基于动态停车视距测算的山地城市道路平面设计优化研究.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.017 基于动态停车视距测算的山地城市道路 平面设计优化研究 江 啸（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013）摘要：本文考虑行车过程中制动时间组成及影响因素，基于车辆弯道行驶轨迹线的几何三角函数，结合车辆动态行车视距修正系数及 Matlab 程序建立动态停车视距模型；以重庆十八梯片区厚慈街 95 号交叉口道路节点进行方案论证及优化。结果表明：结合车辆行驶轨迹线中的几何与设计参数，基于动态停车视距测算算法可输出动态停车视距线段端点坐标值以实现视距的可视化与可测量化；基于动态停车视距模型的视距计算值与规范值的最大误差率为 12.45%，且优化规划道路前后的计算值均大于规范值，证实了该视距测算模型的可行性与适用性，研究结果为山地城市风貌保护区内道路停车视距的平面设计优化提供一种新的解决思路。关键词：山地城市；动态停车视距；视距测算；道路平面设计优化 中图分类号：U412.31 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0068-06 Research on Optimization of Road Plane Design in Mountainous Cities Based on Dynamic Parking Sight Distance Measurement JIANG Xiao(CISDI Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400013,China)Abstract:Considering the composition of braking time and the influencing factors during driving,the dynamic parking sight distance model is established based on the geometric trigonometric function of the vehicle curve driving track,combined with the vehicle dynamic driving sight distance correction coefficient and the Matlab program.The scheme demonstration and optimization are carried out on the road node of the intersection 95 Houci Street in Shibati District,Chongqing.The results show that:combined with the geometric and design parameters in the vehicle driving trajectory,based on the dynamic parking sight distance calculation algorithm,the dynamic parking sight distance segment endpoint coordinates can be output to realize the visualization and measurability of sight distance.The maximum error rate between the sight distance calculation value based on the dynamic parking sight distance model and the standard value is 12.45%,and the calculated values before and after the optimized planning of roads are greater than the standard value.The feasibility and applicability of the sight distance calculation model provide a new solution to the optimization of the plane design of the parking sight distance in the mountain city landscape protection area.Key words:mountain city;dynamic stopping sight distance;sight distance measurement;optimization of road plane design 收稿日期：2022-11-10 作者简介：江啸（1989-），男，重庆市人，硕士，工程师，从事道路、交通设计及项目管理工作.