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东南大学硕士学位论文运行速度在公路线形设计中的应用研究姓名：田兆丰申请学位级别：硕士专业：道路与铁道工程指导教师：陈飞20070101 AbstractThetechnicalstandardofhighwayalignmentdesignofOBrcountrytakethedesignspeed∞themaindesignparameter,butinfacttravelspeedcanbeaffectedbyroadcharacteristics(alignmentconditions，pavementcondition，weatherconditions，environmentalconditionandtrafficconditions)，aswellasthevehicleperformance．Investigationoftmvelspeedrevealsthatthespeedofvehicleisoftenhigherthanthedesignspeed，whichissupposedtobemaximalsafespeedonacertainroadsegment．Soitwillcausethesafetyproblem．Nowtheoperatingspeedwilltakeplacethedesignspeedasthemaindesignparameter．Sothat，inthesightofpresentsituationofhighwayalignmentdesign．atthebackgroundofreviewingandanalyzingtheresearchproductioninsideandoutside，thispaper,aimingatexaminingthedesignqualityofcrossandverticalsection，directingthetakingofalignmentdesigngeometryindex，controllingautomobilespeedandreducingtrafficaccident，putforwardaresearchtopiconoperatingspeedandapplyingofoperatingspeedtohighwayalignmentdesignsoastorealizethebasicrequirementofsafedriving．Accordingtothelimitationofspeeddesigninginhighwayalignmentdesign，thispaperputsforwardthatapplyofoperatingspeedtohighwayalignmentdesign．Onthebasisofthepresentdesigningmethod,thedesignofoperatingspeedalignment，byincreasingthestepsofthespeedcalculation，istoexamineandmodifytheoriginalgeometricalindexsoastogetagraphofcontinual，balancedandharmoniouschanging，whichbecomesthefoundationofgettingothertechmcalindexesandsettingequipmentalongthehighway．Thepredictingmodelofoperatingspeedissetuponthebasisofpreliminarygeometricalindex，fromthepointofmotivepoweroftheautomobile，deducethecalculatingformulaofoperatingspeedinthehorizontal、verticalslopeanderectcurve．throughconsiderallthefactorsofoperatingspeedsynthetically．ThispaperadoptsVisualc++6．0．MFCandObjectARX．compilespredictingmodelofoperatingspeed，consideringtheshiftingofpracticingcar,finallycarrysoutautomaticalcalculationofoperatingspeedandachieveschartautomatically．AndprovestheCOITeC廿：IeSSandreliabilityofoperatingspeedcalculationmodelbysurveydatasitethoughexaminationsection．Finally,thethesisfurtherdiscusestheapplicationofoperatingspeedinotherrelevantdesign．Theproblemofshortageofsuperelevationcanbesolvedtosomeextentbygettingthesuperelevationvalueonbasisofoperatingspeed；theproblemofshortageofsightdistancecanbeavoidedbygettingthedrivingsightdistance；theposition，lengthandlengthinthetransitionalsectionoftheclimbinglanecanbedirectlyreflectedonthebasisofthegraphofoperatingspeed；andmorescientifictodecidethepositionofclimbinglaneandlimitingspeedsigns．Keywords：Designspeed；Operatingspeed；Alignmentdesign；motivepoweroftheautomobile；ExaminationofdesignqualityⅡ 东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：——导师签名： 第一章绪论1．1研究课题的提出第一章绪论在过去的20多年里，我国开展了世界上规模最大的公路建设，实现了公路交通的跨越式发展，为促进我国国民经济健康发展和提高人民生活水平做出了重要贡献。但随着公路建设的发展和汽车保有量的增加，公路运转周转量的增加不可避免地带来了交通拥挤、环境污染、事故伤害等许多问题，尤其道路交通事故发生率居高不下，死伤人数的逐年增加，经济损失日益严重。造成交通事故的原因是多方面的，虽然经过国内外的交通事故统计显示，有80％～90％的交通事故是由于驾驶员的失误或粗心大意造成的，但进一步的研究表明，在诸如由超速行驶、违章超车、不正当超车、不正当转向、夜间不良的视距等造成的交通事故中，除少数是由于驾驶员失误引起的以外，大部分驾驶员出事故的原因是由于困难的行驶条件引起的，而困难的行驶条件则与道路设计有关。如道路线形不顺畅、某处线形指标突变、道路平、纵线形指标各自搭配或其组合不当、视距不良、超高不足等等，这些引起我们对我国现行道路线形设计方法是否有存在缺陷的思考。目前我国公路几何设计仍然采用设计速度方法，是美国30年代初提出的。所谓的设计速度(计算行车速度)是指在气候正常、交通密度小、汽车行驶只受道路本身几何要素、路面、附属设施等条件影响时，具有中等驾驶技术的驾驶员能保持安全行驶的最大行驶速度。