运行速度及其在公路路线设计中的应用分析

张邹　韦春艳

摘要：我国现行的公路路线设计方法以设计速度为核心，但是设计速度与车辆行驶速度严重脱节，公路线形的指标并不能满足运行速度下的安全要求。基于运行速度的概念，文章分析了运行速度的影响因素，对运行速度的获取方法进行了总结，并在上述工作的基础上，介绍了运行速度在公路路线设计工作中的应用，为公路路线设计工作提供参考。

关键词：路线设计;运行速度;线形评价;预测模型

中国分类号：U412.3文献标识码：A

0 引言

路线是公路的骨架，确定了公路的位置和走向，路线设计是公路设计工作中的重要内容，线形设计的合理与否关乎工程项目的规模造价、行车舒适性、公路运行效率和交通安全。近些年来，随着我国经济的腾飞，各地区的公路网络日趋完善，交通参与者的数量达到了前所未有的数量级。与此同时，我国的交通安全问题日趋严重，道路交通事故发生频率逐年增加，这对社会的健康有序发展以及人们的生命财产安全带来了巨大影响。研究人员调查发现，在道路运行系统中，大部分交通安全事故是由道路缺陷造成的，而公路线形和车辆运行速度不协调是造成公路缺陷的重要原因。因此，公路的设计方案不仅要与周围环境和谐，还需要通过控制相应的技术指标来保证线形的连续、均衡和一致。

在《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）中，设计速度是路线设计的基础参数。路线设计工作中，路线的许多技术指标都是通过设计速度来确定的。经过多年的工程实践，设计人员发现，以设计速度作为基础参数的路线设计方法存在许多不足：

（1）车辆性能逐渐提高，行车速度较快，车辆运行速度与线形设计参数脱节;

（2）线形设计要素之间兼容性较差;

（3）线形的行车速度标准不一致。

本文基于运行速度理论，介绍了运行速度的计算方法以及预测模型，结合目前行业规范，探讨运行速度理论在我国公路路线设计工作中的应用。

1 运行速度及计算方法

1.1 运行速度的概念

车速是公路几何设计中重要的控制因素，也是影响公路交通安全的直接因素。

设计速度是指在良好的气象和交通条件下，在公路各项设计要素的制约下，一般驾驶技术的驾驶员所能达到的最大行驶速度。设计速度是公路设计者假设的理想行车速度，是一个固定值。但是在实际行车过程中，行车速度会受到车辆性能、驾驶员和周围环境的影响，车速始终处于波动状态。

可能速度由文献[3]杨少伟提出，是指当交通和气候条件良好，车辆的运行只需要考虑线形本身因素时，熟练驾驶员所能达到的速度。

运行速度是指在路面平整、潮湿，自由流状态下，行驶速度累计分布曲线上对应85%分位值的速度。运行速度是车辆实际运行动态的重要参数，是“人-车-路-环境”系统相互作用的折射。

随着公路线形的变化，驾驶员在路况、车况和环境的影响下，运行速度和可能速度围绕设计速度上下波动，运行速度、可能速度和设计速度三者之间的关系如图1所示。

1.2 运行速度影响因素分析

作为交通系统的重要组成部分，车辆的运行速度主要受到人、车、路、环境四个方面的影响，其中，公路线形是运行速度的重要影响因素。

驾驶员作为“人-车-路-环境”系统的主体，驾驶员的信息接收狀态、驾驶经验以及应急情况处理能力都会对车辆的运行速度产生影响。大量研究表明，驾驶员对运行速度的影响可以划分为四个部分：驾驶过程、视觉特性、心理特性以及驾驶经验。在驾驶过程中，驾驶员通过各种感受器官接收外界环境的变化，环境中的交通流信息、路况以及自身车辆行驶状态等信息经过大脑接收处理后，会引起驾驶员的心理状态的波动。结合驾驶经验，大脑对当前的驾驶情况作出判断，并指示身体进行相应的应对措施。因此，在驾驶过程中，驾驶员本身的视觉特性、心理特性和驾驶经验都会对运行速度产生影响。

车辆是交通行为的主要实现者，在行驶过程中，驾驶员主要依据前方路况和车辆本身状况对驾驶速度做出调整，因此车辆的外廓尺寸信息、动力性能和载重会对运行速度产生影响。在上下坡路段，车辆的动力性能是影响运行速度的最直接和最主要的因素。

