基于Civil 3D 的快速路速度協(xié)調(diào)性評價軟件開發(fā)

徐彎彎，劉東亮，陳亞杰

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

快速路是城市交通的主動脈，承擔(dān)著大容量、高速度、長距離的交通功能。一旦發(fā)生交通事故，極易造成嚴(yán)重的人員傷亡和交通擁堵，而今城市快速路交通事故數(shù)一直處于居高不下的嚴(yán)峻狀態(tài)[1]。由不良線形組合或匝道出入口布置等導(dǎo)致的行車穩(wěn)定性不足、長直線或大縱坡等導(dǎo)致的超速行駛，是城市快速路交通事故的重要誘因[2]，分別可通過相鄰路段運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性、運(yùn)行速度與設(shè)計速度的協(xié)調(diào)性來評價。而對于設(shè)計階段快速路，運(yùn)行速度無法實測，需通過預(yù)測模型測算獲得，但人工測算過程一般存在操作繁瑣、重復(fù)工作多、計算量大且易出錯等缺陷，因此有必要通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)運(yùn)行速度測算和協(xié)調(diào)性評價的自動化。

隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展成熟和BIM 模型在道路工程中的廣泛推廣運(yùn)用，部分學(xué)者考慮道路BIM 模型相較于傳統(tǒng)的CAD 模型具有的設(shè)計信息一體化、模型三維可視化等優(yōu)點(diǎn)，開始基于BIM 平臺開展道路運(yùn)行速度測算功能的開發(fā)研究。劉鑫[3]通過對比分析主流BIM 建模軟件，選用Civil 3D 作為開發(fā)平臺，建立了公路運(yùn)行速度測算和協(xié)調(diào)性評價模塊。張興宇等[4]基于開發(fā)的Civil 3D 公路運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價模塊，完成了花石峽至久治公路路線設(shè)計方案的線形一致性評價工作。但是，由于城市快速路運(yùn)行速度預(yù)測與協(xié)調(diào)性評價模型研究極少且未成標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的道路運(yùn)行速度測算和評價程序均基于《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05—2015）中提出的公路運(yùn)行速度預(yù)測模型編寫。對于在線形設(shè)計、車道寬度、匝道出入口和立體交叉布置、交通流特性等方面均與公路存在顯著差別的城市快速路，該公路運(yùn)行速度預(yù)測模型和相應(yīng)測算程序缺乏適用性，無法準(zhǔn)確評價城市快速路的速度協(xié)調(diào)性。

針對城市快速路運(yùn)行速度預(yù)測與協(xié)調(diào)性評價模型缺乏的問題，溫學(xué)鈞、鄭曉光等[5]于2019 年，通過對156 段上海快速路實測交通運(yùn)行數(shù)據(jù)的回歸分析，成功構(gòu)建了城市快速路運(yùn)行速度預(yù)測與協(xié)調(diào)性評價模型，并將其納入上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》中。目前該標(biāo)準(zhǔn)已通過多次評審進(jìn)入報批稿階段，但其中提出的快速路運(yùn)行速度預(yù)測模型暫未實現(xiàn)程序化，仍存在計算繁瑣和易出錯的問題。

綜上，本文以上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》中提出的城市快速路運(yùn)行速度預(yù)測和協(xié)調(diào)性評價模型為基礎(chǔ)，基于BIM 平臺開發(fā)快速路速度協(xié)調(diào)性評價模塊，使BIM 軟件可從安全角度提供線形組合、立交和匝道布置、橫斷面設(shè)計等方面的決策建議，實現(xiàn)城市快速路交通安全的提升。

1 速度協(xié)調(diào)性評價軟件搭建

1.1 速度協(xié)調(diào)性評價軟件總體架構(gòu)

《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》編制組基于調(diào)研的上海市快速路運(yùn)行速度、交通流量和快速路設(shè)計資料，通過偏相關(guān)分析和多元回歸分析，建立了不同路段快速路運(yùn)行速度計算模型，如表1 所示。其中，縱坡段指縱坡坡度不小于3%且曲線半徑大于600 m的路段，曲線段指曲線半徑不大于600 m 且縱坡坡度小于3%的路段，彎坡段指縱坡坡度不小于3%且曲線半徑不大于600 m 的路段，立體交叉段指上游變速車道漸變段起點(diǎn)至下游變速車道漸變段終點(diǎn)的主線段，隧道段指隧道入口前200 m 至隧道出口后100 m 的路段。同時，提出如表2 所示的不同參數(shù)下的運(yùn)行速度修正模型，并結(jié)合事故分析驗證了《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05—2015）中速度協(xié)調(diào)性評價標(biāo)準(zhǔn)對城市快速路的適用性，完成了速度協(xié)調(diào)性評價模型的整體建立。

