道路组合线形下的运行速度模型研究.docx
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道路组合线形下的运行速度模型研究
道路组合线形下的运行速度模型研究
道路组合线形下的运行速度模型研究
摘要：
汽车在设计速度低于100km/h的道路上，实际运行速度往往高于设计速度。
当两者之差大于10km/h，就容易发生交通事故。
本文就如何采用运行速度进行设计或检验，有利于改进道路设计，提高行车安全，提出了一些自己的看法。
关键词：
设计速度；运行速度；速度预测
1.引言
我国的公路建设在新时期获得了前所未有的大发展，交通基础设施建设取得了不俗的成绩，但道路交通安全仍面临严峻形势：
如2008年，全国共发生道路交通事故265204起，造成73484人死亡、304919人受伤，直接财产损失10.1亿元。
造成交通事故的原因是多方面的，虽然据国内外的交通事故统计显示，有80％～90％的交通事故是由于驾驶员的失误或粗心大意造成的，但进一步的研究表明，在诸如由超速行驶、违章超车、不正当超车、不正当转向、夜间不良的视距等引起的交通事故中，除少数是由于驾驶员失误引起的以外，大部分驾驶员出事故的原因在于困难的行驶条件引起的，而困难的行驶条件则与道路设计有关。
像较常见的道路线形不顺畅、某处线形指标突变、道路平、纵线形指标各自搭配或其组合不当、视距不良、超高不足等等。
这些现象引起了我们对我国现行道路线形设计方法是否需要改进的思考。
道路线形设计评价是道路安全性评价的重要组成部分，在设计中进行专项安全性评价并不是多余，它能够发现许多交通安全隐患并将之解决在设计阶段，不论就社会稳定还是经济效益而言都有重要意义。
我国现行公路路线设计规范是以设计速度作为主要设计参数，但是，车辆在公路上行驶时，驾驶员一般是根据公路的行车条件（线形条件、路面条件、气候条件、环境条件及交通条件）和车辆本身的性能来确定自己的车速的，只要条件允许，驾驶员总倾向于采用高于设计速度的速度行驶，从而使车辆在按设计速度设计的线形上行驶存在安全隐患。
以车辆实际可能的运行速度代替设计速度作为公路线形设计的指标已是大势所趋。
而我国现行规范与AASHTO所提出的方案以及澳大利亚等国所采用的方案均有一定的差别，对我们初学者来说，相互比较并吸收利用是很有必要的。
因此，在解读国内外相关研究成果的基础之上，分析道路线形及其各要素与行车速度之间的关系，并尝试通过工程实例分析对比同一路段的运行速度与设计速度的来体现其差异，从而实现控制车辆超速行驶，减少交通事故，实现安全行车的基本要求。
2.运行速度作为线形设计参考的必要性
2.1设计速度
设计速度是为确定道路各几何要素的设计指标并使之相互协调而制定的车速。
它是指在气象条件良好，车辆行驶只受道路本身条件影响时，具有中等驾驶技术的人员能够安全、顺适驾驶的速度。
它是道路设计的最基本的设计依据，直接影响道路设施的运营安全与效率。
有些道路的几何要素，如弯道半径、超高、视距、纵坡等，直接决定于设计速度；另外一些要素，如道路各部分的宽度以及同侧向障碍物之间的净距等，虽不直接决定于设计速度，但它们会影响车辆实际行驶的速度。
在设计速度较高的道路上，对这些要素要求采用较高的标准。
2.2运行速度
设计速度对一特定路段而言是一固定值，是用于规定一个路段的最低设计标准，实际上没有一个驾驶员自始至终地恪守这一固定速度。
运行速度是一个随机变量，不同的车辆在行驶过程中运行速度是不相同的，一般呈正态分布，通常用各类小汽车在速度分布累计曲线上第85位百分点上的车辆实际行驶速度作为运行速度（或V85）。
如下图所示。
由车速累计频率曲线可以看出，累计频率达到85%后，累计频率曲线趋于平缓，但还有15%车速较高而且分布较为广泛。
但公路设计的要求是满足绝大部分驾驶员而不是所以驾驶员的需求。
所以以V85作为设计、评价的运行车速在理论上是可取的，在经济上是可行的，符合我国的实际情况。
2.3具体研究方法：
运行速度分析路段划分
