（道路与铁道工程专业论文）基于博弈论的道路线形设计评价方法研究.pdf

摘要 摘要 几何线形设计是公路设计的重要组成部分。它不仅影响汽车行驶的安全、舒适、通行能力，而 且还影响沿线的经济开发、土地利用等方面。为了保证线形设计的质量，对线形设计方案进行评价 是必要的。 以往的路线线形设计评价存在两方面问题。一是选定评价指标体系的过程中局限于线形设计的 安全性指标：二是权重值的确定有以层次分析法为代表的主观赋值法和以熵值法为代表的客观赋值 法等多种方法，导致权重分配的不一致，从而影响评价结果。论文即针对以上两方面问题，研究基 于博弈论的评价指标组合权重的线形设计的指标体系确定方法。 论文分析了线形设计的三个要素即安全性、舒适性和敏感性。从平面线形( 直线、圆曲线、缓 和曲线) 、纵断面线形( 坡长、坡度) 和平纵组合三个方面讨论了与安全相关的指标冈素；通过对行 驶车辆的受力分析，得到了平曲线的横向加速度及轴向加速度指标计算公式，以及纵断面线形的竖 向加速度及轴向加速度指标计算公式，并分别对其舒适性指标值进行了分析；在敏感性方面，分析 了线形设计的社会环境影响性及自然环境影响性。基于以上三要素的分析，构建本文的评价指标体 系，并对评价指标进行定量和定性的归一化处理。 确定评价指标的权重值是评价过程的关键。本文的评价指标权重考虑分别通过主观赋权的a h p 法、客观赋权的熵值法得到基本权重向量、可能权重向量，由博弈集结模型得到一组包含多个目标 函数的交义规划模型，通过求解该模型可获得一个与多种权重赋值方法在整体意义上相协调、相均 衡一致的组合权重值。最后利_ j 综合评价模型进行线形设计评价。 论文还以3 2 8 省道洪泽段为例，应用数学模型描述评价对象，建立路线设计指标体系，对定量 和定性指标进行归一化处理，应用基丁：博弈论的宝r 合权重方法求解组合权重值，对评价模型的计算 结果进行分析、研究并得出评判结论，为公路路线设计的最终决策提供了科学依据。 【关键词】博弈、线形评价、舒适性、敏感性、评价指标体系、组合权重 a b s t r a ( ? r a b s t r a c t a l i g n m e n td e s i g ni sa l li m p o r t a n tp a r to fh i g h w a yd e s i g n i tn o to n l ya f f e c t st h es a f e t y , c o m f o r ta n d t r a f f i cc a p a c i t yo fv e h i c l ed r i v i n g , b u ta l s oi n f l u e n c e se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，l a n du s ea n ds oo na l o n gt h e l i n e t oe l l s u r et h eq n a l i t yo f a l i g n m e n td e s i g n , i ti sn e c e s s a r yt oe v a l u a t ea l i g n m e n td e s i g np r o j e c t t 1 t 日e 、e r et w op r o b l e m se x i s t i n gi np r e v i o ms t u d i e so f h i g h w a yd e s i g ne v a l u a t i o n o nt h eo n eh a n d , r e s e a r c h e r sw e r eo f t e nc o n f i n e dt ot h es a f e t yi n d e x o fa l i g n m e n td e s i g ni nt h ep r o c e s so fs e l e c t i n g e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ；o i lt h eo t h e rh a n d , t h ew e i g h t e dv a l u ei sd e t e r m i n e db yt h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o n m e t h o d , t h er e p r e s e n t a t i v e o f w h i c h i sa n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ( a h p ) ，t h e o b j e c t i v e e v a l u a t i o n m e t h o d ， t h er e p r e s e n t a t i v eo fw h i c hi se n t r o p ym e t h o da n do t h e rm e t h o d s t 1 1 i si n e v i t a b l yl e a d st oi n c o n s i s t e n c i e s o fw e i g h td i s t r i b u t i o na n dt h e r e f o r ea f f e c t st h ee v a l u a t i o nr e s u l