（道路与铁道工程专业论文）公路运行速度的测算和分析及其软件开发.pdf

摘要 在我国的公路设计中 目前采用设计速度体系 传统的设计速度法 其线形设 计缺乏连续性和一致性 车辆实际速度与设计速度不一致 容易造成相邻路段的 速度差较大 使得交通事故率增加 本文从设计速度设计方法的缺陷出发 全方 位地研究了运行速度设计方法这种新的设计理念 分析车辆在公路上的行驶特性 通过对国内外主流的运行速度计算模型的研 究 运用这些模型对实例进行计算 分析 相互比较和验证 得出各计算模型的 优缺点 并对模型中分析路段的划分提出了一些分段建议 介绍了安全性评价体系的内容 阐述了安全性评价的重要性 列举了公路安 全性评价体系目前主要面临的一些困难和障碍 进而提出了解决这些问题的方法 和措施 针对公路运行速度的计算 分析 采用手工计算比较费时费力且容易出错的 问题 独立编写了一套专业软件系统一一 运行速度测算分析系统 并介绍了这 套软件系统开发的构思和总体布局 包括它的一些相应的功能模块 另外 还介 绍了它的使用方法 通过具体项目的计算 运用手工计算 使用纬地的运行速度计算软件和自行 开发的 运行速度测算分析系统 通过计算结果的比较 来验证 运行速度测算 分析系统 的可靠性和实用性 根据运行速度的几个评价指标 对计算结果进行 安全性评价 找出不一些不良的线形组合情况 并给出了调整的建议 关键词 运行速度 设计方法 计算模型 安全性评价 线形组合 软件测定 a b s t r a c t o u rc o u n t r yu s e sd e s i g ns p e e ds y s t e mi nh i g h w a yd e s i g na tp r e s e n t t r a d i t i o n a l d e s i g ns p e e dm e t h o dw i l le a s i l ym a k e m o r ev e l o c i t yd i f f e r e n c eb e t w e e nt w oa a j a c e n t s e c t i o n st 0i n c r e a s et r a f f i ca c c i d e n tr a t e b e c a s ei t sa l i g n m e n td e s i g nl a c k sc o n t i n u i t y a n dc o n s i s t e n c yt om a k ea c t u a ls p e e da n dd e s i g ns p e e d d i f f e r e n t b a s e do nt h ed e f e c t s o fd e s i g ns p e e dm e t h o d t h i sp a p e rm a k e sac o m p r e h e n s i v es t u d yo fo p r a t i n gs p e e d m e t h o do ft h i sn e wd e s i g ni d e a i ta n a l v r z e sv e h i c l ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c si nt h eh i g h w a y b yt h es t u d yo fm a i n o p e r a t i n gs p e e dc a l c u l a t i o n m o d e l sa th o m ea n da b r o a d u s i n gt h e s em o d l e st o c a l c u l a t ea n da n a l y z ee x a m p l e s i tg i v e sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h e s e c a l c u l a t i o nm o d i e s a n dm a k e sas u g g e s t i o na b o u ts e g m e n t a t i o no fd i v i d i n gh i g h w a y s e c t i o n i ti n t r o d u c e sh i g h w a ys a f e t ya u d i ts y s t e m a n dp o i n t so u tt h ei m p o r t a n c eo f s a f e t ya u d i t t h ep a p e re n u m e r a t e ss o m em a i nd i f f i c u l t i e sa n do b s t a c l e s f a c e db y s a f e t ya u d i t a n dm e t h o d sa n d m e a s u r e sa r ep r o p o s e dt os o l v et h e s ep r o b l e m s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mt h a