti sf l e x i b l e ，m o b i l ea n da d a p t a b l e t h e r e f o r e ，i no u r i n t e g r a t e dt r a n s p o r ts y s t e m ，i ti st h em o s ta c t i v ef o r m so ft r a n s p o r t h i g h w a yi sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o ni nt h er o a dn e t w o r k i tt a k e so nt h ei m p o r t a n tt a s ko f e c o n o m i ct r a n s p o r t a t i o n o v e rt h ep a s t3 0y e a r s ，c h i n a sh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a sb e e n a nu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t ，b u ta st h er o a dn e t w o r kh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，t h en u m b e ro f t r a f f i ca c c i d e n t si si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a l t h o u g ht h en u m b e ro ft r a f f i ca c c i d e n t si sn o tt h e w o r l d sl a r g e s t ，b u tt h en u m b e ro fd e a t h sa n dt e nt h o u s a n dd e a t h sc a ri sf a rh i g h e rt h a no t h e r c o u n t r i e s t o d a yt h et r e n do ft h er o a dl i n e a rd e s i g n sd e v e l o p m e n t ，f r o mt h ea n a l y s i so fv e h i c l ed y n a m i c s b a s e do nt h eo l dm o d e l ，i th a st oc o n s i d e rp e o p l e ，v e h i c l e s ，r o a ds y s t e mf a c t o r s ，i np a r t i c u l a r , p e o p l ea r ef o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd r i v i n gb e h a v i o rd i r e c t i o n s p e e dm e t h o d o l o g yi s a d a p tt ot h i st r e n d ，w h i l er e a l - t i m eo p e r a t i o no ft h ev e h i c l ea c c e l e r a t i o nc h a n g e sa r er e a l - t i m e r e s p o n s es p e e d t h e r e f o r e ，b a s e do nt h ea c t u a lo p e r a t i o no fv e h i c l e st h er o a dl i n e a ra c c e l e r a t i o n e v a l u a t i o ns t u d i e sn e e dt oa d d r e s st h ef o l l o w i n gk e yi s s u e s ： f i r s t ，b a s e do nt h er o a ds e c t i o n si nt h em e a s u r e da c c e l e r a t i o nd a t a ，s e tu pb yt h es t a t i s t i c a l r e g r e s s i o nm o d e lr u na c c e l e r a t i o n ； s e c o n d l y , s e tu pt h eh