（交通运输规划与管理专业论文）双车道公路通行能力影响因素研究.pdf

摘要 双车道公路作为国家和省内的一般干线公路，是我国公路网中最普遍、通车 里程最长的一种公路形式。对双车道公路通行能力的影响因素进行研究，不仅可 以补充和完善公路工程技术标准和公路路线设计规范的相关章节，而且 还可以为我国公路建设和管理部门提供规划和建设的理论基础，尤其是在保障西 部大开发的有序进行上发挥重要的作用。 第二章首先对国外双车道公路通行能力的研究现状进行了总结和评述，然后 回顾了我国在双车道公路通行能力研究中取得的一些成果，并指出国内外相关研 究中存在的不足，从而确定了本论文的研究方向。 第三章介绍了数据的采集与处理。包括现场观测所需的设备、观测仪器布置， 以及数据处理的方法。 第四章是仿真模型的标定与验证。文章利用实测数据对自由流速度影响模型 和车辆模型参数进行标定，然后利用另一套数据对标定结果进行直线路段、平曲 线路段、纵坡路段，以及组合路段的验证，验证结果表明精度满足要求。 第五章研究路面宽度、方向分布、横向干扰、交通组成和公路线形对双车道 公路通行能力的影响，根据实测数据和仿真实验得出了相应的修正系数。定义了 曲率和梯度的概念，给出了计算方法，并根据实测数据将曲率和梯度按地形分别 分为了四级。根据不同曲率和梯度的1 6 种组合，对双车道公路的地形进行了详 细分类。 结论部分总结了主要研究成果，提出本课题未来的研究方向。 关键词双车道公路：通行能力影响因素；仿真模型 a b s t r a c t a sm a i l ll l i 曲w a yi i lo l l rc o u 曲吼l l l e 铆。一l a n eh i 曲w a yi sm o s tu i l i v e r s a l 锄d l o n g e s ti i lr o a dn e t 、v o r k h i 曲w a yc o 璐仃i l c t i o ni sap r o j e c t 、】l r i t i lh u g ei n v e s n l l e n l r e s e a r c ho ni n n u e n c i n gf a c t o r so f 一l a n eh i g h w a yc 印a c i t ym a yn o to n l y c 0 雌u 彻a t er e l a t i v ec h a p t e r so ft e c h i l i c a ls t a n d a r do f h i 曲w a ye n g i n e e 血g a i l d d e s i g ns p e c i 氏a t i o n 蠡mh i 曲w a yr o u t e ，b u ta l s os u p p l y 也e o r yf o u n d a t i o nd f p l a na l l dc o n s t r u c t i o nf o rh i 曲w a yc o 粥n u c t i o n 锄dm a i l a g c m e n tb u r e a u si nc h i i l a w h i c hw i l lp l a yi m p o r t a n te 丘宅c ti i le l l s u r i n gd e v e i p o m e n to f 也ew e s tr e g i o 璐p r o c e s s i i lo r d e re s p e c i a l l y t h es e c o f dc h a p t c rs u 芏狮a r i z e sa n dc o m m e i l 招o nt h es 协d ya c t u a l 姆o f t v 吣- l a n e l l i 雷1 w a yo v e r s e 嬲f i r s t l y a n dm e r i ，s o m ep r o d u c t i o n so fd o m e s t i ct w o l a n eh i 曲w a y s n l d ya r es u h h n a r i z e d i nt l l ee n d ，s o m es h o r t a g eo f “v o l a l l eh i g h 啪yc a p a c i t ya