信號交叉口兩種車輛折算系數(shù)的研究

1、信號交叉口兩種車輛折算系數(shù)的研究#李瑞敏1，唐瑾2*（1. 清華大學交通研究所，北京 100084；51015202530352. 清華大學土木工程系，北京 100084）摘要：針對信號控制交叉口部分車型折算系數(shù)的確定問題，本文利用現(xiàn)場調查和對比分析的方法對路口進口道飽和流量計算中摩托車和中型客車的折算系數(shù)進行了研究。通過實地調查分析，利用車頭時距法確定了中型客車的折算系數(shù)。針對摩托車運行特點，提出等效飽和流量的方法來確定摩托車的折算系數(shù)。給出了一定條件下小汽車的車頭時距和直行進口車道的飽和流量值。同時利用信號控制理論及現(xiàn)場調查數(shù)據(jù)進行了仿真驗證，結果表明本文確定的折算系數(shù)與實際較為相符。關鍵

2、詞：車輛折算系數(shù)；信號交叉口；摩托車；信號控制中圖分類號：u491research on coefficient of conversion of two kinds vehicle atsignaled intersectionli ruimin1, tang jin2(1. institute of transportation engineering , tsinghua university, beijing 100084;2. department of civil engineering, tsinghua university, beijing 100084)abstract:

3、aimed at the research of coefficient of conversion of middle-car and motorcycle atsignaled intersection, this paper reports a new result. using the field survey data, the coefficient ofmiddle-car is calculated based on the time headway. to the characteristics of motorcycle atsignaled intersection, t

4、his paper presents the method of equivalent saturation flow to calculate thecoefficient of conversion of motorcycle. based on the traffic signal control theory and survey data,the simulation indicates the results is consistent with the fact.key words: coefficient of conversion; signaled intersection

5、; motorcycle; traffic signal control0 引言自從 1965 年美國在通行能力手冊1（highway capacity manual，hcm）中首次提出小客車當量（passenger car equivalent，簡稱 pce）的概念以來，車輛折算系數(shù)就被廣泛用來處理機動車混合交通流中不同車型之間的統(tǒng)一關系。由于車輛折算系數(shù)的計算與道路、交通流、車輛性能等條件相關，針對特定的對象需要進行專門的研究。在交通信號控制中，在信號配時優(yōu)化過程中所進行的通行能力的計算、檢測交通流量數(shù)據(jù)的處理等過程中都需要用到車輛折算系數(shù)。本文主要研究信號控制交叉口處中型客車和摩托車對于

6、小汽車的車輛折算系數(shù)。4算機模擬法。具體又可分為數(shù)學模型法、容量計算法、速度-流量計算法、超車率法、延誤計算法、車頭時距法、車隊頭車法、動態(tài)車長法3、動力學模型4等方法，本節(jié)在計算中針對不同的車輛特點分別應用了車頭時距法和等效飽和流量計算法?；痦椖浚航逃坎┦奎c基金新教師基金批準項目( 批準號: 200800031059 ); 國家自然科學基金青年科學基金( 50908125)作者簡介：李瑞敏（1979-），男，山東萊州人，清華大學交通研究所，副教授，研究方向為智能交通控制、智能交通系統(tǒng)等. e-mail: lrmin-1-目前的車輛折算系數(shù)的計算方法主要包括如下三類2：理論模型法、經(jīng)驗計算

7、法和計401 中型客車折算系數(shù)研究本文在中型客車的折算系數(shù)的計算中采用車頭時距法。車頭時距法是在大流量的車流中（近似飽和車流），取不同車型的車頭時距，以其不同車型所占的時間間距為等價標準進行計算，計算公式為：pcei =hihcar（1）4550式中： hi 某車型的車頭時距；hcar 小汽車的車頭時距；車頭時距法適用于交通量接近通行能力、車輛排隊行駛時。在路口交通量較大、紅燈期間路口排隊長度較長的情況下，若無橫向干擾，排隊車輛在綠燈期間會以接近飽和流量的狀態(tài)通過交叉口（扣除啟動損失的 2 秒左右且限于排隊車輛范圍），因此可以利用排隊車輛的運行特征使用車頭時距法來進行中型客車車輛折算系數(shù)的計算

8、。筆者在廣州市原廣州大道與花城大道的交叉口進行了現(xiàn)場調查，取路口北進口道（廣州大道）最內側車道（直行車道）為調查車道，車道寬度為 3.2 米，由于交通管制等因素，該車道 95以上為小汽車和中型車（采用文獻 3 中的分類方法）為主。車型分類如下表 1 所示。55表 1調查車型劃分表3車型編號12車型小汽車中客車車型說明座位數(shù)7，如：小轎車，小面包車，吉普車等座位數(shù)在 821 之間，如：大面包車，依維柯圖例所取數(shù)據(jù)為車流以接近飽和流量的狀態(tài)通過路口時的數(shù)據(jù)。即在調查時段內，假設每個周期該車道紅燈期間最大排隊長度為 n ，則所取數(shù)據(jù)為從第 6 輛車開始到第 n 5 輛車為止，第 6 輛車的數(shù)據(jù)表示第

