運行速度及其在公路路線設計中的應用探討

王 裕

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司,湖南 長沙 410000)

1 引 言

經濟的發展,促進了我國公路事業的繁榮。同時交通的便捷,又促進了經濟的發展,兩者相輔相成。公路數量增長帶來利好的同時,交通事故等道路安全問題也日益突出。圖1給出2015～2020年,我國交通事故發生數量及直接財產損失金額,由此可見交通事故的嚴重危害性。交通事故的發生,除了駕駛人等相關的不可控的主觀因素外,車速與公路路線設計直接影響道路行車安全。同時,隨著經濟的發展,車量的增長,人們對道路路線的舒適性與適用性的要求也日益提高。因此研究公路路線設計,提高公路路線設計的合理性與安全性,對降低交通事故,減少經濟財產損失,提高公路適用性,滿足人們對道路設計日益增長的要求,不斷促進經濟的發展,具有重要意義。

圖1 2015～2020年中國交通事故發生數量及直接財產損失金額

2 運行時速概念

在公路的建設過程、運營過程中,車輛的時速設計和路線方案設計尤其重要,同時也是運營過程中車輛行車安全的重要保障。其中,車速又是路線方案設計的重要參考因素之一,其大小不僅直接影響路線幾何參數,還極大的影響了公路投入運營之后的使用安全和使用效率。目前,國內外路線方案設計的參考依據主要兩種:分別是設計時速和運行時速。

設計時速指的是在外界因素較好,其他設計特征均能夠滿足現有設計要求的前提下,特定區間公路路段能夠保持的最高時速。該概念最早于1940年,由美國AASHTO協會提出。并隨著國內公路事業的發展,我國于2014年9月由交通部發布符合國情的《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)中設計速度取值標準。

運行速度即公路上車輛的實際行駛速度[1]。研究表明[1-2],駕駛員在一個路段上的車速是以0.14的變化系數均勻提高。基于經濟性和選值代表性考慮,將車速百分比分布85%點對應的速度,取為運行速度V85。運行速度獲得方法大致有三種:一種是路段實測法,該方法指的是通過某一特定路段對該路段的實際速度進行測量,并由此繪制該路段的行車曲線,最后對曲線上的85%所對應的值進行選取,即為該路段的速度值。第二種是模型預測法,2016年4月交通部分布的《公路項目安全性評價規范》中,提出運行速度V85的模型計算方法[3-5]。第三種是理論預測法,根據汽車動力學以及運動學等指標與運行速度關系,反算得到運行速度。其中,第一種方法費時費力且僅適用于建成的公路,第三種方法要已知初步公路路線設計,從而得到初步的相關指標,多用于公路路線設計評價階段,目前第二種方法,應用較廣。

3 我國公路路線設計分析

我國現行公路路線設計基本思路是:首先根據公路設計等級按照現行規定,擇選適當的設計速度值。設計速度選定后,對照《標準》要求選擇確定其它設計要素的最低指標。最終只要設計所采用的最小幾何指標大于所對應的最低指標,則認為該公路路線設計滿足要求。

但經過多年研究,國內外學者發現這種設計方法存在一定的不足,主要表現在。

(1)公路路線設計中設計車速往往和該公路建成后的運營速度存在一定偏差,且往往低于實際運營中速度,由此導致設計方案中的幾何指標不能滿足實際使用需求。

(2)根據設計車速確定的設計要素最低指標,最低指標的限制與最高指標的不設限,造成公路路線線形設計要素之間不協調,線形指標組合的不合理。盡管設計標準中指出要避免多種最小值指標的組合設計,但類似的定性的描述,并不能指導實際設計中指標定量的確定。

基于現行公路路線設計的不足,以及運行速度的影響性,本文提出基于運行速度的公路路線設計研究。

4 基于運行速度的公路路線設計研究

4.1 運行速度計算

以運行速度進行公路路線設計時,首先得知道運行速度大小,前述介紹了三種運行速度獲得方法,在此具體總結第二種模型預測法。《公路項目安全性評價規范》預測模型中,取曲線中點作為速度計算點,認為車輛在圓曲線上做勻減速運動,公路平面路線線形基本構成要素見圖2。實際情況中,駕駛員在看到圓曲路段之前已在平直段完成減速,在彎曲路段上很少拐彎加速或突然減速,而是保持勻速率運動。曲線路段入口處,我們可以看到剎車痕跡分布位置,并非在曲線段上,而是在曲線段前的直線段上。故認為應取緩圓點作為運行速度計算點,并且將該點上的車輛的云頂速度近似認為是做勻速運動。

圖2 線形基本構成要素見

將《公路項目安全性評價規范》該規范上的速度進行修正,其模型如下。

(1)車輛在平直路段上加速行駛,直線段出口運行速度Vc求解如下所示

(1)

式中:V0為直線段入口運行速度;a0為車輛推薦加(減)速度,小車建議取0.15～0.4,大型貨車建議取0.20;s為直線段長度。

(2)縱坡段運行速度,按表1對進行修正。

表1 運行速度修正表

(3)小半徑平曲線路段運行速度,按表2記取。

表2 速度模型

(4)針對彎坡組合路段的運行速度,按表3記取。

表3 預測模型

4.2 基于運行速度的公路路線設計

考慮我國現行規范與工程技術人員設計習慣,結合內外學者相關路線設計方面的研究,在現有研究的基礎之上提出了一種基于運行速度的新的設計方法。該方法首先是對公路路線的初步設計。初步設計階段,第一步是完成數據的收集與整理,以相似已建成路段的實測運行速度為原始數據,通過數據處理軟件擬合實測車速在測試過程中得到的一個正態分布,曲線,并取該擬合曲線上85%所對應的速度值,并將該值的大小作為V0,即初始速度大小。比較V0與《標準》設計速度Vd大小,當兩者差值不超過10 km/h時,取V0作為初步設計速度。當兩者差值超過10 km/h時,取兩者之間的較大值作為初步設計速度。當無相似已建成公路可參考時,可直接取Vd作為初步設計速度。根據初步設計速度,運用公路路線設計速度法進行路線初步設計,繪制公路平面線形。

其次,依據《公路項目安全性評價規范》,將路線劃分為路段分析單元。

然后,采用4.1所述運行速度模型預測法,分別計算各路段運行速度。對得到的相鄰路段運行速度進行連續性檢驗。連續性檢驗要求控制相鄰路段運行速度差值不超過10 km/h,并對不符合路段路線設計進行調整或者增設過渡段。根據各路段調整結果,重新繪制公路全線設計圖,完成路線設計。

4.3 公路路線設計評價

基于公路路線設計安全性與舒適性慎重考慮,應對已完成公路路線設計進行設計評價。在運行速度計算方法3中,也是基于路線設計的評價模型反算運行速度。國內外學者針對公路路線設計評價提出了多種評價模型,在此不再贅述。評價模型選取時,需符合路段實際情況。

5 結 語

我國現行公路路線設計的設計速度法存在的不足已被廣泛地認知,運行速度在公路路線設計中應用的必要性與合理性,也被提出,公路路線設計正在向更完善更成熟的方向發展。但公路運行速度及基于運行速度的提出較晚,發展仍不成熟,首先關于運行速度的獲得與記取,亟待更多更簡單更合理的計算模型。其次基于運行速度的設計方法,受困于路面幾何指標與規范相應設計要素限制,仍不能脫離設計速度法,需要更多學者的研究與分析。