山嶺區(qū)低等級低指標(biāo)公路路線的使用質(zhì)量分析

1、PAGE PAGE 13山嶺區(qū)低等級低指標(biāo)公路路線的使用質(zhì)量分析徐 進1，彭其淵1，邵毅明2，李時華3(1. 西南交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，成都 610031; 2. 重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，重慶 400074; 3. 云南省昭通市大關(guān)交通局，昭通 657400)摘要：在計算機上建立道路生成模塊、車輛模型庫、駕駛?cè)四K，形成“路線-駕駛者-車輛”仿真系統(tǒng)，以云南省大關(guān)-永善四級公路為對象，以小客車為仿真車輛，針對常見的駕駛員類型來設(shè)置駕駛特征參數(shù)，進行了將小汽車選作仿真車型，進行了路線上的跟隨路中線行車行駛的仿真試驗，在試驗中以公路中線作為目標(biāo)軌跡，并針對常見的駕駛員類型來設(shè)置駕駛員特征參數(shù)

2、，先后進行了指定行駛速度分析、運行車速分析分別分析了路線上的速度特性、路線操縱負(fù)荷分析特性、和以及路線駕乘舒適性分析。試驗結(jié)果表明：只要注意相鄰曲線參數(shù)的合理搭配并注意控制直線段長度，同樣可以設(shè)計出速度均衡的低等級路線；回頭曲線的使用和回旋線的省略會使方向盤峰值轉(zhuǎn)速和day/dt側(cè)向加速度增長率急劇增加，造成駕駛者操縱緊張以及乘坐不舒適；曲線型設(shè)計方法會明顯改善山區(qū)低等級山嶺區(qū)低等級公路的使用質(zhì)量，應(yīng)多嘗試使用應(yīng)盡早推廣，并取消對直線最短長度的限制。關(guān)鍵詞：低等級公路，；路線設(shè)計，公路線形，；回頭曲線，；運行車速，；駕駛負(fù)荷，；舒適性中圖分類號：: U412.33; U491.21 文獻標(biāo)識碼

3、：: AAnalysis of Operating Quality on Low Class Highlands Highway with Minimum Standard Design Elements of Minimum StandardXU Jin1, PENG Qiyuan1, SHAO Yimng2, LI Shihua3(1. College of Traffic & Transp. , Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Department of Transp. engineering, Chong

4、qing Jaotong University, Chongqing 400074, China; 3. Daguan Highway Administration, Zhaotong, 657400, China)收稿日趨：2008-11-02基金項目：交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2005 319 814 020); 四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項目(08JC0068)作者簡介：徐 進(1977-), 男, 吉林四平人, 工學(xué)博士, 講師, 主要研究方向為山區(qū)公路路線設(shè)計理論與方法. E-mail: yhnl_Abstract: Module for 3D road models generationm

5、odule, vehicle models databasebank, and module for driver models generation module were built in computer, so and integrated into roadway- driver-vehicle simulation system was obtained. A forth class road in Zhaotong city of YunNan province in China was selected as analyzed course in our driving sim

6、ulation, as well as a passenger car model, and a desired course of road center line, a definition of driving behavior parameters according toconsidered over 70 percent driver among study areain real word. Subsequently, constant speed driving, operating Speed performance, complexity of the driving ta

7、sk, and comfort of driving and riding were respectively analyzed in this paper. The results show that, if consistency of design standard along road length was ensured, especially, paying attention to control ofthe length of straight sections length was controlled, lower class road with equilibrium s

8、peed equilibrium also can be provided to road users; introduce of reverse loop and absentomission of spirals curves in lower class road design would cause a high increases in peak value of steering wheel rev and day/dtchange rate of lateral acceleration, which can could lead drivers very flurry and

9、riding uncomfortable; we should adopt curve-baseds methodprogram should be attempt in road geometricalignment design more frequently as soon as possible, which seems to be the best solution to highway safety problems. Key words: lower class road; road design; highway alignment; reverse loop; operati

10、ng speed; driving task; riding comfort0 引言山領(lǐng)嶺區(qū)低等級公路通常是市/縣地方政府自建，由于建設(shè)資金的限制，設(shè)計人員在選線時只能最大程度順適地形來減低土石方量和構(gòu)造物數(shù)量，指標(biāo)稍有提高就有可能突破原定的工程費用，另一方面，在試坡過程中設(shè)計人員面對崇山峻嶺常產(chǎn)生急躁情緒，急于降低路線標(biāo)高，所以以至于低限指標(biāo)在低等級公路中頻繁出現(xiàn)。不確切那么，如此得到的路線是否無法滿足車輛行駛要求，是否復(fù)雜化了駕駛者的操縱任務(wù)，大量的駛出路外事故駛離路面事故是否與低限指標(biāo)的頻繁使用有關(guān)，我們是否可以能否在高安全水平和低造價之間尋求一種折衷和平衡，兩者之間是否可以能否兼顧，這