9、 6 輛車與第 5 輛車之間的車頭時距。由于該交叉口機動車流量很大，60因此每次綠燈可以得到 2030 個有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析結果如下表 2 所示。表 2各類車輛通過交叉口時車頭時距值項目小汽車尾隨小汽車小汽車尾隨中型車中型車尾隨小汽車中型車尾隨中型車取樣數(shù)（n）平均車頭時距（s）樣本標準差（s）279 74 792.076 2.074 2.2190.776 0.683 0.634182.4600.52295的置信度的置信區(qū)間（s）1.1723.3631.2293.6631.2423.3041.5743.594由以上數(shù)據(jù)分析結果可知，在交叉口交通流量統(tǒng)一化計算過程中，中型客車的車輛折算65系數(shù)可

10、以取為 pce1.18，這與文獻 3 中所得 1.11 的數(shù)據(jù)有所差異，主要是由于交通運行條件不同所致。本文研究的是車輛以接近飽和流量的狀態(tài)通過交叉口時的車輛折算系數(shù)，可以用于信號配時的設計。而文獻 3 中計算的是非飽和狀態(tài)下通常車道上的車輛折算系數(shù)，無法用于信號配時設計。同時也可以近似得到該車道的飽和流量約為 1734 輛（標準小汽車）/小時。-2-702 摩托車折算系數(shù)研究1978 年中國民用汽車總計 135.84 萬輛，摩托車總計為 12.6 萬輛。其后摩托車經(jīng)歷了快速發(fā)展到過程，保有量迅速超過小汽車，直到 2011 年 10 月，汽車保有量才超過摩托車保有量5由于摩托車在交叉口的運行特

11、點復雜，也增加了交通控制管理的難度。75表 3 幾個城市交叉口機動車交通流中摩托車比例城市蕭山6 樂清7瑞安8順德9大北路口 a摩托車比例1526255867.1%a 該路口為作者在研究過程中詳細調查的路口。在交叉口飽和流量的計算中，對于摩托車，webster 給出的系數(shù)為 1/3，而國內部分學808590者給的是 0.410。在交叉口配時的實際運用中，筆者發(fā)現(xiàn)這些系數(shù)對我國部分城市摩托車比例較大的交叉口而言偏大，因此進行了相應的調查研究工作。首先討論一下摩托車在信號交叉口的運行特征。與小汽車相比，在綠燈期間通過信號控制交叉口的摩托車具有如下一些運行特征：1）啟動快；2）運行軌跡靈活；3）在路

12、口的運行狀態(tài)與路段不同：在綠燈啟亮初期，每條車道并行的摩托車數(shù)（通常 3 輛左右）要大于路段上一條機動車道同時并行的摩托車數(shù)（通常不大于 2 輛），因此使用觀測路段連續(xù)運行的摩托車的車頭時距的方法來計算摩托車的折算系數(shù)，則對于路口處的摩托車的折算系數(shù)而言偏大3。在此，從應用于交叉口信號控制的角度出發(fā)，本文提出使用等效飽和流量的方法來確定路口飽和流量計算中摩托車的折算系數(shù)，類似于前面提到的容量計算法2：在同一服務水平下，通過交叉口的混合車流的車流量應該與純小汽車具有等價性，即：qb = q m × p × pce m + q m × (1 p)式中：qb 某服務水平

13、下對應的純小汽車量；qm 某服務水平下對應的某種混合車流的車流量；（2）95100105p 混合車比例；pce m 混合車型的折算系數(shù)。由于難以確定某一服務水平下的交通容量，因此該法的應用有一定的困難。本文在應用該方法的時候，基于如下前提：某一車道紅燈期間的停等車流在綠燈期間通過停車線的飽和流率，在道路、交通條件類似的情況下是相同的。筆者在兩個城市各自選擇了一個摩托車比例較大的路口進行了詳細調查，一個是廣州市番愚區(qū)的大北路/環(huán)城中路路口，一個是中山市的中山三路/華柏路路口，調查時間選擇晚高峰時段的數(shù)個周期。在調查期間，選擇綠燈期間車輛以飽和狀態(tài)通過停車線的時段為計數(shù)周期，例如：若綠燈期間讓綠燈

