论文双车道公路设计一致性软件开发

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 毕 业 论 文 双车道公路设计一致性软件开发Two-lane Highway Design Consistency Of Software Development学院名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 交通工程042 学生姓名： 陈 洁 指导教师姓名： 刘志强 指导教师职称： 教授 2008年 6月 双车道公路设计一致性软件开发专业班级：交通工程042 学生姓名：陈 洁指导教师：刘志强 职 称：教 授摘要 道路设计一致性评价是一种用来保障道路安全性能的技术方法。设计一致性是指道路几何线形既不违背驾驶员的期望，又不超

2、越驾驶员安全操作车辆能力极限的特性。从行驶车辆运行特性的角度进行分析，违反驾驶员所预期的几何特性的一个典型特征是在该几何特性附近出现不连贯的运行车速，因此可以认为连贯的运行车速是设计一致性的产物。本文借鉴了美国交互式道路安全设计模型IHSDM，应用运行车速断面图评估法，并结合我国道路的实际情况,建立了我国双车道公路设计一致性评价模型。软件以相邻几何线形区段运行车速的变化梯度运行车速与设计车速的偏差值目前我国对双车道二三级公路道路线形对交通安全的影响的研究相对比较少，双车道公路设计一致性软件的开发对我国二三级公路的线形设计和安全评价具有一定的参考价值，评价可贯穿道路工程设计和运营等各个阶段，这将

3、减少我国二三级公路的交通事故，减少经济损失，有利于保障我国的交通安全和提高国民经济的发展。关键词：双车道公路 设计一致性 运行车速 期望车速 安全评价Two-lane highway design consistency of software developmentAbstract alignment Conditionalignment ConditionInteractive Highway Safety Design Model acceleration or decelerationpredicting grade-limited speed using the TWOPAS Key

4、 words Two-lane highway design consistency operation speed desire speed safety evaluate目 录第一章 概 述111 我国公路交通安全状况和特点112 我国双车道公路安全状况213 道路条件与交通安全314 研究内容及意义4141 研究内容4142 研究意义5第二章 设计一致性理论及分析方法621 设计一致性分析方法6211国外研究现状7212 国内研究现状1122 车速一致性理论分析12221 车速理论概述12222 Vd、V85与Ve三者间的关系分析1323 车速断面图评估法14第三章 设计一致性软件开发及

5、应用1731 开发背景1732 软件算法设计1833 软件编制2434 实例分析26341 试验路段概况及设计资料26342 评价结果分析27结 论30致 谢31参考文献：32引 言疾病与伤害第一章 概 述11 我国公路交通安全状况和特点我国的道路安全状况是一个比较严重的社会问题。我国的年交通事故死亡人数，相当于平均每天发生两次机毁人亡的空难。美国机动车拥有量和公路总里程均居世界首位，年道路交通事故数量也居第一位，但死亡人数确远远低于我国。2002年我国的机动化水平为56.4辆/千人，美国为782.6辆/千人，欧盟为608.1辆/千人，日本为635.4辆/千人。由表1可知2002年我国的百公里

6、道路死亡人数将近于美国的10倍，万车死亡率将近于欧盟的10倍、日本的13.5倍。随着我国经济的不断增长，机动车的保有量将会以更快的速度增加，如果我们缺乏对交通安全问题的足够认识，不采取切实可行的措施，道路交通事故将会不断上升。表1 中国与发达国家道路交通事故现状比较（2002年）项目中国美国欧盟日本事故次数(起)77313719670001232294936721死亡人数（人）11813142815388249575百起事故死亡人数（人/万机动车）15.32.23.11.0百公里道路死亡人数（人/100km）6.70.71.00.8万车死亡率（人/万机动车）16.21.91.71.210万人口

7、死亡率（人/10万人口）9.414.910.37.5图1 我国年道路交通事故死亡人数（1970-2005年）由图1可知，每年全国道路交通事故死亡人数，20世纪70年代为12万人，1984年后事故死亡人数急剧上升，19881990年期间稍有回落，1998年后随着国家总体经济水平不断增强，汽车工业和交通运输业迅速发展，机动车拥有量急剧增加，驾驶员人数激增，道路交通事故死亡人数也随之急剧增长，到20012004年持续4年死亡人数超过10万。近几年稍有下降已回落到10万以下，据有关资料显示，2007年我国的交通事故四项指标（交通事故次数、死亡人数、受伤人数和直接财产损失）比2006年都有明显下降。这与

