CN116186850A - 一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法 - Google Patents

一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高速公路设计技术领域，具体为一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法。本方案首先对小客车进行了独立的回归分析，建立适用于小客车超高速行驶时的μ阈值计算模型。之后基于μ值计算模型构建小客车专用高速公路圆曲线最小半径计算模型，对比分析三类圆曲线最小半径计算模型的差异性，选择最优计算模型，避免了单一计算模型带来的不确定性和偶然性，计算得到不同设计时速条件下的圆曲线最小半径，并给出相应的推荐值，通过实车实验建立圆曲线路段行驶舒适性阈值评价指标，再基于横向舒适性和稳定性验证了圆曲线最小半径推荐值的合理性和适用性。

Description

一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法
技术领域
本发明涉及高速公路设计技术领域，具体为一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法。
背景技术
截止2021年底，我国汽车保有量达3.02亿辆，2021年全国新注册登记汽车2622万辆，比2020年增加198万辆，增长8.16％。随着高速公路通行小客车数量逐年增加与小客车出行的升温，混合交通流下车辆速度差异大、车辆超车需求多，小客车与其他车辆混行的交通状况导致高速公路服务水平下降，造成部分道路拥堵，甚至导致交通事故增多。
而1981年颁布的《公路工程技术标准》(JTJ 01-81)规定了我国公路最高设计速度为120km/h，最新版《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)仍在沿用。但随着我国道路施工技术的发展和汽车性能的提升，建设设计速度超过120km/h的“小客车专用高速”成为可能，可现有研究缺乏对“小客车专用高速”圆曲线最小半径的研究。2021年10月，中国公路学会发布的《小客车专用高速公路工程技术指南》(TCHTS10042-2021)中对其路段服务水平进行分级，其设计速度为100km/h、120km/h、140km/h，未来将会出现设计时速为160km/h、180km/h的小客车专用高速公路，而高速公路曲线段由于线形特殊、驾驶人的驾驶行为较复杂等原因已经成为交通事故高发区域，圆曲线最小半径大小又是决定圆曲线路段行车安全的重要因素，同时合理的曲线半径也能减少土地资源浪费。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于而高速公路曲线段由于线形特殊已经成为交通事故高发区域，而圆曲线最小半径大小又是决定圆曲线路段行车安全的重要因素，故需对曲线半径进行合理设计。
本发明提供的基础方案：一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，包括步骤：
S1：搭建小客车专用高速公路场景；
S2：基于设计时速对小客车横向力系数进行独立回归分析，构建适用于小客车的μ阈值计算模型；
S3：基于μ阈值计算模型得到不同的μ阈值，并构建小客车专用高速的圆曲线最小半径计算模型；
S4：由μ阈值计算模型和圆曲线最小半径计算模型计算得到不同设计时速条件下的圆曲线最小半径值。
进一步，所述S1中搭建的小客车专用高速公路场景包括：驾驶员模型搭建、小客车模型搭建和道路模型搭建。
进一步，所述S2中的设计时速包括140km/h和160km/h。
进一步，所述S2中的μ阈值计算模型中，R2＝0.993，μ＝-0.05177*exp(v/116.481)+0.252。
进一步，S3包括步骤：
S301：基于μ阈值计算模型得到不同的μ阈值；
S302：构建三个小客车专用高速公路圆曲线最小半径计算模型，三个计算模型分别为：
Figure BDA0004068120180000021
通过对比分析三类圆曲线计算模型的差异性，选择最优计算模型为
Figure BDA0004068120180000022
R1、R2和R3为圆曲线最小半径(m)；v为车辆速度(km/h)；μ为横向力系数；ih为道路超高；δ为车型系数，小客车取1.06。
进一步，还包括S5：基于最小半径计算值提出具有安全余量的最小半径推荐取值。
