大连理工大学-基于运行速度进行线形质量检验的动态透视方法

1 基于运行速度进行线形质量检验的动态透视方法 钱伟，王俊，张金秋，王功文，王倩 大连理工大学建设工程学部交通运输学院 辽宁 大连 116024

摘要：公路线形设计质量是影响交通安全的重要因素。我国从五十年代引入了设计速度即计算行车速度的概念，但经过多年的设计实践,国内外的设计者发现运用设计方法设计公路本身就存在一定的缺陷，故提出了运行速度的概念，国内外学者对运行速度法进行了深入的研究，提出了多种运行速度预测模型，并用运行速度对公路线形进行线形质量评价，但大多直观性太差。传统的直观性强的线形质量评价方法是静态或动态透视进行模拟检验评价，如纬地等软件，但这些软件大多采用设计速度进行评价，真实性不强。全文所作的工作是完善了运行速度预测模型及其设计流程，并在运行速度的基础采用三维动态透视的方法对公路线形设计质量进行检验。该方法克服了传统方法直观性和真实性不足的问题，使设计者和方案决策者更加直观和真实的对公路线形设计质量进行评价的检查，对于公路线形质量评价具有积极意义。 关键词: 线形设计质量检验 运行速度 三维动态透视

１． 研究背景

公路线形是公路的基本骨架,一旦建成就难以改动,公路线形设计不合理是造成交通事故的重要原因。因此,公路线形设计的优良与否事关公路生命,同时也事关出行者的生命。 目前用于公路路线设计质量的方法主要有两种： 1.1基于运行速度的评价方法 我国关于运行速度及其应用的研究比较晚，目前处于研究阶段， 这也是本文所要研究的内容。就目前国内对运行速度的研究现状，归纳起来主要有两种获得运行速度的方法： 一是路段实测法，这种方法需要大量的现场实测数据，经回归统计分析等方法建立线形要素和运行速度的关系，再考虑纵坡对运行速度的影响，从而对回归模型修正、折减，得到运行速度和线形几何要素之间的回归方程。 另一种是理论预测方法，根据汽车动力学加、减速行程计算基于纵断面线形设计的运行速度，根据平曲线半径计算基本公式来反算弯道上行驶的允许车速或引用国外的曲度与运行速度关系获得运行速度。 但用运行速度对线形进行评价对运行速度准确性要求较高，而不利于对路线设计好坏进行直观评价。 1.2基于动态透视的评价方法 在动态透视方面，国内的研究比国外较晚。从90年代中期开始，三维浏览和可视化设计的研究与开发工作相继进行。目前国内外道路三维可视化主要采用OpenGL技术或商业仿真软件来实现，可以实现道路三维场景的搭建，并具有一定的交互功能，但在数据组织与管理、沉浸感、交互性等方面具有很多不足和缺陷。且三维动态透视图所用的运行速度多为设计速度，如用于评价路线设计质量的好坏，则真实性准确性有待提高。 1.3 新方法的提出 基于以上两种评价方法的特点，我们提出了一种新的公路路线设计质量评价方法，即基于运行速度进行线形质量检验的动态透视方法。该方法结合了前两种方法的优点、一定程度上弥补了目前线形质量评价的一些不足，提供一种新型的路线线形质量评价方法。

收稿日期：2011-04-29；

修订日期：2011-05-16 2

２.研究方法及过程 2.1运行速度理论 2.1.1 运行速度模型 基于对运行速度的研究，国内外建立运行车速预测模型的方法主要分两类：第一类是统计回归模型，采取实测人量实际行车速度，建立运行车速与线形指标的关系。第二类是相关因素制约模型，其研究方法不是直接建立速度与道路线形之问的关系，而是建立各种限制速度与道路性质等的关系，然后再根据这些速度定出运行车速，典型的有著名的巴西模型。 2.1.2运行速度模型的选取 本文所采用的运行速度计算模型在《公路设计指南》模型的基础上，对其些缺陷进行相关调整，使得模型更加精确。改进如下： 初始运行速度的选取：  初始速度的选取对于最终运行速度结果是至关重要的，由于每条公路都有着自己的特点，所以不用一概而论的定为某一速度，建议可以对该高速公路进行实际测量，以确定该公路的初始速度。  期望速度的选取： 期望速度的选取亦对运行速度结果产生重大影响，建议可以对该高速公路进行实际测量，以确定该高速公路的期望速度。  半径临界值的改进： 国外对半径临界值取值为600，《指南》中的半径取值为1000，但是由于公路的特殊性和多样性，建议对此进行深入的研究。  考虑实际路段中隧道、桥梁的影响 当汽车通过隧道、桥梁时，其对运行速度会产生较大的影响，所以应该在计算时充分考虑一部分的关系，根据隧道限制车速等，合理调整运行速度。 2.1.3采用的运行速度模型 3

