試論公路路線設計可靠性探討

摘 要：公路的興建有利于地區的經濟發展，有利于改善沿線居民的生活質量，能快速的為人們提供運輸等優越性，具有很好的發展前景， 路線設計是公路工程設計的基礎和靈魂。本文結合公路實際情況，對公路的路線設計進行分析探討，希望把公路設計工作做得更好。

關鍵詞：公路路線設計；安全性；可靠性

引 言：公路線形設計是公路設計的核心，其設計應保證車輛行駛的安全舒適，駕駛員的視覺和心理反應，引導駕駛員的視線，保持線形的連續性，使駕駛員有足夠的舒適感和安全感。公路線形質量的好壞，直接影響公路運營的安全、經濟、舒適、快捷以及正常功能的發揮。

公路的路線定線是公路設計中最為關鍵的一步，因為路線線形是一條公路的骨架，線形是否合理，將直接影響到公路的橋隧、人工構造物、路基、路面等的設計，也是控制工程造價的主要因素，同時在公路建成后，如果再要改變線形，一般也是非常困難的。尤其是高等級公路的路線，一經建成將長期制約著公路的經濟和社會效益的發揮。所以，有的國家提出公路路線是公路的生命，它對汽車行駛的舒適、安全、經濟和道路的通行能力，都起著決定性的作用和影響。

1 公路路線設計現狀及存在的問題

國外發達國家關于公路路線設計的理論已經從單純考慮汽車的動力學要求，逐漸注重考慮駕駛員的生理心理特征，提倡以人為本的設計理念，注重線形設計后使用上的舒適性，并在開展設計的安全性、連續性、一致性、經濟性等方面進行了研究。我國的路線方案基本上是采取傳統的經濟評價、財務評價以及工程技術方面比較方案優劣，存在的主要問題是忽視了環境、社會等方面的影響，不能全面反映線路的科學性和合理性，經濟上最優的方案未必是最優方案。

2 公路路線分析方法

公路路線優化問題具有設計目標不可公度性和目標間的矛盾性兩大特點，設計目標的不可公度性是指各個目標沒有統一的度量標準，很難加以比較。線性設計目標間的矛盾性是指如果采用某種方案去改進或改變某一目標值，可能會使另一目標的最優值變好或變壞。

2.1 可靠性研究分析

可靠度理論在公路線形設計中的應用很早就已經開始研究，而我國將可靠度理論應用在公路路線設計方面研究還未全面開展?？煽慷壤碚撛谝恍╊I域特別是結構工程和巖土工程學中應用較廣泛，同時在運輸工程學領域也有研究，如公路排水管道設計、交通信號燈間隔時間可靠性分析，信號配時設計等。可靠度理論是以概率論為基礎的極限狀態設計，用概率來描述工程結構可靠性的問題。

公路路線設計可靠性分析中，主要目的是根據路線設計極限狀態下功能函數計算可靠指標β、失效概率Pf等。路線設計功能函數是用公路供給值和駕駛期望值來表示。假定公路供給設計參數隨機變量為S，駕駛期望設計參數隨機變量為D，其相應的概率密度函數為f S（s）和fD（d），且S與D相互獨立，則功能函數Z表示為：

Z=g（S，D）=S-D

對于路線設計的各個極限狀態方程：當 Z=0時，該路線設計參數處于極限狀態；當Z>0時，該路線設計參數滿足功能要求；當Z<0時，路線設計參數不滿足功能要求，即為失效。其設計參數失效概率為：

假定隨機變量S和D均服從正態分布，其平均值和標準差分別為US，UD和O-S，O-D，則功能函數Z=S—D也服從正態分布：其平均值和標準差分別為UZ=US-UD及和 ，失效概率：

