基于运行速度理念的西部地区公路线形设计及安全评价技术研究.docx

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基于运行速度理念的西部地区公路线形设计及安全评价技术研究

基于运行速度理念的

报告简本

0.引言

而随着公路建设项目的发展，西部地区公路建设面临新的特点和问题，如：

指标选用存在一定的盲目性、路线设计忽视视线形连续性、路线方案选择与优化时缺少从行车安全角度的评价，面对这些新的困难和问题，如果只是沿用现有的设计方法和理念、以及路线设计技术，显然难以解决的，需要新的设计、评价方法、手段和技术支撑。

再者，近年来公路交通安全问题严峻，对公路设计提出更高的安全性要求，从设计角度出发，在设计阶段对交通安全的重视不够、缺少从动态行车角度对技术指标的安全性验证和检验、无法从驾驶员与乘客的心生理反应的角度对公路路线进行安全性以及舒适性评价、路侧设计与交通安全设施偏于程式化，不能满足安全性需要。

鉴于上述我国西部地区公路建设中面临新的问题和特点，以及我国令人堪忧的严峻交通安全形势，本项目开展对相关专题研究成果（运行速度模型）的分析验证、对表征驾驶员心生理反映的指标进行研究、对路线一致性评价标准进行研究、对主要技术指标进行安全性验证和检验，提出基于运行速度理念的公路路线设计技术和流程，研发高度集成的科学、实用的公路综合性安全评价技术（包括软件系统）等，以实现从设计阶段入手，重视并提高公路交通安全水平，是非常迫切和必要的。

1.项目基本情况

1.1研究内容及考核指标

项目主要研究内容包括以下方面：

（1）全面研究总结国内、外路线设计方法与指标体系

（2）研究运行速度、线形设计一致性和驾驶工作负荷等多项安全性评价指标、标准，总结提炼路线设计的安全评价方法与体系

（3）研究并集成基于运行速度的公路设计安全性综合评价技术

（4）基于运行速度理念的西部地区公路路线设计方法体系研究

（5）研究编写基于运行速度理念的路线设计指南

（6）研究开发基于公路运行速度的路线设计软件系统并开展试设计工作

1.2项目实施方案

本项目组从研究初始广泛地收集、整理与分析现有国内外相关技术资料，为研究工作的开展奠定坚实基础。

研究中通过现场实验、观测和室内模拟分析等方法，建立适合我国各等级公路交通特点、驾驶特性和驾驶员心生理反映的公路运行速度的关系模型，路线几何线形一致性模型，提出公路运行速度安全性评价指标、评价标准以及公路路线安全评价的方法和体系；

结合公路路线线形组合、大型工点对车辆实际运行速度、驾驶工作负荷度的影响，提出路线几何设计技术指标的一般推荐值，提出设计时应注重的设计要点和一般原则；

结合公路实际项目的路线设计工作需求，利用计算机辅助设计（CAD）和虚拟仿真（VR）等相关技术，研究开发并集成了公路路线安全综合评价技术；总结提炼基于运行速度的公路路线设计技术、流程和多项安全综合处置措施。

项目总体技术路线见图1-1。

图1-1总体研究技术路线

2．关键技术与技术难点

本项目研究和解决了如下的关键技术问题：

（1）针对公路设计提出多指标安全性评价标准和评价方法体系

本项目通过对公路线形设计指标的行驶安全问题，开展针对公路线形指标一致性的理论研究，同时进行大量室内室外实验，根据不同典型路段、运行速度的变化与事故率的关系分析，以及驾驶员在不同道路条件和车辆运行速度下驾驶工作负荷度变化关系分析，得出不同等级公路线形条件下的安全性评价指标和评价标准。

