基于運(yùn)行速度的公路路線三維設(shè)計(jì)

劉英克，田兆豐

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范仍使用設(shè)計(jì)速度這一理念，《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]確定了不同等級(jí)公路的計(jì)算行車速度指標(biāo)，設(shè)計(jì)速度作為最關(guān)鍵的因素，一經(jīng)確定，其他幾何設(shè)計(jì)參數(shù)的指標(biāo)（如平豎曲線半徑、超高、加寬、視距等）必須與其配合，達(dá)到均衡設(shè)計(jì)的目的。

經(jīng)過(guò)多年的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)者總結(jié)出基于設(shè)計(jì)速度的路線設(shè)計(jì)方法的不足之處，主要有以下幾點(diǎn)：

a）線形設(shè)計(jì)要素與實(shí)際行車速度不相符；

b）線形要素之間組合設(shè)計(jì)不合理；

c）設(shè)計(jì)車速與實(shí)際運(yùn)行車速存在差異。

為了彌補(bǔ)這些不足，相關(guān)學(xué)者提出了運(yùn)行速度法并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，但這些研究多集中于采用運(yùn)行速度法對(duì)道路進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，與道路線形設(shè)計(jì)結(jié)合得不夠緊密，目前的運(yùn)行速度設(shè)計(jì)方法還停留在路線安全評(píng)價(jià)階段，與路線設(shè)計(jì)過(guò)程存在一定的脫節(jié)。

路線三維設(shè)計(jì)的一個(gè)最關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，簡(jiǎn)稱“DTM或數(shù)?！保┑膽?yīng)用。利用數(shù)字地面模型進(jìn)行道路勘測(cè)設(shè)計(jì)，是提高道路勘測(cè)設(shè)計(jì)能力和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要且有效的手段。

1 運(yùn)行速度計(jì)算模型

1.1 運(yùn)行速度

1.1.1 運(yùn)行速度概念

運(yùn)行速度是指在良好的天氣條件、干凈、潮濕的路面條件和自由流狀態(tài)的交通條件下，公路路段上第85%位的車輛運(yùn)行速度。研究表明：運(yùn)行速度是一個(gè)隨機(jī)變量，一般呈正態(tài)分布，按統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，選用V85來(lái)表示路段上的車輛實(shí)際行駛速度。

1.1.2 運(yùn)行速度影響因素

道路交通系統(tǒng)是由人、車、路以及周圍環(huán)境構(gòu)成的，因此，車輛運(yùn)行速度的變化就會(huì)受到公路本身幾何條件、汽車狀況、駕駛員及周圍環(huán)境等因素的影響。有時(shí)某因素起主導(dǎo)作用，有時(shí)則起次要作用。研究表明，運(yùn)行速度的三大主要影響因素為：駕駛員行為、汽車類型和公路幾何特性。

1.2 運(yùn)行速度的計(jì)算方法

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)運(yùn)行速度計(jì)算方法進(jìn)行了深入的研究，建立的模型主要有以下幾種：實(shí)測(cè)法、理論法、模型法、圖表法、新理念法。模型法是通過(guò)我國(guó)多條高速公路的實(shí)際運(yùn)行速度回歸分析出來(lái)的，而其他幾種方法都沒(méi)有這樣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為支撐，因此，模型法在一定程度上更能反映我國(guó)公路實(shí)際的運(yùn)行情況。

本文采用的運(yùn)行速度計(jì)算模型是在《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》（以下簡(jiǎn)稱“《指南》”）模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其存在的不足進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，使得計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際情況。

1.3 《指南》模型存在的問(wèn)題及其對(duì)策

1.3.1 初始運(yùn)行速度選取

《指南》模型中，初始運(yùn)行速度值是實(shí)測(cè)值或者由設(shè)計(jì)速度來(lái)確定的，是一固定值。由于各公路所處的地形、周圍環(huán)境等不盡相同，本文采取的初始運(yùn)行速度值應(yīng)在其相鄰路段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到，如條件不許，則可以借鑒該地區(qū)同樣等級(jí)公路的初始運(yùn)行速度值，并考慮預(yù)測(cè)起始點(diǎn)所處位置（如橋梁、隧道、互通出入口）等情況，進(jìn)行必要的修正。

1.3.2 平曲線半徑臨界值

《指南》模型劃分路段時(shí)，直線段與曲線段的劃分是以半徑1000m為界。劃分的依據(jù)是：平曲線半徑大于1000m時(shí)，半徑對(duì)運(yùn)行速度的影響可以不考慮。此劃分方法未考慮公路等級(jí)、設(shè)計(jì)速度等因素。所以，選取的基本原則是：公路等級(jí)越高，平曲線臨界半徑值越大。

2 運(yùn)行速度路線設(shè)計(jì)方法

運(yùn)行速度路線設(shè)計(jì)方法的核心內(nèi)容是：將公路路線設(shè)計(jì)和路線安全評(píng)價(jià)集成，結(jié)合交互式路線設(shè)計(jì)，將路線安全評(píng)價(jià)融入到路線設(shè)計(jì)中去。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的路線在一定程度上保證了線形的連續(xù)性。

