基于運行速度的公路路線三維設計

劉英克，田兆豐

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

0 引言

我國現行規范仍使用設計速度這一理念，《公路工程技術標準》[1]和《公路路線設計規范》[2]確定了不同等級公路的計算行車速度指標，設計速度作為最關鍵的因素，一經確定，其他幾何設計參數的指標（如平豎曲線半徑、超高、加寬、視距等）必須與其配合，達到均衡設計的目的。

經過多年的工程設計實踐，國內外設計者總結出基于設計速度的路線設計方法的不足之處，主要有以下幾點：

a）線形設計要素與實際行車速度不相符；

b）線形要素之間組合設計不合理；

c）設計車速與實際運行車速存在差異。

為了彌補這些不足，相關學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，與道路線形設計結合得不夠緊密，目前的運行速度設計方法還停留在路線安全評價階段，與路線設計過程存在一定的脫節。

路線三維設計的一個最關鍵技術是數字地面模型（Digital Terrain Model，簡稱“DTM或數模”）的應用。利用數字地面模型進行道路勘測設計，是提高道路勘測設計能力和提高設計質量的重要且有效的手段。

1 運行速度計算模型

1.1 運行速度

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，一般呈正態分布，按統計學的方法，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

道路交通系統是由人、車、路以及周圍環境構成的，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、駕駛員及周圍環境等因素的影響。有時某因素起主導作用，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。

1.2 運行速度的計算方法

國內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數據作為支撐，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》”）模型的基礎上，對其存在的不足進行相關調整，使得計算結果更加接近實際情況。

1.3 《指南》模型存在的問題及其對策

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、周圍環境等不盡相同，本文采取的初始運行速度值應在其相鄰路段現場實測得到，如條件不許，則可以借鑒該地區同樣等級公路的初始運行速度值，并考慮預測起始點所處位置（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。

2 運行速度路線設計方法

運行速度路線設計方法的核心內容是：將公路路線設計和路線安全評價集成，結合交互式路線設計，將路線安全評價融入到路線設計中去。這樣設計出來的路線在一定程度上保證了線形的連續性。

2.1 運行速度安全評價方法

2.1.1 運行速度協調性評價

運行速度協調性評價指標：

a）當速度梯度小于10km/h/100m時，評價指標采用相鄰路段運行速度的差值ΔV85：

b）當|ΔV85|＜10km/h時，表明運行速度協調性好（事故率低，基本不存在事故多發地點）；

c）當10km/h≤|ΔV85|≤20km/h時，表明運行速度協調性較好（事故率有所增加，事故多發地點比較稀少）；

d）當|ΔV85|＞20km/h時，表明運行速度協調性不好，相鄰路段需重新調整平、縱面設計（事故率很高，事故多發地點比較密）。

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，運行速度與設計速度應保持一致性。一般用路段運行速度V85與設計速度Vd的差值|V85-Vd|來進行評價：

當|V85-Vd|＜10km/h時，表明線形設計質量好；

當10km/h≤|V85-Vd|≤20km/h時，表明線形設計質量較好；

當|V85-Vd|＞20km/h時，表明線形設計質量差。

2.2 程序實現

2.2.1 開發環境

在Win32開發環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開發包。

2.2.2 程序構架

將路線CAD和路線安全評價系統集成到一起，即在原有的路線CAD系統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、安全評價及動態查詢等三個子模塊（如圖1所示）。

圖1 運行速度法程序構架

2.2.3 關鍵技術

2.2.3.1 用戶交互設計功能

ObjectARX語言提供了一系列和用戶交互的函數，如acedGetString、acedGetPoint、acedGetInt、acedGetKword和acedGetReal等，能夠及時將用戶信息，反饋給系統。

2.2.3.2 動態拖動和實時查詢功能

對于在AutoCAD內創建圖形對象，要在創建或編輯中實現動態拖動的效果，可以使用acedGrRead函數。利用該函數可以很容易實現對全線任意樁號點運行速度和運行速度梯度的動態實時查詢，及時發現路線設計不合理單元，并進行針對性地修改。

2.2.3.3 擴展數據功能

路線交互功能的實現關鍵在于擴展實體數據的應用，因為大部分必需的數據信息無法通過對常規實體數據的操作獲得。如導線法設計時，其“交互”、 “拖動”等功能的實現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據的訪問獲得該交點的各參數進行計算來完成的。

2.3 設計步驟

基于運行速度的路線路線設計方法一般步驟如圖2所示：

圖2 運行速度法設計步驟

3 三維建模設計

3.1 數字地面模型部分

數字地面模型部分主要有兩個部分，分別為讀取數字化地形圖數據和構建三角網數字地面模型。構網成果如圖3所示。

圖3 帶約束三角網數字地面模型（CDT）

3.2 公路三維建模部分

公路三維建模設計主要有：路基路面建模、標線建模、護欄建模、構造物建模等（如圖4、圖5所示）。

圖4 整體模型（俯視）

圖5 三維漫游

4 結語

本文對運行速度在線形設計中的應用進行深入研究，較系統地提出了運行速度法設計流程，并編制出運行速度法路線CAD軟件；快速實現了公路表面模型與地形模型的整體構網；最后實現了基于運行速度的路線三維漫游，方便設計師、決策者直觀地對線形設計質量及行車安全進行檢查與評價。

[1]JTG B01-2003，公路工程技術標準[S].

[2]JTG D20-2006，公路路線設計規范[S].

[3]程建川.集成化道路幾何設計CAD系統的研究與開發[D].南京：東南大學，2001.

[4]王福建，吳國雄.道路工程三維建模技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]和平鴿工作室.三維圖形系統開發與實用技術[M].重慶：重慶大學出版社，2003.