8、我国近年来采取的公路交通安全工作是分不开的，如综合治理、健全交通法规等，2004年以“消除隐患，珍视生命”为主题的公路安全保障工程启动，主要任务是：用3年时间，对山岭重丘区二级以下公路中的急弯、陡坡、傍涧（河、湖、沟）路段，增设安全防护设施，完善交通标志、标线，改善全国公路的交通安全条件，消除全国危险隐患路段17万处，计5万公里。本文是针对我国双车道二三级公路开发的设计一致性软件，减少由于道路线形引起的交通事故是本文研究的目的。12 我国双车道公路安全状况二级公路特大事故突出：发生一次死亡5人以上交通事故99起，占总起数的37.2%，同比增加16起；发生一次死亡3人以上交通事故518起，占总起

9、数的35.2%，同比增加38起。13 道路条件与交通安全从系统论的观点来看，道路交通系统是由人车路环境四大要素构成的一个复杂系统，其各组成要素又自成系统，各为子系统。这些子系统既独立作用又相互制约，它们本身的可靠性程度和它们之间的相互作用决定了这个复杂系统的运行状况和交通安全水平。同时，道路交通安全系统的这四大要素中的潜在危险性主要体现在，主观方面：驾驶员、乘客、行人等交通参与者的不安全行为；客观方面：道路、车辆、交通环境等的不安全状态。只有这四大要素相互协调，相互配合，才能使道路交通这个大系统处于最优状态。然而，长期以来，人们在分析事故的原因时倾向于人为因素，割裂了人车路环境体系中因素之间存

10、在的相互联系，特别是对道路因素在交通安全中的作用认识不足。但对交通系统而言，道路是基础，它将对系统的失衡、事故的发生起到直接或间接的作用。国内外学者经过对大量事故的深入研究得到，与人有关的原因占93%94%，与车有关的原因占8%12%，与道路有关的原因占28%34%。莫斯科公路学院的O.A.季沃奇对前苏联各地区公路上13000个交通事故数据分析后认为，道路条件是70%的交通事故的直接或间接原因。人-车-路3%人车6%人57%人路27%路3%路车1%车2%图1为美国学者Treat的研究结果。从图中可知，单纯由道路引起的交通事故只占到3%，但是它与人车等因素相互作用而引发的交通事故比例就可达到34

11、%。图2 人、车、路在事故因素中的比例因此，道路条件对交通安全的影响很大，它通过对驾驶员的误导使驾驶员产生错误判断从而引发事故，从汽车行驶的轨迹看，只有当平面线形与这个轨迹相符合或相接近时，才能保证行车的顺适与安全。美国一项调查表明，驾驶员每行驶1km，会遇到约300多种信息，需作出75次决策，驾驶员需要一面观察了解前方新路段的情况，一面驾驶汽车使之适应新的行车条件。由于驾驶员顺着直线或某种曲线扫视时，习惯于使视线平顺地合乎思维地前进，所以为保证行车安全，道路线形要素应保持连续性而不出现技术指标的突变，线形应自然流畅。14 研究内容及意义141 研究内容在进行道路的规划与设计时，应贯彻这样一种

12、思想:道路本身要保证线形质量，创造良好的运行环境，尽最大可能地创造使驾驶员在即使发生失误时仍能保证其安全行驶的条件3。本文借鉴了美国IHSDM模型，并结合我国的实际情况，通过分析车速与道路线形的关系，开发了设计一致性软件。从车速一致性的角度，即考虑设计车速与运行车速、期望车速与运行车速之间达到一定的协调性，对道路安全性进行事前安全评价，找出已建和待建的道路在线形设计中不合理的地方以及潜在的事故隐患。本文的研究内容主要从以下几个层次进行：（1） 分析道路线形、车速及交通安全三者的关系；（2） 基于美国交互式道路安全设计模型（IHSDM）设计一致性模块（DCM），提出设计一致性理论和评价方法；（3

13、） 结合我国道路的实际情况，提出适合我国双车道公路的设计一致性评价方法。参考我国已有的运行车速预测模型，并利用美国TWOPAS预测坡度限制车速，即对车速进行逐点修正，。本软件以；（4） 选取双车道公路典型路段为实例，应用开发的设计一致性软件，预测路段的运行车速，分析车速断面图，最后根据相邻运行车速差值来评价道路的连续性。142 研究意义公路线形是构成公路的骨架,它支配着整个公路规划、设计和施工。线形设计良好与否,对汽车行驶安全、舒适、经济及公路交通量都具有决定性的影响。线形设计主要包括平面、纵面及其组合设计,衡量设计好坏的标准,看各要素指标(如视距、超高、纵坡、曲线半径等)是否选用合理以及是否