如果只从儿何要素考虑，也就是～条道路受限路段汽车所能安全行驶的最大行驶速度。根据现行《公路工程技术标准》⋯和《公路路线设计规范》口】，设计速度为控制公路几何线形、超高、行车道宽度和视距等要素的最低指标，一条公路的设计速度确定以后，与此相关的各种指标也就确立了。设计中只要一条公路所采用的最小指标大于其设计速度对应的最小指标，认为该条公路的设计符合技术标准规定。采用设计速度作为设计控制参数，实质上是规定了公路设计最低限度应采用的指标。一条道路的受限路段一般较少，而大多数路段为非受限路段，其线形指标高于受限路段，可以允许汽车以高于计算行车速度的车速行驶。从设计控制的角度考虑，在这些非受限路段，路线的平、纵、横以及其它相关指标就没有依据确定。我国技术标准规定路线设计的基本要求是根据道路的等级及其使用任务和功能，合理地利_}{j地形，上E确选用技术标准，保证线形的均衡性，在条件许可时，应尽量选_Hj较高的技术指标。从原则上讲这种要求是非常必要的，但实际操作中难以掌握，比如与计算行车速度相关的平曲线半径、缓和曲线氏度、超高值、视距、竖曲线半径等指标的取值，在非限制路段无依据确定，导致各指标取值不合理，相互配合不协调，高低指标之间无过渡等问题。由于技术指标的不协调，很难实现路线线形的均衡性，使行车速度忽高忽低，产生突变，多数路段超速现象严重，这种超速和突变极易发生交通事故。显然，以计算行车速度作为道路线形设计的依据具有不足的一面。例如，汽车在公路上行驶时，驾驶者一般是依据道路的行乍条件(线形几何条件、路面条件、气候条件、环境条件及交通流密度)及车辆本身的性能来确定自己的车速的。只要条件允许，驾驶者总是倾向于采朋较高的速度行驶。汽乍在指标较高的路段上以远大丁．计算行车速度的行驶速度(感觉安全舒适的速度)行驶后，当遇到较小指标的曲线时，驾驶者术必能够意识剑行驶速度过高或当感觉速度过高时已来不及减速或减速不够时，其结果便可能会发生交通事故。这说明单项独立的指标符合规范要求的公路儿何线形，不能有效保证汽乍行驶的安全性。再加上近年来汽车技术的发展，其性能己得到了很人的改进，如继续沿埘现有的以计算行车速度 东南大学碗上学位论文为基础的标准和规范可能会导致一‘系列的问题。德、法、英、瑞典、瑞士，希腊、奥地利、波兰等欧洲国家和澳大利Ⅱ等国外发达国家广泛运用以运行速度为基础的路线设计方法，美国也正往这方向过渡。运行速度的设计方法正是解决问题的有效途径。这种先进的理念正在为我所用，我国《公路工程技术标准》(JTGB01--2003)⋯、《公路项目安全性评价指南》(JTG／TB05—2004)”J已引入运行速度v85的概念，并建议在速度变化路段、爬坡车道、超高等受限制路段进行运行速度检验。利用运行速度来提高公路线形设计的质量，保证行车安全。做到真上E意义上的“以人为本，以车为本”。由于我国的驾驶员驾驶习惯、道路交通组成与车辆动力特性与国外有较大的差异，国外的标准和设计参数不可能完全适合我国的情况，而且，我国是世界上道路交通事故万车死亡率最高的国家之一，其中许多事故是由于道路平、纵、横断面几何线形设计没有充分考虑用路者的感受的缘故。因此，本文根据我国公路交通的实际运行状况来研究运行速度在公路线形设计中的应用，以期建立一种更科学、更安全的公路线形设计方法。1．2论文研究的目的和意义1．2．1研究目的随着交通事业的快速发展各国都意识到采用设计速度法带来的安全性问题，都试图寻找一种更科学、合理的方法来弥补这一缺陷，运行速度正是在此背景下提出的，研究运行速度在公路线形设计中的应用，其目的主要是：1．避免了设计速度作为一个固定值并用来进行公路线形设计的盲目性和不具体性。2．采用路段上实际行驶速度作为线形设计指标取值的依据，确定平、纵、横技术指标以及超高、加宽、视距等，具有很大的实时性和具体性。以运行速度为依据设计出来的公路线形是连续的、协调的、均衡的，不具有速度突变点。3．通过运行速度的应用，建立一种比较科学、合理的公路线形设计方法。4．解决行车安全性问题或减少交通事故的发生。多数交通事故是由于超速行驶造成的，采用设计速度设计，车辆很容易超速，而采用运行速度将使车辆不易超速行驶。5．可以作为各种交通标志、爬坡车道、避险车道等设置的依据。1．2．2研究意义在理论方面，提出了应用运行速度进行公路线形设计的方法，是一种比较科学、合理的线形设计方法；根据汽车行驶动力学原理，综合考虑平、纵、横断面几何设计要素以及驾驶员的主观期望，建立运行速度的预测模型；采用运行速度对公路线形设计进行检验、评价并作为调整公路线形的依据。这对于改善我国公路线形设计理念、加快运行速度设计方法在我国的应用具有重要的现实意义。在实践方面，应用运行速度进行公路线形设计的方法，可以有效检查和评价公路线形设计成果的质量，检查线形设计的连续性、协调性和均衡性，控制平、纵、横面技术指标的取值，作为超高、加宽和视距等取值的依据，指导沿线交通安全设施及附属构造物的布置和设计。通过实践应用，对于提高公路线形设计质量、减少各技术指标取值的盲目性、降低交通事故率以及保障交通安全、提高道路通行能力和使川效率等方面都具有很重要的应用价值。2 第一荦绪论1．3国内外研究现状1．3．1国外研究现状在19世纪30年代，美国人提出了基于设计速度的公路线形设计方法，此方法在当时汽车性能不高，道路交通量不大的情况下，很好地满足了汽车行驶的要求。现今随着汽车性能的不断改进，高等级公路的大量修建，采用以设计速度为基础参数的公路线形设计已经不能很好的适应当前汽车行驶要求，汽车行驶时的连续性不能达到很好的保证，道路交通事故发生率高居不下。因而，世界上许多发达国家都在广‘泛研究运行速度及其在公路设计中的应用。早在20世纪60年代，西方发达国家就开始了车辆运行速度和运行费用模型的研究。20世纪60、70年代，美国进行了大量的调查和分析工作，结合道路通行能力的研究，为各级公路制定了依据路段交通量、通行能力以及道路几何特性估算车辆平均运行速度和运行费用的方法。在此基础上，编制了“公路和公共交通改建项目用户效益分析手册”，一直沿用至A【4】14世界银行从20世纪70年代起，邀请了美国、法国和巴西等国的专家组成研究小组，投入数千万美元进行调查、实验，得到自由流交通条件下各类车型的运行费用模型，即著名的HDM—III模氆l，J。其中的基础性研究就是车辆运行速度的研究，并进行了大量的路上试验工作。HDM—III自由流稳态速度预测模型的基本原理是：行驶在道路上的汽车，在自由流条件下其行为(速度)总是受一组影响因素所限制。这些限制因素一般包括希望速度、发动机输出功率(上坡)、发动机制动功率(下坡)、道路曲度(半径)和路面状况(平整度)。纵断面上任意点车辆速度取决于上述限速因素的综合约束效果。英国运输道路与运输研究所(TRRL)20世纪70、80年代初在肯尼弧、印度和加勒比海地区等发展中国家进行了大量的试验和调查工作，采用经济回归方法建立了各类车辆的平均运行速度及燃油、轮胎和车辆保养模型16J。澳大利亚和欧洲等国是最早在公路设计中采用运行速度概念的【7】。通过对小半径平曲线运行速度模型进行大量研究，认为平曲线半径是影响运行速度的关键指标，各国基本上都采用“半径一运行速度”模型反映不同平曲线半径与运行速度之间的对应关系。公式(I-I)为幂函数形式表达的运行速度测算模型。‰=aR6(1．1)式中：V85——运行速度(kin／h)；R——平曲线半径(m)；a，卜模型参数。希腊Kanelmdis等人在双车道公路上平面线形对车速的影响进行了研究【s】，认为运行速度不仅是公路设计的一个基本要素，而且是实现平面线形设计一致性的基本]：具。通过对58个曲线段数据分析，并认为直线段运行速度可以达到129公里，，J、时。得到回归模型为：肾啪．ss一等，随，s@z，瑞十采用理论速度模龌分析平面线形的一致性I“。