基于运行速度的公路线形评价及改善措施研究

陈勖

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200120）

1 引言

随着交通量的逐年增加，公路工程在设计时对安全性的要求也越来越严格，而运行速度是评价公路线形安全性的重要指标。目前，公路在选择线形指标时，结合预测交通量数据和公路建设等级先定下设计速度，并以设计速度为依据选择平面、纵断面、超高、加宽、视距等参数。但是在公路运营期间，车辆的运行速并不一定等于设计速度，使得运行速度与线形指标相脱节。如果运行速度和设计速度差值过大，会导致线形协调性差，容易造成交通安全事故[1]。因此，本文基于运行速度进一步研究公路线形安全性，并提出相应的改善措施，具有十分重要的工程价值。

2 公路运行速度主要影响因素分析

2.1 运行速度概念

设计速度是确定公路线形的基本指标，它是指在气象良好的条件下，具有中等驾驶技术的人员能够安全、舒适地控制车辆的速度。但是，路线速度一旦确定就是固定不变的，与实际中车辆的行驶速度可能有很大差异，故JTG D20—2017《公路路线设计规范》中引入了运行速度的概念，以评价公路线形的安全性。

运行速度V85是指在良好气候和正常交通条件下，行驶速度累计分布曲线上对应于百分之85 分位值的速度[2]。运行速度能代表公路上所行驶的大部分车辆的状态，利用运行速度来调整线形指标，可以在确保公路行车安全性的同时提高其经济性。

2.2 运行速度主要影响因素

公路交通网是由驾驶员、车、路等要素组成，各要素必须相互协调，才能确保整个道路体系运行的安全性和舒适性。因此，本文探讨了驾驶员、车、道路平纵线形对运行速度的影响。

2.2.1 驾驶员和车辆因素

车辆在公路上行驶时，驾驶员工作过程包括了解路况→作出判断→操纵汽车，如图1 所示。在工作过程中，驾驶员视觉和心理会直接影响车辆运行速度。

图1 驾驶员操作车辆

公路主要是为汽车服务的，运行速度定会受到汽车本身动力性能的影响。不同车型或相同车型的不同配置，都具有不同的动力性能。一般汽车动力性能越好，可能的运行速度越高。

2.2.2 纵断面线形因素

公路的纵断面对运行速度影响很大，主要控制指标是坡长和坡度[3]。

纵坡坡长：坡长不宜过短或过长，坡长过短会使车辆颠簸频率高，上坡段坡长过长会增加车辆爬坡耗能，下坡段坡长过长驾驶员需频繁踩刹车，以上均会降低车辆在公路上的运行速度。

纵坡坡度：坡度不宜过大或过小，坡度对运行速度的影响体现在以下两个方面：一方面，上坡时坡度过大，车辆需减挡以增加动力输出，车速会衰减，尤其是载重货车的速度衰减速率明显；另一方面，下坡时坡度过大，车辆重力势能会转变为动能，车速增加，车辆容易失控。

2.2.3 平面线形因素

公路平面线形由直线、圆曲线、缓和曲线等元素组成，其中，直线段视野开阔，方向明确，车辆运行速度受直线长度影响大。如果直线过长，会破坏线形连续性，使驾驶员感到单调、疲倦，产生尽快驶离直线的急躁情绪，车辆容易超速；圆曲线上运行速度受半径和转角影响较大，圆曲线半径和转角越小，使线形显得曲折，驾驶员会产生急转弯错觉，造成不必要减速，交通事故率提高；缓和曲线主要起到曲率过渡作用，曲率半径不同，车辆运行速度也不同。

3 公路运行速度预测模型

运行速度属于统计值，需要大量的实测数据。实测运行速度时，常用的仪器有高精度GPS 定位系统、雷达测速枪、非接触式测速仪等。但是在设计阶段往往难以确定运行速度，需要工程师选择数学模型来预测公路在运营期间的实际运行速度。

3.1 路段划分

根据JTG B05—2015《公路项目安全性评价规范》，将整条公路可按圆曲线半径和纵坡大小划分为平直路段、纵坡段、小半径平曲线段、弯坡组合段4 种单元[4]，其中，平直路段的直线或圆曲线半径＞1 000 m，且纵坡＜3%；纵坡段的直线或圆曲线半径＞1 000 m，且纵坡≥3%，坡长＞300 m；小半径平曲线段的圆曲线半径＜1 000 m，且纵坡＜3%；弯坡组合路段的圆曲线半径＜1 000 m，且纵坡≥3%。

3.2 期望车速确定

运行速度预测计算的关键是先确定期望车速，同时影响行车安全性。期望车速是指车辆在公路期间，无其他车辆干扰的条件下，驾驶员所期望达到的最高安全车速。期望车速与驾驶员与主观意识、车辆类型、道路路况、天气等因素密切相关。期望车速确定分3 个阶段[5]。