14、開始時停車線后等待的車輛全部通過停車線的時間為 35 秒，則在調查中取前 30 秒作為統(tǒng)計周期。選擇如下數(shù)據(jù)進行分析：在大北路/環(huán)城中路路口，選擇了 10 個周期的北進口道直行交通流；在中山三路/華柏路路口，選擇了 20 個周期的南進口道直行交通流和東進口道直行交通流（這兩個路口都為 4 相位信號控制路口，設置有左轉專用信號相位）。共分析數(shù)據(jù) 45個，分析結果如圖 1 及表 4 所示。-3-。在中國的眾多中小城市中的交叉口交通流中，摩托車占了很大的比例，見表 3。同時從結果中可以看出，摩托車折算系數(shù)可以取在 0.220.27 之間，具體數(shù)據(jù)可根據(jù)現(xiàn)場調110查進一步確定。表 4 信號控制交叉口

15、摩托車折算系數(shù)計算項目摩托車折算系數(shù)取樣數(shù)（n）樣本標準差90的置信度的折算系數(shù)區(qū)間平均值450.1310.0470.500.245108642std. dev = .13mean = .250n = 45.00.06.13.19.25.31.38.44.50.56圖 1摩托車折算系數(shù)分布圖115在現(xiàn)場調查及研究中作者還發(fā)現(xiàn)，由于摩托車在交叉口的運行有一定特點，例如啟動快、一個車道可以同時啟動多輛摩托車等特性，可以對交通管理和控制有一定的指導意義，例如：在摩托車比例較大的路口，可以在停車線后專設一段摩托車專用等待區(qū)，讓部分摩托車利用小汽車的起動延誤時間來提前通過交叉口，這種管理措施可以有以下優(yōu)

16、勢：1201251301351）在不顯著延誤小汽車啟動的同時可以提高交叉口通行能力，由于摩托車啟動較快，可以減少綠燈啟動損失時間，更加充分的利用綠燈時間；2）由于將摩托車進行了相對的集中，可以近似認為實現(xiàn)了不同車種的分流，減少了在通過交叉口的過程中摩托車與小汽車的穿插等現(xiàn)象，有利于改善交通秩序、提高交通安全。作者在觀測過程中對摩托車在路口處的集散情況進行了粗略的記錄，從最后的數(shù)據(jù)處理來看，紅燈期間在交叉口停車線后、第一輛小汽車前的區(qū)域中如果集中的摩托車越多，則同樣綠燈期間通過的折算當量小汽車車數(shù)越多，可以看到對通行能力的增大有一定的意義，具體的影響與分析還需進行進一步的有針對性的調查，同時該項

17、措施的實施需要有一定的交通工程配合，例如劃出摩托車專用道等，因此對其進行全面綜合的分析還需要進一步調查和研究，本文在此只是對調查過程中所碰到的情況進行初步的分析，由于調查樣本的有限，可能有分析不全面的地方。3 仿真驗證為對本文摩托車折算系數(shù)研究結果的有效性進行檢驗，筆者在廣州市番禺區(qū)的大北路/環(huán)城中路路口進行了 1 個小時的交通流觀測，記錄所有周期所有進口道分車型的交通流量以及相應的配時方案，并記錄各個周期的排隊情況。該交叉口有環(huán)形行人、自行車過街天橋，因此路口范圍內地面機動車交通流受行人和自行車影響非常小。交叉口信號配時參數(shù)如下表 5 及所示：-4-頻數(shù)表 5相位設置及配時參數(shù)相位編號相位

18、1相位 2相位 3相位 4放行方向 南北左轉南北直行東西左轉東西直行燈態(tài)綠黃綠黃全紅綠黃綠黃全紅時長（秒） 56 4 36 4 3 22 3 22 3 3140145150155160因調查時段與分時段定時控制中的時段劃分一致，因此配時方案在調查的 1 小時內沒有變化，如上所示配時方案，周期長為 156 秒，共調查 22 個周期。在調查過程中，由于人力所限，在調查交通流量的同時，僅僅記錄了各方向進口道直行車道的排隊長度，共獲得 44個排隊長度的數(shù)值。因為該交叉口機動車交通流的運行受自行車和行人影響非常小，因此采用 synchro5.0軟件環(huán)境中進行仿真評價，對其中的部分參數(shù)根據(jù)路口情況進行了相應的調整。發(fā)現(xiàn)在摩托車折算系數(shù)取 0.25 的時候，仿真結果與實際較為相符。下面圖 2 為 44 個仿真計算排隊長度與實際排隊長度的相對誤差分布示意圖，從圖中可以看出，最大相對誤差不超過 20，平均相對誤差為 8.07%，說明折算系數(shù)取得較為合理。圖 2 排隊長度相對誤差分布示意圖4 結論交叉口信號配時優(yōu)化的應用