2.1.4运行速度计算步骤 开始

获取路线设计图查找隧道等位置路段划分

半径>1000半径<=1000

纵坡i<3%纵坡i>3%纵坡i<3%纵坡i>3%平直段纵坡段曲线段弯坡段

计算运行速度

如果有隧道等，则进行运行速度限制

结束 2.2基于运行速度的线形质量评价 2.2.1行车舒适性评价 2.2.1.1主观评价法 主观评价法是依据评价者实际乘车的体感反应,给出相对比较主观的评定。根据评价者的经验,对照各自心目中自己确定的标准, 独立的对评价对象给出“好”、“一般”、“坏”等评价,并按照一定规则,量化为某一数值,然后使用特制的评价表,运用方差分析法对其进行统计分析,从而得出评价结论 2.2.1.2客观测量评价法 采用横向力系数μ来评价舒适性 车辆在曲线上行驶时，会受到离心力的作用。为平衡离心力的作用，当曲线半径较小时需设置超高。这种横向稳定的程度会随着运行车速的变化而变化，一般采用横向力系数μ来反映这种稳定性，见下式：

higR2v 式中： μ——横向力系数；ν——运行速度（m/s）；V——运行速度（Km/h）；g ,R——重力加速度（m/s2），曲线半径（m）；hi——横向超高值。 2.2.2运行速度协调性评价 运行速度协调性评价是对相邻路段间运行速度差值进行评价。相邻路段是平面、纵断面、横断面指标或设计速度不同的相接路段，一般是指平曲线的起、终点或纵断面变坡点及横断面变化的前后路段。从行车舒适性的安全性考虑，运行速度前后变化不应过大、即运行速度不产生突变，此时认为运行速度是连续的。运行速度连续，说明路线平面、纵断面线形或平纵组合线形良好，公路线形设计质量较好。反之则说明公路线形设计质量不好。因此，用相邻路段的运行速度的差值|85V|完全可以评价公路线形设计质量。 2.2.3运行速度一致性评价 运行速度一致性评价是指：在单个路段上，运行速度与设计速度应保持一致性。一般用路段小客车运行速度85V与设计速度dV的差值||85dVV来进行的。运行速度一致性评价标准如表所示： 2.3运行速度软件 根据上述运行速度理论以及基于运行速度的评价方法，用VB.NET编写了运行速度计算与路线线形评价软件该软件有两个模块，一是运行速度计算模块，根据选取的路线线形，进行路段划分，然后进行运行 4

速度计算，并生成数据文件。二是CAD脚本文件计算模块，利用道路勘测设计所学的知识，进行模型输出计算，生成CAD脚本计算文件。其软件界面如下：

2.4基于运行速度进行线形质量检验的三维动态透视方法 传统的公路表达方法都是用平、纵、横三个二维界面来表达公路的三维空间位置，这种方法是对三维的二维简化，能较为详细的表示公路的空间方位和形态，但是在对公路线形指标的评价过程中，工程师不仅需要这些详细的数据资料，还需要对道路的整体情况有一个更直观的了解。传统的公路表示方法不能真实的表现道路的三维状况，不能获得道路与环境的协调信息，不能对设计的道路道路线形指标以及道路安全状况做出直观的评价，因此这种表示方法带有一定的局限性。为了使工程师能直观的了解已有的设计或已建成的公路，及时对公路进行各方面评定，实现三维可视具有积极的意义。它是将道路的各项数据转换为三维的图形及图像并进行交互处理的理论、方法和技术。借助这一技术，能在计算机中逼真呈现道路的真实场景，给决策者、设计师直观的三维立体印象，从而为环境景观评估，道路几何线形评价，平、纵、横的整体协调，道路安全检测提供决策的依据。 国内在道路三维可视化方面的研究比国外较晚。从90年代中期开始，三维浏览和可视化设计的研究与开发工作相继进行。比较成功的有纬地道路三维漫游系统和海地公路三维仿真系统(Hard3D)。目前国内外道路三维可视化主要采用OpenGL技术或商业仿真软件来实现，可以实现道路三维场景的搭建，并具有一定的交互功能。 但是它们所运行产生的三维动态模型并没有建立在运行速度的基础上，而是使用了设计速度，由于设计速度在路线设计质量评价中本身就有一定的缺陷，所以用此速度进行三维动态透视进行评价具有一定的偏差，特别是在弯坡段，运行速度和设计速度之差大的地方。故我们提出了基于运行速度进行公路线形设计质量评价的动态透视方法。 2.4.1技术流程

开始获取路线设计图生成三维路网模型路段划分渲染模型视频输出运行速度软件输出运行速度

后期处理视频路线质量评价结束 5

2.4.1.1 选取高速公路路线 本文选取了设计速度为120km/h 的丹东（古城）至本溪（南芬）段长约6km的高速公路。 2.4.1.2生成三维路网表面模型 在AutoCAD中，建立三维模型，并建立动画路径，将公路路线数据与三维动画结合为一体, 达到检查路线设计效果的目的。同时输出3dmax脚本文件，将脚本文件导入到3DMAX中,建立道路动态三维表面模型

2.4.1.3 渲染模型 三维模型的渲染在3DSMAX中进行，在3DMAX中插入VRAY渲染器插件，它能提供高质量的图片和动画渲染。具体的内容包括:设置灯光、架设摄像机、贴材质、设背景、最后渲染成静态和动态公路路线行驶透视图。 2.4.1.4 计算运行速度 通过前面运行速度模型的提出,我们以此模型为基础,用VB.NET编写了运行速度计算器该软件，以每隔50M为单位，计算一次运行速度，横向加速度，V85与设计速度之差. 2.4.1.5 动画制作和视频输出 除了跟静态渲染图有相同的要求外，还需要设置摄像机路径，然后逐帧渲染。渲染后的图片以每秒一定帧数播放出来就成了动态全景透视图，最后一步是通过有关软件对动画片断进行剪辑、合成，最终得到作品。

2.4.2成果评价 2.4.2.1主观评价 通过发放调查问卷根据评价者的经验,对照各自心目中自己确定的标准, 独立的对评价对象给出“好”、“一般”、“坏”等评价。 2.4.2.2数据评价