i g h w a yl i n e a re v a l u a t i o nc r i t e r i a ，m e t h o d o l o g yt h a tb a s e do nt h ea c c e l e r a t i o n i nt h er e a l - t i m e ； f i n a l l y , a s c e r t a i nt h er a n g eo fi n d i c a t o r st og u i d et h eh i g h w a yl i n e a rd e s i g n a b o v ea l l ，t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t od e p t ha n a l y z et h ea c c e l e r a t i o na n dr e l a t e dc o n c e p t s ，r e s e a r c ht h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h e a c c e l e r a t i o n ； 2 t os e tu ph i g h w a ya c c e l e r a t i o nm o d e lb a s e do nt h eo b s e r v a t i o n a ld a t a ； 3 t oa s c e r t a i nh i g h w a ye v a l u a t i o nc r i t e r i aa n dm e t h o d sb a s e do nt h el i n e a ra c c e l e r a t i o n h i g h w a yd e s i g nc o n s i s t e n c ye v a l u a t i o ns t u d ya i m st oe v e n t u a l l yd e v e l o pac o h e r e n tr o a dd e s i g n p r i o rq u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o ns y s t e md e s i g nf o rh i g h w a yr o a dd e s i g nc o n t i n u i t yf r o mt h e p e r s p e c t i v eo fs a f e t ye v a l u a t i o n ；d e m a r c a t i o no ft h er o a dd e s i g ni sn o tac o h e r e n tp o s i t i o na n d r o a dd e s i g ni na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fc o h e r e n c et oi m p r o v e k e y w o r d s ：c o n s i s t e n c y ；a c c e l e r a t i o n ；h i g h w a ya l i g n m e n t i l 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。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业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。 签名：塾查鱼 日期：霉 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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) 签名：业导师签名：龇 日期：兰丑：! 第l 章绪论 第1 章绪论 道路作为交通运输的载体，其设计对于道路运输系统的安全运营不容忽视。 目前，我国道路系统中存在许多安全问题。其中一些是由于道路设计标准过低或 设计中安全因素考虑不周等原因所造成的，更多的并非是设计的过失而是有更深 层次的原因，所以将道路安全问题完全归咎于道路工程部门是不公平的。道路设 计者过去所依据的设计规范是针对当时的情况制定的，随着时间的推移，其操作 规程与取值区间或许不能达到最佳的安全取向。另外，仅仅满足规范的设计并不 都具有相同的安全水平。 事实上，由于技术的进步常可发现以前所设计的道路尚有缺陷，这些缺陷会 使驾驶员在不知所措的情况下失去有利时机或导致错误的判断，以至发生不幸的 交通事故。