ti tc o n s u m e s al o to ft i m ea n de n e r g ya n da l s ol e a d s t oe r r o r se a s i l yt oc a l c u l a t ea n da n a l y z eh i g h w a yo p e r a t i n gs p e e d c o m p i l e sa s e to f p r o f e s s i o n a ls o f f w a r es y s t e m c a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e m o fo p e r a t i n gs p e e d i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tc o n c e p t i o na n dg e n e r a la r r a n g e m e n ta b o u tt h i ss o f t w a r e s y s t e m i n c l u d i n gf u n c t i o nm o d u l e s a n di t so p e r a t i o n m e t h o d b yc a l c u l a t i n gs p e c i f i ce x a m p l e s u s i n gh a n d c a l c u l a t i o n h i n t s o f t w a r ea b o u t o p e t a i n gs p e e da n d c a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss y s t e mo fo p e r a t i n gs p e e d c o m p a r e s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t st ov e r i f yt h er e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo f c m c u l a t i o na n d a n a l y s i ss y s t e mo fo p e r a t i n gs p e e d a c c o r d i n g t oc e r t a i ne v a l u a t i o ni n d e x e so f o p e r a t i n gs p e e d d os a f e t ya u d i to nc a l c u l a t i o nr e s u l t s a n df i n d so u ts o m e b a dl i n e a r c o m b i n a t i o ns i t u a t i o n s a n ds u g g e s t sh o w t oa d j u s tt h ed e s i g n k e y w o r d s o p e r m i n gs p e e d d e s i g nm e t h o d c a l c u l a t i o nm o d e l s a f e t y a u d i t l i n e a rc o m b i n a t i o n s o f t w a r ed e t e r m i n a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所 取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确 方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 一虢耒舔弩嗍厶 卜刖日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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 同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并进行信息服务 包括但不限于汇编 复制 发行 信息网络传播等 同时本人保留在其他媒体发表论文的权利 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊 光盘版 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布 并按 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权 益 指导教师签名 与美卢冶 日期 沁7 年仁月 哆日 产一关 名 年 登饥i 师 b 狮 咖 导 期 指 日 辫 每日 矣 月 名 乙 獬牛 作 1 文 捌 如 位 期 学 丌1 耳 疋夺 矢b 名c 戳甲 作 刘 胪 论j 位 期 学 日 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 