t s t h i sp a p e re m p h a s i z e sa b o v et w o p r o b l e m s ，s t u d i e st h ed e t e r m i n a t i o no fa l i g n m e n t d e s i g ni n d e xs y s t e ma n dm e t h o d sf o rd e t e r m i n i n g c o m b i n e dw e i g h to f e v a l u a t i o ni n d e xb a s e d0 1 1t h eg a n l et h e o r y t i l i sp a p e ra n a l y s e st h r e ef a c t o r so fa l i g n m e n td e s i g n - - - s a f e t y , c o m f o r ta n ds e n s i t i v i t y t h ef i r s ti s s a f e t y t h ep a p e rd i s c u s s e ss a f e t y - r e l a t e di n d e xf r o mt h eh o r i z o n t a la l i g n m e n t ( 1 i n e a r , c i r c u l a rc u r v e , e a s i n g c u r v e s ) ，t h e v e r t i c a la l i g n m e n t ( s l o p e l e n g t h ，s l o p e ) ，a n dc o m b i n a t i o n o f h o r i z o n t a la n d v e r t i c a l a l i g n m e n t n e x ti sc o m f o r t t l l i sp a p e rc o n d u c t ss t r e s sa n a l y s i so fd r i v i n gc a r si nb o t hh o r i z o n t a lc u r v ea n d v e r t i c a la l i g n m e n ta n do b t a i n st h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fl a t e r a la c c e l e r a t i o na n da x i a la c c e l e r a t i o ni n d e x a n dt h ec a l e u l a t i o nf o r m u l ao fv e r t i c a la c c e l e r a t i o na n da x i a la c c e l e r a t i o ni n d e x i ta l s oa n a l y z e st h e s e c o m f o r ti n d e xv a l u er e s p e c t i v e l y ；f i n a l l yt h i s p a p e rd i s c u s s e ss e n s i t i v i t y i ta n a l y z e s t h es o c i a l e n v i r o n m e n t a li m p a c ta n dt h en a t u r a le n v i r o n m e n to fa l i g n m e n td e s i g nr e s p e c t i v e l y b a s e do i lt h ea n a l y s i s o fa b o v et h r e ee l e m e n t s ，t h ea u t h o rc o n s t r u c t st h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo ft h i sp a p e ra n dq u a n t i t a t i v e l y a n dq u a l i t a t i v e l yn o r m a l i z e st h ee v a l u a t i o ni n d e x t od e t e r m i n et h ev a l u e di n d e xw e i g h ti st h ek e yd u r i n gt h ew h o l ee v a l u a t i o np r o c e s s i nt e r m so f t h e e v a l u a t i o no fv a l u e di n d e xw e i g h ti nt h i sp a p e r , t h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o de m p o w e r e da h pa n d o b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o de m p o w e r e de n t r o p ym e t h o da r ea p p l i