陳勖
(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司,上海 200120)
隨著交通量的逐年增加,公路工程在設計時對安全性的要求也越來越嚴格,而運行速度是評價公路線形安全性的重要指標。目前,公路在選擇線形指標時,結合預測交通量數據和公路建設等級先定下設計速度,并以設計速度為依據選擇平面、縱斷面、超高、加寬、視距等參數。但是在公路運營期間,車輛的運行速并不一定等于設計速度,使得運行速度與線形指標相脫節。如果運行速度和設計速度差值過大,會導致線形協調性差,容易造成交通安全事故[1]。因此,本文基于運行速度進一步研究公路線形安全性,并提出相應的改善措施,具有十分重要的工程價值。
設計速度是確定公路線形的基本指標,它是指在氣象良好的條件下,具有中等駕駛技術的人員能夠安全、舒適地控制車輛的速度。但是,路線速度一旦確定就是固定不變的,與實際中車輛的行駛速度可能有很大差異,故JTG D20—2017《公路路線設計規范》中引入了運行速度的概念,以評價公路線形的安全性。
運行速度V85是指在良好氣候和正常交通條件下,行駛速度累計分布曲線上對應于百分之85 分位值的速度[2]。運行速度能代表公路上所行駛的大部分車輛的狀態,利用運行速度來調整線形指標,可以在確保公路行車安全性的同時提高其經濟性。
公路交通網是由駕駛員、車、路等要素組成,各要素必須相互協調,才能確保整個道路體系運行的安全性和舒適性。因此,本文探討了駕駛員、車、道路平縱線形對運行速度的影響。
2.2.1 駕駛員和車輛因素
車輛在公路上行駛時,駕駛員工作過程包括了解路況→作出判斷→操縱汽車,如圖1 所示。在工作過程中,駕駛員視覺和心理會直接影響車輛運行速度。
圖1 駕駛員操作車輛
公路主要是為汽車服務的,運行速度定會受到汽車本身動力性能的影響。不同車型或相同車型的不同配置,都具有不同的動力性能。一般汽車動力性能越好,可能的運行速度越高。
2.2.2 縱斷面線形因素
公路的縱斷面對運行速度影響很大,主要控制指標是坡長和坡度[3]。
縱坡坡長:坡長不宜過短或過長,坡長過短會使車輛顛簸頻率高,上坡段坡長過長會增加車輛爬坡耗能,下坡段坡長過長駕駛員需頻繁踩剎車,以上均會降低車輛在公路上的運行速度。
縱坡坡度:坡度不宜過大或過小,坡度對運行速度的影響體現在以下兩個方面:一方面,上坡時坡度過大,車輛需減擋以增加動力輸出,車速會衰減,尤其是載重貨車的速度衰減速率明顯;另一方面,下坡時坡度過大,車輛重力勢能會轉變為動能,車速增加,車輛容易失控。
2.2.3 平面線形因素
公路平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線等元素組成,其中,直線段視野開闊,方向明確,車輛運行速度受直線長度影響大。如果直線過長,會破壞線形連續性,使駕駛員感到單調、疲倦,產生盡快駛離直線的急躁情緒,車輛容易超速;圓曲線上運行速度受半徑和轉角影響較大,圓曲線半徑和轉角越小,使線形顯得曲折,駕駛員會產生急轉彎錯覺,造成不必要減速,交通事故率提高;緩和曲線主要起到曲率過渡作用,曲率半徑不同,車輛運行速度也不同。
運行速度屬于統計值,需要大量的實測數據。實測運行速度時,常用的儀器有高精度GPS 定位系統、雷達測速槍、非接觸式測速儀等。但是在設計階段往往難以確定運行速度,需要工程師選擇數學模型來預測公路在運營期間的實際運行速度。
根據JTG B05—2015《公路項目安全性評價規范》,將整條公路可按圓曲線半徑和縱坡大小劃分為平直路段、縱坡段、小半徑平曲線段、彎坡組合段4 種單元[4],其中,平直路段的直線或圓曲線半徑>1 000 m,且縱坡<3%;縱坡段的直線或圓曲線半徑>1 000 m,且縱坡≥3%,坡長>300 m;小半徑平曲線段的圓曲線半徑<1 000 m,且縱坡<3%;彎坡組合路段的圓曲線半徑<1 000 m,且縱坡≥3%。
運行速度預測計算的關鍵是先確定期望車速,同時影響行車安全性。期望車速是指車輛在公路期間,無其他車輛干擾的條件下,駕駛員所期望達到的最高安全車速。期望車速與駕駛員與主觀意識、車輛類型、道路路況、天氣等因素密切相關。期望車速確定分3 個階段[5]。
第一,初定階段。車輛駛入某一道路后,駕駛員先根據路況信息,確定初始期望車速。
