基于设计速度与运行速度理念在山区高速公路限速设计中的优化应用研究

2023-06-10朱晴晴

运输经理世界 2023年4期

朱晴晴

（贵州顺康勘察设计有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

根据现行公路路线设计规范，我国山区高速公路新建和改建公路的路线设计方法采用的是设计速度，并结合运行速度进行线形连续性检验，最终确定限制速度。德、美、法等发达国家普遍采用运行速度设计理念。这两种设计理念存在的局限性直接影响了限制速度的设计，且受到山区地形限制，局限性在山区高速表现得尤为明显。因此，在设计中平衡设计速度与运行速度的关系，达到兼顾“以人为本”的公路设计目的，需对设计速度与运行速度理念在公路限速设计中的应用进一步展开研究。

1 设计方法的应用分析

我国的山区高速公路设计是以设计速度为基本指标，并考虑路线曲线半径、视距、纵坡等多指标相互协调[1]。目前，国家已制定了相应标准以规范公路限速标志的设计[2]，技术人员在山区高速公路设计中出于安全考虑，往往会全线统一采用设计速度为限制速度，仅在因隧道等构筑物影响的局部考虑限速调整，其主要原因在于设计速度和运行速度的平衡设计关系较为模糊。以设计速度为特定概念的高速公路设计方法，首先将设计速度作为一个定值常数，不同技术等级的设计速度可以相同，同时要确保设计速度与公路等级相匹配，并根据相应的技术标准，按照曲线段元素信息如平纵面几何线形的指标采用值，对照设计各个路段。基于设计速度理念的设计方法，在国内已被路线设计人员熟练掌握和使用，一方面是设计方法和思路容易理解，另一方面是国家规范的推动。一般来说，设计速度理念是满足于最低的技术指标，同时也存在一些不足，其一，从本质上来看，按照设计速度方法不可避免地与实际运行速度是存在不一致。其二，路线设计人员在技术指标控制方面存在主观随意性、盲目性，生搬硬套指标参数，导致路线的实际运行速度与设计速度明显不协调。其三，现行设计中往往简单地把设计速度设置为限制速度，忽略了运行速度的可优化性，降低了驾驶舒适感。

以运行速度作为设计理念的方法，也是许多国家的基础设计方法。与设计速度方法不同是，运行速度方法基于驾驶实际，根据高速公路的可视线形、驾驶员水平及驾驶车辆的动力性能等各种因素动态变化。运行速度设计方法主要参考影响车辆运行速度的因素，包括气候影响、车辆性能、驾驶员水平、道路的交通拥挤情况、路侧敏感点影响以及路线的几何特征等，更偏向于采用动态和实际运营情况的指标。基于运行速度的设计方法，为公路设计中路线方案的优化与调整、具体技术参数的选取、完善交通设施设计等方面提供更准确的依据，可以更有效地避免驾驶特性与公路特征不匹配的现象。

我国相关公路设计规范规定必须采用运行速度检验设计路线的合理性，主要针对设计速度存在的不足，改善技术指标，或采用必要的交通安全技术、管理措施，是对设计速度的设计方法的补充、完善与提高。同时，强调相邻路段运行速度之差应小于20km/h，运行速度与设计速度之差应小于20km/h。由于运行速度只有在项目建成后才能真正反映，基于运行速度的设计方法实际上采用的也是一种模拟设计，需要后期调整，具有局限性。

基于设计速度和运行速度均有局限性，设计复杂程度更是增加不少，因此，要充分应用设计速度和运行速度的优势，使限速设计更加合理，道路资源利用率更高，就需要进一步研究设计速度与运行速度的应用关系。事实上，对于既有高速，为了满足日益提升的公路服务体验，多考虑调整限速。关于调整限速，国内学者作出了一些有意义的研究，如黄晨[3]针对我国高速公路速度运营管理现状，充分考虑公路服务效率和安全交通两个方面，提出了一种用于高速公路限速标准调整效果评价的方法。对于不利气候影响研究中，刘玮蔚等[4]从考虑雨天影响交通安全的角度出发，结合雨天特征应用了随机森林模型，对高速公路的风险特征进行重要度标定，同时又结合了熵值理论，建立了风险模型，从理论上深入研究了雨天可变速的设计方法。王大伟等[5]从行车安全性和舒适性两个方面对限速路段进行了基本研究。值得注意的是，既有研究一般均以设计速度理念或运行速度理念中的一种，作为公路设计的基本设计方法。

我国以前建设的高速公路车道划分为内侧超车、外侧混合的交通管理模式，随着我国交通发展加速，山区高速公路建设里程和规模相应增大，为了满足更大交通需求，许多山区高速公路的车道数量也从最开始常见的双向四车道升级为双向六车道、双向八车道甚至双向十车道，多车道中各车辆在空间上行驶横向分布位置差异较大，设计中采用的二维线形控制标准已不符合实际情况，其主要原因在于我国高速公路采用分车道限速管理和控制方式，规定了在内侧车道主要是小型车辆行驶，大型车则要求靠右行驶，即外侧车道。不同车道的车辆对应的运行速度也不相同，这样也会降低车型间的相互干扰，分车道限速管理的实施方式使得车辆运行速度有所提升，对道路线形的要求也随之提高。事实上，行驶区域中不同车辆的差异，如驾驶员视距和动力性能差异，导致各个车辆间存在驾驶干扰，使道路的通行服务能力下降；如果相互车辆之间行驶紊乱，严重时甚至会导致交通事故，因此，应根据不同车型采取分车道管理模式，为交通安全提供更好的保障。