设计速度被视作线形设计的里程碑 其概念最早是由a a s h t o 美国国家公路 与运输协会 在1 9 4 0 年提出的 设计速度是指在行车条件良好 公路设计特征均 能起到控制作用的情况下 一条公路上能保持的最高安全速度 设计速度用于规 定线形的最低设计标准 设计速度一经选定 公路几乎所有的要素 如圆曲线半 径 超高 纵坡和竖曲线半径等 均依此而定 许多国家早期的设计规范都是基 于这个概念而产生的 在汽车制造业快速发展的近4 0 年中 随着汽车尺寸的加大 功率的提高 汽车的实际行驶速度与 设计车速 有了很大差别 而且也不再是 等速 特别是在设计速度低的路段上二者的差异越大 采用设计速度进行道路设计 即根据工程的计划任务书确定的设计速度值 进行平面设计 纵断面设计与横断面设计等 设计速度值是固定的 设计速度一 旦确定后 公路几乎所有的要素的取值范围将被确定 设计过程当中 平面线形 要素 竖曲线线形要素与横断面要素 就会依此而定 在设计阶段 事先根据交 通需求设定一个设计车速 来确定各个线形元素的最小取值和极限取值 设计所 选取的技术指标则要尽可能大于最小值 尽可能不采用极限值 即依据设计车速 规定了设计的下限 而没有规定上限 这样就给了设计者一个非常大的选择空间 也就不可避免地会产生线形技术指标选取与组合的不当 在道路设计中 道路线形组合主要包括直线与平曲线组合和平 纵线形组合 根据传统的设计速度设计方法 直线与平曲线组合时 要求尽量避免长大纵坡接 小半径曲线 此类线形组合很容易发生车毁人亡的追尾事故和车辆失衡事故 平 纵线形组合时 要求小半径的平曲线起 讫点不得设在或接近凸形竖曲线的顶部 和凹形竖曲线的底部 长平曲线内不得设置短的竖曲线 长竖曲线内也不得设置 短的平曲线 凸形竖曲线的顶部和凹形竖曲线的底部 不得同反向平曲线的拐点 重合 直线上的纵面线形应避免出现陀峰 暗凹 跳跃 断背等使驾驶者视觉中 断的线形 直线段内不得插入短的竖曲线 小半径竖曲线不宜与回旋曲线相互重 叠 避免在长直线上设置坡陡或曲线长度短 半径小的凹型竖曲线 应避免急弯 与陡坡相重合 应避免短的平曲线与短的凸型竖曲线组合 应避免驾驶者能在行 驶视野内看到2 个或2 个以上的平曲线或竖曲线 应避免平曲线与竖曲线错位的 2 第一章绪论 组合 以上这些规定属于从实际设计工作和道路营运过程中得出的经验总结 但 在实际运用时 如遇到地形条件限制时 没有一个定量的指标来指定线形组合设 计要素取值的界限 如某山区高等级公路上有由平 纵曲线组合而成的一路段 按6 0 k m h 的设计 速度进行路线几何设计 平曲线半径r 3 5 0 m 纵曲线半径r 8 0 0 m 纵坡度i 一2 并设有超高 各项指标符合规范要求 且未采用极限值 然而实际中该路段发生 多起交通事故 且多为汽车横向控制失稳及追尾 对经过该路段上在行车辆车速 测试获知 小汽车的实际行驶速度为8 9 k m h 最高达l o l k m h 载重汽车的实际 行驶速度为7 1 k m h 最高达9 0 k m h 经分析 造成该路段发生交通事故的主要原 因是在行汽车的实际行驶速度大大高于设计速度 使得按6 0 k m h 设计速度设置的 路面超高及停车视距严重不足 即在行汽车的实际行驶速度与公路设计车速的非 合理匹配所致 设计人员一般认为 根据现行规范 只要一条公路所采用的最小几何指标大 于该条公路采用的设计车速所对应的最小几何指标 就说该条公路的设计符合标 准规范了 实际上仅仅做到这一步还是不够的 采用设计车速作为设计指标 实 质上规定了道路设计最低限度应该采用的指标 但对采用高于设计车速所对应的 指标没有限制 实际上车辆在公路上行驶时 驾驶员总是根据道路的行车条件 特 别是几何条件 及车辆本身性能等来确定车速 只要条件允许 多倾向于采用较高 的速度行驶 这样驾驶员实际采用的车速即运行车速所需的线形指标 会与设计 车速所确定的线形指标相脱节 从而增加道路的危险感和失调性 因此 以设计车速为核心的道路几何线形设计理念 有其内在的固有的缺陷 1 线形标准不一致 根据规定设计车速允许的设计值所作的设计不一定能保 证线形标准的一致性 设计车速实际上只对限制安全行车速度的具体行车道有意 义 即使对那些限制安全行车速度的具体路段 设计车速也仅仅规定了最小值 但在地形和经济条件允许时 应推荐高于低限的设计值 因此设计人员原本指望 用等值设计车速设计好公路 但实际上车速标准变化相当大 相对地对驾驶员来 说 就认为似乎设计标准发生了很大变化 2 设计要素之间不相容 根据规定设计车速允许的设计值所作的设计不一定 能保证设计要素之问的相容性 线形标准的最低值的依据是安全运行 其定义是 为车辆按设计车速行驶 逐一驶过各个孤立的道路特征而制定的设计指标 一般 认为对孤立的要素适用的最小值 在这些要素同时出现时可能不安全 因此避免 设汁时出现最低值的组合 3 设计车速和运行车速的差别 在按等值设计车速设计的公路上行驶时 驾 驶员会根据主观期望和直觉来调整自己的车速 对线形造成的危险感觉会有所变 第一章绪论 3 化 相应地驾驶员选用的速度往往会随之发生变化 经常会以设计车速值上下波 动 这样对特定设计车速合适的设计指标 对驾驶员所选用的实际车速而言就可 能不满足要求或者留有余地 图1 1 设计速度法的缺陷 f i g1 1d e f e c t so fd e s i g ns