高速公路线形连续性评价指标体系的建立

孟占领

(任丘市交通局)

随着我国高速公路建设的迅猛发展,高速公路的安全评价越来越成为研究高速公路安全的重要问题,其中线形安全评价是高速公路安全评价的最主要方面。公路线形的连续性是路线设计的基本要求之一。我国《公路工程技术标准》规定:“线形设计,应考虑车辆行驶的安全舒适,驾驶员的视觉和心理反应。引导驾驶员的视线保持线形的连续性。”《规范》指出:“等级较高的公路应注重立体线形设计,使驾驶员在视觉上能保持线形的连续性,在心理上有舒适感和安全感并与沿线的环境、景观相协调。”但对于连续性并无明确的标准。我国大部分地区处于山地和丘陵区,由于受地形状况的限制必然要在平面线形设计中设置大量的曲线。因此连续性设计的好坏将直接关系到设计成果的质量,关系到公路的使用质量,尤其可能对事故率的大小产生很大影响,据统计,交通事故中有近 50%发生在曲线上。因此,适应我国的交通流状况,提出合理的连续性设计方法势在必行。

1 公路线形连续性设计思想

线形设计连续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。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集聚性。线形设计连续性可以保证公路全线的几何线形设计的整体协调性,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和公路线形设计安全性的一个重要指标。

连续性设计的原则有以下几方面。

(1)视觉上的连续性。指应使线形能自然地引导驾驶员的视线,并保持视觉的连续性,任何使驾驶员感到茫然、迷惑或判断失误的线形,必须尽力避免。

(2)行驶速度的连续性。由平面相邻线形要素、纵断面相邻线形要素以及平纵组合相邻线形要素构成的公路空间线形,必须使汽车行驶速度不产生突变和相差过大,应使行驶速度平缓、连续、均衡地变化,保证汽车行驶的平顺性、连续性和安全性。

(3)加速度的连续性。由平、纵产生的加速度变化不能过大和过快,以免影响汽车行驶的舒适性和安全性。

2 基于速度的连续性指标分析

2.1 计算行车速度与运行车速之间的差值Δv

车辆在曲线上行驶时会受到离心力的作用,为平衡离心力,当曲线半径较小时需设置超高,超高的设置是按设计车速进行的。如果实际行车速度超过了设计车速,则会使车辆受到的横向力增大,有可能造成横向失稳而发生事故。弯道半径 R (m)、设计速度v(km/h)、横向力系数μ,以及运行车速超出设计车速时的速度增量Δv、μ的增量Δμ之间的关系为

Δμ=(Δv-2vΔv)/127R

由上式可以看出,运行车速与设计车速的差值越大,则横向力系数的增量也就越大,设计车速越低,这种影响越显著。因此,线形设计应与设计车速相一致。基于设计车速的线形设计质量等级表示了公路中某一路段的运行车速与设计车速差值Δv的合理范围,制定的基于设计车速的线形质量标准见表 1。

表1 基于设计车速与运行速度差的线形连续性评价标准

2.2 相邻路段运行速度差的比值 RV

运行速度协调性评价是对相邻路段的运行速度的差值进行评价。《指南》中推荐的评价指标是Δv85,但该指标是一个绝对值,表示的是相邻路段运行速度的变化幅度,这种绝对值的指标对于某一个固定的设计车速前提下具有比较好的评价意义,但如果当前运行速度值区间不同,则采用同样的Δv85来评价线形的连续性则不可靠。因此,采用相邻路段运行速度差的比值RV来评价路段的连续性。该指标表述如下

式中:RV为相邻路段运行速度差的比值;v85i为当前路段的运行速度;v85i-1为前一路段的运行速度。

推荐指标RV的评价标准为:

RV＜0.1时,线形较好;

0.1 ≤RV≤0.2时,线形一般;

RV＞0.2时,线形较差。

2.3 利用加速度a进行验证评价

利用加速度作为评价指标主要考虑两两相邻路段终点和起点间加减速时的加速度要求,加速度指标过大会降低驾乘人员的舒适感和安全感。在利用运行速度差进行评价的基础上,对指标超出安全范围的路段进行加速度指标验算,对于加速度指标值超过安全范围的路段应进行线形修改和调整,加速度指标在安全范围内的路段可根据实际情况灵活对待。

2.4 总体线形连续性评价的指标 C

公路线形连续性评价的量化指标 C是通过建立相应的理论模型,对全路线进行连续性评价,并得出量化指标。线形连续性评价的量化指标可用于不同路线方案间的比选,同时为道路安全审计提供依据。

鉴于车速标准差与事故率的相关关系,故引入车速标准差等构建线形连续性评价量化模型。考虑到模型计算得出的连续性指标与车速标准离差之间的关系,并结合我国公路实际的运营状况,建立改进后的线形连续性模型