表1 不同路段快速路運(yùn)行速度計算模型

表2 不同參數(shù)修正模型

綜上，路段劃分、運(yùn)行速度測算、相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價、同一路段運(yùn)行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性評價為模型的4 個重點(diǎn)。選用國內(nèi)主流道路BIM 建模軟件Civil 3D[6]為開發(fā)平臺，結(jié)合速度協(xié)調(diào)性評價模型的4 項重點(diǎn)內(nèi)容和插件的基本輸入輸出功能，將快速路速度協(xié)調(diào)性評價模塊劃分為如圖1所示的組成架構(gòu)。

圖1 基于Civil 3D 的快速路速度協(xié)調(diào)性評價軟件

1.2 數(shù)據(jù)讀寫子模塊

載入道路BIM 模型后，用戶選定評價道路中線、縱斷面和行駛方向后，程序自動讀取測算運(yùn)行速度所需的道路設(shè)計參數(shù)，包括平曲線半徑、縱坡坡度、平縱線形特征點(diǎn)樁號，以及隧道和立交影響段起終點(diǎn)樁號。其中，隧道和立交影響段起終點(diǎn)樁號也可手動添加和修改，如圖2（a）所示，并將各特征點(diǎn)（直曲點(diǎn)、曲中點(diǎn)、曲直點(diǎn)、變坡點(diǎn)、隧道洞口、互通立交減速車道漸變段起點(diǎn)、互通立交加速車道漸變段終點(diǎn)）樁號按行車方向儲存到特征點(diǎn)集SPTs[]。同時手動輸入測算初始參數(shù)和模型修正參數(shù)。其中，初始參數(shù)包括設(shè)計速度Vd和推薦加速度，修正參數(shù)包括車道寬度、高峰小時系數(shù)和匝道密度。程序根據(jù)表3 所示規(guī)則自動調(diào)用初始運(yùn)行速度、期望速度和最低運(yùn)行速度。根據(jù)表2 所示修正模型，按照插值法自動計算顯示各修正參數(shù)對應(yīng)影響系數(shù)，如圖2（b）所示。

圖2 數(shù)據(jù)讀寫子模塊顯示界面

1.3 運(yùn)行速度測算子模塊

完成上述計算參數(shù)讀寫后，單擊【OK】按鈕，程序即開始進(jìn)行運(yùn)行速度測算，計算流程如圖3 所示。程序首先按照分段規(guī)則和基本模型，通過10 個判斷函數(shù)、9 個計算函數(shù)和2 個循環(huán)函數(shù)，沿行車方向依次完成各特征點(diǎn)運(yùn)行速度V85的計算。隨后，通過2 個判斷函數(shù)、2 個計算函數(shù)和1 個循環(huán)函數(shù)，比較各特征點(diǎn)計算運(yùn)行速度與最低運(yùn)行速度和期望速度的大小，將小于最低運(yùn)行速度的計算結(jié)果替換為最小運(yùn)行速度，超過期望速度的計算結(jié)果替換為期望速度。最后根據(jù)運(yùn)行速度修正模型，通過3 個判斷函數(shù)和3個計算函數(shù)，計算得到各特征點(diǎn)最終測算運(yùn)行速度，存儲到運(yùn)行速度計算值集OSList[]。

圖3 運(yùn)行速度測算流程

1.4 速度協(xié)調(diào)性判斷子模塊

根據(jù)上步計算結(jié)果，沿行車方向依次計算相鄰特征點(diǎn)的運(yùn)行速度差|（ΔV85|、相鄰特征點(diǎn)的運(yùn)行速度梯度值|（ΔIV|，以及同一特征點(diǎn)的運(yùn)行速度與設(shè)計速度差|V85-Vd|，并根據(jù)速度協(xié)調(diào)性評價標(biāo)準(zhǔn)[7]，完成道路相鄰路段運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性（又稱“線形一致性”）、同一路段運(yùn)行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性的判斷，并在特征點(diǎn)集中添加相應(yīng)判斷結(jié)果標(biāo)簽，流程如圖4所示。

圖4 速度協(xié)調(diào)性判斷流程

1.5 圖表輸出子模塊

完成速度協(xié)調(diào)性判斷后，窗口將顯示各分段起終點(diǎn)樁號、單元類型、路段影響參數(shù)（單元長度、曲線半徑、縱坡坡度）、各特征點(diǎn)最終測算運(yùn)行速度、速度協(xié)調(diào)性判斷指標(biāo)計算結(jié)果和評價結(jié)果，如圖5 所示。同時，用戶可通過點(diǎn)擊【繪制曲線】按鈕，以分段樁號為橫坐標(biāo)、運(yùn)行速度為縱坐標(biāo)，將不同車型的運(yùn)行速度折線圖輸出到DWG 圖形文件中；通過點(diǎn)擊【導(dǎo)出到excel 按鈕】，將計算結(jié)果以.xls 格式輸出。

