考虑大型车转弯特性的右转弯车道设计方法

摘要

本发明属于交通安全设计、道路设计领域。针对大型车辆右转弯过程中出现的最大扫掠路径宽度和内轮差，为提供一种考虑大型车转弯特性的右转弯车道设计方法，在安全、效率和土地利用三方面与传统设计方法有较大改进，本发明采取的技术方案是，考虑大型车转弯特性的右转弯车道设计方法，包括下列步骤：计算牵引拖挂车、小客车轮迹偏移；(1)导流路的宽度应该等于轮迹内移即最大扫掠路径宽度和侧向净空之和；(2)大型车右转弯轨迹通过一个进口道曲线半径较小、出口道曲线半径较大的非对称的三心圆复合曲线来进行拟合；在给定导流路宽度和内弧线半径条件下，画出右转弯车道的三心圆复合曲线。本发明主要应用于道路设计。

说明书

技术领域

本发明属于交通安全设计、道路设计领域，具体涉及考虑大型车转弯特性的右转弯车道 设计方法。

背景技术

在交叉口规划与设计过程中，右转弯车道的布设直接关系到交叉口的用地规模以及交通 运行的效率和安全。在考虑交通组成的基础上，对于城市道路交叉口，现行的《城市道路平 面交叉口规划与设计规程》中选择长为5米宽为1.8米的小型车和长为12米宽为2.5米的大 型车两类车型为设计车型，而对于公路交叉口，现行的《公路路线设计规范》中选择总长为 6米、宽为1.8米的小客车，总长为12米宽为2.5米的载重汽车和总长为16米宽为2.5米的 鞍式列车3类车型为设计车辆。在港区道路上，交通组成中以带有两个标准集装箱或一个大 集装箱的大型车辆为主要车型，这种车辆的车身长度约为16米，有三轴、四轴和五轴几种类 型，其中五轴加长集装箱车辆所占比例较大。因此，在港口道路和交叉口设计中，应考虑以五 轴加长集装箱车辆这类标准大货车作为设计车辆，其常见的外廓尺寸如附图1所示。

大型车辆在转弯过程中容易产生轮迹内移，如附图2所示。轮迹内移的描述具有两个方 式：一种是稳态轮迹内移量，其定义为车辆在低速转弯过程中，车辆前轴中线与后轴中线之 间的产生的径向偏移；另一种是扫掠路径宽度，其定义为前外牵引车胎与后内挂车胎之间的 路径差。另外一个描述大型车转弯特性的重要变量就是内轮差，它是指车辆转弯时内前轮转 弯半径与内后轮转弯半径之差，对于五轴加长集装箱车辆，则是牵引车的内前轮与挂车的内 后轮转弯半径之差。一般而言，车身越长，形成的内轮差就越大，扫掠路径宽度也会随之扩 大。

由于内轮差的存在，大型车辆在转弯时，前、后车轮的行驶轨迹不重合，且前车身和后 车身之间形成较大的转角，极易形成驾驶员的“视觉盲区”。例如，如果大型车驾驶员在右转 弯过程中只注意前轮能够通过而忘记内轮差的存在，就可能造成后内轮驶出路面或与等待穿 行的非机动车和行人发生碰撞，造成交通事故。

在道路平曲线设计中需要考虑稳态轮迹内移和内外轮差的大小。然而，在我国道路和交 通设计领域的实践应用中，对于右转弯车道的设计，绝大多数情况下采用简单的单心圆复合 曲线(附图3-A)，极少数情况下会采用三心圆复合曲线(附图3-B)来模拟右转弯车辆的行 驶轨迹，进行右转弯路缘石的曲线设计。单心圆复合曲线的方法具有切线长、易掌握和实用 性强的特点，能满足城市道路小客车的设计要求，但是对于港口道路多轴大型车却难以适应。 采用这种设计方法来进行大型车的右转弯车道设计往往容易导致转弯半径(单心圆半径)不 足或者转弯半径过大两种不良后果：转弯半径过大造成交叉口用地浪费，容易诱发交叉口转 角处随意停车的现象；转弯半径不足则会降低大车行驶的平顺性，增加行车延误，甚至出现 干扰进出口道相邻车道车流的情况。同样，三心圆复合曲线设计方法也存在类似的问题。

因此，在港口道路交叉口交通安全设计中，有必要考虑大型车辆的转弯特性来进行右转 弯车道的设计，一方面可以保障大型车转弯的平顺性，减少对相邻车道车流的干扰，提高交 通效率；另一方面可以避免大型车压路缘石现象，减少交通事故，提高交通安全。