對其進行標準正態變換 ，令，可得 ：

式中，為標準正態分布函數，現引入符號β，并令，則得：，式中：β為一量綱的系數，稱為可靠指標，可靠指標β的表達式為：

2.2 系統分析法

將路線設計成果進行系統分析，可以對設計成果及環境約束情況作出定量或定性的評價，指出存在的問題和改進的方案，從而達到最優化設計。系統分析法包括五個要素：目標、評價標準、現狀數據、分析評價、優化決策。

《公路路線設計規范》中明確規定：公路路線設計應對公路的平、縱、橫三個面進行綜合設計，做到平面順適、縱面均衡、橫面合理；公路路線設計規范是公路設計的依據，也是評價公路路線設計可靠性質量的標準，其表現為一系列規范條文，這些規范條文既有原則性的。也有針對各個細部的，所有規范條文構成一個系統現狀數據，包括路線設計成果及公路環境約束的數據。公路設計成果數據為主要技術經濟指標采用值，環境約束狀況則包括地形、地質、水文情況等。將公路設計現狀與評價標準進行比對，將公路環境約束與設計現狀比對，分析路線設計的合理性，論證需要加以改進的，基本合理但仍有改進余地的，基本達到技術要求而不滿足經濟要求的，滿足經濟要求而實際技術指標不太理想的；對公路分析評價中發現的問題進行合并、歸類，找出重點.提出科學合理的優化方法，并付諸實施，同時對公路優化后的成果數據進行再分析與優化。

系統分析法的要點包括：系統與定量，系統分析法的形式可以多種多樣，按系統與定量的原則來要求，系統要求全面、清晰，定量要求書面化的數據成果。系統分析法評價公路線形設計質量，工作量相對較小，且定量分析的結果清晰明了。利用計算機輔助設計情況下，在路線設計中推廣系統分析法。有效地提高路線設計質量，合理地減少工程量，具有良好的推廣應用前景。

2.3 路線智能優化法

智能優化法是基于空間數據挖掘技術和多目標遺傳算法求解路線方案Pareto最優解集的公路路線智能優化模型，獲得協調各設計目標的路線方案，作為交互式公路路線CAD系統初始設計方案，從而提高公路路線計算機輔助設計能力水平和設計層次，提高公路路線設計智能輔助決策能力。

公路路線設計優化過程必須從公路原始空間數據庫中真實及時地提取、分析與公路路線相關的空間數據，為公路路線目標函數計算提供數據資料依據；按所需空間數據的屬性和查詢方法，路線設計空間數據挖掘方法可分為點數據挖掘、線數據挖掘、面數據挖掘。公路是敷設于自然界的人工構造物。所經區域的地面高程決定了路線的位置、工程量等因素，是公路路線設計的關鍵信息。通過GIS的空間分析模塊，利用數字高程模型（digital elevation model，DEM）可獲得路線地區任一點的地面高程，由于公路路線設計需要縱斷面地面線和橫斷面地面線，所以必須將公路路線設計領域知識與GIS空間分析相結合，以獲得所需地理地質和公路區域的有效信息。公路路線在布設時，不可避免地要與其他公路、鐵路、河流等相交，通過GIS的拓撲關系查詢，獲取公路與線狀構造物的拓撲關系，合理地確定立體交叉或平面交叉的類型。而通過分析路線所交河流的寬度、流量等信息，則可以合理確定擬建橋涵的跨徑，從而為公路路線方案優化提供充分的信息。面數據挖掘方式，為公路路線挖掘面域信息，為路線設計提供依據。

建立公路路線智能優化系統模型，有利于解決路線優化過程中模糊性、不確定性問題，為公路路線的設計提供科學和有效的依據。

3 結束語

從公路路線設計工作中存在的問題出發，提出了一些解決方法。這樣做才能省工、省時還能有效節約資源，降低建設費用，希望本文提出的方法能對以后的公路路線設計起到一定的作用。

參考文獻：

[1] 丁兆文.公路路線方案選擇方法研究[J].科技信息 ，2008.

[2] 徐登云. 用系統分析法評價與優化路線設計[J] .中南公路工程 ，2003.