根据曲线半径和纵坡坡度的大小将整条路线划分为直线段、纵坡段、平曲线段和弯坡组合段等若干分析单元。
其中，纵坡坡度大于3%的直线段和半径大于1000m的大半径曲线自成一段；其余小半径曲线段和纵坡坡度大于3%、坡长大于300m的纵坡坡段以及弯坡组合段，作为独立单元分别进行运行速度测算；当直线段位于两小半径曲线段之间，且长度小于临界值200m时，则该直线视为短直线，车辆在此路段上的运行速度保持不变。
2.3.1运行速度V85的测算：
1）直线段上的加速过程和稳定运行速度
初速度小客车取为85km/h期望车速，小客车取为100km/h
短直线V852＝（Vo2+2a0S）
其中：
Vo是驶出曲线后的运行速度；
a0是车辆加速度，取0.15-0.50m/s2；
S是直线段长度。
2）小半径曲线的运行速度
对于平曲线半径小于1000m的路段，分别对曲线中部和曲线出口大的运行速度进行预测。
根据曲线入口速度Vin、当前路段的曲线半径Rnow和前接曲线的半径Rback，预测曲线中部的速度Vmiddle；然后根据曲线中部的速度Vmiddle、当前路段的曲线半径Rnow和后续路段的曲线半径Rfront，预测曲线出口处的运行速度Vout。
平曲线上的速度预测模型
曲线连接形式
平曲线模型
入口直线－曲线
小客车
Vmiddle=-24.212+0.834Vin
大货车
Vmiddle=-9.423+0.963Vin+1.522Rnow
入口曲线－曲线
小客车
Vmiddle=1.277+0.924Vin+6.19lnRnow-5.959lnRback
大货车
Vmiddle=-24.472+0.990Vin+3.629Rnow
出口曲线－直线
小客车
Vout=-11.946+0.908Vmiddle
大货车
Vout=5.217+0.926Vmiddle
出口曲线－曲线
小客车
Vout=-11.299+0.936Vmiddle-2.060lnRnow+5.203lnRfront
大货车
Vout=-5.899+0.925Vmiddle-1.005lnRnow+0.329lnRfront
3）当纵坡度大于3％、坡长大于300m时，按上表对小客车和大货车的运行速度进行修正。
纵坡坡度
值速度调整
小客车
大货车
上坡
坡度≤4％
降低5Km/h/1000m
按下图所示速度折减量与坡长的关系曲线进行调整
坡度＞4％
降低8Km/h/1000m
上坡
坡度≤4％
增加10Km/h/500m至期望运行速度
增加10Km/h/500m至期望运行速度
坡度＞4％
增加10Km/h/500m至期望运行速度
增加10Km/h/500m至期望运行速度
4）弯坡组合线形下的运行速度预测模型
根据划分路段曲线前的入口速度、曲线半径和纵坡坡度，按下表计算小客车在弯坡组合线形中点的运行速度
速度折减量与坡长的关系曲线图
曲线连接形式
弯坡组合运行速度预测值
入口直线－曲线
小客车
Vmiddle=-31.669+0.574Vin+11.714Rnow+0.176inow1
大货车
Vmiddle=1.782+0.859Vin+1.196Rnow-0.51inow1
入口曲线－曲线
小客车
Vmiddle=0.750+0.802Vin+2.717Rnow-0.281inow1
大货车
Vmiddle=-1.798+0.977Vin+0.248lnRnow-0.133inow1+0.231Rback
出口曲线－直线
小客车
Vout=-27.294+0.720Vmiddle-1.444inow2
大货车
Vout=13.490+0.797Vmiddle-0.69inow2
出口曲线－曲线
小客车
Vout=1.819+0.839Vmiddle+1.427lnRnow+0.782lnRfront-0.48inow2
大货车
Vout=26.837+0.830Vmiddle-3.039lnRnow+0.109lnRfront
2.3.2运行速度断面图
根据各分析单元测算的运行速度值，以速度为纵坐标，路线里程桩号为横坐标，加上直线与平曲线、纵坡。