11、些正是本文所要分析的問題。而目前有關(guān)路線設(shè)計質(zhì)量的研究和應(yīng)用似乎都集中在高等級公路，尤其是高速公路，比如文獻1-32用是用運行速度車速協(xié)調(diào)性方法分析高速公路的線形質(zhì)量，文獻43也是針對高速公路，采用的是使用駕駛模擬器方法，都是針對高速公路，尚未見到目前尚未見有關(guān)低等級、低限指標(biāo)路線使用質(zhì)量的研究。在此背景下，本文以作者先前建立的“路線-駕駛?cè)?車輛”仿真系統(tǒng)為手段，選取云南大關(guān)-永善四級公路為研究對象，模擬了該公路上的行車過程，獲取了根據(jù)行駛路線上的車輛的行駛動力學(xué)響應(yīng)和操縱輸入量變化變化，以此為依據(jù)分析了該公路的行車質(zhì)量和安全性，并給出了路線設(shè)計控制方面的建議。1仿真系統(tǒng)模型1.1道路生成模

12、塊 針對路線資料缺失的舊路，設(shè)計了3維重構(gòu)算法，使用Multi-Quadric函數(shù)對型值點坐標(biāo)進行插值加密，當(dāng)加密后的路面節(jié)點間距控制在3-5m以內(nèi)時能夠獲得平滑的平縱效果5,6。為滿足不同場合的仿真要求，道路模塊的輸入數(shù)據(jù)可以是路面采樣點的三維坐標(biāo)，也可以是平、縱曲線的設(shè)計要素排列。前者的數(shù)據(jù)輸入格式為(xL,i, yL,i, zL,i), (xc,i, yc,i, zc,i), (xR,i, yR,i, zR,i)，下角標(biāo)L和、R、C分別表示樁號i的左右兩側(cè)邊線點，下角標(biāo)C表示樁號i的和中線點。這種格式適用于無法獲得路線平、縱設(shè)計資料的情況，比如年久的舊路，可以通過測量來得到輸入數(shù)據(jù)。使用

13、Multi-Quadric (一種徑向基函數(shù))函數(shù)對采樣坐標(biāo)點進行插值加密，當(dāng)加密后的路面節(jié)點間距控制在3-5m以內(nèi)時能夠獲得平滑的平縱效果5,6。 第二種數(shù)據(jù)輸入格式主要針對設(shè)計階段道路路線設(shè)計方案或者設(shè)計資料保存完整的運營道路。，基于“型元法”思想設(shè)計了線元解析算法來獲得空間路面，這里使用了 “型元法”的編程思想，約定“直線+回旋線+圓曲線+回旋線”為一個基本型元單位，其中直線、回旋線和圓曲線為單個線元。平曲線數(shù)據(jù)輸入格式為i, Lt, LS1, ac, R, LS2, S，其中Lt、LS1和LS2為第i個型元i中的直線和第一、二回旋線的長度，ac和R為型元中圓曲線的轉(zhuǎn)角和半徑，S為符號量

14、，左偏為-1，右偏為1。凸型、C型和回頭曲線可以看作是單個缺省的型元，S型和復(fù)曲線可以看作是2個或多個型通過型元項的缺省和型元組合能夠得到凸型、S型、卵型、C型等線形元的組合。豎曲線的輸入格式為i, di, Li, Ti, Ri，其中di, Li, Ti和Ri分別為第i個豎曲線的坡度、坡長、切線長和半徑。在生成前需要設(shè)定的參數(shù)還有此外還需設(shè)定路面寬度、加寬類別、橫向力系數(shù)等。 1.2 車輛模型庫 用ADAMS/Car創(chuàng)建小客車、微型面包車、中型卡車、以及掛車4種標(biāo)準(zhǔn)車型的整車動力學(xué)模型，在對進行具體某條試驗公路的進行仿真評價任務(wù)時，可從模型庫中選擇與公路功能、性質(zhì)相匹配的車型，然后直接導(dǎo)入即可

15、。1.3 輪胎模塊以及輪胎路面耦合方法 選擇Magic Formula(魔術(shù)公式)作為輪胎模塊的基本算法，輪胎路面耦合方法可以參見文獻54。1.4 方向控制模塊方向控制算法是要計算出各個時刻的方向盤轉(zhuǎn)角角輸入，以使汽車行駛在期望的軌跡上圖1是算法的結(jié)構(gòu)，圖1是算法的結(jié)構(gòu)框圖。其中行駛軌跡決策模塊首先在的作用是在行車道或路面范圍內(nèi)選擇決策出預(yù)期理想的行駛軌跡，即期望軌跡。，該模塊主要在仿真相交公路時起作用，如圖2中的T形交叉，目標(biāo)路線(路中線Cl)是一條折線，但汽車不可能完成對Cl的跟蹤任務(wù)，可行的路線是PLPD，PL與圖中符號不對應(yīng)，作者混淆了期望軌跡和預(yù)期軌跡的概念，期望是指對未來的設(shè)想，是

16、理想的狀態(tài)，預(yù)期是從現(xiàn)有的狀態(tài)推測未來可能的結(jié)果。PD是在綜合考慮軌跡偏離、駕駛負(fù)荷、速度損失等因素的基礎(chǔ)上最優(yōu)決策得出的。接下來的計算分為并行的兩部分，一方面，根據(jù)車速Vx,t和車身橫擺角速度算出當(dāng)前時刻的ay,t，同時軌跡矯正模塊在車輛當(dāng)前位置和期望軌跡之間建立起一條連接路徑Pre(圖3)，并算出Pre的曲率以及對應(yīng)的側(cè)向加速度ayr，再得出ay,t和ayr之間的差值ay，ay即是下一時刻車輛應(yīng)該調(diào)整的狀態(tài)量。另一方面，根據(jù)當(dāng)前時刻的車輛位置計算出前視時間tp時刻的橫向位置ytp，然后與期望軌跡比較得出tp時刻的ytp，再判斷ytp是否超出橫向容許偏差Llat，如未超出將比例系數(shù)Ai置零，

