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基于Vehicle Tracking行车轨迹与道路交叉设计的研究

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：王强

[导读] 摘要：不论是公路设计还是城市道路设计，道路交叉设计一直是容易被忽略一项重要设计内容。

        中交武汉港湾工程设计研究院有限公司湖北武汉 430040
        摘要：不论是公路设计还是城市道路设计，道路交叉设计一直是容易被忽略一项重要设计内容。对于寸土寸金的城市用地或者拆迁难题，道路交叉设计采用何种路缘半径边界，能否满足各种车型的转弯需求，都对设计师提出了严峻挑战。我国规范中对于各种车型的行车轨迹的研究并运用到道路交叉设计中的案例与设计资料匮乏，所以本文提出基于Vehicle Tracking软件模拟行车轨迹模型进行道路交叉设计的研究。
        关键词：道路交叉；Vehicle Tracking；行车轨迹；
        引言
        21世纪以来随着城市化快速扩张及公路网布局蓬勃发展，交通需求不断增加。而城市道路更迭周期短，城市拆迁征地困难等一直是困扰设计师的难题，道路设计如何更合理更经济成为首先问题。特别是道路交叉占地大、车流复杂、流量大，若道路交叉设计不合理，轻则浪费土地资源，重则产生不必要的拆迁。
        由于国内对于平交设计并没有过多的重视，现行规范对于平交设计也没有系统的阐述，导致设计人员在工程中模棱两可的进行设计。本文运用Vehicle Tracking软件，基于转向原理、车辆属性、道路设计属性及驾驶员属性模拟出车辆行驶轨迹进行道路交叉设计。
        1设计车辆标准
        现行公路工程技术标准中规定公路设计所采用的设计车辆外轮廓尺寸规定如表1-a：
        表1-a 设计车辆外廓尺寸

        注：铰接列车的轴距（3.3+11）m：3.3m为第一轴至铰接点的距离，11m为铰接点至最后轴的距离

        图2-a 普通汽车在曲线上的运动

        图2-b 挂车在曲线上的运动
        2车辆模型
        车辆在曲线上行驶，各轮迹半径不同，其后内轮轨迹半径最小，且偏向曲线内侧，故曲线内侧应增加路面宽度，以保证曲线上的行车安全。如图2-a、图2-b：
        在车辆在交叉口转弯运行中，车辆内侧轮迹线即为交叉口最极限的缘石边线。
        3 Vehicle Tracking软件及模拟转弯轨迹
        Vehicle Tracking是用于模拟和预测道路上车辆移动的专用程序。软件所做的是模拟车辆在各种道路和运动方向上的行为和运动，该程序检查汽车在危急情况下的行为，如道路坡度，路面下降，颠簸，路面碰撞冲突等。
        在道路安全研究方面，可根据方案提供的分析对道路状况进行审查，如果道路安全不安全或不足，应采取适当的纠正措施。在简单的环境中使用此程序，可以创建各种道路条件而不受限制，并分析和审查具有不同物理特征的这些类型的车辆。
        该程序可以用适当的估计值计算与加速度，位移，车辆压力和其他可能项目有关的各种计算。该软件与AutoCAD和MicroStation环境以及其他几种工程软件完全集成，并允许与他们交换信息。
        3.1基于Vehicle Tracking软件对车辆模型标定
        在进行轨迹模拟之前，需要对各个影响因素进行模型标定。这里以小客车为例：
        1）根据车辆类型可在软件设定中设定是否为铰接车，小客车为否；
        2）一般来说汽车厂商出产的小客车的转向角度为31°~40°（特殊车型除外），为安全考虑取低值31.6°；
        3）车辆属性即车型尺寸，根据表1-a，本次小客车模型尺寸采用车长6m（前悬0.8m，轴距3.8m，后悬1.4m），车高2m，车身外廓宽2.13m，轮距1.83m；
        4）由于国内尚未对驾驶员年龄层进行数据统计，本文参考AASHTO-2011中统计资料的预测：2030年全美将达到22%的65岁以上老年人驾驶员。可以预见未来中国也会呈现出驾驶员老年化趋势，所以本文也采用与美标相同的最大转向时间4s；

        图3-a 车辆模型标定向导
        3.2基于Vehicle Tracking软件对车辆转弯轨迹模拟
        根据规范中规定的设计标准车辆完成车辆模型标定之后，车辆模型需要在设计车道上运动，在Vehicle Tracking软件中选中跟随设计路线即可完成车辆轨迹模拟，如图3-c。
        用户可以调整转弯路线的半径验证各种转弯半径下能否顺利转弯，若转弯半径过小则软件无法完成跟车轨迹。设计者根据设计需要确定出最理想的转弯半径。

        图3-b小客车车型参数模型标定

        图3-c车辆转弯轨迹模拟
        4基于Vehicle Tracking软件进行道路交叉设计实例
        如图4-a新建城市支路交叉，设计右转弯速度为20km/h。根据《城市道路交叉口设计规程》CJJ 152-2010中规定：设计右转弯速度为20km/h，路缘石推荐半径为R=15m。实例中该交叉口处存在一栋6层混凝土建筑，若采用规范中推荐值R=15m将产生拆迁问题。对于房屋拆迁产生的经济问题、谈判周期及施工时长一系列后续问题将严重影响城市建设风貌。
        基于Vehicle Tracking软件对道路交叉进行设计，模拟行车轨迹后发现在满足车辆转弯的情况选取路缘石半径R=10m就能满足设计需求，满足设计安全的同时避免房屋拆迁等一系列问题，兼具安全性及经济性。

        图4-a新建城市支路交叉实例
        5结语
        本文基于Vehicle Tracking软件对道路交叉设计从全新设计理念上进行了研究，为工程设计者在道路交叉设计中提供了新手段、新方法。同时也发现国内规范还存在一些不足，进一步完善现行的规范对未来道路设计的发展提出了更高的要求。同时Vehicle Tracking软件作为面向公众的软件，能够帮助设计人员更直观、更简单的完成分析，特别是对于城市道路设计大有裨益。Vehicle Tracking软件的运用拓展远不止于此，它在道路加宽设计、城市调头车道设计、地面碰撞分析、凹曲线障碍物视距分析等一系列的设计问题中都能提出解决方案。
        参考文献:
        [1] CJJ 152-2010，城市道路交叉口设计规程[S]；
        [2] ISBN：978-1-56051-508-1，A Policy on Geometric Design of Highways and Streets[S]；
        作者简介：王强，男，1990.8.24，汉，湖北荆门，道路设计师/初级工程师，研究方向：路线设计