基于運行速度的公路線形評價及改善措施研究

陳勖

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200120）

1 引言

隨著交通量的逐年增加，公路工程在設計時對安全性的要求也越來越嚴格，而運行速度是評價公路線形安全性的重要指標。目前，公路在選擇線形指標時，結合預測交通量數(shù)據(jù)和公路建設等級先定下設計速度，并以設計速度為依據(jù)選擇平面、縱斷面、超高、加寬、視距等參數(shù)。但是在公路運營期間，車輛的運行速并不一定等于設計速度，使得運行速度與線形指標相脫節(jié)。如果運行速度和設計速度差值過大，會導致線形協(xié)調性差，容易造成交通安全事故[1]。因此，本文基于運行速度進一步研究公路線形安全性，并提出相應的改善措施，具有十分重要的工程價值。

2 公路運行速度主要影響因素分析

2.1 運行速度概念

設計速度是確定公路線形的基本指標，它是指在氣象良好的條件下，具有中等駕駛技術的人員能夠安全、舒適地控制車輛的速度。但是，路線速度一旦確定就是固定不變的，與實際中車輛的行駛速度可能有很大差異，故JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》中引入了運行速度的概念，以評價公路線形的安全性。

運行速度V85是指在良好氣候和正常交通條件下，行駛速度累計分布曲線上對應于百分之85 分位值的速度[2]。運行速度能代表公路上所行駛的大部分車輛的狀態(tài)，利用運行速度來調整線形指標，可以在確保公路行車安全性的同時提高其經(jīng)濟性。

2.2 運行速度主要影響因素

公路交通網(wǎng)是由駕駛員、車、路等要素組成，各要素必須相互協(xié)調，才能確保整個道路體系運行的安全性和舒適性。因此，本文探討了駕駛員、車、道路平縱線形對運行速度的影響。

2.2.1 駕駛員和車輛因素

車輛在公路上行駛時，駕駛員工作過程包括了解路況→作出判斷→操縱汽車，如圖1 所示。在工作過程中，駕駛員視覺和心理會直接影響車輛運行速度。

圖1 駕駛員操作車輛

公路主要是為汽車服務的，運行速度定會受到汽車本身動力性能的影響。不同車型或相同車型的不同配置，都具有不同的動力性能。一般汽車動力性能越好，可能的運行速度越高。

2.2.2 縱斷面線形因素

公路的縱斷面對運行速度影響很大，主要控制指標是坡長和坡度[3]。

縱坡坡長：坡長不宜過短或過長，坡長過短會使車輛顛簸頻率高，上坡段坡長過長會增加車輛爬坡耗能，下坡段坡長過長駕駛員需頻繁踩剎車，以上均會降低車輛在公路上的運行速度。

縱坡坡度：坡度不宜過大或過小，坡度對運行速度的影響體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，上坡時坡度過大，車輛需減擋以增加動力輸出，車速會衰減，尤其是載重貨車的速度衰減速率明顯；另一方面，下坡時坡度過大，車輛重力勢能會轉變?yōu)閯幽?，車速增加，車輛容易失控。

2.2.3 平面線形因素

公路平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線等元素組成，其中，直線段視野開闊，方向明確，車輛運行速度受直線長度影響大。如果直線過長，會破壞線形連續(xù)性，使駕駛員感到單調、疲倦，產(chǎn)生盡快駛離直線的急躁情緒，車輛容易超速；圓曲線上運行速度受半徑和轉角影響較大，圓曲線半徑和轉角越小，使線形顯得曲折，駕駛員會產(chǎn)生急轉彎錯覺，造成不必要減速，交通事故率提高；緩和曲線主要起到曲率過渡作用，曲率半徑不同，車輛運行速度也不同。

3 公路運行速度預測模型

運行速度屬于統(tǒng)計值，需要大量的實測數(shù)據(jù)。實測運行速度時，常用的儀器有高精度GPS 定位系統(tǒng)、雷達測速槍、非接觸式測速儀等。但是在設計階段往往難以確定運行速度，需要工程師選擇數(shù)學模型來預測公路在運營期間的實際運行速度。

3.1 路段劃分

根據(jù)JTG B05—2015《公路項目安全性評價規(guī)范》，將整條公路可按圓曲線半徑和縱坡大小劃分為平直路段、縱坡段、小半徑平曲線段、彎坡組合段4 種單元[4]，其中，平直路段的直線或圓曲線半徑＞1 000 m，且縱坡＜3%；縱坡段的直線或圓曲線半徑＞1 000 m，且縱坡≥3%，坡長＞300 m；小半徑平曲線段的圓曲線半徑＜1 000 m，且縱坡＜3%；彎坡組合路段的圓曲線半徑＜1 000 m，且縱坡≥3%。

3.2 期望車速確定

運行速度預測計算的關鍵是先確定期望車速，同時影響行車安全性。期望車速是指車輛在公路期間，無其他車輛干擾的條件下，駕駛員所期望達到的最高安全車速。期望車速與駕駛員與主觀意識、車輛類型、道路路況、天氣等因素密切相關。期望車速確定分3 個階段[5]。

