運(yùn)行速度及其在公路路線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

王 裕

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖南 長沙 410000)

1 引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,促進(jìn)了我國公路事業(yè)的繁榮。同時(shí)交通的便捷,又促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,兩者相輔相成。公路數(shù)量增長帶來利好的同時(shí),交通事故等道路安全問題也日益突出。圖1給出2015～2020年,我國交通事故發(fā)生數(shù)量及直接財(cái)產(chǎn)損失金額,由此可見交通事故的嚴(yán)重危害性。交通事故的發(fā)生,除了駕駛?cè)说认嚓P(guān)的不可控的主觀因素外,車速與公路路線設(shè)計(jì)直接影響道路行車安全。同時(shí),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,車量的增長,人們對道路路線的舒適性與適用性的要求也日益提高。因此研究公路路線設(shè)計(jì),提高公路路線設(shè)計(jì)的合理性與安全性,對降低交通事故,減少經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失,提高公路適用性,滿足人們對道路設(shè)計(jì)日益增長的要求,不斷促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,具有重要意義。

圖1 2015～2020年中國交通事故發(fā)生數(shù)量及直接財(cái)產(chǎn)損失金額

2 運(yùn)行時(shí)速概念

在公路的建設(shè)過程、運(yùn)營過程中,車輛的時(shí)速設(shè)計(jì)和路線方案設(shè)計(jì)尤其重要,同時(shí)也是運(yùn)營過程中車輛行車安全的重要保障。其中,車速又是路線方案設(shè)計(jì)的重要參考因素之一,其大小不僅直接影響路線幾何參數(shù),還極大的影響了公路投入運(yùn)營之后的使用安全和使用效率。目前,國內(nèi)外路線方案設(shè)計(jì)的參考依據(jù)主要兩種:分別是設(shè)計(jì)時(shí)速和運(yùn)行時(shí)速。

設(shè)計(jì)時(shí)速指的是在外界因素較好,其他設(shè)計(jì)特征均能夠滿足現(xiàn)有設(shè)計(jì)要求的前提下,特定區(qū)間公路路段能夠保持的最高時(shí)速。該概念最早于1940年,由美國AASHTO協(xié)會(huì)提出。并隨著國內(nèi)公路事業(yè)的發(fā)展,我國于2014年9月由交通部發(fā)布符合國情的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)中設(shè)計(jì)速度取值標(biāo)準(zhǔn)。

運(yùn)行速度即公路上車輛的實(shí)際行駛速度[1]。研究表明[1-2],駕駛員在一個(gè)路段上的車速是以0.14的變化系數(shù)均勻提高?；诮?jīng)濟(jì)性和選值代表性考慮,將車速百分比分布85%點(diǎn)對應(yīng)的速度,取為運(yùn)行速度V85。運(yùn)行速度獲得方法大致有三種:一種是路段實(shí)測法,該方法指的是通過某一特定路段對該路段的實(shí)際速度進(jìn)行測量,并由此繪制該路段的行車曲線,最后對曲線上的85%所對應(yīng)的值進(jìn)行選取,即為該路段的速度值。第二種是模型預(yù)測法,2016年4月交通部分布的《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范》中,提出運(yùn)行速度V85的模型計(jì)算方法[3-5]。第三種是理論預(yù)測法,根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)等指標(biāo)與運(yùn)行速度關(guān)系,反算得到運(yùn)行速度。其中,第一種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且僅適用于建成的公路,第三種方法要已知初步公路路線設(shè)計(jì),從而得到初步的相關(guān)指標(biāo),多用于公路路線設(shè)計(jì)評價(jià)階段,目前第二種方法,應(yīng)用較廣。

3 我國公路路線設(shè)計(jì)分析

我國現(xiàn)行公路路線設(shè)計(jì)基本思路是:首先根據(jù)公路設(shè)計(jì)等級按照現(xiàn)行規(guī)定,擇選適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)速度值。設(shè)計(jì)速度選定后,對照《標(biāo)準(zhǔn)》要求選擇確定其它設(shè)計(jì)要素的最低指標(biāo)。最終只要設(shè)計(jì)所采用的最小幾何指標(biāo)大于所對應(yīng)的最低指標(biāo),則認(rèn)為該公路路線設(shè)計(jì)滿足要求。

但經(jīng)過多年研究,國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)方法存在一定的不足,主要表現(xiàn)在。

(1)公路路線設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)車速往往和該公路建成后的運(yùn)營速度存在一定偏差,且往往低于實(shí)際運(yùn)營中速度,由此導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案中的幾何指標(biāo)不能滿足實(shí)際使用需求。

(2)根據(jù)設(shè)計(jì)車速確定的設(shè)計(jì)要素最低指標(biāo),最低指標(biāo)的限制與最高指標(biāo)的不設(shè)限,造成公路路線線形設(shè)計(jì)要素之間不協(xié)調(diào),線形指標(biāo)組合的不合理。盡管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中指出要避免多種最小值指標(biāo)的組合設(shè)計(jì),但類似的定性的描述,并不能指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)中指標(biāo)定量的確定。