驾驶过程是一个相对开放的系统，周围环境的各种因素都会干扰驾驶员的操作，同时，周围环境的变化，也会使得车辆性能发生变化，进而影响运行速度。根据影响对象的不同，可以将环境因素分为交通干扰因素（交通流、非机动车和交叉口等）、路侧景观因素（主要对驾驶员心理状态产生刺激）和气候环境因素。

公路的线形设计往往受到公路等级和地形条件的约束，研究表明，同一车辆在不同等级和地形条件下的运行速度特性存在明显差异，由此可以得出结论：公路线形会对运行速度产生较大影响。

道路平面线形由直线、圆曲线和缓和曲线构成，线形参数会对运行速度产生较大影响。直线设计简单，施工成本低，长直线会使驾驶员放松警惕，产生疲劳感和焦躁感;距离过短的直线会造成驾驶员的频繁操作，增加驾驶员心理负担。长度不合理的直线路段均会对运行速度产生影响。为了调整路线方向，适应地形变化，需要使用圆曲线和缓和曲线衔接两段直线。车辆在曲线路段行驶时，为了保证行驶安全和舒适性，驾驶员会根据线形的变化而对行车速度进行调整。

在我国现行的规范中，路基的标准横断面由车道、中间带和路肩等部分组成，这些要素都会对车辆运行速度产生影响。一般来说，随着车道宽度的增加，驾驶人心理压力会减小，从而导致较高的运行速度。同时，运行速度也受到纵断面的各类线形指标的影响，主要有坡长、坡度和竖曲线半径等。其中，坡长和坡度对运行速度的影响较大，尤其对大型载重车辆而言，随着坡长和坡度的增加，运行速度降低的幅度逐渐增大。

1.3 运行速度的获取方法

运行速度的计算是评价公路线形设计和公路安全评估的基础性工作。根据我国现行公路工程行业技术标准以及文献调研，运行速度的获取方法主要有以下四种：

1.3.1 定义法

运行速度是行驶速度累计分布曲线上85%分位值的速度，根據此定义，在所测路段关键节点处设置录像设备或者雷达测速仪器，分析数据后可以得到该路段的行驶速度分布曲线，寻找85%分位值的速度即为运行速度。

1.3.2 实时数据回归模型法

一般认为，运行速度受到驾驶员、车辆、公路线形和周围环境的影响，其中公路线形对运行速度的影响最大。在运行速度回归模拟中，只考虑公路线形的影响。首先分析会对车辆运行速度造成影响的路线设计参数，从而建立路线关键点的运行速度与设计参数的影响方程。然后在路线关键点设置测速设备，获取车辆的实际速度。最后利用实际数据进行回归分析，从而得到运行速度的回归模型。

1.3.3 基于车辆的运行速度模型法

该方法通过对车辆运行状态的模拟，利用车辆系统动力学、运动学以及汽车安全运行情况，推导车辆运行速度的预测模型。

1.3.4 规范法

在我国现行的《公路项目安全性评价规范》（JTG B05-2015）中，提出了针对不同等级公路、不同分析单元的运行速度模型及其修正方法，可以利用该模型计算得到车辆运行速度。

规范法预测运行速度主要包含以下步骤：

（1）划分分析单元

根据公路的线形参数，将公路划分为平直路段、平曲线路段、纵坡路段和弯坡组合路段，划分原则如表1所示，然后选择各单元的起终点以及平曲线段和弯坡组合段的中点作为特征点。

（2）根据《公路项目安全性评价规范》（JTG B05-2015）中推荐的各等级公路运行速度预测模型，建立各分析单元的运行速度预测模型。

（3）结合各分析单元交通量、交叉口和交通干扰等因素对初始运行速度模型进行修正，得到最终预测模型。

1.4 典型运行速度预测模型

1.4.1 澳大利亚法

基于运行速度的公路设计理论最初由澳大利亚学者提出，并在欧盟多国中进行了应用。通过对小半径平曲线车辆行驶速度的调研，研究者认为，平曲线半径是车辆运行速度的最主要制约因素，式（1）为澳大利亚平曲线运行速度预测模型。

