基于功能指标的公路立交分级研究

崔志伟



基于功能指标的公路立交分级研究

崔志伟

(湖南城市学院土木工程学院，湖南 益阳 413000)

现行的《公路路线设计规范》对公路立交的类型仅仅做了分类，也就是分为一般立交和枢纽立交，而公路立交分类只是根据交叉路口的基本转弯线的相互关系，形状和连接形式来进行分类的话，公路立交所起改造交通堵塞的作用将受到限制．但是，当我们进行道路交叉口的规划、设计、选型等时，经常需要衡量道路交汇处所修建立交的规模和功能．因此，本文选取线形质量、立交的舒适性和立交的安全性这3个功能指标来对公路立交的分级进行定性分析，并用改进的层次分析法来处理这3个指标间权重的排序问题，为公路立交的分级提供一种方法．

功能指标；排序；公路立交

现行的《公路路线设计规范》[1]可以看出，公路立交仅仅分为一般立交和枢纽立交2类, 然而公路立交分类只是根据交叉路口基本转弯线之间彼此关系，形状和连接形式来进行分类的话，公路立交所起改造交通堵塞的作用将受到限制，比如重庆青木关互通立交(如图1所示)，该立交与遂渝高速公路相交，且该立交为枢纽立交, 原设计采用半苜蓿叶与半定向组合式立交，直接转向，立交功能较好，结构基本合理，立交类型选择基本恰当．但是该立交位于沙坪坝区的西部，立交区域内除布设有东西走向的国道319线外，无其它干线公路，区域路网简单，行车路线具有唯一性，宜设全互通式立交．此外，原立交方案中的立交结构不够紧凑，匝道布设显得松散，左转小环道与半定向匝道以及右转匝道间空地较多．因此，我们研究公路立交的分级目的是在满足公路立交投资规模的前提下，为公路立交交通设施的修建提供理论方面的支撑依据，使公路立交能更好发挥交通功能转换的作用．

图1 青木关互通立交

1 公路立交分级的功能指标选取及分析

虽然修建公路立交可以用来改善道路交通能力和交通安全，然而实践表明：公路立交的修建并不能解决所有的问题，因为目前的互通式立交不能完全避免以前的交通拥堵和交通事故等问题．其主要原因是项目成本、工程用地、立交选型和区域地形、地貌差异，这些问题势必导致立交交通转换功能的降低．因而，从公路立交转换功能出发对公路立交进行功能分析，以满足不同等级的公路立交的功能要求．鉴于此，在本文中选择线形质量、立交的舒适性和立交的安全性这3个功能指标来对公路交换的分级进行定性分析．

1.1 线形质量功能指标

互通式立交的线形质量包括主线和匝道．根据实际情况，我们可以看出，在处理立交线形质量时，我们可以忽略主线的线形质量，只考虑线性质量较差的匝道．匝道的作用是避免和跨越，所以其平面线形基本上完全由曲线组成，纵面线形变化起伏较大，使平纵线形组合设计带来更多的问题[2-3]．视觉分析是在线路设计阶段，站在驾驶员的角度，道路上的汽车可能产生三维视觉效果，除了依靠设计者的空间想象力以外，路线更可靠的方法是透视法[3]．通过这种方法，我们可以发现线路是否平直、舒适和美观，是否容易产生错误部分的视觉判断．另外，在我们分析和找到路线设计缺陷后，可以使用现有的设计理论进行修改，然后进行透视分析，直到满意为止．同时由于匝道的形式各种各样，不同的匝道可以形成不断变化的立交形式．因此，匝道形式的安全考虑主要是为了减少冲突点和交织点，而且还要保证与进出口协调一致的主线[4]．

当汽车在匝道上行驶时，处于变速状态，其行驶速度的大小主要受平面线形要素、纵断面线形要素以及平纵线形组合等各种因素影响，而汽车的行驶速度随着匝道线形的变化而变化[5-6]．因此，汽车在匝道上行驶的平均速度可以用作匝道线形质量的指标．平均速度不同于设计速度，但两者有一定的关联．平均速度是指在道路上行驶的汽车实际速度的平均速度[7-9]；设计速度是指天气良好，交通密度低，在控制性路面段上(如急转弯，陡坡)，中等驾驶水平的驾驶员用最大速度可以安全行驶，是确定道路集合线形元素(如平曲线半径、超高、纵坡等)的基础[7-9]．在实际的驾驶过程中，司机往往不是以设计速度驾驶，而是根据道路沿线的状况、道路状况、交通状况和自身驾驶技术选择自己适合的速度．有学者将设计速度与观测到的平均速度比较，发现设计速度低时，平均速度约为设计速度的90%〜95%；设计速度较高时，平均速度会大大低于设计速度，此速度约为设计速度的80%．

