基于設(shè)計速度與運行速度理念在山區(qū)高速公路限速設(shè)計中的優(yōu)化應(yīng)用研究

朱晴晴

（貴州順康勘察設(shè)計有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

根據(jù)現(xiàn)行公路路線設(shè)計規(guī)范，我國山區(qū)高速公路新建和改建公路的路線設(shè)計方法采用的是設(shè)計速度，并結(jié)合運行速度進行線形連續(xù)性檢驗，最終確定限制速度。德、美、法等發(fā)達國家普遍采用運行速度設(shè)計理念。這兩種設(shè)計理念存在的局限性直接影響了限制速度的設(shè)計，且受到山區(qū)地形限制，局限性在山區(qū)高速表現(xiàn)得尤為明顯。因此，在設(shè)計中平衡設(shè)計速度與運行速度的關(guān)系，達到兼顧“以人為本”的公路設(shè)計目的，需對設(shè)計速度與運行速度理念在公路限速設(shè)計中的應(yīng)用進一步展開研究。

1 設(shè)計方法的應(yīng)用分析

我國的山區(qū)高速公路設(shè)計是以設(shè)計速度為基本指標(biāo)，并考慮路線曲線半徑、視距、縱坡等多指標(biāo)相互協(xié)調(diào)[1]。目前，國家已制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范公路限速標(biāo)志的設(shè)計[2]，技術(shù)人員在山區(qū)高速公路設(shè)計中出于安全考慮，往往會全線統(tǒng)一采用設(shè)計速度為限制速度，僅在因隧道等構(gòu)筑物影響的局部考慮限速調(diào)整，其主要原因在于設(shè)計速度和運行速度的平衡設(shè)計關(guān)系較為模糊。以設(shè)計速度為特定概念的高速公路設(shè)計方法，首先將設(shè)計速度作為一個定值常數(shù)，不同技術(shù)等級的設(shè)計速度可以相同，同時要確保設(shè)計速度與公路等級相匹配，并根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照曲線段元素信息如平縱面幾何線形的指標(biāo)采用值，對照設(shè)計各個路段?；谠O(shè)計速度理念的設(shè)計方法，在國內(nèi)已被路線設(shè)計人員熟練掌握和使用，一方面是設(shè)計方法和思路容易理解，另一方面是國家規(guī)范的推動。一般來說，設(shè)計速度理念是滿足于最低的技術(shù)指標(biāo)，同時也存在一些不足，其一，從本質(zhì)上來看，按照設(shè)計速度方法不可避免地與實際運行速度是存在不一致。其二，路線設(shè)計人員在技術(shù)指標(biāo)控制方面存在主觀隨意性、盲目性，生搬硬套指標(biāo)參數(shù)，導(dǎo)致路線的實際運行速度與設(shè)計速度明顯不協(xié)調(diào)。其三，現(xiàn)行設(shè)計中往往簡單地把設(shè)計速度設(shè)置為限制速度，忽略了運行速度的可優(yōu)化性，降低了駕駛舒適感。

以運行速度作為設(shè)計理念的方法，也是許多國家的基礎(chǔ)設(shè)計方法。與設(shè)計速度方法不同是，運行速度方法基于駕駛實際，根據(jù)高速公路的可視線形、駕駛員水平及駕駛車輛的動力性能等各種因素動態(tài)變化。運行速度設(shè)計方法主要參考影響車輛運行速度的因素，包括氣候影響、車輛性能、駕駛員水平、道路的交通擁擠情況、路側(cè)敏感點影響以及路線的幾何特征等，更偏向于采用動態(tài)和實際運營情況的指標(biāo)?；谶\行速度的設(shè)計方法，為公路設(shè)計中路線方案的優(yōu)化與調(diào)整、具體技術(shù)參數(shù)的選取、完善交通設(shè)施設(shè)計等方面提供更準(zhǔn)確的依據(jù)，可以更有效地避免駕駛特性與公路特征不匹配的現(xiàn)象。

