運行速度及其在公路路線設(shè)計中的應(yīng)用分析

張鄒　韋春艷

摘要：我國現(xiàn)行的公路路線設(shè)計方法以設(shè)計速度為核心，但是設(shè)計速度與車輛行駛速度嚴(yán)重脫節(jié)，公路線形的指標(biāo)并不能滿足運行速度下的安全要求?；谶\行速度的概念，文章分析了運行速度的影響因素，對運行速度的獲取方法進(jìn)行了總結(jié)，并在上述工作的基礎(chǔ)上，介紹了運行速度在公路路線設(shè)計工作中的應(yīng)用，為公路路線設(shè)計工作提供參考。

關(guān)鍵詞：路線設(shè)計;運行速度;線形評價;預(yù)測模型

中國分類號：U412.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

路線是公路的骨架，確定了公路的位置和走向，路線設(shè)計是公路設(shè)計工作中的重要內(nèi)容，線形設(shè)計的合理與否關(guān)乎工程項目的規(guī)模造價、行車舒適性、公路運行效率和交通安全。近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，各地區(qū)的公路網(wǎng)絡(luò)日趨完善，交通參與者的數(shù)量達(dá)到了前所未有的數(shù)量級。與此同時，我國的交通安全問題日趨嚴(yán)重，道路交通事故發(fā)生頻率逐年增加，這對社會的健康有序發(fā)展以及人們的生命財產(chǎn)安全帶來了巨大影響。研究人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在道路運行系統(tǒng)中，大部分交通安全事故是由道路缺陷造成的，而公路線形和車輛運行速度不協(xié)調(diào)是造成公路缺陷的重要原因。因此，公路的設(shè)計方案不僅要與周圍環(huán)境和諧，還需要通過控制相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)來保證線形的連續(xù)、均衡和一致。

在《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）中，設(shè)計速度是路線設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)。路線設(shè)計工作中，路線的許多技術(shù)指標(biāo)都是通過設(shè)計速度來確定的。經(jīng)過多年的工程實踐，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)，以設(shè)計速度作為基礎(chǔ)參數(shù)的路線設(shè)計方法存在許多不足：

（1）車輛性能逐漸提高，行車速度較快，車輛運行速度與線形設(shè)計參數(shù)脫節(jié);

（2）線形設(shè)計要素之間兼容性較差;

（3）線形的行車速度標(biāo)準(zhǔn)不一致。

本文基于運行速度理論，介紹了運行速度的計算方法以及預(yù)測模型，結(jié)合目前行業(yè)規(guī)范，探討運行速度理論在我國公路路線設(shè)計工作中的應(yīng)用。

1 運行速度及計算方法

1.1 運行速度的概念

車速是公路幾何設(shè)計中重要的控制因素，也是影響公路交通安全的直接因素。

設(shè)計速度是指在良好的氣象和交通條件下，在公路各項設(shè)計要素的制約下，一般駕駛技術(shù)的駕駛員所能達(dá)到的最大行駛速度。設(shè)計速度是公路設(shè)計者假設(shè)的理想行車速度，是一個固定值。但是在實際行車過程中，行車速度會受到車輛性能、駕駛員和周圍環(huán)境的影響，車速始終處于波動狀態(tài)。

可能速度由文獻(xiàn)[3]楊少偉提出，是指當(dāng)交通和氣候條件良好，車輛的運行只需要考慮線形本身因素時，熟練駕駛員所能達(dá)到的速度。

運行速度是指在路面平整、潮濕，自由流狀態(tài)下，行駛速度累計分布曲線上對應(yīng)85%分位值的速度。運行速度是車輛實際運行動態(tài)的重要參數(shù)，是“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)相互作用的折射。

隨著公路線形的變化，駕駛員在路況、車況和環(huán)境的影響下，運行速度和可能速度圍繞設(shè)計速度上下波動，運行速度、可能速度和設(shè)計速度三者之間的關(guān)系如圖1所示。

1.2 運行速度影響因素分析

作為交通系統(tǒng)的重要組成部分，車輛的運行速度主要受到人、車、路、環(huán)境四個方面的影響，其中，公路線形是運行速度的重要影響因素。

駕駛員作為“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)的主體，駕駛員的信息接收狀態(tài)、駕駛經(jīng)驗以及應(yīng)急情況處理能力都會對車輛的運行速度產(chǎn)生影響。大量研究表明，駕駛員對運行速度的影響可以劃分為四個部分：駕駛過程、視覺特性、心理特性以及駕駛經(jīng)驗。在駕駛過程中，駕駛員通過各種感受器官接收外界環(huán)境的變化，環(huán)境中的交通流信息、路況以及自身車輛行駛狀態(tài)等信息經(jīng)過大腦接收處理后，會引起駕駛員的心理狀態(tài)的波動。結(jié)合駕駛經(jīng)驗，大腦對當(dāng)前的駕駛情況作出判斷，并指示身體進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)對措施。因此，在駕駛過程中，駕駛員本身的視覺特性、心理特性和駕駛經(jīng)驗都會對運行速度產(chǎn)生影響。

