高速公路运行车速调查与限制车速问题研究

第35卷　第2期2003年2月　
哈　尔　滨　工　业　大　学　学　报
J OURNAL OF HARB IN INSTITU TE OF TECHNOLO GY
Vol 135No 12
Feb.,2003
高速公路运行车速调查与限制车速问题研究
裴玉龙,程国柱
(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150090)
摘　要:根据不同地形类别、不同交通量和几何线形条件,调查了国内代表各片区特点的15条正在运营的高速公路.通过对107个断面的现场调查与大量实测数据分析,研究我国高速公路不同地形类别和不同线形情况下的车速分布情况、车速变化规律以及相关的影响因素.将平直路段小型车的运行车速作为高速公路平直段限制车速取值的依据,用回归分析的方法建立了运行车速与平曲线半径、运行车速与坡度之间的关系模型,从运营管理的角度提出了确定高速公路曲线段和坡度段合理限制车速具体的方法和建议值.关键词:高速公路;85%位车速;运行车速;限制车速中图分类号:U412
文献标识码:A
文章编号:0367-6234(2003)02-0168-05
R esearch on operation speed and speed limit
for free w ays in China
PEI Yu 2long ,CHEN G Guo 2zhu
(School of Traffic Science and Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150090,China )
Abstract :107typical sections of fifteen freeways with different terrain ,traffic volume and geometric align 2ment in China were investigated and analysed for speed distribution ,speed changing rule and correlative in 2fluence factor with the operation speed for cars over even and straight section used as the gist of speed limit.Models have been established for the relationship between operation speed and radius and the relationship between operation speed and gradient by means of regression analysis.Methods have been suggested to de 2cide the rational speed limit and the rational speed limit value for the curved section and the gradient section of freeways in China from the viewpoint of operational management.K ey w ords :freeway ;85th percentile speed ;operation speed ;speed limit
收稿日期:2002-05-27.
基金项目:交通部行业联合科技攻关项目(95-05-01-14).作者简介:裴玉龙(1961-),男,教授,博士生导师.
目前,我国高速公路的限制车速规定依据不充分、取值也不规范,有的高速公路甚至全线采用一个限制车速值.考虑到高速公路沿线不同的线形变化,在全线采用一个不变的限速不仅不合理,同时也不利于运行的经济和安全.因此,有必要将运行车速概念作为改善我国公路网安全性的手段之一加以分析.
运行车速的定义是在特定长度上测定的第
85个百分位上的车速.传统作法是对每一条公路
采用一个最小设计车速,但汽车的运行车速与最小设计车速很不相同,从而在某些地点造成潜在危险[1].例如,在直线段的终点,运行车速经常会超过下一个曲线段的设计车速.本文选择了我国不同地形类别、不同交通量和几何线形特点的15条正在运营的高速公路的107个断面,并分别按平直段、曲线段和坡度段对运行车速调查情况及限制车速问题进行了讨论.
1　运行车速与计算行车速度的关系
国际上,公路设计一般采用计算行车速度法
和运行车速法.所谓计算行车速度,亦称设计速度、设计车速,是指在通常的道路、交通与气候条件下,在几何受限制的路段上保证一定行驶舒适程度的情况下车辆能够安全行驶的最高速度.我国现行的“公路工程技术标准(J T J001-97)”是根据计算行车速度制定的.
运行车速和计算行车速度不是同义词,是驾驶员根据其希望的行车速度和直觉自己调整的车速.在按等值车速设计的公路沿线,驾驶员对线形造成的危险感觉会有所变化,其选用的速度往往也会随之发生变化,经常会超过设计车速[2].因此,适应特定设计车速的公路设计值(如视距、超高等)对驾驶员选用的实际车速有时就不能满足要求.
尽管美国各州公路与运输工作者协会(AASHTO)于1994年颁布的标准采用了计算行车速度法,美国已有越来越多的人认识到计算行车速度与运行车速的不同.这就导致澳大利亚、法国、德国、和瑞士等国考虑并实行运行车速设计法[3].目前,运行车速由于与传统的计算行车速度相比有很明显的安全效益,正得到日益广泛的应用.
