基于Civil 3D 的快速路速度協(xié)調(diào)性評價軟件開發(fā)

徐彎彎，劉東亮，陳亞杰

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

快速路是城市交通的主動脈，承擔(dān)著大容量、高速度、長距離的交通功能。一旦發(fā)生交通事故，極易造成嚴(yán)重的人員傷亡和交通擁堵，而今城市快速路交通事故數(shù)一直處于居高不下的嚴(yán)峻狀態(tài)[1]。由不良線形組合或匝道出入口布置等導(dǎo)致的行車穩(wěn)定性不足、長直線或大縱坡等導(dǎo)致的超速行駛，是城市快速路交通事故的重要誘因[2]，分別可通過相鄰路段運行速度的協(xié)調(diào)性、運行速度與設(shè)計速度的協(xié)調(diào)性來評價。而對于設(shè)計階段快速路，運行速度無法實測，需通過預(yù)測模型測算獲得，但人工測算過程一般存在操作繁瑣、重復(fù)工作多、計算量大且易出錯等缺陷，因此有必要通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)運行速度測算和協(xié)調(diào)性評價的自動化。

隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展成熟和BIM 模型在道路工程中的廣泛推廣運用，部分學(xué)者考慮道路BIM 模型相較于傳統(tǒng)的CAD 模型具有的設(shè)計信息一體化、模型三維可視化等優(yōu)點，開始基于BIM 平臺開展道路運行速度測算功能的開發(fā)研究。劉鑫[3]通過對比分析主流BIM 建模軟件，選用Civil 3D 作為開發(fā)平臺，建立了公路運行速度測算和協(xié)調(diào)性評價模塊。張興宇等[4]基于開發(fā)的Civil 3D 公路運行速度協(xié)調(diào)性評價模塊，完成了花石峽至久治公路路線設(shè)計方案的線形一致性評價工作。但是，由于城市快速路運行速度預(yù)測與協(xié)調(diào)性評價模型研究極少且未成標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的道路運行速度測算和評價程序均基于《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05—2015）中提出的公路運行速度預(yù)測模型編寫。對于在線形設(shè)計、車道寬度、匝道出入口和立體交叉布置、交通流特性等方面均與公路存在顯著差別的城市快速路，該公路運行速度預(yù)測模型和相應(yīng)測算程序缺乏適用性，無法準(zhǔn)確評價城市快速路的速度協(xié)調(diào)性。

針對城市快速路運行速度預(yù)測與協(xié)調(diào)性評價模型缺乏的問題，溫學(xué)鈞、鄭曉光等[5]于2019 年，通過對156 段上?？焖俾穼崪y交通運行數(shù)據(jù)的回歸分析，成功構(gòu)建了城市快速路運行速度預(yù)測與協(xié)調(diào)性評價模型，并將其納入上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》中。目前該標(biāo)準(zhǔn)已通過多次評審進(jìn)入報批稿階段，但其中提出的快速路運行速度預(yù)測模型暫未實現(xiàn)程序化，仍存在計算繁瑣和易出錯的問題。

綜上，本文以上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》中提出的城市快速路運行速度預(yù)測和協(xié)調(diào)性評價模型為基礎(chǔ)，基于BIM 平臺開發(fā)快速路速度協(xié)調(diào)性評價模塊，使BIM 軟件可從安全角度提供線形組合、立交和匝道布置、橫斷面設(shè)計等方面的決策建議，實現(xiàn)城市快速路交通安全的提升。

1 速度協(xié)調(diào)性評價軟件搭建

1.1 速度協(xié)調(diào)性評價軟件總體架構(gòu)

《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》編制組基于調(diào)研的上海市快速路運行速度、交通流量和快速路設(shè)計資料，通過偏相關(guān)分析和多元回歸分析，建立了不同路段快速路運行速度計算模型，如表1 所示。其中，縱坡段指縱坡坡度不小于3%且曲線半徑大于600 m的路段，曲線段指曲線半徑不大于600 m 且縱坡坡度小于3%的路段，彎坡段指縱坡坡度不小于3%且曲線半徑不大于600 m 的路段，立體交叉段指上游變速車道漸變段起點至下游變速車道漸變段終點的主線段，隧道段指隧道入口前200 m 至隧道出口后100 m 的路段。同時，提出如表2 所示的不同參數(shù)下的運行速度修正模型，并結(jié)合事故分析驗證了《公路項目安全性評價規(guī)范》（JTG B05—2015）中速度協(xié)調(diào)性評價標(biāo)準(zhǔn)對城市快速路的適用性，完成了速度協(xié)調(diào)性評價模型的整體建立。