引入与运行速度相似的项目设计速度分布图，根据速度的突变检查公路设计不一致的位置。项目殴计速度是以平面和纵断面的设计要素为参数的速度模喇得剑的。如果项目设计速度超过传统的设计速度，则以项目设计速度作为评价视距、超高和缓和曲线长度的依据。假定在同一平曲线上速度不变的前提F，根3 东南人学硕十学位论文据统计研究确定了项目设计速度的标准值，按不同平曲线半径列表供查。在相邻平曲线之间或平曲线与直线之间项目设计速度的变化晕一般不超过20km／h(12mph)，但对于更小设计速度(小于45mph)的公路其速度变化鼙的l临界位为10km／h(6mph)。德国定义的运行速度是干燥和潮湿路面状况下自由流状态小客车的85％分位车速，德国设计指南中采用了与瑞士不同的方法。德国引入平面曲度的概念【loj，即路线平曲线任一时刻累计偏角的绝对值除以路线长度。用公式表示为：整：—E—la,I(1-3)三式中：K--曲度(。／km)；“i——任一时刻曲线的偏角(。)；I-一路线长度(h1)。经过研究，建立了平面曲度、横断面的路面宽度与运行速度的关系如图1-1所示，直接查图即可得到运行速度。德国设计指南中规定，任何给定路段的预测运行速度应不超过其设计速度20kin／h(12mph)，要求一条连续路段上相邻线形要素之间的运行速度差允许最大限制值为10km／h(6mph)，以确保公路线形设计的一致性。如果特定路段不能达到这一限定要求，平面线形设计必须进行调整。图1-1曲度、路面宽度与运行速度图在美国最早是学者Leisch于1977年提出了基于运行速度的设计速度概念，并川来评价公路平面和纵断面几何线形一致性的方法口J【”】。该法认为单独使用设计速度作为公路设计的控制原则可能会导致非期望的几何设计出现，尽管几十年来一直使用设计速度作为平面线形设计的准则，但它可能导致公路几何线形中出现非一致的设计。为了实现车辆运行速度与设计速度的一致性，更好地满足驾驶员的期望值，分别建立了小客车和大货车的运行速度模型，该模型主要是根据平面及纵断面路况估计不同车型的平均速度估计值，将其绘制成车速变化图，用于判断线形上的速度是否达到设计一致性。他的研究成果建议一个连续的公路线形设计一应满足如下条件：①～条路线的小客车平均速度变化不应超过16km／h：②连续路段中所采用的设计速度变化量不应超过16km／h；③一般路段上大货车的平均速度和小客车的平均速度相差不应超过16km／h；1990年美国的Lamm[8】【121等人以322个曲线段的数据为依据，对V85与平曲线的关系进一步研究后，认为平曲线半径(曲率)是影响车辆运行速度的最显著参数，其测算模型为：圪；；94．398一—3188—．656，Ir=o．97(1-4)～尺式中：v8s——曲线上的85％位车速即运行速度(kra／h)7R——呷曲线半径(m)。此外，Lamm的模型中指出限制道路直线段的最高运行速度的范围是94～96公里／d'时。1994年美国犹他州的lslam,fllSeneviramel41丁|研究了双车道公路平曲线上运行速度的变化，发现曲线半径(曲率)是预测平曲线运行速度的最显著的变量，同时指出同一曲线上不同地点的运行速度是不同。基Y'8个曲线段的数据，认为直曲点(BC)、曲中点(MC)和曲直点(EC)点的运行速度模璎依次如F：4 第一章绪论珞s=95．41—1．48D一0．012D2，R2=o．99‰=103．03—2．41D一0．029D2，R2=0．98(1．5)(1-6)圪5=96．11-1．07D，Re-_0．98(1-7)式中：D一曲率(。)；其余符号同上。1994年美国Kmmmes”喀人采集在自由流状态下，分布于纽约、俄勒冈、宾西法尼亚、德克萨斯和华盛顿5个州共138个平曲线上车辆运行速度数据，推荐的模型为：圪5=102．45-1．57D+0．0037L-0．11，R2=0．82(1-8)式中：p一曲率(。)；I，_一曲线长度(m)；卜——转角(4)。美国联邦公路局公路安全评价思想，详见参考文献【l”等。1988年美国联邦公路局(FHWA)开始研究“交互式公路安全设计模型(InteractiveHighwaySafetyDesignModel，缩写为IHSDM)”。该模型是建立在大量观测数据基础上的统计模型，综合考虑了人、车、路之间的相互影响，目的是建立一个与CAD集成在一起的公路安全设计和评价系统，帮助设计人员从公路安全的角度评价设计方案。IHSDM的结构图如图1—2所示，将八个子模裂都以可独立工作的CAD软件包形式设计，集成在一起构成IHSDM系统。目前，该系统基本完成了第一阶段车辆动态模型、车速一致性模型、事故预测模型等子系统。安全评价的方法是设计者用CAD软件完成公路平、纵、横设计，激活IHSDM主系统，选择～种设计车辆，调用车辆动态模型获得速度图和线加速度图，检查路线设计方案，如果出现不符合安全审计规范的地点被标注出来，退出模型程序，用CAD调整设计方案：调用车速一致性模型检查线形要素及其组合，如果某些路段速度产生突变或速差过大，再用CAD调整设计方案；调用事故预测模型计算设计方案各地点发生事故的概率，以评价设计方案的安全性，如果存在安全问题可再用CAD调整设计方案。图1-2IHSDM结构图IHSDM将公路安全评价和CAD集成的思想既实现了公路安全审计的目的，又方便了设计方案的修改，代表了公路安全评价朱来的发展方向，在公路安全评价方面发挥重要作用。其中车速一致性模型是采用运行速度。1．3．2国内研究现状1982年同济人学”埂出采用行车速度，耗油量及交通事故率作为公路线形使用质颦的评价指标。为了研究公路线形与行乍速度的天系，选取了我国的-二、三级公路，以在这两种公路上r～大多数的8．10吨中型载重汽1f：为研究对象，选抒了各种不同平曲线’|，径、纵坡和儿种不同路面宽度的113个典型路段进行行V-试验和车速测定。根据实测的车述与相应的曲线5 东南大学硕士学位论文路段线形指标，进行了同归分析。得到以下结论：平曲线中部匀速段的行车速度可以用下述公式计算：二级公路(路基宽12米，路面宽9米，黑色路面，路表干燥)：1K；=56．39—504二一5561二(1-9)wR月三级公路(路基宽8．5米，路面宽7米，黑色路面，路表干燥)：1K；=52．66—1197二一13659--"(1-10)～月R同济大学于1988年底在我国率先开始道路车辆运行速度和运行费用模型研究。在广泛分析国外模型的建立方法、技术路线和研究成果的基础上，采用集成模型，在广东省进行了平直路段上的油耗试验，得出了平直路段车速一油耗一路面平整度之间的关系，对北京和上海的汽车运营单位进行了汽车轮耗、保养人工及材料等调查，得出了轮耗预估模型和车辆保修材料预估模型，此研究局限于运行费用和车辆运行速度之间的模型，并未对道路、交通几何条件的影响作深入研究i4J。交通部公路科学研究所与北京工业大学联合建立了适用于高速公路和一级公路的运行速度预测模型，详细内容见参考文献《公路项目安全性评价指南》pJ。《新理念公路设计指南》(2005版)[141提供的运行车速模型根据道路条件分为两种。详细内容见参考文献《新理念公路设计指南》。以上模型都是通过己建公路实测或路段大量样本调查，建立路线线形要素与运行速度v85的同归表达式或图表。在考虑线形要素上，多数是建立运行速度与平曲线二}径的预测模型，或运行速度与曲度(或偏转角)的预测模犁，或运行速度与曲率、平曲线长度、转角的预测模型，或运行速度与平面、纵断面的预测模型等等。另外一种获得运行速度的方法是理论预测法【15J【”11161，是根据汽车动力学原理，加、减速行程计算基丁=纵断面线形设计的运行速度，根据平曲线半径计算基本公式反算平曲线上行驶的允许车速或引用国外的曲度与运行速度关系获得运行速度，将纵断面和平面分别预测的运行速度比较后取小值，作为平、纵线形组合的运行速度。该法没有考虑驾驶员主观期望、竖曲线对运行速度的影响。