（）第 4 期 江啸，基于动态停车视距测算的山地城市道路平面设计优化研究 69 0 引言 随着城市的更新发展，不断扩大的交通负荷迫使对城市道路建设的需求不断提高。重庆是典型的山地城市地貌，复杂地势地形使得道路设计中视距测算分析十分困难。目前针对行车视距计算模型的研究主要集中在城市道路的交叉口领域，如基于道路特征与车辆运行的 ASSHTO 设计手册1，详细描述了有关交叉口停车视距的计算模型及停车视距、反应视距与超车视距的3 种不同视距原理；同时 NCHRP2针对曲线交叉口建立了对应的视距计算模型。在理论研究方面，Yasser等3针对弯道处障碍物的阻挡而减小行车视距等问题建立了基于弯道遮挡物的视距测量模型；Bogdevicius等4分别以司机反应时间、轮胎质量、道路表面粗糙度及制动性能为影响因素分析了不同情况组合下的制动距离；Tarek Sayed 等5提出一种基于驾驶员视野的线性视距计算模型，该模型变量主要包含主观的司机驾驶方式、坐姿与客观的道路平竖曲线半径、直线长度等影响因素，因而具有一定的适用性，但该模型计算较复杂。袁浩等6依据运动学原理详细分析并建立了不同弯道、空气阻力及纵坡情况下的停车视距模型；徐良杰等7以弯道交通特性与行车速度为变量依次开展了冰雪环境下的弯道标志视距改善实验研究，最终通过设置转向指示标志有效提高了弯道交通安全性；史颖等8依据图像识别与处理技术，基于灰度化的道路标线突变值与相关设计参数提取出车道线型，结合中值滤波算法与图像重构技术得到道路固定参数，在完成三维重建后得到其视距测量模型；曹等9针对一般道路提出基于线性回归与函数关系的视觉测量方法，同时利用分析实验验证了该方法的适用性。由以上研究可知各国学者均在视距研究方面取得了一些理论成果，但大多数学者都未在实际的道路设计中进行相关理论成果的运用。基于此，本文以重庆十八梯片区道厚慈街 95 号交叉口道路节点设计为例，推导建筑物在侵占规划道路红线而不满足停车视距情况下的动态视距计算模型，并在道路设计优化前后进行了实例验证与对比分析。1 工程概况与模型参数 1.1 工程范围 重庆十八梯片区位于渝中区较场口以南，位置坐落于长江江畔，城市规划定位中承接解放碑商务核心区和滨江休闲区的过渡节点，地理区位十分优越。项目包括 7 条地上道路、4 条地下道路、人行系统、天桥、观景平台、人民武装部与相关建筑等工程。其中地上道路呈“一横三纵”格局，包括厚慈街、凤凰台街在内共 7 条道路，总长约 1.6km；地下道路呈“一环三连接”格局，包括十八梯地下车库连接环道、解放碑环道出口连接道、解放碑环道入口连接道、长滨路连接道 4 条道路，总长约 1.5km。片区最大高差47m，场地以叠台方式呈现，且项目涉及地下道路、历史风貌建筑、大型立交、高压变电站、人防设施以及轨道交通等多种限制因素。1.2 工程生态环境控制因素 十八梯片区是重庆母城上半城和下半城的主要纽带，是十八梯历史文脉、“七街六巷”传统格局重要组成部分之一，片区内文物及历史优秀建筑密布，包括重庆日报社、厚慈街 95 号等，虽已经对部分老旧建筑进行了拆迁，但仍存在部分文物建筑、优秀历史建筑及保留建筑需要保护，这些都是项目设计重点考虑因素。区域内一百年以上古树共计 81 棵，具有历史价值或纪念意义的名木共计 48 棵，采取移栽保护及设计避让同时进行。十八梯片区项目生态环境控制因素众多，生态环境保护意义重大。1.3 模型参数 在项目的设计过程中，厚慈街-新建道路 A 交叉口有一栋需原址保留的建筑（厚慈街 95 号），在规划道路路缘石边线范围内。依据有关文件要求，厚慈街95 号需原址保留；道路由于受控于道路红线、厚慈街95 号建筑，车行道、人行道与厚慈街 95 号建筑冲突巨大，其具体位置如图 1 所示。图 1 厚慈街 95 号平面位置示意图 Fig.1 Plan location diagram of No.95 Houci Street 针对侵占规划市政道路红线的厚慈街 95 号原址交叉口问题，其原有规划设计方案中新建道路 A 横70 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 断面为单向两车道，厚慈街横断面组成主要为双向两车道+双向四车道。道路等级为城市支路，双向两车道红线宽度为 11m，双向四车道红线宽度为 17m，设计速度为 20km/h，厚慈街在此通过三个半径 R1=60m，R2=54m 与 R3=40m 的圆曲线以连接到下一个厚慈街与守备街的交叉口，同时新建道路 A 以半径为 40m 的圆曲线顺接至该交叉口。其具体参数如表 1 所示。表 1 厚慈街 95 号地址处交叉口相关道路参数表 Tab.1 Table of road parameters related to the intersection at Address 95 Houci Street 道路 名称 道路 等级 设计车速/（km h1）车道数/个 道路长度/m 道路标准宽度/m 厚慈街 支路 20 2、4 323.815 17 凤凰 台街 支路 20 2 158.363 17 新建 道路 A 支路 20 2 312.226 11 2 动态停车视距及测算算法 2.1 视距测算原理 公路上驾驶人员视线范围内视点距目标点长度称为视距，若障碍物落入该视线区域则会阻碍驾驶员视线，进而引起交通事故，因此判断山地城市市政道路弯道处停车视距是否通视即为判断空间面上两点坐标与平面之间的位置关系。