唐秋生， 陳旭光

(重慶交通大學交通運輸學院， 重慶 400074)

“十二五”以來，隨著公路的大量建設(shè)，以及汽車保有量的高速增長，我國的交通安全形勢日趨嚴重，有關(guān)資料表明[1]，近10年來，我國的公路交通事故死亡人數(shù)呈持續(xù)上升趨勢.國內(nèi)有關(guān)學者研究表明[2]，在“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)中，由于道路原因造成的交通事故占據(jù)了總體事故的很大比重，僅次于駕駛員的因素.而在道路因素中，道路線形與車輛運行速度的不協(xié)調(diào)是重要組成部分.目前我國的公路設(shè)計理念主要是基于相應(yīng)的國家與行業(yè)規(guī)范，首先在工可階段預測交通量，確定公路的等級，進而確定設(shè)計速度.然后以在規(guī)劃時確定的設(shè)計速度為核心參數(shù)，結(jié)合規(guī)范進一步確定平、縱、橫等相關(guān)的幾何設(shè)計參數(shù)[3].隨著現(xiàn)代汽車性能的提高，駕駛員行駛時速度較快，而非一直遵循公路的設(shè)計速度.這種矛盾導致在實際情況中，車輛的運行速度與公路線形參數(shù)相脫節(jié).特別是在線形指標比較低的路段，由于其對速度的敏感性較高，往往容易埋下事故隱患.對行駛的車輛構(gòu)成極大的安全威脅.我國傳統(tǒng)的公路設(shè)計理念，往往不能很好地適應(yīng)現(xiàn)階段的設(shè)計要求.因此，本文提出了基于運行速度進行公路線形設(shè)計的理念，并進一步應(yīng)用運行速度的協(xié)調(diào)性與連續(xù)性，對已建成的公路線形進行安全性檢驗.以運行速度作為公路線形設(shè)計的核心參數(shù)，能更好地符合車輛行駛時的特點，從而在設(shè)計階段減少可能的道路事故黑點，提高安全性.

1 典型路段運行速度的預測模型

1.1 運行速度的預測步驟

1)劃分典型路段：典型路段是指彎坡組合、平曲線、縱坡、直線.劃分標準如下：

直線段：R∈[1000，+∞],I∈(-3%,3%)

縱坡段：R∈[1000，+∞]∪I≤-3%

平曲線段：R∈1000∪I∈(-3%,3%)

彎坡組合段：R<1000∪I≤-3%

R<1000∪I>3%

以各個基本路段的起、終點，以及平曲線和彎坡組合段的中間點，作為運行速度預測的特征點.

2)根據(jù)劃分后的典型路段，結(jié)合國家與行業(yè)規(guī)范，建立起相對應(yīng)的初始運行速度預測模型.

3)結(jié)合研究路段的交通量、行車道、交叉口、平面視距等影響因素對初始運行速度進行修正，得到實際運行速度模型.本文主要針對小客車進行研究.

1.2 直線段運行速度預測模型

1)初始運行速度

本文中，初始運行速度采用表1[4]的推薦值.

表1 初始運行速度v0推薦值

2)直線段上的汽車行駛特性

在直線段，車輛一般會加速行駛至期望速度后不再增大，隨后穩(wěn)定在該速度行駛.

由此，推得直線段上運行速度模型為

(1)

式中：vs為期望車速(m/s)；v0為初速度(m/s)；a0為加速度(m/s2)；S為直線段的長度(m).

1.3 縱坡段運行速度預測模型

在縱坡段，當上坡時，由于重力、摩擦力等綜合作用，車輛的運行速度會降低；當下坡時，車輛的運行速度會增加，但是駕駛員會刻意地控制速度保持在期望速度的范圍.本文采用表2[4]中的推薦值對運行速度進行縱坡段的修正.

