基于高速公路通行能力分析的車輛折算系數(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:10020268(200006006004基于高速公路通行能力分析的車輛折算系數(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),通過對車輛折算系數(shù)理論的分析,提出車輛折算系數(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)車相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車對

2、交通流流量影響的當(dāng)量值。在此定義的基礎(chǔ)上,確定車頭時距的SVE算法。最后,通過計算廣佛高速公路的數(shù)據(jù),給出微型車和大中型車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:車輛折算系數(shù);理論分析;算法;高速公路;通行能力中圖分類號:U49111+14文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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引言在國內(nèi)外的通行能力研究中,對交通流模型和服務(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)車流的車

6、輛折算系數(shù)問題,從而確立了車輛折算系數(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,對車輛折算系數(shù)的研究從未中斷,但至今卻沒能提出一個公認(rèn)的算法。我國公路中運(yùn)行的車輛種類多,車輛動力性能差異大,給車輛折算系數(shù)研究提出了新課題。1數(shù)據(jù)說明本文計算中使用的所有數(shù)據(jù),都是利用交通部公路科學(xué)研究所和中國礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(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道中連續(xù)采集,采集地點(diǎn)為平直路段,采集過程中有間斷小雨。最終獲得有效單車數(shù)據(jù)信息共28354項。車輛分類采用以車輛的運(yùn)行特性為首要標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合車輛的結(jié)構(gòu)特征和軸距出現(xiàn)頻率的方法,將車輛劃

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

8、是說明了小客車在通常道路條件下車輛折算系數(shù)的含義,而沒有包括車輛折算系數(shù)的全部內(nèi)容。另外,此定義雖明確說明PCE是當(dāng)量值,卻沒有明確說明當(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、車頭間距、車道占有率、延誤、駕駛自由度等多種交通流參數(shù)為基礎(chǔ)的算法?？梢?在討論車輛折算系數(shù)之前,有必要明確車輛折算系數(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、縱坡坡度和坡長的不同,會導(dǎo)致各車型對交通流的影響發(fā)生很大的變化,所以通常道路條件下的當(dāng)量值應(yīng)該只是車輛折算系數(shù)研究的一個方面,除此之外,車輛折算系數(shù)研究還包括各種坡度、坡長以及

9、交通組成等特定條件下的當(dāng)量值問題。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型的PCE值,還給出了在各種道路形式,特定的坡度、坡長和貨車所占比例條件下,各車型的PCE值,只是在PCE定義中沒有明確提出。PCE的定義只是針對小客車是標(biāo)準(zhǔn)車的車流,建立貨車或公共汽車與小客車的當(dāng)量關(guān)系。這與國外小客車在道路交通中占主流,且車型相對較少的實(shí)際情況是吻合的。而在我國公路中運(yùn)行車輛的車型多,且各等級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。在車輛折算系數(shù)的討論構(gòu)成中,不單單小客車可能成為標(biāo)準(zhǔn)車,

10、其他車型也可能成為標(biāo)準(zhǔn)車,這由研究對象的交通組成來決定。但標(biāo)準(zhǔn)車的選擇并不是車輛折算系數(shù)討論的重點(diǎn),車輛折算系數(shù)主要是研究各車型車輛對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)車如何選擇,車輛折算系數(shù)反映的各車型對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)小客車是標(biāo)準(zhǔn)車時,大中型車為210;那么,當(dāng)大中型車被定為標(biāo)準(zhǔn)車時,小客車則是015。另外,車輛折算系數(shù)還應(yīng)該把研究范圍從貨車、公共汽車擴(kuò)展到所有非標(biāo)準(zhǔn)車型。車輛折算系數(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,車輛折算系數(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)車流的流量之間。也就是說,不論車輛折算系數(shù)算法的計算標(biāo)準(zhǔn)如何選擇,車輛折算系數(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型之間的任何一種當(dāng)量關(guān)系。綜上所述,將車輛折算系數(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)車相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車對交通流流量影響的當(dāng)量值。3車輛折算系數(shù)的算法分析311選擇車輛折算系數(shù)的計算標(biāo)準(zhǔn)SV E的計算標(biāo)準(zhǔn),可以選擇各種交通流的特征參數(shù),如原來已經(jīng)采用過的速度、司機(jī)感受、車頭間距、車道占有率等。我們選擇能直

12、接反映交通流流量的車頭間距作為車輛折算系數(shù)的計算標(biāo)準(zhǔn),原因是: (1在通行能力分析過程中,車頭時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,不會因計算產(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,利用車頭間距來計算可以直接反映出各車型車輛對流量的影響;(3目前對交通流的認(rèn)識并不透徹,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)車型車輛在混合車流中運(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交通流造成了與