图 2 视距测算模型 Fig.2 Sight distance calculation model 点为驾驶人员视点，1与2分别为路面左右侧边缘目标点，、1与2分别为以上三点在路面的对应点；则公路路中线任一点方程为：=1()=2()=3(,)(1)式中，为桩号，为路中线与行车道中心线之间的距离。最终求出各系数为：=|1 1 2 2|(2)=|1 1 2 2|(3)=|1 1 2 2|(4)如欲判断视点与目标点之间是否通视，只需将任意两点坐标代入该平面方程以确定是否遮挡视线，如果此两点与视点所形成的相关面与(,)，1(1,1,1)和2(2,2,2)形成的平面有共有交线，则该视线范围不通视。2.2 动态停车视距模型 本文模型考虑车辆位于圆曲线弯道处的停车视距，约定分析过程中设计道路圆曲线半径、坐标以及超高加宽等参数已知，在设计地形图中获取景观障碍物等具体参数，计算示意图如图 3 所示，其中 A 点为上一段平曲线处缓直点，B 点为直缓点，C 点则为圆曲线起点；O 点为圆曲线圆心，M 点为车辆处驾驶人员视线点，P 点为障碍物遮挡驾驶员视线最边缘位置，P为 OP 延长线在圆曲线的交点，N 点即为驾驶员道路视线所及处最远点。图 3 视距计算模型示意图 Fig.3 Schematic diagram of line of sight calculation model 其中，为圆曲线半径；为圆曲线长度；为缓和曲线段长度；为直线段长度；为车辆运行速度；为时间；为视距长度。第 4 期 江啸，基于动态停车视距测算的山地城市道路平面设计优化研究 71 =2arctan()sinarcsin(2 )2 2(2 2)2()()cosarcsin(2 )2 2(2 2)2()(5)结合运动车辆视距修正系数，则动视距 =其视距修正系数的取值如表 2 所示。表 2 视距修正系数 Tab.2 Sight distance correction coefficient 车辆速度/（km h1）30 30 60 60100 1 0.9 0.8 0.7 2.3 动态视距测算算法 本文通过获取规划道路相关参数（桩号、坐标、半径、转角等）形成初始固定数据文件，在整合不同类型的数据文件后形成设计道路参数数据库，之后依据Matlab主控程序编写可与Excel相互调用和交互工作的动态停车视距测算算法，进而将从道路设计软件中获取的算法参数与规范取值通过 Excel 数据文件传递给 Matlab 以完成数据计算，最终输出分析结果以及视距线段端点坐标值。具体流程如图 4 所示：图 4 停车视距端点坐标计算流程图 Fig.4 Flow chart for calculating the coordinates of the endpoint of the stopping sight distance 3 平面优化设计分析 3.1 平面规划方案分析 获取规划设计道路方案中厚慈街95号原址交叉口的相关参数数据后，结合 Matlab 主控程序所编写的动态停车视距测算算法，最终模拟计算出车速为 20km/h的动态汽车行驶于该区域所产生的目标点停车视距坐标，如表 3 所示，将视距线段端点坐标值于道路设计软件中进行可视化后形成停车视距图，具体见图 5。表 3 规划方案目标点停车视距坐标表 Tab.3 Coordinate table of parking sight distance at the target point of the planning scheme 视距 编号 起终点 坐标 坐标 坐标 计算视距/m 规范视距/m 可见视距/m 线段 1 QD 64 177.990 1 68 072.12 205.86 21.35 20 23.18 ZD 64 193.602 9 68 084.436 1 205.51 线段 2 QD 64 166.502 5 68 073.610 2 205.83 20.89 20 12.15 ZD 64 186.849 8 68 073.430 8 205.54 线段 3 QD 64 192.329 5 68 082.012 5 205.81 22.56 20 11.01 ZD 64 176.065 2 68 072.293 9 205.57 线段 4 QD 64 174.227 8 68 072.546 8 205.79 21.32 20 9.98 ZD 64 191.123 9 68 079.323 2 205.59 线段 5 QD 64 172.216 2 68 072.823 7 205.77 22.49 20 8.96 ZD 64 189.867 3 68 076.952 2 205.61 线段 6 QD 64 170.258 6 68 073.093 2 205.75 21.26 20 8.03 ZD 64 188.413 5 68 074.958 5 205.63 线段 7 QD 64 168.342 4 68 073.357 205.73 20.98 20 7.27 ZD 64 187.389 7 68 073.807 4 205.66 线段 8 QD 64 