该模型只选取了路段平曲线半径作为计算指标，由本文1.2节可知，路面超高及宽度、坡道长度和纵向坡度等路线参数也会影响运行速度，因此该模型的合理性及准确性有待商榷。

1.4.2 美国法

与澳大利亚研究思路一致，美国的学者选取了位于加州、德州和明尼苏达州等地的140个平曲线作为研究对象，测量研究路段上的车辆运行速度，经过回归推算得到运行速度模型：

1.4.3 理论预测法

文献[7]长安大学杨少伟从车辆本身出发，使用极限功率法和驱阻平衡的思想研究了车辆运行速度与功率之间的关系，并且结合公路线形推算出运行速度预测模型。

日本学者在参考几何线形和路面状况的基础上，分析了汽车动力性能和驾驶员操作行为对运行速度的影响，建立了式（3）的预测模型。

式中，VBRAKE、VDRIVE、VROUGH、VCURVE、VDESIR分别为制动功率决定的速度、行驶功率决定的速度、路面不平度决定的速度、平曲线段的最大速度和期望车速。

2 基于运行速度的公路线形设计方法

我国现行的公路线形设计方法是基于设计速度进行的，实际情况中车辆的运行速度与设计速度有很大差别。《公路路线设计规范》（JTG D20-2017）中规定，公路应按设计速度进行路线设计，采用运行速度进行检验，保持线形连续性;应综合协调公路平面、纵断面和横断面三者的关系，做到平面顺适、纵面均衡、横面合理。根据上述要求，提出基于运行速度的公路线形设计方法，具体流程如图2所示。

2.1 运行速度模型的建立

（1）分析单元划分

根据初步设计的结果，结合表1中的划分原则将设计路段划分为若干分析单元。

（2）根据《公路项目安全性评价规范》（JTG B05-2015），结合设计路段公路等级和设计路线参数，选择适宜的运行速度预测模型并对模型进行修正。

2.2 基于运行速度的线形指标检验

2.2.1 设计线形协调性检验

公路线形的协调性可以采用相邻路段运行速度之间的差值作为评价指标，相关评价标准如表2所示。

2.2.2 设计线形连续性检验

评价线形的连续性采用设计速度和运行速度的差值作为评价指标，相关评价标准如表3所示。

2.2.3 设计线形舒适性检验

车辆行驶在曲线路段时会产生离心力，使人感到不适，因此采用横向力系数来评价线形的舒适性，横向力系数使用式（4）进行计算，相关评价标准如表4所示。

2.2.4 视距安全性检验

视距是线形安全性能的重要体现，由于货车质量大，刹车距离长，所以通常采用货车的停车视距来对线形视距进行检验。单纯的视距检验并不能体现货车停车视距满足安全需求的程度，因此采用式（5）的指标对视距安全性进行检验，相关评价标准如表5所示。

2.3 设计线形调整

根据本文2.2节中的检验内容，对设计路段的所有分析单元逐个进行检验。对于设计线形评价指标为“不良”的分析单元，调整该单元的线形设计参数，使对应的线形指标满足相关要求。

3 结语

本文在分析现有公路线形设计方法缺陷的基础上，基于车辆运行速度的概念，总结了运行速度的影响因素和获取方法以及典型的运行速度预测模型。鉴于当前公路路线设计方法的瑕疵，在借鉴已有成果的基础上，本文总结并改进了基于运行速度的公路路线设计方法，对详细的设计步骤和相关指标控制标准进行了论述，对以后的公路路线设计工作有一定的参考价值。

参考文献：

[1]龙立敦，符锌砂，秦 涛.基于理论运行速度的公路设计线形安全性实时评价系统设计[J].中外公路，2015，35（5）：329-333.

[2]杨 磊.基于运行速度的山区高速公路路线设计研究[J].交通企业管理，2018，33（2）：88-90.

[3]杨少伟.可能速度与公路线形设计方法研究[D].西安：长安大学，2004.

[4]陈旭光.基于运行速度的公路线形安全性综合评价[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[5]JTG/T B05-2015，公路项目安全性评价规范[S].

[6]Gibreel G，Easa S.State of the art of highway geometric design consistency[J].Asce Journal of Transportation Engineering，1999，125（125）：305-313.

[7]杨少伟，许金良，李 伟，等.路线设计中车辆行驶速度预测模型[J].长安大学学报（自然科学版），2003（3）：53-55.

[8]JTG B01-2014，公路工程技术标准[S].

[9]JTG D20-2006，公路路线设计规范[S].