基于运行速度的公路路线三维设计

刘英克，田兆丰

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

0 引言

我国现行规范仍使用设计速度这一理念，《公路工程技术标准》[1]和《公路路线设计规范》[2]确定了不同等级公路的计算行车速度指标，设计速度作为最关键的因素，一经确定，其他几何设计参数的指标（如平竖曲线半径、超高、加宽、视距等）必须与其配合，达到均衡设计的目的。

经过多年的工程设计实践，国内外设计者总结出基于设计速度的路线设计方法的不足之处，主要有以下几点：

a）线形设计要素与实际行车速度不相符；

b）线形要素之间组合设计不合理；

c）设计车速与实际运行车速存在差异。

为了弥补这些不足，相关学者提出了运行速度法并对其进行了深入的研究，但这些研究多集中于采用运行速度法对道路进行安全评价，与道路线形设计结合得不够紧密，目前的运行速度设计方法还停留在路线安全评价阶段，与路线设计过程存在一定的脱节。

路线三维设计的一个最关键技术是数字地面模型（Digital Terrain Model，简称“DTM或数模”）的应用。利用数字地面模型进行道路勘测设计，是提高道路勘测设计能力和提高设计质量的重要且有效的手段。

1 运行速度计算模型

1.1 运行速度

1.1.1 运行速度概念

运行速度是指在良好的天气条件、干净、潮湿的路面条件和自由流状态的交通条件下，公路路段上第85%位的车辆运行速度。研究表明：运行速度是一个随机变量，一般呈正态分布，按统计学的方法，选用V85来表示路段上的车辆实际行驶速度。

1.1.2 运行速度影响因素

道路交通系统是由人、车、路以及周围环境构成的，因此，车辆运行速度的变化就会受到公路本身几何条件、汽车状况、驾驶员及周围环境等因素的影响。有时某因素起主导作用，有时则起次要作用。研究表明，运行速度的三大主要影响因素为：驾驶员行为、汽车类型和公路几何特性。

1.2 运行速度的计算方法

国内外研究人员对运行速度计算方法进行了深入的研究，建立的模型主要有以下几种：实测法、理论法、模型法、图表法、新理念法。模型法是通过我国多条高速公路的实际运行速度回归分析出来的，而其他几种方法都没有这样的基础数据作为支撑，因此，模型法在一定程度上更能反映我国公路实际的运行情况。

本文采用的运行速度计算模型是在《公路项目安全性评价指南》（以下简称“《指南》”）模型的基础上，对其存在的不足进行相关调整，使得计算结果更加接近实际情况。

1.3 《指南》模型存在的问题及其对策

1.3.1 初始运行速度选取

《指南》模型中，初始运行速度值是实测值或者由设计速度来确定的，是一固定值。由于各公路所处的地形、周围环境等不尽相同，本文采取的初始运行速度值应在其相邻路段现场实测得到，如条件不许，则可以借鉴该地区同样等级公路的初始运行速度值，并考虑预测起始点所处位置（如桥梁、隧道、互通出入口）等情况，进行必要的修正。

1.3.2 平曲线半径临界值

《指南》模型划分路段时，直线段与曲线段的划分是以半径1000m为界。划分的依据是：平曲线半径大于1000m时，半径对运行速度的影响可以不考虑。此划分方法未考虑公路等级、设计速度等因素。所以，选取的基本原则是：公路等级越高，平曲线临界半径值越大。

2 运行速度路线设计方法

运行速度路线设计方法的核心内容是：将公路路线设计和路线安全评价集成，结合交互式路线设计，将路线安全评价融入到路线设计中去。这样设计出来的路线在一定程度上保证了线形的连续性。

2.1 运行速度安全评价方法

2.1.1 运行速度协调性评价

运行速度协调性评价指标：

a）当速度梯度小于10km/h/100m时，评价指标采用相邻路段运行速度的差值ΔV85：

b）当|ΔV85|＜10km/h时，表明运行速度协调性好（事故率低，基本不存在事故多发地点）；

c）当10km/h≤|ΔV85|≤20km/h时，表明运行速度协调性较好（事故率有所增加，事故多发地点比较稀少）；

d）当|ΔV85|＞20km/h时，表明运行速度协调性不好，相邻路段需重新调整平、纵面设计（事故率很高，事故多发地点比较密）。

2.1.2 运行速度一致性评价

运行速度一致性评价是指：在单个路段上，运行速度与设计速度应保持一致性。一般用路段运行速度V85与设计速度Vd的差值|V85-Vd|来进行评价：

当|V85-Vd|＜10km/h时，表明线形设计质量好；

当10km/h≤|V85-Vd|≤20km/h时，表明线形设计质量较好；

当|V85-Vd|＞20km/h时，表明线形设计质量差。

2.2 程序实现

2.2.1 开发环境

在Win32开发环境下所需要的工具或者软件有：AutoCAD 2004中文版或英文版、VC++6.0英文版、ObjectARX 2004开发包。

2.2.2 程序构架

将路线CAD和路线安全评价系统集成到一起，即在原有的路线CAD系统中嵌入路线安全评价模块。路线安全评价模块可分为运行速度计算、安全评价及动态查询等三个子模块（如图1所示）。

图1 运行速度法程序构架

2.2.3 关键技术

2.2.3.1 用户交互设计功能

ObjectARX语言提供了一系列和用户交互的函数，如acedGetString、acedGetPoint、acedGetInt、acedGetKword和acedGetReal等，能够及时将用户信息，反馈给系统。

2.2.3.2 动态拖动和实时查询功能

对于在AutoCAD内创建图形对象，要在创建或编辑中实现动态拖动的效果，可以使用acedGrRead函数。利用该函数可以很容易实现对全线任意桩号点运行速度和运行速度梯度的动态实时查询，及时发现路线设计不合理单元，并进行针对性地修改。

2.2.3.3 扩展数据功能

路线交互功能的实现关键在于扩展实体数据的应用，因为大部分必需的数据信息无法通过对常规实体数据的操作获得。如导线法设计时，其“交互”、 “拖动”等功能的实现主要是通过对其交点处的直线段、圆弧段、缓和曲线段等实体单元上的扩展实体数据的访问获得该交点的各参数进行计算来完成的。

2.3 设计步骤

基于运行速度的路线路线设计方法一般步骤如图2所示：

图2 运行速度法设计步骤

3 三维建模设计

3.1 数字地面模型部分

数字地面模型部分主要有两个部分，分别为读取数字化地形图数据和构建三角网数字地面模型。构网成果如图3所示。

图3 带约束三角网数字地面模型（CDT）

3.2 公路三维建模部分

公路三维建模设计主要有：路基路面建模、标线建模、护栏建模、构造物建模等（如图4、图5所示）。

图4 整体模型（俯视）

图5 三维漫游

4 结语

本文对运行速度在线形设计中的应用进行深入研究，较系统地提出了运行速度法设计流程，并编制出运行速度法路线CAD软件；快速实现了公路表面模型与地形模型的整体构网；最后实现了基于运行速度的路线三维漫游，方便设计师、决策者直观地对线形设计质量及行车安全进行检查与评价。

[1]JTG B01-2003，公路工程技术标准[S].

[2]JTG D20-2006，公路路线设计规范[S].

[3]程建川.集成化道路几何设计CAD系统的研究与开发[D].南京：东南大学，2001.

[4]王福建，吴国雄.道路工程三维建模技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]和平鸽工作室.三维图形系统开发与实用技术[M].重庆：重庆大学出版社，2003.