高速公路运行速度设计方法与标准研究总报告

1、交通部 2000 年度公路建设标准规范计划项目高速公路运行速度设计方法与标准高速公路运行速度设计方法与标准研究总报告研究总报告主编单位：主编单位：xxxxxx 公路科学研究所公路科学研究所参编单位：参编单位：xxxxxx 公路勘察设计研究院公路勘察设计研究院 目目录录1.概述.11.1 立项背景.11.2 研究内容与思路.31.3 研究成果.52.国内外研究现状.62.1 国外研究现状概述.62.2 国内应用情况概述.103.数据采集方案设计.123.1 试验目的.123.2 调查的内容.123.3 调查的地点.133.4 代表车型.133.5 观测设备.143.6 试验观测方案.153.7

2、调查的样本量.164.主要结论.174.1 启动/停止/稳定运行速度特征及模型 .174.2 行车道宽度对运行速度的影响模型.194.3 纵坡坡度与运行速度的关系模型.214.4 车辆在平曲线上运行速度特性及速度模型.234.5 弯坡组合运行速度特征及模型.284.6 绘制运行速度图.324.7 路线设计的评价指标与评价标准.344.8 干燥与潮湿路面上运行速度的差异.385 “运行速度设计方法与标准”条文规定.406. 下一步工作建议.461.概概述述1.1 立项背景立项背景速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数。我国从五十年代起引入了设计车速即计算行车速度的概念。作为路线设计的基础指标

3、，根据当时车辆动力性能和地形条件，确定了不同等级公路的计算行车速度指标：各级公路按地形条件的差别，从 20km/h 到 120km/h。设计速度一经选定，公路的所有相关要素视距、超高、纵坡、竖曲线半径等指标必须与其配合以获得均衡设计。目前，基于计算行车速度的路线设计方法已被所有规划设计人员所了解掌握。用此标准设计的公路（即用计算行车速度作为设计车速进行平纵线形设计），意味着中等水平驾驶员，在干燥平整的路面和良好的能见度下，受限制路段（弯道）所能提供的最大安全车速。但是经过几年来的设计实践，设计与管理人员发现这种设计方法本身存在一定缺陷。因为计算行车速度对一特定路段而言是一固定值，这一值作为基础

4、参数，用于规定一个路段的最低设计标准。但在实际的驾驶行为中，没有一个驾驶员自始至终地去恪守这一固定车速。现有路段观测结果表明，计算行车速度的设计方法不能保证线形标准的一致性。实际的行驶速度总是随道路线形、车辆动力性能与驾驶员特性等各种条件的改变而变化。只要条件允许，驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶。因此，单相独立的指标符合规范要求的公路几何线形，不能有效地保证汽车行驶的安全性。汽车在指标较高的路段上以远大于计算行车速度的速度行驶，当遇到较小的指标的曲线时 ，驾驶者未必能够意识到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。所以依照现行公路路线设计规范确定

5、的公路线形，往往在承载实际的驾驶行为时产生出功能偏差，一些不“违规”的设计，如长直线尽头或长大下坡端部紧接小半径曲线，车辆的实际运行速度要远高于设计采用的计算行车速度，产生了高车速与低线形的矛盾。尤其是在某些施工条件困难的路段，由于“标准”将设计车速与路基宽度指标对应起来，设计人员为减小路基宽度，不得不采用 60km/h 的计算行车速度。通常当车辆驶过这些控制路段时，要求驾驶员提高注意力，行车只允许采用设计时速才能保证安全。但由于相邻路段的线形指标较高，司机不需要限制车速。这样，没有经验的或不细心观察的驾驶员，驶过前面的道路时，由于没有考虑到后面控制路段几何线形的特点，而加快了行车速度，使速度

6、大大超过后面弯道的设计速度。这样一旦遇到必须迅速减速和道路环境复杂、判断增多的时候，就会造成交通事故；同样对于长时间驾驶而导致疲劳的驾驶员，由于其反应较慢也会发生类似的情况。这种偏重工程经济、忽视运营成本和驾驶员心理感受的设计方法，存在着较严重的行车安全隐患。国内高速公路的某处道路线形是 600 米长直线末端接半径为 125 米的平曲线，坡度为 1。据连续三年交通事故资料统计，此处发生事故占平曲线上事故数的 21，虽然在曲线前设置了 60km/h 的限速标志，但事故仍屡有发生。观测表明：弯道前的车辆实际行驶速度达到 96km/h，远远超出了该曲线60km/h 的计算行车速度标准。因此，从为用路

7、者安全考虑的角度，在进行公路路线设计时，不能简单地以计算行车速度来控制道路线形指标，因为车辆是连续行驶的，需要以动态的观点来考虑车辆进入曲线时的运行速度，所选择的设计车速度要与车辆运行速度相适应，从而提高道路的安全性。针对计算行车速度方法存在的主要问题，德、法等欧洲国家和美国、澳大利亚等国外发达国家广泛运用了以运行速度概念为基础的路线设计方法。运行速度是在特定路段上，在干净、潮湿条件下，85%的驾驶员行车不会超过的行驶速度，简称 v85。因为。运行速度 v85考虑了公路上绝大多数驾驶员的交通心理需求，以车辆的实际运行速度作为线形设计速度，从而有效地保证了路线所有相关要素如视距、超高、纵坡、竖曲