因此有必要对设计的道路进行安全设计，并且谨记“预防胜过补救 道理。 1 1 研究课题的背景 公路运输是现代运输的主要形式之一，也是我国国民经济基础产业的重要组 成部分。公路运输具有灵活、机动和适应性强的特点。因此，在我国的综合运输 体系中，它是最活跃的一种运输形式。 高速公路在全国路网中占有一定的比例，肩负着经济运输的重要任务。近年 来，我国的公路交通运输系统得到了前所未有的发展，但是随着路网得到很大改 善的同时，交通事故的数量却是逐年上升。虽然我国的交通事故数量不是世界上 最多的，但死亡人数和万车死亡人数却是远远的高出其他国家。 道路交通安全问题已经成为我国最严重的社会问题之一，已成为人类的头号 杀手。交通事故给社会带来了巨大的损失，开展道路安全领域的研究对减少由于 交通事故带来的损失具有良好的社会效益和巨大的经济效益；而且，从国内外道 路安全领域的研究深度和广度来看，国内在该领域虽然已经有很多的研究成果， 但是还有很多技术问题需要解决。 有关道路交通安全的研究表明，交通安全与道路条件存在着一定的内在联 系。道路平纵线形、横断面设计往往通过与驾驶行为的互动作用而影响行车安全。 因此，当前应加强道路条件与交通安全关系的研究工作，着重于构筑一个实用的、 有效地进行道路安全设计的方法体系和应用体系，力争对道路做到合理的安全设 计，尽最大可能地避免由于设计原因造成道路安全方面的缺陷。 1 1 1 道路线形设计原则 道路线形设计的一般规定【l 】：道路线形是三维立体线形。线形设计应做好公 路平面、纵断面、横断面三者间的组合，并同自然环境相协调。线形设计初应符 合形式力学要求外，还应考虑用路者的视觉、心理与生理方面的要求，以提高汽 车行驶的安全性、舒适性与经济性。遵循以设计路段确定公路等级、设计速度的 原则，其设计路段的长度不宜过短，且线形技术指标应保持相对均衡。不同设计 路段相衔接处前后的平、纵、横技术指标，应随设计速度由高向低( 或反之) 而 逐渐由大向小( 或反之) 变化，是行驶速度自然过渡。相衔接处附近不宜采用该 路段设计速度的最小或最大平、纵技术指标值。 道路线形的平、纵线形组合设计，可采用路线透视图进行评价。 各级公路平、纵技术指标变化大的路段，或条件受限制时采用平、纵技术指 标最大值( 或最小值) 的路段，或平、纵线形组合有异议的路段，或实际行驶速 度可能超出( 或低于) 设计速度的路段等，应采用运行速度进行检验。 根据公路路线设计规范j t gd 2 0 - 2 0 0 6 ) 中对道路线形设计时的一般规定， 概括起来要遵循以下几条原则： 1 连续性原则 ( 1 ) 视觉的连续性：应在视觉上能自然地引导驾驶员的视线，任何使驾驶 员感到茫然、迷惑或判断失误的线形，必须尽力避免。在视觉上是否连续，能否 自然地诱导视线，是衡量公路线形设计的最基本问题。 ( 2 ) 行驶速度的连续性：由平面相邻线形要素、纵断面相邻线形要素以及 平纵组合相邻线形要素构成的道路空间线形，必须使汽车行驶速度不产生突变和 相差过大，应使行驶速度平缓、连续、均衡地变化，保证汽车行驶的平顺性、连 续性和安全性。 2 协调性原则 ( 1 ) 线形设计与地形、地物、环境、景观的协调性：这种协调可以提供良 好的视觉效果，对行车安全有利。 ( 2 ) 线形设计与驾驶员视觉、心理反应的协调性：可减轻驾驶员的疲劳和 紧张程度。 ( 3 ) 线形设计与运营经济的协调性：良好的线形设计可以降低燃油的消耗 和运行的时间。 ( 4 ) 运行速度与设计速度的协调性：是对同一路段的设计速度与运行速度 不宜相差过大。 3 均衡性原则 ( 1 ) 高、低指标的均衡性：高标准和低标准线形要素之间应有中等标准的 2 第1 章绪论 过度，以免产生突变和相差过大，影响行车的安全和舒适。 ( 2 ) 平、纵线形指标的均衡性：平面和纵断面线形组合的技术指标大小应 保持均衡，不产生一方大而平缓，而另一方小而多的组合线形，以保证线形的平 顺和流畅。 ( 3 ) 合成坡度组合的均衡性：由平曲线和纵坡组合的合成坡度应均衡适当， 过大和过小都不利于行车安全。 ( 4 ) 加速度的均衡性：由平、纵产生的加速度变化不能过大和过快，以免 影响汽车行驶的舒适性和安全性。 1 1 2 本课题的提出 道路线形设计原则，体现了线形设计在道路设计中的重要程度。道路条件主 要是由道路线形决定的，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。道路建成后，要改变线形几乎是不可能的， 它将长期影响和限制汽车在道路上的运行。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，必须对道路应 具有的性能与作用进行充分慎重地研究，所以对道路的线形设计进行评价的方法 研究是很有意义的。 