表1 不同路段快速路運行速度計算模型

表2 不同參數(shù)修正模型

綜上，路段劃分、運行速度測算、相鄰路段運行速度協(xié)調(diào)性評價、同一路段運行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性評價為模型的4 個重點。選用國內(nèi)主流道路BIM 建模軟件Civil 3D[6]為開發(fā)平臺，結(jié)合速度協(xié)調(diào)性評價模型的4 項重點內(nèi)容和插件的基本輸入輸出功能，將快速路速度協(xié)調(diào)性評價模塊劃分為如圖1所示的組成架構(gòu)。

圖1 基于Civil 3D 的快速路速度協(xié)調(diào)性評價軟件

1.2 數(shù)據(jù)讀寫子模塊

載入道路BIM 模型后，用戶選定評價道路中線、縱斷面和行駛方向后，程序自動讀取測算運行速度所需的道路設(shè)計參數(shù)，包括平曲線半徑、縱坡坡度、平縱線形特征點樁號，以及隧道和立交影響段起終點樁號。其中，隧道和立交影響段起終點樁號也可手動添加和修改，如圖2（a）所示，并將各特征點（直曲點、曲中點、曲直點、變坡點、隧道洞口、互通立交減速車道漸變段起點、互通立交加速車道漸變段終點）樁號按行車方向儲存到特征點集SPTs[]。同時手動輸入測算初始參數(shù)和模型修正參數(shù)。其中，初始參數(shù)包括設(shè)計速度Vd和推薦加速度，修正參數(shù)包括車道寬度、高峰小時系數(shù)和匝道密度。程序根據(jù)表3 所示規(guī)則自動調(diào)用初始運行速度、期望速度和最低運行速度。根據(jù)表2 所示修正模型，按照插值法自動計算顯示各修正參數(shù)對應(yīng)影響系數(shù)，如圖2（b）所示。

圖2 數(shù)據(jù)讀寫子模塊顯示界面

1.3 運行速度測算子模塊

完成上述計算參數(shù)讀寫后，單擊【OK】按鈕，程序即開始進(jìn)行運行速度測算，計算流程如圖3 所示。程序首先按照分段規(guī)則和基本模型，通過10 個判斷函數(shù)、9 個計算函數(shù)和2 個循環(huán)函數(shù)，沿行車方向依次完成各特征點運行速度V85的計算。隨后，通過2 個判斷函數(shù)、2 個計算函數(shù)和1 個循環(huán)函數(shù)，比較各特征點計算運行速度與最低運行速度和期望速度的大小，將小于最低運行速度的計算結(jié)果替換為最小運行速度，超過期望速度的計算結(jié)果替換為期望速度。最后根據(jù)運行速度修正模型，通過3 個判斷函數(shù)和3個計算函數(shù)，計算得到各特征點最終測算運行速度，存儲到運行速度計算值集OSList[]。

圖3 運行速度測算流程

1.4 速度協(xié)調(diào)性判斷子模塊

根據(jù)上步計算結(jié)果，沿行車方向依次計算相鄰特征點的運行速度差|（ΔV85|、相鄰特征點的運行速度梯度值|（ΔIV|，以及同一特征點的運行速度與設(shè)計速度差|V85-Vd|，并根據(jù)速度協(xié)調(diào)性評價標(biāo)準(zhǔn)[7]，完成道路相鄰路段運行速度協(xié)調(diào)性（又稱“線形一致性”）、同一路段運行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性的判斷，并在特征點集中添加相應(yīng)判斷結(jié)果標(biāo)簽，流程如圖4所示。

圖4 速度協(xié)調(diào)性判斷流程

1.5 圖表輸出子模塊

完成速度協(xié)調(diào)性判斷后，窗口將顯示各分段起終點樁號、單元類型、路段影響參數(shù)（單元長度、曲線半徑、縱坡坡度）、各特征點最終測算運行速度、速度協(xié)調(diào)性判斷指標(biāo)計算結(jié)果和評價結(jié)果，如圖5 所示。同時，用戶可通過點擊【繪制曲線】按鈕，以分段樁號為橫坐標(biāo)、運行速度為縱坐標(biāo)，將不同車型的運行速度折線圖輸出到DWG 圖形文件中；通過點擊【導(dǎo)出到excel 按鈕】，將計算結(jié)果以.xls 格式輸出。