17、如超出則結(jié)合反應(yīng)時間tlat確定Ai。最后綜合ay、Ai計算出、和。圖1 方向控制算法的結(jié)構(gòu)行駛軌跡決策的輸出既然是預(yù)期軌跡，就是未來的位置的一個估計，那么怎么會輸入到“未來位置及橫向偏差計算”模塊并獲得一個偏差。所以，該模塊輸出的應(yīng)該是理想軌跡而不是預(yù)期軌跡。矯正軌跡決策模型的輸入應(yīng)該是兩個，圖中只有一個箭頭。Fig.1 Architecture of steering control module接下來的計算分為并行的兩部分，一方面，根據(jù)車速Vx,t和車身橫擺角速度算出當(dāng)前時刻的ay,t，同時軌跡矯正模塊在車輛當(dāng)前位置和期望軌跡之間建立起一條連接路徑Pre(圖3)，并算出Pre的曲率以及對

18、應(yīng)的側(cè)向加速度ayr，再得出ay,t和ayr之間的差值ay，ay即是下一時刻車輛應(yīng)該調(diào)整的狀態(tài)量。另一方面，根據(jù)當(dāng)前時刻的車輛位置計算出前視時間tp時刻的橫向位置ytp，然后與期望軌跡比較得出tp時刻的ytp，再判斷ytp是否超出橫向容許偏差Llat，如未超出將比例系數(shù)Ai置零，如超出則結(jié)合反應(yīng)時間tlat確定Ai。最后綜合ay、, Ai計算出、, 和。接下來的計算分為并行的兩部分，一方面，根據(jù)車速vx和車身橫擺角速度算出當(dāng)前時刻的ay，同時軌跡矯正模塊在車輛當(dāng)前位置和期望軌跡之間建立起一條連接路徑Pre(圖3)，并算出Pre的曲率以及對應(yīng)的側(cè)向加速度ayr，再比較出ay和ayr之間的差值ay

19、，ay即是下一時刻車輛應(yīng)該調(diào)整的狀態(tài)量。另一方面，根據(jù)當(dāng)前時刻的車輛位置計算出前視時間tp時刻的橫向位置ytp，然后與期望軌跡比較得出tp時刻的ytp，再判斷ytp是否超出橫向容許偏差Llat，如未超出將比例系數(shù)Ai置零，如超出則結(jié)合反應(yīng)時間tlat確定Ai。最后綜合ay與Ai計算出、和。 圖2 期望軌跡的決策Fig.2 Decision-making of desired vehicle path容許偏差 矯正軌跡Pre 期望軌跡PLD 圖3 矯正軌跡決策Fig.3 Decision-making of recovered path1.5 速度控制模塊速度控制算法采用了與方向控制相似的策略，

20、其結(jié)構(gòu)如圖4所示，核心是計算出各時刻的縱向加速度差異ax，通過調(diào)整縱向加速度使行駛車速Vx波動在期望速度Vd(t)附近。 期望速度而VdVd(t)的生成則是整個速度算法的關(guān)鍵，先是其計算原則是使各曲線上的ay,i小于設(shè)定的容許側(cè)向加速度ay,max從曲線通過速度Vdc和最大巡航速度，并且有Vd(t)Vx,max如何確定？中選取低值作為圓曲線上的期望速度，Vdc=3.6(最高巡航速度)，ay,tolR)；然后根據(jù)圓曲線速度差和而曲線間的速度變化是受制動減速度ab,max和、最大加速度ax,max控制計算出減速起點和加速終點位置，連接這些控制點可得到初步的期望速度曲線(實際上是折線)；相鄰曲線較近

21、時，在曲線間會形成速度脈沖，不符合實際情況，所以要削掉；再對整理后的折線進行平滑處理，得到最終的期望速度曲線，。其中ay,tol、ab、ax都是隨道路幾何條件變化的影響因素有平曲線半徑R和車道寬度WL。針對每種設(shè)計車速分別設(shè)定ay,tol的范圍aLB, aUB，R=Rmin時，ay,tol= aUB，R增加時，ay,tol減小，RRc時(Rc為臨界半徑)，ay,tol= aLB。對于ab，使用ab=ab,maxfb(R)的構(gòu)造策略，ab,max是最大減速度，fb(R)是曲度影響函數(shù)，當(dāng)RR1時，fb(R)=1，RR2時，fb(R)=0，R1R3.5時，f(WL)1，WL3.5時，f(WL)ax

22、,max/9.8，表明加速能力不足，將減速行駛。下坡時的車速會很快超過期望速度，當(dāng)預(yù)測到Vx,t+tp-Vd,t Vtol時，經(jīng)反應(yīng)時間tlon后采取制動，Vtol是容許偏差，tp是前視時間。由于彎道也會產(chǎn)生制動需求，制動較弱的車輛會在下坡遇彎(特別是陡坡+急彎)發(fā)生危險。圖5是車輛模型在空間路面模型上自動行駛的仿真畫面，啟動“路線-駕駛?cè)?車輛”仿真系統(tǒng)后，先用道路模塊生成空間路面模型，分別導(dǎo)入車輛模型、目標(biāo)路線和駕駛控制文件，即可進行路線上的行駛仿真。仿真結(jié)束后利用動畫回放功能可以從各個角度觀察車輛在路線上的運行情況，如圖5所示，利用后處理模塊還可以查看各種車輛動力學(xué)響應(yīng)。圖5 車輛運行仿