8、线半径等指标与设计速度的合理搭配，以获得连续、一致的均衡设计。运行车速的引入，可以有效解决路线设计指标与实际行驶速度所要求的线形指标脱节的问题。但由于国内外的交通条件和驾驶员行为差别明显，欲采纳这种设计方法，先决条件是对我国的运行速度要有深入的调查，确定适合国情的设计参数值。反之，运行速度设计法就不能可靠地在我国应用。为此，交通部公路司在 2000 年度标准规范项目中立专题开展高速公路运行速度设计方法和标准专项研究，以期在观测数据的基础上，建立适合我国驾驶员特征和山区高速公路特点的平、纵线形指标速度预测模型；确定基于运行速度 v85的路线设计方法和设计流程，以确保公路几何线形设计能够满足车辆实

9、际行驶速度的要求，同时解决各设计要素之间的相容性问题，改善路线设计质量，提高公路路线设计的安全性与协调性。1.2 研究内容研究内容与思路与思路公路路线设计的发展趋势，将从基于车辆动力学分析的旧有模式，向考虑人、车、路系统因素，尤其是注重人的特性与驾驶行为的方向发展。运行速度设计方法正是适应了这一趋势，以车辆的实际行驶速度作为路线几何要素的“设计速度”。因此，研究需要解决两个关键问题：一是建立设计模式，提出具体的设计原则和设计流程；二是建立路段的运行速度预测模型，用以在路线设计阶段或线形优化阶段推算各路段的运行速度。而研究驾驶员在各种线形指标和平、纵线形组合下的实际行驶速度，是运行速度设计方法能

10、否推广实施的关键。众所周知：车辆的行驶速度受到公路类型，道路的平面线形、纵坡坡度与坡长、行车道宽度与侧向净空，车辆动力性能、交通量与交通组成、路面状况与交通管理控制措施，环境气候因素，出行距离与驾驶员行为特征等诸多参数的影响。如交通量的大小就反映了道路上其它车辆对驾驶员选择行驶速度的干扰程度高低。因此，应用于公路路线设计的运行速度应剔除交通量、路面状况和气候环境等非线形指标的影响因素，集中考虑驾驶员在自由行驶条件下，由公路线形指标控制的实际行驶速度。由于不同的驾驶员在行车过程中可能采用不同的行驶速度，其分布规律呈正态分布。从经济性出发，通常选用在速度累计分布曲线上第 85 位百分点的车辆行驶速

11、度作为运行速度 v85，这样采用绝大部分驾驶员都能遵守的运行速度v85作为设计车速进行公路路线的设计与检验，更多地考虑了人、车、路的关系，使设计与实际相贴近，并从根本解决由计算行车速度带来的线形标准不一致、线形几何要素之间不相容、设计车速与实际运行速度的差距大等问题，保证交通流中大部分汽车的运行安全。从定义看，用于路线设计的运行速度与交通分析中采用的行驶速度都是在良好的气候与实际道路条件下的运行速度，但二者有本质的区别。首先，前者是自由行驶条件下，由公路线形指标控制的 85%位行驶速度，用于公路路线平、纵指标的设计；而后者是受交通量控制的平均行驶速度，用于交通运行分析与经济评价。综上所述，高速

12、公路运行速度设计方法和标准的主要研究内容，包括以下四方面：（一）基于运行速度的公路路线设计方法研究（一）基于运行速度的公路路线设计方法研究1）运行速度的设计方法：公路路线运行速度设计方法是以车辆的实际运行速度v85为设计车速进行路线平纵几何设计或验证的方法。通过调查和分析国、内外关于公路路线设计方法与现状，提出适合我国国情的公路路线设计方法；2）公路路线设计路段划分与设计控制原则：确定路段划分的标准，建立路线设 计控制原则，明确控制指标；3） 基于运行速度的路线设计流程图：在实际应用之前，首先需要建立具有可操作性的设计模式，提出具体的设计和验证原则及设计流程； （二）高速公路运行速度预测模型研

13、究与参数标定（二）高速公路运行速度预测模型研究与参数标定1） 构造直线段与缓和曲线上的加、减速过程模型，确定稳态运行速度。2） 构造各种曲线半径下速度预测模型。3） 构造各种路面宽度、路肩宽度下的速度分布模型。4） 构造各种纵坡下的运行速度和稳态速度模型。5） 弯坡组合下的运行速度模型( (三三) ) 自由流状态下，分车型的运行速度采集、观测方法自由流状态下，分车型的运行速度采集、观测方法1）观测、试验方案设计2）影响因素与样本量的选取( (四四) ) “公路运行速度设计标准公路运行速度设计标准”条文规定与编写说明条文规定与编写说明1）一般规定2）运行速度设计流程3）试设计1.3 研究成果研究

14、成果项目历时 30 个月，投入了大量的人力、物力，取得了大量的研究成果。建立了高速公路典型车型在自由流状态下车辆启动、停止、和直线上稳定运行的速度预测模型；不同行车道宽度下的速度预测模型；平曲线半径、纵坡坡度对运行速度的影响规律，以及弯坡组合线形的运行速度特征；经过实测数据的对比验证，相对误差在 10%左右。由于研究内容丰富、报告篇幅较多，因此，按研究内容将横断面速度预测模型、直线段的加、减速过程和稳态速度模型、平曲线半径速度预测模型、纵坡坡度与运行速度的关系、以及弯坡组合线形的运行速度模型列入专项分报告中，就各自内容的调研方法、分析过程和研究结论等作了详细的阐述，因此，本报告只对研究的主要内

15、容和成果做结论性叙述。此外在速度预测模型的基础上，提出了“高速公路运行速度设计方法和设计流程；作为公路路线设计规范中的独立一章，按规范编写要求完成了“公路运行速度设计标准条文”和条文编写说明，为在国内推广基于运行速度的路线设计方法奠定了理论基础和实施操作指南。2.国内外研究现状国内外研究现状2.1 国外研究现状国外研究现状概述概述国外尤其是欧美发达国家关于公路路线设计理论，已从根据汽车行驶对道路的动力学要求开始，逐渐考虑了驾驶员的驾驶行为和生理心理特征，提倡人性化的设计。即以服务于用路者为目标，要求道路能够为其使用者提供舒适、安全、快捷的交通服务。这种以人为本的设计思想，不仅考虑汽车行驶要求，