我國相關(guān)公路設(shè)計規(guī)范規(guī)定必須采用運行速度檢驗設(shè)計路線的合理性，主要針對設(shè)計速度存在的不足，改善技術(shù)指標(biāo)，或采用必要的交通安全技術(shù)、管理措施，是對設(shè)計速度的設(shè)計方法的補充、完善與提高。同時，強調(diào)相鄰路段運行速度之差應(yīng)小于20km/h，運行速度與設(shè)計速度之差應(yīng)小于20km/h。由于運行速度只有在項目建成后才能真正反映，基于運行速度的設(shè)計方法實際上采用的也是一種模擬設(shè)計，需要后期調(diào)整，具有局限性。

基于設(shè)計速度和運行速度均有局限性，設(shè)計復(fù)雜程度更是增加不少，因此，要充分應(yīng)用設(shè)計速度和運行速度的優(yōu)勢，使限速設(shè)計更加合理，道路資源利用率更高，就需要進一步研究設(shè)計速度與運行速度的應(yīng)用關(guān)系。事實上，對于既有高速，為了滿足日益提升的公路服務(wù)體驗，多考慮調(diào)整限速。關(guān)于調(diào)整限速，國內(nèi)學(xué)者作出了一些有意義的研究，如黃晨[3]針對我國高速公路速度運營管理現(xiàn)狀，充分考慮公路服務(wù)效率和安全交通兩個方面，提出了一種用于高速公路限速標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整效果評價的方法。對于不利氣候影響研究中，劉瑋蔚等[4]從考慮雨天影響交通安全的角度出發(fā)，結(jié)合雨天特征應(yīng)用了隨機森林模型，對高速公路的風(fēng)險特征進行重要度標(biāo)定，同時又結(jié)合了熵值理論，建立了風(fēng)險模型，從理論上深入研究了雨天可變速的設(shè)計方法。王大偉等[5]從行車安全性和舒適性兩個方面對限速路段進行了基本研究。值得注意的是，既有研究一般均以設(shè)計速度理念或運行速度理念中的一種，作為公路設(shè)計的基本設(shè)計方法。

我國以前建設(shè)的高速公路車道劃分為內(nèi)側(cè)超車、外側(cè)混合的交通管理模式，隨著我國交通發(fā)展加速，山區(qū)高速公路建設(shè)里程和規(guī)模相應(yīng)增大，為了滿足更大交通需求，許多山區(qū)高速公路的車道數(shù)量也從最開始常見的雙向四車道升級為雙向六車道、雙向八車道甚至雙向十車道，多車道中各車輛在空間上行駛橫向分布位置差異較大，設(shè)計中采用的二維線形控制標(biāo)準(zhǔn)已不符合實際情況，其主要原因在于我國高速公路采用分車道限速管理和控制方式，規(guī)定了在內(nèi)側(cè)車道主要是小型車輛行駛，大型車則要求靠右行駛，即外側(cè)車道。不同車道的車輛對應(yīng)的運行速度也不相同，這樣也會降低車型間的相互干擾，分車道限速管理的實施方式使得車輛運行速度有所提升，對道路線形的要求也隨之提高。事實上，行駛區(qū)域中不同車輛的差異，如駕駛員視距和動力性能差異，導(dǎo)致各個車輛間存在駕駛干擾，使道路的通行服務(wù)能力下降；如果相互車輛之間行駛紊亂，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致交通事故，因此，應(yīng)根據(jù)不同車型采取分車道管理模式，為交通安全提供更好的保障。

值得注意的是，在分車道管理模式及考慮不同車道的運行速度差異情況下，對道路設(shè)計人員道路的幾何要素設(shè)計和指標(biāo)把控能力方面也提出更高要求，比如作為山區(qū)高速公路設(shè)計中重要指標(biāo)之一的視距、加減速車道設(shè)計以及標(biāo)志標(biāo)牌的設(shè)置準(zhǔn)確性和合理性，若未綜合考慮山區(qū)高速公路不同車道運行速度特點和行車規(guī)律，將造成一定的交通安全隱患，因此，道路設(shè)計人員應(yīng)盡可能采取合適的指標(biāo)，保障高速公路的運行安全。