2　运行车速的调查与分析
211　数据采集
调查数据的准确度直接关系到后期的数据分析和研究成果,其中调查设备是调查数据可靠度的重要保证.在总结国内相关研究内容所采用的数据采集设备的基础上,课题组经过综合对比,在路段上进行实验分析,确定了同时采用3套设备进行数据采集:以瑞典公路局开发的交通采集系统为主,以美国NU-M ETICS公司的NC-97和交通部公路科学研究所开发的交通采集系统为辅,以期通过3种设备能互相配合,弥补不足. 212　样本量
地点车速的研究通常采用随机抽样的方法来保证样本的无偏性,所抽取样本的大小取决于研究的精度要求.从百分位车速的要求考虑,需要观测车速的最小样本量n可由满足期望的置信水平对应常数t、地点车速的标准离差σ、车速测定值的允许误差E、车速类别系数u按下式确定:
n=tσ
E
1+
μ2
2.
本次调查的断面均为高速公路,取95%的置信水平,则t=1196,E=2km/h;美国交通工程手册(Manual of Traffic Engineering Studies)中指出,平均标准离差σ=618～815km/h,由于变化范围不大,建议取σ=810km/h;15%或85%位车速的类别系数u=1104,由此得到百分位车速的最小观测样本量为95,本文所选择的断面有107个,样本量已达到要求.
213　调查数据分析
对车速分布进行拟合的结果是大多数断面的速度分布不服从正态分布,但从其速度分布曲线和累计频率曲线来看,非常接近正态分布曲线,特别是累计频率曲线上的突变点处于15%位车速和85%位车速附近,低于15%位车速的曲线变化比较缓慢,高于85%位车速的曲线变化也比较缓慢,处于15%位车速和85%位车速之间的曲线比较陡,变化比较剧烈(见图1).因此,根据限制车速的原理,虽然断面地点车速不符合正态分布,仍可以将85%位车速(运行车速)作为车辆最高限制车速的取值依据
[4].下面将分别按照平直段、曲线段和坡度段对车速特性进行分析.
21311　平直段
平直路段是道路的最基本路线线形,在对高速公路平直路段的速度分布特性分析的基础上,确定了以累计频率曲线上的85%位车速作为车辆的最高限制车速值,分车型对观测断面的85%位车速进行比较分析.图2是平直段10个观测断面的85%位车速的统计结果,从图2可以看出:除个别断面中型车的85%位车速高于小型车外,其余断面都是小型车的85%位车速最大.由此可见,高速车辆主要是小型车,因此平直路段的最高限制车速以小型车为主.小型车的85%位车速的平均值为96179km/h,因此推荐平直路段运营管理的最高车速为100km/h.
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9
6
1
・
第2期裴玉龙,等:高速公路运行车速调查与限制车速问题研究
21312　曲线段
图3是曲线段25个观测断面的85%位车速统
计结果,可以看出:大部分断面的小型车车速高于大、中型车速,所以对于曲线段最高限制车速的确定,应该主要考虑小型车的85%位车速.小型车各断面的85%位车速值相差较大,最小的车速值为55162km/h (广佛高速),
最大的车速值为114182km/h (成渝高速),二者相差达5912km/h 之多.因此,将小型车的85%位车速均值作为统一的曲线段高速限制是不合适的.在高速公路曲线段的诸几何要素当中,半径对车速的影响很大,应对曲线段半径R 与85%位车速的关系进行研究,从而确定曲线段运营管理的最高限制车速值
.
21313坡度段图4是坡度段12个观测断面各种车型的
85%位车速统计结果,可以看出:所有车型的85%位车速普遍偏低,这主要是由于坡度的影响
.
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一方面,大型车的动力性能较差,从而导致其车速不得不降至爬坡速度行驶;另一方面,小型车在上坡过程中不可能像在平直路段上那样有充分的超车机会,从而致使其车速降低以确保安全.小型车的车速在所有车型中是最高的,可将它的85%位车速作为高速公路坡度段最高限制车速的依据.对于最高限制车速,考虑到运营管理的经济性,有必要进一步探讨坡度与85%位车速间的关系,从而找出坡度段运营管理的最高限制车速值.
3　限制车速的确定方法
高速公路平直段最高限制车速的建议值已在上节中给出,即100km/h.对于曲线段和坡度段,应先建立85%位车速与半径、85%位车速与坡度之间的关系模型,找出车速与半径、车速与坡度的内在关系,根据不同的曲线半径和坡度,分别确定与其相对应的最高限制车速.311　曲线段
在对高速公路曲线段的半径R 和85%位车速的散点图进行拟合时,一些观测断面的数据由于受其他因素影响,未被采用.如广佛高速公路上的3个观测断面的车速明显偏低(85%位车速分别为
57123km/h 、69165km/h 和66123km/h ),是由于
该条高速公路的交通量已经接近饱和,车辆无法正常行驶;成渝高速公路的5个观测断面所处的曲线段均为小半径曲线(半径分别为499136m 、499136m 、67215m 、336164m 和336164m ),但由于交通量较小,其车速普遍偏高.另外,考虑到过大的半径,
其几何性质与直线无多大差异(“规范”规定,圆曲
线最大半径以不超过10000m 为宜),沪嘉高速公路的一个观测断面(半径为12587183m )和西宝高速公路的两个观测断面(半径为10000m )的数据也未被采用.