13、標(biāo)準(zhǔn)車不同的影響,但這些影響終歸通過司機(jī)選擇不同的跟馳距離,在車頭間基于高速公路通行能力分析的車輛折算系數(shù)理論與算法高耀華等距上反映出來,可以說車頭間距在一定程度上是各車型對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)地數(shù)據(jù)的內(nèi)容有限,而采集車流密度等其他交通流參數(shù)不僅會影響參數(shù)精度,還需要耗費(fèi)大量的人力、物力。以車頭間距作為SV E的計算標(biāo)準(zhǔn),其實(shí)是考慮不同的車型在相同的交通流狀態(tài)下,所有非標(biāo)準(zhǔn)車占有車流空間與標(biāo)準(zhǔn)車占有車流空間的比值。312基于車頭時距的SV E計算式車頭間距的描述方法包括時間描述(車頭時距和空間描述(動態(tài)凈空?？紤]到車頭時距采集更準(zhǔn)確、計算更簡便,在這里

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

15、的規(guī)定,以及實(shí)際數(shù)據(jù)中15%車速和85%車速,本文將用于計算SV E的交通流狀態(tài)參數(shù)的范圍定為:車流速度4080km/h,混合車流密度大于7輛/km/車道,混合車流率在6002000輛/h/車道。超出此范圍,車輛或自由行駛,車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的計算數(shù)據(jù)。在具體計算中,如何確定用于計算SV E的單個車輛的車頭時距范圍呢?在保證樣本的總體特性的前提下,為了避免極少數(shù)車輛的大車頭時距值影響樣本均值,我們選取了SV E支持?jǐn)?shù)據(jù)范圍內(nèi)最小車流率的85%為車頭時距作為統(tǒng)計車頭時距的上限。當(dāng)車流率在600輛/h/車道時,車頭時距的均值大

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

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

18、中間流量狀態(tài)時,車輛由于頻繁的加速、減速、換車道,使車輛間相互影響增大?？梢?計算結(jié)果與實(shí)際情況吻合。公路交通科技2000年第6期利用車頭時距計算高速公路平直路段中的SV E,微型車為11001115,大中型車為11151140。其中,微型車SV E在110附近變化,二次擬合曲線的曲率也很小,與小客車幾乎沒有差別,建議在使用中采用110;隨車流速度變化,大中型車SV E的數(shù)值變化較微型車大,但其數(shù)值也僅有0125的波動,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PCE值1153小,這是因?yàn)槲覈咚俟分写笾行蛙嚪N類較多、比例較高,頻繁出現(xiàn)的各種大中型車削

19、弱了該車型對交通流流量的影響。316對其它車輛折算系數(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)車影響的一個方面,如速度、司機(jī)的心理、行駛延誤或超車自由度,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)車對交通流流量的影響,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)識并不透徹,而司機(jī)心理、行駛延誤和超車自由度與流量的關(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)車在速度、司機(jī)心理、行駛延誤、超車自由度等方面對交通流影響與標(biāo)準(zhǔn)車造成影響的差別。21基于速度、司機(jī)心理、行駛延誤和超車自由度的PCE算法,對數(shù)據(jù)的要求苛刻。比如,Huber公式中,需要100%小汽車情況下的車流率;等延誤算法中,需要得到標(biāo)準(zhǔn)小汽車由于車隊中慢速小汽車而產(chǎn)生的行程時間延誤;Walker算法中,需要每英里每小時中超過卡車的小汽車數(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對數(shù)據(jù)很敏感,在各車型流量與自由流速度的多元回歸過程中,回歸系數(shù)經(jīng)常出現(xiàn)正值。采用這樣對數(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車輛折算系數(shù)是在特定的道路等級、坡度、坡長以及交通組成條件下,所有非標(biāo)準(zhǔn)車相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車對交通流流量影響的當(dāng)量值。21車輛折算系數(shù)算法中,以車頭間距作為計算標(biāo)準(zhǔn)的S VE算法,較其他算法更準(zhǔn)確、更簡便。具體計算過程中,應(yīng)該對8s以內(nèi)的車頭時距進(jìn)行統(tǒng)計,這樣既能保證樣本的特征,又能避免極少數(shù)車輛的大車頭時距對樣本均值的影響。31隨車流速度的變化,各車型SV E的變化趨勢呈二次拋物線。當(dāng)車流速度在5060km/h之間時, SV E值最大。也就是說,在這個速度區(qū)間內(nèi),車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,微型車的SV E宜采用110,而大中型車SV E則采用1130。而高速公路中特定坡度、坡長和交通組成條件下的SV E值,以及其他道路等級中各種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