16、还要考虑路用者的交通要求，即驾驶员的心理生理反应，综合人、车的要求，采用用动态的观点设计路线的各个元素，并力求指标协调。按此原则设计的公路路线，可以满足驾驶员在行车过程中产生的期望心理要求，即能预知前进方向的道路条件、交通条件，还可满足视觉连续、车速连续和交通安全。2.1.1 联邦德国的设计方法联邦德国的设计方法联邦德国的公路路线设计方法也经历了一个发展过程。早期（1937 年规范）是采用平均行驶速度作为其设计车速，因此有很大比例的驾驶员车速超过平均行驶速度。这里既有个别行车速度比车流主要组成部分的驾驶员开得快的驾驶员，也包含一些经验不足或甘愿冒险以过高车速行驶的驾驶员。当这种设计出现一定的安

17、全问题后，1943 年的“路线设计规范”改用最高行驶速度作为路线设计车速，平原区 160km/h、丘陵区 140km/h、山岭地区 120km/h。这种考虑个别驾驶员而采取高成本的安全保障措施，虽然安全性得以改善，但公路投资却大幅上升。故在 70 年代后期从经济性与安全性出发，采用统计学的原理，按85%的汽车驾驶员所要求的速度作为检验与校核。因此，联邦德国的路线设计规范rasl（1982） 中的设计原则是采用设计速度 ve 和运行速度 v85，相结合的联合设计思路。即在按设计速度设计出初始线形指标后，再采用运行速度进行设计检验与修正。 设计速度 ve设计速度是根据经济性、道路在道路网中的功能而

18、确定的。它是确定大多数设计要素的极限值和推荐值共用的参数。对于 a 类道路，尽量在较长的路段内使ve 保持不变。 运行速度 v85v85是从平面线形、纵断面线形和横断面行驶力学要求取得的设计值。就是说，即使在设计速度 ve 不变的区间内，v85也是变化的。对于 a 类城间公路，v85就是在潮湿而干净的路面上，行车无阻碍的情况下，85%的小客车不会超过的速度；由 v85确定的主要设计要素有曲线段超高、停车视距和允许反超高的最小曲线半径。 设计速度 ve 和运行速度 v85的关系设计速度 ve，根据道路的种类、地形和其它条件确定。v85的求法如下：对双幅 a 类城间公路：v85= ve+10km/

19、h， 当设计速度 v e100km/h 时v85= ve+20km/h， 当设计速度 v e100km/h 时 设计速度 ve 和运行速度 v85的协调 设计速度 ve 和运行速度 v85应相互协调，以使线形和司机的行驶状态相适应。二者速度之差不得超过 20km/h，若超过 20km/h，则应提高设计速度 ve 或通过适当措施降低运行速度 v85。 设计速度 ve 尽量在较长的区间内保持不变，在设计速度 ve 变化的地点，注意线形的渐变。运行速度 v85尽量沿路线逐渐变化，当相邻路段的 v85差值超过 10km/h 时，应调整任一路段的 v85或者在这两条路段之间插入缓和路段。2.1.2 美国

20、运行速度与道路平纵线形关系美国运行速度与道路平纵线形关系美国联邦公路局开发了名为“交互式公路安全设计模型 ihsdm”（interactive highway safety design model-design consistency module）的集成软件包，在 cad 环境中，辅助道路规划与设计者评估道路几何设计方案所体现出的安全性能。该模型由事故分析模块、人/车辆模块、交通流分析模块、政策法规模块和设计一致性模块五个分模块构成，每个模块完成不同的功能。ihsdm 的结构如图 1.1 所示。(cad 环境)集成设计模块一致性模块事故分析模块政策法规模块线形设计方案安全优化后的方案人/车

21、辆模块交通流分析模块图图 2.1-1 ihsdm 基基本本框框图图其中设计一致性模块，是度量道路线形设计整体协调性的模型。设计一致性，是指道路实际特征与驾车者的期望相适应的特性一致。当实际出现的道路特征与驾车者的期望特征有偏差时，驾车人就可能会犯错误。驾车者的期望是有惯性的，所以道路设计特征也应有可期望的惯性特征。线形设计的一致性，从狭义上讲主要是指：道路的设计和驾驶员的期望驾驶速度的一致性。从广义上讲是道路各设计要素的改变应该与驾驶行为相匹配。在 ihdsdm 中， “期望车速”是指特定的道路设计要素所对应的行驶车速。该车速是以设计车速为中心上下起伏，形成了车速分布曲线，以这一曲线映射出道路

22、设计的特性变化。一致性模型通过速度指标确认设计方案中一致性有波动的区段，使设计人员根据模型所提供的信息，有针对性进行改造，并根据改造后方案所体现出的速度曲线的平顺性，评估方案的安全改善效果。以上图 2.1-2 为例，由两个直线段和三个圆曲线组成的 1km 长路段，设计时速为 60km/h。图图 2.1-2 期期望望车车速速分分布布曲曲线线图图 0.43085%速度(km/h)1000.2200.38060405070901000.8观测点(km)0.60.50.71.00.9设计速度从图上可以看出，三条水平线代表车辆在三个圆曲线上的 v85速度，速度大小与平曲线半径大小有关。圆曲线间直线段上的