14、遵循组合设计原则并与沿线的环境、景观相协调,使驾驶员在视觉上能保持线形的连续,在心理上有舒适和安全感。目前，在我国道路线形设计中，存在不少问题：(1)线形一致性差、设计要素不相容；(2)标准一限到底、呆板执行规范；(3)安全研究与线形设计脱节。目前国内高速公路已有比较成熟的评价模型，而二三级公路在此方面的研究相对比较少，所以开发一个双车道公路设计一致性软件对二三级公路线形的设计和安全评价具有一定的参考价值。评价可贯穿道路工程设计和运营等各个阶段，可在新建道路设计阶段就消除安全隐患，对于已建道路可找出线形连续性差的路段，对这些危险路段采取相应的改善措施如改建事故黑点路段、进行车速管理和完善交通标

15、志标线等。这将减少我国二三级公路的交通事故，减少经济损失，有利于保障我国的交通安全和提高国民经济的发展。第二章 设计一致性理论及分析方法21 设计一致性分析方法道路设计者使用了很多技术来保障道路的安全性能，设计一致性评价就是提高道路安全的方法。设计一致性是指道路几何线形既不违背驾驶员的期望，又不超越驾驶员安全操作车辆能力极限的特性。统计表明，如果道路的线形设计符合驾驶员的期望，他们就很少犯驾驶错误。目前国外对于线形连续性的研究有很多，主要为基于速度的研究、基于安全的研究、基于驾驶员操作难易的研究。早期的设计一致性概念是基于设计车速产生的。但随后的研究表明，根据线形指标的不同，车辆实际的运行车速

16、有较明显的波动，于是产生了以运行车速为基础的一致性分析的思想。因为道路线形连续与否对于车辆产生的影响首要表现在车速上，车速变化的大小也就代表着线形的连续程度。驾驶员采用何种车速驾车是一个结果，是道路交通环境制约下的一个主观选择。我们需要考虑的是促使驾驶员做出某种选择的深层次的原因，即在客观的道路条件下驾驶员所受到的直接影响，并用一定的指标来确定这种影响。这种基于驾驶员本身所受影响的指标，可以更直接地反映道路线形的一致性。研究表明，道路线形设计一致性需要遵循下面两个设计准则：第一个准则 达到平面线形设计一致性道路设计过程中需要控制平曲线半径与设计速度相对应。依照原有设计速度观念，允许在平面线形设

17、计中采用非一致性准则设计道路，例如在平直路段与较小半径曲线段衔接。按照一致性的观点，这种情况下应在两个路段之间设置较长的过渡段，同时需要使用不导致危险驾驶行为的临界速度变化准则来衡量其安全性。第二个准则 协调设计速度与运行车速。运行车速是指在特定路段长度上测定的第85%分位车速。研究表明观测路段上的车辆速度经常超过设计速度。但是路段的初始设计是基于设计速度进行的，这样就会使得超速车辆在进入按照设计速度所设置的小半径曲线或超高路段时产生危及行车安全的情况。从行驶车辆运行特性的角度进行分析，违反驾驶员所预期的几何特性的一个典型特征是在该几何特性附近出现不连贯的运行车速，因此可以认为连贯的运行车速是

18、设计一致性的产物。因此，应协调设计速度与运行车速，使其尽量一致。211国外研究现状研究道路设计一致性方法主要集中在运行车速、车辆稳定性、线形指数设计、驾驶员工作负荷等领域。最初的道路设计一致性研究方法来源于美国联邦公路局的早期研究“乡村双车道公路的平面线形设计一致性”，其核心成果是开发了基于平面线形指标的设计一致性分析模型，这是一个速度断面图模型（Speed Profile Mode）。随后又进行了拓展研究，除了继续拓展速度断面图模型以外，还研究了另外三种一致性分析方式，即速度分布法（Speed Distribute Measure）、线形指数法（Alignment Indices）、驾驶工作

19、量与视线需求法（Driver Workload/Visual Demand）。这三种方法已得到广泛的认可。Leisch方法是在美国最早建立并被用来评价道路平面纵面几何线形一致性的方法。这种方法认为，只单独使用设计速度作为道路设计的控制原则会导致非期望几何设计的出现。Leisch方法是基于平均速度变化的。它主要是根据路线平面及纵断面路况估计小客车及大货车的可能平均速度（经过研究得到一系列不同设计标准以及线形条件下小客车与大货车的平均速度估计值），将其绘制成车速变化图，再根据其评价准则，确定线形上的速度是否达到设计一致性。瑞士使用一个理论速度模型用于分析平面线形的一致性。这种方法类似于美国的Lei