根据以往的研究大多以速度为指标评价道路线形，因为速度是线形可以体现 特征，由于受力而产生的加速度是速度的核心表征，更能体现道路线形对车辆行 驶的影响，在一定程度上能够反映出道路线形所引起的车辆行驶状态的变化，反 映出车辆行驶时的突然加速或减速的不稳定状态，这种变化往往是导致事故发生 的原因。因此，本文提出用加速度的变化来评价道路线形设计的连贯性。 所谓道路线形的连贯性，即是在道路线形的衔接区段，保持道路线形的连续 性、均衡性、协调性。 当前有关高速公路道路线形评价的研究很多，但是定量化的线形评价却是门 可罗雀，大多数线形评价只是局限于定性的角度。本文的研究也只是探索性的， 本文试图从定量化的角度对高速公路的道路线形进行评价，并提出一些具体的量 化指标。 1 2 国内外研究现状 关于道路线形设计的评价方法，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：使道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，要全面的对道路线形进行评价，不仅要考虑道 3 北京t 业大学t 程硕一l ：学位论文 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 国外研究现状概述 国外尤其是欧美发达国家关于道路路线的设计理论，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【2 】。按此原贝0 设计的道路路线，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【3 】【4 】： 此方法首先收集调查交通事故资料，据此建立直线、圆曲线、缓和曲线、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，从而指导道路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【3 】【5 】： 此法将道路路线的平面线形图用曲率图表示，将纵断面线形图用坡度图表 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”的平、纵线形组合原则【6 】。 3 美国联邦公路局( f h w a ) 的公路安全评价思想【7 】【8 】： 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 eh 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 ) 。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 系统的结构如图卜l 。 4 第l 章绪论 图1 1i l l s 蹦结构图 f i g u r e1 - 1i h s d mf r a m ef i g u r e i h s d m 的安全评价方法是设计者用c a d 软件完成公路平、纵、横设计，激 活i h s d m 主系统，选择一种设计车辆，调用车辆动态模型获得速度图和加速度 图，检查路线设计方案，如果出现不符合安全审计规范的地点被标注出来，退出 模型程序，用c a d 调整设计方案；调用车速一致性模型检查线形要素及其组合， 如果某些路段速度产生突变或速度差过大，再用c a d 调整设计方案；调用事故 预测模型计算设计方案各地点发生事故的概率，以评价设计方案的安全性，如果 存在安全问题可再用c a d 调整设计方案。 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道路安全审计的目的， 又方便了设计方案的修改，代表了道路安全评价未来的发展方向，在道路安全评 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。 国外利用运行速度对线形进行检查评价的方法，我国现行的道路路线的平、 纵、横断面几何设计方法沿用的是前苏联的传统设计思路【4 】。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。 但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。 1 2 2 国内研究现状概述 目前国内对道路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： 5 北京工业大学丁程硕1 ：学位论文 这方面的研究论文较多，参考文献 9 1 9 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： 油耗图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。 