23、运行速度，见图中的两个折线，清楚地表明了驶出曲线有加速行为，而进入曲线则减速。分别使用不同颜色的小旗代表不同的 v85速度与设计速度差异值。如兰色代表 v85速度与设计速度差在 10km/h 以内；黄色代表速度差在 10km/h 到 20km/h 之间；红色代表速度差大于 20km/h，并通过速度连续性检查和设计速度与运行速度的一致性检查，确定路线的设计质量。2.1.3 澳大利亚的设计方法澳大利亚的设计方法澳大利亚联邦公路局则将运行速度概念贯穿于路线设计的始终。提出了具体的设计流程；即在初始平面线形和纵坡设计的基础上，通过运行速度预测模型推算各路段的运行速度，并以一定“设计控制原则”为标准，检

24、验和修正初期的平纵设计，然后根据调整后的路线平纵线形和运行速度，最终确定曲线超高、加宽、视距等设计指标。这一设计思路，在其 1989 年出版的道路几何线形设计指南中提供了详细的运行速度设计流程，如图 2.1-3 所示。 划分路段 计算运行车速 判读结果 修改线形 验证交叉口视距 验证路段视距 搜寻货车潜在危险地区 绘制超高图 设计和安全审核 图图 2.1-3 澳澳大大利利亚亚公公路路局局推推荐荐的的设设计计流流程程该方法建立了小客车与重型货车运行速度的对应关系，并分别给出了直线段、曲线段和纵坡坡道上的运行速度变化规律。与前面两个国家不同，澳大利亚的路线设计思路设计车速完全脱钩，是真正意义上的运

25、行速度设计方法。英国运输道路与运输研究所也在肯尼亚、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，采用线性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。同期，世界银行邀集美国、法国和巴西等国专家，投入数千万美元进行调查和实验，得出了自由交通条件下各类车型的运行费用模型，即著名的 hdm-模型，其中的基础性工作就是对车辆运行速度的研究，并进行了大量的道路试验。2.2 国内应用情况国内应用情况概述概述我国现行的公路路线的平、纵、横断面几何设计方法仍沿用了前苏联的传统设计思路。即在满足汽车运动学和力学要求的前提下，以计算行车速度作为设计车速，一个设计路段采用一个固定值，

26、作为平纵线形指标的基础设计参数，以规定最低设计标准，并确定其它的相应设计指标。但在研究领域，部分科研设计院所和高校也就运行速度与公路平、纵线形的关系进行了初步调研，主要有如下成果：同济大学 1982 开始对我国公路路线使用质量评价问题作了比较系统的研究。提出了采用行车速度、耗油量及交通事故率作为公路线形使用质量的评价指标。为了求得公路线形与行车速度的关系，选择了各种不同平曲线半径、纵坡和几种不同路面宽度的 113 个典型路段进行行车试验和车速测定。主要针对二、三级公路，以及在这两种公路上占大多数的 810 吨的中型载重汽车。根据实测的车速与相应的曲线路段公路线形指标，建立统计回归模型。但由于是

27、以二、三公路双车道为主，而且以 810 吨的中型载重汽车为观测车，其结果不能适用于高速公路；并且在其研究的车速模型中，仅考虑了曲率和路宽的因素，缺乏对其它影响因素的全面考虑。此外，交通部公路所与北京工业大学曾分别在国家“九五”科技攻关项目“公路通行能力”研究中,对高速公路和普通公路的交通运行方式与通行能力进行了大量的实地观测与分析，并完成了高速公路与双车道公路路段的车流运行仿真模型。其中，运行速度的影响模型主要包括：道路横断面影响模型、平曲线影响模型、纵坡影响模型和限速标志影响模型。与此同时，交通部公路所在国家“九五”科技攻关项目“公路投资综合效益分析系统”研究中，利用在山东、安徽和吉林等省份

28、大量的观测数据，对世界银行 hdm-iii 模型进行了标定，得出了适合我国初步应用的自由流稳态速度模型和油耗模型。hdm-iii 速度模型：（式 2.2-1）)(/1/1/1/1/10desirroughcurvebrakedrivessvvvvvev（式 2.2-2）)2/exp(20e式中：稳态速度；ssv驱动功率限速；drivev制动功率限速；brakev道路曲率限速；curvev道路平整度限速；roughv期望车速；desirv偏差校正；0e偏差系数；weibull 分布函数的形状参数。尽管在速度预测方面，近年取得了一些科研成果，但由于缺少运行速度预测模型和相关的设计规定，特别是速度模

29、型的预测精度限制，该方法一直没能在国内推广实施。3.数据采集数据采集方案设计方案设计“公路路线运行速度设计方法与标准”中最为关键问题，就是确定各种线形指标下的运行速度预测模型，用以在路线设计阶段推算各路段的运行速度。而研究驾驶员在各种线形指标和平、纵线形组合下的实际行驶速度，是运行速度设计方法能否推广实施的关键。3.1 试验目的试验目的（1）横断面试验：在高速公路上采集不同车道、路肩和路缘宽度下小客车和大型车的运行速度，为分析车道宽度、路肩宽度和路缘宽度对车辆运行速度的影响规律，建立和检验横断面运行速度模型以及参数标定提供实验基础。（2）车辆加、减速试验：在高速公路直线段上以正常情况减速停车，

30、起步加速至稳定车速状态的速度数据，为分析车辆加、减速运动规律和稳态速度，建立加、减速模型和稳态速度提供实验数据。（3）平曲线试验：大中、小型车在高速公路中不同半径的平曲线路段上的运行速度分布规律；建立和检验平曲线运行速度模型。（4）纵坡试验：大中、小型车在高速公路中不同坡度、坡长纵坡路段上的运行速度分布规律，检验纵坡运行速度模型以及参数标定提供实验基础。（5）平纵线形组合的共同作用试验：探讨大中、小型车在高速公路中平、纵线形对运行速度的综合影响下表现的总体规律，建立相关的模型。3.2 调查的内容调查的内容（1）横断面试验内容：采集不同司机，不同的车道和路肩、路缘宽度的平直路段车辆的运行速度，观