为公路路线设计指标的选用和线形搭配提供定量评价与分析，提高公路行车安全性和舒适性，为设计出高品质、高安全性的公路项目提供技术支撑。

（2）研究提出公路路线安全设计指标的一般推荐值

研究高速、一级公路和二三级双车道公路的运行速度应用模型分布特点，结合各级公路的试设计工作，找出公路平纵横几何指标、线性组合与运行速度间的规律与特点。

在公路工程技术标准与相关专业设计规范要求下，初步给出在公路初始设计阶段设计人员期望得到的运行速度所应采用的几何设计指标。

指导设计者在工程设计初始方案时就已经考虑设计的一致性，关注几何指标与驾驶行为的一致性等问题。

（3）研发并集成公路运行速度设计的安全性综合评价技术

研发基于公路运行速度的路线设计软件系统和设计协调性评价、心生理舒适性评价的集成技术，适用于我国各地区的公路建设项目。

该系统和集成技术与我国目前最为普及的公路辅助设计软件系统集成，直接利用设计的几何数据便可以方便完成运行速度测算分析。

结合不同设计单位的多个依托工程项目公路的应用和修改完善，集成多项评价技术，并开发了相应的软件系统。

该分析系统可以对不同等级公路进行安全性的审核与评价，解决平纵线形设计和安全评价分析的具体操作和贯彻问题。

该成果技术可以在行业内所有勘察设计和咨询企业中进行推广和应用。

（4）总结提炼出基于运行速度理念的西部地区公路路线设计技术与流程

引入西部地区公路的运行速度测算结果，利用“公路线形－运行速度－安全性（事故率）关系模型”、“驾驶工作负荷度－公路路线评价模型”对公路线形和设计方案的安全性、舒适性进行定性和定量的验证和评价；结合本项目另一研究成果“设计一致性的路线安全评价模型”对设计方案或线形指标进行安全性的检验和评价，从而指导线形设计和调整。

通过依托工程的评价技术应用和试设计工作，提出具体公路路线设计的一般设计原则和设计步骤，研究建立基于运行速度的公路设计指标的运用方法。

总结提炼出基于运行速度理念的公路路线设计技术和流程。

3．项目研究主要成果及创新

3.1主要研究成果

（1）承接同期开展的西部交通科技项目“西部地区公路运行速度特征与应用模型研究”，通过现场速度观测对比分析、实际工程项目的安全评价研究和检测，分析和验证了高速公路、一级公路、双车道公路以及桥隧、互通区等运行速度模型的准确性，标定了模型中主要参数。

（2）结合多个设计项目的安全性评价实践，研究提出了各模型的适用范围、应用条件和应用方法步骤。

（3）通过研究驾驶员的动态认知过程与认知特点，筛选出表征驾驶员工作负荷度的主要心生理指标；通过理论分析与室内模拟、室外实车实验，建立了驾驶工作负荷模型，提出了基于驾驶工作负荷度的路线安全评价指标分级阀值。

采用统计回归分析方法，建立了多种线形组合的线形指标与驾驶工作负荷度之间的关系模型，首次提出了基于驾驶工作负荷度的路线安全评价标准，创新路线安全性评价方法。

图3-1驾驶工作负荷随路段参数的变化示意图

表3-1驾驶工作负荷度阈值

安全级别

小型车

大型车

驾驶工作负荷度种类

指标变化阈值

驾驶工作负荷度种类

指标变化阈值

高风险

路段

高驾驶工作负荷度

K＞0.060

高驾驶工作负荷度

K＞0.070

低驾驶工作负荷度

K≤-0.012

低驾驶工作负荷度

K≤-0.011

较高风险路段

较高驾驶工作负荷度

0.030＜K≤0.06

较高驾驶工作负荷度

0.035＜K≤0.070

较低驾驶工作负荷度

-0.012＜K≤-0.001

较低驾驶工作负荷度

-0.011＜K≤-0.001

安全路段

正常驾驶工作负荷度

-0.001＜K≤0.030

正常驾驶工作负荷度

-0.011＜K≤0.0350

（4）通过分析公路平、纵、横线形指标对公路安全性的影响，研究路段运行车速特征指标与安全性评价指标的关系，首次提出针对高速公路和一级公路的路线一致性评价模型和指标（即空间曲率评价指标），建立了一致性评价标准。

空间曲率与事故率呈抛物线关系，如图3-6所示。

式中：

I为事故率（次/百万车公里），

为累积空间曲率。

图32空间曲率与事故率相关性模型

根据我国高速公路安全性服务水平的安全性分级标准，当I=0.65次/百万车公里，空间曲率累计值为0.2899，当I=0.8次/百万车公里，空间曲率累计值为0.3283，因此得出基于空间曲率的线形一致性评价标准如表3-2所示。

表32基于空间曲率指标的一致性标准

安全等级

好

一般

差

空间曲率指标

≤0.2899

0.2899<

≤0.3283

>0.3283

（5）针对双车道公路交通特征，借鉴国内相关的研究成果，结合双车道公路事故预测模型，建立了双车道公路线形一致性评价标准。

事故预测模型的拟合如下，

其中，h为路段平曲线用长度加权的弯曲度，hc为路段货车比例，expo为交通关联因素，crk为单位公里接入口个数。

根据事故率标准，并根据单位时间内路段的事故次数平均值与事故率关系，并加以修正，得到相对应的路段的事故次数标准，表3-3为安全性较好的标准范围，表3-4为安全性较差的标准范围。