20、sch方法，它使用速度分布图解法去鉴别项目设计速度上的突然变化（这里的项目设计速度概念与运行车速相似）。速度分布图中使用速度图解表示出道路设计不一致性的位置。德国使用运行车速控制道路的设计标准，其定义的运行车速反映的是干燥和潮湿路面状况下自由流状态客车的分位车速。与美国的Leisch方法以及瑞士方法对比，在德国的设计指南中使用不同方法。德国所采用的曲率变化率(CCRs)方法指标去描述整体路段线形，并避免位于同一路段间运行车速的突变(不一致性的表现)。研究发现:在具有相似特性的路段长度上，当运行车速相对恒定时它与曲率变化率具有很强的相关性。与曲率变化率相关的运行车速的列线图将用于预测路段的运行车

21、速。德国设计指南中规定任何给定路段的预测运行车速应不超过其设计速度12mph，并且要求两个连续路段之间的运行车速差允许的最大限制值为6mph，以确保道路设计的一致性，并提供一个整体平衡设计。如果对于特定的路段不能达到这一要求，平面线形设计必须进行调整。目前国际上发布的唯一的、专门的、系统化的道路安全设计的计算机应用系统是美国的交互式道路安全设计模型IHSDM，CAD软件完成公路平、纵、横设计，图3 IHSDM模型结构图评价结果标准一标准二标准三好V85Vd10km/hV8510fRfRfRD0.01中10V85Vd20km/h10V85200.04fR0.01差V85Vd20km/hV8520

22、fR0.04Minnesota, New York, Pennsylvania, Oregon, Washington,和 Texas表4 运行车速预测模型编号线形条件预测模型R2均方差误差1平曲线上有坡度-9%G-4%V85=102.100.5851.952-4%G0%V85=105.980.7628.4630%G4%V85=104.820.7624.3444%G9%V85=96.610.5352.545平曲线与凹竖曲线相连V85=105.320.9210.476平曲线与凸竖曲线相连无视距限制见注释N/AN/A7平曲线与凸竖曲线相连 有视距限制（即K43m/%）V85=103.240.742

23、0.068直线与凹竖曲线相连V85=期望车速N/AN/A9直线与凸竖曲线相连无视距限制（即K43m/%）V85=期望车速N/AN/A10直线与凸竖曲线相连有视距限制（即K43m/%）V85=105.080.631.10*注释：选择公式1或2（下坡）和公式3或4（上坡）预测的最低车速减速度（m/s2）线形条件加速度（m/s2）速度断面图半径R（m） d14有坡度的平曲线-9%G9%半径R（m） aR436 0.00R875 0.00175R436 0.6794436R875 0.21250R436 0.43R175 1.00175R250 0.541.005平曲线和凹竖曲线相连0.54同146平

24、曲线和凸竖曲线相连 无视距限制同141.007平曲线和凸竖曲线相连 有视距限制（即K43m/%）0.54N/A8直线和凹竖曲线相连N/AN/A9直线和凸竖曲线相连 无视距限制（即K43m/%）N/A1.0010直线和凸竖曲线相连 有视距限制（即K43m/%）0.54设计一致性（所有线形条件）1.001.48好0.540.891.482.00一般0.891.252.00差1.25图4 设计一致性模块输出结果图（2）DCM分析1）DCM优点：DCM比较直观的输出了线形设计非一致性的路段，标出了存在安全问题和隐患的路段，有利于道路的不良路段及时得到改善，在评价线形安全性方面得到了极大的成就。2）DC

25、M缺点：速度方面，速度的预测值和实测值之间有着较大的差异，另外它没有考虑缓和曲线的作用等。加减速度方面，竖曲线和平纵组合曲线上的加减速度变化规律有待进一步研究。212 国内研究现状交通安全在我国主要是以高等院校为主的学者从理论体系的角度引入道路交通评价的理念，并着手开展理论与应用研究。如北京工业大学开发了基于windows操作系统的道路安全设计研究系统，从机理层面上分析各线形设计要素及各元素组合作用对事故的影响运用统计分析手段建立了线形元素对事故的预测模型借助计算机的辅助手段，实现了道路设计的安全水平量化的算法，并为整体的研究提供了数据维护、成果转换的集成的环境。该研究系统由三个子系统“基础数

26、据库调用”、“辅助统计研究子系统”以及“辅助机理研究子系统”构成。同济大学郭忠印教授及其课题组多年来也一直致力研究道路线形与道路交通安全的关系。1995年该课题组在国内率先对道路安全进行系统的研究，首先开展的是道路安全评价和道路黑点鉴别与改善技术的研究。交通部自1999年起开始委托有关单位进行公路交通安全方面的研究,已经颁布了适用于高速公路和一级公路的公路项目安全性评价指南(JTG/TB05-2004)。目前国内基于高速公路的车速预测模型和安全评价的研究已取得一定的成果。如北京工业大学王广山硕士论文高速公路设计一致性评价模型研究，从高速公路交通事故规律以及公路几何线形关系入手，研究了高速公路设