表2 縱坡的運行速度預測模型

1.4平曲線段運行速度預測模型分析與選取

平曲線段車輛的運行速度比較復雜.本文主要研究半徑在1 000m以下的平曲線段.對于半徑在1 000m以上的大半徑的平曲線，考慮到其曲率的變化已經(jīng)相當平緩，可以視為直線段進行研究[5].當汽車進入平曲線之前，汽車會減速，隨后以固定的速度在平曲線上行駛.當駛離平曲線時，駕駛員會加速離開[6].

本文采用表3[4]中推薦的速度預測模型，根據(jù)曲線入口處的速度vin、當前曲線段的半徑Rnow和上一個曲線段的半徑Rback、曲線段中點速度vmiddle以及下一個曲線段的曲線半徑Rfront來計算曲線段出口處的運行速度vout.

表3 平曲線的運行速度預測模型

1.5 彎坡組合段運行速度預測模型

作為縱坡和平曲線段的有機結(jié)合，彎坡組合段同時表現(xiàn)出兩者的特征，但是又不是兩者特征的簡單疊加.本文研究平曲線半徑小于1 000m的彎坡組合路段.

當汽車進入上坡曲線段時，會根據(jù)坡度的大小以及曲線半徑的大小進行減速[7].當汽車離開上坡曲線段時，若下一路段的平曲線半徑比較大，坡度比較小，則一般會適當?shù)丶铀僖詮浹a速度損失；反之，當前方路段的線形條件比較苛刻時，汽車往往會繼續(xù)減速以適應(yīng)苛刻的線形.

當汽車進入下坡曲線段時，除非前方的線形條件良好，否則一般不會有很明顯的加速動作.一般而言，下一路段的線形指標越苛刻，汽車的減速動作越明顯.

本文采用表4[4]對車輛在彎坡組合段的運行速度進行預測.

表4 彎坡組合段運行速度預測模型

表4中：R∈[120,1000]∪[2%，6%];vin,vmiddle,vout分別為進入曲線時的速度，變坡點或者曲線中點的速度，離開曲線時的速度；Rback,Rnow,Rfront分別為進入當前研究曲線段之前的曲線段半徑，當前研究曲線段的半徑，下一個曲線段的半徑；inow1,inow2分別為當前研究曲線段的上一個和下一個路段的縱坡坡度值.

2 運行速度預測模型的修正

作為一個“人-車-路-環(huán)境”復合型的系統(tǒng)，道路交通系統(tǒng)的作用機理非常復雜.根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，系統(tǒng)中的各個要素在各自不同的數(shù)量級和權(quán)系數(shù)層面上發(fā)揮作用，同時彼此互相作用[8].這四個因素共同決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性.同理，道路交通系統(tǒng)中，“人-車-路-環(huán)境”四個要素，每一個要素的特征發(fā)生變化時，都會直接作用于道路交通系統(tǒng)本身，即會導致系統(tǒng)安全性的改變.只有當這四個要素彼此適應(yīng)、彼此協(xié)調(diào)時，才能保持道路交通系統(tǒng)的穩(wěn)定，維持較好的安全狀態(tài).

而在車輛的實際運行狀況中，理想的系統(tǒng)周邊變量并不存在.以“人-車-路-環(huán)境”系統(tǒng)為例，前兩者屬于主觀因素，可以人為地控制.而后兩者屬于非主觀因素，無法人為地進行改變.車輛在運行時只能適應(yīng)道路條件與環(huán)境條件，而車輛的運行速度也勢必要因此發(fā)生改變.本文前面對運行速度進行預測時，僅僅推導出了理想狀況下的速度模型，并沒有考慮部分道路因素以及環(huán)境因素.因此，在研究車輛的實際運行速度時，必須將未考慮到的道路因素與環(huán)境因素加入進來，對前文得出的理想狀況下的運行速度模型加以修正，進而得出更符合現(xiàn)實情況的實際運行速度模型.