其中：

——单位时间内路段事故数，起/公里年；

I——事故率，起/百万车公里；

AADT——年平均日交通量，辆/日；

Li——路段长度，公里。

表33安全性较好的双车道公路标准

折算后货车比，%

年均日交通量，辆/日

H≤35

35

2000

≤0.648

≤0.874

4000

≤1.257

≤1.695

6000

≤1.829

≤2.467

8000

≤2.365

≤3.190

12000

≤3.441

≤4.642

15000

≤4.173

≤5.628

表34安全性较差的双车道公路标准

折算后货车比，%

年均日交通量，辆/日

H≤35

35

2000

>0.797

>1.075

4000

>1.546

>2.085

6000

>2.249

>3.034

8000

>2.909

>3.924

12000

>4.233

>5.710

15000

>5.132

>6.923

（6）在现有公路安全性评价指标（速度差）的基础上，系统引入驾驶工作负荷度和空间曲率评价等指标，建立适用我国各等级公路的综合安全性评价标准和指标体系；通过研究各指标的相互关系、适用性及可靠性，提出安全性评价的推荐性指标和验证性指标，为进一步完善安全评价体系提供理论支撑。

对于高速、一级公路设计的安全评价指标和评价标准见下表3-5。

表35高速、一级公路设计的安全评价标准一览表

评价

标准

评价项目

评价要求

具体指标

推荐评价标准

规范符合性

满足公路《标准》、《规范

公路路线平纵横线形设计和桥梁、隧道、立交等大型结构设计满足标准规范要求。

横断面组成与宽度、平曲线半径和长度、直线长度、坡度、坡长、爬坡车道、避险车道、匝道、标志标牌、护栏等

推荐

设计协调性评价

路段空间曲率协调性评价

基于几何线形空间曲率累计值连续性对公路设计中平纵曲线组成的三维曲线进行评价

空间曲率累计值

＞0.3283时，公路线形设计搭配不当，指标连续性差；

0.2899＜

≤0.3283，公路线形设计基本安全、合理；

≤0.2899时，说明公路设计线形指标均衡、三维空间曲率连续，设计方案设计安全、合理；

相邻路段速度差评价

相邻单元路段间运行速度的变化值进行评价

速度差△V＜10Km/h且速度梯度I△V≤10Km/h/100m时，设计指标协调性好；

速度差10Km/h≤△V85≤20Km/h且速度梯度I△V≤10Km/h/100m时，相邻路段设计指标较好；

速度差△V85＞20Km/h或I△V＞10Km/h/100m时，速度协调性不良，相邻路段设计指标不均衡。

推荐

断面速度减低系数或速度梯度评价

评价车速的连贯性和离散性，用车速降低系数、速度梯度评价

设计一致性评价

所有路段设计指标满足运行速度对应技术标准或指标参数要求。

检验内容包括：

路线平、纵、横各项设计指标和构造物平、纵、横各项设计指标的验算；三维视距检验；路测安全设计与处置检验；互通式立交、匝道设计指标的检验；交通工程和安全辅助设施检验、特别是安全设施基于运行速度的设计验算

│V−V85│≤20km/h的路段速度协调性较好；

│V−V85│＞20km/h的路段速度协调性不良，

需对路线平、纵、横设计、视距、安全设施和辅助设施和桥梁、隧道、立交等大型结构物等按路段运行速度进行检验。

验算时需满足一般最小值要求。

如果仅满足极限值时可视安全状况通过其他处置措施加以完善

推荐

驾驶工作负荷评价

驾驶工作负荷度

基于驾驶工作负荷度得路线安全、舒适性评价

高驾驶工作负荷度和低驾驶工作负荷度，为高风险路段；较高驾驶工作负荷度和较低驾驶工作负荷度为较高风险路段、正常驾驶工作负荷度（或称标准工作负荷度）为安全路段

推荐

经过试用筛选后的我国双车道公路路线设计的安全评价指标和评价标准见下表3-6。

表36双车道公路设计评价指标表

评价

标准

评价项目

评价内容

评价指标

推荐评价标准

设计符合性

满足公路《标准》、《规范

公路路线平纵横线形和桥梁、隧道、平交口设计要满足标准规范要求。

横断面组成与宽度、平曲线半径和长度、直线长度、坡度、坡长、平交口、路测、标志、标线、标牌、护栏等

推荐

设计

协调

性

评价

相邻路段速度差与速度梯度评价

相邻单元路段间运行速度的变化值进行评价

速度差△V＜20Km/h且速度梯度I△V＜10Km/h/100m时，设计指标协调性好；

速度差△V85≥20Km/h或或I△V＞10Km/h/100m时，运行速度协调性不良，相邻路段设计指标不均衡。

推荐

交通事故率评价

评价公路线形下的交通事故率

交通事故率I≤0.647（H≤35）或0.761（35＜H≤50），则设计路段安全性较好；交通事故率0.647（或0.761）0.796（或0.936），则该设计路段安全性差。