进一步，还包括S6：通过仿真软件设置不同圆曲线最小半径，再基于横向舒适性和横向稳定性验证圆曲线最小半径的合理性。
进一步，还包括S7：通过仿真软件得到小客车在不同设计时速和圆曲线最小半径下横向偏移量最大值统计结果。
本发明的原理及优点在于：
1、本方案中首先对小客车进行了独立的回归分析，建立适用于小客车超高速行驶时的μ阈值计算模型。之后基于μ值计算模型构建小客车专用高速公路圆曲线最小半径计算模型，对比分析三类圆曲线最小半径计算模型的差异性，选择最优计算模型，避免了单一计算模型带来的不确定性和偶然性，计算得到不同设计时速条件下的圆曲线最小半径，并给出相应的推荐值，通过实车实验建立圆曲线路段行驶舒适性阈值评价指标，再基于横向舒适性和稳定性对圆曲线最小半径推荐值的合理性和适用性进行验证。而仿真软件能提供相同的道路条件，避免了因多次实验条件不同产生的误差，使得模型计算得到的圆曲线最小半径适应性更加广泛。
2、小客车专用高速公路设计速度都在120～240km/h之间，实车实验不仅非常危险，而且严重违法。根据部分学者对超高速公路的研究成果，采用交通仿真的方法，不需要真实汽车上路，可以减少大量的实验，避免超高速公路的交通系统中的某些危险情况或灾难性后果，交通仿真还能够重复提供相同的道路条件，从而可以避免因多次试验条件不同而产生的误差，且具有成本低、可重复、快速真实等优点。
附图说明
图1为本发明一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
具体实施过程如下：
实施例一
实施例一基本如附图1所示，一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，包括步骤：
S1：搭建小客车专用高速公路场景；
S2：基于设计时速对小客车横向力系数进行独立回归分析，构建适用于小客车的μ阈值计算模型；
S3：基于μ阈值计算模型得到不同的μ阈值，并构建小客车专用高速的圆曲线最小半径计算模型；
S4：由μ阈值计算模型和圆曲线最小半径计算模型计算得到不同设计时速条件下的圆曲线最小半径值；
S5：基于最小半径计算值提出具有安全余量的最小半径推荐取值；
S6：通过仿真软件设置不同圆曲线最小半径，再基于横向舒适性和横向稳定性验证圆曲线最小半径的合理性；
S7：通过仿真软件得到小客车在不同设计时速和圆曲线最小半径下横向偏移量最大值统计结果。
具体的，本实施例中，首先运用Carsim软件搭建小客车专用高速公路场景。双向八车道、双向十车道，其中包含人、车、路模型。
驾驶员模型搭建：在轻型高速圆曲线路段行驶时，主要通过转向控制完成弯道行驶，驾驶员转向控制可采用闭环预瞄控制，预瞄时间为1.5s，反应时间为0.5s，控制车辆按照道路中心线行驶。
小客车模型搭建：通过调查发现，轻型车辆可按比功率大小分为低、中、高三类，选取高比功率的小客车为模型搭建对象，高比功率小客车参数如表1所示，因为高比功率小客车能满足小客车专用高速的最低设计时速。
道路模型搭建：平面线形设计中，设置不同设计时速条件下的圆曲线最小半径(最小圆曲线半径值由步骤3给出)，圆曲线转角为60°，缓和曲线长度与圆曲线长度比值为1:2:1。
表1轻型车辆比功率分类表
Figure BDA0004068120180000041
之后，基于设计时速对小客车横向力系数进行独立回归分析，构建适用于小客车的μ阈值计算模型。具体的，该μ阈值计算模型中，R2＝0.993，利用该模型计算得到是英语设计时速为140km/h、160km/h条件下小客车专用高速公路圆曲线路段μ阈值，μ＝-0.05177*exp(v/116.481)+0.252。
基于该阈值，S3中还包括步骤：
S301：基于μ阈值计算模型得到不同的μ阈值如表2所示；
S302：构建三个小客车专用高速公路圆曲线最小半径计算模型，三个计算模型分别为：
Figure BDA0004068120180000042
通过对比分析三类圆曲线计算模型的差异性，选择最优计算模型为
Figure BDA0004068120180000043
R1、R2和R3为圆曲线最小半径(m)；v为车辆速度(km/h)；μ为横向力系数；ih为道路超高；δ为车型系数，小客车取1.06。
表2不同设计速度小客车的μ阈值表
Figure BDA0004068120180000044