23、真行駛在3維路面上Fig.5 Visual scene of vehicle model driving on 3D road 2路線行車試驗設(shè)計2.1 試驗道路 選擇云南昭通大關(guān)-永善四級公路作為試驗路線，該公路全長51.46km，設(shè)計車速20km/h-1，瀝青路面，混行雙車道，路面寬6m(局部路段寬5m-5.5m)。平曲線最小半徑15m，平均半徑87.15m，平曲線使用比例僅為37.45%，最大縱坡9%，沿溪線與越嶺線交替。平面線形的特點是低限指標(biāo)使用較多，回頭曲線出現(xiàn)頻率很高頻繁出現(xiàn)，并且全程都未使用緩和曲線回旋線，在縱坡的安排上主要在縱面上是用9%長下坡和3%短坡交替來克服越嶺高差。抽

24、取其中3段處有代表性的路段作為仿真對象，圖6和圖7分別是3個路段計算機模型的平、縱面效果。 (a) 路段一，K34+918-K36+825(b) 路段二，K29+170-K27+722 (c) 路段三，K48+671-K49+869圖6 試驗道路的平面模型Fig.6 Plan view of analyzed roads model 圖7 路段二, 沿平面中心線展開的路線高程的縱面模型與道路設(shè)計的表現(xiàn)不一致，應(yīng)該是沿平面中心線展開的高程曲線。Fig.7 Section, course elevation along horizontal center line2.2 試驗車輛 為使仿真結(jié)論具有

25、普遍性和可比性，選擇小汽車作為仿真車型。車輛基本參數(shù)為：前輪距1520 mm，后輪距1594 mm，軸距2590 mm，整備質(zhì)量1215kg，空載重心高度457mm，滿載重心高度648mm。結(jié)構(gòu)形式為雙橫桿式前后懸架，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，斷開式驅(qū)動橋，擺動式半軸，液力鉗盤式制動器。2.3 目標(biāo)(跟蹤)路線 考慮到鄉(xiāng)村公路的交通特性以及駕駛習(xí)慣，選擇道路中線作為車輛的跟蹤路線，運行過程中不考慮對向行駛車輛的避讓情況。2.4 駕駛員參數(shù)設(shè)置 橫向反應(yīng)時間(方向盤控制)tlat=0.3s，橫向容許偏差Llat=0.4m，縱向反應(yīng)時間(油門和制動踏板控制)tlon=0.6s-1.0s，縱向速度容許偏差V

26、tol=1.08-1.8 kmh-1 km/h6-85-7。各個參數(shù)值的范圍均照顧到了70%左右駕駛者的習(xí)慣。2.5 分析和評價手段(指標(biāo)) 用三類指標(biāo)來分析評價路線的行車質(zhì)量和安全性，第一類是速度指標(biāo)；第二類是駕駛負(fù)荷指標(biāo)，比如方向盤角輸入轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速；還有一類是衡量駕駛感受的駕乘舒適性指標(biāo)，比如橫向力系數(shù)側(cè)向加速度及其變化率。 其中基于速度的評價方法又分為兩種，一種是將路線上的目標(biāo)速度VsVt指定為固定值(通常在設(shè)計速度附近)，這種方法可以檢查出設(shè)計中平、縱指標(biāo)的最小值組合是否構(gòu)成威脅，是否存在超標(biāo)路段，路線是否滿足以速度VsVt的行駛要求，以便修改設(shè)計。另外一種是現(xiàn)在目前最常使用的運行速度

27、(V85)協(xié)調(diào)性方法，即變速行駛。在目前現(xiàn)有的方法中，V85回歸模型是將道路幾何參數(shù)帶入回歸模型獲得，而都回歸模型是對速度觀測數(shù)據(jù)和道路幾何要素的擬合1,98。與此不同的是相比之下，本文的運行速度是 “路線-駕駛?cè)?車輛”聯(lián)合仿真的結(jié)果，是車輛動力學(xué)模型在駕駛?cè)四Ｐ偷目刂葡略谌S3維路面模型上實際行駛得出來的，是“路線-駕駛?cè)?車輛”聯(lián)合仿真的結(jié)果，參與速度控制的參量有Vx,max、ay,max、ab,max和ax,max，能夠全面反映出道路條件、車輛性能以及駕駛者特性對運行車速的影響。3指定行駛速度時的路線質(zhì)量分析 大關(guān)-永善四級路車流稀少，駕駛者很少愿意低速行駛，所以將速度Vs指定為25

28、kmh-1km/h。3.1 路段一的結(jié)果分析圖8、9, 9是圖6(a)中路段一的仿真結(jié)果，在圖8中，Vx曲線雖有波動但在路段范圍內(nèi)沒有中斷，表明當(dāng)速度控制在25 kmh-1km/h附近時，路線中的低指標(biāo)組合尚不至于導(dǎo)致車輛無法通過。Vx曲線發(fā)生交大較大波動的位置意味著在該處控制車速比較困難，將圖8和圖9一起觀察，能發(fā)現(xiàn)凡是Vx有大幅波動的位置，Vy必定也發(fā)生波動，由于Vy幅值較大時表示車輛發(fā)生了側(cè)滑，因此可以認(rèn)為在指定行駛速度情況下，縱向速度Vx波動較大的位置容易誘發(fā)車輛側(cè)滑或者側(cè)翻事故109。對比圖6(a)，這4處波動分別發(fā)生在2個回頭曲線(R為15.44m和15m)及2個小半徑曲線(R為2

