劉英克,田兆豐
(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,山西 太原 030012)
我國現(xiàn)行規(guī)范仍使用設(shè)計速度這一理念,《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]和《公路路線設(shè)計規(guī)范》[2]確定了不同等級公路的計算行車速度指標(biāo),設(shè)計速度作為最關(guān)鍵的因素,一經(jīng)確定,其他幾何設(shè)計參數(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,達到均衡設(shè)計的目的。
經(jīng)過多年的工程設(shè)計實踐,國內(nèi)外設(shè)計者總結(jié)出基于設(shè)計速度的路線設(shè)計方法的不足之處,主要有以下幾點:
a)線形設(shè)計要素與實際行車速度不相符;
b)線形要素之間組合設(shè)計不合理;
c)設(shè)計車速與實際運行車速存在差異。
為了彌補這些不足,相關(guān)學(xué)者提出了運行速度法并對其進行了深入的研究,但這些研究多集中于采用運行速度法對道路進行安全評價,與道路線形設(shè)計結(jié)合得不夠緊密,目前的運行速度設(shè)計方法還停留在路線安全評價階段,與路線設(shè)計過程存在一定的脫節(jié)。
路線三維設(shè)計的一個最關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字地面模型(Digital Terrain Model,簡稱“DTM或數(shù)?!保┑膽?yīng)用。利用數(shù)字地面模型進行道路勘測設(shè)計,是提高道路勘測設(shè)計能力和提高設(shè)計質(zhì)量的重要且有效的手段。
1.1.1 運行速度概念
運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%位的車輛運行速度。研究表明:運行速度是一個隨機變量,一般呈正態(tài)分布,按統(tǒng)計學(xué)的方法,選用V85來表示路段上的車輛實際行駛速度。
1.1.2 運行速度影響因素
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,車輛運行速度的變化就會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。有時某因素起主導(dǎo)作用,有時則起次要作用。研究表明,運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。
國內(nèi)外研究人員對運行速度計算方法進行了深入的研究,建立的模型主要有以下幾種:實測法、理論法、模型法、圖表法、新理念法。模型法是通過我國多條高速公路的實際運行速度回歸分析出來的,而其他幾種方法都沒有這樣的基礎(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公路實際的運行情況。
本文采用的運行速度計算模型是在《公路項目安全性評價指南》(以下簡稱“《指南》”)模型的基礎(chǔ)上,對其存在的不足進行相關(guān)調(diào)整,使得計算結(jié)果更加接近實際情況。
1.3.1 初始運行速度選取
《指南》模型中,初始運行速度值是實測值或者由設(shè)計速度來確定的,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,本文采取的初始運行速度值應(yīng)在其相鄰路段現(xiàn)場實測得到,如條件不許,則可以借鑒該地區(qū)同樣等級公路的初始運行速度值,并考慮預(yù)測起始點所處位置(如橋梁、隧道、互通出入口)等情況,進行必要的修正。
1.3.2 平曲線半徑臨界值
《指南》模型劃分路段時,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,半徑對運行速度的影響可以不考慮。此劃分方法未考慮公路等級、設(shè)計速度等因素。所以,選取的基本原則是:公路等級越高,平曲線臨界半徑值越大。
運行速度路線設(shè)計方法的核心內(nèi)容是:將公路路線設(shè)計和路線安全評價集成,結(jié)合交互式路線設(shè)計,將路線安全評價融入到路線設(shè)計中去。這樣設(shè)計出來的路線在一定程度上保證了線形的連續(xù)性。
2.1.1 運行速度協(xié)調(diào)性評價
運行速度協(xié)調(diào)性評價指標(biāo):
a)當(dāng)速度梯度小于10km/h/100m時,評價指標(biāo)采用相鄰路段運行速度的差值ΔV85:
