高速公路连续长大下坡路段线形优化理论与方法研究

摘要

近年来，为满足社会经济快速发展的需要，高速公路建设重点已从东部平原微丘逐步向中西部山区重丘转移。受山区地形地貌、地质和社会经济等方面的限制，山区高速公路连续长大下坡路段的数量和长度不断增加，并呈现了与隧道群、桥隧群、螺旋隧道、高墩桥梁等特殊结构物组合的特征。同时，受高海拔的影响，连续长大下坡路段通常存在雾、冰雪、强侧风、强降雨等不利气候条件，车辆运行安全风险较大。调查表明，国内大多数连续长大下坡路段为事故相对多发路段，部分高速公路甚至因连续长大下坡路段导致的群死群伤事故而被称为“死亡之路”。尽管国内在连续长大下坡安全保障方面已经开展了大量研究，但针对线形指标的研究较薄弱，连续长大下坡路段的运营安全问题仍较严峻。因此，有必要针对高速公路连续长大下坡路段的线形设计和优化技术开展更深入和更具针对性地研究，为进一步提高连续长大下坡路段的运营安全风险防控能力提供技术支撑。
　　本论文以高速公路连续长大下坡路段为研究对象，在分析连续长大下坡路段主要运营安全风险因子的基础上，针对连续长大下坡路段驾驶负荷与线形指标关系、纵断面指标优化技术、平纵线形组合优化技术开展研究，主要内容包括以下四方面:
　　(1)连续长大下坡路段运营安全风险因子分析。从驾驶人行为、车辆状态、设施条件和交通环境等角度分析梳理了高速公路连续长大下坡路段主要存在的不利交通安全因素，建立了高速公路连续长大下坡路段运营安全风险因子清单，构建了连续长大下坡路段运营安全风险防控措施总体架构。
　　(2)连续长大下坡路段驾驶负荷与线形指标关系研究。分析了车辆在连续长大下坡路段行驶时驾驶人的行车感受、车辆操作行为特征、不同展线形式下路径选择和安全设施使用效果的直观感受等特性，开展了高速公路连续长大下坡路段驾驶负荷实车试验，建立了高速公路连续长大下坡路段平纵线形指标与驾驶负荷的定量关系模型，提出了基于驾驶负荷的线形指标评估方法。
　　(3)连续长大下坡路段纵断面指标优化研究。综合考虑连续长大下坡长度、平均纵坡、纵坡坡段组成、下坡速度、重载货车车辆特性和车辆总重等因素，采用制动器温升模型和基于TruckSim的车辆动力学仿真技术，分析了特定连续长大下坡路段货车下坡过程中制动器温度和制动力矩的变化趋势、货车不同轴之间制动力矩的分布特性以及坡段纵坡对货车制动力矩的影响和车辆总重、运行速度对货车制动器温度及制动力矩的影响，探讨了高速公路连续长大下坡路段采用单一纵坡下坡和设置缓坡两种展线形式对货车制动器温度和制动力矩影响的差异，提出了高速公路连续长大下坡路段区段划分的量化标准、纵坡设计和安全对策措施建议，为《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)第3.0.17条的修订提供了支撑。
　　(4)连续长大下坡路段线形组合优化研究。针对高速公路连续长大下坡路段道路环境特征，考虑平纵线形组合、驾驶入动态视觉特性、车辆运行速度和车前灯照射范围等因素，采用三维动态视距作为评估线形组合的关键指标，提出了基于三次B样条曲线的三维公路线形拟合方法。进一步以驾驶入视点和视距验算点的连线与视线中心线的夹角和驾驶人在该方向上最大动态视角的关系作为约束条件，建立了三维动态视距计算模型，提出了基于三维动态视距的高速公路连续长大下坡路段线形组合评价方法。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究目的与意义

1．3 主要研究内容

1．4 研究技术路线

2 国内外研究综述

2．1 连续长大下坡路段安全性分析与评价技术研究

2．2 连续长大下坡路段驾驶人生理和心理指标研究

2．3 连续长大下坡路段线形指标优化研究

2．4 连续长大下坡路段安全保障措施研究

2．5 研究现状评述

2．6 本章小结

3 连续长大下坡路段运营安全风险因子分析

3．1 驾驶人行为

3．2 车辆状态

3．3 设施条件

3．4 交通环境

3．5 连续长大下坡路段运营安全风险因子清单

3．6 本章小结

4 连续长大下坡路段驾驶负荷与线形指标关系研究

4．1 驾驶人调查分析

4．1．1 驾驶人直观感受分析

4．1．2 货车驾驶人路线选择分析

4．1．3 驾驶人驾驶行为特征分析

4．2 驾驶人驾驶负荷特征分析

4．2．1 主要分析指标选取

4．2．2 试验数据采集

4．2．3 单项指标相关性分析

4．2．4 驾驶负荷与线形指标关系模型

4．2．5 基于驾驶负荷的线形指标评估技术

4．3 本章小结

5 连续长大下坡路段纵断面指标优化研究

5．1 坡段组成对货车制动器温度的影响

5．1．1 样本和分析参数的确定

5．1．2 特定连续长大下坡货车制动器温升特性

5．1．3 坡段组成对货车制动器温度的影响

5．1．4 基于货车制动器温度的连续长大下坡区段划分

5．2 坡段组成对货车行驶状态的影响

5．2．1 货车不同轴制动力矩分布特征

5．2．2 坡段纵坡对制动力矩的影响

5．2．3 运行速度对制动力矩的影响

5．2．4 车辆总重对制动力的矩影响

5．2．5 不同展线形式对制动力矩的影响

5．3 连续长大下坡路段纵断面设计建议

5．4 连续长大下坡路段纵断面对策措施建议

5．5 本章小结

6 连续长大下坡路段线形组合优化研究

6．1 线形组合评价指标的选取

6．2 三维公路线形拟合方法

6．2．1 三维坐标计算方法

6．2．2 三维公路线形拟合模型

6．2．3 线形拟合误差分析

6．3 三维动态视距计算模型

6．3．1 三维动态视距计算方法

6．3．2 视距计算判定条件

6．3．3 三维动态视距计算模型

6．4 基于三维动态视距的线形组合评价技术

6．4．1 线形组合评价标准

6．4．2 线形组合评价案例分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要研究成果

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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