2.1 交通量修正

根據(jù)交通流的相應(yīng)理論，在道路上，服務(wù)水平隨交通量的增大而降低，車輛的車頭時距將從自由流時的泊松分布轉(zhuǎn)而服從二項分布，車輛行駛自由度降低[9].換言之，由于周圍車輛的影響，此時車輛的運行速度相比自由流時將受到干擾，發(fā)生變化.本文采用的交通量修正見表5.

表5 交通量修正系數(shù)值Vv

2.2 路寬修正

在車輛行駛過程中，橫向干擾也是必須考慮到的一個因素.橫向干擾主要來自兩個方面，一是不同車道之間的干擾，二是最外側(cè)車道受到的路側(cè)干擾.本文主要針對不同車道間的干擾進行研究.根據(jù)有關(guān)研究[3]，道路寬度對運行速度的影響如表6所示.

表6 路寬對速度修正值Vk

2.3 平面視距修正系數(shù)

當汽車在非直線段行駛時，平面視距對行駛的干擾非常大.特別是某些視距不良路段，是潛在的事故黑點，有很大的安全隱患.因此，要考慮平面視距對汽車運行速度進行修正.我國相應(yīng)的國家和行業(yè)規(guī)范中高速公路、一級公路的平面視距以停車視距作為標準[3].

表7 平面視距對速度修正值Vs

2.4 交叉口修正

在公路的交叉口處，由于交通流分流與合流的存在，車輛的正常行駛會受到一定程度的干擾.本文中采用的交叉口修正系數(shù)見表8.

表8 交叉口對速度修正值Vj

2.5 實際運行速度預測模型

V實際=V0+Vs+Vk+Vj+Vv

(2)

式中：V實際為實際運行速度(km/h)；V0為理論運行速度(km/h)；Vs為平面視距修正系數(shù)(km/h)；Vk為路寬修正系數(shù)(km/h)；Vj為交叉口修正系數(shù)(km/h)；Vv為交通量修正系數(shù)(km/h).

3 基于運行速度的線形評價標準

公路線形的協(xié)調(diào)性也就是其平、縱、橫線形的協(xié)調(diào)性[10].線形協(xié)調(diào)性良好的路段，車輛在行駛時，運行速度與線形指標相互協(xié)調(diào)，使得車速的過渡平穩(wěn)、自然，沒有車速突變的情況發(fā)生，從而提高了行車安全性.本文提出基于運行速度的線形協(xié)調(diào)性評價理念，應(yīng)用運行速度的協(xié)調(diào)性與連續(xù)性，對已建成的公路線形進行安全性檢驗.

3.1 線形協(xié)調(diào)性評價標準

我國交通部的《公路項目安全性評價指南》推薦采用前后兩個典型基本路段的運行速度間的差值|Δv85|作為評價指標，其標準見表9[4].

表9 線形協(xié)調(diào)性評價指標

3.2 線形連續(xù)性評價標準

學者Lamm等提出[11-14]設(shè)計速度和運行速度差值作為評價設(shè)計線形的標準見表10.

表10 線形連續(xù)性評價標準

本文主要采用上述兩個標準對待評價公路路段的線形進行評價.

4 工程實例分析

本文選取的工程實例為黑龍江省鶴崗地區(qū)至遼寧省大連地區(qū)的鶴大高速公路G11杏山至復興段.杏山至復興(黑吉界)段為按照一級半幅設(shè)計施工的一級公路半幅，其中利用已建一級公路半幅擴建42.364km，新建7.95km.另建輔道113.14km，完全利用二級公路46.2km，新建二級公路23.84km，利用老路改建三級公路18.0km，新建三級公路15.3km，越嶺段新建四級公路9.8km.根據(jù)工可階段的交通量預測結(jié)果，主線全年平均交通量為 12 990～27 487pcu/d，輔道全年平均交通量為3 370～4 173pcu/d.擴建工程共設(shè)置互通立交 3座(另規(guī)劃互通立交1座)，分離立交26座，增設(shè)服務(wù)區(qū)1處，停車區(qū)2處，匝道收費站3處[15].