p e e dm e t h o d 高等级公路上的其他许多实例也表明 一些独立单项指标符合规范要求的公 路几何线形 并不能有效地保证汽车行驶的安全性 从驾驶员的驾车本性来讲 只要道路条件允许 驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶 因而汽车在设计指 标较高的路段上总是以远大于设计车速的车速行驶 当在行汽车突然由设计指标 较高的路段驶入指标较低的曲线路段时 因驾驶者不能及时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 从而引发交通事故 这表明 高 等级公路中不同路段上在行汽车的实际行驶速度与道路设计车速的非合理匹配对 道路交通安全具有重要影响 在安全方面 我国的高速公路表现出了较高的事故率和伤亡率 这与国外的 高速公路形成了鲜明的对比 与一般公路相比 国外高速公路事故率约为一般公 路的3 0 一5 1 死亡率约为一般公路的4 3 7 6 而在我国 高速公路事故率和 伤亡率却远高出一般公路 分别约为一般公路的4 倍和8 倍 给人们的生命和财 产带来巨大的威胁 所以 减少交通事故已成为我们国家迫在眉捷的头等大事 而作为公路行业的设计人员 势必要改善设计理念 设计出更合理 更科学的道 路 改善车辆行驶环境 运行速度是近2 0 年来国外路线设计人员针对设计速度法在实际应用中的缺 陷而提出的 运行速度是在单元路段上车辆的实际行驶速度 因不同车辆在行驶 过程中可能采用不同车速 运行车速是一个统计学指标 是单元路段车辆实际行 驶速度 车辆行驶速度是公路线形设计中最关键的起决定性作用的参数 因此 越来越多的西方国家考虑并实行运行速度设计法 1 2 运行速度的概念和优点 运行速度是指当交通处于自由流状态 且天气良好时 在路段特征点上测定 4 第一章绪论 的第8 5 个百分位的车速 简称v 8 5 运用运行速度来研究 解决道路线形的问题 有以下几个优点 避免恒定的设计速度设计的盲目性和不具体性 具有很强 的针对性和实用性 考虑各种影响因素 道路线形 驾驶员 汽车 路侧自然 景观和环境等因素 更加科学 考虑的因素也更加全面 以运行速度为依据设 计 线形是连续的 不会出现速度突变点 避免安全隐患 相关研究显示 在公路上行驶 驾驶人是根据自己对车辆性能的了解 对前 方公路线形和路况等的直觉判断来调整车速 他们不清楚也不必清楚行驶路段的 设计车速 运行速度理论的核心正是从这种实际行驶状态出发 针对不同车型 通过降低相邻路段的容许速度差 也即通过相邻路段所能提供的不同容许速度的 级差控制 达到线形协调 消除安全隐患的目的 运行速度理论并不关注局部指 标的高低 甚至这个指标是否突破规定底线都不重要 路段运行车速主要受驾驶 人行为 交通特征 车辆状况 和公路状况三方面因素影响 运行速度设计方法根据实际车速确定设计指标 使设计要素值能够满足车辆 实际速度的要求 同时解决了设计要素之间的相容性问题 以往 我们已经认识到长直线接小半径等不利线形组台是车辆运行安全的隐 患 但受设计速度体系制约 该问题一直无法定量化 运行速度提供了解释和解 决该问题的方法 有关研究显示 大量的公路交通事故是由相邻路段较大的运行 速度差导致 当相邻路段运行速度差超过某一限值时 路段存在运行安全隐患 而运行速度理论的核心就是通过改善相邻路段指标组合 降低容许运行速度差 从而消除安全隐患 通过采用相邻路段运行速度差控制原则 保证了在一个设计 区段内行车速度的连续性和一致性 表1 1 事故实例分析 t a b 1 1a n a l y s i so f a c c i d e n te x a m p l e s 国道名称车辆行驶估计运行速度 小半径平曲线允 事故特点线形特征 估计 路段及等级方向 k m h 许速度 k m h 国道3 2 0长沙至贵半径为3 0 0 m 的平曲线接 翻出路外 7 0 8 03 0 山岭二级阳 半径为3 0 m 的平曲线 7 下坡 国道1 0 9西宁至格l k m 长直线接半径3 0 0 m 的 翻出路外 1 1 0 1 2 08 0 平原三级尔木 平曲线 平坡 太旧路冲撞中央太原至石6 0 0 m 长直线接半径1 2 5 m 8 0 9 06 0 山岭高速分隔带家庄 平曲线 l 上坡 如表1 1 所示 运行速度提供了解释导致三条道路某路段发生交通事故的原 第一章绪论5 因 通过采取相应措施 使这三个路段的运行速度值降低 来满足平曲线允许速 度要求 运行速度的应用 可以定量为车辆运行安全的评定提供依据 为有效地 降低交通事故率提供了可能 运行速度的引入 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 欲完全借鉴 采纳这种设计方法客观上还存在许多困难 因此现阶段可在现行设计方法的基础 上 采用运行速度对其进行改进 1 3 国内外研究概况 目前国际上较多采用设计速度和运行速度两种不同设计体系 其中我国采用 设计速度体系 而欧洲 澳太利亚等许多国家则采用运行速度体系 国外研究资料显示 当设计车速为8 0 k m h 以下时 第8 5 个百分点的车辆实 际行驶速度 即运行速度 一般比设计车速高l o k m h 当运行速度与设计车速之 差大于l o 2 0 k m h 时 就容易发生交通安全事故 由于单纯按照设计速度的方法 进行设计 