e dt ow o r ko u tb a s i cw e i g h tv e c t o ra n d p o s s i b l ew e i g h tv e c t o r t h e nb a s e do nt h em o d e l sa s s e m b l e db yt h eg a m eg r o u pt og e tag r o u po fc r o s s e d p l a n n i n gm a t r i x e si n c l u d i n gs e v e r a lo b j e c t i v ef u n c t i o n sw h i c hc a l lb ef i g u r e do u tt oa na s s e m b l e dw e i g h t t h a tc o r r e s p o n d sw i t ha n da c c o r d sw i t hav a r i e t yo fw e i g h ta s s i g n m e n tm e t h o d si nt h eo v e r a l ls e n s e t h ef i n a ls t e pi st oe v a l u a t et h el i n e a rd e s i g nb a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l t h i sp a p e ra l s ot a k e sh o n g z es e c to ft h e3 2 8p r o v i n c i a lh i g h w a y sa sa l le x a m p l e t h em a t h e m a t i c s m o d e li su s e dt od e s c r i b et h ee v a l u a t e do b j e e t f i r s ts e tt h es y s t e m so ft h er o u t ed e s i g ng u i d e l i n e s ，a n d n o r m a l i z et h eq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v eg u i d e l i n e s t h e na p p l yt h ea s s e m b l e dw e i g h ta p p r o a c hb a s e do n t h eg a m et h e o r y ( m e n t i o n e da b o v e ) t ow o r ko u tt h ea s s e m b l e dw e i g h t ，a n a l y z ea n ds t u d yt h i sr e s u l t ，a n d d r a wac o n c l u s i o nf o r t h ee v a l u a t i o n a l lt h e s ep r o v i d es c i e n t i f i cg i s tf o rt h ef m a ld e t e r m i n a t i o no ft h e h i g h w a y sr o u t ed e s i g n 【k e y w o r d g a m et h e o r y , a l i g n m e n te v a l u a t i o n ，c o m f o r t ，s e n s i t i v i t y ，e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ，c o m b i n e d w e i g h t s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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：强茎鱼 日 期：边坌聋! 茸1 9 8 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公 布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：- l 垒聋垄 导师签名：i 剑 导师签名：丝= ! l e t期： 毛芷盘鱼出1 3 日 第一章概述 1 1 公路线形设计的重要性 第一章概述 公路线形设计是指依据一定的技术标准和规范要求对公路空间形状进行综合设计，使公路平面 线形、纵断面线形和横断面三维的立体达到最佳组合。在路线设计中线形要与沿线地形、地物、自 然景观、视觉特征相协调，满足驾驶员心理上、生理上以及视觉上的要求，为驾驶员提供良好的行 驶条件，保证汽车安全、顺适地行驶。一个连续、安全的线形设计不仅要满足汽车的运动学特征、 汽车的动力学特性，更应该满足驾驶员的视觉、心理的要求。驾驶员的驾驶决策行为会受道路几何 特征信息的影响，因此适宜的道路线形将有助于降低驾驶员的操纵负荷，提高行车的舒适性。 线形设计是公路设计的主体和骨架，是整个公路1 = 程设计的关键，也是设计效果优劣的最直观 的反应。在公路f 程的线形设计中，路线线形指标的大小不仅关系到运输的经济合理，更关系到行 车的安全、舒适、快速，同时良好的公路线形指标还直接影响建成后的使用质量、经济效益和社会 效益。