第二,調整階段。車輛在道路行駛一段距離后,駕駛員對路況有了深入了解,再結合自身駕駛經驗,決定是否調整期望車速。
第三,保持階段。期望車速調整后,駕駛員以此車速為標準,在道路上安全行駛。
鑒于篇幅有限,本文僅針對平曲線路段和縱坡路段對其運行速度運行方法進行闡述。
3.3.1 平曲線路段運行速度預測
對于二級及二級以下的低等級公路,由于設計速度小,平曲線指標低,可認為車輛在經過平曲線入口、中部、出口處的運行速度基本保持不變。對于高等級公路,平曲線線形指標高,平曲線入口、中部、出口處的運行速度變化幅度大,可按照表1 中的數學模型對小客車和大貨車的運行速度進行預測。
表1 平曲線運行速度預測數學模型
由表1 可知,高等級公路平曲線路段出口處運行速度最大,入口處運行速度最小。這說明車輛在平曲線上行駛時一直處于加速狀態,且車輛從入口到中部的加速度>車輛從中部到出口的加速度。
3.3.2 縱坡路段運行速度預測
由據牛頓第二定律可知,車輛在上坡或下坡時受到合力作用,車輛會產生向上或向下的加速度。在車輛初始運行速度固定的前提下,向上的加速度使車輛運行速度降低,向下的加速度使車輛運行速度提高。因此,縱坡路段運行速度V85可用式(1)預測[6]:
式中,V0為初始運行速度,km/h;ΔV 為坡度、坡長對速度的影響值,km/h,可查圖2 取值。
圖2 坡長、坡度對運行速度的影響
某高速公路路線全長40.8 km,路線起訖樁號為K0+000~K40+800,設計速度為120 km/h,設計荷載為公路-I級,主線為雙向6 車道,最大縱坡1.1%,最小縱坡0.1%,路基橫斷面寬度34.5 m,瀝青路面結構厚74 cm。該項目是省內公路網規劃的重要組成部分,呈東西走向,處于平原地帶,大部分地形平坦,局部地形較陡,穿越沿線村鎮較多,地形地貌較復雜,地下水豐富,雨水較充足,年平均降雨量約928 mm,主要集中在6~10 月份。
車輛在公路上的實際運行速度并不一定與設計速度一致,如兩者之間差值較大,路線設計參數可能無法滿足運行速度的需要,導致線形協調性差,容易出現交通安全事故。因此,在公路線形指標確定后,還需對路線安全性開展評價,本文以該高速公路位研究對象,探討運行速度在公路線形評價中的具體應用。
JTG B05—2015《公路項目安全性評價規范》中推薦用“相鄰路段運行速度的差值ΔV85”來評價公路線形協調性,其中,相鄰路段是指設計指標不同但在樁號上相接的路段。ΔV85<10 km/h、10 km/h<ΔV85<20 km/h、ΔV85>20 km/h 時所對應的公路線形協調等級分別為協調性好、協調性較好、協調性不良。
在檢查路線線形前,按照明上文原則將路段共劃分22 個評價單元,編號為1#路段~22#路段。不同評價單元的ΔV85計算結果如圖2 所示。
圖3 相鄰路段運行速度的差值
ΔV85最大值為20.5 km/h,最小值為2.2 km/h。同時,ΔV>20 km/h、10 km/h<ΔV<20 km/h、<10 km/h 的評價單元分別有1 個、4 個和16 個,這表明:該公路大部分路段的運行速度均屬于協調性好或較好,其中,運行速度協調性好的路段占比71.9%,協調性不良的路段占比為4.3%。
為了改善運行速度協調性不良的路段,可通過以下措施。
第一,智能選線。在比選路線方案時,設計人員可借助遺傳算法、空間挖掘技術、BIM 技術等建立三維模型,分析各種風險因素,為車輛安全運營提供保障。
第二,增加標志標識。車輛運行速度越高,駕駛員反應時間越短,發生交通事故的可能性越大,建議在路線協調性不良的路段增加限速標志、危險標識等標志標牌,以提升行車安全性。
第三,增加視線誘導設施。應在曲線半徑小或通視較差、對行車不利的曲線外側設置視線誘導標志。
本文研究了運營速度的影響因素、預測模型及其在線形評價中的應用,并提出相應的改善措施,主要得到以下結論:
1)駕駛員、車、道路平縱線形均會對車輛運行速度產生較大影響,必須確保各因素相互協調;
2)在用運行速度評價公路線形前,需將其劃分為平直路段、縱坡段、小半徑平曲線段、彎坡組合段,并確定好期望車速;
3)建議采用相鄰路段運行速度的差值ΔV85評價公路線形安全性;
4)為了提升公路線形協調性,可采用智能選線、增加標志標識、增加視線誘導設施等措施。