29、0m和15m)范圍內(nèi)。圖8 路段一上的縱向速度Fig.8 Longitudinal speed along Section圖9 路段一上的側(cè)向速度 Fig.9 Lateral speed along Section3.2 路段二的結(jié)果分析圖10是圖6(b)中路段二的仿真結(jié)果，從圖中能看出，雖然是指定速度行駛，但縱向速度Vx在整個路段長度內(nèi)仍呈持續(xù)上升趨勢，稱之為速度的均衡性受到破壞。400多米長度范圍車速從25km/h上升到28km/h并無太大的問題及不能表明是太大的波動。大關(guān)-永善公路是在K34+264埡口位置穿過埡口，的過嶺標(biāo)高為1870m，至K27+722處標(biāo)高降為1498m，沿線是-9

30、%的陡坡和-3%的緩坡相交替，平均坡度為-5.6，連續(xù)的長下坡增加了駕駛者維持車速的難度。對行車更為不利的是在長下坡的末端還有兩處半徑15.0m和15.87m的回頭曲線(見圖6b)，從圖10中能看到，Vx在回頭曲線范圍內(nèi)發(fā)生了波動，表明在該位置較難控制車速，并存在側(cè)滑的危險。 圖10 路段二上的縱向速度Fig.10 Longitudinal speed along Section 4路線上的運行車速分析 根據(jù)課題組先前在大關(guān)-永善公路典型斷面上測得的速度數(shù)據(jù)，試驗中的縱向速度控制參量設(shè)置為，Vx,max=56km/h-1，ay,maxtol=21.5ms-2-, 3.5m/s-2，ab,max

31、 = 3.0 m/s-2，ax,max=0.5 m/s-2對于下坡路段，該值是否偏小。4.1 路段二的結(jié)果分析從在圖11中能看到，在K29+070-K28+630范圍內(nèi)的運行車速是在40 kmh-1km/h左右小幅變化，且Vx34km/h，表明回頭曲線的使用破壞了路線設(shè)計的一致性。從圖中還可以看到，除了回頭彎之外，路段上的運行車速都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了20km/h的設(shè)計車速，運行車速與設(shè)計車速的協(xié)調(diào)性得不到滿足，不過這種結(jié)果也表明了設(shè)計速度協(xié)調(diào)性方法可能并不適合于評價低等級公路，或者應(yīng)該另行標(biāo)定低等級公路的速度差。 圖11 路段二的K29+170-K27+730運行速度Fig.11 Operating

32、speed on Section在K28+350-K27+750范圍內(nèi)，運行車速在兩處回頭曲線位置發(fā)生了大幅度波動，Vx34 kmh-1，表明回頭曲線的使用破壞了路線設(shè)計的一致性。從圖中還可以看到，除了回頭彎之外，路段上的運行車速都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了20 kmh-1的設(shè)計車速，運行車速與設(shè)計車速的協(xié)調(diào)性得不到滿足，不過這種結(jié)果也表明了設(shè)計速度協(xié)調(diào)性方法可能并不適合于評價低等級公路，或者應(yīng)該另行標(biāo)定低等級公路的速度差。4.2路段三的結(jié)果分析為了跨河換岸，大關(guān)-永善公路在K48+919 -K48+945處設(shè)置了一座26 m跨徑的簡支梁橋，橋軸線與前后路線的交角均在86o左右，橋頭引線的半徑僅為15m，形成

33、了典型的“Z”型線(見圖6c)。在圖12中，運行車速在橋位之前急速下降，表明“Z”型線的使用在相當(dāng)程度上惡化了行車條件。事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)也表明自2004年通車以來，該處已經(jīng)發(fā)生了若干起碰撞橋頭設(shè)施的車輛事故。由于在K49+400處布設(shè)了一條近400m的長直線，運行車速自該位置持續(xù)提高，直至最大巡航速度56 kmh-1，超出計算速度2倍以上，沒有達到設(shè)計控制的目的11。圖12 K48+671-K49+869路段三的運行速度Fig.12 Operating speed on Section 這兩個路段的分析結(jié)果表明，：由于在K49+400處布設(shè)了一條近400m的長直線，運行車速自該位置持續(xù)提高，直至最

34、大巡航速度56km/h，超出計算速度2倍以上，沒有達到設(shè)計控制的目的12。為了增加運行速度的協(xié)調(diào)性，針對山區(qū)低等級公路設(shè)計者更應(yīng)該控制直線段的長度，同時盡可能的地用半徑適宜的曲線來代替直線。在對昭通地區(qū)駕駛員的問卷調(diào)查問卷也表明中，89%的駕駛員表示，當(dāng)前方的曲線距離很近時，他們更愿意維持當(dāng)前的車速。 對最短直線長度做出限制主要是考慮駕駛者的視覺特性，但采用曲線型設(shè)計方法時，路線與地物能夠很好的地融合，本身能夠起到很好的引導(dǎo)判斷作用，短直線錯覺引起的安全問題已經(jīng)很小，并具有低環(huán)境影響、低土石方量、線形柔美等諸多優(yōu)點。，所以應(yīng)盡早推廣使用曲線型設(shè)計方法所以在山嶺應(yīng)鼓勵使用區(qū)曲線型設(shè)計方法，。同時