1．4论文研究主要内容与方法1．4．1研究的主要内容本文提出运行速度在公路形设计中的应用课题研究，是为寻求一种科学、合理的线形设计方法，指导公路线形设计，作为平、纵、横面以及超高、视距和沿线设施等设计的依据，解决采用设计速度产生的技术指标取值的盲目性和行车的安全性问题，课题需要研究下列主要内容：1、提出席用运行速度的公路线形设计方法根据采用设计速度作为公路线形设计依据存在的问题，在研究分析目前国内外线形设计方法和利用运行速度现状的基础上，提出应用运行速度的线形设计方法。2、建立运行速度预测模型根据汽车的动力学原理，综合考虑公路几何条件和驾驶员因素，研究运行速度的预测模型。3、运行速度预测的程序实现应用Visualc++6．0、MFC和ObjectARX开发’1．具来实现运行速度预测的电算化和绘幽。6 第一章绪论4，验证运行速度预测模型通过实测试验路段的运行速度来验证所建立运行速度预测模型的正确性性和可靠性。5、提出线形设计的评价标准及修改方法根据国内外研究现状并结合我国实际情况，研究公路线形设计的评价标准，提出应用运行速度进行线形修改的方法。6、运行速度在公路设计中其它方面的应用方法。1．4，2研究方法在广泛收集资料、分析研究的基础上，针对国内外公路运行速度研究的现状，提出应用运行速度进行公路线形设计的理论与技术，建立基于公路几何条件、行驶车辆动力性能状况和驾驶员主观期望的运行速度预测模型，开发出运行速度预测模型的应用程序，并通过试验路段的实测数据来进行验证。1．5解决的关键问题和技术路线1．5．I解决的关键问题本论文的研究要解决以下关键技术问题：I、运行速度及其应用方法；2、建立运行速度预测模型；3、运行速度预测模型程序实现：4、运行速度试验路段验证；5、应用运行速度的评价标准和线形修改1．5．2技术路线本论文研究的技术路线是：1、分析、研究相关资料；2、提出运行速度的应用理论：3、建立运行速度预测模型；4、运行速度预测模型的程序实现；5、试验路段验证、评价及修改线形后的再评价。本章小结本章针对目前我国公路线形设计理论的现状以及道路交通运营中出现的大营交通事故的事实，开展了本论文的研究．f：作。根据所收集到的人量相芙资料，重点介绍了国内外关丁二运行速度及其应_Efj的研究现状和发展趋井，提出了本论文具体研究的主要内容与方法，分析了论文研究的意义和目的，并简单介绍了课题研究的关键问题和技术路线。7 东南人学颀上学位论文第二章应用运行速度的公路线形设计方法在借鉴和对比国内外研究方法的基础之上，结合国内公路线形设计的实际情况，本文提出应用运行速度的公路线形设计方法及步骤，其目的是为了解决公路线形设计的质量和安全问题。2．1运行速度的引入汽车在公路上行驶时，驾驶员是根据公路的几何条件和汽车的动力性能来控制行驶速度的，只要条件允许，驾驶员是倾向于采用较高的速度行驶。比如在线形指标较高的直线路段或大半径的平、竖曲线路段，汽车常常是超过设计速度高速行驶，即使在线形指标较低的陡坡路段或小半径平、竖曲线路段，驾驶员也会倾向或来不及减速而高出设计速度行驶。其结果必然是以大于设计速度的速度行驶，导致公路几何设计指标均满足现行技术标准，但事故多发点和事故率居高不下，这种现象在我国各级公路上都不同程度的存在”“。因此需要选定一个有代表性的车速来表征驾驶员实际行驶时的运行速度。2．1．1运行速度的概念运行速度是指在理想的外部条件下，特定路段长度上车辆的实际行驶速度，其中理想的外部条件是指良好的天气条件，干净、潮湿的路面条件和自由流状态的交通条件，用第85％位的车辆行驶速度作为运行速度，简称v85。运行速度为路段实际行驶速度，在公路线形设计中若采用运行速度对线形进行设计、评价，检查各几何要素指标的取值是否合适、相邻技术指标是否均衡、平纵组合是否协调等问题，有针对性地进行修正，同时作为确定超高值、行车视距、设置爬坡车道、布设交通安全设施等的依据，可以从根本上解决采用设计速度带来的不足，满足线形设计连续性、协调性和安全性要求。从道路交通安全的角度看，运行速度v。5代表了某路段上绝大数行驶车辆的实际行驶要求，并更好地反映了在行车辆实际安全行驶的最大速度，在很大程度上从公路几何条件保证了车辆行驶的安全性；相对设计速度来说，运行速度V85避免了“一刀切”的做法【l“，能更好地满足了车辆驶过各个线形要素单元时驾驶员所期望的速度，以此速度作为公路线形设计的依据能更好地符合车辆实际行驶的需要。2．1．2运行速度的特性l、可以有效控制车辆超速行驶超速行驶是引起道路交通事故的主要原因之一，当车辆超过设计速度行驶时就会处于一种不安全的行驶状态，此种不安全状态严重时很容易发展为车辆失控，直至发生交通事故。现行的设计方法是以设计速度为基本参数，其出发点是车辆达到“安全行驶的最大速度”，标准规定的相关线形指标是基于设计速度的极限值，但是在具体设计中该极限值义不能轻易的采脂，需结合地形条件尽可能采_}fJ比极限值人的指标，冈此，以设计速度为依据的设计方法必然导致下辆超速行驶，只不过冈为行驶车辆、车况的不同超速人小不等而己，在高速公路上超速行驶的一般为高于．搜计速度行驶的小型车，而在一般公路上只要交通环境条件允许则大、小删车都可能超速行驶，设计速度越低，出现超述行驶的机率就越高。所以，采川设8 第二章，酬喟运行速度的公路线形设计方法计速度的思想实质上从线形设计的角度为车辆超速行驶创造了条件，并且对超速的程度没有加以控制。采用运行速度的思想，根据其定义为路段沿线车辆实际行驶速度，通过对车辆运行车速的检查、修改，实质上是控制了车辆行驶的实际速度，控制了超速行驶状况，使车辆在公路上行驶时始终处于控制状态、处于相对安全的行驶状态，从而大大减少了车辆冈超速行驶而导致的交通事故发生。因此，采用运行速度的公路线形设计方法可以有效地控制车辆超速行驶，从而保证车辆安全、舒适地行驶。2、可以有效解决线形设计指标与车辆实际行驶速度的相脱节问题现行的设计方法是以设计速度为基本参数，而设计速度对于某～等级路段而言是一固定值，是用来规定路段的最低设计标准，但对采用高于设计速度所对应的指标值却没有限制。实际上车辆在公路上行驶时，驾驶员总是依据道路行车条件(特别是公路几何条件)和车辆本身动力性能等来确定行车速度，只要条件允许，总是倾向于采用较高的速度行驶。这样驾驶员实际采用的运行速度所需要的线形指标就会与依据设计速度所确定的线形指标相脱节，从而增加了公路本身的行车危险性和失调性。当采用运行速度来确定线形指标时，可以使线形设计要素值满足车辆实际行驶的要求，从而解决了线形设计指标与车辆实际行驶速度的相脱节问题，同时解决了线形指标的相容性问题。3、可以作为凡是与行驶速度有关的设计指标设计的依据运行速度作为路段沿线车辆的实际行驶速度，充分地反映了行驶车辆的实际行驶要求，除了可以作为路线平、纵面线形技术指标的设计依据外，还可作为其它设计指标(平曲线超高、停车视距、平曲线加宽等)取值或沿线设施设计(爬坡车道、避险车道、限速标志等)的依据，使设计指标的采用值能更好地满足行驶车辆的实际要求，从而提高道路的质量和安全性。2．2应用运行速度的公路线形设计方法与步骤2．2．1设计原则公路线形设计是以满足汽车的行驶要求为前提的，公路线形必须符合汽车的行驶特性，在保证汽车行驶力学方面要求的基础上，充分考虑驾驶员视觉和心理方面的要求，注重平、纵组成的立体线形设计。1、连续性原则1)视觉的连续性：应在视觉上能自然地引导驾驶员的视线，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。在视觉上是否连续，能否自然地诱导视线，是衡量公路线形设计的最基本问题。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。2、均衡性原则1)高、低指标的均衡性：高标准和低标准线形要素之间应有中等标准的过度，以免产生突变和相差过火，影响行车的安全和舒适。