31、测车辆在车道中的横向位置。（2）车辆加、减速试验内容：采集车辆在各收费站、加油站及路边以正常情况减速停车，起步加速至稳定车速状态的速度数据。（3）平曲线试验内容：大中、小型车在高速公路中不同半径的平曲线路段上的运行速度分布。（4）纵坡试验内容：大中、小型车在高速公路中不同坡度、坡长纵坡路段上的运行速度。（5）平纵综合作用试验内容：大中、小型车在高速公路中平纵线形对运行速度。3.3 调查的地点调查的地点横断面试验内容实地观测在交通部试验场，京沪高速公路、太旧高速公路进行，车辆加、减速试验主要观测点集中在太旧高速公路。平曲线试验内容主要观测点在山西太旧高速，陕西铜黄高速，云南玉元高速；纵坡试验内容

32、主要观测点在山西太旧高速，晋焦高速山西段，山西晋阳高速，陕西铜黄高速，云南玉元高速；平纵综合作用试验内容主要观测点山西太旧高速，云南玉元高速。每种试验整个观测期间内，天气情况良好，风力不大。这些高速公路涵盖了平原微丘、重丘、山岭三种地形类别，设计车速分别为120km/h，100km/h，80kn/h 和 60km/h，全线车流量小，车辆行驶基本处于自由流状态，每天的观测在早 9:00晚 4:00 间进行。为研究运行速度提供了较好的观测条件。3.4 代表车型代表车型本项目以高速公路路线设计的标准车型小客车为主要调查车型，同时考虑我国载重汽车机动性差、占有率高、同时又是交通事故高发车型，故辅以大型

33、载重汽车为观测对象。此外，由于我国各车型的运行特性差异较大，所以本研究只针对特定的代表车型进行实地观测，以避免出现大的速度方差，导致观测实验失败。本次调查选定的代表车型均来自第一汽车制造厂、东风汽车公司和上海大众汽车有限责任公司。大型货车和小客车的典型代表列于表 3.1-1。表 3.1-1 调查车型车型说明小客车桑塔纳、捷达、富康轿车是国内保有量最多的小型客车，且与公路工程技术标准的设计车辆类似。大型货车解放和东风牌大型载重汽车是国内保有量最多的大型载重车，且与公路工程技术标准的设计车辆类似。3.5 观测设备观测设备本次调查主要采用以下设备和仪器：高精度 gps 定位系统、雷达测速仪、非接触式

34、测速仪和雷达测速仪。1 1）高精度 gps 定位系统该仪器具有全天候、高精度、易携带的优点，安装简单，分流动站和基站两部分，能够测试出车辆三维的速度和位置信息。 （图 4-2） 图图 3-13-1 高精度高精度 gpsgps 定位系统定位系统2）非接触式测速仪即所谓的非接触式五轮仪，以计算机为核心部件，配以相应的 i/o 接口及外设，不需要与路面接触或设置任何测量标志，采用光电头相关滤波技术，安装在车上的光电头探测器照射路面，把路面图像变成频率信号，用于汽车动力性、制动性和燃油经济性能测试。它主要由光电头、二次仪表（微处理器、led 显示器、微型打印机、键盘）及安装机架等组成。在本次试验中，主

35、要用来测试试验车的速度、距离数据。具体部件的安装示意图 4-3：图图 3-23-2 非接触式测速仪非接触式测速仪3.6 试验观测方案试验观测方案在本项目高速公路运行速度研究中，主要采用断面观测法，在平曲线，纵坡和平纵综合作用试验中采用车牌照对号法，同所有的试验都同时参考或者采用 gps 数据作为检验校合。主要观测方案如下图所示： 横 向 位 置 标 志 线 摄 像 机 安 全 锥 a 点 b 点 采 集 仪 采 集 仪 雷 达 枪 雷 达 枪 摄 像 机 图图 3-13-1 车辆横向位置观测示意图（路肩、路缘的影响）车辆横向位置观测示意图（路肩、路缘的影响） 观测断面 雷达测速仪 布点示意图

36、平曲线起点 平曲线终点 曲中 缓和曲线起点 缓和曲线终点 图图 3-23-2 平曲线及平纵线形组合实验仪器布置示意图平曲线及平纵线形组合实验仪器布置示意图 雷达测速仪 纵坡观测点示意图 上坡起点/下坡终点 上坡终点/下坡起点 坡中点 图图 3-33-3 纵坡运行速度观测示意图纵坡运行速度观测示意图3.7 调查的样本量调查的样本量控制样本量的目的是控制观测速度值的精度。地点车速调查所需观测的最小车辆数，即样本量按下式(3.1-1)计算： (3.1-1)2kne式中：n最小样本量；e车速观测值允许误差（km/h） ，其值取决于平均车速要求的精度，一般可取。根据侧速仪器的性能，以及试验要求，本次调查

37、车速观测hkme/2值允许误差取；hkme/2k置信度水平系数，一般取 95%的置信度水平，即 k 取 1.96；计算出来的样本量约为 70 辆 ，考虑到野外调查的工作量以及费用因素，推荐给出实际调查每个调查点调查在保证的车速观测值误差下，进行了不同程度的调整。此外，详细踏勘确定竣工资料与实际工程在曲线半径、曲线长度、横坡、纵坡坡度、坡长的一致性，同时对观测点进行摄像和照片拍摄，记录相关的线形指标和交通情况。4.主要主要结论结论课题组在对大量实测数据进行详细分析的基础上，分别针对直线段车辆加减速运行过程、平曲线、纵坡以及平纵组合与运行速度的关系等提出了以下主要研究结论，并对运行速度设计流程中的