一般來說，高速公路行駛中車速越高，發(fā)生事故的風(fēng)險也越大，受車輛性能、駕駛水平以及其他因素的綜合影響，風(fēng)險與速度不成線性關(guān)系。眾所周知，車輛的速度與事故發(fā)生的概率和事故發(fā)生的嚴(yán)重性存在直接關(guān)系，其中，超速行駛是山區(qū)高速公路中導(dǎo)致事故發(fā)生最為常見的因素。超速行駛的危害包括[6]：

第一，駕駛員在高速行駛的過程中視距是比較差的，在超速行駛時駕駛員能直觀感受到視野變窄，突發(fā)交通險情的判斷力變差，特別是在山區(qū)高速公路行駛中，長時間或遠距離的高速駕駛，加之山區(qū)高速公路的線形較平原地區(qū)存在“彎急坡陡”的不利情況，極易導(dǎo)致駕駛員在出現(xiàn)疲乏狀態(tài)的情況下難以準(zhǔn)確應(yīng)對急彎和陡坡加速，大大增加了發(fā)生事故的風(fēng)險。

第二，超速行駛的車輛，因慣性和車輛自重較大的影響，發(fā)生碰撞、側(cè)翻等事故產(chǎn)生的沖擊力很大。對于貨車，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中的規(guī)定，貨車在高速公路的設(shè)計速度取值通常確定為80km/h，該設(shè)計速度對應(yīng)的視距為125m。

第三，超速行駛的車輛制動距離明顯增長，車速與制動距離的關(guān)系約是四倍關(guān)系，即車速增加一倍，制動距離將增加四倍；對于重載車輛，距離將顯著增加；對于濕滑路面，發(fā)生事故的風(fēng)險和嚴(yán)重程度也是以指數(shù)級增加的。

澳大利亞RTA 以60km/h 的速度為實測基本變量，研究速度與事故危險性的關(guān)系，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，速度每增加5.0km/h，發(fā)生事故的危險性大概以兩倍遞增，駕駛安全性對速度變化的敏感性是很強的。事實上，運行速度與公路事故風(fēng)險程度之間是一個U 型曲線關(guān)系，如圖2 所示。從圖2 中可以看出，當(dāng)運行速度與平均速度和差值增大時，事故風(fēng)險程度都是增大的，即在高速公路行駛中，超速或低速行駛都會使事故程度顯著增大。

圖1 速度與事故危險性的關(guān)系

2 設(shè)計限速方法的應(yīng)用優(yōu)化分析

由于設(shè)計速度和運行速度理念均存在局限性，因此，路線設(shè)計中首先會根據(jù)規(guī)范要求按照設(shè)計速度理念設(shè)計，再采用運行速度進行檢驗。該設(shè)計方法是一種相對“靜態(tài)”的方法，要想使得路線設(shè)計總體上更加符合“以人為本”的科學(xué)限速設(shè)計理念，須從設(shè)計速度、運行速度和限速方案相互關(guān)系中尋求優(yōu)化設(shè)計方法，從而讓限速方案更加合理，道路服務(wù)水平更高。

2.1 靜態(tài)限速設(shè)計

靜態(tài)限速設(shè)計中最典型的方法就是根據(jù)規(guī)范設(shè)計，靜態(tài)限速設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)從以下三個方面考慮：