35、考慮取消對最小直線長度的限制在我國西南地區(qū)，已開始在部分項目上嘗試使用4倍設(shè)計車速長度的直線來連接同向曲線，所以應(yīng)關(guān)注這些試驗路線的運營安全性，看同向/反向曲線間的最短直線長度限制是否有緩和余地。推廣曲線設(shè)計方法，但不應(yīng)取消曲線間對直線段長度的限定，尤其對于同向曲線。同時，山區(qū)公路若采用曲線設(shè)計方法，無法保證必要的超車路段，從而導(dǎo)致在視距不良路段強行超車，導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。5路線的操縱負(fù)荷分析 本文將駕駛?cè)藶榭刂栖囕v在路面上的橫向位置而進行的方向控制操作定義路線的操縱負(fù)荷，并用負(fù)荷水平和負(fù)荷的均衡性來衡量操縱負(fù)荷的性質(zhì)。我們認(rèn)為操縱負(fù)荷可以用來衡量路線設(shè)計的宜人性和安全性，好的理性的路線設(shè)計

36、應(yīng)該具備適度的操縱負(fù)荷應(yīng)該具有適度的負(fù)荷水平和均衡的負(fù)荷分布，過于緊張繁重的負(fù)荷和過低的負(fù)荷都是不提倡的，因為二者在某種程度上都與高交通事故可能性相聯(lián)系。5.1 操縱負(fù)荷的評價標(biāo)準(zhǔn)5.1.1負(fù)荷水平用方向盤峰值轉(zhuǎn)速進行操縱負(fù)荷的水平，值越大，表明駕駛?cè)吮仨毧煲俎D(zhuǎn)動方向盤才能跟蹤線形變化，所以負(fù)荷水平越高。適度的操縱負(fù)荷體現(xiàn)在兩個方面，一是要盡量避免緊急轉(zhuǎn)向動作，因為猛打方向盤會造成駕駛者緊張，因此要對進行限制12,110-113，。二是操縱任務(wù)應(yīng)該均衡地分布在路線長度上，避免出現(xiàn)較長時間內(nèi)操縱負(fù)荷為零以及操縱任務(wù)過于集中的情況。選擇方向盤轉(zhuǎn)速作為緊張程度的衡量指標(biāo)，根據(jù)文獻1211中提供的數(shù)

37、據(jù)，將峰值轉(zhuǎn)速的門限值設(shè)為57(o)s-1deg/s，即：= 57 (o)s-1deg/s (1)5.1.2 負(fù)荷的均衡性我們用方向盤轉(zhuǎn)動角速度沿行駛方向的變化曲線來反映路線操縱負(fù)荷的均衡程度，曲線中的每一個轉(zhuǎn)速脈沖表示一次轉(zhuǎn)向任務(wù)。我們認(rèn)為均衡的操縱符合應(yīng)該具備以下兩方面的特征：一是相鄰轉(zhuǎn)向任務(wù)的負(fù)荷水平差異不應(yīng)太大，即峰值轉(zhuǎn)速和之間應(yīng)接近。本文規(guī)定均衡的負(fù)荷水平應(yīng)該滿足：1/3.5 / 3.5 (2)二是兩個相鄰轉(zhuǎn)向任務(wù)之間的時間間隔t0不應(yīng)該太長，以免讓駕駛?cè)擞X得單調(diào)。我們認(rèn)為對于轉(zhuǎn)向任務(wù)均衡的路線，t0,i應(yīng)該滿足：t0,i 60s (3)用t0表示方向盤維持在某一位置的持續(xù)行車時間(

38、零操縱負(fù)荷時間)，本文將門限值t0,lim設(shè)為60s，對于駕駛?cè)蝿?wù)均衡的路線，t0,i應(yīng)該同時符合以下兩個標(biāo)準(zhǔn)14： t0,i t0,lim=60s (2)t0,i /td 40% (34)式中，td為路線行程時間. 方向盤轉(zhuǎn)矩(操舵力)更能體現(xiàn)出駕駛負(fù)荷，但轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)差異以及液壓助力、電子助力設(shè)備的使用，使得門限值選取十分困難，并且不具備通用性和可比性，所以不建議使用操舵力指標(biāo)。本文的仿真車型采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向傳動比it為16.6，目前小汽車轉(zhuǎn)向傳動比通常為15-17，it在正常范圍之內(nèi)。5.2 試驗結(jié)果分析圖13、14是路線上的方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速曲線，總共有4處位置方向盤角輸入超過2

39、40deg/s，表明駕駛者要轉(zhuǎn)動近3/4圈方向盤才能通過彎道。在圖13中，有6處位置的峰值轉(zhuǎn)速超過了57deg/(o)s-1的門限值，其中3處的更是在100(o)s-1deg/s以上，這3個位置分別對應(yīng)圖6(a)中的兩處回頭曲線和一處84o轉(zhuǎn)角、15m半徑的圓曲線。在圖14中也有2處緊急轉(zhuǎn)向，是在圖6(c)中右端由橋位形成的的“Z”型線位置。緊急轉(zhuǎn)向的頻繁出現(xiàn)，除了與大量使用15m極限半徑有關(guān)之外，沒未使用緩和曲線也是一個重要原因。由于缺少緩和曲線，從直線行駛到曲線行駛的轉(zhuǎn)換是在ZY點附近很短的距離內(nèi)完成，從圖14中能夠提取到轉(zhuǎn)向時間t,i (方向盤從中間位置轉(zhuǎn)至穩(wěn)定值所經(jīng)歷的時間)為2.9s