发明内容

本发明旨在解决克服现有技术的不足，针对大型车辆右转弯过程中出现的最大扫掠路径 宽度和内轮差，提供一种考虑大型车转弯特性的右转弯车道设计方法，在安全、效率和土地 利用三方面与传统设计方法有较大改进。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，考虑 大型车转弯特性的右转弯车道设计方法，包括下列步骤：

计算牵引拖挂车、小客车轮迹偏移；

对于多轴大型车，采用实测数据和轨迹模拟相结合的方法来估计包括最大扫掠路径宽度、 最大轮迹偏移和内外轮差的转弯参数：首先利用基于视频的轨迹提取软件描出前轴中心与后 轴中心轨迹线，沿轨迹曲线的整个长度作出两条轨迹曲线的径向线，在这些径向线中找出最 大径向距离，最大轨迹偏移等于实测的最大径向距离减去拖车后轴宽的一半；然后，利用车 辆轨迹模拟软件Autoturn对标准大货车在不同转弯半径下进行90度的转弯建模实验，得出 各种条件下的最大扫掠路径宽度、最大轮迹偏移和内外轮差设计参数；最后，利用基于视频 获得的实测数据对基于转弯建模实验的设计参数数据进行校核，确定最后的转弯参数；

基于以上的转弯参数，通过如下方法设计转弯车道：

(1)导流路的宽度应该等于轮迹内移即最大扫掠路径宽度和侧向净空之和；

(2)大型车右转弯轨迹通过一个进口道曲线半径较小、出口道曲线半径较大的非对称的三 心圆复合曲线来进行拟合；

(3)在给定导流路宽度和内弧线半径条件下，右转弯车道的三心圆复合曲线画出步骤：

1)根据设计车辆类型，绘制道路外侧的转弯半径R₀，圆心为O₀；

3)根据设计车辆的设计右转车道宽度w，偏移出道路内侧的转弯半径R_i，内外侧的转弯 半径共圆心；

4)缓和曲线的半径长度R₁、R₂，取决于道路内侧的转弯半径，为道路内侧的转弯半径的 n倍，n取值为3-4；

5)分别以O₀为圆心，R₁-R₁、R₂-R_i为半径画圆弧，圆弧与道路内侧的距离为R₁的平行线的 交点O₁，即是缓和曲线1的圆心，圆弧与另一道路内侧的距离为R₂的平行线的交点O₂，即是 缓和曲线2的圆心；

6)连接O₀O₁、O₀O₂并延伸与道路内侧线的交点分别为B₁、B₂；

7)分别以O₁、O₂为圆心，R₁、R₂为半径画圆弧，得到的弧A₁B₁、A₂B₂即是缓和曲线1和缓 和曲线2，A₁、A₂分别为弧A₁B₁、A₂B₂连接道路内侧的接点。

所述计算牵引拖挂车、小客车轮迹偏移是，对于牵引拖挂车，轮迹偏移是指中轴到后轴 的最大距离；对于小客车，其轮迹偏移用以下勾股定理公式进行计算：

$\mathrm{OT}=-R+\sqrt{(R^2-l^2)}---\left(1\right)$

式中：l＝两轴之间的距离，单位m；R＝曲线半径，单位m；

若计算出轮迹偏移为负值，则说明轮迹向曲线中心偏移；若l＜＜R，则计算公式简化为 -0.5(l²/R)

本发明的技术特点及效果：

(1)以实测数据为基础，先获取大型车辆的最大轮迹偏移值，最大扫掠路径与最大轮迹 偏移发生在车辆转弯的同一位置，采用估计的方法获取大型车辆的实际行驶的最大扫掠路径 宽度及内轮差；

(2)采取模拟的方法，利用Autoturn软件对大型车辆在不同转弯半径下进行90度的右 转弯建模实验，得到不同转弯半径下大型车的最大扫掠路径宽度及内轮差；

(3)实测数据与实验模拟数据相结合，确定不同转弯半径条件下大型车右转弯导流路宽 度和非对称三心圆内弧线的设计参数，以此为依据指导右转弯车道的设计；

(4)采用仿真建模的方法评价新设计方法，从仿真结果可以验证本发明提出的右转弯车 道设计方法与传统设计方法相比，在效率方面交叉口延误相当，而在交通安全方面增加大型 车的行驶平顺性，减少与其他车道车流的交通冲突，而且可以节省占地。