i l d h i 掣1 w a ya l i g 姗e n t s s e a r c ha 北p o i n t e do m ，丘d mw h i c hr e s e a r c hd i r e c t 主o no ft l l i s p a p 蜘i s c o k 删 t h et h i r dc h a p t 盱i n 叻d u 嘲d a t ac o l l e c t i o n 觚dd e a l 啦，m l 删i l gf i e l d o b s e r v a t i o ne q u i p m e m s ，c o l l o c 砒i o n 砒1 dd a t ad e a l l i i 培m e m o d n 坞f o m 也c h a p t e r sh e a d i i n ei sm o d e lc a l i b r a t i o n 姐dv a l i d a 止i o n n l i spa _ p c r c a l i b r 8 姆st h ef 耗e - f l o ws p e e di n f l u e i l c i n gm o d e la n d 、，e h i c l em o d e lw 曲f k l dda _ 饥 a n dt h 胁，t l l ec a l i b m t i o nr e s u l t sa r ev a l i d 纳e da tb l i n c ，c u r v e ，s l o p e 。她d c o m b i t i o ns e c t i o n 、i n la m e fs c to fd a t a 、m i 删o nr e s u n s 砌c a t et h a tt l l e p r e c i s i o nm e e t so u r 出艇岫d t h ef i f l l lc h 8 p t c rf e a e a r c h e si n n u e n c i i l go fr o a d 稍d i l kd i f e c t i o nd i s t r i b u t i o i l f o a d s i d cd i s t i l r b a n c e ，妇丘i cc o m p o s i t i o n 觚d1 1 i 曲w a ya l i 印m e n to nm o - l a i l e h i g l l w a yc a p a c i 够a 由u g n n e n tc o e 街c i t sa 北p mf 0 州a r d c o r d i n gt of i e l dd a t a 锄d 蚰t i i a t i o ne x a m i i l a t i o n t w on e wc o n c e d t so fb a l i i 圮s sa n dh i n i n e s sa r ed e f i i l e di n t h ea r t i c l e ，m e 卸w t l i l et h ec o n s p _ o n d i i 培c o i n p u t i r l gm e t h o d sa 陀p r o v i d e d t h e b 胁d i d e s s 觚d l i s sa r ec l 船s e d 笛4g r a d e sa c c o r d i i l gt ot 删n t w o l a l l i g l l w a y t c i i li sc l 嬲s e di i ld e t a i la c c o r d i n gt o1 6d i 任b r c n tc o m b i l l 撕o i l so fb e i l d i n e s s 觚d h i l l i n e 韶 t h ec o n c l u s i o nc l a p t 盯s t m m l a r i z 懿 r e s e a r c hd i r e c t i o ni nt l l ef i n u r e k e yw o r d st w o l a n e h i 曲w a y ；c 印a c 蚵砌n c i n g 胁t o r ；s i i i l u l a t i