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。【2 0 】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( 2 1 1 【2 2 】： 这种方法通过对汽车行驶力河北工业大学硕士学位论文学的分析，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 利用可能速度的道路线形评价1 2 3 l ： 此方法提出用速差作为线形设计的评价标准，用速差量作为度量速差的指 标，建立了各级道路评价指标；提出在初定路线平、纵面各技术指标基础上，根 据汽车动力性和平、竖曲线的允许速度建立可能速度预测模型。假设一条道路横 向、轴向及竖向加速度是连续的，分别建立各自加速度模型和加速度指标模型， 得到横向允许速度、轴向行驶速度和竖向允许速度计数式。轴向行驶速度是汽车 本身动力决定的，但又受横向和竖向允许速度的限制，因此取三者之中最小值作 为可能速度的预测值。 6 利用“沿线最高可能车速图 检查评价【2 4 】： 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 6 第1 章绪论 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，平面上 未考虑缓和浊线的影响，显然理论依据不足。正是由于该法理论上的缺陷和考虑 因素酶不全，磊前道路设计中应用甚少。 7 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，豳前处于研究阶段。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： 一种是路段实测法，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 归模型修援、折减，褥到运行速度和线形几何要素之间的回归方程。这种方法由 子所用数据为现场路段实测，所得模型准确，而且更适合某些有相似特征的特定 地区，对于类似地区公路线形设计与评价有很高的指导意义。 另一种是理论预测方法，如参考文献9 、1 0 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，根据平麴线半径计算基本公式来反算弯 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。 1 。2 3 刀、结 目前，就道路线形设计评价方法，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、利用可能速度评价、利用“沿线最高 可能车速图静评价、剥粥运行速度评价、利用横向加速度变化率以及驾驶员工作 量等评价方法。道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，使道路线形各要素的设计达到连续、均衡和协调，实现汽车在道路上安全 运行的目的。 本文也正是为此目的，通过对高速公路一些典型路段运行车速、加速度的现 场观测，借鉴国杰外已有模型，统计回归出运行加速度与道路线形参数的关系模 型，建立基于运行加速度的主要适合高速公路线形评价标准和方法，确定高速公 路线形设计中线形要素参数合理的取值范围。 7 j 乏素曛大学王程矮二l 二攀俊论文 曼曼曼曼曼舅皇篡嬲燃鼍曼曼曼量曼曼皇曼i i i i i i ii i i i 蔓黑曼舞曼曼曼笪曼曼曼黑曼鼎嬲嬲寰舅舅曼曼鼍曼曼曼皇黑燃鼍曼曼鼍 第2 章研究的主要内容、思路及意义 2 1 主要研究内容 当前道路线形设计的发震趋势，将从基于车辆动力学分析的隧有模式，淘考 虑人、车、路系统因素，尤其是注重人的特性和驾驶行为的方向发展。运行速度 设计方法适应这一趋势，而车辆实时运行的加速度是反应速度实时变化。因此， 基予车辆实际运行加速度的道路线形评价研究需要解决如下关键闷题： 一是以道路现场路段实测运行加速度数据为基础，经统计回归建立运行加速 度模型； 二是建立以运行加速度为基础评价指标的道路线形评价标准、方法； 三是确定用于指导道路线形设计时的指标取值范雷。 由上所述，本文研究的主要内容包括如下几个方面： 1 总结分析道路线形连贯性的相关概念 2 提卷基于矢量加速度的道路线形连贯性的量化指标 ( 1 ) 矢量加速度及相关概念分析； ( 2 ) 矢量加速度的影响因素： ( 3 )扮街道路线形指标与矢量加速度的理论关系。 3 以观测数据为基础建立矢量加速度模型 ( 1 )建立不同纵坡、坡度下的纵断面加速度模型； ( 2 )建立不同平曲线半径下的平曲线加速度模型； ( 3 )建立各种平纵组合下的加速度模型。 