使得在道路上 车辆行驶过程中造成了较大的速度差异 不同的取值 使得在线形组合中表现出来的车辆行驶速度差别较大 这就给交通安全造成了隐 患 我们国家长期以来 由于采用设计速度法 所有的线形设计要素的取值都是 围绕根据道路交通需求设定的设计速度值而定 设计方法单一 而且无法考虑设 计好的道路是否满足车辆的实际行驶安全 虽然完全按照规范和标准设计 却总 是存在交通隐患 甚至造成交通事故 我国从五十年代起就引入了计算行车速度的概念 交通部公路司在2 0 0 0 年标 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 的研究 该研究 对我国具有代表性的多条山区高速公路和一级公路进行实际行驶速度的大量的实 际调查 通过对实际运行速度的观测数据统计分析 建立适合我国驾驶员特征和 汽车动力特性和高速公路特点的平 纵线形指标下速度的预测模型 2 0 0 4 年1 1 月交通部发布 公路项目安全评价指南 将 高速公路运行速度设计方法和标准 的研究成果一一运行速度计算方法和评价标准录入为公路行业推荐性标准 在全 行业中推荐采用 2 0 0 7 年设立了西部交通项目 基于运行速度的公路设计方法和 体系研究 可见交通部对提高西部公路设计质量的重视 同年7 月又发布了新的 公路工程基本建设项目设计文件编制办法 里面提到 对设计速度小于或等于 l o o k m h 的路段 宜采用运行速度方法 对可能出现运行速度差大于2 0 k m h 的路 6 第一章绪论 段进行安全性分析 评价 并给出改善的平纵面技术指标 或采取必要的交通安 全 管理措施等 正式将运行速度设计方法推广 并要求对设计路段进行运行速 度的安全性分析和评价 运行速度设计方法的基本设计思路是 在前期确定的初始平面线形和纵断面 设计的基础上 通过运行速度预测模型推算各路段运行速度v 8 5 并以线形的连 续性和速度的一致性作为路线设计质量评价原则 检验和修正初期的平纵几何设 计 然后根据调整后的路线平纵线形和运行速度 最终确定曲线超高 加宽 视 距等设计指标 即在现有的设计步骤中增加一个设计检验阶段 在此阶段运用运 行速度概念对初始设计进行检验和调整 使其满足安全行车的要求 这种设计方 法充分考虑到了车辆实际行驶状态 更具人性化 使设计更好地符合车辆的行驶 特性 从而可以有效地减少交通事故的发生 以运行速度概念为基础的线形设计方法在国外得到了较为广泛的运用 西方 发达国家对汽车运行速度的研究主要集中在公路经济分析领域 早在2 0 世纪6 0 年代 西方发达国家的道路研究工作者就开始着手车辆运行速度和运行费用模型 的研究 1 9 9 4 年 美国从s h t 0 美国各州公路与运输工作者协会 制定的公路线形 设计政策当中虽然采用的还是设计速度法 但它采用运行速度来辅助评价公路的 线形设计质量 近年来 采用运行速度来设计评价公路线形质量已经得到了很多 西方国家 例如澳大利亚 瑞士 瑞典等 的重视和应用 公路是为安全和高效的客货运输服务的 为达此目的 公路设计和管理人员 做出了各种各样的努力 新的设计 管理理念 方法和技术不断涌现 高速公路 的建设 大大提高了车辆的运行车速和运输效率 促进了公路运输事业的高速发 展 但交通工具的使用导致交通事故的频繁发生 也给人类带来了灾难 使人类 蒙受了难以计数的损失 交通事故已成为当今社会的一大公害 如何治理交通事 故己成为各国政府普遍关注的课题 发达国家在这方面积累了不少成功的经验 我国政府也进行了不懈地努力和探索 公路安全性评价 有些国家也叫做安全审计 s a f e t ya u d i t 是通过对新建 或者现有公路的规划 设计 施工 运营和养护等整个寿命周期中可能出现的交 通安全问题的通盘检查 确诊事故隐患 提出改善措施 从而促进事故的主动预 防 大约从1 9 8 5 年起 道路工作者开始注意到应在道路的整个建设与运营过程中 采取一定的措施 以尽可能在早期消除道路的不安全因素 1 9 8 5 年前后 英国首 先开始研究并逐步推广应用公路安全评价技术 在道路的规划 设计 施工 运 营的每个阶段 检查道路的不安全因素和事故隐患 从而降低事故率 并规定从 1 9 9 1 年起对所有新建高速公路和汽车专用公路进行公路安全评价 1 9 9 2 年以后 第一章绪论 7 澳大利亚 新西兰 马来西亚 丹麦 荷兰等国家相继开展了公路安全评价的研 究和应用 澳大利亚在1 9 9 4 年完成了 道路安全审计指南 美国公路安全研究 起步很早 1 9 6 7 年a a s h t o 美国各州公路与运输工作者协会 就发表了 考虑公路 安全的公路设计与操作实践 1 9 7 4 年修改 扩充再版 从1 9 8 5 年建立了公路安 全信息系统 积累交通事故数据 从1 9 9 0 年开始进行公路安全评价的理论研究并 取得了重要的成果 1 9 9 1 年形成a a s h t o 标准 道路安全设计与操作指南 1 9 9 4 年提出交互式道路安全设计的概念 其本质就是将道路设计和道路安全审计整合 为一体 运用车辆动态模型 一致性模型 事故预计模型 路侧安全结构模型 驾驶员模型 交通流模型 政策评价模型和费用一效益模型等几个子模型对道路 设计过程中不符合安全要求的设计加以指出并校核 从而使设计成果既符合有关 的道路设计规范 又满足道路安全审计的一系列要求 最大程度保证道路用户的 