基于高速公路通行能力分析的車(chē)輛折算系數(shù)理論與算法

1、V ol117N o16公路交通科技2000年12月JOURNA L OF HIGHWAY AND TRANSPORT ATION RESEARCH AND DEVE LOPMENT 文章編號(hào):10020268(200006006004基于高速公路通行能力分析的車(chē)輛折算系數(shù)理論與算法高耀華1,劉洪君2,周榮貴3(11山西原太高速公路公司,山西太原030012;21山東省公路檢測(cè)中心,山東濟(jì)南272113;31交通部公路科學(xué)研究所,北京100088摘要:以通行能力分析為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)車(chē)輛折算系數(shù)理論的分析,提出車(chē)輛折算系數(shù)的準(zhǔn)確概念,即在特定的道路條件以及交通組成條件下,所有非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車(chē)對(duì)

2、交通流流量影響的當(dāng)量值。在此定義的基礎(chǔ)上,確定車(chē)頭時(shí)距的SVE算法。最后,通過(guò)計(jì)算廣佛高速公路的數(shù)據(jù),給出微型車(chē)和大中型車(chē)在高速公路平直路段、通常交通條件下的SVE推薦值。關(guān)鍵詞:車(chē)輛折算系數(shù);理論分析;算法;高速公路;通行能力中圖分類(lèi)號(hào):U49111+14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ATheory and Arithmetic of Standard Vehicle Equivalentsfor Expre ssway Capacity AnalysisG AO Yaohua1,LIU Hongjun2,ZHOU Ronggui3(11Y uan T ai Express way Ltd1of Shanxi

3、 Province,ShanxiT aiyan030012,China;21Highway Engineering T est Center of Shandong Province,ShandongJinan272113,China;31Research Institute of Highway M OC,Beijng100088,ChinaAbstract:A clear definition of standard vehicle equivalents is formulated in this paper on the basis of theoretic analysis,whic

4、h is the e2 quivalents of in fluence in v olume of nonstandard vehicles to that of standard vehicle under a specific road conditions and traffic com posi2 tion conditions1T ime headway is chosen to be the index of S VE arithmetic1Finally recommended S VE of minivehicle and medium& large vehicle

5、are given under flat,straight express way segments,prevailing traffic com position conditions,by analyzing data of G uang fo Express way1K ey words:S tandard vehicle equivalents;Theory;Arithmetic;Express way;Capacity analysis0引言在國(guó)內(nèi)外的通行能力研究中,對(duì)交通流模型和服務(wù)水平的研究多數(shù)以100%的標(biāo)準(zhǔn)車(chē)流為基礎(chǔ),引出如何將實(shí)際的混合交通流折算成理想的100%標(biāo)準(zhǔn)車(chē)流的車(chē)

6、輛折算系數(shù)問(wèn)題,從而確立了車(chē)輛折算系數(shù)研究在通行能力研究中的重要地位。隨著本世紀(jì)40年代通行能力研究的展開(kāi),對(duì)車(chē)輛折算系數(shù)的研究從未中斷,但至今卻沒(méi)能提出一個(gè)公認(rèn)的算法。我國(guó)公路中運(yùn)行的車(chē)輛種類(lèi)多,車(chē)輛動(dòng)力性能差異大,給車(chē)輛折算系數(shù)研究提出了新課題。1數(shù)據(jù)說(shuō)明本文計(jì)算中使用的所有數(shù)據(jù),都是利用交通部公路科學(xué)研究所和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的交通量數(shù)據(jù)采集儀,于1998年1月14日和15日,在廣佛高速公路的佛廣方向超車(chē)道中連續(xù)采集,采集地點(diǎn)為平直路段,采集過(guò)程中有間斷小雨。最終獲得有效單車(chē)數(shù)據(jù)信息共28354項(xiàng)。車(chē)輛分類(lèi)采用以車(chē)輛的運(yùn)行特性為首要標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合車(chē)輛的結(jié)構(gòu)特征和軸距出現(xiàn)頻率的方法,將車(chē)輛劃