2)平、纵线形指标的均衡性：平面和纵断面线形组合的技术指标大小应保持均衡，不产生～方人而平缓，而另一方小而多的组合线形，以保证线形的平顺和流畅。3)合成坡度组合的均衡性：由平曲线和纵坡组合的合成坡度麻均衡适当，过人和过小9 东南大学硕l：学位论文都不利于行车安全。3、协调性原则1)线形设计与地形、地物、环境、景观的协调性：这种协调可以提供良好的视觉效果，对行车安全有利。2)线形设计与驾驶员视觉与心理反应的协调性：可减轻驾驶员的疲劳和紧张程度。3)线形设计与运营经济的协调性：良好的线形设计可以降低燃油的消耗和运行的时间。2．2．2设计方法应用运行速度的公路线形设计方法是以现行的公路线形设计方法为基础，其基本设计思路是：在前期确定的初始平面线形和纵断面线形上，通过应用运行速度预测模型预测设计路段运行速度，按运行速度要求，来检查和修改初定的路线平、纵面技术指标，使运行速度图形变化连续、均衡、协调，然后根据调整后的平纵面线形和运行速度作为确定相关技术指标和布设相关设施的依据，即在现有的设计方法中增加了运行速度设计检验阶段，使设计的公路线形满足行车安全的基本要求。2．2．3设计步骤1、初始设计确定公路等级，选定设计速度，结合地形、地貌条件初定路线平、纵、横断面技术指标，并按照我国实施的《公路路线设计规范》[21和《公路工程技术标准》【11来检查和修改初定路线的技术指标。2、运行速度预测根据本文建立的运行速度预测模型对全路线上、下行分别预测运行速度。3、绘制运行速度图1)确定绘图比例①横坐标：公路里程桩号。可以依据不同的设计速度采取不同的比例，如设计速度为80kngh～120km／h的公路可采用l：5000～1：10000的比例，具体绘制时应根据具体情况来针对性的选择比例。②纵坐标：运行速度。采用lcm：10km／h～lcm：20km／h的比例绘制。2)填写桩号按照本文运行速度计算的要求，需要填写的桩号应包括：路段起、终点，平曲线ZH、HY、YH、HZ点以及缓和曲线内加桩，竖曲线ZS、QZ、sz点及加桩，另外增加百米桩及公里桩。3)绘制路线平面示意图路线平面示意图应按其主点桩号绘制，左、右转表示及标注与公路纵断面图中方法相同。4)绘制路线纵断面示意图路线纵断面示意例用向上(上坡)和向下(下坡)的斜线示意，斜线上方标注纵坡度(上坡为正，下坡为负)，下方标注坡长，在变坡点位置应标注竖曲线半径值和切线长。5)绘制运行速度图按确定的绘|墨I比例和各计算点桩号对应的运行速度值，用程序绘制出运行速度图。4、运行速度检验按照运行速度要求检套初定的路线技术指标，对不符合要求的线形设计进行调整。5、完成设计根据调整后的公路儿何线形和运行速度来确定平曲线超高、视距管技术指标，并设置沿IO 第二章应用运行速度的公路线形设计方法线相犬设施。2．3应用运行速度的公路线形设计方法特点2．3．1对现有设计程序和设计步骤没有改变1、现行公路线形设计程序根据我国交通部颁发的《公路—[程基本建设项目设计文件编制办法》，公路工程基本建设项目一般采．Efj两阶段设计，即初步设计和施J二图设计。对于技术简单、方案明确和小型建设项目，可采用一阶段设计，即一阶段施-亡圈设计：技术复杂、基础资料缺乏和不足的建设项目或建设项目中的特大桥、互通式立体交叉、隧道、高速公路和一级公路的交通工程及沿线设施中的机电设备等，必要时采用三阶段设计，即初步设计、技术设计和施：[图设计【l”。在设计程序中，按照要求应该在两阶段设计和三阶段设计的初步设计中选定路线设计方案、基本确定路线位置，而在施工图设计中应确定路线的具体位置。确定路线的位置就是确定路线平、纵、横几何要素的技术指标，因此，公路线形设计应该在初步设计和一阶段施工图设计中进行。应用运行速度的公路线形设计方法是在初步设计和一阶段施工图设计中进行，在公路建设项目设计程序上没有改变现行规定和作法。2、现行公路线形设计步骤现行的公路线形设计步骤参见图2-1所示。在初步设计或一阶段施_T图设计中，根据确定的设计速度及沿线地形条件等，初步确定路线的平、纵、横断面技术指标，接着按照《公路路线设计规范》口1和《公路T程技术标准》⋯中有关线形设计要求对初定平、纵、横断面技术指标进行检查，对不符合规定要求或不满意线形要素指标进行修改，如此反复检查、修改，直至各项技术指标满足规定为止，从而确定路线各技术指标，进行下一步工作。3、应用运行速度的公路线形设计步骤应用运行速度的公路线形设计步骤参见图2-2所示。与现行的公路线形设计步骤相比，在按规范要求检查、修改初定的线形要素指标后，增加基于初定平、纵、横线形要素技术指标的运行速度预测，并按运行速度要求对平、纵、横断面技术指标进行检查井修改，修改后的线形指标应同时满足规范要求和运行速度要求，如此反复检查、修改，直至满意为止，最后确定路线各项技术指标。从而可见，应用运行速度的公路线形设计步骤，是在现行设计步骤基础上增加了运行速度预测及应用其检查、修改初定的线形儿何要素指标的过程，对现行设计步骤未作改动。因此，采用运行速度的公路线形设计方法是可行的。2．3．2利用运行速度图对线形设计进行检查和修改应用运行速度的公路线形设计方法，是运行速度和设计速度共存的一种设计方法，其核心是利_}}j预测的运行速度对依据设计速度初定的线形要素指标进行检查和评价，对不符合运行速度要求的线形要素指标进行修改。对其中冈地形条件所限无法通过修改线形设计要素来消除缺陷或囡修改范围所限仍然不能令人满意时，就为相关交通安全设施的设置提供了非常明确的设计依据，比如限速标忠设置、双向隔离殴施设置、警告标志设置毒；=等。l、利_}}j运行速度图进行线形设计检杏运行速度图是一条连续的曲线幽，如果在运行速度图的一F方对应绘出里程桩号、平曲线示意图、纵坡及坡长等信息资料，如图2-3所示，在该幽上可以直观，清楚地发现何处线形设计存在问题，是何原因引起的，作为进一步修改的依据，这种检查效果是1E常直观、明显 东南人学硕上学位论文图2-1现行公路线形设计步骤图2．2应用运行速度的公路线形设计步骤的，而且是定量的检查，比如在哪个桩号处、最人或最小速度值、最大速差值、平纵面的具体位置等等都可以定量的表现出来。2、利用运行速度图进行线形修改当发现公路线形设计中存在缺陷时，可以通过修改线形要素技术指标使运行速度发生变化。例如修改圆曲线半径或纵坡值或两者都进行修改，目的是使运行速度曲线连续、平顺变化，从而消除原线形设计中的缺陷，最后确定合理的线形要素指标。其修改方法详见第七章。因此，应用运行速度的线形设计方法，是通过修改线形设计指标使运行速度变化连续，实际是控制了汽车在公路上行驶时的实际运行速度，不但满足汽车行驶力学方面的最低要求，也满足汽车动力学的实际要求，这对车辆安全行驶是非常有利的。从而避免了现行设计方法的缺陷，并充分体现了线形设计的连续性、均衡性和协调性原则，使设计出来的公路线形更科学、更合理、更人性化。图2-3运行速度图12 第二章应用运行速度的公路线形设计方法2．3．3对新建公路和已建公路都适用应用运行速度的公路线形设计方法，不管是对新建公路还是已建公路，其目的是为了消除线形中潜在的安全隐患，保证行驶车辆的安全行驶要求。l、在新建公路中的应用对于新建公路，应用运行速度的公路线形设计方法在前面已经提到，即在公路设计阶段，首先依据选定的设计速度进行路线平、纵面初始设计，然后预测运行速度并利用其对初定的公路线形设计指标进行检查、修正，目的是使公路线形设计达到连续、均衡、协调的要求，从而控制车辆超速行驶以及速差变化量过大的情况，避免或减少因道路本身引起的道路交通事故发生，来提高车辆行驶的安全性。在新建公路中，运行速度是根据初定的路线平、纵、横线形要素，经运行速度预测模型计算得到。2、在己建公路中的应用对于已建公路，应用运行速度的公路线形设计方法可用于指导该条公路的改建和交通安全设施的重新设置。