基于功能指標的公路立交分級研究

崔志偉

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基于功能指標的公路立交分級研究

崔志偉

(湖南城市學院土木工程學院，湖南 益陽 413000)

現行的《公路路線設計規范》對公路立交的類型僅僅做了分類，也就是分為一般立交和樞紐立交，而公路立交分類只是根據交叉路口的基本轉彎線的相互關系，形狀和連接形式來進行分類的話，公路立交所起改造交通堵塞的作用將受到限制．但是，當我們進行道路交叉口的規劃、設計、選型等時，經常需要衡量道路交匯處所修建立交的規模和功能．因此，本文選取線形質量、立交的舒適性和立交的安全性這3個功能指標來對公路立交的分級進行定性分析，并用改進的層次分析法來處理這3個指標間權重的排序問題，為公路立交的分級提供一種方法．

功能指標；排序；公路立交

現行的《公路路線設計規范》[1]可以看出，公路立交僅僅分為一般立交和樞紐立交2類, 然而公路立交分類只是根據交叉路口基本轉彎線之間彼此關系，形狀和連接形式來進行分類的話，公路立交所起改造交通堵塞的作用將受到限制，比如重慶青木關互通立交(如圖1所示)，該立交與遂渝高速公路相交，且該立交為樞紐立交, 原設計采用半苜蓿葉與半定向組合式立交，直接轉向，立交功能較好，結構基本合理，立交類型選擇基本恰當．但是該立交位于沙坪壩區的西部，立交區域內除布設有東西走向的國道319線外，無其它干線公路，區域路網簡單，行車路線具有唯一性，宜設全互通式立交．此外，原立交方案中的立交結構不夠緊湊，匝道布設顯得松散，左轉小環道與半定向匝道以及右轉匝道間空地較多．因此，我們研究公路立交的分級目的是在滿足公路立交投資規模的前提下，為公路立交交通設施的修建提供理論方面的支撐依據，使公路立交能更好發揮交通功能轉換的作用．

圖1 青木關互通立交

1 公路立交分級的功能指標選取及分析

雖然修建公路立交可以用來改善道路交通能力和交通安全，然而實踐表明：公路立交的修建并不能解決所有的問題，因為目前的互通式立交不能完全避免以前的交通擁堵和交通事故等問題．其主要原因是項目成本、工程用地、立交選型和區域地形、地貌差異，這些問題勢必導致立交交通轉換功能的降低．因而，從公路立交轉換功能出發對公路立交進行功能分析，以滿足不同等級的公路立交的功能要求．鑒于此，在本文中選擇線形質量、立交的舒適性和立交的安全性這3個功能指標來對公路交換的分級進行定性分析．

1.1 線形質量功能指標

互通式立交的線形質量包括主線和匝道．根據實際情況，我們可以看出，在處理立交線形質量時，我們可以忽略主線的線形質量，只考慮線性質量較差的匝道．匝道的作用是避免和跨越，所以其平面線形基本上完全由曲線組成，縱面線形變化起伏較大，使平縱線形組合設計帶來更多的問題[2-3]．視覺分析是在線路設計階段，站在駕駛員的角度，道路上的汽車可能產生三維視覺效果，除了依靠設計者的空間想象力以外，路線更可靠的方法是透視法[3]．通過這種方法，我們可以發現線路是否平直、舒適和美觀，是否容易產生錯誤部分的視覺判斷．另外，在我們分析和找到路線設計缺陷后，可以使用現有的設計理論進行修改，然后進行透視分析，直到滿意為止．同時由于匝道的形式各種各樣，不同的匝道可以形成不斷變化的立交形式．因此，匝道形式的安全考慮主要是為了減少沖突點和交織點，而且還要保證與進出口協調一致的主線[4]．

當汽車在匝道上行駛時，處于變速狀態，其行駛速度的大小主要受平面線形要素、縱斷面線形要素以及平縱線形組合等各種因素影響，而汽車的行駛速度隨著匝道線形的變化而變化[5-6]．因此，汽車在匝道上行駛的平均速度可以用作匝道線形質量的指標．平均速度不同于設計速度，但兩者有一定的關聯．平均速度是指在道路上行駛的汽車實際速度的平均速度[7-9]；設計速度是指天氣良好，交通密度低，在控制性路面段上(如急轉彎，陡坡)，中等駕駛水平的駕駛員用最大速度可以安全行駛，是確定道路集合線形元素(如平曲線半徑、超高、縱坡等)的基礎[7-9]．在實際的駕駛過程中，司機往往不是以設計速度駕駛，而是根據道路沿線的狀況、道路狀況、交通狀況和自身駕駛技術選擇自己適合的速度．有學者將設計速度與觀測到的平均速度比較，發現設計速度低時，平均速度約為設計速度的90%?95%；設計速度較高時，平均速度會大大低于設計速度，此速度約為設計速度的80%．

