专利名称：采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法
技术领域：
本发明涉及交通运输业中的公路设计方法，尤其涉及一种利用运行速度模型进行高速公路线形设计的方法。
背景技术：
高速公路是一种三维带状线形构造物，线形是高速公路的骨架，也是车辆运行的直接载体。高速公路线形是平面线形、纵断面线形和横断面的集合体。高速公路线形一旦确定，无论优劣，都很难再改变，这也是设计者必须特别重视线形设计质量的原因。
行车速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数。作为线形设计的基础指标和线形设计参数，“行车速度”一经选定，公路的所有相关要素如平曲线半径、缓和曲线长度、视距、超高、纵坡、竖曲线等指标必须与其配合以获得均衡设计。基于“行车速度”在公路线形设计中的重要影响，目前公路线形的设计方法都是基于“行车速度”这一概念展开的，主要包括“设计速度”、“运行速度”和“可能速度”。
利用上述三种速度指标作为设计参数进行线形设计的优缺点，说明如下 1.以“设计速度”作为设计参数 “设计速度”是指车辆在一条公路的受限路段上，汽车所能安全行驶的最大速度。设计车速是一个定值，作为设计参数，它规定了高速公路最低设计标准，是决定公路几何形状的基本依据。只从几何要素考虑，但在实际设计中，对于众多的非受限路段，公路路线的平、纵、横及其它相关指标的确定就没有明确的依据，从而导致各指标取值不合理、相互组合不协调、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和连续性，使行车速度忽高忽低，容易产生速度突变，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。这是以设计速度作为公路线形设计依据的不足之处。综合来说，采用“设计速度”方法的不足主要表现在三个方面(1)线形设计要素与实际行车速度不相容；(2)线形设计要素之间不相容；(3)线形的行车速度标准不一致。这些都是现行设计方法体系的不足之处，函需解决。
2.以“可能速度”作为设计参数 “可能速度”是指在良好的气候条件和交通条件下，汽车行驶只受公路本身线形条件影响，技术熟练的驾驶者驾驶汽车沿某条公路行驶时，可能达到的最大速度。由于安全的原因，它几乎不可能通过现场观测或者测量得到，只能在公路平、纵线形指标已知的基础上，通过建立理论预测模型获得，用以指导已建公路的改进或者拟建公路的线形设计评价和改进，同时可作为已建成或拟建公路设置交通安全设施的依据。也就是说，“可能速度”设计方法更适合用于在公路线形设计中对已经设计好的线形进行评价，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。
3.以“运行速度”作为设计参数 针对“设计速度”方法存在的主要问题，国外许多发达国家广泛运用以“运行速度”作为设计参数来进行线形设计。
“运行速度”是一个统计学指标，它是指单位路段上车辆的实际行驶速度。因不同车辆在行驶过程中可能采用不同车速，通常按统计学中测定的从低速到高速排列的第85个百分点所对应的车辆行驶速度作为“运行速度”。运行速度主要受驾驶人行为、车辆状况和公路状况三个方面影响，是道路设计能给驾驶员提供的实际运行条件的集中体现。运行速度的引入，可以有效解决公路线形设计指标与实际车辆行驶速度所需要的线形指标脱节的问题。但由于国内外交通条件和驾驶员行为差异明显，欲采用运行速度的设计方法，其先决条件是对不同地区运行速度要有深入的调查，确定适合我国不同地区的线形设计参数值，这也是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明正是为了解决上述现有技术所存在的缺陷，而提出一种采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法，利用多重线性回归分析法，通过建立运行速度与高速公路线形设计指标的相关关系模型，实现高速公路的线形设计。
本发明提出采用运行速度预测模型的一种高速公路线形设计方法，通过多重线性回归分析法建立运行速度预测模型，以该运行速度预测模型为设计参数进行线形设计，该方法包括以下步骤 选定设计速度，结合地形条件初定路线平、纵面指标； 按规范线形设计要求检查和修改初定路线； 利用多重线性回归分析法建立运行速度预测模型； 设置线形设计相关指标变量； 构造理论多重线性回归分析模型； 估计该模型参数； 进行该模型检验； 如该模型通过检验，则可应用该模型，模型应用包括运行速度预测，以及线形评价； 如该模型未通过检验，则对其进行修改后，依序重新执行该流程，重新收集整理数据及构造理论模型。
