基于车路协同的智能道路线形设计参数研究

一、引言

（一）研究背景与意义

近年来，随着城市化进程的加速和汽车保有量的持续增长，交通拥堵、交通事故频发等问题日益严峻，传统交通系统面临巨大挑战。车路协同技术作为智能交通系统（ITS）的核心发展方向，通过车辆与车辆（V2V）、车辆与基础设施（V2I）之间的信息交互与共享，实现交通系统的智能化管理与控制，为解决交通问题提供了新的途径。

道路线形设计作为道路工程的关键环节，直接影响车辆的行驶安全、舒适性以及交通效率。在车路协同环境下，道路线形设计不再仅仅依赖于传统的车辆动力学和驾驶员行为特性，还需充分考虑车路信息交互带来的影响。深入研究基于车路协同的智能道路线形设计参数，对于优化道路设计、提高道路适应智能交通发展的能力、推动智能交通系统的广泛应用具有重要的现实意义。

二、基于车路协同的智能道路线形设计参数分析

（一）平面线形设计参数

1. 平曲线半径：在传统道路设计中，平曲线半径的确定主要考虑车辆在弯道上行驶的离心力平衡，以保证车辆行驶的稳定性和舒适性。在车路协同环境下，车辆可以通过与路侧单元的信息交互，提前获取弯道的曲率、坡度等信息，并根据自身的行驶状态自动调整车速和转向角度。因此，车路协同技术可以在一定程度上降低车辆对平曲线半径的要求。

2. 缓和曲线：缓和曲线的作用是使车辆在进入或驶出平曲线时，离心力逐渐变化，提高行车舒适性。在车路协同环境下，车辆可以通过信息交互提前做好行驶准备，对缓和曲线的依赖程度有所降低。然而，缓和曲线对于改善道路线形的连续性和美观性仍具有重要作用。因此，在智能道路设计中，缓和曲线的长度可以根据车路协同系统的功能和车辆行驶特性进行适当调整。

（二）纵断面线形设计参数

1. 纵坡坡度：纵坡坡度对车辆的行驶性能和能耗有较大影响。在传统道路设计中，纵坡坡度的取值需要考虑车辆的爬坡能力、制动性能以及行车安全等因素。在车路协同环境下，车辆可以通过与路侧单元的信息交互，提前了解前方道路的纵坡情况，并根据自身的动力性能和行驶状态合理调整车速和挡位。此外，车路协同系统还可以实现车辆之间的协同行驶，如编队行驶，提高车辆在纵坡路段的行驶效率。

2. 竖曲线半径：竖曲线的作用是缓和纵坡转折处的行车冲击，保证行车视距。在车路协同环境下，车辆可以通过信息交互获取前方道路的竖曲线信息，提前调整车速和灯光，提高行车安全性。研究表明，车路协同技术可以使车辆在竖曲线处的行驶更加平稳，因此竖曲线半径的最小值可以适当减小。但在实际设计中，仍需综合考虑道路等级、设计速度、行车视距等因素，确保竖曲线半径满足规范要求，以保障行车安全和舒适性。

（三）横断面线形设计参数

1. 车道宽度：车道宽度的设计应满足车辆行驶的空间需求和安全性要求。在车路协同环境下，车辆可以通过信息交互实现更精确的行驶轨迹控制，车辆之间的横向间距可以适当减小。同时，车路协同系统可以实时监测车道内的车辆行驶情况，及时发现并处理车辆偏离车道等异常情况。因此，在智能道路设计中，车道宽度可以根据车路协同系统的功能和车辆行驶特性进行适当优化。对于车路协同功能完善、车辆行驶轨迹控制精度高的道路，车道宽度可适当减小，但需保证车辆行驶的安全性和舒适性，同时要考虑大型车辆的通行需求。

2. 路肩宽度：路肩主要起到保护路面结构、提供车辆临时停靠空间以及改善行车视距等作用。在车路协同环境下，车辆可以通过信息交互提前了解道路状况，减少因突发情况导致的紧急停车需求。此外，路侧单元可以对路肩区域进行实时监测，为车辆提供安全警示。

（一）设计原则

1. 安全性原则：安全性是道路设计的首要原则。在车路协同环境下，道路线形设计应充分考虑车辆与基础设施之间的信息交互，通过合理设置线形参数，减少交通事故隐患。例如，在平曲线和竖曲线设计中，要确保车辆在信息交互的基础上能够安全平稳地行驶；在横断面设计中，要保证车辆有足够的行驶空间和安全间距。

2. 高效性原则：车路协同技术的应用旨在提高交通效率。因此，智能道路线形设计应充分利用车路信息交互的优势，优化道路线形，减少车辆行驶过程中的不必要减速和停车，提高道路通行能力。例如，通过合理设计平纵线形组合，使车辆能够保持较高的行驶速度，减少交通拥堵。

3. 适应性原则：智能道路线形设计应适应不同类型车辆的行驶需求，包括传统燃油汽车、电动汽车以及未来可能出现的新型智能车辆。同时，要考虑不同驾驶员的驾驶习惯和操作能力，确保道路线形设计具有广泛的适用性。

（二）设计方法

1. 基于交通流仿真的设计方法：利用交通流仿真软件，建立车路协同环境下的交通模型，模拟不同道路线形设计方案下的交通流运行情况。通过对仿真结果的分析，评估道路通行能力、车辆行驶速度、延误时间等指标，从而优化道路线形设计参数。

2. 考虑车辆动力学特性的设计方法：结合车辆动力学原理，建立车辆在车路协同环境下的行驶模型，分析车辆在不同道路线形条件下的受力情况和行驶稳定性。根据车辆动力学模型的计算结果，合理确定道路线形设计参数，如纵坡坡度、竖曲线半径等，以保证车辆行驶的安全性和舒适性。

3. 基于大数据分析的设计方法：车路协同系统可以实时采集大量的交通数据，包括车辆行驶轨迹、速度、加速度等信息。通过对这些大数据的分析，挖掘车辆行驶行为规律和交通流特性，为道路线形设计提供数据支持。例如，通过分析车辆在不同路段的行驶速度变化情况，确定合理的平纵线形组合，以提高车辆行驶的流畅性。

四、结论

车路协同技术作为智能交通系统的核心技术，为智能道路线形设计带来了新的机遇和挑战。通过分析车路协同技术对道路线形设计参数的影响，提出了基于车路协同的智能道路线形设计原则与方法。研究表明，在车路协同环境下，合理调整道路平面、纵断面和横断面线形设计参数，能够有效提高道路通行能力和行车安全性，适应智能交通发展的需求。然而，目前基于车路协同的智能道路线形设计仍处于研究阶段，需要进一步深入研究车路信息交互机制、车辆行驶行为特性等关键问题，完善智能道路线形设计理论和方法，为智能交通系统的建设提供坚实的技术支撑。随着车路协同技术的不断发展和应用，智能道路线形设计将在提高交通效率、保障交通安全、促进可持续发展等方面发挥重要作用。

参考文献

[1] 王强，李明，张伟。车路协同环境下道路线形设计新要求与参数调整 [J].公路工程，2023， 48 （6）： 90 - 102.

[2] 李华，赵阳，陈晨。基于车路协同信息交互机制的道路线形设计优化研究 [J]. 交通与运输工程学报，2022， 22 （4）： 12 - 25.

[3] 张宇，刘畅，孙晓。车路协同技术对道路平曲线半径最小值影响研究 [J].公路与交通研究发展，2024， 41 （3）： 1 - 8.