随着公路和汽车1 ：业的迅速发展，公路等级和汽车的行驶速度都在不断的提高，对公路线形 的设计就提出了更高的要求，不仅要满足安全、快速行驶的要求，对公路使用的舒适性方面的要求 也越来越引起人们的重视。 我国现行公路j ：程技术标准【1 1 ( 以下简称标准) 所规定的公路线形设计的参数值，只是 保证了汽车在动力学方面的最小安全性，即只是规定了应该遵守的极限值和最小值，而在实际设计 中究竞选取多人的设计指标，则由设计人员综合考虑地形和经济性等因素来做出适当选择，以设计 出设计者满意的线形，显然这种设计方法取决于设计者的主观经验。一条路线设计的合理与否，相 关的线形技术指标选取的是否恰当，线形元素之间的搭配与组合是否协调，线形的经济性与其安全 性、舒适性的协调程度如何，都需要在设计阶段进行线形检验与评价，在检验和评价的基础上找出 缺陷原冈，并对线形设计作相麻修改，避免形成不可挽同的缺陷和损失，提高道路运输的运输质量 和服务水平，从而使线形在i ：程造价上具有最优经济性，在使用质量上义满足行车的安全性、舒适 性。 1 2 国内外公路线形评价研究现状 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有时是 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 用质肇和服务水平，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。目前，国外尤其是欧美发达国家关于路线设计的理论己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 2 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【2 】 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鼍绘成图，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。 l 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 利用透视图评价线形p j 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。 ( 3 ) 利用车速图评价线形 4 1 所谓车速图，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 = 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f ，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l 5 】【6 1 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。该方法并没有给出具体的评价标准。 ( 5 ) 利用运行速度评价p 1 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，车速不再增人，而是以期望车速稳定行驶，直到进 入曲线。当直线较短时，直线上的中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 果曲线半径较人，则下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，而从圆缓点剑缓宜点是加速行驶，如图 1 1 。 运行速度的人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，为高速公路的安全性设计和管理打f 基础，真正使其成为安全、快速、舒适的高等级公路。 2 第一章概述 图1 1 ：运行速度与平曲线关系图 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，经同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h j l w 。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人，费1 2 、费时、费钱，同时仅适用r 已建公路，对了：己建 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人小没有考虑，当 直线较长、纵坡较小时，直线段行驶速度可能人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、减速行程计算基丁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j 【 j 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l 1 0 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，且己得到应用，提出了一些评价标准。我国目前正 在研究之中，尚朱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i l ” 该法从行车安全的角度出发，利用交通事故率与路线儿何要素的关系来评价或控制路线线形的 设计。