第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
根据 2015 年中国公路年会相关报告及 2016 年底李小鹏在全国交通运输工作会议的总结，悉知公路在综合交通运输体系中的基础地位和主体作用仍然显著，仍然是稳经济、利民生的重要领域，并且山区公路建设仍处于硬性规划指标中。建成通车的山区公路由于道路等级低、缺乏管理和维护，交通事频发，引起了社会的高度关注。统计数据表明[1]，我国山区公路事故起数占全国道路事故起数的比例较小，；但山区公路伤亡损失强度最为严重。以 2011 年为例，山区公路事故起数只占全国道路事故起数的 13.1%。然而，全国道路每百起交通事故死亡 29.6 人，山区公路37 人；全国道路每百起交通事故受伤 112.6 人，山区公路 128 人；全国道路每百起交通事故直接经济损失 44.1 万元，山区公路 66.1 万元。人-车-路-环境构成的道路交通系统，其通达性、宜人性取决于系统组成成分在参与交通过程中，是否协调。任何一个组成成分自身或相互间的作用失调，都可能导致事故发生、道路破损、交通拥堵等等。本文主要以路为出发点，分析不同的弯坡组合路段下车辆的行驶特性。本文的研究意义在于：山区公路弯坡组合路段作为最复杂、最典型的一种线形组合形式，需对其进行划分，以对其建立更好的认识。本文先总结专家学者的分级方法，接着利用眼动试验数据分析驾驶员视觉敏感的道路线形组成，对弯坡组合路段进行界定，最后综合以上划分方法，对界定范围内的弯坡组合路段进行分级，为后续研究提供条理依据。
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1.2 国内外研究现状
国外在公路曲线路段的研究开展较早，在弯坡组合路段道路安全审计、运行车速和轨迹以及道路设计对策等方面成果丰硕，下面分别从这几方面予以归纳介绍。①在道路安全审计方面：美国于1995年提出的《ROAD SAFETYAUDIT:ANEW TOOL FOR ACCIDENT PREVENTION》，论述了道路安全性及其所受的环境影响[2]。英国于1996年出版的《道路安全评价指南》，论述了安全审查的实施规程及方法，并列出了评价清单[3]。Wong.S.C、Sze.N.N通过调查华盛顿等州的双车道公路，基于道路线形设计，建立了交通事故预测模型[4]。②在行驶速度方面：E. Felipe、F. Navin认为驾驶员主要根据半径选择速度。当曲线半径较大时，会根据行车舒适性和环境因素选择速度；曲线半径较小时，驾驶员只根据横向舒适性选择速度[5]。Ruediger Lamm研究了速度与转角、车道宽度及曲率半径之间的关系，认为平曲线线形要素对速度影响最大[6]。R.Krammes等通过统计多处自由流状态下的平曲线车辆速度，建立了速度与平曲线转角、长度及曲率之间的回归模型[7]。③在行驶轨迹方面，Glennon、Weaver通过摄像得到弯坡组合路段的行车轨迹，是一条连续复杂的曲线，且与平面线形好坏关系不大[8]。Peter Spacek开发了红外线观测柱以观测车辆行驶速度、方向以及车辆轮廓，该设备还能绘制实际的弯坡组合路段作为背景，从而对过往的车辆速度和轨迹进行研究[9]。M.Imran、YHassan通过定位导航软件得到车辆行驶轨迹坐标，试图将坐标转换为平面线形要素，从而控制车辆行驶[10]。④在设计对策方面，Ronald W.Eck、L.James French认为在曲线处的路面宽度对转弯车辆是不够的，在转向或制动时造成轮胎离开道路，因此在急弯处必须为大卡车提供足够的路面宽度。提出在下坡处设置富余超高是出于安全需求，而在上坡方向只需要较小的超高。还谈到司机认为下坡与平曲线组合更危险，当侧向加速度达到0.2g时，会突然刹车[11]。Udai Hassein、Said Easa和KaarmanRaahemifar认为公路几何设计的平面线形要素，重点在于满足汽车运动动力学在平曲线上的超高需求，超高直接关系车辆行驶稳定性，并提出应通过超高分配来改善公路设计的连续性[12]。Darren J.Torbic、Eric T.Donnell和Sean N.Brennan研究发现当车辆以设计速度或接近的速度驶于平曲线时，纵坡和最大超高对所有类型车辆滑移和倾覆安全阈值有影响。设计时，一个简单的水平曲线，下坡最大超高不应超过12%，如果大于12%，应设置缓和曲线；上坡坡度不小于4%时，最大超高应控制在9%以内；坡度为4%甚至更大的下坡与小半径曲线的组合路段，不应设计较低的设计速度，如每小时30英里或更小，如不能避免，应在进入曲线前设置警告标志[13]。