7、分為微型車(chē)、小客車(chē)、大中型車(chē)和不定型4類(lèi)?？紤]到交通量數(shù)據(jù)采集儀可能得到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù),對(duì)采集儀獲得的原始單車(chē)數(shù)據(jù)作如下處理:11刪除軸距在019m以下,速度在10km/h左右的車(chē)輛信息,它們僅占總數(shù)的018%;21結(jié)合我國(guó)車(chē)輛的運(yùn)行特性,刪除地點(diǎn)車(chē)速大于160km/h的車(chē)輛,它們占車(chē)輛總數(shù)的012%。刪除后,剩下有效單車(chē)信息共28050項(xiàng)。2車(chē)輛折算系數(shù)的理論分析車(chē)輛折算系數(shù)的概念雖經(jīng)常使用,卻從未明確定義過(guò),而一直沿用小客車(chē)當(dāng)量的定義。在1965年版的HC M中,小客車(chē)當(dāng)量(Passenger Car Equivalents定義為通常道路條件下,交通流中貨車(chē)或公共汽車(chē)對(duì)小汽車(chē)的當(dāng)量1。此定義只

8、是說(shuō)明了小客車(chē)在通常道路條件下車(chē)輛折算系數(shù)的含義,而沒(méi)有包括車(chē)輛折算系數(shù)的全部?jī)?nèi)容。另外,此定義雖明確說(shuō)明PCE是當(dāng)量值,卻沒(méi)有明確說(shuō)明當(dāng)量的基礎(chǔ),所以在具體的PCE算法中,提出了以速度、司機(jī)感受、車(chē)頭間距、車(chē)道占有率、延誤、駕駛自由度等多種交通流參數(shù)為基礎(chǔ)的算法?？梢?jiàn),在討論車(chē)輛折算系數(shù)之前,有必要明確車(chē)輛折算系數(shù)的定義。在PCE定義中,將道路條件限定為通常情況,這種定義是不完整的。由于道路條件的不同,特別是道路等級(jí)、縱坡坡度和坡長(zhǎng)的不同,會(huì)導(dǎo)致各車(chē)型對(duì)交通流的影響發(fā)生很大的變化,所以通常道路條件下的當(dāng)量值應(yīng)該只是車(chē)輛折算系數(shù)研究的一個(gè)方面,除此之外,車(chē)輛折算系數(shù)研究還包括各種坡度、坡長(zhǎng)以及

9、交通組成等特定條件下的當(dāng)量值問(wèn)題。這一點(diǎn)可以在1965、1985及1994年出版的各版HC M中得到部分印證。在HC M的“高速公路基本路段”一章中,不僅給出了一般地形條件下各車(chē)型的PCE值,還給出了在各種道路形式,特定的坡度、坡長(zhǎng)和貨車(chē)所占比例條件下,各車(chē)型的PCE值,只是在PCE定義中沒(méi)有明確提出。PCE的定義只是針對(duì)小客車(chē)是標(biāo)準(zhǔn)車(chē)的車(chē)流,建立貨車(chē)或公共汽車(chē)與小客車(chē)的當(dāng)量關(guān)系。這與國(guó)外小客車(chē)在道路交通中占主流,且車(chē)型相對(duì)較少的實(shí)際情況是吻合的。而在我國(guó)公路中運(yùn)行車(chē)輛的車(chē)型多,且各等級(jí)道路中的交通組成差異大的情況下,其內(nèi)容就明顯不足了。在車(chē)輛折算系數(shù)的討論構(gòu)成中,不單單小客車(chē)可能成為標(biāo)準(zhǔn)車(chē),

10、其他車(chē)型也可能成為標(biāo)準(zhǔn)車(chē),這由研究對(duì)象的交通組成來(lái)決定。但標(biāo)準(zhǔn)車(chē)的選擇并不是車(chē)輛折算系數(shù)討論的重點(diǎn),車(chē)輛折算系數(shù)主要是研究各車(chē)型車(chē)輛對(duì)交通流流量造成影響的差別。在相同的道路、交通條件下,不管標(biāo)準(zhǔn)車(chē)如何選擇,車(chē)輛折算系數(shù)反映的各車(chē)型對(duì)交通流流量影響的相互關(guān)系都是相同的。比如,在一定的道路、交通條件下,當(dāng)小客車(chē)是標(biāo)準(zhǔn)車(chē)時(shí),大中型車(chē)為210;那么,當(dāng)大中型車(chē)被定為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)時(shí),小客車(chē)則是015。另外,車(chē)輛折算系數(shù)還應(yīng)該把研究范圍從貨車(chē)、公共汽車(chē)擴(kuò)展到所有非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型。車(chē)輛折算系數(shù)是在通行能力研究中提出的,用于混合交通流與100%標(biāo)準(zhǔn)車(chē)流之間流量的換算,為的是使各道路、交通條件下的混合交通量之間具有可比性。