安全和社会效益 1 9 9 7 年a a s h t o 又公布了 道路安全设计与操作指南 的最新 版 2 0 0 3 年推出了路侧安全分析程序r o a d s i d es a f e t ya n a l y s i sp r o g r a m r s a p 和交互式公路安全设计程序i n t e r a c t i v eh i g h w a ys a f e t yd e s i g nm o d e l i h s d m 使公路安全性评价从定性评价方式过渡到了定性与定量评价相结合的方式 其基本依据就是公路运营安全与公路设计直接相关 改善设计 或者说在设 计中充分考虑交通运营的需求可以改善道路安全 避免公路成为运营中的事故黑 点 高速公路安全性评价为有效预防交通事故的发生提供了一个非常有效的手段 体现了 安全 环保 舒适 和谐 的新理念 对提升我国高速公路的设计水平 具有一定的指导作用 公路安全性评价是从公路使用者行车安全的角度对公路设 施的规划 研究 设计成果或现有公路路况影响行车安全的潜在因素进行评价 以达到减少交通事故 降低交通事故危害程度的目的 安全性评价是一种综合评价 指的是对被评价对象从不同的角度去考察 在 考察中要顾及尽可能多的影响因素 安全性评价的困难和障碍目前主要表现在 影响安全性评价的因素众多 它们之间互相关联 互相影响 不可能确定其相 关关系 对安全性评价的定义不一致 各个国家在统计标准和事故定义方面有 很大差别 使得可供选择的评价指标的数目将大大受到限制 对事故的统计不 完善 大大影响了指标的可比性 道路安全审计的详细内容包括道路线形 道路路况 车速等多方面内容 本 文针对其中运行速度安全性评价部分进行阐述 列举相关评价指标 有待于后继 研究的进一步修正和完善 关于运行速度安全性评价部分主要有运行速度协调性 评价和运行速度与设计速度的协调性评价 具体将在本文的第三章对其进行阐述 8 第一章绪论 1 4 本文研究的内容 1 在查阅了大量相关资料的基础上 包括相关书籍 国内规范及指南和中外 期刊 对运行速度设计方法这种新的设计理念的起步和发展现状进行了全方位的 研究 全面 详尽地介绍了运行速度设计方法的内容和计算步骤 2 分析车辆在公路上的行驶特性 研究国内外主流的运行速度计算模型 通 过实例的计算 对结果进行比较 验证 从而得出各计算模型的优缺点 3 通过对大量交通事故统计数据的分析 得出公路安全性评价的重要性 列 举了公路安全性评价体系目前主要面临的一些困难和障碍 进而提出了解决这些 问题的方法和措施 4 公路运行速度的计算分析由于分段情况较多且有组合情况 如采用手工计 算比较费时费力且容易出错 由于需查图又使得存在人为读数误差 使每个人计 算出来的结果不能完全一致 根据实践 独立编写了一套专业软件系统 一 运 行速度测算分析系统 在该软件系统中 将分为三大模块 分别为 数据输入模 块 计算模块和图表输出模块 5 结合具体项目 通过使用纬地的运行速度计算软件和自行开发的 运行速 度测算分析系统 两个专业软件 对初步设计的成果进行测算分析 通过比较 来验证 运行速度测算分析系统 的可靠性和实用性 此外 还运用运行速度指 标对其进行了安全性评价 第二章运行速度的计算 9 第二章运行速度的计算 运行速度是车辆的实际行驶速度 是指当交通处于自由流状态 且天气良好 时 在路段特征点上测定的第8 5 个百分位的车速 运行速度计算的内容就是要求 出对应路段上特征点的运行速度 路段特征点包括所划分路段的起 终点和平 纵线形的特征点 运行速度的计算现阶段主要是针对高速公路 一级公路新建或 改建工程 所以本章所研究的计算方法主要也是就此展开的 2 1 高速公路车辆运行特性分析 车辆在高速公路上行驶 其运行车速并不是一成不变的 而是随着公路线形 路面状况 天气条件以及交通状况 驾驶员状态等不断变化的 e 翌p e c t m g s p e e t t 图2 1 路段车速变化 f i g 2 1s p e e dc h a n g ei ns e c t i o n e 从道路条件来讲 根据现场调查和实地测量 在直线路段车辆一般会加速行 驶 加速度的大小和在直线上的终了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 大 于7 0 0 m 则车辆在曲线上行驶与直线上基本上没有区别 当曲线半径较小时 1 0 第二章运行速度的计算 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3 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 图2 1 所示为两相邻曲线间有长直 线时车速的变化情况 图2 2 为一实测的某高速公路上一个曲线上不同车型车速 的变化情况 图中只测定了曲线起终点和曲中点的运行车速 并进行了光滑连接 l1 0 1 0 0 9 0 8 0 7 0 鬟 艺黧 一蓁 薹号等 p o i n to ft a n g e n tt os p i r a l m i dp o i n to fc u r v e p o i n to fs p i r a lt ot a n g e n t 图2 2 曲线上车速变化 一所有车辆 一a 型车 一b h 型车 一b c 型车 和卜o h 型车 f i g 