27、计一致性对道路安全的影响，并建立的相关评价模型。北京工业大学的陈永胜博士论文高速公路安全设计基础理论及关键技术研究，首先研究了道路安全设计的原理，然后给出了道路安全水平的量化模型。但基于双车道公路车速预测和安全评价体系就相对较少，主要有长安大学徐道涵双车道公路线形安全评价研究与应用，提出了双车道公路线形安全评价子课题，评价指标主要有线形指标、速度指标、经济学指标、驾驶员负荷指标、侧向摩阻力指标和环境指标等六个方面，采用综合模糊评价方法，将线形安全评价体系应用到基于ADAMS仿真安全评价试验。同济大学杜博英等人我国双车道公路车速、事故率建模方法研究，提出了我国双车道公路运行车速一致性预测模型。我

28、国正处于开始全面关注和系统研究道路安全问题这样一个机遇之中，但目前我国学者对于道路线形与交通安全关系的研究相对比较少，更没有提出较为完善的道路线形安全评价体系。因此对于评价道路线形安全的研究工作急待进一步深入研究。22 车速一致性理论分析221 车速理论概述与道路交通安全相关的车速主要有设计车速，运行车速和期望车速，下面就对这三种车速及其相互关系进行分析。（1）设计车速Vd。设计车速即计算行车速度，是指汽车条件良好、公路设计要素均起控制作用的情况下安全行驶于给定路段时的允许速度。设计车速是一个设定值，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。它是公路技术标准的主要指标之一，是控制公路

29、几何线形、视距、超高、加宽等设计要素最低标准的核心指标，一条公路的设计车速确定后，相应的最小圆曲线半径、超高、最大纵坡、坡长等指标也就随之确定了9。从20世纪50年代我国开始引入设计速度的概念至今，基于设计速度的路线设计方法已被所有设计人员所掌握。但是，经过多年来的实践发现，这种设计方法本身存在一定的缺陷。因为设计速度对一特定路段而言是一个固定值，用于规定某一路段的最低设计标准，但在实际的驾驶行为中，没有一个驾驶员自始至终地去恪守这一固定车速。实际的行驶速度总是随着公路线形、车辆动力性能及驾驶员特性等各种条件的改变而变化。只要条件允许，驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶。经过多年的设计实践,国

30、内外的设计发现这种设计方法存在一些不足：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。（2）运行车速V85。运行车速是指中等技术水平的司机在良好的气候条件、实际道路状况和交通条件下所能保持的安全车速。运行车速是一个随机变量，不同的驾驶员在行驶过程中随车辆及行车路段的不同，其行车速度是不相同的。实际中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85位百分点的车辆行驶速度V85来表征，将它作为确定限制汽车最大运行车速的依据，即V运行V8510。国外通过大量的实况速度调查，将运行速度作为公路连续性设计的依据，并且采用V85作为运行速度进行线

31、形设计，可以满足各指标取值协调和线形设计均衡的基本要求。以运行速度概念为基础来研究、解决道路线形设计具有以下优点11:1) 避免了设计速度作为一个固定值并用来进行公路线形设计的盲目性和不具体性；2) 运行速度是从实测数据中确定的，依据运行速度确定的线形设计要素满足了车辆的行驶要求，解决了设计要素间的相容问题；3) 考虑了影响实际行驶车速的各种因素，如道路本身条件、驾驶员、汽车、路侧自然景观和环境等因素。因此，利用运行速度来研究道路线形问题，更加科学，考虑的因素也更加全面；4) 通过速度变化控制原则，保证各路段速度的一致性，不会出现速度突变点，从而保证公路线形是连续的。（3）期望车速Ve。期望车

32、速是指车辆在不受或基本不受其他车辆约束的条件下，驾驶员所希望达到的最高“安全”车速。它是驾驶员驾车过程中依据道路条件、车流状况、车辆性能经综合考虑后存在于其心目中的一种目标车速12。显然不同个体的驾驶员,对车辆行驶过程中最高“安全”行驶车速的把握标准不同,则其心目中确定的期望车速的数值大小亦不同。一般而言，期望车速与道路等级、交通状况、车辆性能、驾驶员的特性以及承运任务的急缓相关，在一定范围内变化并呈现出一定的模糊性。当驾驶员感觉行驶过程中的运行车速低于期望车速一定数值时，便有改变其车速的意图，驾驶员会尽量使车速接近期望车速。222 Vd、V85与Ve三者间的关系分析由于车辆的实际运行车速在正