竖曲线等栏目，绘制出沿线运行速度变化曲线，即“运行速度断面图”。
我们采用了甘肃省境内某四车道高速公路部分设计数据和投入使用后的实测数据作为实例分析之用。
其设计速度为80Km/h，
2.3.2.1利用上面所提供的公式以及已知的数据，经过计算可得下表：
桩号
曲线半径
路段类型
实测车速
运行速度
设计车速
|V85-Vd△|
|△V85|
差值<10
10<差值<20
差值>20
综合评价结果
K11+200
77
85
80
5
K11+500.3
300
平曲
81
76.9
80
3.1
8.1
好、好
好
K11+636
短直
80
76.9
80
3.1
0
好、好
好
K11+848
300
平曲
84
81.7
80
1.7
4.8
好、好
好
K14+391.6
平直
89
100
80
20
18.3
中
差
差
K14+625.82
185
弯坡
83
86.7
80
6.7
13.3
好
中
中
K14+902.19
144.7
弯坡
86
85.6
80
5.6
0.9
好、好
好
K15+029.38
短直
81
85.6
80
5.6
0
好、好
好
K15+331.75
125
弯坡
82
76
80
4
8.4
好、好
好
K15+582.41
194.1
弯坡
80
79.2
80
0.8
3.2
好、好
好
K15+709.39
纵坡
83
79.2
80
0.8
0
好、好
好
K15+992.36
145
弯坡
60
74
80
6
5.2
好、好
好
K16+388.29
141.2
弯坡
64
72
80
8
2
好、好
好
K16+783.49
176.7
弯坡
67
77
80
3
5
好、好
好
K16+974.53
纵坡
82
87.9
80
7.9
10.9
好
中
好
K17+163.94
180
弯坡
78
83.7
80
3.7
4.2
好、好
好
根据所得数据，用EXCEL制作运行速度断面图如上。
2.3.2.3参考国外相关研究成果可引入如下模型
1990年，Lamm等人根据纽约双车道乡村公路322个调查断面的数据，
分析给出了双车道公路运行车速与平曲线半径R的关系模型
V85=94.396-3188.656/R
依据同一组数据可得下表
桩号
曲线半径
路段类型
实测车速
运行速度
设计车速
|V85-Vd|
|△V85|
差值<10
10<差值<20
差值>20
综合评价结果
K11+200
77
85
80
5
K11+500.3
300
平曲
81
83.8
80
3.8
1.2
好、好
好
K11+636
短直
80
83.8
80
3.1
0
好、好
好
K11+848
300
平曲
84
83.8
80
3.8
6.9
好、好
好
K14+391.6
平直
89
100
80
20
16.2
中
差
差
K14+625.82
185
弯坡
83
77.2
80
2.8
22.8
好
差
中
K14+902.19
144.7
弯坡
86
72.4
80
7.6
0.2
好、好
好
K15+029.38
短直
81
72.4
80
5.6
0
好、好
好
K15+331.75
125
弯坡
82
68.9
80
11.1
3.5
好
中
好
K15+582.41
194.1
弯坡
80
78.0
80
2
8.1
好、好
好
K15+709.39
纵坡
83
79.2
80
0.8
0.8
好、好
好
K15+992.36
145
弯坡
60
72.4
80
7.6
6.8
好、好
好
K16+388.29
141.2
弯坡
64
71.8
80
8.2
0.6
好、好
好
K16+783.49
176.7
弯坡
67
76.4
80
3.6
4.6
好、好
好
K16+974.53
纵坡
82
87.9
80
7.9
11.5
好
中
好
K17+163.94
180
弯坡
78
76.7
80
3.3
11.2
好
中
好
根据数据同样可得运行速度断面图如上