从图5的关系曲线可以看出:在3种类型的曲线中,以二项式拟合得最好(R 2=015317),其次为乘幂(R 2=014563),最后为指数(R 2=013462).其中前两种的相关性都很高,且相差不
多(R 2
之差仅为010754),但乘幂关系的模型较为简单,有利于研究.所以,推荐采用乘幂关系模型:
v 85%　=3015742R 011404
.该模型反映了85%位车速与曲线半径R 的内在关系:85%位车速随着曲线半径的增大而增大,但其增长的趋势却逐渐变缓
.
用模型公式精确计算可得:当R =1000m 时,v 85%　=80164km/h ;当R =2000m 时,v 85%　=88188km/h ;当R =5000m 时,v 85%　=101109km/h ;当R =10000m 时,v 85%　=111142km/h.
考虑运营管理的经济性,针对曲线半径的不同区段,推荐高速公路曲线段的最高限制车速值为:R ≤1000m 时,最高限制车速为80km/h ;1000
m <R ≤2000m 时,最高限制车速为90km/h ;2000m <R ≤5000m 时,最高限制车速为100km/h ;
R >5000m 时,最高限制车速为110km/h.
312　坡度段
由于小型车无论是在速度方面还是在所占比
例方面均远远高于大中型车,以小型车为主来研究坡度与85%位车速间的关系是合乎客观实际
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的.为进一步对二者的关系进行研究,对坡度值和
85%位车速进行回归分析,确定二者的关系模型,从而依据不同的坡度值来分别确定高速公路坡度段的高速限制.图6为坡度段85%位车速与坡度值的关系曲线图,可以看出,高速公路坡度段的85%位车速分布在60～110km/h 之间,且随着
坡度值增大,车速有下降的趋势.二者的关系为线
性关系,相关性较高(R 2=01493),回归关系式为v 85%　=-314329i +951779,是一个递减的关系模型.
用模型公式精确计算可得:当i =0时(即为
平直路段),v 85%　=95178km/h ,这与平直路段高速限制值100km/h 相一致;当i =1%时,v 85%　=92135km/h ;i =2%时,v 85%　=8819km/h ;i =3%时,v 85%　=85148km/h ;当i =4%时,v 85%　=82105km/h ;i =5%时,v 85%　=7816km/h.因此,推荐高速公路坡度段的最高限制车速值如下:i ≤1%时最高限制车速与平直路段一致取为100km/h ;1%<i ≤2%时,最高限制车速取为92km/h ;2%<i ≤3%时,最高限制车速取为89km/h ;3%<i ≤4%时,最高限制车速取为85km/h ;4%<i ≤5%时最高限制车速取为82km/
h.
4　结语
在借鉴和对比国外研究方法[5]的基础上,结合国内高速公路的实际情况,进行了符合中国特点的研究工作,建立了国内主要高速公路上的85%位车速与平纵控制技术指标(曲线半径和坡度值)关系模型,从而给出不同指标值下合理的车速限制的建议值,这对高速公路车速限制的设置具有重要的理论及实际意义.
参考文献:
[1]陈胜营,汪亚干,张剑飞.公路设计指南[M ].北京:
人民交通出版社,2000.
[2]HA G LUND M.,ABER GL.Speed choice in relation to
speed limit and influence from other drivers[J ].Trans 2portation Research Part F ,2000,34:39-51.
[3]RIETV ELD P.,BINSBER GEN A.Optimal speed lim 2
its for various types of roads :a social cost benefit analy 2sis for the netherlands[A ].Conference on Environment and Transport in Economic Modeling [C ].K luwer :
Dordrecht ,1998.
[4]严宝杰.交通调查与分析[M ].北京:人民交通出版
社,1994.
[5]RIETV ELD P.,SHEFER D.A note on speed limits as
a second best instrument to correct for road trans port ex 2ternalities[M ].Amsterdam :Tinbergen Institute ,1996.
(编辑　王小唯)
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