由μ值计算模型和曲线最小半径计算模型计算得到不同设计时速和超高设置条件下圆曲线最小半径值，并依据最小半径计算值提出具有一定安全余量的最小半径推荐取值。设计速度为120km/h及以下的圆曲线最小半径与《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)相同，按照《规范》的安全余量给定方式，可以得到设计速度140km/h、160km/h的圆曲线最小半径推荐值，如表3所示，对比计算值与推荐值，小客车专用高速公路最小圆曲线最小半径计算值略低于《规范》推荐值，说明了本方法的可靠性。
表3小客车专用高速圆曲线最小半径计算值与推荐值
Figure BDA0004068120180000051
注：计算结果向上按50的倍数取整。
最后，通过Carsim仿真软件设置基于步骤3中给出不同设计时速和超高设置条件下的圆曲线最小半径推荐值，基于横向舒适性和横向稳定性分析圆曲线最小半径的合理性。
具体的，过在多车道高速公路开展实车实验获得车辆在圆曲线路段行驶时的横向加速度数据，对驾驶员心率变化与横向加速度变化之间的对应关系建立舒适性阈值评价指标，如表4所示，结合仿真结果，设计时速为140km/h、160km/h时，小客车在专用高速公路圆曲线段行驶的横向加速度最大值小于1.96m/s2，对比横向舒适性阈值评价指标可以明确在设计时速为140km/h、160km/h条件下的曲线半径推荐值较合理。
表4横向舒适性阈值评价指标表
Figure BDA0004068120180000052
之后，经过Carsim仿真，得到小客车在不同设计时速和圆曲线最小半径下横向偏移量最大值统计结果，如表5所示，设计速度为140km/h、160km/h的最小圆曲线最小半径在安全性和舒适性上都与现行《规范》相近，说明了本方案中得到的圆曲线最小半径推荐值的安全可靠性。
表5不同设计时速和圆曲线最小半径下横向偏移量最大值
Figure BDA0004068120180000061
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于，包括步骤：
S1：搭建小客车专用高速公路场景；
S2：基于设计时速对小客车横向力系数进行独立回归分析，构建适用于小客车的μ阈值计算模型；
S3：基于μ阈值计算模型得到不同的μ阈值，并构建小客车专用高速的圆曲线最小半径计算模型；
S4：由μ阈值计算模型和圆曲线最小半径计算模型计算得到不同设计时速条件下的圆曲线最小半径值。
2.根据权利要求1所述的一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于：所述S1中搭建的小客车专用高速公路场景包括：驾驶员模型搭建、小客车模型搭建和道路模型搭建。
3.根据权利要求2所述的一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于：所述S2中的设计时速包括140km/h和160km/h。
4.根据权利要求3所述的一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于：所述S2中的μ阈值计算模型中，R2＝0.993，μ＝-0.05177*exp(v/116.481)+0.252。
5.根据权利要求4所述的一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于，S3包括步骤：
S301：基于μ阈值计算模型得到不同的μ阈值；
S302：构建三个小客车专用高速公路圆曲线最小半径计算模型，三个计算模型分别为：
Figure FDA0004068120170000011
通过对比分析三类圆曲线计算模型的差异性，选择最优计算模型为
Figure FDA0004068120170000012
R1、R2和R3为圆曲线最小半径(m)；v为车辆速度(km/h)；μ为横向力系数；ih为道路超高；δ为车型系数，小客车取1.06。
6.根据权利要求5所述的一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于，还包括S5：基于最小半径计算值提出具有安全余量的最小半径推荐取值。
7.根据权利要求6所述的一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于，还包括S6：通过仿真软件设置不同圆曲线最小半径，再基于横向舒适性和横向稳定性验证圆曲线最小半径的合理性。
8.根据权利要求7所述的一种小客车专用高速公路圆曲线最小半径确定方法，其特征在于，还包括S7：通过仿真软件得到小客车在不同设计时速和圆曲线最小半径下横向偏移量最大值统计结果。
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