2.3.3.1两种模型下运行速度预测值比较
2.3.3.2小结：
1）K11+848--K14+391.6段为平直路段，路段长度2．543km，汽车在其上运行时，按照理论计算己超出汽车的期望车速，最终的速度按期望车速来作为该段的预测速度。
但实际运行时，驾驶员会根据行驶经验、周围环境以及对整条道路的把握，调整车速，虽然车速略有增加，致使实测结果与预测结果差别较大。
2）K15+992.36--K16+783.49为连续急弯、下坡路段，在该路段上驾驶员会非常小心的看车，以确保安全，所以在急弯下坡过程中不可避免地要不停地刹车，而本预测模型并未考虑刹车，所以预测结果比实测结果偏大。
3）两种模型下运行速度的比较,主要差异出现在桩号K14+902.19至K15+709.39这一段。
比较可发现，参照美国模型所得的速度要小于根据我国标准所计算得出的速度。
在曲线半径只有不到200m的情况下，速度小的安全性会更高些。
4）美国的Lay指出几种不利因素的组合路段比一般路段的事故率高出6倍，其中有一个量化指标是：
半径在450m以下且坡度在4%以上时，在设计中应尽量避免。
而我们使用的数据中，该路段的曲线半径均在450m以下，虽然根据预测速度分析，大多数路段都能满足行车的安全性要求。
但因缺乏纵断面的设计数据，不能够进行更进一步的分析，故在实际施工当中应采取树立警示牌、加设防护栏等措施保证行车安全。
2.3.4运行速度协调性分析
当|△V85|〈10，此段路线的运行速度协调性很好
当|△V85|为10-20km/h，此段路线的运行速度协调性较好，条件允许时尽量调整相邻路段技术指针，使运行速度的差值小于或等于10km/h。
当|△V85|>20km/h，当路线的运行速度协调性不良时，首先对该路段的平曲线半径、缓和曲线长度、最小直线长度、停车视距等的检验，考虑是否需要增加爬坡车道、紧急停车带、紧急避险车道等必要的措施；其次考虑相邻路段平、纵面设计的重新调整。
2.4运行速度与设计速度的协调性
设计速度是使公路几何指针相互关联的一个参数，并用于评价公路服务水平。
设计速度与运行速度的协调性评价是对同一路段的设计速度与运行速度的差值进行评价。
同一路段是指设计速度、平纵面技术指标及横断面相同的路段。
当同一路段设计速度与运行速度的差值大于20km/h时，应对该路段的相关技术指标进行安全性检查。
由此可得，基于运行速度的公路线形安全性评价主要的思路是分别预测小客车和大型货车的运行速度V85，采用相邻路段运行速度的差值△V85作为路线协调性的评价指标。
3.研究分析结论
公路运输是我国交通运输网的骨架，发生交通事故的概率和伤亡率很高。
我国对于高速公路和一级公路的道路线形和交通安全关系研究取得了一定的研究成果，行业规范不断完善，但是针对运行速度对公路安全性评价还没有形成广泛的共识，规范中也没有明确规范。
本文以运行速度为依托，阐述了运行速度对线形现行设计的重要性、对道路安全评价的必要性，以及综合各种模型的运行速度预测来保证安全的可行性。
4.改进建议
我国现行的道路设计方法是采用设计速度，而未考虑车辆的实际运行速度，由于两者的差别，引起一系列交通事故。
建议对主要道路，特别是设计速度低于100km／h的二级以上道路，用运行车速进行检验。
对已建道路可实测得到运行车速；对拟建道路可参考上述方法进行测算。
利用运行速度来提高公路线形设计的质量，保证行车安全，做到真正意义上的“以人为本，以车为本”。
如果检验的相邻两路段运行车速差大于10km／h（车辆由直线进入曲线，直线尽头运行速度比曲线允许安全速度高出10km／h），应认为线形是不连续或长直线尽头出现了小半径平曲线，应进行改进。
采取的方法主要有：
①改进线形：
增大小曲线半径，或减小大曲线半径，或将直线改为合适的曲线；②按可能的运行车速设置超高；③设置限速标志等交通工程设施；④改变可能超速路段的路面行车条件。
参考文献：
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