1.2 立交的舒適性功能指標

道路因素對立交的舒適性有重要影響，在立交的規劃、設計、施工和維護中均要圍繞駕駛員進行．在立交規劃和設計中，設計師是主體，所以設計師的設計方法或設計思路尤為重要．在設計中，盡可能通過優化線路來減少駕駛員的工作，并引導駕駛員選擇最佳駕駛軌跡，也就是設計人員應通過良好的設計和規劃為駕駛員提供舒適、輕松的駕駛環境．

一般來說，影響立交舒適性的因素主要是駕駛員的心理行為，車輛本身的狀況等．然而，從線形考慮，橫向力系數、橫向加速度和軸向加速度這3個因素是影響立交舒適性的主要因素．

1.2.1 橫向力系數

單位車重上所承受的橫向力大小就是橫向力系數，該系數直接影響駕駛員和乘客的舒適性．潘曉東[10]等從駕駛員心率血壓的角度出發，橫向力系數與駕駛員的心率和血壓存在一定關聯，可以將= 0.20 作為立交舒適評價的臨界值．

1.2.2 橫向加速度

據文獻[11]可知，如果乘客乘車感覺舒適性不顯著的話，那么橫向加速度≤1.8 m/s2；如果乘客乘車感覺不到舒適性，但是此不舒適性可以容忍的話，那么橫向加速度達到舒適性極值3.6 m/s2；如果乘客乘車根本感覺不到舒適性且難以容忍的話，那么橫向加速度≥5.0 m/s2．

1.2.3 軸向加速度

參考國內外相關研究，軸向加速度和舒適度之間的關系可以用表1描述．通過表1 可知，只要知道軸向加速度，就可以知道車輛在行駛過程中乘客的舒適程度．

表1 舒適性與軸向加速度判斷準則

1.3 立交的安全性功能指標

按以上公式計算出的立交安全性評判指數如表2所示．

表2 立交安全性評判表

2 公路立交分級功能指標權重分析

對于同一座公路立交，選用線形質量、立交的舒適性和立交的安全性這3個功能指標可能對應的公路立交的等級會有所不同，因此，為了確定公路立交的分級，有必要對這3個功能指標權重進行分析以此來指導公路立交的分級．本文通過采用改進層次分析法闡述這3個功能指標權重分配的排序問題．

2.1 改進層次分析法的原理闡述

傳統層次分析法采用9標度法建立判斷矩陣[12]，此標度法表示2個元素之間比較時采用“稍微”重要、“較為”重要、“同等”重要、“明顯”重要等模糊詞語，而本文采用的改進層次分析法是依據3標度判斷法[13-15]，見表3，即當A、B兩個元素比較時，如果A比B重要，則用1表示；如果A和B同等重要，則用0表示；如果A沒有B重要，則用-1表示．具體方法如下[14-15]：首先設某一待決策目標體系A的準則層有1,2,… ,這個指標，這些指標對應的權重依次為1,2, … ,W，且1+2+…+W= 1．然后準則層各指標間通過兩兩屬性比較后，再用3標度法建立比較矩陣為

表3 比較矩陣標度

通過標度矩陣的數學換算可以求出準則層下各重要屬性指標的權重程度，其步驟如下：

(1)求出的最優傳遞矩陣，傳遞矩陣為

(2)一致性矩陣通過矩陣轉化而得，一致性矩陣也稱為該準則層下的判斷矩陣．

(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即可作為各指標的權重．

2.2 功能指標權重分析

3 結論

公路立交分級歷來受到國內公路界學者的關注，不同的學者對公路立交如何分級有不同的觀點，而本文通過選取線形質量、立交的舒適性和立交的安全性這3個功能指標進行定性分析，并且運用改進層次分析法計算出這3個功能指標的權重，即在公路立交分級時3個功能指標重要性的排序，為公路立交的分級提供了一種方法．但是，公路立交分級除了涉及到相應道路轉化功能的發揮，還涉及到區域投資效益、城市景觀和環境等各方面，而本文選取的這3個功能指標是否切實可行，可與同行研討．

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(責任編校：陳健瓊)

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

益陽市科技計劃項目(2016A22)

崔志偉(1979-), 男, 湖南益陽人, 講師, 博士研究生, 主要從事路橋工程和巖土工程研究．E-mail: cuizhiwei02@aliyun.com．