附图说明

图1为本发明的港区和物流园区标准大货车尺寸示意图。

图2为本发明的大型车轮迹偏移、最大扫掠路径宽度和内轮差示意图。

图3为传统的和本发明提出的右转弯车道的设计方法。图中，A.单心圆复合曲线，B.三 心圆复合曲线，C.非对称三圆心复合曲线。

图4为本发明中提出的基于视频分析软件的大型车实际行车轨迹提取方法。

图5为右转导流路宽度与最大扫掠路径宽度和侧向净空的关系示意图。

图6为本发明提出的导流路宽度和内弧线半径已知条件下右转弯车道作图流程。图中，

1)车道流入的方向为沿X’YX，D’CD为车道右侧路缘石；

2)根据设计车辆类型，绘制道路外侧的转弯半径；

3)根据设计车辆的设计右转车道宽度w，偏移出道路内侧的转弯半径，内外侧的转弯半 径共圆心；

4)缓和曲线的半径长度R₁、R₂，取决于道路内侧的转弯半径R_i，一般取值为R_i的3-4 倍。

图7为本发明提出的导流路宽度和内弧线半径已知条件下右转弯车道作图流程续。图中，

5)分别以O₀为圆心，R₁-R_i、R₂-R_i为半径画圆弧，圆弧与D’C的平行线(距离为R1) 的交点O₁，即是缓和曲线1的圆心，圆弧与DC的平行线(距离为R₂)的交点O₂，即是缓 和曲线2的圆心；

6)连接O₀O₁、O₀O₂并延伸与道路内侧线的交点分别为B₁、B₂；

7)分别以O₁、O₂为圆心，R₁、R₂为半径画圆弧，得到的弧A₁B₁、A₂B₂即是缓和曲线1 和缓和曲线2。

图8为本发明所采用的具体实施技术路线。

图9为实施例1中基于实测数据的最大轨迹偏移和最大扫掠路径宽度。

图10为实施例1中的仿真评价建模效果图。

图11为新设计方法与传统设计方法在用地上的比较(实例1)。

具体实施方式

本发明针对大型车辆右转弯过程中出现的最大扫掠路径宽度和内轮差，提出一种考虑大 型车转弯特性的右转弯车道设计方法，并从安全、效率和土地利用三方面比较新设计方法与 传统设计方法的差异。这种新的设计方法主要包括三个方面的内容：基于最大扫掠路径宽度 的右转导流路宽度确定、考虑内轮差的非对称三心圆右转弯内弧线设计、给定导流路宽度和 内弧线半径条件下的右转弯车道一体化几何作图流程。考虑大型车右转弯特性的右转弯车道 设计方法的评价方法包括三个方面：(1)利用VISSIM建立交通仿真模型，比较右转弯过程中 的行车延误；(2)基于VISSIM模型，利用交通安全分析软件SSAM比较大型车右转弯过程中 的交通冲突；(3)利用AutoTurn软件模拟标准大货车在不同设计方法下的轨迹差异，比较不 同设计方法的土地利用效率。

在计算轮迹内移时，可以运用公式计算相邻轴对或者相邻交接点之间的距离，轮迹偏移 值与这个距离的平方成正比。因此，对于大多数牵引拖挂车来说，轮迹偏移是指中轴到后轴 的最大距离。对于小客车而言，其轮迹偏移用以下勾股定理公式进行计算：

$\mathrm{OT}=-R+\sqrt{(R^2-l^2)}---\left(1\right)$

式中：l＝两轴之间的距离，m；R＝曲线半径，m；

若计算出轮迹偏移为负值，则说明轮迹向曲线中心偏移；若l＜＜R，则计算公式可以简化 为-0.5(l²/R)。

对于多轴大型车，本发明采用实测数据和轨迹模拟相结合的方法来估计各转弯参数：首 先利用基于视频的轨迹提取软件描出前轴中心与后轴中心轨迹线，沿轨迹曲线的整个长度作 出两条轨迹曲线的径向线(如附图4所示)，在这些径向线中找出最大径向距离，最大轨迹偏 移等于实测的最大径向距离减去拖车后轴宽的一半；然后，利用车辆轨迹模拟软件Autoturn 对标准大货车在不同转弯半径下进行90度的转弯建模实验，得出各种条件下的最大扫掠路径 宽度、最大轮迹偏移和内外轮差等设计参数；最后，利用实测数据对轨迹模拟数据进行校核， 确定最后的设计参数。基于以上的设计参数，通过如下方法设计转弯车道：