圖5 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果顯示

2 速度協(xié)調(diào)性評價插件應(yīng)用實例

某市海濱大道新建工程全長約10.2 km，為雙向8 車道快速路，設(shè)計速度80 km/h。全線除高架主線外，還包含一段隧道和一個互通立交，如圖6 所示。為檢驗設(shè)計方案的合理性和安全性，基于該道路BIM 模型，利用開發(fā)的城市快速路速度協(xié)調(diào)性評價插件，對設(shè)計方案的線形組合、隧道布置、立交和匝道設(shè)計等進(jìn)行安全性分析。

圖6 道路BIM 模型示意

2.1 運(yùn)行速度測算

將海濱大道按西線和東線分別進(jìn)行運(yùn)行速度測算，依次道路中線、縱斷面布局和行駛方向，并輸入設(shè)計速度80 km/h、車道寬度3.75 m 和匝道密度0.29 個/km 后，程序?qū)⒑I大道西線和東線分別劃分為13 個計算路段單元，各包括含起終點(diǎn)在內(nèi)的14個特征點(diǎn)，計算得到各特征點(diǎn)運(yùn)行速度，并生成如圖7 所示的預(yù)測運(yùn)行速度折線圖。

圖7 預(yù)測運(yùn)行速度折線圖

由圖7 可知，海濱大道西線和東線的預(yù)測運(yùn)行速度均存在一定程度的波動，各特征點(diǎn)預(yù)測運(yùn)行速度介于70 km/h 至100 km/h，且存在多點(diǎn)運(yùn)行速度達(dá)100 km/h，存在超速隱患。

2.2 運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價

根據(jù)程序輸出的海濱大道東線和西線運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果，導(dǎo)出excel 后提取部分信息，整理得到表4 和表5。

表4 海濱大道東線速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果

表5 海濱大道西線速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果

分析可得：

（1）線形一致性不良路段包括東線K0+967～K2+449 段、K5+345～K9+846 段和西線K9+846～K5+345段。不良指標(biāo)均為起終點(diǎn)運(yùn)行速度差大于20 km/h，由路段長直線或大半徑圓曲線線形使駕駛員行車持續(xù)加速導(dǎo)致。可不對相鄰路段線形進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，但需在上述路段的起點(diǎn)、長直線中點(diǎn)等處設(shè)置限速標(biāo)志，并可配合設(shè)置減速標(biāo)線和超速監(jiān)控設(shè)施。

（2）運(yùn)行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性不良路段包括東線K2+976～K3+269 段、K5+345～K10+161 段和西線K9+846～K5+119 段、K0+480～K0+0 段。路段線形均為長下坡或直線與下坡相接，駕駛員行車持續(xù)加速致使運(yùn)行速度超過設(shè)計速度20 km/h，存在較大的超速隱患。因此，在設(shè)置控速設(shè)施的同時，還應(yīng)按照運(yùn)行速度對路段視距、護(hù)欄防撞等級、標(biāo)志尺寸等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行安全性檢驗。

（3）線形一致性較好路段包括東線K3+269～K3+469 段和西線K5+119～K4+919 段、K2+976～K0+967段。其中，西線K2+976～K0+967 段運(yùn)行速度變化為加速，線形一致性缺陷可忽略；東線K3+269～K3+469段和西線K5+119～K4+919 段運(yùn)行速度變化為減速，均由下坡段加速行駛至隧道入口前大幅減速導(dǎo)致，存在追尾隱患。因此，應(yīng)在隧道入口前設(shè)置多級預(yù)告標(biāo)志，并在下坡段設(shè)置控速標(biāo)線。

3 結(jié)語

本文針對城市快速路速度協(xié)調(diào)性評價軟件缺乏的問題，基于BIM 技術(shù)在快速路建設(shè)工程中積極推廣運(yùn)用的現(xiàn)狀，選用用戶多、操作界面熟悉且支持多種常用格式導(dǎo)入的Civil 3D 為開發(fā)平臺，以上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》中提出的快速路運(yùn)行速度預(yù)測和協(xié)調(diào)性評價模型為程序編制基礎(chǔ)，成功開發(fā)了快速路速度協(xié)調(diào)性評價插件，實現(xiàn)了快速路運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性的簡便快速測算、評價結(jié)果的多類型圖表展示與導(dǎo)出，并成功運(yùn)用于某市海濱大道新建工程的路線設(shè)計方案檢驗中。研究成果拓寬了Civil 3D 軟件中路線和交通設(shè)施設(shè)計在交通安全方面的輔助核查功能，后續(xù)可進(jìn)一步開發(fā)基于運(yùn)行速度的三維視距核查功能。