基于設計速度與運行速度理念在山區高速公路限速設計中的優化應用研究

朱晴晴

（貴州順康勘察設計有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

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

1 設計方法的應用分析

我國的山區高速公路設計是以設計速度為基本指標，并考慮路線曲線半徑、視距、縱坡等多指標相互協調[1]。目前，國家已制定了相應標準以規范公路限速標志的設計[2]，技術人員在山區高速公路設計中出于安全考慮，往往會全線統一采用設計速度為限制速度，僅在因隧道等構筑物影響的局部考慮限速調整，其主要原因在于設計速度和運行速度的平衡設計關系較為模糊。以設計速度為特定概念的高速公路設計方法，首先將設計速度作為一個定值常數，不同技術等級的設計速度可以相同，同時要確保設計速度與公路等級相匹配，并根據相應的技術標準，按照曲線段元素信息如平縱面幾何線形的指標采用值，對照設計各個路段。基于設計速度理念的設計方法，在國內已被路線設計人員熟練掌握和使用，一方面是設計方法和思路容易理解，另一方面是國家規范的推動。一般來說，設計速度理念是滿足于最低的技術指標，同時也存在一些不足，其一，從本質上來看，按照設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，路線設計人員在技術指標控制方面存在主觀隨意性、盲目性，生搬硬套指標參數，導致路線的實際運行速度與設計速度明顯不協調。其三，現行設計中往往簡單地把設計速度設置為限制速度，忽略了運行速度的可優化性，降低了駕駛舒適感。

以運行速度作為設計理念的方法，也是許多國家的基礎設計方法。與設計速度方法不同是，運行速度方法基于駕駛實際，根據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變化。運行速度設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、路側敏感點影響以及路線的幾何特征等，更偏向于采用動態和實際運營情況的指標。基于運行速度的設計方法，為公路設計中路線方案的優化與調整、具體技術參數的選取、完善交通設施設計等方面提供更準確的依據，可以更有效地避免駕駛特性與公路特征不匹配的現象。

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

基于設計速度和運行速度均有局限性，設計復雜程度更是增加不少，因此，要充分應用設計速度和運行速度的優勢，使限速設計更加合理，道路資源利用率更高，就需要進一步研究設計速度與運行速度的應用關系。事實上，對于既有高速，為了滿足日益提升的公路服務體驗，多考慮調整限速。關于調整限速，國內學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狀，充分考慮公路服務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準調整效果評價的方法。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，結合雨天特征應用了隨機森林模型，對高速公路的風險特征進行重要度標定，同時又結合了熵值理論，建立了風險模型，從理論上深入研究了雨天可變速的設計方法。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計速度理念或運行速度理念中的一種，作為公路設計的基本設計方法。

我國以前建設的高速公路車道劃分為內側超車、外側混合的交通管理模式，隨著我國交通發展加速，山區高速公路建設里程和規模相應增大，為了滿足更大交通需求，許多山區高速公路的車道數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，設計中采用的二維線形控制標準已不符合實際情況，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，規定了在內側車道主要是小型車輛行駛，大型車則要求靠右行駛，即外側車道。不同車道的車輛對應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，行駛區域中不同車輛的差異，如駕駛員視距和動力性能差異，導致各個車輛間存在駕駛干擾，使道路的通行服務能力下降；如果相互車輛之間行駛紊亂，嚴重時甚至會導致交通事故，因此，應根據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，對道路設計人員道路的幾何要素設計和指標把控能力方面也提出更高要求，比如作為山區高速公路設計中重要指標之一的視距、加減速車道設計以及標志標牌的設置準確性和合理性，若未綜合考慮山區高速公路不同車道運行速度特點和行車規律，將造成一定的交通安全隱患，因此，道路設計人員應盡可能采取合適的指標，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，發生事故的風險也越大，受車輛性能、駕駛水平以及其他因素的綜合影響，風險與速度不成線性關系。眾所周知，車輛的速度與事故發生的概率和事故發生的嚴重性存在直接關系，其中，超速行駛是山區高速公路中導致事故發生最為常見的因素。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，突發交通險情的判斷力變差，特別是在山區高速公路行駛中，長時間或遠距離的高速駕駛，加之山區高速公路的線形較平原地區存在“彎急坡陡”的不利情況，極易導致駕駛員在出現疲乏狀態的情況下難以準確應對急彎和陡坡加速，大大增加了發生事故的風險。

第二，超速行駛的車輛，因慣性和車輛自重較大的影響，發生碰撞、側翻等事故產生的沖擊力很大。對于貨車，根據《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）中的規定，貨車在高速公路的設計速度取值通常確定為80km/h，該設計速度對應的視距為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系約是四倍關系，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，發生事故的風險和嚴重程度也是以指數級增加的。

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系，如圖1 所示。從圖1 中可以看出，速度每增加5.0km/h，發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險程度之間是一個U 型曲線關系，如圖2 所示。從圖2 中可以看出，當運行速度與平均速度和差值增大時，事故風險程度都是增大的，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系

2 設計限速方法的應用優化分析

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

2.1 靜態限速設計

靜態限速設計中最典型的方法就是根據規范設計，靜態限速設計優化方法應從以下三個方面考慮：

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

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

第三，提高交通安全設施實施合理性。由于交通安全設施設計涉及標志、標線、標牌、護欄等設施，這些設施又在一定程度上影響了限速標志位置和信息的合理性，使得設計人員難以準確、合理地協調各個設施之間的空間位置和信息關系。同時，采用BIM 信息集成技術來替代目前普遍采用的二維CAD 設計，通過數字化技術建立信息化虛擬三維模型，可以較為可靠地在設計階段解決該問題。此外，結合交工階段的實地駕駛檢視與排查，將進一步優化限速設計，節約工程造價。

2.2 動態限速設計

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

3 結語

第一，山區高速公路限速設計中同時采用設計速度和運行速度設計方法是必要的。

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

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

第四，基于當前交通安全設施的設計現狀，結合BIM 技術與交工階段的實地駕駛與排查，可進一步提高交通安全設施實施合理性。