第一，初定阶段。车辆驶入某一道路后，驾驶员先根据路况信息，确定初始期望车速。

第二，调整阶段。车辆在道路行驶一段距离后，驾驶员对路况有了深入了解，再结合自身驾驶经验，决定是否调整期望车速。

第三，保持阶段。期望车速调整后，驾驶员以此车速为标准，在道路上安全行驶。

3.3 运行速度预测方法

鉴于篇幅有限，本文仅针对平曲线路段和纵坡路段对其运行速度运行方法进行阐述。

3.3.1 平曲线路段运行速度预测

对于二级及二级以下的低等级公路，由于设计速度小，平曲线指标低，可认为车辆在经过平曲线入口、中部、出口处的运行速度基本保持不变。对于高等级公路，平曲线线形指标高，平曲线入口、中部、出口处的运行速度变化幅度大，可按照表1 中的数学模型对小客车和大货车的运行速度进行预测。

表1 平曲线运行速度预测数学模型

由表1 可知，高等级公路平曲线路段出口处运行速度最大，入口处运行速度最小。这说明车辆在平曲线上行驶时一直处于加速状态，且车辆从入口到中部的加速度＞车辆从中部到出口的加速度。

3.3.2 纵坡路段运行速度预测

由据牛顿第二定律可知，车辆在上坡或下坡时受到合力作用，车辆会产生向上或向下的加速度。在车辆初始运行速度固定的前提下，向上的加速度使车辆运行速度降低，向下的加速度使车辆运行速度提高。因此，纵坡路段运行速度V85可用式（1）预测[6]：

式中，V0为初始运行速度，km/h；ΔV 为坡度、坡长对速度的影响值，km/h，可查图2 取值。

图2 坡长、坡度对运行速度的影响

4 运行速度在公路线形评价中的应用实例

4.1 工程概况

某高速公路路线全长40.8 km，路线起讫桩号为K0+000～K40+800，设计速度为120 km/h，设计荷载为公路-I级，主线为双向6 车道，最大纵坡1.1%，最小纵坡0.1%，路基横断面宽度34.5 m，沥青路面结构厚74 cm。该项目是省内公路网规划的重要组成部分，呈东西走向，处于平原地带，大部分地形平坦，局部地形较陡，穿越沿线村镇较多，地形地貌较复杂，地下水丰富，雨水较充足，年平均降雨量约928 mm，主要集中在6～10 月份。

4.2 基于运行速度的公路线形评价指标选择

车辆在公路上的实际运行速度并不一定与设计速度一致，如两者之间差值较大，路线设计参数可能无法满足运行速度的需要，导致线形协调性差，容易出现交通安全事故。因此，在公路线形指标确定后，还需对路线安全性开展评价，本文以该高速公路位研究对象，探讨运行速度在公路线形评价中的具体应用。

JTG B05—2015《公路项目安全性评价规范》中推荐用“相邻路段运行速度的差值ΔV85”来评价公路线形协调性，其中，相邻路段是指设计指标不同但在桩号上相接的路段。ΔV85＜10 km/h、10 km/h＜ΔV85＜20 km/h、ΔV85＞20 km/h 时所对应的公路线形协调等级分别为协调性好、协调性较好、协调性不良。

4.3 公路线形评价结果

在检查路线线形前，按照明上文原则将路段共划分22 个评价单元，编号为1#路段～22#路段。不同评价单元的ΔV85计算结果如图2 所示。

图3 相邻路段运行速度的差值

ΔV85最大值为20.5 km/h，最小值为2.2 km/h。同时，ΔV＞20 km/h、10 km/h＜ΔV＜20 km/h、＜10 km/h 的评价单元分别有1 个、4 个和16 个，这表明：该公路大部分路段的运行速度均属于协调性好或较好，其中，运行速度协调性好的路段占比71.9%，协调性不良的路段占比为4.3%。

4.4 公路线形改善措施

为了改善运行速度协调性不良的路段，可通过以下措施。

第一，智能选线。在比选路线方案时，设计人员可借助遗传算法、空间挖掘技术、BIM 技术等建立三维模型，分析各种风险因素，为车辆安全运营提供保障。

第二，增加标志标识。车辆运行速度越高，驾驶员反应时间越短，发生交通事故的可能性越大，建议在路线协调性不良的路段增加限速标志、危险标识等标志标牌，以提升行车安全性。

第三，增加视线诱导设施。应在曲线半径小或通视较差、对行车不利的曲线外侧设置视线诱导标志。

5 结语

本文研究了运营速度的影响因素、预测模型及其在线形评价中的应用，并提出相应的改善措施，主要得到以下结论：

1）驾驶员、车、道路平纵线形均会对车辆运行速度产生较大影响，必须确保各因素相互协调；

2）在用运行速度评价公路线形前，需将其划分为平直路段、纵坡段、小半径平曲线段、弯坡组合段，并确定好期望车速；

3）建议采用相邻路段运行速度的差值ΔV85评价公路线形安全性；

4）为了提升公路线形协调性，可采用智能选线、增加标志标识、增加视线诱导设施等措施。