11、可見(jiàn),車(chē)輛折算系數(shù)的當(dāng)量關(guān)系應(yīng)該建立在混合交通流和100%標(biāo)準(zhǔn)車(chē)流的流量之間。也就是說(shuō),不論車(chē)輛折算系數(shù)算法的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如何選擇,車(chē)輛折算系數(shù)最終都應(yīng)該在現(xiàn)實(shí)交通流與理想交通流的流量之間建立等量關(guān)系,而不是泛泛的討論各車(chē)型之間的任何一種當(dāng)量關(guān)系。綜上所述,將車(chē)輛折算系數(shù)(Standard Vehicle E2 quivalents定義為:在特定的道路條件以及交通組成條件下,所有非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車(chē)對(duì)交通流流量影響的當(dāng)量值。3車(chē)輛折算系數(shù)的算法分析311選擇車(chē)輛折算系數(shù)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)SV E的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),可以選擇各種交通流的特征參數(shù),如原來(lái)已經(jīng)采用過(guò)的速度、司機(jī)感受、車(chē)頭間距、車(chē)道占有率等。我們選擇能直

12、接反映交通流流量的車(chē)頭間距作為車(chē)輛折算系數(shù)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),原因是: (1在通行能力分析過(guò)程中,車(chē)頭時(shí)距是最直觀的交通流參數(shù),可以從交通量數(shù)據(jù)采集儀直接獲得,不會(huì)因計(jì)算產(chǎn)生累積誤差,是能采集到的最準(zhǔn)確的交通流參數(shù);(2SV E的最終目的是在實(shí)際交通流與理想交通流的流量之間建立當(dāng)量關(guān)系,利用車(chē)頭間距來(lái)計(jì)算可以直接反映出各車(chē)型車(chē)輛對(duì)流量的影響;(3目前對(duì)交通流的認(rèn)識(shí)并不透徹,各交通流參數(shù)之間的關(guān)系在理論和實(shí)際之間存在差距。如果選取其它交通流參數(shù)作為SV E計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),確定這些參數(shù)與流量之間的準(zhǔn)確關(guān)系存在困難;(4非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型車(chē)輛在混合車(chē)流中運(yùn)行,在駕駛自由度、司機(jī)感受、速度以及延誤等各方面都對(duì)交通流造成了與

13、標(biāo)準(zhǔn)車(chē)不同的影響,但這些影響終歸通過(guò)司機(jī)選擇不同的跟馳距離,在車(chē)頭間基于高速公路通行能力分析的車(chē)輛折算系數(shù)理論與算法高耀華等距上反映出來(lái),可以說(shuō)車(chē)頭間距在一定程度上是各車(chē)型對(duì)交通流造成各方面影響的綜合體現(xiàn);(5利用交通量數(shù)據(jù)采集儀采集實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的內(nèi)容有限,而采集車(chē)流密度等其他交通流參數(shù)不僅會(huì)影響參數(shù)精度,還需要耗費(fèi)大量的人力、物力。以車(chē)頭間距作為SV E的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),其實(shí)是考慮不同的車(chē)型在相同的交通流狀態(tài)下,所有非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)占有車(chē)流空間與標(biāo)準(zhǔn)車(chē)占有車(chē)流空間的比值。312基于車(chē)頭時(shí)距的SV E計(jì)算式車(chē)頭間距的描述方法包括時(shí)間描述(車(chē)頭時(shí)距和空間描述(動(dòng)態(tài)凈空?？紤]到車(chē)頭時(shí)距采集更準(zhǔn)確、計(jì)算更簡(jiǎn)便,在這里

14、我們利用前者計(jì)算SV E值,其計(jì)算表達(dá)式如式(1。SV E ij=H ij/H Sj(1其中,SV E ij在交通流j狀態(tài)下,車(chē)型i的車(chē)輛折算系數(shù);H ij在交通流j狀態(tài)下,車(chē)型i的車(chē)頭時(shí)距;H Sj在交通流j狀態(tài)下,標(biāo)準(zhǔn)車(chē)的車(chē)頭時(shí)距。313SV E的支持?jǐn)?shù)據(jù)雖然計(jì)算得到的車(chē)輛折算系數(shù)在所有交通流狀態(tài)中都是有效的,但是在計(jì)算車(chē)輛折算系數(shù)的過(guò)程中卻不是任何狀態(tài)下的數(shù)據(jù)都是適合的。由于車(chē)輛折算系數(shù)研究的是不同車(chē)型的車(chē)輛對(duì)交通流流量造成的不同影響,所以在計(jì)算SV E的過(guò)程中,參與計(jì)算的數(shù)據(jù)必須是存在于各車(chē)型對(duì)交通流流量造成影響的車(chē)流狀態(tài)之中。參照1994年HC M中高速公路B、C、D、E 級(jí)服務(wù)水平

