一种超高速公路纵坡坡度确定方法与流程

本发明属于公路设计，具体涉及一种超高速公路纵坡坡度确定方法。

背景技术：

1、目前国内高速公路限速120km/h，但市场销售的普通汽车设计速度大多在180km/h，部分赛车设计速度达到400km/h，现行高速公路限速影响汽车性能的发挥，因此，高速公路的设计速度提升成为必然。驾驶员和乘客的舒适性、安全性以及车辆动力特性成为超高速公路设计的主要因素之一。基于此，本发明提出一种基于行车舒适性的超高速公路纵坡坡度的确定方法。

2、汽车和大型载重车在动力性方面有明显差别，汽车克服纵坡的能力明显优于大型载重车。而大型载重车在速度方面有显著的限制，无法在超高速的路段正常行驶，汽车在3％以下的纵坡行驶时与较平直路无明显差异，且速度没有明显降低。因此时速为160km/h的超高速公路可只针对汽车进行坡度以及坡长限制。

3、《公路路线设计规范》(jdg d20-2017)中指出，时速为120km/h的路段最大纵坡度3％，最大纵坡长度为900m，最小纵坡长度为300m，此推荐值不适用于车辆超高速行驶工况，不合理的纵坡长度会影响行车的安全性，导致交通紊乱。因此，为避免纵坡长度的设置不当造成行驶舒适性和安全性的降低，本发明给出一种超高速公路纵坡坡度的确定方法，结合车辆动力性以及驾驶员心率增长率，运用carsim仿真软件，对纵坡坡度进行设置和验证。

技术实现思路

1、发明目的是针对目前高速公路纵坡的设计标准未考虑汽车在超高速公路的行驶工况，本发明从汽车动力性、行驶安全性，行驶舒适性等方面进行考虑，提出一种超高速公路纵坡坡度确定方法，能够为确定扩建超高速公路的纵坡坡度提供设计依据。

2、本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

3、一种超高速公路纵坡坡度确定方法，包括以下步骤：

4、步骤1：运用carsim软件搭建双向十车道模型和汽车模型；

5、步骤2：计算不同设定行驶速度下的最大爬坡度imax；

6、步骤3：若不同设定行驶速度下的最大爬坡度满足规定的不同设定行驶速度下的最大爬坡度，则进入步骤4；否则改变双向十车道模型和汽车模型返回步骤2；

7、步骤4：构建坡度和速度差共同影响下的心率增长率的模型；

8、根据carsim软件模拟所得出的坡度以及设定行驶速度下的速度差，计算坡度和速度差共同影响下的心率增长率nu，进一步获得不同坡度下的心理承受指标k1nu，选取20％<k1nu<30％对应的坡度作为设定行驶速度下的坡度，其中k1为驾驶员的素质影响因素。

9、如上所述步骤2中最大爬坡度imax基于以下公式计算：

10、imax＝(λd-f)/100

11、其中，λ为海拔荷载修正系数，d为动力因数，f为滚动阻力系数。

12、如上所述动力因数d基于以下公式计算：

13、

14、其中，ft为汽车驱动力，fw为空气阻力，g为汽车重量。

15、如上所述汽车驱动力ft和空气阻力fw分别基于以下公式：

16、

17、

18、其中，ttq为转矩，ig为变速器传动比，i0为主减速器传动比，ηt为机械效率，r为车轮半径，cd为空气阻力系数，a为迎风面积，u为行驶速度。

19、如上所述步骤4中驾驶员心率增长率的模型包括：

20、坡度影响下的心率增长率n1的模型：

21、n1＝a1*i2-b1*i+c1

22、速度差影响下的心率增长率n2的模型：

23、n2＝a2*eb2*△v+c2

24、坡度和速度差共同影响下的心率增长率nu的模型：

25、nu＝a3*n1+b3*n2+c3

26、其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、以及c3均为拟合参数，i为坡度，△v为速度差。

27、如上所述步骤4中还包括以下步骤：

28、在同一车速不变，改变坡度的情况下，测量驾驶员的心率增长率，通过拟合求取a1、b1和c1；

29、在车速变化为△v，且坡度不变的情况下，测量驾驶员的心率增长率，通过拟合求取a2、b2和c2；

30、在车辆变化为△v，且改变坡度的情况下，测量驾驶员的心率增长率，通过拟合求取a3、b3和c3。

31、本发明提供的上述超高速公路纵坡坡度的确定方法的主要效益在于：

32、优点1：充分考虑驾驶员在超高速行驶状态下的车辆动力性，运用了汽车动力学公式，当汽车需最大爬坡度，此时的加速阻力为0，车辆将克服滚动阻力和空气阻力后的全部余力用来克服坡度阻力，由此可以得到动力因数，动力因数与坡度之间存在线性关系，当地面海拔数越高时，最大爬坡度越小。

33、优点2：基于车辆动力学计算所得出的最大爬坡度，依次递减1％，运用carsim仿真软件模拟超高速公路纵坡的行驶工况，可以得到车辆在初速度为160km/h，不同坡度时的速度变化曲线。

34、优点3：基于不同坡度的速度变化，运用驾驶员心率增长率的计算模型，计算坡度和速度差共同影响下的驾驶员心率增长率，避免了单一变量带来的偶然性和不确定性，通过实车试验在高速公路纵坡行驶的心率增长率，建立纵坡行驶舒适性阈值评价指标，即心理承受指标，对坡度进行最优选择。

35、优点4：仿真软件可提供相同的道路条件，避免了多次实验条件不同而造成的误差，使模型计算所得的坡度值更加精确。并且车辆在160km/h的超高速公路极其危险，仿真实验避免了超高速行驶可能会带来的危险性和灾难性，还具有低成本、上手容易、花费时间短等优点。

技术特征：

1.一种超高速公路纵坡坡度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种超高速公路纵坡坡度确定方法，其特征在于，所述步骤2中最大爬坡度imax基于以下公式计算：

3.根据权利要求2所述一种超高速公路纵坡坡度确定方法，其特征在于，所述动力因数d基于以下公式计算：

4.根据权利要求3所述一种超高速公路纵坡坡度确定方法，其特征在于，所述汽车驱动力ft和空气阻力fw分别基于以下公式：

5.根据权利要求1所述一种超高速公路纵坡坡度确定方法，其特征在于，所述步骤4中驾驶员心率增长率的模型包括：

6.根据权利要求5所述一种超高速公路纵坡坡度确定方法，其特征在于，所述步骤4中还包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种超高速公路纵坡坡度确定方法，搭建双向十车道模型和汽车模型；计算不同设定行驶速度下的最大爬坡度；判断不同设定行驶速度下的最大爬坡度是否满足规定；构建坡度和速度差共同影响下的心率增长率的模型；计算坡度和速度差共同影响下的心率增长率，进一步获得不同坡度下的心理承受指标，根据心理承受指标确定设定行驶速度下的坡度。本发明基于不同坡度的速度变化，运用驾驶员心率增长率的计算模型，计算坡度和速度差共同影响下的驾驶员心率增长率，并进一步计算心理承受指标，对坡度进行最优选择。

技术研发人员：庄稼丰,王丽园,熊文磊,罗丰,马天奕,李正军,杨晶,徐进,侯珊珊
受保护的技术使用者：中交第二公路勘察设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15