值得注意的是，在分车道管理模式及考虑不同车道的运行速度差异情况下，对道路设计人员道路的几何要素设计和指标把控能力方面也提出更高要求，比如作为山区高速公路设计中重要指标之一的视距、加减速车道设计以及标志标牌的设置准确性和合理性，若未综合考虑山区高速公路不同车道运行速度特点和行车规律，将造成一定的交通安全隐患，因此，道路设计人员应尽可能采取合适的指标，保障高速公路的运行安全。

一般来说，高速公路行驶中车速越高，发生事故的风险也越大，受车辆性能、驾驶水平以及其他因素的综合影响，风险与速度不成线性关系。众所周知，车辆的速度与事故发生的概率和事故发生的严重性存在直接关系，其中，超速行驶是山区高速公路中导致事故发生最为常见的因素。超速行驶的危害包括[6]：

第一，驾驶员在高速行驶的过程中视距是比较差的，在超速行驶时驾驶员能直观感受到视野变窄，突发交通险情的判断力变差，特别是在山区高速公路行驶中，长时间或远距离的高速驾驶，加之山区高速公路的线形较平原地区存在“弯急坡陡”的不利情况，极易导致驾驶员在出现疲乏状态的情况下难以准确应对急弯和陡坡加速，大大增加了发生事故的风险。

第二，超速行驶的车辆，因惯性和车辆自重较大的影响，发生碰撞、侧翻等事故产生的冲击力很大。对于货车，根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中的规定，货车在高速公路的设计速度取值通常确定为80km/h，该设计速度对应的视距为125m。

第三，超速行驶的车辆制动距离明显增长，车速与制动距离的关系约是四倍关系，即车速增加一倍，制动距离将增加四倍；对于重载车辆，距离将显著增加；对于湿滑路面，发生事故的风险和严重程度也是以指数级增加的。

澳大利亚RTA 以60km/h 的速度为实测基本变量，研究速度与事故危险性的关系，如图1 所示。从图1 中可以看出，速度每增加5.0km/h，发生事故的危险性大概以两倍递增，驾驶安全性对速度变化的敏感性是很强的。事实上，运行速度与公路事故风险程度之间是一个U 型曲线关系，如图2 所示。从图2 中可以看出，当运行速度与平均速度和差值增大时，事故风险程度都是增大的，即在高速公路行驶中，超速或低速行驶都会使事故程度显著增大。

图1 速度与事故危险性的关系

2 设计限速方法的应用优化分析

由于设计速度和运行速度理念均存在局限性，因此，路线设计中首先会根据规范要求按照设计速度理念设计，再采用运行速度进行检验。该设计方法是一种相对“静态”的方法，要想使得路线设计总体上更加符合“以人为本”的科学限速设计理念，须从设计速度、运行速度和限速方案相互关系中寻求优化设计方法，从而让限速方案更加合理，道路服务水平更高。

2.1 静态限速设计

静态限速设计中最典型的方法就是根据规范设计，静态限速设计优化方法应从以下三个方面考虑：

第一，建立设计信息共享平台。目前，道路设计人员采用的设计理念类似于参数对照式方法，设计人员的设计经验往往在于熟练把握各规范对应的参数或指标，且各勘察设计单位间的设计经验数据并不共享，进而导致设计人员的设计合理性严格依赖于规范，设计人员对设计是否合理主要体现在是否满足规范。从国家交通安全设计良性发展的角度来看，有条件时应建立道路优化设计方法数据平台。比如，首先邀请代表单位根据项目的特点，统计设计过程中理论运行速度与设计速度差别较大、较小以及基本一致的代表性路段。其次，根据交工阶段的实地驾驶感受，更为清晰和直观地对设计成果中合理驾驶速度进行评价，以此丰富设计人员的经验。最后，结合规范将设计经验和优化后的数据反馈于数据平台，为规范的更新和完善以及设计案例参考提供较为可靠的依据。只有在理论设计方法更加合理的情况下，才能更好地保障限速设计方案的合理性和安全性。

第二，充分考虑限速设计因素。当路线经过包括理论运行速度核验等设计优化时，应多方面考虑各个影响限速设计的因素，如多车道、长直线、长下坡或大半径圆曲线接小半径圆曲线、视觉连续性、连续弯道、隧道、桥梁等，可以采用仿真模型进行分析。

第三，提高交通安全设施实施合理性。由于交通安全设施设计涉及标志、标线、标牌、护栏等设施，这些设施又在一定程度上影响了限速标志位置和信息的合理性，使得设计人员难以准确、合理地协调各个设施之间的空间位置和信息关系。同时，采用BIM 信息集成技术来替代目前普遍采用的二维CAD 设计，通过数字化技术建立信息化虚拟三维模型，可以较为可靠地在设计阶段解决该问题。此外，结合交工阶段的实地驾驶检视与排查，将进一步优化限速设计，节约工程造价。

2.2 动态限速设计

动态限速设计方法一般是在静态设计基础上进行合理可变限速控制，属于一种后处理方法。动态限速设计主要考虑不利天气和交通流影响，从原理角度来看，较静态设计方法简单，不利天气主要考虑雨雾、凝冻气候，一般根据路段监测系统实时监控，并根据分析监测数据实时地、动态地将安全限速值动态反馈在可变限速标志系统。目前，在山区高速公路设计中，一般重点对考虑设置枢纽互通位置的交通量影响，弱化不同路段交通流预测。事实上，受到多因素的综合影响，全路段准确、实时地进行交通流监测较为困难，因此，交通流监测往往在运营期定点观测较为可靠。