运行速度及其在公路路线设计中的应用探讨

王 裕

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 410000)

1 引 言

经济的发展,促进了我国公路事业的繁荣。同时交通的便捷,又促进了经济的发展,两者相辅相成。公路数量增长带来利好的同时,交通事故等道路安全问题也日益突出。图1给出2015～2020年,我国交通事故发生数量及直接财产损失金额,由此可见交通事故的严重危害性。交通事故的发生,除了驾驶人等相关的不可控的主观因素外,车速与公路路线设计直接影响道路行车安全。同时,随着经济的发展,车量的增长,人们对道路路线的舒适性与适用性的要求也日益提高。因此研究公路路线设计,提高公路路线设计的合理性与安全性,对降低交通事故,减少经济财产损失,提高公路适用性,满足人们对道路设计日益增长的要求,不断促进经济的发展,具有重要意义。

图1 2015～2020年中国交通事故发生数量及直接财产损失金额

2 运行时速概念

在公路的建设过程、运营过程中,车辆的时速设计和路线方案设计尤其重要,同时也是运营过程中车辆行车安全的重要保障。其中,车速又是路线方案设计的重要参考因素之一,其大小不仅直接影响路线几何参数,还极大的影响了公路投入运营之后的使用安全和使用效率。目前,国内外路线方案设计的参考依据主要两种:分别是设计时速和运行时速。

设计时速指的是在外界因素较好,其他设计特征均能够满足现有设计要求的前提下,特定区间公路路段能够保持的最高时速。该概念最早于1940年,由美国AASHTO协会提出。并随着国内公路事业的发展,我国于2014年9月由交通部发布符合国情的《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)中设计速度取值标准。

运行速度即公路上车辆的实际行驶速度[1]。研究表明[1-2],驾驶员在一个路段上的车速是以0.14的变化系数均匀提高。基于经济性和选值代表性考虑,将车速百分比分布85%点对应的速度,取为运行速度V85。运行速度获得方法大致有三种:一种是路段实测法,该方法指的是通过某一特定路段对该路段的实际速度进行测量,并由此绘制该路段的行车曲线,最后对曲线上的85%所对应的值进行选取,即为该路段的速度值。第二种是模型预测法,2016年4月交通部分布的《公路项目安全性评价规范》中,提出运行速度V85的模型计算方法[3-5]。第三种是理论预测法,根据汽车动力学以及运动学等指标与运行速度关系,反算得到运行速度。其中,第一种方法费时费力且仅适用于建成的公路,第三种方法要已知初步公路路线设计,从而得到初步的相关指标,多用于公路路线设计评价阶段,目前第二种方法,应用较广。

3 我国公路路线设计分析

我国现行公路路线设计基本思路是:首先根据公路设计等级按照现行规定,择选适当的设计速度值。设计速度选定后,对照《标准》要求选择确定其它设计要素的最低指标。最终只要设计所采用的最小几何指标大于所对应的最低指标,则认为该公路路线设计满足要求。

但经过多年研究,国内外学者发现这种设计方法存在一定的不足,主要表现在。

(1)公路路线设计中设计车速往往和该公路建成后的运营速度存在一定偏差,且往往低于实际运营中速度,由此导致设计方案中的几何指标不能满足实际使用需求。

(2)根据设计车速确定的设计要素最低指标,最低指标的限制与最高指标的不设限,造成公路路线线形设计要素之间不协调,线形指标组合的不合理。尽管设计标准中指出要避免多种最小值指标的组合设计,但类似的定性的描述,并不能指导实际设计中指标定量的确定。

基于现行公路路线设计的不足,以及运行速度的影响性,本文提出基于运行速度的公路路线设计研究。

4 基于运行速度的公路路线设计研究

4.1 运行速度计算

以运行速度进行公路路线设计时,首先得知道运行速度大小,前述介绍了三种运行速度获得方法,在此具体总结第二种模型预测法。《公路项目安全性评价规范》预测模型中,取曲线中点作为速度计算点,认为车辆在圆曲线上做匀减速运动,公路平面路线线形基本构成要素见图2。实际情况中,驾驶员在看到圆曲路段之前已在平直段完成减速,在弯曲路段上很少拐弯加速或突然减速,而是保持匀速率运动。曲线路段入口处,我们可以看到刹车痕迹分布位置,并非在曲线段上,而是在曲线段前的直线段上。故认为应取缓圆点作为运行速度计算点,并且将该点上的车辆的云顶速度近似认为是做匀速运动。

图2 线形基本构成要素见

将《公路项目安全性评价规范》该规范上的速度进行修正,其模型如下。

(1)车辆在平直路段上加速行驶,直线段出口运行速度Vc求解如下所示

(1)

式中:V0为直线段入口运行速度;a0为车辆推荐加(减)速度,小车建议取0.15～0.4,大型货车建议取0.20;s为直线段长度。

(2)纵坡段运行速度,按表1对进行修正。

表1 运行速度修正表

(3)小半径平曲线路段运行速度,按表2记取。

表2 速度模型

(4)针对弯坡组合路段的运行速度,按表3记取。

表3 预测模型

4.2 基于运行速度的公路路线设计

考虑我国现行规范与工程技术人员设计习惯,结合内外学者相关路线设计方面的研究,在现有研究的基础之上提出了一种基于运行速度的新的设计方法。该方法首先是对公路路线的初步设计。初步设计阶段,第一步是完成数据的收集与整理,以相似已建成路段的实测运行速度为原始数据,通过数据处理软件拟合实测车速在测试过程中得到的一个正态分布,曲线,并取该拟合曲线上85%所对应的速度值,并将该值的大小作为V0,即初始速度大小。比较V0与《标准》设计速度Vd大小,当两者差值不超过10 km/h时,取V0作为初步设计速度。当两者差值超过10 km/h时,取两者之间的较大值作为初步设计速度。当无相似已建成公路可参考时,可直接取Vd作为初步设计速度。根据初步设计速度,运用公路路线设计速度法进行路线初步设计,绘制公路平面线形。

其次,依据《公路项目安全性评价规范》,将路线划分为路段分析单元。

然后,采用4.1所述运行速度模型预测法,分别计算各路段运行速度。对得到的相邻路段运行速度进行连续性检验。连续性检验要求控制相邻路段运行速度差值不超过10 km/h,并对不符合路段路线设计进行调整或者增设过渡段。根据各路段调整结果,重新绘制公路全线设计图,完成路线设计。

4.3 公路路线设计评价

基于公路路线设计安全性与舒适性慎重考虑,应对已完成公路路线设计进行设计评价。在运行速度计算方法3中,也是基于路线设计的评价模型反算运行速度。国内外学者针对公路路线设计评价提出了多种评价模型,在此不再赘述。评价模型选取时,需符合路段实际情况。

5 结 语

我国现行公路路线设计的设计速度法存在的不足已被广泛地认知,运行速度在公路路线设计中应用的必要性与合理性,也被提出,公路路线设计正在向更完善更成熟的方向发展。但公路运行速度及基于运行速度的提出较晚,发展仍不成熟,首先关于运行速度的获得与记取,亟待更多更简单更合理的计算模型。其次基于运行速度的设计方法,受困于路面几何指标与规范相应设计要素限制,仍不能脱离设计速度法,需要更多学者的研究与分析。