車輛是交通行為的主要實現(xiàn)者，在行駛過程中，駕駛員主要依據(jù)前方路況和車輛本身狀況對駕駛速度做出調(diào)整，因此車輛的外廓尺寸信息、動力性能和載重會對運行速度產(chǎn)生影響。在上下坡路段，車輛的動力性能是影響運行速度的最直接和最主要的因素。

駕駛過程是一個相對開放的系統(tǒng)，周圍環(huán)境的各種因素都會干擾駕駛員的操作，同時，周圍環(huán)境的變化，也會使得車輛性能發(fā)生變化，進(jìn)而影響運行速度。根據(jù)影響對象的不同，可以將環(huán)境因素分為交通干擾因素（交通流、非機(jī)動車和交叉口等）、路側(cè)景觀因素（主要對駕駛員心理狀態(tài)產(chǎn)生刺激）和氣候環(huán)境因素。

公路的線形設(shè)計往往受到公路等級和地形條件的約束，研究表明，同一車輛在不同等級和地形條件下的運行速度特性存在明顯差異，由此可以得出結(jié)論：公路線形會對運行速度產(chǎn)生較大影響。

道路平面線形由直線、圓曲線和緩和曲線構(gòu)成，線形參數(shù)會對運行速度產(chǎn)生較大影響。直線設(shè)計簡單，施工成本低，長直線會使駕駛員放松警惕，產(chǎn)生疲勞感和焦躁感;距離過短的直線會造成駕駛員的頻繁操作，增加駕駛員心理負(fù)擔(dān)。長度不合理的直線路段均會對運行速度產(chǎn)生影響。為了調(diào)整路線方向，適應(yīng)地形變化，需要使用圓曲線和緩和曲線銜接兩段直線。車輛在曲線路段行駛時，為了保證行駛安全和舒適性，駕駛員會根據(jù)線形的變化而對行車速度進(jìn)行調(diào)整。

在我國現(xiàn)行的規(guī)范中，路基的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面由車道、中間帶和路肩等部分組成，這些要素都會對車輛運行速度產(chǎn)生影響。一般來說，隨著車道寬度的增加，駕駛?cè)诵睦韷毫p小，從而導(dǎo)致較高的運行速度。同時，運行速度也受到縱斷面的各類線形指標(biāo)的影響，主要有坡長、坡度和豎曲線半徑等。其中，坡長和坡度對運行速度的影響較大，尤其對大型載重車輛而言，隨著坡長和坡度的增加，運行速度降低的幅度逐漸增大。

1.3 運行速度的獲取方法

運行速度的計算是評價公路線形設(shè)計和公路安全評估的基礎(chǔ)性工作。根據(jù)我國現(xiàn)行公路工程行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及文獻(xiàn)調(diào)研，運行速度的獲取方法主要有以下四種：

1.3.1 定義法

運行速度是行駛速度累計分布曲線上85%分位值的速度，根據(jù)此定義，在所測路段關(guān)鍵節(jié)點處設(shè)置錄像設(shè)備或者雷達(dá)測速儀器，分析數(shù)據(jù)后可以得到該路段的行駛速度分布曲線，尋找85%分位值的速度即為運行速度。

1.3.2 實時數(shù)據(jù)回歸模型法

一般認(rèn)為，運行速度受到駕駛員、車輛、公路線形和周圍環(huán)境的影響，其中公路線形對運行速度的影響最大。在運行速度回歸模擬中，只考慮公路線形的影響。首先分析會對車輛運行速度造成影響的路線設(shè)計參數(shù)，從而建立路線關(guān)鍵點的運行速度與設(shè)計參數(shù)的影響方程。然后在路線關(guān)鍵點設(shè)置測速設(shè)備，獲取車輛的實際速度。最后利用實際數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，從而得到運行速度的回歸模型。

1.3.3 基于車輛的運行速度模型法

該方法通過對車輛運行狀態(tài)的模擬，利用車輛系統(tǒng)動力學(xué)、運動學(xué)以及汽車安全運行情況，推導(dǎo)車輛運行速度的預(yù)測模型。

1.3.4 規(guī)范法

在我國現(xiàn)行的《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05-2015）中，提出了針對不同等級公路、不同分析單元的運行速度模型及其修正方法，可以利用該模型計算得到車輛運行速度。

規(guī)范法預(yù)測運行速度主要包含以下步驟：

（1）劃分分析單元

根據(jù)公路的線形參數(shù)，將公路劃分為平直路段、平曲線路段、縱坡路段和彎坡組合路段，劃分原則如表1所示，然后選擇各單元的起終點以及平曲線段和彎坡組合段的中點作為特征點。

（2）根據(jù)《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05-2015）中推薦的各等級公路運行速度預(yù)測模型，建立各分析單元的運行速度預(yù)測模型。