15、的規(guī)定,以及實(shí)際數(shù)據(jù)中15%車(chē)速和85%車(chē)速,本文將用于計(jì)算SV E的交通流狀態(tài)參數(shù)的范圍定為:車(chē)流速度4080km/h,混合車(chē)流密度大于7輛/km/車(chē)道,混合車(chē)流率在6002000輛/h/車(chē)道。超出此范圍,車(chē)輛或自由行駛,車(chē)輛間的相互影響太小;或不能穩(wěn)定運(yùn)行,不能形成穩(wěn)定流。所以不能把超出范圍的數(shù)據(jù)作為SV E的計(jì)算數(shù)據(jù)。在具體計(jì)算中,如何確定用于計(jì)算SV E的單個(gè)車(chē)輛的車(chē)頭時(shí)距范圍呢?在保證樣本的總體特性的前提下,為了避免極少數(shù)車(chē)輛的大車(chē)頭時(shí)距值影響樣本均值,我們選取了SV E支持?jǐn)?shù)據(jù)范圍內(nèi)最小車(chē)流率的85%為車(chē)頭時(shí)距作為統(tǒng)計(jì)車(chē)頭時(shí)距的上限。當(dāng)車(chē)流率在600輛/h/車(chē)道時(shí),車(chē)頭時(shí)距的均值大

16、約為6s,其85%位車(chē)頭時(shí)距為8s2。所以,將8s作為計(jì)算SV E單個(gè)車(chē)輛的車(chē)頭時(shí)距的上限。另外,由于不定型車(chē)輛僅占車(chē)輛總數(shù)的214%,且多數(shù)是交通量采集儀得到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù),所以在計(jì)算SV E時(shí),不討論此類(lèi)車(chē)輛。314計(jì)算SV E按單車(chē)的速度代表車(chē)流速度,劃分統(tǒng)計(jì)區(qū)間,統(tǒng)計(jì)不同車(chē)流速度下,不同車(chē)型的車(chē)頭時(shí)距均值,按式(1計(jì)算SV E值,結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥吹?車(chē)流速度在4080km/h之間變化時(shí),各車(chē)型的車(chē)頭時(shí)距在2 4s之間變化,即交通流狀態(tài)都處在各車(chē)型車(chē)輛影響交通流流量的的范圍之內(nèi)。隨車(chē)流速度的變化,微型車(chē)SV E值在1105左右擺動(dòng),但幅度較小;大中型車(chē)SV E值在1130左右擺動(dòng),幅度略大

17、于微型車(chē)。車(chē)頭時(shí)距的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表1速度區(qū)間(km/h車(chē)頭時(shí)距(s微型車(chē)小客車(chē)大中型車(chē)SVE值通過(guò)圖1中擬合的SV E二次多項(xiàng)式曲線(xiàn)可以發(fā)圖1不同速度區(qū)間內(nèi)各車(chē)型的SVE值序列現(xiàn):隨車(chē)流速度的變化,SV E值的變化呈拋物線(xiàn)。當(dāng)車(chē)流速度是40km/h和80km/h,即車(chē)流處于自由流狀態(tài)和擁擠狀態(tài)時(shí),SV E值最小,即各車(chē)型對(duì)交通流流量影響的差別小;而當(dāng)速度為5060km/h,即車(chē)流處于中間流量狀態(tài)時(shí),SV E值最大,即各車(chē)型對(duì)交通流流量影響的差別最大?，F(xiàn)實(shí)交通流中,當(dāng)車(chē)流量較少時(shí),車(chē)輛自由行駛,相互影響小;車(chē)流量較大時(shí),車(chē)輛相互跟馳,無(wú)法超車(chē),各車(chē)型對(duì)交通流量的影響僅因車(chē)輛軸距的差別造成;當(dāng)車(chē)流處于