1.2 立交的舒适性功能指标

道路因素对立交的舒适性有重要影响，在立交的规划、设计、施工和维护中均要围绕驾驶员进行．在立交规划和设计中，设计师是主体，所以设计师的设计方法或设计思路尤为重要．在设计中，尽可能通过优化线路来减少驾驶员的工作，并引导驾驶员选择最佳驾驶轨迹，也就是设计人员应通过良好的设计和规划为驾驶员提供舒适、轻松的驾驶环境．

一般来说，影响立交舒适性的因素主要是驾驶员的心理行为，车辆本身的状况等．然而，从线形考虑，横向力系数、横向加速度和轴向加速度这3个因素是影响立交舒适性的主要因素．

1.2.1 横向力系数

单位车重上所承受的横向力大小就是横向力系数，该系数直接影响驾驶员和乘客的舒适性．潘晓东[10]等从驾驶员心率血压的角度出发，横向力系数与驾驶员的心率和血压存在一定关联，可以将= 0.20 作为立交舒适评价的临界值．

1.2.2 横向加速度

据文献[11]可知，如果乘客乘车感觉舒适性不显著的话，那么横向加速度≤1.8 m/s2；如果乘客乘车感觉不到舒适性，但是此不舒适性可以容忍的话，那么横向加速度达到舒适性极值3.6 m/s2；如果乘客乘车根本感觉不到舒适性且难以容忍的话，那么横向加速度≥5.0 m/s2．

1.2.3 轴向加速度

参考国内外相关研究，轴向加速度和舒适度之间的关系可以用表1描述．通过表1 可知，只要知道轴向加速度，就可以知道车辆在行驶过程中乘客的舒适程度．

表1 舒适性与轴向加速度判断准则

1.3 立交的安全性功能指标

按以上公式计算出的立交安全性评判指数如表2所示．

表2 立交安全性评判表

2 公路立交分级功能指标权重分析

对于同一座公路立交，选用线形质量、立交的舒适性和立交的安全性这3个功能指标可能对应的公路立交的等级会有所不同，因此，为了确定公路立交的分级，有必要对这3个功能指标权重进行分析以此来指导公路立交的分级．本文通过采用改进层次分析法阐述这3个功能指标权重分配的排序问题．

2.1 改进层次分析法的原理阐述

传统层次分析法采用9标度法建立判断矩阵[12]，此标度法表示2个元素之间比较时采用“稍微”重要、“较为”重要、“同等”重要、“明显”重要等模糊词语，而本文采用的改进层次分析法是依据3标度判断法[13-15]，见表3，即当A、B两个元素比较时，如果A比B重要，则用1表示；如果A和B同等重要，则用0表示；如果A没有B重要，则用-1表示．具体方法如下[14-15]：首先设某一待决策目标体系A的准则层有1,2,… ,这个指标，这些指标对应的权重依次为1,2, … ,W，且1+2+…+W= 1．然后准则层各指标间通过两两属性比较后，再用3标度法建立比较矩阵为

表3 比较矩阵标度

通过标度矩阵的数学换算可以求出准则层下各重要属性指标的权重程度，其步骤如下：

(1)求出的最优传递矩阵，传递矩阵为

(2)一致性矩阵通过矩阵转化而得，一致性矩阵也称为该准则层下的判断矩阵．

(3)求的特征向量．

用方根法求得=[1,2, … ,W]T，所求得的特征向量W即可作为各指标的权重．

2.2 功能指标权重分析

3 结论

公路立交分级历来受到国内公路界学者的关注，不同的学者对公路立交如何分级有不同的观点，而本文通过选取线形质量、立交的舒适性和立交的安全性这3个功能指标进行定性分析，并且运用改进层次分析法计算出这3个功能指标的权重，即在公路立交分级时3个功能指标重要性的排序，为公路立交的分级提供了一种方法．但是，公路立交分级除了涉及到相应道路转化功能的发挥，还涉及到区域投资效益、城市景观和环境等各方面，而本文选取的这3个功能指标是否切实可行，可与同行研讨．

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[7]杨少伟. 道路勘测设计[M]. 3版. 北京: 人民交通出版社, 2009.

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(责任编校：陈健琼)

Study on Classification of Highway InterchangeBased on Functional Indices

CUI Zhiwei

(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China )

Current highway routespecifications onlyclassify highway interchange types,which include general interchange and hub interchange. If the highway interchangesclassify according to the basic turningline of the intersection, the shape and formof connection, the function of highway interchange of transforming toimprove the traffic will be limited. However, when we design the intersections, we need to measure the size and functionof them. Therefore, this paper selects linear quality, comfort and safety of the interchangesto do the qualitative analysis on the classification of highway interchange, and uses the improved analytic hierarchy process to deal with scheduling problemsof the three indexes to provide a method of the classification of highway interchange.

functional indices; sequence; highway interchange

U412.35

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0007

1672–7304(2017)04–0033–04

2017-04-14

益阳市科技计划项目(2016A22)

崔志伟(1979-), 男, 湖南益阳人, 讲师, 博士研究生, 主要从事路桥工程和岩土工程研究．E-mail: cuizhiwei02@aliyun.com．