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第二章 弯坡组合路段划分方法
为了细化对山区双车道公路弯坡组合路段的认识，对其进行划分以分别进行研究。本章首先总结已有研究对于平曲线半径及纵坡的划分与组合，包括规范、学者团队成果以及士论文等。在此基础上，针对重庆山区双车道公路，进行眼动仪试验，试图通过驾驶员对路段的视觉敏感性界定弯坡组合路段。最后，综合研究得到本文对于山区公路弯坡组合路段的等级划分。
2.1 概述
根据国内外相关文献，尽管针对山区公路的研究目的不尽相同，但不少文献都涉及路段划分。在评价道路安全性时，国内外目前的模式为：首先对不同线形的路段进行划分，然后根据不同路段对应的运行速度预测模型，进行道路安全性评价。运行速度分析路段的划分主要基于道路线形指标对车速的影响[45]。美国 IHSDM 设计一致性评价中，将路段划分为曲线与非曲线两种线形，同时，美国 FHWA 在收集相关数据资料基础上，分析了不同纵坡坡度对平曲线上车辆运行速度的影响，提出纵坡坡度 4%为划分纵坡坡度的阈值[46]。即是将纵坡大于等于 4%的平曲线路段视为弯坡组合路段，这与美国的地形地貌分不开，除东部阿巴拉契亚山脉和西岸科迪勒拉山系之外，美国国土的主体构成是广袤无垠的冲积平原、高地平原和内陆盆地，地势极为平坦，因此绝大部分公路所穿越的都是平缓地形[46][47]，故分析路段单元的划分较为单一。我国进行道路安全性评价时，主要依据《公路项目安全性评价规范》（JTGB05-2015）[48]，认为道路线形与运行速度同步变化，并依据平曲线半径和纵坡坡度指标，将公路划分为平直路段、平曲线路段、纵坡路段、弯坡组合路段、隧道路段等若干个分析单元。在不同的道路等级下，平直路段、纵坡路段及弯坡组合路段的划分不同。高速公路的分析单元划分应符合表 2.1 规定，二、三级公路分析单元划分应符合表 2.2 规定。
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2.2 弯坡组合路段界定及分级
参考相关文献，按照本文技术路线，提出山区公路弯坡组合路段界定阈值，而后通过实车试验来进一步明确怎样的弯坡组合路段是满足行车需求的。采取眼动试验获取驾驶员对道路线形的敏感指标，从而实现对弯坡组合路段的界定。试验采用 Smart Eye Pro5.7 型非侵入式眼动仪，以获取驾驶员眼动数据：注视持续时间、注视点分布、注视点距离、扫视持续时间及瞳孔直径。由于缺乏该试验路段道路线形资料，采用车载激光扫描系统获取。由于早期公路建设和管理并未规范化，很多道路线形资料部分或全部遗失，或者与实际道路不符，因此如何利用先进的方法，快速准确地拟合出道路线形，值得探讨。传统的线形恢复方法，一般是利用全站仪[58]，或者利用车载 GPS 沿道路中心线或道路边线连续采集平面线形[59]。这些方法前后期都需要消耗较大的工作强度和时间。而采用车载激光扫描系统，通过获取道路数据点云而恢复道路线形的方法，由于其自动化程度高，不仅用时短、还能获取较高的精度，大大减小了人工工作量。下面分步说明如何利用道路数据点云，对公路平面线形进行拟合。
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第三章 弯坡组合路段行车特性试验设计 ........20
3.1 试验目的 .......... 20
3.2 试验指标的选取 .......... 20
3.3 试验数据采集 .............. 23
3.4 试验数据预处理 .......... 27
3.4.1 试验数据的同步匹配 .... 28
3.4.2 无效数据的剔除 ............ 28
3.5 本章小结 .......... 28
第四章 弯坡组合路段车辆行车特性研究 ........29
4.1 弯坡组合路段速度特性分析 ............. 29
4.1.1 数据处理 ............ 29
4.1.2 速度特性分析 .... 29