2 2s p e e dc h a n g ei nc u r v e 研究表明 在公路路段上汽车的行车速度一般呈正态分布 通常用自由交通 流状态下各类小汽车在车速累计分布曲线上第8 5 位百分点的车辆行驶速度作为 运行速度v 8 5 以运行速度v 8 5 来控制设计是考虑到绝大部分小汽车的实际运行 速度 保证了交通流中大部分汽车的安全 根据实测 在高速公路通常的情况下 小客车的运行速度v 8 5 一般会大于道路本身的设计车速v 这种差异随着设计车 速的降低而越发显著 从而使得道路安全性越差 对于设计车速v 1 2 0 k m h 的 高等级公路 小客车的运行速度v 8 5 一般会大于1 3 0 k m h 对于设计车速v l o o k m h 的高等级公路 运行速度v 8 5 一般会大于1l o k m h 对于设计车速v 8 0 k m h 的高等级公路 运行速度v 8 5 一般会大于l o o k m h 对于设计车速v 6 0 k m h 的高等级公路 运行速度v 8 5 一般也会大于8 0 k m h 国外高等级公路的 研究也同样表明 在设计车速v 大于l o o k m h 的高速公路上 运行速度v 8 5 一般 比设计车速v 大l o k m h 在设计车速v 小于l o o k m h 的高速公路上 运行速度 v 8 5 一般比设计车速v 大2 0 k m h 上述数据表明 高等级公路上在行汽车的运行 速度v 8 5 比设计车速v 普遍要高 且随道路设计车速的降低 这种差别愈明显 第二章运行速度的计算 这种情况代表了目前我国高等级公路上在行车辆实际运行的整体状况 2 2 运行速度的设计方法 运行速度设计方法是以运行速度作为设计车速进行线形设计的方法 它的基 本设计思路是 先设计再检验 通过运行速度的计算 来判断路线设计的线形是 否安全 再修改其设计成果 在前期确定的初始平面线形和纵断面设计的基础上 通过运行速度预测模型推算各路段运行速度v 8 5 并以线形的连续性和速度的一 致性作为路线设计质量评价原则 检验和修正初期的平纵几何设计 然后根据调 整后的路线平纵线形和运行速度 最终确定曲线超高 加宽 视距等设计指标 即在现有的设计步骤中增加一个设计检验阶段 在此阶段运用运行速度概念对初 始设计进行检验和调整 使其满足安全行车的要求 这种设计方法充分考虑到了 车辆实际行驶状态 更具人性化 使设计更好地符合车辆的行驶特性 从而可以 有效地减少交通事故的发生 运行速度设计方法根据实际车速确定设计指标 使设计要素值能够满足车辆 实际速度的要求 同时解决了设计要素之间的相容性问题 通过采用相邻路段运行车速差控制原则 保证了在一个设计区段内行车速度 的连续性和一致性 2 3 运行速度计算的步骤 运行速度计算分析的步骤有 先把车型划分为小客车和大贷车两种类型 选 择其中一种车型 然后对需要计算运行速度的整条线路进行分析单元的划分 即 各种不同类型的路段 根据划分出来的路段选择合适的测算模型 计算各路段在 每个行车方向上的起 终点 线形特征点以及特定点的运行车速 制作相应的运 行速度的图表 根据相关规范和指南进行评价 具体步骤为 1 初始设计 根据前期可行性研究确定的公路计算行车速度标准 采用计算行车速度 即 设计车速 概念进行公路线形初始设计 绘制平面图和纵断面图 这一阶段可按 现有设计规范进行 2 划分分析路段 根据线形 曲线半径和纵坡坡度的大小将整条路线划分为若干分析单元 统 1 2 第二章运行速度的计算 计各分析路段的特征信息 比如说纵坡路段的前后坡度 或者弯坡路段的进出口 类型等等 划分原则根据选用的测算模型的要求来定 3 运行速度v 8 5 的预测 任选一个行车方向进行运行速度测算 主要是根据所划分的路段类型 按直 线段 平曲线段和长大纵坡路段等各自的运行速度预测模型进行 在 公路项目 安全性评价指南 中 推荐了两种运行速度计算方法 方法一是采用交通部的公 路科学研究所的 公路运行速度研究 课题成果 即所谓的 模型法 方法二是 采用澳大利亚运行速度计算法 这种方法也被称为 图表法 4 线形的连续性检验 检验相邻路段的运行速度v 8 5 之差 根据前一步骤中对运行速度的测算结果 两相邻路段之间的运行速度差应控制在l o k m h 以内 在l o 一 2 0 k m h 内属于协调 性较好 如果超过2 0 k m h 就不符合要求 而不符合要求的线形设计应进行调整 或设置一个过渡段 图2 3 运行速度设计方法流程图 f i g 2 3f l o wc h a r to fo p e r a t i n gs p e e dm e t h o d 5 设计速度的一致性检查 当路段推算的运行速度v 8 5 小于该路段原定的设计速度 计算行车速度 时 原设计车速不需要调整 若路段运行速度v 8 5 大于该路段原定的设计速度 但小 于设计速度v 2 0 k m h 时 设计速度保留 但路面超高 停车视距的计算应采 用v l o k m h 作为设计车速 当路段运行速度v 8 5 大于该路段原定的设计速度 第二章运行速度的计算 1 3 v 2 0 k m h 时 则需要提高原定的设计速度或调整路线设计要素 以减少该路段 的运行速度v 8 5 来达到和设计速度的一致性要求 6 修正结果 绘制平 纵面图 以各路段调整的设计速度为标准 根据这个新的设计速度值来进行公路线形 设计 