33、常情况下比道路的设计车速高，因此，要保证公路上的交通安全，必须合理控制车辆的实际运行车速，使之与道路设计车速的差值保持在许可范围内。国外的研究表明:当V85与Vd之差大于20km/h，公路线形由高指标向低指标变化时，容易发生交通事故。因而国外道路线形设计规定:V85与Vd之差必须小于20km/h，且在道路路线的平、纵曲线设计中要尽可能使V85与Vd保持一致13。目前国内对此尚无明确规定。汽车在公路上行驶时，驾驶者一般是依据道路的行车条件及车辆性能选择车辆的期望车速。虽然期望车速存在于驾驶员的心目中，但该车速直接影响着车辆的实际运行车速值的大小，实际中运行车速与期望车速的关系可用下式表示20：V

34、运行kV期望式中：k为折减系数，建议取值范围为：跟车状态，取k0.70.8，非跟车状态，取k0.9。根据上述研究，设计车速是用于规定道路路段的设计标准。V85是车辆实际运行车速的最大许可值，随道路条件的不同而变化的期望车速是存在于驾驶员心目中的一种目标车速。也就是随道路条件的不同而变化实际中期望车速与运行车速并不一致，两者之间的关系是期望车速影响运行车速，并使运行车速尽可能接近期望车速：当运行车速低于期望车速时，驾驶员会加速行驶，使车速接近或达到期望车速；当车速高于期望车速时，驾驶员心中的安全度就会降低，并积极调整行车速度，使之与期望车速一致。通过合理的路段划分以及推算或测得的实际运行车速，就

35、可以分析判断该路段线形是否连续、安全，是优良的线形还是劣质的线形。公路线形设计的发展趋势，将从基于车辆动力分析的旧模式向考虑人、车、路等系统因素，尤其是注重人的特性与驾驶员行为的方向发展，选用运行速度作为设计尺度，能够很好的体现路线设计要素的合理性。23 车速断面图评估法美国的相关研究表明，道路相邻平曲线的运行车速落差即速度梯度大，则该曲线段的安全记录就差。具体数据如表6所示，可以看出三组不同运行车速梯度的道路区段，其事故率水平有着显著的差异，表现出速度梯度越大，则事故率越高的趋势。由此可以肯定，运行车速用于安全分析具有相当的可行性14。根据观测，并非单点的运行车速，而是运行车速的变化轨迹影响

36、着交通性能。表6 运行车速变化趋势与交通事故率的相关性运行车速梯度平曲线个数3年累计事故数交通周转量（百万车公里）事故率(事故/百万车公里)V8510km/h451814833206.060.4610km/hV8520km/h622217150.461.44V8520km/h1474717.052.76合计528717473373.570.52随着研究的深入，美国首先提出了以运行车速断面图为评估指标的体系。运行车速断面图是以道路前进方向为横轴，而以各个地点的运行车速的预测值作为纵轴，以图形表示运行车速在道路沿线的变化形态15。车速断面图模型用于预测路线各段平面曲线、竖曲线、平纵组合小客车的自由

37、流速度、第85位运行车速。模型还预测道路期望车速，它是车辆在直线路段上达到稳定状态时的运行车速。同时还包括对进入、离开曲线的加减速度、加减速度变化率的预测，以及纵坡坡度对运行车速的影响分析等。在此基础上，该模型推算两个指标：指标1为道路沿线的为85%运行车速与设计车速的偏差值；指标2为相邻几何线形区段运行车速的变化梯度。利用车速断面图模型的预测运行车速的过程如下16:第1步，选择一个期望车速，它一般是道路长直线区段的稳定运行车速，在模型中设定为一个固定值。第2步，应用运行车速的经验公式，预测每一个平曲线的运行车速。这些公式一般由一个国家或地区根据长期、大量观测数据的统计分析得出。第3步，通过曲

38、线段的运行车速以及直线段的期望速度，推算减速过程与加速过程。以完整的“曲线直线曲线”线形组合为例分析加减速过程，可以看出：从曲线n至曲线n+1的直线段长度，是加减速过程可用的区间；而从曲线n运行车速增加至期望车速所需要的距离，再加上从期望车速下降到曲线n+1的运行车速所需要的距离是加减速过程需要的区间。这两个区间长度的对比，再加上曲线n的运行车速Vn，曲线n+1的运行车速Vn+1，可用于描述这一“曲线直线曲线”组合段的加减速状况（如图5）。在这个组合段中，加速度是第一个曲线n的半径函数，而减速度是第二个曲线n+1的半径函数。IHSDM模型设计一致性模块中应用的加减速度值如表5。如果两曲线间的直