40、-4.1s，如在圓曲線前后布置20m左右的緩和曲線，在車速為25 kmh-1 km/h的情況下可以為t,i增添3s左右的時間，由于=/t,i，能有將峰值轉(zhuǎn)速效的降低至原來的一半，從而在很大程度上消除駕駛緊張感。在圖14中，車輛進出橋位時的方向盤峰值轉(zhuǎn)速為118 (o)s-1，而進橋之前和出橋之后相鄰曲線上的峰值轉(zhuǎn)速僅為20(o)s-1和32(o)s-1，/分別為1/6和3.69，表明該段路線的操縱負(fù)荷均衡性由于“Z”型橋位的存在而遭到破壞。 圖13 路段一上的操縱量Fig.13 Steering input along Section圖14 路段三上的操縱量Fig.14 Steering in

41、put along Section 統(tǒng)計圖13、14, 14中各次的t0,i，算得兩個路段的t0,i /td分別為33.23和62.7，所以因此，基于式(23)和式(34)的評價結(jié)果是路段一駕駛?cè)蝿?wù)分布的均衡性要好于路段三，直線段過長是造成路段三均衡性較差的直接原因。目前在我國的山區(qū)的低等級公路設(shè)計中，小半徑曲線頻繁使用與很多不合理的去彎取直是同時并存的。不適宜的去彎取直既增加了工程費用，同時又降低了路線的行車安全性，是非常不經(jīng)濟和不明智的做法。造成這種局面有設(shè)計規(guī)范限制的原因，不過本質(zhì)原因還是過去幾十年里一直沿用至今的直線型設(shè)計方法，由于先是在控制點之間穿插直線，僅在轉(zhuǎn)角處用曲線平滑，這樣處

42、理的結(jié)果只能是直線占主導(dǎo)地位，而曲線型設(shè)計方法可以很好的地解決這個問題。大力普及使用曲線型路線設(shè)計方法是解決這個問題的根本途徑，雖然曲線型設(shè)計方法在上世紀(jì)九十年代已經(jīng)基本成熟，但目前為止僅在高速公路上有少量的應(yīng)用計算簡單、測設(shè)方便、定位容易是直線型方法難以割舍的重要原因之一，使用曲線型方法時無導(dǎo)線控制下銜接線元的定位精度問題雖早已解決所以建議交通部規(guī)定3-5年的期限以供過渡，期限之后強制各級公路設(shè)計和建設(shè)單位使用曲線型設(shè)計方法。不適合低等級道路的設(shè)計，強制性推廣困難。，可現(xiàn)今為止僅在少量高速公路上有過應(yīng)用，所以建議下次修訂規(guī)范時，支持設(shè)計單位在山嶺區(qū)嘗試使用曲線型方法，并積累相關(guān)經(jīng)驗。6路線的

43、駕乘舒適性分析為道路用戶提供舒適的駕乘坐感受是設(shè)計者的一個主要責(zé)任之一職責(zé)，對于山區(qū)低等級公路同樣存在使用舒適性的要求對于山區(qū)低等級公路同樣存在駕乘舒適性要求。6.1 側(cè)向加速度分析曲線行車時的車身側(cè)向加速度ay一直是使用舒適性評價的重要內(nèi)容一直是駕乘舒適性評價的重要內(nèi)容，所以因此在公路設(shè)計時要對曲線的ay做出限制，目前大都以德國學(xué)者的研究成果來劃分等級142：ay 1.8 m/s-2是一個能可接受的水平；1.8 ms-2m/s2 ay 3.6 ms-2m/s2是能可夠忍受的水平；而ay 5.0 ms-2m/s2則超出了人體的忍受能力。在圖15中，3處小半徑曲線上的峰值側(cè)向加速度ay,p是在2

44、.2-2.4 m/s2范圍內(nèi)，超過了1.8 m/s2的舒適感受界限的舒適性界限，但仍在3.6 m/s2的可耐受界限之下，這表明在山嶺區(qū)雖然很難提供舒適乘坐感受的路線，但即使是最低標(biāo)準(zhǔn)的公路，也不至于發(fā)生駕乘人員無法耐受的情況。由于ay,p都是發(fā)生在小半徑或者極限半徑位置，所以若要提高路線的乘坐舒適性水平，本質(zhì)上的手段還是要控制小半徑曲線的使用頻率和半徑值的使用范圍。圖15 K34+920-K36+820段路段一上的車身ay曲線Fig.15 ay of vehicle body along Section在圖15中，3處小半徑曲線上的峰值側(cè)向加速度ay,p是在2.22.4 ms-2范圍內(nèi)，超過了

45、1.8 ms-2的舒適性界限，但仍在3.6 ms-2的可耐受界限之下，這表明在山嶺區(qū)雖然很難提供舒適乘坐感受的路線，但即使是最低標(biāo)準(zhǔn)的公路，也不至于發(fā)生駕乘人員無法耐受的情況。由于ay,p都是發(fā)生在小半徑或者極限半徑位置，故若要提高路線的乘坐舒適性水平，本質(zhì)上的手段還是要控制小半徑曲線的使用頻率和半徑值的使用范圍。6.2加速度增長率分析對橫向加速度ay求導(dǎo)得到橫向加速度增長率day/dt，根據(jù)day/dt可以判斷回旋線控制參數(shù)的使用合理性，目前認(rèn)為比較合理的day/dt范圍是0.3-1.0 ms-3m/s3。 圖16是大關(guān)-永善公路K34+920-K36+820段路線試驗路段一上的day/dt