在已建公路中，运行速度可根据原设计文件中的路线平、纵、横线形要素，利用本文运行速度预测模型计算得到。有时无法取得原设计文件，可通过路段实测的方法获取平、纵、横要素原技术指标，由运行速度预测模型得到路段运行速度。本章小结基于运行速度的特性，本章提出了以现行公路线形设计方法为基础的应用运行速度的线形设计方法，其设计步骤只是增加了运行速度预测及应_Efj其对初定的线形几何要素指标进行检查和修改，使全线运行速度变化连续、均衡、协调，并以此作为确定其它设计技术指标和沿线设施布置的依据。应朋运行速度的公路线形设计目的是作为公路线形评价的一种方法，用此来检查线形设计的质量，指导线形几何要素指标的取值，控制车辆超速行驶，减少交通事故的发生，从而达到公路线形设计合理、车辆安全行驶的基本要求。3 东南大学硕L学位论文第三章运行速度的影响因素分析由于人、车、路以及周围环境构成一个动态的道路交通系统。因此，车辆运行速度的变化就会受到公路几何条件、汽车自身状况、驾驶员和路侧自然景观及周围环境等因素的影响。系统中各因素对运行速度的影响不尽相同，有时某因素会起主导作用，有时它可能则起次要作用，甚至可忽略不计。3．1公路几何条件对运行速度的影响车辆在公路上行驶，其行驶速度直接受到公路本身几何条件的影响，影响因素主要是公路平、纵、横要素指标以及平纵线形组合。3．1．1平面线形对运行速度的影响平面线形是由直线、平曲线组合而成，平曲线有分为圆曲线和缓和曲线(回旋线)两种，它们都对行驶车辆的运行速度产生直接的影响。直线具有方向明确、路线简短、视野宽阔等优点，在以往公路平面线形设计中是最主要的设计线形，尤其适用于地形地势平坦、视线目标无障碍的地带。当车辆行驶在较小坡度的直线上时，直线长度是影响运行速度的主要因素，直线长度过短，其运行速度不会发生显著的变化：随着直线长度的增加，车辆运行速度会随之增大，在达到驾驶员期望的行驶速度后，车辆才会出现稳定行驶。在纵坡较人的直线上行驶时．除了直线长度外，纵坡度也是主要影响因素，上坡方向的行驶车辆一般都减速行驶，且速度降低量较人，而下坡方向的车辆便加速行驶，直至行驶速度达到驾驶员期望的速度。但是过长的直线会使驾驶员感到简单乏味和厌倦，从而产生急于驶出该路段的冲动，便一味地加速，致使行驶速度过高，加上缺乏警觉性和对速度、距离的判断往往出现误差，当路段前方有障碍物(包括过路行人、车辆)出现或线形指标突然交小时，便来不及反映或反映过来己不能及时刹车制动而发生交通事故；此外，直线不易与地形、周围自然景观很好地协调，不易保证道路线形的连续性，从而影响驾驶员的视觉和心理状态，影响了车辆的运行速度。所以，直线对车辆运行速度的影响是显著的。圆曲线具有柔和的几何线形、灵活机动、自由度大、能够较好地适席地形、能自然地引导视线，避免了长时间不需要改变驾驶行为而造成的麻木和厌倦，所以是平面线形设计中最常Jf{J的要素。其对车辆运行速度的影响是主要体现住曲线半径上，不同半径的圆曲线具有不同的允许行驶速度，致使车辆的运行速度不尽相同，曲线半径越小，对车辆的行驶要求就越高，使得驾驶员的操作强度就越大，从而车辆的运行速度越低，半径越大，就越利于驾驶员操作，车辆的运行速度便越高，当半径增大到一定程度时，车辆在圆曲线上的行驶状态就如同在直线段一样，此时半径对运行速度的影响是非常小的，可忽略不计。另外，曲线转角对运行速度也有一定的影响，转角越人，越不利丁+诱导驾驶员的视线，致使驾驶员降低速度行驶，但转角过小，有会使驾驶员对曲线长度、曲线指标产生错误的判断．造成不必要的减速。缓和曲线是平面线形要素之一，它的设置是为了线形曲率的连续变化，使设计线形符合汽车行驶轨迹，米保让行驶车辆在进入圆曲线时不必过多地降低运行速度而安全、舒适、快速地行驶。车辆行驶在缓和曲线时，缓和曲线不同位置处的曲率、}径人小和缓和曲线K度是影响运行速度的主要闲素，其曲率半径对运行速度的影响同倒曲线’仁径对返行速度的影响一14 第：．章运行速度的影响因素分析样，半径越大，运行速度越高，反之运行速度越小：缓和曲线长度对运行速度的影响：长度越短，越不利于行驶车辆驶入所接的圆曲线，势必要减速，反之越利于车辆安全、舒适地行驶。3．1．2纵断面线形对运行速度的影响公路纵断面线形由匀坡线和竖曲线组成，它们对运行速度的影响是重要的，尤其是匀坡线的纵坡坡度和坡长。纵坡度和坡长对运行速度的影响是起关键作用的。上坡时纵坡越陡，车辆的运行速度越低，反之，运行速度越高：下坡时纵坡越陡，车辆的运行速度越高，反之，运行速度越低。坡长对运行速度的影响依赖于纵坡度对运行速度的影响，主要起到一个对纵坡度影响的加强或削弱作用，主要表现为：当车辆在纵坡上减速行驶时，坡长越长，运行速度降低越大，反之，运行速度降低越小；当车辆加速行驶时，坡跃越长，运行速度增大越大，反之，运行速度增长不高。竖曲线的设置主要是为了实现变坡点处坡度变化的过渡曲线。因此，竖曲线半径的大小主要对运行速度产生影响，主要表现为：半径越小，容易造成平纵曲线组合不合理而使视距不连续，尤其当为凸曲线时，运行速度便越低：反之，半径越大，所提供的行车视距也就越大，则运行速度越高。当竖曲线?卜径值增大到一定值时，其对运行速度的影响极小，可以忽略不计，直接把它当成匀坡线处理。3．1．3平纵线形组合对运行速度的影响线形组合也会对车辆运行速度产生影响，良好的线形组合，线形连续、均衡、协调，能很好地诱导视线，使驾驶员对线形条件判断准确，所以，驾驶7F辆能安全、快速地行驶，反之，极易发生交通事故。例如在凸型竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部插入小半径的平曲线，前者是失去诱导视线的作用，驾驶员需接近坡顶时才能发现平曲线，因而会形成减速或因高速行驶变换方向盘而招致交通事故。后者容易使驾驶员对纵坡判断失误，把F坡看成上坡从而导致超速行驶，造成交通事故。在凸型竖曲线顶部或凹型竖曲线的底部，应避免设置反向曲线的拐点，前者使驾驶员感到不安，在顶点发现反向转弯，操作危险；后者会引起排水上的问题，并在拐点前后呈现视觉上的扭曲现象。如果线形在驾驶员的视域内反复变化，会使线形外观不连续，形成视线盲区和错觉，容易使驾驶员产生紧张，导致不必要的减速，影响运行速度和燃油消耗。另外，断背曲线也会使驾驶员操纵困难而造成失误。3．1．4横断面布置对运行速度的影响道路横断面组成要素主要有行车道、路肩、中央分隔带、路缘带、超高、加宽等，这些因素都对运行速度产生影响。车道宽度直接影响运行速度，一般来说，车道宽些有利于行车安全。在较宽路面上，驾驶员的心理紧张程度没有窄路面那样紧张。尤其是在会车的时候，如路面宽度较窄，汽车的运行速度将减少很多，不利于车辆运行的经济性，而且宽路面也相对安全。一定宽度的路肩不仅可作临时停车之_L}J，还可以给驾驶员足够的空间进行下辆操纵，可以减少驾驶员的心理紧张程度，增加驾驶员行车时的安全感，可以以其期望的速度行驶。同时，路肩结构对汽车的运行速度也有一定的影响。中央分隔带一般设置在高速公路和一级公路上，起分隔对向行车的作用，这样可以保证行驶车辆在纵向无干扰的条件F以较高的速度安全行驶，一般等级公路上采刚划线分隔对向15 东南大学硕上学位论文行车。所以设有中央分隔带的公路行车更安全，行驶速度更高。车道数对运行速度也产生影响。四车道无分隔带的道路事故率比双乍道道路的事故率高，因此四车道道路上最好能设置中央分隔带，以保证行车的安全，快速运行。超高对运行速度的影响很明显。一般，一定半径的圆曲线对应一定的超高值，抵消车辆驶过曲线时所产生的离心力，从而保证车辆以一定的速度行驶。对于一定半径的曲线，超高值越大，则车辆的运行速度越高，但超高值不能大于规范规定的最大超高值。3．1．5公路其它因素对运行速度的影响其它因素主要包括；路面的抗滑能力、平整度、行车视距等。路面的抗滑能力直接影响到汽车的运行速度。当路面的抗滑能力不强时，驾驶员便会处于安全考虑，将以较低的运行速度行驶，则会影响运输的经济性。