（3）結(jié)合各分析單元交通量、交叉口和交通干擾等因素對初始運行速度模型進(jìn)行修正，得到最終預(yù)測模型。

1.4 典型運行速度預(yù)測模型

1.4.1 澳大利亞法

基于運行速度的公路設(shè)計理論最初由澳大利亞學(xué)者提出，并在歐盟多國中進(jìn)行了應(yīng)用。通過對小半徑平曲線車輛行駛速度的調(diào)研，研究者認(rèn)為，平曲線半徑是車輛運行速度的最主要制約因素，式（1）為澳大利亞平曲線運行速度預(yù)測模型。

該模型只選取了路段平曲線半徑作為計算指標(biāo)，由本文1.2節(jié)可知，路面超高及寬度、坡道長度和縱向坡度等路線參數(shù)也會影響運行速度，因此該模型的合理性及準(zhǔn)確性有待商榷。

1.4.2 美國法

與澳大利亞研究思路一致，美國的學(xué)者選取了位于加州、德州和明尼蘇達(dá)州等地的140個平曲線作為研究對象，測量研究路段上的車輛運行速度，經(jīng)過回歸推算得到運行速度模型：

1.4.3 理論預(yù)測法

文獻(xiàn)[7]長安大學(xué)楊少偉從車輛本身出發(fā)，使用極限功率法和驅(qū)阻平衡的思想研究了車輛運行速度與功率之間的關(guān)系，并且結(jié)合公路線形推算出運行速度預(yù)測模型。

日本學(xué)者在參考幾何線形和路面狀況的基礎(chǔ)上，分析了汽車動力性能和駕駛員操作行為對運行速度的影響，建立了式（3）的預(yù)測模型。

式中，VBRAKE、VDRIVE、VROUGH、VCURVE、VDESIR分別為制動功率決定的速度、行駛功率決定的速度、路面不平度決定的速度、平曲線段的最大速度和期望車速。

2 基于運行速度的公路線形設(shè)計方法

我國現(xiàn)行的公路線形設(shè)計方法是基于設(shè)計速度進(jìn)行的，實際情況中車輛的運行速度與設(shè)計速度有很大差別?！豆仿肪€設(shè)計規(guī)范》（JTG D20-2017）中規(guī)定，公路應(yīng)按設(shè)計速度進(jìn)行路線設(shè)計，采用運行速度進(jìn)行檢驗，保持線形連續(xù)性;應(yīng)綜合協(xié)調(diào)公路平面、縱斷面和橫斷面三者的關(guān)系，做到平面順適、縱面均衡、橫面合理。根據(jù)上述要求，提出基于運行速度的公路線形設(shè)計方法，具體流程如圖2所示。

2.1 運行速度模型的建立

（1）分析單元劃分

根據(jù)初步設(shè)計的結(jié)果，結(jié)合表1中的劃分原則將設(shè)計路段劃分為若干分析單元。

（2）根據(jù)《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05-2015），結(jié)合設(shè)計路段公路等級和設(shè)計路線參數(shù)，選擇適宜的運行速度預(yù)測模型并對模型進(jìn)行修正。

2.2 基于運行速度的線形指標(biāo)檢驗

2.2.1 設(shè)計線形協(xié)調(diào)性檢驗

公路線形的協(xié)調(diào)性可以采用相鄰路段運行速度之間的差值作為評價指標(biāo)，相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

2.2.2 設(shè)計線形連續(xù)性檢驗

評價線形的連續(xù)性采用設(shè)計速度和運行速度的差值作為評價指標(biāo)，相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

2.2.3 設(shè)計線形舒適性檢驗

車輛行駛在曲線路段時會產(chǎn)生離心力，使人感到不適，因此采用橫向力系數(shù)來評價線形的舒適性，橫向力系數(shù)使用式（4）進(jìn)行計算，相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

2.2.4 視距安全性檢驗

視距是線形安全性能的重要體現(xiàn)，由于貨車質(zhì)量大，剎車距離長，所以通常采用貨車的停車視距來對線形視距進(jìn)行檢驗。單純的視距檢驗并不能體現(xiàn)貨車停車視距滿足安全需求的程度，因此采用式（5）的指標(biāo)對視距安全性進(jìn)行檢驗，相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

2.3 設(shè)計線形調(diào)整

根據(jù)本文2.2節(jié)中的檢驗內(nèi)容，對設(shè)計路段的所有分析單元逐個進(jìn)行檢驗。對于設(shè)計線形評價指標(biāo)為“不良”的分析單元，調(diào)整該單元的線形設(shè)計參數(shù)，使對應(yīng)的線形指標(biāo)滿足相關(guān)要求。

3 結(jié)語

本文在分析現(xiàn)有公路線形設(shè)計方法缺陷的基礎(chǔ)上，基于車輛運行速度的概念，總結(jié)了運行速度的影響因素和獲取方法以及典型的運行速度預(yù)測模型。鑒于當(dāng)前公路路線設(shè)計方法的瑕疵，在借鑒已有成果的基礎(chǔ)上，本文總結(jié)并改進(jìn)了基于運行速度的公路路線設(shè)計方法，對詳細(xì)的設(shè)計步驟和相關(guān)指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了論述，對以后的公路路線設(shè)計工作有一定的參考價值。

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