公路是一条三维空间带状构造物,几何设计是对这条三维带状物几何性能的研究,对提高公路运行质量和保障公路运行安全十分重要。公路设计全过程中应融入迭代的设计过程,不同设计阶段的需求影响几何设计三维线形,几何设计三维线形也影响车辆运行时间、车辆运行能耗和公路安全性能等公路使用性能。公路设计阶段是工可阶段方案的细化,针对目前设计阶段仅以路线长度、工程造价作为路线方案比选的现状,未考虑车辆在不同几何设计方案上的公路使用性能差别,本文引入车辆路径规划和驾驶安全风险预测,对设计阶段不受交通量影响的公路使用性能进行重新定义并进行定量预测,以达到评价设计阶段公路几何设计三维线形质量的目的。通过研究工可阶段和设计阶段几何设计三维线形和公路使用性能的关系,提出公路设计全过程中应融入迭代的设计方法。通过分析车辆路径规划与公路几何设计的关系,基于车辆三维路径规划,运用微分几何理论建立了三维公路曲面模型,并应用于车辆运行时间、车辆运行能耗和公路安全性能等公路使用性能评价模型的建立,为公路几何设计三维线形优化提供了定量比较的标准。结合空间三维设计指标测地曲率6)₂)进行车辆速度规划,获得车辆运行时间评价模型;针对现有的三维路面近似模型和质点车辆模型,提出基于三维路面解析模型的车轮模型,得到车辆运行能耗评价模型;基于潜在事故理论定义驾驶安全风险,提出了一种描述横向和纵向加速度与速度之间关系的方法,建立了基于驾驶安全风险预测的公路几何设计三维线形安全性能评价模型,以评价公路安全性能。通过四川省某路段施工图几何设计三维线形优化设计,验证了设计阶段引入车辆运行时间、车辆运行能耗和公路安全性能等公路使用性能定量比较指标的可靠性,设计阶段使用基于车辆路径规划和驾驶安全风险的公路几何设计三维线形评价的实用性。本文取得的主要研究成果为改善传统设计阶段,仅以路线长度和工程造价作为方案比选的方法,建立了以公路几何设计为自变量的车辆运行时间、车辆运行能耗和公路安全性能等公路使用性能预测模型,为全寿命周期公路线形优化设计提供了定量比较的方法。此外,所建立的三维路面模型和车轮模型也为车辆运行和公路安全分析提供了新的研究方法。