18、中間流量狀態(tài)時(shí),車(chē)輛由于頻繁的加速、減速、換車(chē)道,使車(chē)輛間相互影響增大?？梢?jiàn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合。公路交通科技2000年第6期利用車(chē)頭時(shí)距計(jì)算高速公路平直路段中的SV E,微型車(chē)為11001115,大中型車(chē)為11151140。其中,微型車(chē)SV E在110附近變化,二次擬合曲線(xiàn)的曲率也很小,與小客車(chē)幾乎沒(méi)有差別,建議在使用中采用110;隨車(chē)流速度變化,大中型車(chē)SV E的數(shù)值變化較微型車(chē)大,但其數(shù)值也僅有0125的波動(dòng),建議在實(shí)際應(yīng)用中采用1130。該數(shù)值較1994年版HC M中高速公路一般路段的貨車(chē)PCE值1153小,這是因?yàn)槲覈?guó)高速公路中大中型車(chē)種類(lèi)較多、比例較高,頻繁出現(xiàn)的各種大中型車(chē)削

19、弱了該車(chē)型對(duì)交通流流量的影響。316對(duì)其它車(chē)輛折算系數(shù)算法的思考回顧以往提出的PCE算法,不論是基于速度的PCE算法4,5,還是Huber算法6、等延誤算法7、Walker算法8,都各自強(qiáng)調(diào)交通流受到非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)影響的一個(gè)方面,如速度、司機(jī)的心理、行駛延誤或超車(chē)自由度,雖然這些方面也都同交通流量有關(guān)系,但這些算法在實(shí)際應(yīng)用中存在以下缺點(diǎn):11這些參數(shù)都不能直接反映出非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)對(duì)交通流流量的影響,交通流的速度與流量的關(guān)系在理論和實(shí)際之間存在差距,認(rèn)識(shí)并不透徹,而司機(jī)心理、行駛延誤和超車(chē)自由度與流量的關(guān)系則更不清楚。所以,以速度、司機(jī)心理、行駛延誤、超車(chē)自由度為基礎(chǔ)得到的PCE,并不是通行能力研究中希望

20、得到的混合交通流與理想交通流之間的當(dāng)量值,而僅只是討論了非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)在速度、司機(jī)心理、行駛延誤、超車(chē)自由度等方面對(duì)交通流影響與標(biāo)準(zhǔn)車(chē)造成影響的差別。21基于速度、司機(jī)心理、行駛延誤和超車(chē)自由度的PCE算法,對(duì)數(shù)據(jù)的要求苛刻。比如,Huber公式中,需要100%小汽車(chē)情況下的車(chē)流率;等延誤算法中,需要得到標(biāo)準(zhǔn)小汽車(chē)由于車(chē)隊(duì)中慢速小汽車(chē)而產(chǎn)生的行程時(shí)間延誤;Walker算法中,需要每英里每小時(shí)中超過(guò)卡車(chē)的小汽車(chē)數(shù)量。采集這些數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的人力物力。31基于速度的PCE算法4對(duì)數(shù)據(jù)很敏感,在各車(chē)型流量與自由流速度的多元回歸過(guò)程中,回歸系數(shù)經(jīng)常出現(xiàn)正值。采用這樣對(duì)數(shù)據(jù)敏感的算法,事倍功半。4結(jié)論綜上所

21、述,可以得到如下結(jié)論:11車(chē)輛折算系數(shù)是在特定的道路等級(jí)、坡度、坡長(zhǎng)以及交通組成條件下,所有非標(biāo)準(zhǔn)車(chē)相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車(chē)對(duì)交通流流量影響的當(dāng)量值。21車(chē)輛折算系數(shù)算法中,以車(chē)頭間距作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的S VE算法,較其他算法更準(zhǔn)確、更簡(jiǎn)便。具體計(jì)算過(guò)程中,應(yīng)該對(duì)8s以?xún)?nèi)的車(chē)頭時(shí)距進(jìn)行統(tǒng)計(jì),這樣既能保證樣本的特征,又能避免極少數(shù)車(chē)輛的大車(chē)頭時(shí)距對(duì)樣本均值的影響。31隨車(chē)流速度的變化,各車(chē)型SV E的變化趨勢(shì)呈二次拋物線(xiàn)。當(dāng)車(chē)流速度在5060km/h之間時(shí), SV E值最大。也就是說(shuō),在這個(gè)速度區(qū)間內(nèi),車(chē)輛之間相互影響最大。41實(shí)際應(yīng)用中,在高速公路平直路段,通常的交通組成條件下,微型車(chē)的SV E宜采用110,而大中型車(chē)SV E則采用1130。而高速公路中特定坡度、坡長(zhǎng)和交通組成條件下的SV E值,以及其他道路等級(jí)中各種SV E值都有待進(jìn)一步采集數(shù)據(jù)后獲得。參考文獻(xiàn):1S pecial Report87:Highway Capacity M anual1W ashington D C:TRB,National Research C ouncil,1965:2512Adolf D M ay1T raffic