重新绘制全线的平 纵面图 7 绘制双向运行速度图 根据修正后的设计线形 再次推算路线运行速度变化过程 而且正反两个方 向都要推算 最后 以运行速度v 8 5 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 即沿线运行速度图 8 完成设计 根据设计半径和运行速度图 确定平曲线超高 视距 平曲线加宽等设计要 素值 最终完成路线线形设计 2 4 计算模型 2 4 1 公路项目安全性评价指南 中的模型 2 4 1 1 模型法 模型法 顾名思义就是根据已知条件 设计参数 套用已有的公式 数学 模型 进行运行速度计算的方法 公路项目安全性评价指南 中 先对分析路段 进行划分 然后对这几个分析单元按照对应的公式进行运动速度的测算 这个过 程主要分三大步骤 1 运行速度分析路段划分 根据曲线半径和纵坡坡度的大小将整条路线划分为直线段 纵坡段 平曲线 段和弯坡组合段等若干分析单位 每个单元的起 终点为预测运行速度线形特征 点 其中 纵坡坡度小于3 的直线段和半径大于10 0 0 m 的大半径曲线自成一段 其余小半径曲线段和纵坡坡度大于3 坡长大于3 0 0 m 的纵坡路段以及弯坡组合 段 作为独立单元分别进行运行速度测算 当直线段位于两小半径曲线段之间 且长度小于临界值2 0 0 m 时 则该直线视为短直线 车辆在此路段上的运行速度保 持不变 上述划分原则是在 公路项目安全性评价指南 第3 6 页中所提到的 它的划 分界限并不明确 而且较混乱 首先 它没有明确定义分析路段之一的弯坡组合 段的含义 对它的平曲线半径以及纵坡坡度没有给出一个限定范围 只能通过后 面的计算公式的资料来推断 还有对坡长的范围没有给出要求 当取纵坡坡度区 1 4 第二章运行速度的计算 间两端的值时 是否可以运用其对应的公式 也有待验证 其次 对于平曲线半 径取值为10 0 0 m 的时候 该路段的归类问题也没有说明清楚 关于这个问题 将 在下面的内容中通过实例的计算来对其进行讨论 另外 由于缓和曲线的线形参 数相对比较复杂 目前还没有一个已经成形了的计算模型 所以在 指南 中还 没有独立被提出来 但是在线形设计中 缓和曲线形式却是经常被采用的 经过 整理 可以将 指南 中模型法法的分析路段类型归纳为四种路段 另外再加短 直线这一类型 共五类 直线段 即为直线路段 其要求为纵坡坡度小于3 另外半径大于10 0 0 m 的平曲线也归为这一类 平曲线段 为半径小于l0 0 0 m 的平曲线 纵坡段 其对象为直线路段或半径大于10 0 0 m 的平曲线 要求其纵坡坡度 大于3 弯坡组合段 为平曲线半径在1 2 0 m 到10 0 0 m 之间 且纵坡坡度 f 6 一2 u 2 6 的路段 短直线 即为两个小半径曲线段之间 长度小于2 0 0 的路段 在这里还需要补充的是 当平曲线半径大于10 0 0 m 其前或后续路段若为纵 坡坡度小于3 的直线段 可以把它们归为同一段 即 直线段 2 运行速度v 8 5 的测算 在任选一个方向进行第一次的运行速度v 8 5 测算时 首先要推算与设计路段 衔接的相邻路段速度 作为本路段的初始运行速度场 然后根据所划分的路段类 型 按直线段 平曲线段和长大纵坡路段等分别进行运行速度v 8 5 的测算 初始运行速度v o 一般可通过调查点的现场观测或按下表估算各种设计速度对应的小客车和大 型货车的运行速度 作为预测路段的初始运行速度场 表2 1 设计速度与运行速度 间的对应关系表 t a b 2 1c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pt a b l eb e t w e e nd e s i g ns p e e da n do p e r a t i n gs p e e d 设计速度 k m h 6 08 01 0 01 2 0 小客车 8 09 51 1 0 1 2 0 初始运行速度 大型货车 5 56 57 5 7 5 直线段上的加速过程和稳定运行速度 在平直路段上 小客车和大货车在直线上都有一个期望行驶速度 当初始运 行速度 小于期望运行速度时为变加速过程 直至达到稳定的期望车速后匀速行 第二章运行速度的计算 1 5 驶 平直路段上车辆的加速过程 按下面的公式和下表测算车辆在直线上的运行 速度 k 砖 2 a o s 式 2 1 式中 伊 直线段上的期望车速 m s 驴 驶出曲线后的运行速度 m s a o 车辆的加速度 m s 2 争 直线段距离 m 平直路段上期望运行速度和推荐加速度见表2 2 表2 2 平直路段上期望运行速度和推荐加速度 t a b 2 2e x p e c t e do p e r a t i n gs p e e da n dr e c o m m e n d e da c c e l e r a t i o ni nl i n es e c t i o n 车型小客车大货车 期望运行车速砌 k m h 1 2 07 5 推荐加速度值a 口 m s 2 0 1 5 0 5 00 2 0 0 2 5 直线段上运行速度的计算情况分三种 第一种是从进入直线段到离开它 都 是加速运动 第二种是前面是加速运动 后面当速度达到期望车速后即变为匀速 第三种是一直保持匀速运动 即以期望车速前进 前面两种情况是当进入此路段 的速度小于期望车速的时候 最后一种是在进