b)當(dāng)|ΔV85|<10km/h時,表明運行速度協(xié)調(diào)性好(事故率低,基本不存在事故多發(fā)地點);
c)當(dāng)10km/h≤|ΔV85|≤20km/h時,表明運行速度協(xié)調(diào)性較好(事故率有所增加,事故多發(fā)地點比較稀少);
d)當(dāng)|ΔV85|>20km/h時,表明運行速度協(xié)調(diào)性不好,相鄰路段需重新調(diào)整平、縱面設(shè)計(事故率很高,事故多發(fā)地點比較密)。
2.1.2 運行速度一致性評價
運行速度一致性評價是指:在單個路段上,運行速度與設(shè)計速度應(yīng)保持一致性。一般用路段運行速度V85與設(shè)計速度Vd的差值|V85-Vd|來進行評價:
當(dāng)|V85-Vd|<10km/h時,表明線形設(shè)計質(zhì)量好;
當(dāng)10km/h≤|V85-Vd|≤20km/h時,表明線形設(shè)計質(zhì)量較好;
當(dāng)|V85-Vd|>20km/h時,表明線形設(shè)計質(zhì)量差。
2.2.1 開發(fā)環(huán)境
在Win32開發(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開發(fā)包。
2.2.2 程序構(gòu)架
將路線CAD和路線安全評價系統(tǒng)集成到一起,即在原有的路線CAD系統(tǒng)中嵌入路線安全評價模塊。路線安全評價模塊可分為運行速度計算、安全評價及動態(tài)查詢等三個子模塊(如圖1所示)。
圖1 運行速度法程序構(gòu)架
2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)
2.2.3.1 用戶交互設(shè)計功能
ObjectARX語言提供了一系列和用戶交互的函數(shù),如acedGetString、acedGetPoint、acedGetInt、acedGetKword和acedGetReal等,能夠及時將用戶信息,反饋給系統(tǒng)。
2.2.3.2 動態(tài)拖動和實時查詢功能
對于在AutoCAD內(nèi)創(chuàng)建圖形對象,要在創(chuàng)建或編輯中實現(xiàn)動態(tài)拖動的效果,可以使用acedGrRead函數(shù)。利用該函數(shù)可以很容易實現(xiàn)對全線任意樁號點運行速度和運行速度梯度的動態(tài)實時查詢,及時發(fā)現(xiàn)路線設(shè)計不合理單元,并進行針對性地修改。
2.2.3.3 擴展數(shù)據(jù)功能
路線交互功能的實現(xiàn)關(guān)鍵在于擴展實體數(shù)據(jù)的應(yīng)用,因為大部分必需的數(shù)據(jù)信息無法通過對常規(guī)實體數(shù)據(jù)的操作獲得。如導(dǎo)線法設(shè)計時,其“交互”、 “拖動”等功能的實現(xiàn)主要是通過對其交點處的直線段、圓弧段、緩和曲線段等實體單元上的擴展實體數(shù)據(jù)的訪問獲得該交點的各參數(shù)進行計算來完成的。
基于運行速度的路線路線設(shè)計方法一般步驟如圖2所示:
圖2 運行速度法設(shè)計步驟
數(shù)字地面模型部分主要有兩個部分,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)
公路三維建模設(shè)計主要有:路基路面建模、標(biāo)線建模、護欄建模、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
本文對運行速度在線形設(shè)計中的應(yīng)用進行深入研究,較系統(tǒng)地提出了運行速度法設(shè)計流程,并編制出運行速度法路線CAD軟件;快速實現(xiàn)了公路表面模型與地形模型的整體構(gòu)網(wǎng);最后實現(xiàn)了基于運行速度的路線三維漫游,方便設(shè)計師、決策者直觀地對線形設(shè)計質(zhì)量及行車安全進行檢查與評價。
[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)計規(guī)范[S].
[3]程建川.集成化道路幾何設(shè)計CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南京:東南大學(xué),2001.
[4]王福建,吳國雄.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)開發(fā)與實用技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2003.