（7）通过对各级公路运行速度模型特征分析，首次提出了基于运行速度的公路路线几何指标动态取值范围（推荐值）和指标采用原则，丰富完善了公路路线设计技术指标体系。

（8）针对我国现行公路设计方法和技术指标体系，通过对公路运行速度、线形一致性和驾驶工作负荷度分析研究，首次提出了适合我国公路交通特点、驾驶特性和驾驶心生理反映的公路运行速度设计技术和流程。

针对设计速度小于100Km/h的高速和一级公路项目，其设计方法如下图：

图3-3高速、一级公路平纵面设计方法及流程

对于我国设计速度大于等于100Km/h的高速公路，仍采用基于设计速度的设计方法与流程。

但对诸如平曲线半径、最大纵坡与坡长限制、视距和加减速车道长度等一些关键性设计指标的选取，都应在原设计速度设计后增加对应的运行速度验算和评价设计指标，要求设计指标适应和满足实际的运行速度，若不满足应进行调整修正。

图34双车道公路平纵面设计方法及流程

（9）编制《基于运行速度的公路路线设计指南》，为基于运行速度的公路路线设计技术和流程，以及公路安全性评价技术的的推广应用提供具体指导。

（10）应用运行速度模型，研究开发了适用于各级公路、桥隧等特殊路段的公路运行速度测算分析技术（软件系统），实现自动获取路线几何设计数据、自动划分路段、结点速度测算、速度突变点判定、输出测算分析成果图表等功能；开发路线空间曲率测算、驾驶工作负荷度指标测算等软件技术，为设计者甄别速度突变等问题路段、优化路线、安全设计提供依据。

图3-5运行速度计算界面

（11）开发实现了公路虚拟环境下的运行速度测算、多种视距检验与分析、路面超高与行车舒适性分析等专项技术（软件功能），为公路辅助设计与评价提供了高仿真技术和手段。

图3-6公路透视图

（12）集成软件系统，结合试设计和安全性评价工程应用实践，首次研究开发包含运行速度分析、空间曲率分析、驾驶工作负荷度测算、通行能力分析、货车制动器热衰退计算、匝道及路侧净空区分析等的公路安全性综合评价技术，为公路设计中长大纵坡安全性分析、避险车道与爬坡车道设置、超高与汽车行驶稳定性分析、立交出入口安全视距分析、路侧安全设计等关键问题处置，为公路设计阶段消除安全隐患提供了技术支撑。

3.2创新点

本项目紧密结合我国现行标准规范体系，系统化研究提出公路运行速度设计技术与流程、路线安全评价标准体系和基于运行速度理念的公路安全设计综合评价技术，为具体公路勘察、设计、以及安全性评价提供指导。

本项目研究在以下方面取得了创新和突破：

（1）首次系统提出适合我国西部地区公路交通特点、驾驶特性和驾驶心生理反应的公路运行速度设计技术与流程，补充、完善我国公路现行公路设计体系与方法。

（2）结合试设计实践，通过对运行速度模型特征的分析研究，首次提出路线设计指标的一般推荐值域和设计原则，在路线设计指标取用方面取得突破，为从安全角度注重线形设计的协调性提供指导。

（3）首次提出驾驶工作负荷测算模型和基于驾驶工作负荷度的路线安全性评价标准，填补我国在满足驾驶员心生理需求进行公路安全性评价方面的空白。

（4）首次提出基于空间曲率综合指标（空间曲率）的高速公路和一级公路路线安全性评价指标，提出基于事故率预测模型的双车道路线安全性评价指标。

（5）系统建立适合我国公路交通特点的高速、一级及双车道公路路线安全性综合评价标准体系，填补我国在公路综合安全性分析评价理论研究方面的空白。

（6）创新集成公路综合安全性评价技术和软件系统，实现运行速度测算、视距检测技术、通行能力计算、货车制动器热衰退计算、路侧净空测算等功能；实现运行速度动态评价技术、超高及行车稳定性分析技术等多项关键技术的突破。

4.结语

本研究完善了现行公路标准、规范的指标体系和设计方法，为我国公路工程标准和规范的修订提供技术支撑；为保证我国公路路线设计的行驶条件更符合人性化需要，保证人、车与公路行驶条件（即运行环境）相互间的和谐统一，形成降低交通事故发生或降低事故损毁发生的风险、严重性，降低昂贵补救工程的发生提出最直接的方法和措施。

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