4 提出道路线形连贯性的评价标准与方法 结合国内外比较成熟的道路线形评价标准与方法，研究确定适合高速公路的 评价标准与方法。 2 2 研究的技术路线 本文拟基于车载g p s 的实测数据，采集直接反映道路条件信息鲍车辆速度数 据，追踪并记录汽车在道路上行驶的动态轨迹，以矢量加速度的变化值作为轨迹 曲线参照，评价道路线形设计的连贯性，确定评价道路线形指标范围，标定该曲 线所界定的界限值，找到平面线形衔接所对应的连贯性量化指标，从而建立道路 线形连贯性的评价方法体系。具体的技术路线流程如图2 - i 所示： 8 图2 - 1 技术路线流程图 f i g u r e2 - 1t e c h n i q u er o u t ef i g u r e 2 3 研究目标及意义 一、尊站驵牲研究成果 张胜一一”“一 在人的诸多需求中，安全是首要因素。对安全问题的重视程度如何，为道路 使用者提供安全保障和人性化的服务程度如何，是对道路交通研究人员实际水平 和能力的检验。 ， 在“人一车一路一环境”组成的动态交通系统中，“人 是中心，“路 为基 础，两者在交通系统中的作用都是至关重要的。交通事故的发生，往往是人、车、 路与交通环境组成的系统中一个或多个因素失调所致。但是在交通事故分析中往 往将事故原因归于“人为造成 ，因此在事故预防时把主要精力都放在了对“人 的研究上，而忽视了“路 在交通事故中的作用，客观上减少了道路条件对交通 安全影响方面的研究，尤其是道路线形条件的影响【捌。 国外的一些研究表明【2 6 1 ，良好的道路条件在很大程度上可以减少事故的发 生，不良的道路条件则可以促使事故的发生。前苏联学者通过对境内公路1 3 ，0 0 0 余起道路交通事故进行分析【2 7 】，在仔细考虑了事故发生地道路的特征后，得出这 样的结论：不良道路条件的影响是7 0 交通事故发生的直接或间接原因。欧洲联 合经济委员会在关于预防道路不幸事件问题的研究中也同样指出，7 0 的事故是 由于道路的缺陷所致【2 引。我国在由郭忠印，方守恩编著的道路安全工程一书 中提到，与道路因素有关的事故至少占事故总数的2 8 - 3 4 以上，即使是由人 的因素导致的事故，许多时候也是受到道路与交通环境的影响。同时，大量事故 多发地点的存在，同样证明了道路因素在事故的发生中起到相当重要的作用。通 过对多条高速公路事故调查分析结果发现，凡是道路线形比较复杂的路段往往就 是事故多发地点。因此，道路线形设计是否合理，不仅关系到行车速度和道路通 行能力，而且严重影响行车安全。 9 北京工业大学丁程硕：i ：学位论文 鉴于上述背景，本论文拟从分析高速公路车辆的运行特性及其道路线形对交 通安全的影响入手，研究道路线形与车辆运行加速度、交通安全之间的关系。其 最终目的在于开发一种事前型道路设计连贯性量化评价体系，针对高速公路设计 方案从道路设计连贯性的角度进行安全评价，勘定该道路中设计不连贯的位置， 并根据道路设计连贯性的要求进行改进，从而实现设计阶段的安全评价或潜在危 险位置的鉴别。 1 0 第3 章数据的采集 3 1 数据采集方案 第3 章数据的采集 3 1 1 样本路段的选取 理想的实验结果建立在可靠的实验过程之上，而实验路段的选择又是基础的 基础。为了使收集的数据尽量具有代表性，本文收集了多条高速公路的道路线形 数据，从中筛选出符合条件的样本路段。 所选道路的特征为： 一高速公路：云南罗富高速公路 交通量较小，且基本上属于自由流行驶状态 一所选道路线形具有代表性，可以满足实验所需样本的覆盖范围 样本量汇总表如下： 表3 1 不同平曲线半径的样本量 t a b l e3 一lt h es a m p l eq u a n t i t yo fd i f f e r e n th o r i z o n t a lc u r v er a d i u s 半径 6 0 0 样本量 5 41 0 81 3 89 01 0 56 66 05 54 62 31 253 表3 2 不同纵坡坡度的样本量 m l b l e3 - 2n e s a m p l eq u a n t i t yo fd i f f e r e n tv e r t i c a lg r a d e 纵坡坡度 l 2 3 4 5 6 7 8 9 样本量 1 3 01 5 31 8 52 0 91 9 61 9 28 81 54 3 1 2 数据采集目的 采集道路线形的设计要素，如：平曲线半径、偏角等数据，调查特征车型在 高速公路实验路段，接近自由流时的运行速度，追踪并记录汽车在道路上行驶的 动态轨迹，分析特征车型在该线形条件下的速度分布特性和速度运行轨迹，以矢 量加速度的变化轨迹曲线作为参照，评价道路线形设计的连贯性，寻找定位道路 北京工业大学工程硕二i ：学位论文 线形所造成的行驶连贯性上的缺陷，确定所对应的道路线形指标范围，标定所界 定的界限值，找到道路线形连贯性的量化指标，从而建立道路线形连贯性的评价 方法体系。 