圖5 運行速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果顯示

2 速度協(xié)調(diào)性評價插件應(yīng)用實例

某市海濱大道新建工程全長約10.2 km，為雙向8 車道快速路，設(shè)計速度80 km/h。全線除高架主線外，還包含一段隧道和一個互通立交，如圖6 所示。為檢驗設(shè)計方案的合理性和安全性，基于該道路BIM 模型，利用開發(fā)的城市快速路速度協(xié)調(diào)性評價插件，對設(shè)計方案的線形組合、隧道布置、立交和匝道設(shè)計等進(jìn)行安全性分析。

圖6 道路BIM 模型示意

2.1 運行速度測算

將海濱大道按西線和東線分別進(jìn)行運行速度測算，依次道路中線、縱斷面布局和行駛方向，并輸入設(shè)計速度80 km/h、車道寬度3.75 m 和匝道密度0.29 個/km 后，程序?qū)⒑I大道西線和東線分別劃分為13 個計算路段單元，各包括含起終點在內(nèi)的14個特征點，計算得到各特征點運行速度，并生成如圖7 所示的預(yù)測運行速度折線圖。

圖7 預(yù)測運行速度折線圖

由圖7 可知，海濱大道西線和東線的預(yù)測運行速度均存在一定程度的波動，各特征點預(yù)測運行速度介于70 km/h 至100 km/h，且存在多點運行速度達(dá)100 km/h，存在超速隱患。

2.2 運行速度協(xié)調(diào)性評價

根據(jù)程序輸出的海濱大道東線和西線運行速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果，導(dǎo)出excel 后提取部分信息，整理得到表4 和表5。

表4 海濱大道東線速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果

表5 海濱大道西線速度協(xié)調(diào)性評價結(jié)果

分析可得：

（1）線形一致性不良路段包括東線K0+967～K2+449 段、K5+345～K9+846 段和西線K9+846～K5+345段。不良指標(biāo)均為起終點運行速度差大于20 km/h，由路段長直線或大半徑圓曲線線形使駕駛員行車持續(xù)加速導(dǎo)致。可不對相鄰路段線形進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，但需在上述路段的起點、長直線中點等處設(shè)置限速標(biāo)志，并可配合設(shè)置減速標(biāo)線和超速監(jiān)控設(shè)施。

（2）運行速度與設(shè)計速度協(xié)調(diào)性不良路段包括東線K2+976～K3+269 段、K5+345～K10+161 段和西線K9+846～K5+119 段、K0+480～K0+0 段。路段線形均為長下坡或直線與下坡相接，駕駛員行車持續(xù)加速致使運行速度超過設(shè)計速度20 km/h，存在較大的超速隱患。因此，在設(shè)置控速設(shè)施的同時，還應(yīng)按照運行速度對路段視距、護(hù)欄防撞等級、標(biāo)志尺寸等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行安全性檢驗。

（3）線形一致性較好路段包括東線K3+269～K3+469 段和西線K5+119～K4+919 段、K2+976～K0+967段。其中，西線K2+976～K0+967 段運行速度變化為加速，線形一致性缺陷可忽略；東線K3+269～K3+469段和西線K5+119～K4+919 段運行速度變化為減速，均由下坡段加速行駛至隧道入口前大幅減速導(dǎo)致，存在追尾隱患。因此，應(yīng)在隧道入口前設(shè)置多級預(yù)告標(biāo)志，并在下坡段設(shè)置控速標(biāo)線。

3 結(jié)語

本文針對城市快速路速度協(xié)調(diào)性評價軟件缺乏的問題，基于BIM 技術(shù)在快速路建設(shè)工程中積極推廣運用的現(xiàn)狀，選用用戶多、操作界面熟悉且支持多種常用格式導(dǎo)入的Civil 3D 為開發(fā)平臺，以上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市道路安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》中提出的快速路運行速度預(yù)測和協(xié)調(diào)性評價模型為程序編制基礎(chǔ)，成功開發(fā)了快速路速度協(xié)調(diào)性評價插件，實現(xiàn)了快速路運行速度協(xié)調(diào)性的簡便快速測算、評價結(jié)果的多類型圖表展示與導(dǎo)出，并成功運用于某市海濱大道新建工程的路線設(shè)計方案檢驗中。研究成果拓寬了Civil 3D 軟件中路線和交通設(shè)施設(shè)計在交通安全方面的輔助核查功能，后續(xù)可進(jìn)一步開發(fā)基于運行速度的三維視距核查功能。