如果驾驶员不考虑路面的抗滑能力，以高速度行驶必将导致交通事故。路面平整度对运彳亍速度也有一定的影响，路面坑坑洼洼，道路阻力系数必增大很多，将直接导致车辆运行速度的急剧下降，同时还影响舒适性。行车视距也是影响运行速度的一个重要方面，当行车视距不能满足行驶车辆的实际需要时，路段上一旦出现任何有危险的突显信息，驾驶员便来不及做出反映或反映过来已很难处理，造成的结果是交通事故的发生。3．2车辆本身对运行速度的影响车辆在公路上行驶，车辆本身的动力性能必然会影响到汽车的运行速度。不同的车型具有不同的动力性能，其运行速度也大不相同，动力性能越好，则运行速度越高，反之，运行速度越低。公路上行驶的汽车类型繁多，作为公路设计的代表车型(设计车辆)，《标准》中规定一般分为小客车、载重汽车、拖挂车三种类型。在公路线形设计中主要考虑小客车和中型载重汽车，小客车主要有桑塔纳、帕萨特、奥迪、红旗、别克、富康、夏利等；载重汽车有东风、解放、黄河等。因为运行速度的差异性，所以有必要选择一种具有代表性的车型来预测运行速度。根据调查，桑塔纳和东风EO一140可以很好地代表当前和未来一段时期内我国公路上行驶的小客车和中型载重汽车。本文所做的运行速度预测都是以上述两种车型为试验车型的。3．3驾驶员对运行速度的影响¨5】3．3．1驾驶员驾驶操作过程在道路交通系统内，对行驶车辆运行速度影响因素的分析，不管是公路几何条件对运行速度的影响还是汽车本身对运行速度的影响，最终都是通过驾驶员的生理心理特性并操纵车辆体现出来的。所以首先得了解驾驶员驾驶车辆的过程和驾驶员特性。车辆驾驶操作过程可分解为以F几个阶段：接受信息(包括道路条什、交通状况、车身状况和自身情况)、处理信息、作出判断和决定、操纵汽乍行驶、观察乍辆反应。如卜．图3．1所示。由圈可知，驾驶员首先要通过视觉、听觉、触觉等获取道路交通信息，接着对信息进行处理并据此产生自己的预测行为，最后作出决策．通过操纵动作传递给汽车使汽下产生相应的运动。在这个操作过程中，由丁|驾驶员本身的能力限制以及驾驶员与道路交通环境的互动(道路条彳J|、车辆性能状况与交通流等)，会产生一些同有的问题和驾驶的过失，如F：16 第三章运行速度的影响因素分析驾驶员本身冈素所造成的驾驶行为能力的缺失，指由于驾驶员视觉特性、疲劳、饮酒、情绪等原冈造成；道路、交通、环境所引起的驾驶过失，指由丁I道路交通信息的不充分以及某种条件对于车辆的实际行驶效果产生了误导等都有可能诱发驾驶行为的过失。消息3．3．2视觉特性(视觉，听觉)图3-1汽车驾驶员操作模式图运动驾驶员在车辆行驶过程中要不断注视前方，观察环境变化，其视觉会随着运行速度和运行环境的变化而变化的特性称为视觉特性。(1)视力车辆驾驶员在驾车过程中，有80％～90％以上的信息是依靠视觉获得的，这些信息直接影响着驾驶员的判断、操作。驾驶员的眼睛是保证安全行车的重要感觉器官，眼睛的视觉特性与交通安全有密切关系，为了保证车辆安全快速的运行，驾驶员必须具有良好的视力。驾驶员视力与安全运行速度的关系见表3．1。表3．1驾驶员视力与安全运行速度的关系安全运行的极视力安全感视力安全感限速度产生危险感，小1．050km／h以上安令，舒适O．52¨Okm／h心驾驶产生不安全感，有显著危险感，0．7530～50km／hO．2520kngh以下不舒适无法驾驶(2)视野人的两眼注视前方，头部同定不动时，所能够看得见的范围称为静视野：仅将头部同定，服球自由转动时能够看到的范围称为动视野。视野与交通安全有一定的关系，如果驾驶员的双眼视野过小，则不利于行车安全，而且随着车速的提高，驾驶员眼睛的有效视野会越来越狭窄。(3)明适麻和暗适应除视力、视野外，明适应和暗适应对行车安全也有很大的影响。人从光亮的地方进入黑暗的地方时，开始视觉感受性很差，然后义逐渐提高，这个过科称为暗适应：相反，从暗处进入亮处时，视觉感受性降低的过样叫明适应。明适应过程所需要的时间较短，不过数秒至一分钟，而略适戍需要的时问较长。所以，暗适应过样对运行速度的影响很大。例如：汽乍白天驶入公路隧道时，光线由明突然变暗，驾驶员的视觉便会发生障碍，为了行车安全，驾17 东南大学硕-上学位论文驶员此时必然会降低车速，同时在进入隧道时，还要打开前照灯，就是为了尽量缩短驾驶员暗适应特性的时间，及时提高和恢复车速。(4)眩目和错觉当强烈光线直接射入人眼时会引起视觉障碍，称为眩目。在夜问两车正面相遇时．如果一方打开前照灯，则会造成另一方产生眩目而且此时驾驶员心理较紧张，为避免眩目引起交通事故，另一方驾驶员一般会采取减速措施。所以在夜间两车会车时，应禁止使用前照灯。在高等级公路设计中，一般会将中央分隔带上种植的树木规定的比较高，就是避免眩目现象，使两个方向上的车辆可以安全快速地行驶。错觉就是驾驶员长时间驾驶后，再加上路侧环境的影响，使驾驶员对运行速度、距离、线形、路面等倩况的判断失误。错觉对行车安全至关重要，无论是行车中的哪种错觉都容易导致交通事故的发生，所以在行车中应调整心态，耐心驾驶，确保安全。(5)反应时间反应时问(反应特性)是指从道路交通环境中“信号”的出现(如线形的变化)到驾驶员产生反应的时间间隔长度。反应时间的长短直接关系到行车安全。反应时间短的驾驶员在遇到突发情况时，可以做出必要的解决措施(降低运行速度、绕避障碍物等)使车辆安全运行，而反应时间长的人则不易很快做出决定而导致交通事故。3．3．3心理生理特性驾驶疲劳是指驾驶员在行车过程中．长时间驾驶或无外界刺激条件下，出现腰酸背疼，眼睛摸糊，手指和身体不灵活，反应迟钝，判断不准等驾驶能力低落的现象。驾驶疲劳可分为生理性疲劳和心理性疲劳。即全身倦怠、麻木、感觉迟钝、腰酸背痛、动作的机敏程度下降的生理性疲劳现象和注意力不集中、思维迟缓、反应速度降低、情绪躁动等心理疲劳现象。驾驶疲劳直接危害行车安全，造成交通事故。3．3．4驾驶员主观期望因素车辆在公路上行驶时，驾驶员一般都会主观地根据道路等级、交通状况、车辆性能及天气条件等因素来决定自身驾驶车辆的最高速度。Mclean是第一个定义期望车速的人，“期望车速是在自由流交通状态下，驾驶员不受线形约束所选择的运行速度。”期望_乍速是驾驶员的驾驶行为反映，受很多因素的影响，其中有道路几何条件、交通条件、气候条件等。“交互式公路安全设计模型”(简称为IHSDM)研究中，“期望车速”指在特定的设计时速下，由于道路环境的变化，车辆将以不同于设计车速的实际运营车速行驶，这种运营车速与车辆所在区段的设计要素相关口411”】【2“。在参考国外对期望车速定义的基础上，本文根据我国公路交通的运行特征和现状，提出“期望运行速度”，是指在良好的天气条件，干净、潮湿的路面条tl：和自由流状态的交通条件下，驾驶员驾车时考虑道路等级、车辆性能状况后存在于自身心目中并认为是可以实现的一种目标车速(希望达到的最高“安全”车速)。此定义中，“安全”行驶速度的含义是指驾驶员心理上自认为的安全行驶速度，而非道路交通意义上的真正安全行驶速度。1、影响期望运行速度的冈素分析1)道路等级对期望运行速度的影响道路等级是影响期望运行车速的晟重要冈素之一。道路等级之所以能对驾驶员期望运行车速产生重要影响，一方面是冈为道路等级是决定行驶下辆实际行乍速度的最基本硬作要素。对丁．一条道路而言，如果道路苍级不高，无论在此道路上行驶下辆的性能状况如何好，其行车速度都不可能高；男一方面是冈为道路等级的高低直接影响着驾驶员在驾下过程中对18 第三章运行速度的影响眯l索分析心目中期望运行车速数值高低的定位。从心理学的角度上讲，对于绝大多数码驶员而言，道路的等级越高，驾驶员确定的期望运行车速数值会越高，反之，则相反。驾驶员的这一普遍认知心理，很好地解释了一些驾驶员驾车驶人高等级公路就将驾驶车辆的实际行车速度保持在较高数值的真正原因所在。从交通安全的角度上讲，驾驶员确定的期望运行车速数值应适当，特别是要与实际的道路等级相适应，切忌过高或过低。