按运行速度要求检查和修改初定路线； 确定路线各技术指标。
所述运行速度预测模型为 平曲线上运行速度预测模型 小客车曲线中点运行速度模型 Vmiddle＝-18.419+0.89Vm+5.837R0.2+0.565In(L/2)R2＝0.719 小客车曲线终点运行速度模型 Vout＝24.642+0,803VmiddleR2＝0.714 载重车曲线中点运行速度模型 Vmiddle＝12.799+0.812VinR2＝0.596 载重车曲线终点运行速度模型 Vout＝3.594+2.669InR+0.705VmiddleR2＝0.779 直线上运行速度预测模型(纵坡小于1.5％) 小客车直线段中点的运行速度模型 Vmiddle＝-42.891+0.908Vm+1.59In(L)+7.725In(R1) 小客车直线段终点的运行速度模型 Vout＝-90.394+0.807Vmiddle+3.6437In(L)+10.311In(R2) 纵坡运行速度模型(纵坡大于1.5％) 小客车纵坡运行速度模型 载重车纵坡运行速度模型 弯坡组合下等效纵坡度计算模型 与已有技术相比，本发明有效地保证了公路线形要素如平曲线半径、纵坡、竖曲线半径等指标与设计速度的合理搭配，获得连续、一致并且合理客观的均衡设计，也不会因指标的过高要求而增加工程造价，并且提高了高速公路线形设计质量。
图1为本发明的采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法的整体流程。
图2为本发明的采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法的运行速度的多重线性回归模型的建立流程。
具体实施例方式 运行速度是公路上汽车的实际行驶速度。实际上汽车在路段上行驶时的车速各异，不同的驾驶员驾驶相同的汽车运行时车速也有所不同，即使相同的驾驶员驾驶相同的汽车也会因驾驶员的心理状况、汽车的状况、道路的状况而车速不同工，另外货车和小客车的运行速度也是不同的。有证据表明，驾驶员在一个路段上的自由车速通常约以0.14的变化系数分布。在百分比上限内，车速随着频率的积累而均匀提高，直至后者达到85％左右。从该点以后，向上的趋势必定更快地继续发展。这说明观测到的车速有15％是出奇的高。而公路设计的目的是创造条件满足几乎所有驾驶员，但不是全体驾驶员的速度要求，因为设计若也考虑占总数15％的专爱高速飞车的驾驶员，则从经济上说是不可行的。所以，“运行速度”概念是指公路上车辆运行速度的一个有代表性的值。这一代表值通常取公路特定路段上第85％位的运行速度，称为V85，即在特定路段上，干净、潮湿条件下，85％的驾驶员行车不会超过的行驶速度。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，以运行速度作为设计速度进行线形设计的方法-----设计速度设计方法，就有效地保证了路线所有相关要素如视距、超高、纵坡、竖曲线半径等指标与设计速度的合理搭配，故可以弥补“设计速度”方法的不足，获得连续、一致的均衡设计。
运行速度的实际数值需要公路建成通车后，在公路上实测得到。而在进行公路线形设计时，公路尚未修建，不可能实测其将来可能的运行速度。这样，要想把运行速度用作线形设计参数，需要观测得出运行速度的大量数据，统计出运行速度与平面曲线半径、纵坡坡度等线形要素之间的相关关系模型，以此根据运行速度的实际需要进行平、纵、横线形指标的选取，或以此预测和检验线形设计成果可能的运行速度情况。
下面通过具体实施例，并结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明的采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法的整体流程。它包括以下步骤 选定设计速度，结合地形条件初定路线平、纵面指标，步骤101； 按规范线形设计要求检查和修改初定路线，包括初定平纵技术指标，步骤102； 进行运动速度预测，包括预测并绘制运行速度图，步骤103； 按运行速度要求检查和修改初定路线，步骤104； 确定路线个技术指标，步骤105。