o nm o d c l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：阀参 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：酉也日期：理虫= 墨r 第1 章绪论 1 1 研究背景 双车道公路作为国家和省内的一般干线公路，是我国公路网中最普遍、通车 里程最长的一种公路形式，尤其是在西部地区，截至2 0 0 3 年底，西部地区公路 通车里程近7 4 0 ，0 0 0k m ，预计到2 0 0 5 年底，通车里程将超过7 8 0 ，0 0 0k m 【u ；双 车道公路占干线公路总里程的9 5 左右【2 j ，在公路网中发挥着巨大作用。 2 0 0 0 年1 月，中央做出西部大开发的重大举措，提出“交通先行，适当超前” 的方针，把交通建设放到西部大开发重中之重的优先地位【3 j 。为了加快西部地区 基础设施建设，国家将投资7 0 0 0 亿元改善西部地区的公路交通状况。预计在2 0 l o 年前，基本建成9 条连通西部的国道主干线，规划建设公路里程约1 5 0 ，0 0 0k m ， 基本形成布局合理、功能完善的公路运输服务网络，解决目前西部地区行车条件 差、通达水平低的状况。由于双车道公路具有干线和连接线等多种功能，所以双 车道公路仍然占西部地区各省份在建和规划建设的国省干线公路的9 0 以上。 在西部的1 2 个省市区中，国土面积占全国的7 1 ，而山区所占的比例高达 8 0 以上。相对于平原地区而言，山区的地形、地质、水文等自然条件复杂，生 态环境制约较大，公路路线走廊的选择和线位布设受到的限制条件与影响因素较 多。因此西部双车道公路设施建设是一项规模宏大和投资巨大的工程，要求各级 设计部门和决策部门在项目建设的设计和决策过程中，必须依据国民经济实力、 未来交通量的发展需求以及不同公路的通行能力值等因素来确定。特别是西部山 岭地区，地质地形条件复杂，路线设计指标的微小变化，都可能直接带来工程投 资的巨额支出与后期的生态灾难。一方面，山区公路超规模建设，不仅造成设施 闲置浪费，投资无法按期收回，而且也不利于山区生态和植被保护，不符合国家 可持续发展的战略决策；另一方面，对未来交通量的预测失误或是对通行能力的。 研究不够准确，导致公路设计标准偏低，也会影响未来交通发展和经济建设，造 成不必要的损失。因此，科学合理的确定双车道公路通行能力影响因素的影响程 度，如横断面尺寸、平纵线形等指标是决定建设成本的关键。 为此，2 0 0 1 年交通部立项开展西部交通建设科技项目研究，“山区双车道公 路通行能力研究”就是其中一个非常重要的课题，而本论文的研究内容“双车道 公路通行能力影响因素研究”就是其中一个很重要的部分。 1 2 研究方向和意义 在庞大的公路网中，除了极少数公路路段的公路条件和交通条件符合理论分 析时的标准条件外，绝大多数公路的行车道宽度、路肩宽度、侧向净空、路侧干 扰、平纵线形、方向分布、交通组成、交通管制等与标准条件均有一定的差异， 正是这些差异影响了公路的通行能力，如图l - l 所示。 图l l 影响公路通行能力的因素 f i g l l 俜l li n n u e n c ef 耻t o r so f h i g l l w a yc a p n y 为规范公路设计，交通部于2 0 0 4 年颁布了新的公路工程技术标准( 儿g b o l 一2 0 0 3 ) 和公路路线设计规范( j t gb o l - 2 0 0 3 ) 。两本规范中均引入了九五 攻关项目“公路通行能力研究”的成果，对双车道公路通行能力影响因素的修正系 数，如路面宽度、方向分布、横向干扰、交通组成等进行了界定。九五项目中研 究人员采集了平原地区双车道公路的数据，得到了影响因素与通行能力相互作用 的经验公式，推导出了修正系数。但由于不是统计实测数据得到的结果，所以结 果仍然应该使用仿真来确定其一般有效性。这样就确定了本次研究的一个方向： 用仿真的方法研究双车道公路通行能力影响因素。 多年来，针对山区公路的通行能力研究一直是我国标准规范体系中的一项空 白，而西部山蛉地区，山高谷深，坡陡弯急，不仅地形地质条件复杂，交通组成 与车辆运行规律也与内地和沿海经济发达地区有着显著的差别。但即便这样，仍 然缺少对山区双车道公路研究的专项支持。