38、两个关键问题：直线段与曲线段的划分标准和公路路线设计的安全评价标准进行了详细阐述，在此基础上形成了形成了 “公路路线运行速度设计标准条文”和条文编写说明，为在国内推广基于运行速度的路线设计方法奠定了理论基础和实施操作指南。4.1 启动启动/停止停止/稳定运行速度特征及模型稳定运行速度特征及模型在启动/停止运行速度特征研究中，以普通桑塔那轿车作为试验车型，以大量 gps 数据为分析基础，在符合运动学平衡规律的前提下，考虑司机的驾驶行为，从而建立起在自由流状态下的车辆启动加速和制动减速模型。（1 1）加速过程：）加速过程： （4.1-1）02. 00538. 001. 02690 . 0)()()

39、(2102002aavavftvftvfveeeeett 0式中: v 车辆在加速时间范围内任意时刻的速度车辆的初始加速度，。0a389. 10.4810a车辆加速度为 0 的时刻，et01. 09260 . 000aate（2）减速过程）减速过程：（4.1-2）020)(21vtvfv 即， ()dtda)(0vfdtdadtdav045. 1518.33835.110ett 0式中： v 车辆在减速时间范围内任意时刻的速度 车辆的初始速度，其服从地点车速正态分布 0v 减速过程所需时间etdtdate4455. 11875. 8（3）平直路段相对稳定运行特性及模型：）平直路段相对稳定运行特

40、性及模型：在相对稳定运行速度特征研究中，以小轿车和载重 8 吨的载重车作为试验车型，建立起在自由流行驶状态下的车辆运行速度模型。 大多数情况下，小客车、大型货车在直线都有一个期望车速，在平直路段小车约为 105115km/h,大型货车为 5575km/h。 通常在低于期望车速以下时，总的过程表现为加速过程，而在期望车速以上时为减速过程，其加减速行为与初速度有关。 从典型直线段上加速度的变化来看，加速度基本上-1.0m/s2+1.0 m/s2 之间，其形式上反映司机的驾驶时在踩油门后松开，然后又踩油门再松开这个反复的过程而这个过程可以认为是一个平稳过程。在平直路段上，当初速度 v0在大于期望车速

41、 ve 为减速，当在期望车速附近时为近似匀速运动,当初速度 v0在小于期望车速 ve 为匀加速过程。 (v0 ve)（4.1-3）2002svva s( v0=ve)0svv表表 4.1-1 平直路段上期望运行车速与推荐加速度平直路段上期望运行车速与推荐加速度小客车大型货车期望车速 ve120km/h 75km/h 推荐加速度值0a0.15-0.502/m s0.20-0.252/m s4.2 行车道宽度对运行速度的影响模型行车道宽度对运行速度的影响模型根据采集到的横断面相关数据进行了较为详尽的分析，并以此提出了行车道宽度与运行速度的经验模型（1）外侧车道）外侧车道（4.2-1）)(-)(00

42、0ssllwwbwwavv外外式中： 受横断面影响后，外侧车道自由流车辆的中位车速；外v理想条件下，外侧车道内自由流车辆的中位车速，以本次试0外v验的结果，应取为 120km/h、理想条件下，外侧车道宽度和路肩宽度，以本次试验的0lw0sw结果，为 3.75 米，为 2.5 米。0lw0sw、实际的外侧车道宽度和路肩宽度，如超过理想条件下的lwsw外侧车道宽度和路肩宽度，则按理想条件下的外侧车道宽度和路肩宽度值进行计算、模型的标定常数，其系数值越大，表示该项因素对速度的影ab响越大，取 24 ，取 8.5ab整理后，外侧车道的速度模型为： （4.2-2）)5 . 2(5 . 8-)75. 3(

43、24120slwwv外（2）内侧车道）内侧车道（4.2-3）)(-)(000mmllwwcwwavv内内式中： 受横断面影响后，外侧车道自由流车辆的中位车速；内v 理想条件下，外侧车道内自由流车辆的中位车速，以本次0内v结果，应取为 120km/h；、理想条件下，外侧车道宽度和路肩宽度，以本次试验的结0lw0mw果，为 3.75 米，为 0.5 米。0lw0mw、实际的外侧车道宽度和路肩宽度，其值如超过理想条件下的lwmw外侧车道宽度和路肩宽度，则按理想条件下的内侧车道宽度和路缘度值进行计算；、 模型的标定常数，其系数值越大，表示该项因素对速度的影响ac越大，取 24 ， 取 11.5ac整理

44、后，内侧车道的速度模型为：（4.2-4）)5 . 0(5 .11-)75. 3(24120mlwwv内（3）中间车道）中间车道（4.2-5）)(00llwwavv中中式中： 受横断面影响后，中间车道自由流车辆的中位车速；中v理想条件下，中间车道内自由流车辆的中位车速，以本次试验0中v的结果，应取为 120km/h； 理想条件下中间车道宽度，以本次试验的结果，为 3.75 米；0lw0lw 实际的中间车道宽度，其值如超过理想条件下的中间车道宽度，lw则按理想条件下的中间车道宽度值进行计算； 模型的标定常数，其系数值越大，表示该项因素对速度的影响a越大，取 24：a整理后，中间车道的速度模型为：