主要根据交通事故调查资料，采用同归分析的方法，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i i “ 此法是长安大学杨少伟教授提出的一种新的廊用丁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。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 2 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。 ( 2 ) 从安全性评价线形设计“l 3 东南大学硕士学位论文 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。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【l ” 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 eh i g h w a ys a f e t y d 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。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 2 ： 在i h s d m 中，通过期望速度分布曲线图 致性检查，从而确定路线的设计质颦。 ( 4 ) 利_ j 运行速度的评价方法 i h s d m 结构图 进行速度的连续性检查和设计速度与运行速度的一 随着汽车性能的不断改进，采_ h j 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r 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是干燥和潮湿路面状况卜- 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十不同的方法。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人限制值为1 0 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。 澳人利弧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一 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 是美国最早提出基丁运行速度设计概念，并用之来评价公路平面和纵断 面几何线形设计一致性的【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。 瑞十采用理论速度模型分析平面线形的一致性”。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、超高和缓和曲线跃度的依据。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。 4 第一章概述 ( 5 ) 利用驾驶员工作负荷评价线形设计7 】 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。 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 e v i s i o no c c l u s i o n m e t h o d ) 的客观方法来评价驾驶员 作负荷。 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 。3 课题的提出 道路特别是高等级道路提供了快速、安全、舒适的道路客货运输，其线形设计是包括时间在内 的四维空间连续曲线。一个好的道路线形设计方案一般有以| 卜共性：一、安全性：二二、舒适性：三、 对社会环境产生积极影响；四、对自然环境扰动较小。对于以上共性，公路路线设计规范【i ”( 以 下简称规范) 中规定：“线形设计应考虑车辆行驶的安全舒适，驾驶人员的视觉和心理反应，引 导驾驶员的视线，保持线形的连续性，注意与肖地环境和景观协调”。已有的公路线形设计评价方法， 国内外主要有利用线形图、透视图和三维动画、沿线最高可能车速、安全性、横向加速度变化率、 运行速度以及利用驾驶员1 ：作负荷等评价方法。尽管各种评价方法采h | 的手段利角度不同，但评价 的目的是相同的，都是通过检查评价，使公路线形设计达到连续、均衡和协调，实现汽车在公路上 安全运行的目的。分析以上的线形评价方法，都是从安全角度对线形进行评价的，还没有更深入地 从驾驶员的心理感受和生理感受角度出发考虑 g 驶员行驶的舒适性，也没有深入地从社会环境影响 和自然环境影响的角度出发考虑路线设计的敏感性，这是现有线形评价中的不足之处。 随着我国汽车保有颦的增加和高速公路的迅猛发展，人们的思想观念也在改变，希望道路运输 能够提供更高层次的服务水平。因此，基r 人性化的设计，以服务道路使用者为目标，满足人体心 理和生理的需要，为道路使用者提供舒适、安全、快捷的交通服务理念已经成为我国公路线形设计 的研究方向，为此，交通部公路司于2 0 0 5 年1 1 月出版发行了对我国道路勘测设计行业有重要意义的 新理念公路设计指南【l ”，探讨以人为本、可持续发展的科学设计方案。