现行标准规范中引入的有关设计标 准，大部分引用了美国、日本等发达国家的设计参数，导致山区公路无论是从技 术标准的规定、还是路线平、纵、横设计均没有足够的依据，已明显滞后于工程 实践。这样就确定了本次研究的另一个方向：平纵线形对双车道公路通行能力的 影响。 目前，正值西部公路建设的高峰期，通过对山区双车道公路通行能力影响因 素的研究，制定一套适合于我国山区双车道公路的标准体系，不仅可以补充和完 善公路工程技术标准和公路路线设计规范的相关章节，而且还可为我国 公路建设和管理部门提供公路规划和建设的理论基础，保障西部大开发的战略决 策在科学、有序的轨道上进行，使最终的科学研究成果在国民经济发展中发挥重 要的作用。 1 3 研究方法和思路 荣建教授在他的一篇论文【4 】中对通行能力的研究有以下精彩叙述：“目前， 对通行能力的研究通常采用3 种办法：根据实测数据，建立速度流量统计模 型，估算通行能力；以跟驰理论为基础，理论推导通行能力；构建交通仿真 模型，通过设计仿真实验，估算通行能力。”国内外研究公路通行能力的方法不 外乎以上3 种。 我国各地双车道公路交通条件复杂，通行能力影响因素众多，在研究某一个 影响因素时，很难排除其它因素的干扰，这对研究是致命的。同时，我国双车道 公路上的交通量普遍不大，山区更小，这给采集足够的样本量数据带来了很大的 困难，无法保证研究的全面性，使完全依赖实地观测数据的研究方法成为不可能。 理论推导对于通行能力影响因素研究来说，十分复杂，工作量巨大，也不适用。 况且，用这种方法取得的任何结果仍然应该使用其它方法来确定其一般有效性。 交通系统仿真，是指用系统仿真技术来研究交通行为，它是一门对交通行为 随时间和空间变化进行跟踪描述的技术i ”。通过对交通系统的仿真研究，可以得 到交通流状态的分布规律、时间和空间变化规律以及与仿真控制变量之间的关 系，从而为研究者提供一个分析问题的平台。利用仿真模型求解通行能力具有以 下优点： 1 ) 交通仿真模型可以不断地重复特定公路、交通条件下交通流的随机状态， 而野外采集工作往往会受到天气、横向干扰等诸多因素的影响，无法保证采集数 据的公路、交通条件是相同的； 2 ) 利用仿真模型，可以非常明确地控制公路条件、交通条件等通行能力的 影响因素，通过分析仿真结果，清晰地反映特定因素对通行能力的影响程度，通 过不断变换公路、交通条件，研究众多影响因素对通行能力的影响； 3 ) 通过观看动画演示和统计分析仿真数据，可从感性和理性两个方面，分 析交通流从自由状态变化到拥挤状态的过程。 4 ) 统计方法需要组织大流量的路段j 需要协调好各个部门，工作量大，存 在社会影响，而且影响因素多，效果不好。而仿真方法不仅代价小，而且精度高。 交通仿真模型可按照使用者的要求模仿任何一种公路条件或交通状况改变 所引起的交通运行特征的变化，弥补了由于交通量小而导致的实地观测数据不足 的缺点，是一种非常有用的研究手段，适用于双车道公路通行能力影响因素的研 究。 综上所述，本论文的研究思路是： 1 ) 以系统理论分析为指导，建立适合我国车辆、驾驶员总体特性的双车道 公路自由流速度影响模型、发车模型、跟驰模型、超车模型等； 2 ) 依靠高新设备对双车道公路交通流进行实地观测，对实测数据进行统计 北京工业大学工学硕士学位论文 分析，来标定和验证自由流速度影响模型； 3 ) 以上述模型为基础建立计算机仿真程序，在不同公路和交通条件的仿真 环境下，设计并实施仿真实验，得出仿真结果： 4 ) 分析仿真结果，建立双车道公路通行能力影响指标体系。 1 4 研究内容 本论文主要的研究内容包括以下四个部分： ( 1 ) 国内外研究综述：对国内外双车道公路通行能力影响因素的研究现状 进行总结和评述。特别对美国公路通行能力手册h c m ( h i 曲w a yc a p i t y m 锄u a l ) 中双车道公路的研究进行详细分析，并对其它国家在这一领域取得的成 果进行比较。同时，回顾总结我国在双车道公路通行能力影响因素研究中取得的 一些成果。在此基础上，指出国内外研究中存在的不足，确定本论文的主要研究 方向。 ( 2 ) 数据采集与分析处理：介绍研究中所需各种数据采集设备、采集方案 设计，以及数据分析处理的过程。 ( 3 ) 仿真模型标定和验证：介绍仿真程序中的自由流速度影响模型( 影响 因素包括路面宽度、平曲线、纵坡等) 和车辆模型等。对模型进行标定和验证。 ( 4 ) 通行能力影响因素研究：进行路面宽度、方向分布、横向干扰、交通 组成、公路线形对通行能力的影响研究。 路面宽度是影响平原微丘和山岭区双车道公路通行能力的主要因素。首先分 析通过速度流量和跟车率流量关系确定通行能力的可行性。然后通过对实测不 同路面宽度条件下的数据进行分析确定通行能力，并通过仿真验证基准条件下双 车道公路的通行能力。 对于方向分布和交通组成，分别设计了不同地形条件下的仿真实验，确定通 行能力。 对于横向干扰，首先根据观测到的数据确定基于不同路肩宽度的路侧干扰对 自由流速度的修正值，然后对自由流速度进行折减确定通行能力修正系数。 线形是影响山区双车道公路通行能力的一个主要因素，本文定义曲率和梯度 的概念，按照不同等级的曲率和梯度组合构造不同的公路线形，利用仿真程序实 施仿真实验，得到不同公路线形条件下的速度流量关系和流量跟车率关系，最 终确定平纵线形对双车道公路通行能力的修正系数。 第2 章国内外双车道公路通行能力研究综述 2 1 引言 追溯通行能力的研究历史，首先要提到美国。美国在公路通行能力方面的研 究开展最早，从上世纪4 0 年代起，美国针对公路的规划、设计和运营中出现的 问题，在联邦政府的资助下，对公路通行能力进行了持续的、滚动性研究，并一 直延续至今，其研究成果编写为公路通行能力手册( 以下简称h c m ) ，是当 今最系统、最具权威性的通行能力研究成果，并先后于1 9 5 0 年、1 9 6 5 年、1 9 8 5 年和2 0 0 1 年更新发布了四版h c m 。 随着计算机技术和仿真技术的突飞猛迸，世界各国的研究者利用计算机进行 交通分析和交通仿真也成为研究公路通行能力的一个重要方面，并取得了不菲的 成果。交通仿真在国外大体经历了3 个阶段： 第一阶段，2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初为诞生期。英国公路研究实验室 于1 9 5 1 年完成了最早的仿真项目一交叉口交通仿真；美国中西部研究所应用仿 真技术开展了高速公路立交桥和匝道汇流交通的研究。 第二阶段，6 0 年代初至8 0 年代初为发展期。这期间瑞典研制了用于乡村公 路的v n ，澳大利亚研制了用于乡村公路的1 r a r r 。这段时期还出现了用于信 号交叉口、城市干道网，以及用于高速公路的微观和宏观仿真软件。 第三阶段，8 0 年代至今为成熟期。美国研制了用于乡村公路的t w o e a s 。 这一时期模型开始向综合化发展，如英国的砸娃p s 【6 l 、鼢r a m i c s 和美国的 t r a 璐c a d 网软件包以及联邦公路局( f h w a ) 的t s l s 【8 l 和c o r s n 以【9 1 等。这_ 时 期新技术开始用于仿真，使仿真界面更加友好、人机交互更加方便，如德国的 v i s s i m 【1 0 1 ，西班牙t s s 公司的a i m s u n 2 等均可以进行三维动画仿真。 总之，交通仿真技术已经广泛应用予交通事故、动态交通分配、出入口控制、 公路通行能力、路网运营分析等多个研究领域，为研究日益复杂的交通问题提供 了一个非常有用的分析平台。 2 2 国外研究综述 2 2 1 美国h c m 的研究 正如上面所述，美国对公路通行能力的研究开始的最早，也最系统、最深入。 直到现在，世界上大多数国家对本国公路通行能力的研究仍然是借鉴美国的研究 方法和结论，然后根据本国的交通特点来修订和完善各自的研究方法和结论。因 此，对美国4 版h c m 中双车道公路通行能力的研究历史和结论进行分析和总结， 可以对本论文的切入点和研究方向提供较大的帮助。 t 根据美国的通行能力研究的历史及h c m 的不断发展，可以追踪双车道公路 研究的变化轨迹，见图2 1 。 图2 - lh c m 发展历程 f i g i i e 2 - ld c v e j o p m 朋tc o u r s eo f h c m 1 、1 9 5 0 年h c m 【1 1 】 双车道分析程序最早由o k ，n o 册釉提出，由不同流率下实际超车率和超 车率需求二者之间的比较来定义“实际通行能力”。双车道公路通行能力的分析程 序最早是由0 1 己n o m 咖提出。首次定义了“基本通行能力”、“可能通行能力” 和“实际通行能力”三个基本概念。 