3 1 3 数据采集方法 使不同驾驶员在相同道路条件和交通条件下在样本路段上行驶，采用车载 g p s 穿越选取路段，便得到实时的运行速度以及加速度的变化规律。 1 代表车型 采集连续速度数据流的实验车型均为桑塔那车型。该车型在我国目前小客车 保有量中数量最多，最具代表性。 2 仪器设备 实验设备主要采用车载g p s 。g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是由美国 研制成的具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导 航与定位系统。能够提供2 4 小时、全天候、覆盖全球的位置、速度和时间信息。 该系统利用拥有2 4 颗卫星的n a v s t a r ( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n d r a n g i n g ) 卫星系统，能够全天候给用户的g p s 接收机提供6 到1 2 颗卫星。用户 的接收机只要接受到4 颗卫星就能计算当前的经纬度坐标、基于平均海平面的海 拔高度和g p s 系统时间【2 9 1 。 g p s 采集数据具有以下优势： 1 ) 全天候工作令能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时 间，且不受天气的影响。 2 ) 定位精度高。单机定位精度优于1 0 米，采用差分定位，精度可达厘米级 和毫米级。 3 ) 体积较小。易于携带和安装基站和流动站的所有设备都装在可手提的袋 里，易于运输和携带。接收装置安装在车项上，对驾驶员无任何干扰。 4 ) 功能多。应用广随着人们对g p s 认识的加深，g p s 不仅在测量，导航， 测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 该设备应用在交通领域中，对现有的数据采集设备是一个及时的补充。它能 够采集到交通流中车辆的连续速度数据和行车轨迹，真实反映车辆的行驶状态和 司机的驾驶行为。对于分析区段间的车辆速度变化和加速度变化特征提供有力的 数据支持【3 0 1 。 1 2 第3 章数据的采集 3 2 数据的处理 1 g p s 数据整理 调查的基础工作是大量的实测数据调查，在道路上实测的数据更为真实。实 测时，用到的仪器主要有：高精度g p s 定位系统。 本文所需要的数据是通过g p s 测量并记录车辆的实时速度，通过车辆实时的 速度得到车辆实时的加速度。 由于g p s 设备是沿着样本路段每0 1 秒采集一个位置和速度信息，可以说是 一条完整的连续的速度流，能够更好的反应车辆在整个过渡曲段的速度变化过 程，反应出整个过渡段车辆的加减速规律。通过研究整个过渡区段的速度和加速 度随线形的变化特性，可以分析线形对加速度变化的影响，而加速度变化的程度 又与行驶安全有密切关系，因而就可以分析出道路线形对车辆的行驶安全的影 响。 2 数据的处理方法 本文选择以接近自由流时段的高速公路为主要研究对象，在这种情况下车辆 状态的变化主要受道路线形的影响，1 易于分析。 在确定样本高速公路后，需要进行数据的收集与整理。对样本道路的线形设 计要素资料进行收集，并通过整理分析，确定适合本论文研究需要的样本高速公 路基础数据，掌握直线长度、曲线半径、缓和曲线长度、转角等定量指标。 在进行数据采集之前，需要进行现场考查，通过实测及查阅道路设计资料， 掌握区段的道路设计指标。通过现场观测、行车试验的手段，明确实验方案中需 要注意的事项以及对实验不利的地点。 在完成数据收集与整理、现场观测后，将现场获得的勘察成果进行整理和分 析，从中总结出数据采集过程中重要注意事项，为数据采集方案的完善服务，以 确保数据采集的顺利进行。 基于前述模型建立的理论依据和矢量加速度特性分析，并考虑道路线形设计 要素对矢量加速度影响的主要因素采用多元回归的方法建立模型。多元回归分析 依纳入模式的组合方式可分为逐步分析法与同时分析法，一般探索性研究可采用 逐步分析法，当确保重要影响变量不会因为选取规则被排除在外时，可选用同时 分析法。 s p s s 软件介绍 s p s s 软件以前的版本为社会科学统计套装软件( s t a t i s t i c a lp a c k a g ef o r t h es o c i a ls c i e n c e ) 的简称，随着软件的不断升级，目前软件的应用已不仅应 用于社会科学领域，还广泛应用于市场研究、电讯、卫生保健、银行、财务金融、 保险、制造业、零售等领域，因此现在名称为s p s s ( s t a t i s t i c a lp r o d u c ta n d 1 3 北京t 业大学1 = 程硕二卜学位论文 s e r v i c es o l u t i o n s ) ，其功能强大，易学易用，包括完整的数据准备、统计分析、 报告图表、结果发布等功能，目前版本已经为1 3 0 了【3 。