基于現(xiàn)行公路路線設(shè)計(jì)的不足,以及運(yùn)行速度的影響性,本文提出基于運(yùn)行速度的公路路線設(shè)計(jì)研究。

4 基于運(yùn)行速度的公路路線設(shè)計(jì)研究

4.1 運(yùn)行速度計(jì)算

以運(yùn)行速度進(jìn)行公路路線設(shè)計(jì)時(shí),首先得知道運(yùn)行速度大小,前述介紹了三種運(yùn)行速度獲得方法,在此具體總結(jié)第二種模型預(yù)測法。《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范》預(yù)測模型中,取曲線中點(diǎn)作為速度計(jì)算點(diǎn),認(rèn)為車輛在圓曲線上做勻減速運(yùn)動(dòng),公路平面路線線形基本構(gòu)成要素見圖2。實(shí)際情況中,駕駛員在看到圓曲路段之前已在平直段完成減速,在彎曲路段上很少拐彎加速或突然減速,而是保持勻速率運(yùn)動(dòng)。曲線路段入口處,我們可以看到剎車痕跡分布位置,并非在曲線段上,而是在曲線段前的直線段上。故認(rèn)為應(yīng)取緩圓點(diǎn)作為運(yùn)行速度計(jì)算點(diǎn),并且將該點(diǎn)上的車輛的云頂速度近似認(rèn)為是做勻速運(yùn)動(dòng)。

圖2 線形基本構(gòu)成要素見

將《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范》該規(guī)范上的速度進(jìn)行修正,其模型如下。

(1)車輛在平直路段上加速行駛,直線段出口運(yùn)行速度Vc求解如下所示

(1)

式中:V0為直線段入口運(yùn)行速度;a0為車輛推薦加(減)速度,小車建議取0.15～0.4,大型貨車建議取0.20;s為直線段長度。

(2)縱坡段運(yùn)行速度,按表1對進(jìn)行修正。

表1 運(yùn)行速度修正表

(3)小半徑平曲線路段運(yùn)行速度,按表2記取。

表2 速度模型

(4)針對彎坡組合路段的運(yùn)行速度,按表3記取。

表3 預(yù)測模型

4.2 基于運(yùn)行速度的公路路線設(shè)計(jì)

考慮我國現(xiàn)行規(guī)范與工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)習(xí)慣,結(jié)合內(nèi)外學(xué)者相關(guān)路線設(shè)計(jì)方面的研究,在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)之上提出了一種基于運(yùn)行速度的新的設(shè)計(jì)方法。該方法首先是對公路路線的初步設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)階段,第一步是完成數(shù)據(jù)的收集與整理,以相似已建成路段的實(shí)測運(yùn)行速度為原始數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理軟件擬合實(shí)測車速在測試過程中得到的一個(gè)正態(tài)分布,曲線,并取該擬合曲線上85%所對應(yīng)的速度值,并將該值的大小作為V0,即初始速度大小。比較V0與《標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)速度Vd大小,當(dāng)兩者差值不超過10 km/h時(shí),取V0作為初步設(shè)計(jì)速度。當(dāng)兩者差值超過10 km/h時(shí),取兩者之間的較大值作為初步設(shè)計(jì)速度。當(dāng)無相似已建成公路可參考時(shí),可直接取Vd作為初步設(shè)計(jì)速度。根據(jù)初步設(shè)計(jì)速度,運(yùn)用公路路線設(shè)計(jì)速度法進(jìn)行路線初步設(shè)計(jì),繪制公路平面線形。

其次,依據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范》,將路線劃分為路段分析單元。

然后,采用4.1所述運(yùn)行速度模型預(yù)測法,分別計(jì)算各路段運(yùn)行速度。對得到的相鄰路段運(yùn)行速度進(jìn)行連續(xù)性檢驗(yàn)。連續(xù)性檢驗(yàn)要求控制相鄰路段運(yùn)行速度差值不超過10 km/h,并對不符合路段路線設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整或者增設(shè)過渡段。根據(jù)各路段調(diào)整結(jié)果,重新繪制公路全線設(shè)計(jì)圖,完成路線設(shè)計(jì)。

4.3 公路路線設(shè)計(jì)評價(jià)

基于公路路線設(shè)計(jì)安全性與舒適性慎重考慮,應(yīng)對已完成公路路線設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)評價(jià)。在運(yùn)行速度計(jì)算方法3中,也是基于路線設(shè)計(jì)的評價(jià)模型反算運(yùn)行速度。國內(nèi)外學(xué)者針對公路路線設(shè)計(jì)評價(jià)提出了多種評價(jià)模型,在此不再贅述。評價(jià)模型選取時(shí),需符合路段實(shí)際情況。

5 結(jié) 語

我國現(xiàn)行公路路線設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)速度法存在的不足已被廣泛地認(rèn)知,運(yùn)行速度在公路路線設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必要性與合理性,也被提出,公路路線設(shè)計(jì)正在向更完善更成熟的方向發(fā)展。但公路運(yùn)行速度及基于運(yùn)行速度的提出較晚,發(fā)展仍不成熟,首先關(guān)于運(yùn)行速度的獲得與記取,亟待更多更簡單更合理的計(jì)算模型。其次基于運(yùn)行速度的設(shè)計(jì)方法,受困于路面幾何指標(biāo)與規(guī)范相應(yīng)設(shè)計(jì)要素限制,仍不能脫離設(shè)計(jì)速度法,需要更多學(xué)者的研究與分析。