基于Civil 3D 的快速路速度协调性评价软件开发

徐弯弯，刘东亮，陈亚杰

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

快速路是城市交通的主动脉，承担着大容量、高速度、长距离的交通功能。一旦发生交通事故，极易造成严重的人员伤亡和交通拥堵，而今城市快速路交通事故数一直处于居高不下的严峻状态[1]。由不良线形组合或匝道出入口布置等导致的行车稳定性不足、长直线或大纵坡等导致的超速行驶，是城市快速路交通事故的重要诱因[2]，分别可通过相邻路段运行速度的协调性、运行速度与设计速度的协调性来评价。而对于设计阶段快速路，运行速度无法实测，需通过预测模型测算获得，但人工测算过程一般存在操作繁琐、重复工作多、计算量大且易出错等缺陷，因此有必要通过计算机技术实现运行速度测算和协调性评价的自动化。

随着BIM 技术的发展成熟和BIM 模型在道路工程中的广泛推广运用，部分学者考虑道路BIM 模型相较于传统的CAD 模型具有的设计信息一体化、模型三维可视化等优点，开始基于BIM 平台开展道路运行速度测算功能的开发研究。刘鑫[3]通过对比分析主流BIM 建模软件，选用Civil 3D 作为开发平台，建立了公路运行速度测算和协调性评价模块。张兴宇等[4]基于开发的Civil 3D 公路运行速度协调性评价模块，完成了花石峡至久治公路路线设计方案的线形一致性评价工作。但是，由于城市快速路运行速度预测与协调性评价模型研究极少且未成标准，现有的道路运行速度测算和评价程序均基于《公路项目安全性评价规范》（JTG B05—2015）中提出的公路运行速度预测模型编写。对于在线形设计、车道宽度、匝道出入口和立体交叉布置、交通流特性等方面均与公路存在显著差别的城市快速路，该公路运行速度预测模型和相应测算程序缺乏适用性，无法准确评价城市快速路的速度协调性。

针对城市快速路运行速度预测与协调性评价模型缺乏的问题，温学钧、郑晓光等[5]于2019 年，通过对156 段上海快速路实测交通运行数据的回归分析，成功构建了城市快速路运行速度预测与协调性评价模型，并将其纳入上海市地方标准《城市道路安全性评价标准》中。目前该标准已通过多次评审进入报批稿阶段，但其中提出的快速路运行速度预测模型暂未实现程序化，仍存在计算繁琐和易出错的问题。

综上，本文以上海市地方标准《城市道路安全性评价标准》中提出的城市快速路运行速度预测和协调性评价模型为基础，基于BIM 平台开发快速路速度协调性评价模块，使BIM 软件可从安全角度提供线形组合、立交和匝道布置、横断面设计等方面的决策建议，实现城市快速路交通安全的提升。

1 速度协调性评价软件搭建

1.1 速度协调性评价软件总体架构

《城市道路安全性评价标准》编制组基于调研的上海市快速路运行速度、交通流量和快速路设计资料，通过偏相关分析和多元回归分析，建立了不同路段快速路运行速度计算模型，如表1 所示。其中，纵坡段指纵坡坡度不小于3%且曲线半径大于600 m的路段，曲线段指曲线半径不大于600 m 且纵坡坡度小于3%的路段，弯坡段指纵坡坡度不小于3%且曲线半径不大于600 m 的路段，立体交叉段指上游变速车道渐变段起点至下游变速车道渐变段终点的主线段，隧道段指隧道入口前200 m 至隧道出口后100 m 的路段。同时，提出如表2 所示的不同参数下的运行速度修正模型，并结合事故分析验证了《公路项目安全性评价规范》（JTG B05—2015）中速度协调性评价标准对城市快速路的适用性，完成了速度协调性评价模型的整体建立。

表1 不同路段快速路运行速度计算模型

表2 不同参数修正模型

综上，路段划分、运行速度测算、相邻路段运行速度协调性评价、同一路段运行速度与设计速度协调性评价为模型的4 个重点。选用国内主流道路BIM 建模软件Civil 3D[6]为开发平台，结合速度协调性评价模型的4 项重点内容和插件的基本输入输出功能，将快速路速度协调性评价模块划分为如图1所示的组成架构。

图1 基于Civil 3D 的快速路速度协调性评价软件

1.2 数据读写子模块

载入道路BIM 模型后，用户选定评价道路中线、纵断面和行驶方向后，程序自动读取测算运行速度所需的道路设计参数，包括平曲线半径、纵坡坡度、平纵线形特征点桩号，以及隧道和立交影响段起终点桩号。其中，隧道和立交影响段起终点桩号也可手动添加和修改，如图2（a）所示，并将各特征点（直曲点、曲中点、曲直点、变坡点、隧道洞口、互通立交减速车道渐变段起点、互通立交加速车道渐变段终点）桩号按行车方向储存到特征点集SPTs[]。同时手动输入测算初始参数和模型修正参数。其中，初始参数包括设计速度Vd和推荐加速度，修正参数包括车道宽度、高峰小时系数和匝道密度。程序根据表3 所示规则自动调用初始运行速度、期望速度和最低运行速度。根据表2 所示修正模型，按照插值法自动计算显示各修正参数对应影响系数，如图2（b）所示。