167.422 5 68 073.483 6 205.71 21.25 20 6.38 ZD 64 186.517 3 68 073.115 6 205.68 线段 9 QD 64 176.976 8 68 072.172 2 205.69 21.73 20 5.53 ZD 64 192.989 1 68 083.110 9 205.70 线段 10 QD 64 169.284 4 68 073.227 3 205.67 20.35 20 4.59 ZD 64 187.694 5 68 074.237 7 205.72 线段 11 QD 64 191.547 7 68 080.645 205.65 21.52 20 3.62 ZD 64 175.192 4 68 072.414 1 205.74 线段 12 QD 64 171.265 7 68 072.954 6 205.63 22.10 20 2.77 ZD 64 188.862 9 68 075.858 205.76 图 5 厚慈街 95 号道路规划方案停车视距通视图 Fig.5 Parking Sight Distance Intervisibility Map of Road Planning Plan for No.95 Houci Street 72 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 模型计算得到的停车视距坐标表结果表明，该处路口停车视距值与规范取值基本吻合，其最大误差为2.49，最大误差率为 12.45%，所有停车视距计算值在满足规范的同时更加符合实时的动态驾驶需求。由停车视距图可以看出在十八梯项目原规划道路设计中，厚慈街 95 号原址交叉口处规划道路不满足规范中对城市支路 20km/h 的停车视距20m 的最低要求，建筑部分结构侵占规划市政道路红线，无法解决车行和人行同时进行带来视距不够的交通组织问题。3.2 优化设计方案分析 3.2.1 方案比选 针对厚慈街 95 号侵占规划市政道路红线而影响停车视距的问题，在不改变其原有路线的前提下，从市政道路设计角度提出可能的优化方案：（1）增大平曲线半径，即在工程量增加不大的前提下采用较大平曲线半径以使外侧车道横净距增大，进而间接增加停车视距，但由于厚慈街 95 号不可拆除，因此该方案不可取；（2）减小曲线外侧行车道的平曲线半径，即当平曲线外侧有富余空间时，可以适当减小曲线外侧行车道的平曲线半径，使外侧行车道向外靠，内侧行车道和中央分隔带位置保持不变，从而增加外侧超车车道的横净距，使加宽部分作为左侧硬路肩使用。（3）新建道路 A 采用单向交通组织行驶并局部调整道路中线方案，既有设计方案新建道路 A 与既有中兴路旧货交易市场进出口交通组织存在矛盾，无法进行交通组织。建议在维持既有旧货市场交通组织不变的前提下，将新建道路 A 由双向行驶调整为由西往东、往南进行单向组织，由于中兴路规划公交停靠站与道路A、既有中兴路旧货交易市场进口段交织严重，建议取消该公交站，公交停车港仍利用路口以北（旧货市场门前）既有公交停车港。同时中兴路上的公交站不在本次十八梯道路等相关配套设施 EPC 工程实施范围内，建议业主单位告知该公交站设计单位和业主单位按审查意见进行调整。同时将新建道路 A 北向西，厚慈街西向北禁止转向，解决厚慈街 95 号侵入后视距问题。（4）车行道在红线内改线，采取单向行驶方案，即在方案（3）的基础上，继续优化线型及车行道边线。由于受控于红线、厚慈街 95 号建筑，对新建道路 A交叉口处进行调线，满足规范中对城市支路停车视距20m 的最低要求，且与周边建筑的冲突较小，能够满足交通需求。综上所述，原方案现状建筑已经侵入拟实施道路范围，且现状建筑无法拆除，存在较大的物理空间冲突，无法实施；方案（3）虽然解决了视距问题，但是交通功能缺失；方案（4）能够满足规范要求，且在解决视距问题的基础上不侵占红线外用地，故采用方案（4）为优化方案。3.2.2 优化方案论证分析 针对优化方案进行模拟，计算出路线优化后目标点停车视距坐标表与停车视距图如表 4 与图 6 所示。表 4 优化方案目标点停车视距坐标表 Tab.4 Table of optimization plan target point parking sight distance coordinate 视距 编号 起终点 坐标 坐标 坐标 计算视距/m 规范视距/m 可见视距/m 线段 1 QD 64 195.699 1 68 081.469 9 205.93 20.77 20 25.63 ZD 64 183.264 1 68 071.717 1 205.50 线段 2 QD 64 181.386 2 68 071.611 205.90 20.22 20 23.56 ZD 64 195.406 1 68 080.119 1 205.53 线段 3 QD 64 179.403 68 071.834 4 205.87 20.65 20 23.24.ZD 64 195.024 7 68 078.693 7 205.56 线段 4 QD 64 177.421 7 68 072.107 2 205.84 21.18 20 23.10 ZD 64 194.614 