高速公路运行速度预测、线形分析与评价系统

高速公路运行速度预测、线形分析与评价系统

一、软件的研发背景

1．线形设计一致性

线形设计一致性是指公路设计中的几何条件(即公路的实际特征)与驾驶员的期望驾驶速度相适应的特性。线形设计一致性可以保证公路全线的几何线形设计的整体协调性，公路设计一致性可以用来评价公路线形设计的安全性，是评价线形设计好坏的一个重要的指标。

从线形设计与车辆行驶速度的角度进行分析，线形设计上的任何突变，都将出现不连续的运行速度，造成驾驶员的不适应并使该位置所发生的交通事故具有聚集性。因此，连续的运行速度是路线设计一致性的最终表现，可以把路线的几何设计对道路安全的综合影响转化为车辆在路段上行驶过程中前后速度变化的大小，并以路段中运行速度的连续变化值来评价公路路线设计的优劣。

2．线形设计一致性评价的需要

从线形设计的角度，线形的不均衡和不连续，如某路段设计指标波动过大或平缓曲线中设置孤立的小半径曲线等，都有可能超出驾驶员的驾驶期望而形成交通事故的隐患，这是违反设计一致性的表现。从行驶车辆运行特性的角度进行分析，一个典型的特征就是在线形设计不连续的地方，会出现不连续的运行速度，因此运行速度的变化（简称运行速度差，用△V85表示）与设计一致性是紧密相关的，即可以用相邻路段的运行速度差来检查线形设计的一致性。目前国内外评价线形设计一致性的主要方法就是采用运行速度来评价的。

既然用相邻路段车辆的运行速度差来评价线形设计的一致性，首先就必须确定沿线的车辆运行速度，然后检查相邻路段的运行速度差。

我国《公路项目安全性评价指南》中采用的是路段实测回归模型。《指南》

）作为公路安全性评价的中以运行速度（指在特定路段上测定的第85%位车速V

85

的一个主要指标。利用预测的运行车速对项目的路线、路侧、隧道、路线交叉和交通工程及沿线设施的运营安全性进行评价。

3．符合最新《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》的需要

最新《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》（2007年10月1日执行）中明确规定在关于初步设计文件中必须提交预测运行速度图和运行速度计算表。

4．基于运行速度的线形设计一致性评价标准

3．1 国外的设计一致性评价标准

国外对基于运行速度的公路线形一致性评价方法研究较早，而且取得了很多成果，各国针对各自的评价方法，提出了各自的评价标准和评价指标。

（1）美国

美国学者Leisch提出用速差作为评价标准，建议一个连续的公路线形设计评价指标为：①一条路线的小客车平均速度变化不应超过16km/h；②设计速度的变化量不应超过16km/h；③货车平均速度和小客车平均速度相差不应超过16km/h。

还有一些研究成果，用运行速度的速差量作为评价指标，认为相邻路段运行速度的速差小于或等于10km/h的设计一致性较好；在10km/h至20km/h之间的设计一致性一般；大于20km/h的设计一致性较差。

（2）瑞士

瑞士采用项目设计速度的速差作为评价标准，以其变化量作为评价指标。当设计速度大于等于75km/h时，相邻平曲线或平曲线与直线之间的项目设计速度速差应不大于20km/h；当设计速度大于等于75km/h时，项目设计速度速差应不大于10km/h。

（3）德国

德国设计指南规定任何给定路段的预测运行速度应不超过其设计速度20km/h；一条连续路段相邻线形要素之间的运行速度差允许最大值为10km/h。如果该特定路段不能达到限定要求，平面线形设计必须进行调整。

3．2 我国的线形一致性评价标准

《指南》中采用相邻路段运行速度的差值（△V85）来检查线形设计的一致性，规定相邻路段运行速度的差值小于10km/h时，一致性好；在10km/h～20km/h 之间时一致性较好，条件允许时宜适当调整相邻路段的线形指标，使运行速度的差值小于10km/h；大于20km/h时一致性差，相邻路段需要调整平、纵面设计。同时规定，当同一路段的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验算。

二、软件采用的运行速度预测方法

1. 预测方法的选择

《指南》中提出了两种计算运行速度V

的方法（方法1、方法2）。

85

方法1是根据对国内多条高速公路实际车辆运行状况进行大量观测的基础上，通过统计回归分析得到的高速公路路段运行速度预测模型。其适用的路线指标范围是平曲线半径R∈［120米，∞］∪纵坡I［0，6％］。方法2是修正后的澳大利亚运行速度计算方法。主要适用于小客车。其适用的路线指标范围是平曲线半径R∈［45米，∞］，纵坡不限。

根据上述适用条件，软件采用方法1提供的运行速度预测模型为理论依据。

2. 软件划分分析路段

根据《指南》，依据曲线半径和纵坡坡度的大小将整条路线按平直路段、纵坡段、小半径平曲线段和弯坡组合段四种分析单元进行划分。

① 平直路段：

指平面线形为直线或半径大于等于1000m的平曲线，且纵坡小于3％；或纵坡大于3％，但坡长小于等于300m的路段；

② 纵坡段：

指平面线形为直线或半径大于等于1000m的平曲线，且纵坡大于等于3％，坡长大于300m的路段；

③ 小半径平曲线段：

指平面线形为半径小于1000m的平曲线，且纵坡小于2％路段；

④ 弯坡组合路段：

指平面线形为半径小于1000m的平曲线，且纵坡大于等于2％的路段。

当直线段位于两小半径曲线段之间，且长度小于临界值200米时，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。

图 1 分析段落划分

3. 运行速度的测算

在任选一个方向进行第一次的运行速度测算时，首先要推算与设计路段衔接的相邻路段速度，作为本路段的初始运行速度，然后根据所划分的路段类型，按平直路段、纵坡段、小半径平曲线段和弯坡组合路段等分别进行运行速度的测算。

85V 0V 85V ① 设计路段的初始运行速度

0V 一般可通过调查点的现场观测或按表1估算各种设计速度对应的小客车和大货车的运行速度，作为设计路段的初始运行速度。

0V 设计速度与初始运行速度的对应关系 表1

60 80 100 120 设计速度（km/h ） 80 95 110 120 小客车 0V 初始运行速度55 65 75 75 大货车

② 平直路段

在平直路段上，小客车和大型车都有一个期望运行速度，见表2。

A．当直线的入口速度等于期望运行速度时，车辆在平直路段上保持期望运行速度匀速行驶，因此，直线段的出口运行速度等于期望运行速度；

out V e V B．当直线的入口速度小于（或大于）期望运行速度时，车辆在平直路段上将加速（或减速）行驶，直线段的出口运行速度按式下计算。但当计算的运行速度大于等于（或小于）期望运行速度时，直线段的出口运行速度取期望运行速度。

out V out V S a V V out 02092.25+=

式中：——直线段终点处的运行车速（km/h）

out V 0V ——直线段入口处的运行车速（km/h）

0a ——车辆的推荐加速度（减速度）（m/s2），根据表2取值。

S ——直线段车道（m），当S<200m 时，取S＝0计算。