本文即受以人为本和可 持续发展理念启发，抛开路侧景观设计来探讨线形方案的安全性、舒适性及敏感性，从以人为本的 角度出发，线形设计不仅要满足汽车的行驶需要，还廊进一步满足驾驶员主观上、心理上和视觉上 的需要，设计出的线形达到连续、安全、舒适和美观的要求；从可持续发展的角度来说，路线方案 应该是对社会环境起积极影响和对自然环境扰动较小的。 本文的研究尝试在对安全性、舒适性、敏感性的研究基础上，对几大共性的影响冈素作定性或 定量的划分，进而进行路线设计的评价研究。本文即着眼于探讨道路线形设计综合评价问题，应尽 量摆脱研究的单一性，主观性，并注重实际性和可操作性，确定论文题目为“基于博弈论的道路线 形设计评价方法研究与实证分析”。对道路设计提出意见和建议，以期对我国目前道路交通发展有一 定的帮助。 1 4 论文研究的基本思路 以往的路线设计评价研究往往存在两方面问题。一方面，研究者往往在选定评价指标体系的过 5 东南大学硕士学位论文 程中局限于线形设计的安全性指标；另一方面，由于权重值的确定有以层次分析法为代表的主观赋 值法和以熵值法为代表的客观赋值法等多种方法，必然导致权重分配的不一致，从而影响评价结果。 论文即针对以上两方面问题，研究线形设计的指标体系确定，研究基于博弈论的评价指标组合权重 的确定方法。 论文研究的基本思路如图1 3 。 图1 3s 论文研究的基本思路( 图中星号为本文的创新点) 1 5 论文研究的主要内容及关键技术路线 本论文属于应刚基础性研究成果，将以路线设计评价的理论探讨为基础，以路线设计质鼍评价 指标体系的科学构建为目标，以理论分析与实证分析的相互结合为方法，来展开自己的研究进程和 写作路线。 本论文人体分为四大部分，具体内容安排如f ： 第1 部分：道路线形设计的安全性研究。主要对现有的线形安全性研究进行归纳总结，并将道 路线形划分为平面线形、纵断面线形和平纵组合线形三个方面，分析线形要素与交通安全的关系。 第2 部分：道路线形设计的舒适性研究。首先对舒适性研究进行归纳总结，进一步分析了影响 行车舒适性的主要冈素，进一步对国内外现有的舒适性评价方法和评价指标进行了总结，在对车辆 在平、纵线形的行驶状态的动力分析基础上，提出符合实际且具有可操作性的舒适性指标。内容包 括：行车舒适性研究现状( 交通心理行为研究、汽车乘坐舒适性研究、道路条件对行车舒适性影响 研究及道路景观与交通环境对行车舒适性影响研究) 、影响行车舒适性的主要冈素分析、现有舒适性 评价方法与评价指标总结、道路平面线形设计与舒适性研究( 横向加速度及轴向加速度研究) 、道路 纵断面线形设计与舒适性研究( 竖向加速度及轴向加速度研究) ： 第3 部分：道路线形设计的敏感性研究。敏感性研究分为社会环境影响和自然环境影响两部分， 主要分析道路通过相关区域的社会及自然环境影响。内容包括：社会敏感性研究( 社会发展影响、 社会经济影响、自然环境影响、交通环境影响与对外联系影响五人内容定量及定性指标界定) 、自然 环境敏感性研究( 生态环境影响分析、环境空气影响分析、环境噪声影响分析) 等； 第4 部分：基于博弈论的道路线形设计评价研究。一方面研究线形质每评价指标体系得科学构 建；另一方面，针对线形评价中的指标权重确定方法不一致而导致的评价结果不同的现象，研究基 于博弈论的组合权重的获取方法。由博弈集结模型得到一组包含多个目标函数的交叉规划模型，通 过求解该模型可获得一个与多种权重赋值方法在整体意义上相协调、相均衡一致的组合权重值。最 后利用综合评价模型进行线形设计评价； 第5 部分：基r 博弈论的道路线形设计评价模犁实例应用。应用于3 2 8 省道洪泽段，对洪泽段 的四段组合线形进行评价分析，得出优劣排序，并提出修改意见。 6 第二章道路线形设计与交通安全 第二章道路线形设计与交通安全 关于道路线形与交通安全的研究已有很多，由于论文篇幅有限不一一列举，一般主要是将道路 线形分解为平面、纵断面及横断面三个方面来进行研究。由于设计道路的标准横断面通常已经给定， 故下文仅从平面线形和纵断面线形以及平纵组合三个角度来阐述道路线形与交通安全的关系。 2 1 道路平面线形要素与交通安全 公路平面线形即公路中心线在水平面上的投影。影响交通安全的平面线形要素主要包括直线长 度、平曲线半径及缓和曲线等，以下分别从这三个方面分析其对交通安全的影响。 2 1 1 直线长度 直线具有视野开阔、超车视距大等优点，但就直线与道路交通安全之间的关系而言，有资料指 出：一次直线的最人长度小于3 m i n 行程对交通安全比较有利。若以1 2 0 k m h 为最大允许时速计，3 m i n 的行程为6 k m ，据调查，我国平原区路段的一次直线长度都超过了6 k m ，有的长达l o k m 以上。 过长的直线段易使驾驶员产生疲劳，导致注意力分散，反应迟缓，一旦遇见紧急情况，常冈措 手不及而肇事；另外，驾驶员在长直线路段容易开快车，致使车辆在进入直线路段末端后的曲线部 分的速度仍然较高，若遇到弯道超高不足或其它偶然干扰，往往导致车辆倾覆或其它交通事故。因 此在进行设计时，应避免过多长的直线，如能将直线与曲线恰当组合，则将提出道路的行驶质颦， 如在日本东京高速公路上直线段仅i j i 4 ，罗马尼弧高速公路直线长约1 1 i 3 ；我国的沪。j 高速公路， 全路曲线成分1 1 i 多数，沈人高速公路曲线长度1 1 i 整个线路的6 0 。 我国标准规定：直线的最大与小长度应有所限s j j ；同时规定对直线段与相邻曲线段上的车速 差超过2 0 k m h 的最小直线段长度席予调璋i ! 。 2 1 2 平曲线半径 平曲线是公路线形最丰富的组成部分。