(1)导流路的宽度应该等于轮迹内移(最大扫掠路径宽度)和侧向净空之和，如附图5所 示。

(2)大型车右转弯轨迹可通过一个进口道曲线半径较小、出口道曲线半径较大的非对称的 三心圆复合曲线来进行拟合。

(3)在给定导流路宽度和内弧线半径条件下，右转弯车道的三心圆复合曲线可以按照图6-7 所说明的步骤画出。

下面结合附图8对本发明的实施例作详细说明：首先针对港口大型车较多的交叉口进行 视频数据的采集，其次确定比例最高的大型车类型，作为标准设计车辆，然后分别通过视频 分析软件对标准设计车辆的行车轨迹进行提取(时间精度0.1秒，空间精度0.5米)，和通过 Autoturn进行右转弯建模实验，得到不同条件下的最大扫掠路径宽度和内轮差等设计参数， 最后基于这些参数进行非对称三心圆复合曲线的拟合。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作 过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：本发明的右转弯车道设计方法用于某港区一典型交叉口右转弯车道的交通安 全设计。通过分析该港区大型车辆车型组成，加长集装箱车辆在该交叉口交通构成中所占的 比例均达到60％以上，绝大部分都是加长集装箱车辆，因此在港区右转弯车道的交通安全设 计中采用加长集装箱车辆为标准设计车辆。

在轨迹提取过程中选取15个符合要求的样本，最后得到标准设计车辆在相同道路条件、 相同转弯半径下的最大轨迹偏移和最大扫掠路径宽度的分布图，见附图9。利用Autoturn软 件对标准设计车辆在不同转弯半径下进行90度的转弯建模实验，分别选取15米、20米、25 米和30米转弯半径进行模拟实验，得到表1中的实验结果。

表1标准设计车辆不同转弯半径(R)下最大扫掠路径宽及内轮差

  最大扫掠路径宽度/m   内轮差/m   R＝15   4.48   1.98   R＝20   3.95   1.45   R＝25   3.62   1.12   R＝30   3.42   0.92

结合附图9和表1中的结果分别确定该港区右转弯车道设计中不同转弯半径的导流路宽 度和两种设计方法(传统的对称三心圆复合曲线和本发明提出的非对称三心圆复合曲线)下 的设计参数，如表2和表3中所示。

表2标准设计车辆在不同转弯半径条件下的90度转弯时的设计尺寸

表3标准设计车辆导流路宽度

选取转弯半径为25米条件下的右转来进行仿真建模，此时对应的右转车道宽度为5.0米， 利用微观仿真软件VISSIM进行仿真建模。仿真建模中的进口道为三车道(1左转车道+1直行 车道+1右转车道)，以表4中的数据作为仿真建模的输入参数，仿真效果见附图10所示。利 用VISSIM仿真输出的车辆速度、轨迹等信息，借助交通安全分析软件SSAM进行右转车的交 通冲突分析。

表4VISSIM仿真建模输入参数

  流量   左转比例   直行比例   右转比例   大车比例   1973veh/h   0.06   0.46   0.48   98％

最后得到的仿真结果如表5所示，可以看出两种设计方法的右转车均延误相当；与传统 方法相比，新设计方法中的右转大车与直线车辆的严重冲突大大减少，改善交通安全，并间 接地表明减少了右转大车转弯时占用同进口道直线车道的概率(减少61.43％)。

表5延误和交通冲突评价结果

(注：在SSAM分析中，TTC(Time To Colision)值小于1.5秒认为交通冲突发生)

图11以转弯半径为15米时的设计参数为参考，进行了单心圆复合曲线、对称三心圆复合 曲线和非对称三心圆复合曲线三种设计方法在占地面积上的比较，可以看出本发明提出的方 法更贴近大型车的右转弯轨迹，分别比单心圆和对称三心圆方法节约土地108.8m²和13.4m²。

本发明提出的考虑大型车转弯特性的右转弯车道设计方法针对大型车辆右转弯的突出特 性确定右转弯导流路的宽度，并采用非对称三心圆内弧线进行右转弯路缘石曲线进行设计， 同时提供完整的作图流程。新的设计方法能提高右转弯车辆的行驶平顺性，改善交通安全， 节约用地。