第一，建立設(shè)計信息共享平臺。目前，道路設(shè)計人員采用的設(shè)計理念類似于參數(shù)對照式方法，設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗往往在于熟練把握各規(guī)范對應(yīng)的參數(shù)或指標(biāo)，且各勘察設(shè)計單位間的設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)并不共享，進而導(dǎo)致設(shè)計人員的設(shè)計合理性嚴(yán)格依賴于規(guī)范，設(shè)計人員對設(shè)計是否合理主要體現(xiàn)在是否滿足規(guī)范。從國家交通安全設(shè)計良性發(fā)展的角度來看，有條件時應(yīng)建立道路優(yōu)化設(shè)計方法數(shù)據(jù)平臺。比如，首先邀請代表單位根據(jù)項目的特點，統(tǒng)計設(shè)計過程中理論運行速度與設(shè)計速度差別較大、較小以及基本一致的代表性路段。其次，根據(jù)交工階段的實地駕駛感受，更為清晰和直觀地對設(shè)計成果中合理駕駛速度進行評價，以此豐富設(shè)計人員的經(jīng)驗。最后，結(jié)合規(guī)范將設(shè)計經(jīng)驗和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)反饋于數(shù)據(jù)平臺，為規(guī)范的更新和完善以及設(shè)計案例參考提供較為可靠的依據(jù)。只有在理論設(shè)計方法更加合理的情況下，才能更好地保障限速設(shè)計方案的合理性和安全性。

第二，充分考慮限速設(shè)計因素。當(dāng)路線經(jīng)過包括理論運行速度核驗等設(shè)計優(yōu)化時，應(yīng)多方面考慮各個影響限速設(shè)計的因素，如多車道、長直線、長下坡或大半徑圓曲線接小半徑圓曲線、視覺連續(xù)性、連續(xù)彎道、隧道、橋梁等，可以采用仿真模型進行分析。

第三，提高交通安全設(shè)施實施合理性。由于交通安全設(shè)施設(shè)計涉及標(biāo)志、標(biāo)線、標(biāo)牌、護欄等設(shè)施，這些設(shè)施又在一定程度上影響了限速標(biāo)志位置和信息的合理性，使得設(shè)計人員難以準(zhǔn)確、合理地協(xié)調(diào)各個設(shè)施之間的空間位置和信息關(guān)系。同時，采用BIM 信息集成技術(shù)來替代目前普遍采用的二維CAD 設(shè)計，通過數(shù)字化技術(shù)建立信息化虛擬三維模型，可以較為可靠地在設(shè)計階段解決該問題。此外，結(jié)合交工階段的實地駕駛檢視與排查，將進一步優(yōu)化限速設(shè)計，節(jié)約工程造價。

2.2 動態(tài)限速設(shè)計

動態(tài)限速設(shè)計方法一般是在靜態(tài)設(shè)計基礎(chǔ)上進行合理可變限速控制，屬于一種后處理方法。動態(tài)限速設(shè)計主要考慮不利天氣和交通流影響，從原理角度來看，較靜態(tài)設(shè)計方法簡單，不利天氣主要考慮雨霧、凝凍氣候，一般根據(jù)路段監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)控，并根據(jù)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)實時地、動態(tài)地將安全限速值動態(tài)反饋在可變限速標(biāo)志系統(tǒng)。目前，在山區(qū)高速公路設(shè)計中，一般重點對考慮設(shè)置樞紐互通位置的交通量影響，弱化不同路段交通流預(yù)測。事實上，受到多因素的綜合影響，全路段準(zhǔn)確、實時地進行交通流監(jiān)測較為困難，因此，交通流監(jiān)測往往在運營期定點觀測較為可靠。

3 結(jié)語

第一，山區(qū)高速公路限速設(shè)計中同時采用設(shè)計速度和運行速度設(shè)計方法是必要的。

第二，為了更好地保障限速設(shè)計方案的合理性和安全性，有條件時整合道路設(shè)計資源建立道路優(yōu)化設(shè)計方法數(shù)據(jù)平臺是值得嘗試的。

第三，對于影響限速設(shè)計中的諸多因素，一般來說采用仿真模型進行分析設(shè)計階段是相對科學(xué)可靠的方法之一。

第四，基于當(dāng)前交通安全設(shè)施的設(shè)計現(xiàn)狀，結(jié)合BIM 技術(shù)與交工階段的實地駕駛與排查，可進一步提高交通安全設(shè)施實施合理性。