第一，初定階段。車輛駛入某一道路后，駕駛員先根據(jù)路況信息，確定初始期望車速。

第二，調整階段。車輛在道路行駛一段距離后，駕駛員對路況有了深入了解，再結合自身駕駛經(jīng)驗，決定是否調整期望車速。

第三，保持階段。期望車速調整后，駕駛員以此車速為標準，在道路上安全行駛。

3.3 運行速度預測方法

鑒于篇幅有限，本文僅針對平曲線路段和縱坡路段對其運行速度運行方法進行闡述。

3.3.1 平曲線路段運行速度預測

對于二級及二級以下的低等級公路，由于設計速度小，平曲線指標低，可認為車輛在經(jīng)過平曲線入口、中部、出口處的運行速度基本保持不變。對于高等級公路，平曲線線形指標高，平曲線入口、中部、出口處的運行速度變化幅度大，可按照表1 中的數(shù)學模型對小客車和大貨車的運行速度進行預測。

表1 平曲線運行速度預測數(shù)學模型

由表1 可知，高等級公路平曲線路段出口處運行速度最大，入口處運行速度最小。這說明車輛在平曲線上行駛時一直處于加速狀態(tài)，且車輛從入口到中部的加速度＞車輛從中部到出口的加速度。

3.3.2 縱坡路段運行速度預測

由據(jù)牛頓第二定律可知，車輛在上坡或下坡時受到合力作用，車輛會產(chǎn)生向上或向下的加速度。在車輛初始運行速度固定的前提下，向上的加速度使車輛運行速度降低，向下的加速度使車輛運行速度提高。因此，縱坡路段運行速度V85可用式（1）預測[6]：

式中，V0為初始運行速度，km/h；ΔV 為坡度、坡長對速度的影響值，km/h，可查圖2 取值。

圖2 坡長、坡度對運行速度的影響

4 運行速度在公路線形評價中的應用實例

4.1 工程概況

某高速公路路線全長40.8 km，路線起訖樁號為K0+000～K40+800，設計速度為120 km/h，設計荷載為公路-I級，主線為雙向6 車道，最大縱坡1.1%，最小縱坡0.1%，路基橫斷面寬度34.5 m，瀝青路面結構厚74 cm。該項目是省內公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，呈東西走向，處于平原地帶，大部分地形平坦，局部地形較陡，穿越沿線村鎮(zhèn)較多，地形地貌較復雜，地下水豐富，雨水較充足，年平均降雨量約928 mm，主要集中在6～10 月份。

4.2 基于運行速度的公路線形評價指標選擇

車輛在公路上的實際運行速度并不一定與設計速度一致，如兩者之間差值較大，路線設計參數(shù)可能無法滿足運行速度的需要，導致線形協(xié)調性差，容易出現(xiàn)交通安全事故。因此，在公路線形指標確定后，還需對路線安全性開展評價，本文以該高速公路位研究對象，探討運行速度在公路線形評價中的具體應用。

JTG B05—2015《公路項目安全性評價規(guī)范》中推薦用“相鄰路段運行速度的差值ΔV85”來評價公路線形協(xié)調性，其中，相鄰路段是指設計指標不同但在樁號上相接的路段。ΔV85＜10 km/h、10 km/h＜ΔV85＜20 km/h、ΔV85＞20 km/h 時所對應的公路線形協(xié)調等級分別為協(xié)調性好、協(xié)調性較好、協(xié)調性不良。

4.3 公路線形評價結果

在檢查路線線形前，按照明上文原則將路段共劃分22 個評價單元，編號為1#路段～22#路段。不同評價單元的ΔV85計算結果如圖2 所示。

圖3 相鄰路段運行速度的差值

ΔV85最大值為20.5 km/h，最小值為2.2 km/h。同時，ΔV＞20 km/h、10 km/h＜ΔV＜20 km/h、＜10 km/h 的評價單元分別有1 個、4 個和16 個，這表明：該公路大部分路段的運行速度均屬于協(xié)調性好或較好，其中，運行速度協(xié)調性好的路段占比71.9%，協(xié)調性不良的路段占比為4.3%。

4.4 公路線形改善措施

為了改善運行速度協(xié)調性不良的路段，可通過以下措施。

第一，智能選線。在比選路線方案時，設計人員可借助遺傳算法、空間挖掘技術、BIM 技術等建立三維模型，分析各種風險因素，為車輛安全運營提供保障。

第二，增加標志標識。車輛運行速度越高，駕駛員反應時間越短，發(fā)生交通事故的可能性越大，建議在路線協(xié)調性不良的路段增加限速標志、危險標識等標志標牌，以提升行車安全性。

第三，增加視線誘導設施。應在曲線半徑小或通視較差、對行車不利的曲線外側設置視線誘導標志。

5 結語

本文研究了運營速度的影響因素、預測模型及其在線形評價中的應用，并提出相應的改善措施，主要得到以下結論：

1）駕駛員、車、道路平縱線形均會對車輛運行速度產(chǎn)生較大影響，必須確保各因素相互協(xié)調；

2）在用運行速度評價公路線形前，需將其劃分為平直路段、縱坡段、小半徑平曲線段、彎坡組合段，并確定好期望車速；

3）建議采用相鄰路段運行速度的差值ΔV85評價公路線形安全性；

4）為了提升公路線形協(xié)調性，可采用智能選線、增加標志標識、增加視線誘導設施等措施。