图2 数据读写子模块显示界面

1.3 运行速度测算子模块

完成上述计算参数读写后，单击【OK】按钮，程序即开始进行运行速度测算，计算流程如图3 所示。程序首先按照分段规则和基本模型，通过10 个判断函数、9 个计算函数和2 个循环函数，沿行车方向依次完成各特征点运行速度V85的计算。随后，通过2 个判断函数、2 个计算函数和1 个循环函数，比较各特征点计算运行速度与最低运行速度和期望速度的大小，将小于最低运行速度的计算结果替换为最小运行速度，超过期望速度的计算结果替换为期望速度。最后根据运行速度修正模型，通过3 个判断函数和3个计算函数，计算得到各特征点最终测算运行速度，存储到运行速度计算值集OSList[]。

图3 运行速度测算流程

1.4 速度协调性判断子模块

根据上步计算结果，沿行车方向依次计算相邻特征点的运行速度差|（ΔV85|、相邻特征点的运行速度梯度值|（ΔIV|，以及同一特征点的运行速度与设计速度差|V85-Vd|，并根据速度协调性评价标准[7]，完成道路相邻路段运行速度协调性（又称“线形一致性”）、同一路段运行速度与设计速度协调性的判断，并在特征点集中添加相应判断结果标签，流程如图4所示。

图4 速度协调性判断流程

1.5 图表输出子模块

完成速度协调性判断后，窗口将显示各分段起终点桩号、单元类型、路段影响参数（单元长度、曲线半径、纵坡坡度）、各特征点最终测算运行速度、速度协调性判断指标计算结果和评价结果，如图5 所示。同时，用户可通过点击【绘制曲线】按钮，以分段桩号为横坐标、运行速度为纵坐标，将不同车型的运行速度折线图输出到DWG 图形文件中；通过点击【导出到excel 按钮】，将计算结果以.xls 格式输出。

图5 运行速度协调性评价结果显示

2 速度协调性评价插件应用实例

某市海滨大道新建工程全长约10.2 km，为双向8 车道快速路，设计速度80 km/h。全线除高架主线外，还包含一段隧道和一个互通立交，如图6 所示。为检验设计方案的合理性和安全性，基于该道路BIM 模型，利用开发的城市快速路速度协调性评价插件，对设计方案的线形组合、隧道布置、立交和匝道设计等进行安全性分析。

图6 道路BIM 模型示意

2.1 运行速度测算

将海滨大道按西线和东线分别进行运行速度测算，依次道路中线、纵断面布局和行驶方向，并输入设计速度80 km/h、车道宽度3.75 m 和匝道密度0.29 个/km 后，程序将海滨大道西线和东线分别划分为13 个计算路段单元，各包括含起终点在内的14个特征点，计算得到各特征点运行速度，并生成如图7 所示的预测运行速度折线图。

图7 预测运行速度折线图

由图7 可知，海滨大道西线和东线的预测运行速度均存在一定程度的波动，各特征点预测运行速度介于70 km/h 至100 km/h，且存在多点运行速度达100 km/h，存在超速隐患。

2.2 运行速度协调性评价

根据程序输出的海滨大道东线和西线运行速度协调性评价结果，导出excel 后提取部分信息，整理得到表4 和表5。

表4 海滨大道东线速度协调性评价结果

表5 海滨大道西线速度协调性评价结果

分析可得：

（1）线形一致性不良路段包括东线K0+967～K2+449 段、K5+345～K9+846 段和西线K9+846～K5+345段。不良指标均为起终点运行速度差大于20 km/h，由路段长直线或大半径圆曲线线形使驾驶员行车持续加速导致。可不对相邻路段线形进行调整优化，但需在上述路段的起点、长直线中点等处设置限速标志，并可配合设置减速标线和超速监控设施。

（2）运行速度与设计速度协调性不良路段包括东线K2+976～K3+269 段、K5+345～K10+161 段和西线K9+846～K5+119 段、K0+480～K0+0 段。路段线形均为长下坡或直线与下坡相接，驾驶员行车持续加速致使运行速度超过设计速度20 km/h，存在较大的超速隐患。因此，在设置控速设施的同时，还应按照运行速度对路段视距、护栏防撞等级、标志尺寸等技术指标进行安全性检验。

（3）线形一致性较好路段包括东线K3+269～K3+469 段和西线K5+119～K4+919 段、K2+976～K0+967段。其中，西线K2+976～K0+967 段运行速度变化为加速，线形一致性缺陷可忽略；东线K3+269～K3+469段和西线K5+119～K4+919 段运行速度变化为减速，均由下坡段加速行驶至隧道入口前大幅减速导致，存在追尾隐患。因此，应在隧道入口前设置多级预告标志，并在下坡段设置控速标线。

3 结语

本文针对城市快速路速度协调性评价软件缺乏的问题，基于BIM 技术在快速路建设工程中积极推广运用的现状，选用用户多、操作界面熟悉且支持多种常用格式导入的Civil 3D 为开发平台，以上海市地方标准《城市道路安全性评价标准》中提出的快速路运行速度预测和协调性评价模型为程序编制基础，成功开发了快速路速度协调性评价插件，实现了快速路运行速度协调性的简便快速测算、评价结果的多类型图表展示与导出，并成功运用于某市海滨大道新建工程的路线设计方案检验中。研究成果拓宽了Civil 3D 软件中路线和交通设施设计在交通安全方面的辅助核查功能，后续可进一步开发基于运行速度的三维视距核查功能。