正是由丁i 有了平曲线，才使公路能绕过人山，避开湖泊， 蜿蜒绵长地从一座城市到达另一座城市；也正是由于有了平曲线，才使旅途中的驾驶员和乘客的视野 变得动感而多彩。但是，正像任何事物总有正反两个方面一样，平曲线在给公路交通带来巨人价值 的同时，也给人们的汽车出行表现出不利的一面。汽车在平曲线上行驶，将产生离心力( 其值与车 速的平方成正比，与曲线半径成反比) ，由于离心力的作用，汽车将产生横向倾覆或侧向滑移，也会 造成驾驶员“心慌”，引起操作失误，危及行车安全。离心力的火小与曲线的曲率有关系。在同一车 速条件下，曲率越人，即曲线半径越小，离心力越人。 另外，设置与车速不相适应的过小半径的平曲线、位置设置不当或组合不合适的平曲线，轻者 给驾驶员或乘车的人们带来紧张与不适，重者造成交通事故。据一些资料统计分析，道路上有相当 比例的交通事故是发生在平曲线上，而且，从安全事故率角度考虑，过大或过小的平曲线半径均不 好，发生事故的概率就越大。表3 - 1 是前两德的统计数据，单位是每卣万车公里的事故率。 表2 1圆曲线半径与安全事故率统计表 奎童奎兰塑圭兰堡当兰 1 0 0 0 2 0 0 05 07 0 1 8 5 2 0 0 4 0 0 1 0 0 07 31 0 6 1 9 22 3 3 公路路线设计规范( j t j 0 1 1 - - - - 9 4 ) 中根据汽车行驶理论对圆曲线半径进行了比较严格的规 定。这些规定代表了制定者的意愿，认为驾驶员会在不出差错的情况下会按低于其规定的设计车速 行驶，这与日前国外提倡的以驾驶员行驶意愿为中心的设计思想有所不同。同时国内外研究表明， 曲线上车辆行驶的实际速度往往大于设计车速，因此我国在公路圆曲线的设计上还存在一定弊端。 深入研究平曲线与交通事故间的关系尤为重要。 2 1 3 缓和曲线 在圆曲线与直线之间一般设置一种曲率连续变化的曲线，称为缓和曲线。因为在汽车转弯的过 程中，存在一条曲率连续变化的轨迹线，无论车速高低这条轨迹线都是客观存在的，它的形式和长 度随行驶的速度、曲率半径和司机转动方向盘的快慢而定。另外，汽车行驶在曲线上将产生离心力， 离心力的大小与曲线的曲率成正比。当汽车直接由直线驶入圆曲线或者由圆曲线驶入直线，由于曲 率的突然变化会使乘客有不舒适的感觉。因此，不论从驾驶员操作的实际性和舒适性来说，有必要 在驶入圆曲线之前设置一条驾驶员易于遵循的路线。 缓和曲线符合汽车行驶轨迹，能够保证车辆行驶的安全和乘车人员舒适程度，而且可以诱导驾 驶人员的视线，调整平面线形与沿线环境以及周围景观相协调，保证道路线形的均衡和连续性。为 了保证曲率缓和、行车缓和、超高和加宽缓和，缓和曲线必须具有足够的长度。缓和曲线的最小长 度主要从曲率缓和考虑，以保证为驾驶员提供足够的操作时间从容驾驶以及乘车舒适为目的来确定 缓和曲线最低限度的控制值。在一般情况下，当圆曲线部分需设置超高时，缓和曲线还应满足超高 过渡的要求，缓和曲线的长度至少能完全包括超高缓和段的长度，但如果按超高渐变率求出的缓和 段长度比缓和曲线还要长时，则必须延长缓和曲线路段。 在实际设计i ：作中，缓和曲线并不单纯作为曲率和超高变化的缓和段，而戍作为在视觉上获得 圆滑线形的条f ，f ：。为了满足视觉条件的要求，应在一定的范嗣内选取同旋曲线的参数a 。从太旧路 ( 太原- - i n 县) 的调奄资料情况来看，缓和曲线a 值在r 2 2 r 3 时发生事故的概率较小，当a 值 大于2 p u 3 时发生事故的概率人。成渝路( 成都重庆) 上当缓和曲线a 值人予r 2 时发生事故的 概率较人。冈此，缓和曲线作为过渡线形，当其长度超过一定的范同时，对于驾驶员的视觉诱导作 用没有体现出来，反倒对于交通安全没有起到积极的作用。从利于视觉诱导和线形美学要求，建议 缓和曲线参数a 值不宜过大，以使线形美观协调，积极引导进入圆曲线。 2 2 道路纵断面线形要素与交通安全 纵面线形是指道路中心线在垂直平面上的投影，影响交通安全的线形要素主要包括纵坡长、纵 坡度、竖曲线半径等。 2 2 1 纵坡长 坡长对于交通安全的影响并不是单独的，它往往是和坡度的原冈相结合对公路交通安全产生影 响。坡长有最短坡长和最长坡长的限制，最短的坡长限制主要是从汽车行驶的平顺性的要求考虑的， 如果设置的坡长过于的短，这样就会使得这个路线的起伏过多，汽车行驶在这样的道路上，不断的 上坡和下坡产生增重和减重过r 频繁，导致驾驶员感觉很不舒服，产生烦躁心理。因此，从以上考 虑设置的坡长应该有一定的最短的长度限制。 最大坡长的限制则主要是从安全的角度考虑的，根据分析总结主要有以下的影响： 因为纵坡越陡，坡长越长，在上坡时要换较低的档位以克服坡度的阻力，容易使得大货车 水箱温度过高，爬坡无力或不能爬坡； 8 第二章道路线形设计与交通安全 下坡时，由于设置连续下坡路段或坡长过长，坡度过丈，驾驶员频繁制动，以使得制动失 灵； 长陡坡路段车速过低，易使驾驶员的心理烦躁，当经过长时间爬坡后由于憋闷了好长时间， 因此在下坡路段往往车速过高，极易造成交通事故： 过长的爬坡，造成减速度积累，从而使车速过低而后车加速超车而诱发事故； 坡度过长，易使驾驶员对坡度判断失误，比如长而陡的下坡路段连接一缓的下坡时，易使 驾驶员误认为下一路段坡度为上坡，而加速造成超速。 因此，在限制公路纵坡度的同时也应该对于总坡长的长度进行限制，这样才能尽可能的减少交 通事故发生可能。 2 2 2 纵坡度 纵坡度设置是公路纵断面设计的重要控制指标，其设置的大小直接影响路线的长短、使用质量、 运输成本以及造价，尤其在地形起伏变化比较大的地区这种矛盾更加突