46、曲線，由于圓曲線范圍內(nèi)的day/dt與直線段上一樣都是在零值附近，所以day/dt的幅值主要是出現(xiàn)在ZH-HY和/和YH-HZ范圍內(nèi)，或是在ZY點和/和YZ點附近。在圖16中，day/dt在ZY、YZ點附近有較大的幅值跳躍，在2km范圍內(nèi)有6個位置的day/dt接近或者超過了1.0 ms-3m/s3，這表明即使在行車速度非常低的情況下，低等級公路回旋線的省略也會使day/dt超過限制水平。由于day/dt與駕駛緊張感和忙碌程度也存在聯(lián)系，所以在未設(shè)回旋線的四級公路上駕駛車輛是非常辛苦和勞累的。圖16路段一路線上的day/dt曲線Fig.16 day/dt of vehicle body alo

47、ng Section7結(jié)論 低限指標(biāo)在山區(qū)低等級公路中被大量使用，雖然惡性交通事故在這些公路上接連出現(xiàn)，但似乎并未引起相關(guān)研究者的興趣，而本文的研究內(nèi)容彌補了這一缺憾。借助于“路線-駕駛者-車輛”仿真系統(tǒng)，本文進行了云南大關(guān)-永善四級公路上的行車仿真試驗，以路線上各位置的車輛響應(yīng)和操縱輸入量為依據(jù)進行了多種分析。我們發(fā)現(xiàn)，把大量的車輛事故都?xì)w結(jié)到低設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上是不合理的，問題的根源在于設(shè)計者沒有做好路線的設(shè)計控制，較高的安全水平和低造價其實可以兼顧，為此，多年的設(shè)計習(xí)慣和理念可能需要改變，我們給設(shè)計者的并得出參考建議是：(1) 在密切關(guān)注高速公路的同時，應(yīng)該同等地關(guān)注低等級公路，尤其是山區(qū)低等級

48、公路，公路有等級之分，但公路上的駕駛者和乘客是不分等級的，他們的生命同等重要。(2) 即使是低等級公路也應(yīng)該為駕駛者提供速度均衡的行車環(huán)境，為此，從設(shè)計控制的角度，設(shè)計人員要注意相鄰線元要素的合理搭配，尤其要注意控制直線段長度，這并不會增加多少工程費用。山區(qū)低等級公路，線性的調(diào)整往往會涉及很大的工程量。(3) 四級公路上緩和曲線的省略會讓駕駛者非常忙亂，如能提供20m左右的回旋線，會明顯減輕駕駛者操縱車輛時的負(fù)擔(dān)和緊張感。(4) 應(yīng)該控制直線單元長度和直線在路線中所占的比例，盡量避免不必要的去彎取直，此舉在均衡駕駛?cè)蝿?wù)的同時，還能夠節(jié)省部分工程費用。(5) 從運行速度協(xié)調(diào)性和駕駛負(fù)荷均衡性角度

49、，在山嶺區(qū)山區(qū)公路路線設(shè)計中重點考慮更適合使用使用曲線型設(shè)計方法，盡快放棄現(xiàn)有的直線型方法，同時建議取消設(shè)計規(guī)范中對直線段最小長度的限制。(6) 橫向加速度增長率會在ZY/YZ點位發(fā)生明顯的幅值跳躍，使四級公路上的駕乘感受非常不能讓人滿意，所以不建議使用“直+圓”這種組合形式。參考文獻1 高建平, 郭忠印. 基于運行車速的公路線形設(shè)計質(zhì)量評價J. 同濟大學(xué)學(xué)報(：自然科學(xué)版), 2004, 32(7): 906.-911GAO Jianping, GUO Zhong yin. Evaluation of highway alignment design quality based on ope

50、rating speedJ. Journal of Tongji University: Natural Science, 2004, 32(7): 906.2 吳德華, 方守恩. 高速公路線形設(shè)計的質(zhì)量量化評價模型J. 同濟大學(xué)學(xué)報(: 自然科學(xué)版), 2005, 33(11): 1469.WU Dehua, FANG Shouen. Quantity evaluation model of line design quality of freewayJ. Journal of Tongji University: Natural Science, 2005, 33(11): 1469.-1

51、4743 溫學(xué)鈞, 楊屹東, 方靖. 高速公路運行速度研究J. 公路交通科技, 2002, 19(11): 80-8243 陳濤. 人-車-路-環(huán)境聯(lián)合運行虛擬仿真理論與實現(xiàn)技 術(shù)研 究D. 西安: 長安大學(xué), 2005.Chen Tao. Study on visual simulation theories and implementation technology for combined operation of driver-vehicle-road D. Xian: Changan University, 2005.54 徐進, 彭其淵, 邵毅明. 路線及路面條件設(shè)計階段的安全性評

52、價仿真系統(tǒng)J. 中國公路學(xué)報, 2007, 20(6): 36.XU Jin, PENG Qiyuan, SHAO Yiming. Simulation system for safety estimation of alignment and road surface condition in design phaseJ. China Journal of Highway and Transport, 2007, 20(6): 36.-4365 Wright D M, Hall M G, Paterson1 C R. A randomized comparison of driver reaction time after open and endoscopic tension-free inguinal hernia repairJ. Sur