45、（4.2-6）)75. 3(24120lwv中4.3 纵坡坡度与运行速度的关系模型纵坡坡度与运行速度的关系模型4.3.1 纵坡运行速度特性纵坡运行速度特性（1）上坡情况）上坡情况从小客车上坡运行速度图，可以得出以下结论：小客车进入上坡路段后，速度变化与进坡道前的初速度有关，但总体上呈减速趋势。可以看出随坡度的增加，小客车减速的幅度将逐步增大。在前 500 米，减速幅度比较大，500m 平均减速 1520km/h；而后 500m 平均减速为 10km/h 左右。在运行800 米以后，速度渐渐趋于平稳。707580859095100105110115120020040060080010001200

46、坡长（m）速度（km/h）2.50%3.00%3.40%4.00%4.40%5.80%70758085909510010511011512002004006008001000坡长（m）速度（km/h）-2.54%-3.00%-3.15%-4.00%-5.50% 图 4.3-1 小客车上坡运行速度图 图 4.3-2 小客车下坡运行速度图（2）下坡情况）下坡情况小客车运行情况在下坡时，有明显的加速过程。随坡度的增大，加速幅度也在变大，同时随着坡长的增大，加速增幅将逐渐减小。当下坡车速超过115km/h，一般便加速趋于平稳。大型货车运行情况在下坡时，有明显的加速过程。前 300 米增幅比较大，300

47、 米平均增速 1315km/h 之间。随坡度的增大，大型车的速度增幅有增大的趋势。在 800 米以后，速度趋于平稳，基本保持在在 7010km/h。4.3.2 纵坡模型简述纵坡模型简述高速公路坡度在 25%之间、坡长主要界于 4001000 米之间的路段。在正常条件下，纵坡上的运行车速仅受坡度和坡长的影响，当车辆的动力性能基本一致时，运行速度与实际的载货量 g 多少和车辆的特性(迎风面积，空气阻力系数，惯性阻力系数)以及司机的驾驶行为有关，这时运行速度与用油门控制的发动机输出功率有直接关系，而额定的功率重量比（出厂时作为一恒定的值）将出现随坡度坡长而变化。因此，为研究运行速度随坡度坡长变化的规

48、律，以公路运行的典型车辆（总重 15 吨）作为试验车型，建立功率重量比 p 与运行速度(坡顶速度 v2、坡底速度 v1)，坡长 s，坡度 i 的函数关系，用以描述运行速度随坡度坡长而变化的特性和规律，如下式：2212221211321/100022vvkfvvvvgfipgsg （4.3-1）其中，各车型坡底的行车速度，m/s；1v各车型坡顶的运行速度，m/s；2v坡长，m；s、车辆的风阻系数和惯性阻力系数，小客车 k=0.0025，kf大型货车 k=0.0035；小客车,大型货车；22.0 mf 26.2 mf =0.01；、 摩擦阻力、纵坡坡度；fi重力加速度，取；g29.8/m s车辆空

49、载质量加实际载重，kg。小客车取，大型g1500gkg车取；15000gkg车辆的功率重量比，w/kg；p在纵坡模型预测中，p 值的选用，如下表规定：表 4.3-1车辆的功率重量比 p 值参数表小客车大型货车20.1633*2.6188*8.2163 6%, 3%)(3%,6%piii 1.579*0.102*4.874 6%, 2%)(2%,6%pivi -25-20-15-10-50510152025-6-4-20246坡度p值观测值计算结果预测方程计算结果-10-8-6-4-202468101591317序号p值观测值计算结果预测方程式结果图图 4.3-3 小客车和大型货车观测小客车和大

50、型货车观测 p 值与方程预测值与方程预测 p 值的对比值的对比此外，调查表明：对于小于 3%的上坡和下坡，坡度对小客车的运行速度影响不大，其运行速度可用直线上的运行情况做近似描述，推荐加速度取值a=0.17；也可按照上述 p 值模型做近似计算。 2/m s4.4 车辆在平曲线上运行速度特性及速度模型车辆在平曲线上运行速度特性及速度模型4.4.1 影响运行速度的最大曲线半径影响运行速度的最大曲线半径车辆在曲线上行驶时，由于横向力的存在，使车辆驾驶复杂化，尤其是车辆在弯道上高速行驶时,一旦使车辆向外移动的离心力超过车辆保持其正常行驶路线的轮胎与道路之间的摩阻力时,则车辆将产生滑移。因此，为使驾驶员

51、和乘客感觉舒适，在曲线上的行驶速度必然要低于直线段，以保证安全舒适的行驶状态。为了找出影响驾驶员行驶速度的最大曲线半径，确定直线路段和曲线路段的划分指标。进行了不同曲线半径下，两组驾驶员的自由行驶速度观测。其中，一组为常在选定的高速公路上行车的驾驶员，设为 a 组；另一组为不常在该高速公路上行车、对路线平、纵指标不熟悉的驾驶员，设为 b 组。按不同的驾驶组、路上试验车在平曲线中点处有无超车，分别对数据进行处理拟合，得到小客车在不同平曲线上的行驶速度规律。分别是驾驶组 a 在无超车需求时、速度与半径的关系；驾驶组 a 在有超车需求时、速度与半径的关系；驾驶组 b 在无超车需求时速度与半径的关系。

52、区分有无超车需求，是以试验车行驶到平曲线中点那一时刻前后 20 内同一车道及相邻车道上没有其他行驶车辆为准。这个s区分有无超车影响的标准，是通过正式试验前的初步试验得出的，而且 20 的s值偏于保守，即充分保证无超车需求时，曲线是在丝毫不受道路上其他车辆影响的实验结果。为便于对比分析，把各组实验结果和把规范上规定的设计车速与平曲线半径之间的关系，共同示于图 4.4-1。调查结果表明：各组驾驶员在平曲线半径小于 1000m 时，司机采取的运行速度与设计要求的计算行车速度存在较大的差距：在平曲线半径 200m 时，实际采用的运行速度比规范规定的最大速度高出 30km/h 左右；随半径增大，这种差别