与目前利用“设计速度”进行线路设计的方法步骤相比，本发明所提出的高速公路线性设计方法，在按照规范线形要求检查、修改并满足规定后，增加基于初定平、纵线形要素技术指标的“运行速度”预测，按照运行速度对平、纵面技术指标进行检查并修改，修改后的线形指标应同时满足规范要求和“可能速度”要求，如此反复检查、修改、直至满意为止，最后确定路线各技术指标。
本发明的高速公路线形设计方法应用“运行速度”来进行线形设计，该方法具备以下特点 1、采用“运行速度”的线形设计评价方法不改变目前现有技术的方法，只是在现有技术的方法中增加用“运行速度”检查、修正的过程。这也相应了《公路路线设计规范》(JTG D20-2006)要求引入运行速度和安全性评价检验设计成果的要求。
2、采用改变平、纵技术指标的方法使运行速度图不产生突变，使其平顺变化，也可对“运行速度”图按设想进行平顺修正，据此反过来确定平、纵线形指标。
3、采用“设计速度”与“运行速度”共存的方法，既可满足汽车行驶力学方面的最低要求，也可满足大多数驾驶员的行车需求。
4、采用“运行速度”的线形设计方法，通过改变线形设计指标，实际控制了汽车可能的实际运行速度，对行车安全是有利的。
运行速度预测模型是通过大量的野外现场观测，并经数理统计分析而建立起来的。本发明所对于其中的数理统计分析如图2为本发明的高速公路线形设计方法的运动速度的多重线性回归模型的建立流程。该流程包括以下步骤 首先，设置线形设计中与具体问题相关的指标变量，步骤201；收集整理数据，步骤202；构造理论多重线性回归分析模型，步骤203；估计该模型参数，步骤204；进行该模型检验，步骤205；如该模型通过检验，则可应用该模型，步骤206，模型应用包括运行速度预测，步骤206，以及线形评价，步骤208；如该模型未通过检验，则对其进行修改，步骤209，返回步骤202，依序重新执行该流程，重新收集整理数据及构造理论模型。
在流程中提及的多重线性回归分析模型，其原理是多重线性回归所讨论的内容是因变量Y与两个或两个以上自变量X1、X2、…、Xn的线性依赖关系问题。利用多重回归往往会得比简单线性回归更为准确、可靠的估计(或称预测)结果。
设在一无线总体中，因变量Y与自变量X1、X2、…、Xn之间存在线性依赖关系，那么给定一组自变量的取值X1t、X2t、…、Xnt，因变量Y就会依照下面的等式取值 Yi＝β0+β1X1i+β2X2i+…+βnXni+εi(1) 公式(1)为多重回归线性回归模型。β0，β1，β2，…，βn为模型参数，他么呢决定了因变量Y与自变量X1，X2，…，Xn线性关系的具体形式εi为误差项随机变量，代表了除模型中选定的n个自变量之外其余未知因素对Yi的影响。回归分析的根本目的，就是确定模型参数的具体数值，从而确定因变量与自变量之间线性关系的具体形式。
对εi做出如下4个基本假设 ①εi的均值或期望值为0，即E(εi)＝0； ②εi的方差是相等的，即 ③εi服从正态分布，即εi～N(0，σ2)； ④εi具有独立性。
因为E(εi)＝0，对公式(1)两边数学期望，得 E(Y)i＝β0+β1X1i+β2X2i+…+βnXni(2) 公式(2)为多重线性回归方程。下式(3)为多重线性估计回归方程
接下来的工作就是要根据样本数据计算统计量b1，b2，…，bn，的数值，确定估计回归方程的具体形式，从而对总体中的回归方程做出估计。
得出回归方程后，还需对线性回归的4个基本假设，进行诊断 ①因变量与自变量之间线性关系的假定。根据标准残差、标准预测值散点图，当图中各点纵坐标在零点对应的直线上下比较均匀分布时不呈一定的规律时假设成立； ②残差的独立性假定。利用Durbin-Watson检验法进行诊断，当DW≈2时认为相邻两点的残差是相互独立的； ③残差的方差齐次性假定。根据标准预测值、学生化残差散点图，当图中比较均匀分布时不呈一定的规律时假设成立； ④残差的正态分布假定。通过直方图和P-P正态概率图来实现。
如果上述4个假设成立的话，那么有关参数的区间估计，假设检验都是可靠的，如果不成立的话，那么就需要重新假设模型。
例如，通过对天津市已建高速公路实际“运行速度”的调查与分析，建立了适用于天津地区高速公路这一特定环境的运行速度预测模型。