2.1 運(yùn)行速度安全評(píng)價(jià)方法

2.1.1 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)指標(biāo)：

a）當(dāng)速度梯度小于10km/h/100m時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)采用相鄰路段運(yùn)行速度的差值ΔV85：

b）當(dāng)|ΔV85|＜10km/h時(shí)，表明運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性好（事故率低，基本不存在事故多發(fā)地點(diǎn)）；

c）當(dāng)10km/h≤|ΔV85|≤20km/h時(shí)，表明運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性較好（事故率有所增加，事故多發(fā)地點(diǎn)比較稀少）；

d）當(dāng)|ΔV85|＞20km/h時(shí)，表明運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性不好，相鄰路段需重新調(diào)整平、縱面設(shè)計(jì)（事故率很高，事故多發(fā)地點(diǎn)比較密）。

2.1.2 運(yùn)行速度一致性評(píng)價(jià)

運(yùn)行速度一致性評(píng)價(jià)是指：在單個(gè)路段上，運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度應(yīng)保持一致性。一般用路段運(yùn)行速度V85與設(shè)計(jì)速度Vd的差值|V85-Vd|來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

當(dāng)|V85-Vd|＜10km/h時(shí)，表明線形設(shè)計(jì)質(zhì)量好；

當(dāng)10km/h≤|V85-Vd|≤20km/h時(shí)，表明線形設(shè)計(jì)質(zhì)量較好；

當(dāng)|V85-Vd|＞20km/h時(shí)，表明線形設(shè)計(jì)質(zhì)量差。

2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

2.2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

在Win32開(kāi)發(fā)環(huán)境下所需要的工具或者軟件有：AutoCAD 2004中文版或英文版、VC++6.0英文版、ObjectARX 2004開(kāi)發(fā)包。

2.2.2 程序構(gòu)架

將路線CAD和路線安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)集成到一起，即在原有的路線CAD系統(tǒng)中嵌入路線安全評(píng)價(jià)模塊。路線安全評(píng)價(jià)模塊可分為運(yùn)行速度計(jì)算、安全評(píng)價(jià)及動(dòng)態(tài)查詢等三個(gè)子模塊（如圖1所示）。

圖1 運(yùn)行速度法程序構(gòu)架

2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.3.1 用戶交互設(shè)計(jì)功能

ObjectARX語(yǔ)言提供了一系列和用戶交互的函數(shù)，如acedGetString、acedGetPoint、acedGetInt、acedGetKword和acedGetReal等，能夠及時(shí)將用戶信息，反饋給系統(tǒng)。

2.2.3.2 動(dòng)態(tài)拖動(dòng)和實(shí)時(shí)查詢功能

對(duì)于在AutoCAD內(nèi)創(chuàng)建圖形對(duì)象，要在創(chuàng)建或編輯中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)拖動(dòng)的效果，可以使用acedGrRead函數(shù)。利用該函數(shù)可以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)全線任意樁號(hào)點(diǎn)運(yùn)行速度和運(yùn)行速度梯度的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)查詢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路線設(shè)計(jì)不合理單元，并進(jìn)行針對(duì)性地修改。

2.2.3.3 擴(kuò)展數(shù)據(jù)功能

路線交互功能的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于擴(kuò)展實(shí)體數(shù)據(jù)的應(yīng)用，因?yàn)榇蟛糠直匦璧臄?shù)據(jù)信息無(wú)法通過(guò)對(duì)常規(guī)實(shí)體數(shù)據(jù)的操作獲得。如導(dǎo)線法設(shè)計(jì)時(shí)，其“交互”、 “拖動(dòng)”等功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)對(duì)其交點(diǎn)處的直線段、圓弧段、緩和曲線段等實(shí)體單元上的擴(kuò)展實(shí)體數(shù)據(jù)的訪問(wèn)獲得該交點(diǎn)的各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算來(lái)完成的。

2.3 設(shè)計(jì)步驟

基于運(yùn)行速度的路線路線設(shè)計(jì)方法一般步驟如圖2所示：

圖2 運(yùn)行速度法設(shè)計(jì)步驟

3 三維建模設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字地面模型部分

數(shù)字地面模型部分主要有兩個(gè)部分，分別為讀取數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)和構(gòu)建三角網(wǎng)數(shù)字地面模型。構(gòu)網(wǎng)成果如圖3所示。

圖3 帶約束三角網(wǎng)數(shù)字地面模型（CDT）

3.2 公路三維建模部分

公路三維建模設(shè)計(jì)主要有：路基路面建模、標(biāo)線建模、護(hù)欄建模、構(gòu)造物建模等（如圖4、圖5所示）。

圖4 整體模型（俯視）

圖5 三維漫游

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)運(yùn)行速度在線形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，較系統(tǒng)地提出了運(yùn)行速度法設(shè)計(jì)流程，并編制出運(yùn)行速度法路線CAD軟件；快速實(shí)現(xiàn)了公路表面模型與地形模型的整體構(gòu)網(wǎng)；最后實(shí)現(xiàn)了基于運(yùn)行速度的路線三維漫游，方便設(shè)計(jì)師、決策者直觀地對(duì)線形設(shè)計(jì)質(zhì)量及行車安全進(jìn)行檢查與評(píng)價(jià)。

[1]JTG B01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]JTG D20-2006，公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]程建川.集成化道路幾何設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].南京：東南大學(xué)，2001.

[4]王福建，吳國(guó)雄.道路工程三維建模技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]和平鴿工作室.三維圖形系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)用技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.