53、逐渐变小；当平曲线半径为 1000m 时，实际运行速度与规范规定的设计速度基本趋于一致。因此，本研究将影响运行速度的最大平曲线半径确定为1000m，即当平曲线半径大于 1000m 时，该曲线不再对车辆的运行速度产生影响。该结论与目前国外采用的 600m 的标准差距较大，集中体现了国内外驾驶行为的差异，而且这种差别是不应在路线设计中被忽略的。图3-1 各种条件下r-v关系对比607080901001101201301401501600481216202428323640444852566064半径r(*100m)速度v(km/h)a1a2b1c注：a1在无超车情况下，a 组驾驶员采取的运行速度与

54、平曲线半径的关系；a2在超车情况下，a 组驾驶员采取的运行速度与平曲线半径的关系；b1在无超车情况下，b 组驾驶员采取的运行速度与平曲线半径的关系；c现行公路路线设计规划中要求的各运行速度下的最小平曲线半径。图图 4.4-1 平曲线半径与运行速度关系图平曲线半径与运行速度关系图4.4.2 平曲线运行速度模型平曲线运行速度模型在理想状态下，对小客车和大型货车而言，平曲线半径及其连接的线形是运行速度的主要影响因素，那么首先考虑用两阶段法，其思路是将曲线在曲中点剖开、分为二支，即入口到曲中，曲中到出口两段，然后将入口分为直线接曲线，曲线接曲线两种形式，出口分为曲线接直线，曲线接曲线两种形式。一般而言

55、，曲中点的运行速度 v-middle，与其所衔接的曲线的半径 r-back（直线可看成半径大于 1000m 以上的长曲线处理） ，当前的曲线半径_now，进入曲线前的运行车速_in，以及所在的曲线长度 l-length 有关。驶出曲线的运行速度 v-out，可能与驶出曲线后所衔接的的曲线半径 r-front（直线可看成半径在 1000m 以上的长曲线处理） ，正在运行的曲线半径_now,当前曲线的中点车速-middle，以及所在的曲线长度 l-length 有关。通过在太旧高速、铜黄高速、玉元高速上，曲线半径在 r150-r1000 范围内的运行速度观测，得到以下结论：（1）入口接直线：经过直

56、线进入半径 r1000 以下的曲线，无论对小客车还是对大型货车而言，从入口到曲中总体上表现为有不同程度的减速，并且半径越小相对进口速度而言减幅越大(如图 4.4-2)。-7.00%-6.00%-5.00%-4.00%-3.00%-2.00%-1.00%0.00%20030040050060070080090010001100半径（m)（曲中速度-入口速度）/入口速度%-8.00%-7.00%-6.00%-5.00%-4.00%-3.00%-2.00%-1.00%0.00%1.00%200300400500600700800900100011001200半径（m)（曲中速度-入口速度）/入口速度

57、%（a）小客车 (b) 大型货车图 4.4-2曲中速度与入口速度增量百分比与半径关系图（2）入口接曲线：经过一个曲线进入另一个半径更小的曲线，小客车和大型货车从入口到曲中也同样表现为减速，并随半径的减小而减幅有增加的趋势。（3）出口接直线，对小客车和大型货车来说，相对曲中点来说通常有一定程度的加速或者相对曲中速度略有回升（如图 4.4-3） ，并可能超过入口车速。0.00%0.20%0.40%0.60%0.80%1.00%1.20%1.40%1.60%1.80%2.00%2.20%0100 200 300 400 500 600 700 800 900 10001100半径(m)(出口速度-曲

58、中速度）/曲中速度%0.00%0.50%1.00%1.50%2.00%2.50%3.00%3.50%4.00%4.50%5.00%01002003004005006007008009001000 1100半径(m)（驶出速度-曲中速度）/曲中速度%（a）小客车 (b) 大型货车图 4.4-3出口连直线时出口速度与曲中速度增量百分比与半径关系（4）出口接曲线，对小客车和大型货车来说，这种情况下通常要看在该路段的期望车速以及所接的曲线半径与当所运行半径大小的关系。如果在不大于期望车速时前方半径比当前曲线半径大那么通常是加速或匀速，其幅度通常与随半径增大而减小，如果本来运行速度高于期望车速时，那么可

59、能略减速；如果前方半径比当前曲线半径小则进一步减速，其减速的大小与所接半径多大有直接的关系。总体而言，同等的条件下，小车的变化幅度比大车要小，这是由于小车的车速比大车高的原因。（5）小客车和大型货车的速度曲中点均值，在前后线形对其影响不大（比如两头连直线的话）且不超过期望车速的情况下，随半径的增大而增大（如图4.4-4） 。70.0075.0080.0085.0090.0095.00100.00105.00110.0001002003004005006007008009001000 1100半径(m)曲中速度(km/h)45.0050.0055.0060.0065.0070.0075.0080

60、.0001002003004005006007008009001000 1100半径（m）曲中速度（km/h) (a) 小客车 (b) 大型货车图 4.4-4 曲中速度与半径的关系 (6) 调查中确实存在有个别车辆进入曲线后还有加速行为或大幅减速等与统计特性表现不一致的地方，这些个别样本的行为通常是由于视距或车速低于期望车速或不是标准配载造成的，但是本项目研究是总体的统计特性，所以考虑的是总体的运行速度规律。根据所调查的不同曲线范围内下的运行速度规律，经统计拟合，建立了高速公路平曲线半径在范围内的速度预测模型（表 4.4-1）：150,1000r表 4.4-1平曲线上速度预测模型一览表曲线连接