(1)平曲线上运行速度预测模型 ①小客车曲线中点运行速度模型 Vmiddle＝-18.419+0.89Vm+5.837R0.2+0.565In(L/2)R2＝0.719 ②小客车曲终点运行速度模型 Vout＝24.642+0,803VmiddleR2＝0.714 ③载重车曲线中点运行速度模型 Vmiddle＝12.799+0.812VinR2＝0.596 ④载重车曲线终点运行速度模型 Vout＝3.594+2.669InR+0.705VmiddleR2＝0.779 (2)直线上运行速度预测模型(纵坡小于1.5％) ①小客车直线段中点的运行速度模型 Vmiddle＝-42.891+0.908Vm1.59In(L)+7.725In(R1) ②小客车直线段终点的运行速度模型 Vout＝-90.394+0.807Vmiddle+3.6437In(L)+10.311In(R2) (3)纵坡运行速度模型(纵坡大于1.5％) ①小客车纵坡运行速度模型 ③载重车纵坡运行速度模型 (4)弯坡组合下等效纵坡度计算模型 应用上述运行速度预测模型和本发明的运行速度预测流程，可以预测出一定线形条件下的运行速度V85值，以及相邻线形单元之间的运行速度变化情况。再通过执行本发明的高速公路线形设计方法的整体流程，可完成高速公路的线形设计。
权利要求
1.一种采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法，通过多重线性回归分析法建立运行速度预测模型，以该运行速度预测模型为设计参数进行线形设计，该方法包括以下步骤
选定设计速度，结合地形条件初定路线平、纵面指标；
按规范线形设计要求检查和修改初定路线；
利用多重线性回归分析法建立运行速度预测模型；
设置线形设计相关指标变量；
构造理论多重线性回归分析模型；
估计该模型参数；
进行该模型检验；
如该模型通过检验，则可应用该模型，模型应用包括运行速度预测，以及线形评价；
如该模型未通过检验，则对其进行修改后，依序重新执行该流程，重新收集整理数据及构造理论模型。
按运行速度要求检查和修改初定路线；
确定路线各技术指标。
2.如权利要求1所述的采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法，其特征在于，所述运行速度预测模型为
平曲线上运行速度预测模型
小客车曲线中点运行速度模型
Vmiddle＝-18.419+0.89Vm+5.837R0.2+0.565In(L/2)R2＝0.719
小客车曲线终点运行速度模型
Vout＝24.642+0,803VmiddleR2＝0.714
载重车曲线中点运行速度模型
Vmiddle＝12.799+0.812Vin R2＝0.596
载重车曲线终点运行速度模型
Vout＝3.594+2.669InR+0.705VmiddleR2＝0.779
直线上运行速度预测模型(纵坡小于1.5％)
小客车直线段中点的运行速度模型
Vmiddle＝-42.891+0.908Vm+1.59In(L)+7.725In(R1)
小客车直线段终点的运行速度模型
Vout＝-90.394+0.807Vmiddle+3.6437In(L)+10.311In(R2)
纵坡运行速度模型(纵坡大于1.5％)
小客车纵坡运行速度模型
载重车纵坡运行速度模型
弯坡组合下等效纵坡读计算模型
3.如权利要求1所述的采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法，其特征在于，所述按规范线形设计要求检查和修改初定路线的步骤中的初定路线，还包括按规范线形设计要求检查和修改初定平纵技术指标。
4.如权利要求1所述的采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法，其特征在于，所述进行运行速度预测的步骤，还包括预测并绘制运行速度图。
全文摘要
一种采用运行速度预测模型的高速公路线形设计方法，通过多重线性回归分析法建立运行速度预测模型，以该运行速度预测模型为设计参数进行线形设计，该方法包括以下步骤选定设计速度，结合地形条件初定路线平、纵面指标；按规范线形设计要求检查和修改初定路线；进行运行速度预测；按运行速度要求检查和修改初定路线；确定路线各技术指标。与已有技术相比，本发明有效地保证了公路线形要素如平曲线半径、纵坡、竖曲线半径等指标与设计速度的合理搭配，获得连续、一致并且合理客观的均衡设计，也不会因指标的过高要求而增加工程造价，并且提高了高速公路线形设计质量。
文档编号E01C1/00GK101109166SQ20071005766
公开日2008年1月23日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者熊文胜, 王晓华, 靳灿章, 李海舢, 李传宪, 田 肖, 汪凌志, 王玉秀, 蕊 王, 青 徐, 利 郑, 严西华, 曹凌峰 申请人:天津市市政工程设计研究院