6 68 077.407 4 205.59 线段 5 QD 64 175.440 4 68 072.379 9 205.81 20.35 20 22.89 ZD 64 194.152 9 68 076.156 4 205.62 线段 6 QD 64 173.459 1 68 072.652 6 205.78 20.69 20 22.57 ZD 64 193.564 6 68 074.769 1 205.65 线段 7 QD 64 195.549 9 68 080.744 5 205.75 20.47 20 22.31 ZD 64 182.406 8 68 071.624 6 205.68 线段 8 QD 64 195.217 1 68 079.377 5 205.72 20.36 20 22.23 ZD 64 180.393 7 68 071.698 1 205.71 线段 9 QD 64 172.468 4 68 072.789 205.69 21.15 20 22.17 ZD 64 193.204 7 68 074.005 3 205.74 线段 10 QD 64 194.811 8 68 078.000 9 205.66 21.39 20 23.57 ZD 64 178.412 4 68 071.970 8 205.77 线段 11 QD 64 174.449 7 68 072.516 3 205.63 21.89 20 24.83 ZD 64 193.857 1 68 075.434 5 205.80 线段 12 QD 64 176.431 68 072.243 5 205.60 22.30 20 25.63 ZD 64 194.379 6 68 076.749 1 205.82 图 6 厚慈街 95 号道路优化方案停车视距通视图 Fig.6 Optimization Plan for Road 95 Houci Street Parking Sight Distance Intervisibility Map 第 4 期 江啸，基于动态停车视距测算的山地城市道路平面设计优化研究 73 由图 6 可以看出，将规划设计道路进行优化重构后，厚慈街 95 号因侵占规划市政道路红线而导致的停车视距不足问题已基本得到解决，且满足规范要求，交叉口视距范围内不存在建筑物遮挡问题，其可见视距均大于本文的计算视距与规范视距，交叉口安全性满足规范要求，同时间接证明了本文动态停车视距测算模型的适用性与可行性，在山地城市复杂建设环境及生态控制因素较多的情况下能有效解决设计难题，为山地城市风貌保护区内市政道路停车视距的平面设计方案优化提供一种新的解决思路。4 结论与展望 4.1 结论 本文基于 Matlab 主控程序自主编写了可与 Excel相互调用的动态停车视距测算算法，以重庆十八梯片区道路工程厚慈街 95 号路口节点设计为例对该山地城市复杂生态环境因素下的设计节点进行了计算与方案优化，得出以下结论：（1）厚慈街 95 号原址交叉口处规划道路路口结果表明，模型停车视距计算值与规范取值基本吻合，其最大误差为 2.49，最大误差率为 12.45%，停车视距计算值在满足规范的同时符合实时动态驾驶要求。（2）规划方案不满足规范中对城市支路 20km/h的停车视距20m 的最低要求，建筑部分结构侵占规划市政道路红线。优化方案重构后，厚慈街 95 号因侵占规划市政道路红线而导致的停车视距不足问题已基本得到解决且满足规范要求，其可见视距均大于本文的计算视距与规范视距（3）相较现有研究，本文以十八梯片区这一典型的具有复杂生态环境因素及特殊地形地貌的山地城市市政项目作为研究对象，创新性自主编写动态停车视距测算算法，能将视距线段端点坐标值以数据表形式进行存储与输出，从而实现停车视距的可视化与可测量化，是解决山地城市风貌保护区这一特殊情境下的市政道路节点设计难题的重要解决方法，具有创新性、可借鉴性。4.2 展望（1）本文编写的视距测算算法结果输出形式主要为数据表格形式表达，下一步工作可结合 GIS 平台基础，进行数据的表达形式优化，并进一步挖掘数据规律。（2）本文以项目某一具有代表性的路口节点作为研究对象，将来将基于重庆这一特殊地势地貌特点城市，结合更多的项目展开基于动态停车视距测算的山地城市道路平面设计优化研究。参考文献：1 EasaSaid M.Development of transitioned vertical curve sight distanceJ.Transportation Research Part A,2000,34:565-584.2 AASHTO.A policy on geometric design of highways and streets.D.American Association of State Highway and Transportation Officials,Washington D C.,2001.3 Bogdevicius M,Vladimirovo.Efficiency of a braking process evaluating the 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