本文評價路段的起點樁號K39+913.653，終點樁K49+713.653，全長約10km.該路段設(shè)計速度為80km/h，路基寬度為24.5m，有互通式立交一座.本文將K39+913.653至 K49+713.653共10km的路段劃分為直線路段、縱坡路段、平曲線路段、彎坡組合路段四種類型共31個典型路段.

根據(jù)上文提出的運行速度修正模型，結(jié)合鶴大高速杏復段的實際工程特點，本文中鶴大高速杏復段運行速度預測的各項修正系數(shù)見表.

表11 鶴大高速杏復段運行速度各項修正值 km/h

根據(jù)上文提出的運行速度模型，參考鶴大高速杏復段的運行速度修正系數(shù)，對待鶴大高速杏復段的K39至K49待評價路段進行運行速度預測.得到的預測結(jié)果如圖1所示.

圖1 運行速度預測值分布圖

根據(jù)本文提出的基于運行速度的線形協(xié)調(diào)性評價標準，結(jié)合上文得出的運行速度預測值，對鶴大高速杏復段K39至K49段的公路線形進行安全性評價，并且提出相應(yīng)的調(diào)整方案.得到的評價結(jié)果和調(diào)整方案見表12.

表12 公路線形協(xié)調(diào)性評價及調(diào)整方案

5 結(jié)束語

本文提出了基于運行速度的公路線形設(shè)計理念，結(jié)合有關(guān)規(guī)范和理想狀況下的運行速度預測模型，考慮交通量、視距等實際因素，對運行速度預測模型進行了相關(guān)的修正，得到了車輛實際運行情況下的運行速度預測模型.總結(jié)了基于運行速度的公路線形協(xié)調(diào)性和連續(xù)性評價標準.對擬建公路的線形設(shè)計以及建成公路的線形安全性檢驗有一定的指導意義.實際上對道路設(shè)計進行更準確、全面的評價，還需要加入運行速度和周圍環(huán)境，如噪聲污染、水環(huán)境污染等這些指標.

[1] 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報(2010年度)[R].北京:公安部交通管理科學研所,2011.

[2] 高建平.高速公路運行車速研究[J].重慶交通學院學報,2004,23(4):78-81.

[3] JTG D20-2006公路路線設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社.

[4] JTG/T B05-2004公路項目安全性評價指南[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5] 隋曉飛.基于運行速度的高等級公路線形評價及改善措施[D].西安:長安大學,2012.

[6] 魏軍.基于運行速度的公路幾何線形優(yōu)化設(shè)計探討[J].北方交通,2011(4):43-46.

[7] 唐忠國.高速公路行車速度與行車安全性分析研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2011(5):257-258.

[8] 卓祖城,程昊,李勃.采用運行速度檢驗公路線形設(shè)計的應(yīng)用研究[J].道路工程,2012(9):198-201.

[9] 金增曲珍.運行速度與公路線形連續(xù)性研究[D].成都:西南交通大學,2010.

[10] 賀玉龍,盧仲賢,馬國雄.高速公路直線段車輛穩(wěn)定運行速度[J].公路,2002(10):99-103.

[11] 李偉.公路路線-汽車運行響應(yīng)模型的研究[D].西安:長安大學,2002.

[12] Lamm R,Choueiri E M,Mailaender T.Comparison of operating speed on dry and wet pavement of two lane highway[C]//Transportation Research Record 1280, TRB.Washington,1990.

[13] Mbroz A.3D road traffic situation simulation system[J]. Advances in Engineering Software, 2005,36:77-86.

[14] 屠書榮,吳敏剛,程永華.基于道路和環(huán)境條件的干線公路安全性評價方法[J].重慶交通大學學報：自然科學版, 2010,29 (3):46-50.

[15] 魏顯威.鶴大國家高速公路寧安至復興(黑吉界)段擴建工程環(huán)境影響評價公眾參與信息公告[EB/ O L]. (2008-7-16) [2014-4-16]. http://www.hljjt. gov.cn /tongzhigonggao/document.2008-07-16.6022067390.