本文的研究则藉由此 软件一s p s s l 3 0 进行统计方法分析、结果与解释，及应用其强大的多元回归功 能回归运行速度模型。 逐步分析法 所有预测变量( 自变量) 非同时被选入进行预测，而是依据解释能力的大小 逐步检查每一个预测变量的影响。包括向前法、向后法、逐步法【3 2 1 。 1 ) 向前法( f o r w a r d ) 预测变量的选取顺序以具有最大预测力且达显著水准的变量先被选入，然后 依序直到所有达显著水平的预测变量均纳入方程式。 2 ) 向后法( b a c k w a r d ) 与向前法相反的程序，所有的预测变量先同时纳入回归方程式中计算，然后 逐步将未达显著水准的预测变量由最弱的开始排除，直到所有的未达到显著水准 的预测变量被淘汰完为止。 3 ) 逐步法( s t e p w i s e ) 结合了向前法与向后法，先依据向前法逐步纳入最具预测能力的预测变量， 但每纳入一个预测变量便利用向后法检验在方程中的所有变量，任何未达到显著 水平的变量将被淘汰，依此原则交叉进行检测。 同时分析法 将所有的预测变量同时纳入回归方程中，对因变量进行估计。 1 ) 强迫进入法( e n t e r ) 在某一显著水准( 一般为9 5 ) 下，将所有对于因变量具有解释力的预测变 量纳入回归方程中，不考虑预测变量之间的关系，计算所有预测变量的回归系数。 2 ) 强迫删除法( r e m o v e ) 与强迫进入法相反，在某显著水准下，对所有对于因变量没有解释能力的预 测变量，不考虑预测变量的关系一次排除在回归方程外，再计算所有保留在回归 方程中的预测变量的回归系数。 1 4 第4 章矢量加速度模型的建立 第4 章矢量加速度模型的建立 本文的矢量加速度预测模型的提出，需要用到大量的试验实测运行车速数 据，因此，实测之前应当有详细的试验设计。在大量实测数据的基础上，本文尝 试用多种方法建立矢量加速度的预测模型。 4 1 概述 1 矢量加速度的概念 车辆在道路上行驶，由于道路线形的平面设计、纵断面设计、横断面设计， 会产生三个方向的加速度。即与车辆行驶方向一致的轴向加速度；由平曲线离心 力而产生的横向加速度；以及由竖曲线而产生的垂直于轴向加速度和横向加速度 的竖向加速度。示意图如下图5 - 1 所示： 竖向 横向 轴向 ( 车辆行驶方向) 图5 1 矢量加速度示意图 f i g u r e5 - 1t h es k e t c hm a po f a c c e l e r a t i o nv e c t o r ( 1 ) 轴向加速度 轴向行驶加速度是由于汽车行驶的运行速度在较短时间内发生变化而产生 的。当汽车运行于道路上时，不可避免的会遇到各种道路状况，这也是由地形地 物以及设计时各地区不同的线形特征所决定的，在这种状况下，汽车会作加速或 者减速行驶( 如在上下坡路段或者汽车由直线进入曲线路段等情况下) ，因而会产 生一个轴向的行驶加速度。 轴向的行驶加速度最直观地反映了驾驶员根据道路线形的特征所采取的行 驶速度的变化情况，间接反映了道路线形的连贯性。 ( 2 )竖向加速度 汽车在道路的直坡段上的竖向加速度为零。当汽车行驶在竖曲线上时，会产 北京1 二业大学_ t 程硕：l 学位论文 生径向离心力，同时会产生竖向加速度，这个力在凸形竖曲线上表现为减重，在 凹形竖曲线上表现为增重。 本文通过对驾驶员在曲线上受力进行分析，提出把竖向加速度作为评价道路 线形连贯性的一个重要指标，并通过对竖向加速度的影响因素进行分析确定出竖 向加速度的量化指标值，为道路线形连贯性的评价提供有力依据。 竖向加速度是由于纵断面上竖曲线的存在而产生的。汽车行驶在竖曲线上 时，产生竖向离心力，这个作用力当汽车在凹型竖曲线行驶时表现为增重，当汽 车在凸型竖曲线行驶时则表现为减重，无论是增重于减重，达到一定的程度时， 旅客就有不舒适的感觉。 由于本文主要从道路平、纵线形指标因素对车辆运行的影响进行考虑，且高 速公路上均设有横向超高，因此忽略车辆运行的横向加速度，只从车辆运行的轴 向加速度以及竖向加速度入手研究。 矢量加速度的平方值为车辆运行的轴向加速度以及竖向加速度的平方和， 即： i 口l = 口：2 + a s 2 ( 4 - 1 ) 式中川一一矢量加速度的值； 口。一轴向力速度； 口。一竖向力口速度。 2 路段划分 根据曲线半径和纵坡坡度的大小将整条路线划分为纵坡段、平曲线段和平纵 组合段等若干个分析单元，每个单元的起终点为预测的特征点。其中： ( 1 )纵坡小于3 的直线段和半径大于1 0 0 0 m 的大半径曲线自成一段； ( 2 )其余小半径曲线段和