若期望运行车速数值过高，则必然导致驾车过程中的实际行车速度升高，从而容易引发道路交通事故。若期望运行车速数值过低，虽然对交通安全有利，但会降低道路的交通通行能力。2)车辆性能状况对期望运行速度的影响行驶车辆的性能状况对驾驶员心目中期望运行速度的影响是明显的。在道路等级一定后，期望运行速度的高低主要取决于在行车辆的性能状况。如果车辆的性能状况好，则驾驶员就会使实际运行速度保持在较高的位置。车辆性能状况提高后，驾驶员心目中的期望运行速度定位也会相应提高。行驶车辆的性能状况对期望运行速度的影响过程如下：在一定的道路等级条件下，如果在行车过程中所驾驶车辆的性能状况始终保持在优良状态．则驾驶员一方面会使其心目中的期望运行速度数值定位提高，另一方面也会使其所驾驶车辆的实际运行速度保持在较高的位置。反之，如果驾驶员在行车过程中所驾驶车辆的性能状况较差，驾驶员会主动将其心目中的期望运行速度数值调到比较低的位置，同时便其所驾驶车辆的实际运行速度降到一个较低的位置。2、期望运行速度对运行速度的影响一般来说，期望运行车速与实际行车速度并不一致，两种车速问存在着差异。当实际行车速度与期望运行车速相差一定数值时，驾驶员便会采取相应措施改变当前行车速度直至达到期望运行车速。虽然期望运行车速存在于驾驶员的心目中，但该车速的大小在驾驶员驾车过程中却一直会对所驾驶车辆的实际行车速度值的高低产生影响。在道路及交通环境许可的条件下，若期望运行车速越高，则在实际驾车过程中所驾驶车辆的实际行车速度亦越高，在行车辆实际行车速度的高低，随期望运行车速的高低有正相关关系变化。3．3．5驾驶员的动态预知动态预知主要是指在动态条件下驾驶员对距离和运行速度的判断认知，它不但可以帮助驾驶员驾驶车辆进行超车、会车以及避让障碍物或行人时正确地判断距离和车速，避免交通事故发生，而且还可以减少不必要的减速或加速从而提高汽车运输的燃油经济性。所以，驾驶员的动态预知准确与否对于行车安全具有重要的意义，同时对于在行车辆运行速度的高低也有一定的影响。3．4其它因素对运行速度的影响3．4．1路侧自然景观环境对运行速度的影响路侧自然景观和道路周周环境对运行速度也有一定的影响，主要是对驾驶员的心理影响，从而影响纠运行速度。驾驶员的心理特性随着周围景观和环境的变化而发生变化。良好的景观和环境使驾驶员心理放松、心情愉悦，所以驾驶员列驶汽车比较容易，运行速度也就在安全且易控制的范用之内；而劣质的景观和臼然环境使驾驶员心理紧张，心情压抑，驾驶员急欲驶出该路段而不断加速行驶，导致运行速度过高而导致交通事故发生。所以路侧自然9 东南大学坝上学位论文景观对运行速度的影响是1F常值得注意的。但本文主要是解决公路线形设计本身的质量和安全问题，所以在运行速度预测中认为路侧景观环境良好。3．4．2交通环境对运行速度的影响交通环境主要是指交通量、交叉口、行人、非机动车等因素对车辆行驶的纵横向干扰，这些冈素对车辆运行速度的影响是显著的，尤其是混合交通量丈的普通公路，导致行驶车辆的运行速度下降很火，服务水平也随之降低。本文所要求的交通环境是自由流行驶状态，故行驶车辆不受其它车辆、交叉口、行人、非机动车等因素的纵横向干扰，在运行速度预测中认为交通环境良好，服务水平良好。3．4．3运输环境对运行速度的影响汽车运输分为货物运输和旅客运输，按照运距又可以分为短途运输、中途运输和长途运输。中短途运输，尤其是旅客运输，使汽车经常处于起步、加速、减速、停车等非稳定工况，而且不能符合驾驶员的行车期望，致使车辆运行速度总保持在一个较低的水平。本文假定车辆在设计公路上连续行驶。3．4．4气候条件对运行速度的影响气候条件包括昼夜、阴晴、雨、雪、雾、风、气温和气压等因素，在这些气候条件下，驾驶员的心理、视觉特性受到了不同程度的影响，而且车辆发动机的状况也受到了很大的影响。例如，雾天行车，一是人大降低了能见度，使驾驶员看不清运行前方和周围的情况，二是道路上的雾水使路面的附着系数减小，使路面的抗滑能力降低，最终驾驶员处于安全考虑不得不降低运行速度行驶，从而影响了行驶车辆的正常运行。本文假定在运行速度预测中气候条件良好，不影响车辆的正常行驶。3．4．5交通组织管理水平对运行速度的影响道路交通运输的组织管理水平对道路交通安全具有十分明显的影响，同时对运行速度有着一定的影响，组织管理水平高，道路的通行能力就好，相应的车辆运行速度也高，相反，车辆运行速度低。本文认为交通组织管理水平好，在运行速度预测中不影响预测结果。本章小结本章从道路交通系统角度出发，较完整地分析了各个因素对车辆运行速度的影响，其中主要提出了期望运行速度对运行速度的影响。为了研究问题的简便，在运行速度预测模哩研究中主要考虑车辆动力性能、道路线形几何指标和驾驶员主观期望对运行速度的影响。 第四章运行速度颅测模型第四章运行速度预测模型4．1运行速度与纵坡的关系4．1．1汽车动力性能[21][30][31】汽车的动力性能是影响运行速度的最显著因素，汽车的动力性能越好，运行速度便越高，相反，运行速度越低。同时，汽车在纵断面上的加速和减速行驶状态也主要与汽车的动力性能和当时汽车所受的行驶阻力有关。1、驱动力汽车在公路上行驶时，必须需要足够的驱动力来克服各种行驶阻力，汽车的驱动力来自它的发动机。汽车的扭矩M和驱动力T为：M=‰一M(旷roax-‰M胪N．(n一旦0．377r12)(㈣T：—U．—M———．y—'r—lr—式中：肘。。——最大扭矩(N·m)；^“——最大功率所对应的扭矩(N·m)‰——最大功率所对应的转数(r／rain)；胛M——最大扭矩所对应的转数(r／rain)：矿——汽车的行驶速度(r／rain)：，，——总变速比，，=io·l‘k；r——车轮工作半径(m)：c，——负荷率(％)，本文取U=100％：％——机械效率。2、行驶阻力汽车行驶过程中的需要不断克服行驶中所遇到的各种阻力，这些阻力包括空气阻力昂，道路阻力斥和惯性阻力只，计算公式为：R：—KA—V2”21．15以=G(，+f)F?：5堡ng2I(4-2) 东南大学硕J学位论文式中：足——空气阻力系数；爿——汽车迎风面积(Ill2)；矿——汽车行驶速度(knOb)：G——汽车重力(N)；厂——壤动阻力系数；f——公路纵坡度(％)，上坡为正，下坡为负；占——惯性力系数；g——重力加速度(rr以2)：a——汽车的加速度(正值)或减速度(负值)(m／s2)。3、行驶平衡方程汽车在道路上行驶，当驱动力和各种行驶阻力之代数和相等时衡方程式为(又称运动方程式)：T=F_+Fk’FI称为驱动平衡，其平(4．3)弧UM，7"71r=面KAV2+G(川)+6詈ac“)4、动力系数根据定义，动力系数D表示某理汽车在海平面高程上，满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。用公式表示为：D—UMyrlr堡(帖)rG21．15G⋯=等卜一而Mmax一订MN‰一高)2]-焉显然，D可以表示为v的二次函数，即：D=PV2+QV+w热肚一爿等掣+羔]Q-黯‰叫“)肚誓l‰一黯砖J其余符号意义同前。(4缶)(4-7)汽车运行时的动力和阻力大小关系直接决定了汽车运行时的运行状态，即加速或减速状态。当动力大于阻力时，汽车加速行驶；当阻力人丁动力时，汽下减速行驶。另外，还可以 第四章运行速度预测模型从汽车的动力因素。=(厂+，)+言a中看出汽车的运行状态。由公式。=(厂+，)+詈4得：口=(D一≯)詈(档)因为D值与汽车有关，所以对应不同档位有不同的D值，即确定汽车以某一档位行驶时，根据不同的D和必，汽车将有三种不同的行驶状态：①，加速行驶Ilpa=(D一妒)吾>o时，也就是D>矽时汽车加速行驶；②、减速行驶即口=(D一矿)詈
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