39、线长度不足，则运行车速有可能达不到期望车速的水平，这时需要调整运行车速，使其符合实际线形条件的限制。道路桩号V85100分析起点期望车速曲线n的起点从曲线n加速至期望车速曲线n的终点从期望车速减速到曲线n+1曲线n+1的起点曲线n+1的终点分析终点行车方向图5 基于平面线形的85%位运行车速的断面图第4步，利用TWOPAS公式预测坡度限制速度。TWOPAS是双车道公路微观仿真模型，由美国联邦公路局开发，目前的TWOPAS版本已由UC Berkeley修改。它基于纵断面线形和所选的车辆，产生了第二个速度断面图(图6)。竖曲线起点变坡点竖曲线终点分析终点分析起点100行车方向道路桩号V85图6 T

40、WOPAS速度断面图第5步，叠加图5和图6的车速断面图（如图7），选择运行车速预测值的最小值，生成最终的运行车速断面图（如图8）。道路桩号V85100分析起点期望车速行车方向TWOPAS生成的速度断面图加减速调整后的速度断面图分析终点图7 叠加图道路桩号V85100分析起点期望车速行车方向分析终点图8 最终速度断面图第三章 设计一致性软件开发及应用31 开发背景道路安全是道路设计中的不可忽视的一方面，但是，我国尚没有比较完整的道路安全评价系统，在这方面对双车道公路的研究更是少量的。因此，我们应该借鉴和参考发达国家的经验，这对减少我国双车道公路的交通事故具有很现实的意义。本文是基于美国IHSDM

41、模型的研究，结合我国自身的实际情况和已有的研究成果，开发适合我国的双车道公路的设计一致性软件。IHSDM模型中设计一致性模块应用到我国道路存在的一些问题，主要包括：IHSDM模型目前开发的版本只适用外国的农村双车道公路，IHSDM模型中应用的车速断面图评估法是目前比较成熟的一种车速评价方法，云南省320国道、312国道(三级)、307国道(二级)展开车速调查，同时选择浙江、江西省的一些三级路货车车速调查数据作为补充，以小客车和货车作为典型车种进行建模。所以对本文双车道公路设计一致性的研究具有一定的参考价值。两相邻均匀路段之间小客车运行车速之差不可超过15km/h（见表8），货车运行车速之差不可

42、超过10km/h。32 软件算法设计选择期望车速选择车辆选择期望车速第一条速度断面图第二条速度断面图利用TWOPAS公式预测坡度限制车速预测平曲线车速利用加减速度调整车速选择两者的最低车速一致性评价完成车速断面图图10 设计一致性评价流程图（1）假设：在双车道公路交通量中，小客车和货车的比例占到绝大多数，而且小客车机动性能好、速度快，被用作线形设计的标准车型，但是货车特别是大型载重货车的机动性能差，易出危险，所以在设计中需要考虑货车的车辆行驶特性和几何特征，以保证其行车安全。所以，本文讨论了小客车和货车的情况。为了方便建立预测模型，通过实际观测并参照国外的研究成果,本文采用了两个假设：1）驾驶

43、员在长直线段可以到达理想车速，即为期望车速。2）驾驶员根据对平曲线半径的判断选择行驶速度，车辆驶入曲线时将在缓和曲线段内完成加减速,在圆曲线上车辆保持匀速。（2）第一条速度断面图（流程图见图11）路段分析单元划分曲线段直线段半径500m半径500m直线段长度160m直线段长度160m根据平曲线半径确定V85按直线段考虑加速至期望车速此路段行车速度保持不变生成第一条速度断面图图11 第一条速度断面图流程图1）分析路段的划分及处理原则根据直线长度和平曲线半径大小，将整条路段划分为直线路段和曲线路段等若干个分析单元，二三级公路主要技术指标如表718。不同路段处理原则如下：当直线段位于两个小半径曲线之

44、间，且长度等于或小于临界值160m时，该直线段为短直线段，认为在此路段上车辆运行车速保持不变。在国外的研究成果中，瑞士取定的短直线段临界长度为145m，澳大利亚取定的短直线段临界长度为200m。根据实际可能存在的短直线长度，以及对我国驾驶员行为的研究，本文认为直线段临界长度取160m是适宜的。大于临界长度的直线自成一段。车辆在这样的平直路段上行驶，会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驶。平直路段上车辆的加速过程，可按下式计算： （1）式中：Ve直线段上的期望车速(m/s)参考表820；驶出曲线后的运行速度(m/s)；车辆的加速度(m