4.1.3 速度特性综述 .... 36
4.2 弯坡组合路段加速度特性分析 ......... 36
4.3 弯坡组合路段行车轨迹特性分析 ..... 41
4.4 本章小结 ......... 49
第五章 基于行车需求的道路设计优化技术研究 ..........50
5.1 弯坡组合路段设计理念 ......... 50
5.2 基于行车需求的弯坡组合路段设计技术 ..... 50
5.3 基于 ADAMS/Cartruck 弯坡组合路段仿真 .............. 52
5.4 本章小结 ......... 64
第五章 基于行车需求的道路设计优化技术研究
本章在前面章节山区公路弯坡组合路段进行等级划分、行车特性试验以及行车特性分析的基础上，对山区公路弯坡组合路段设计理念及优化设计对策进行总结，并依次为依据，建立每个等级弯坡组合路段优化后的道路模型，通过ADAMS/Cartruck 进行整车仿真，以检验优化技术的合理性，并完善山区公路弯坡组合路段设计对策。
5.1 弯坡组合路段设计理念
公路是支持车辆行驶的基础，公路几何线形是驾驶人对车辆行进采取控制操作的重要依据，因此山区公路设计时应做到与车辆行驶特性、驾驶人行为特性之间的有机融合。汽车驾驶行为可以看成是不同“轨迹选择模式”与不同“速度选择模式”的组合配对。因此以往设计中按“驾驶人操纵车辆沿道路中线等速行驶”的假定设计得到的道路几何显然与实际的驾驶行为不匹配，不符合驾驶人行车时的心理预期。我国目前仍采用设计速度进行道路设计，同时增加运行车速对线形进行检验。有学者提出“用真实的驾驶行为和车辆特性来控制道路几何设计”[47]，即用行驶轨迹和行驶速度控制道路几何要素的取值。该理念的前瞻性很强，但真正实现尚有保留。弯坡组合路段是山区公路常见的特殊路段，通过断面观测法将其独立出来进行研究，但无法进行单独设计，因为必须放在整个公路设计中予以综合考虑。按照目前的设计理念，涉及平纵组合的地方必定是平面上前后线形需要转向，同时具有一定高差。主要依据规划公路等级查阅规范取值，重点考虑经济性，做到“填挖平衡”以达到合理利用、保护、降低造价的目的。然而规范出于慎重给出的都是最小值、一般值、极限值（或临界值），所以对于设计人员而言，具体取值全靠个人或传承下来的经验，或者完全站在业主角度，选择何种值既满足规范，也能将造价压到最低。这是设计业内较为普遍的设计理念。这里从研究人员角度去探讨平纵组合的设计，完全基于实际行车特性。
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结论
本文以山区双车道公路弯坡组合路段为研究对象，通过实车试验及软件仿真得到如下研究结论：
①大车和小车在弯坡组合路段较为一致地表现为减速进弯、加速出弯。大车在弯坡组合路段的速度波动较大，且加速愿望也较小车明显。道路线形条件越好，车辆平均车速越高。基本型曲线，影响车速的主要因素是视距、路边行人干扰等；S 型曲线，半径不是制约车速的主要因素。
②基本型曲线上，等级越高的弯坡组合路段，径向加速度波动越大；而 S 型曲线在第一个曲线表现出大幅度波动，第二个曲线波动较小。认为径向加速度与驾驶员对弯道的适应性有关。影响汽车某处横向加速度的主要因素有运行速度、轨迹半径、该处平曲线超高及路面宽度。基本型曲线，驶于车道内侧，车辆横向加速度先减后增，驶于车道外侧则相反，由此进行轨迹预测并在轨迹试验中的到验证。连续曲线，横向加速度具有延后效应，且前后曲线半径差值越大，横向加速度波动越明显。
③车辆在基本型曲线的 ZH~HY 断面及 HZ 断面表现出高频相交特性，在 S型曲线的1 2HZ /ZH 断面及2HZ断面表现出高频相交特性。车辆在基本型曲线及 S型曲线的 QZ 断面基本不表现出交叉特性，但横向偏移量比较突出；当半径大于某临界值时，S 型曲线同基本型曲线具有一致规律，即在 QZ 断面内侧，车辆具有最小轨迹横向偏移量；在 QZ 断面外侧，车辆具有最大轨迹横向偏移量；当 S型半径小于某临界值时，车辆在第二个曲线所表现的轨迹偏移特性与在第一个曲线类似，且轨迹偏移量较第一个曲线大。当驾驶员对连续弯道路况较为熟悉或者行车过程逐渐适应弯道频繁转向后，倾向于靠近道路中心线行驶。
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参考文献（略）