式中:C为线形连续性评价的指标值;S为里程L内第85%位车速与平均车速所围成的面积与公路里程的商,S= (∑si/L);σ为车速标准差;A、B为参数。

推荐指标C值的评价标准为:

0＜C＜1时,设计一致性差;

1＜C＜3时,设计一致性一般;

C＞3时,设计一致性好。

3 基于线形的连续性指标分析

3.1 单曲线半径与平均半径之比KR

该指标是把路段上单独圆曲线半径和该路段上所有圆曲线半径的平均值的比值作为评价线形连续性的指标

式中:AR为路段上平均圆曲线半径,m;n为路段上圆曲线个数;R为路段上第i个圆曲线半径,m。

下面用加权平均值来建立平面基本线形元素圆曲线的评价指标KR

因此,在考虑该指标的评价标准时,将对半径减小或增加两种情况做分别的考虑,推荐该指标的安全评价标准为:

0＞KR＞-0.2或0＜KR＜0.4……好;

-0.2＞KR＞-0.4或KR＞0.4……中;

KR＜-0.4……差。

3.2 单竖曲线率与平均竖曲线率的比值KV

平均竖曲线率为公路上竖曲线的改变次数提供了衡量依据,该线形指标的假定为纵断面线形上竖曲线的改变次数将影响车辆的行驶速度与事故。

路段平均竖曲线率定义如下

式中:AVC为平均竖曲线率;Li为路段上第i个竖曲线长度;│Ai│为路段上第i个竖曲线上坡度代数差的绝对值;n为路段竖曲线的个数。

平均竖曲线率主要的作用在于对一个路段内的纵断面连续性状况做出评估,因其是一个平均值,所以要在有一定样本数量的时候才具有意义。该指标可以对一个较长路段或全路线范围给出一个评价的结果,但是对于单个竖曲线的设计优劣则无法在该指标中反映,因此,本研究引入单竖曲线率与平均竖曲线率的比值KV用来评价单个竖曲线在整个路段纵面线形中的状况,表述如下

式中:KV为单竖曲线率与平均竖曲线率的比值;VC为单个竖曲线率;L为单个竖曲线长度;│A│为单个竖曲线上坡度代数差的绝对值。

当 KV值为正时,有较为平缓的竖曲线,对于交通安全的影响较小;当KV值为负时,该竖曲线对于行车连续性影响较为突出,KV的绝对值越大,这个竖曲线严重违背司机行驶的主观期望,很可能会出现意外事故。显然,竖曲线率减小时对于安全的影响要大于竖曲线率增大的情况,即KV值为负且绝对值越大时,线形越不连续,安全隐患越大。因此,在考虑该指标的评价标准时,将对减小或增加两种情况做分别的考虑。

结合现有线形评价的研究成果,并以上述思想为指导拟定该指标的安全评价标准为

0＞KV＞-0.18或 0＜KV＜0.36……好;

-0.18＞KV＞-0.36或KV＞0.36……中;

KV＜-0.36……差。

曲率变化率指标ΔD。德国在线形上采用曲率变化率指标(平曲线角度变化的绝对值除以路段长度)来描述整体路段的线形质量,并避免同一路段之间的运行速度突变来增加线形的一致性。

其评价标准为:

ΔD＜5°……好;

5°≤ΔD≤10°……中;

ΔD＞10°……差。

平纵协调组合评价指标。用一个相对的平纵协调组合评价指标Ki来表征某个线形单元设计纵坡与该表中最大坡度的适应情况,计算公式如下

当平纵组合中的纵坡度超过按计算所得圆曲线相对应的最大纵坡度时,汽车行驶的不稳定性因素增加,平纵线形组合的安全性就会降低。该控制指标具有一定的可靠性,它反映了平纵横三维立体线形相互作用的关系,又考虑了实际的行车环境和司机的主观期望,因此该指标是一个系统的综合性评价指标。

其评价标准为:

0.6 ＜Ki＜1……好;

0.1 ≤Ki≤0.6……一般;

Ki＜0.1……差。

4 线形连续性指标体系的建立

通过上述分析,建立我国高速公路线性连续性指标体系如图 1所示。

5 结 论

连续的运行速度是路线设计连续性的最终表现,可以把路线的几何设计对公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。建立了由速度连续性指标和线形连续性指标构成的线形连续性指标体系,为我国高速公路线形安全评价奠定了基础,对于合理、安全的高速公路线形设计具有重要指导意义。

图1 高速公路线性连续性指标体系

[1] 公路项目安全性评价指南(JTC/TB05-2004)[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 靳灿章.高速公路线形评价——评价指标的选取及理论分析[D].天津:河北工业大学硕士论文,2003.

[3] 池坤敏.公路线形安全性评价指标体系研究[D].广州:华南理工大学硕士论文,2007.

[4] 高建平,郭忠印基于运行车速的公路线形设计质量评价[J].同济大学学报,2004,33(11):1470-1473.

[5] TRB.1999年加拿大线形设计指南:道路安全性的开始. USA,2003.