45、/s2)，参考表13；S直线段长度(m)。表8 平直路段上期望车速设计车速（km/h）6080期望车速（km/h）小客车608580100货车50606070小半径曲线的临界半径，高速公路取600m，二三级公路取500m。当圆曲线半径超过500m时，其运行车速按相应直线段考虑；连续小半径曲线段的分析单元划分。对于平曲线半径小于600m的路段，可将位于表9“路段半径范围”的相邻曲线划分为一个路段；若曲线组中的一条曲线不在此纵栏范围，应单独划分成一个路段单元17。表9 连续小半径曲线半径范围划分依据序号路段半径范围（m）序号路段半径范围（m）序号路段半径范围（m）序号路段半径范围（m）145659

46、90125171802852537050025070101001401820031026400530355751110515019225335274255604608512110170202453602845058557090131202002127039029480610675100141302152229541530500640780105151452402332044588511516155260243504752）小半径平曲线段的运行速度计算在纵坡i较小（-2%i2%）路段上的实测证明，行车速度主要取决于平面线形。车辆从直线段驶入平曲线半径R较小（R500m）的曲线时，一般都要减速。路

47、段单元为单独一条平曲线时“半径运行车速”关系函数为17：小客车：（相关系数=0.84） （2）货车：（相关系数=0.85） （3）几条连续小半径曲线的计算当满足表2半径范围要求的几条小半径曲线相连时，将这几条小半径曲线作为一个分析单元，其中特征半径值R考虑相邻曲线影响，采用下列方法确定：圆曲线上的曲率为：= （4）式中：曲线的曲率；R曲线半径。因为表示圆曲线的弯曲程度，实际为圆曲线单位长度上的角度变化值，这与我们CCR的定义基本相似，因此可以近似的认为CCR等于，即利用公式（4）反算CCR值，也就是相似路段的特征曲率，由=1/R，即得到相似路段的特征半径R值。再利用公式（2）（3）计算车速。C

48、CR= (5)式中：CCR为角度变化率，定义为相似特征路段上每单位长度的角度变化之和；为路段总长度；为相似特征连续路段内圆曲线i的长度（m）；为相邻缓和曲线j的长度（m）；为圆曲线的半径（m）。3）车辆进入、驶出小半径曲线段的加减速度模型当车辆由直线段进入小半径曲线段时,会有不同程度的减速行为。对于这种减速行为,当前比较便捷的模拟手段是采用动力学公式,代入恒定的减速度值,得到最终的运行速度。同理,当车辆由小半径曲线段驶出进入直线段时,其速度相对于直线段的运行速度较低,所以一般车辆会在一定距离内采取加速行为,到达自己理想的行驶速度。该加减速过程与车辆行驶的初速度、直线段的长度和汽车类型均有一定关

49、系，根据对外业调查采集的车速数据进行综合分析，可近似得到加减速度值基本恒定,即为常加减速度值（如表10）19。由此可计算小半径曲线进出口加减速度段的长度L,公式23： （6）式中：A表示常加减速度。表10 双车道公路常加减速度值进入平曲线匀减速度值（m/s）驶出平曲线匀加速度值（m/s）小客车d=-0.328小客车a=0.277货车d=-0.262货车a=0.171（3）第二条速度断面图16当纵坡坡度大于3%、坡长大于300m时，坡度和坡长会影响汽车的动力特性，所以应运行速度V85进行修正。公路项目安全性评价指南已规定我国高速公路特殊纵坡下对小客车运行车速修正值（如表11），但对双车道公路目前

50、还没有提出修正值。所以本文利用美国双车道公路微观交通仿真模型TWOPAS中的坡度限制公式对车速进行逐点修正。表11 高速公路特殊纵坡下小客车运行车速的修正纵坡坡度速度调整值上坡坡度4%降低5Km/h/1000m坡度4%降低8Km/h/1000m下坡坡度4%增加10Km/h/500m至期望车速坡度4%增加10Km/h/500m至期望车速1）利用TWOPAS坡度限制公式计算车速，公式： （7） =0.73 （8）（t为周期，取1s） （9）若/0.4m/s2 则=Ve （10）若/0.4m/s2且0 则=+（0.4+0.108/）t （11）若/0.4m/s2且0 则=0.4t （12）a= （13） （14）式中：g=9.8m/s2 G：坡度：现在车速 Ve：期望车速Vm、：车辆的性能参数，分别为车辆的最高车速和最大加速度（参考表1218、1323） ：间隔时间