2 ，1 9 6 5 年h c m 【1 2 】 将第一版中的“基本通行能力”的概念改为“理想通行能力”，并给出了理想条 件的具体定义。第一次提出了服务水平的概念，并一直沿用至今。根据公路上车 辆的运行速度和服务交通量的关系将服务水平分为a 、b 、c 、d 、e 、f 共6 个 等级。同时，沿用h c m l 9 5 0 的结论，仍然在没有考虑方向分布影响的情况下， 将双车道公路的通行能力定义为2 0 0 0 p c u m 。 3 、1 9 8 5 年h c m f l 3 】 重新审查了服务水平指标，认为仅以平均速度( m e a l ls p d ) 不能完全反映 超车需求和公路提供超车机会( p 嬲s 吨s u p p l y ) 之间的平衡。另外在给定的公路 上，平均速度对流率变化不灵敏。研究提出了比平均速度对流量变化更敏感的服 务水平指标“延误率( p e r c c mt i m ed e l a y ) ”，它和平均行程车速一样是空间平均 指标，按车头时距小于5 秒的车辆数所占比例来界定。 1 9 8 5 年版h c m 的另外一个关键变化是提出了双车道公路通行能力是方向 分布系数的函数，通行能力从分布均衡条件( 5 0 5 0 ) 下的2 8 0 0 p c u 到极端分布 条件( 1 0 0 o ) 下的最小值2 0 0 0 p c u 。该版h c m 认为速度流量曲线是一条凹形曲 线。如图2 2 所示。可以看出在该版本中，双向车道的通行能力值不是单向车道 第2 章国内外双车道公路通行能力研究综述 通行能力值的简单两倍。为了比较容易地计算出不同方向分布系数下的通行能力 值，研究中给出了一个经验公式，见式( 2 1 ) 。 c = 2 0 0 0 + 1 6 0 0 ( 1 一力 ( 2 一1 ) 式中，卜方向分布系数。 双向流量( 哪i i )双向流量( 脚i i ) a ) 速度流量曲线图b ) 延误率一流量曲线图 图2 - 21 9 8 5 版h c m 速度流量和延误率流量曲线图 f i g u 2 2s p c e d v o l 啪ef a p h a n dp e r n tt i m ed e l a yg r a p hi n1 9 8 5 h c m 同时该版h c m 将运行状况分析方法按一般地形路段和特殊上坡路段进行分 析，坡度大于3 或坡长大于8 0 0 米的路段作为特殊上坡路段单独分析，服务水 平指标采用平均上坡速度( a v e 舱g eu p g r a d cs p e e d ) 。 4 、2 0 0 0 年h c m 【1 4 】 与前三版h c m 相比，h c m 2 0 0 0 主要做了如下修订： ( 1 ) 认为双车道公路通行能力与方向分布无关。 ( 2 ) 延误车辆的界定阈值从原来的5 s 改为3 s 。 ( 3 ) 速度流量曲线由原来的一条凹形线改为直线，理想公路条件下最大 通行能力从2 8 0 0 p c u m 变更为3 2 0 0 p c u l l 。根据实测数据推荐了单向车道的通行 能力值为1 7 0 0 p c l l m ，双向车道通行能力值为3 2 0 0 p c u m 。同时给出了一个基于方 向分布系数的通行能力经验计算公式，见式( 2 2 ) 【15 1 。 c ：疵 罕，3 2 0 0 ( 2 - 2 ) 【屹j 式中，只方向分布系数。 ( 4 ) 运行状况分析方法中考虑了设计速度的影响，按照双车道公路在公路 网中担负的不同功能将其分为两个级别，一类有快速行驶功能的的双车道公路， 通常指连接大中城市的国省干道；一类强调通达性的双车道公路，通常指集散公 北京工业大学工学硕士掌位论文 路和连络线。 ， ( 5 ) 对仿真程序r 哟p a s 进行了大量的改进，h c m 2 0 0 0 的修订工作大量 以仿真完成的模拟、实验为基础。 ( 6 ) 对于山岭区公路，考虑纵坡对运行速度及延误的影响，将大于4 的坡 段都作为一般双车道公路中的特定纵坡路段进行分析。 纵观美国数十年来的研究成果可以看出，美国一直都没有停止对通行能力领 域的研究，每一版h c m 手册都在原来基础上汇集了最新的研究成果，修正或提 出全新的理论或经验性结论，让使用者更方便，使结论更科学，考虑的问题也越 来越全面。但同时也能看到，即使是美国的通行能力研究，其研究内容和结论都 在不断的更新和完善，也还有很大的研究空间，一些最基本的问题如重型车的影 响及速度流量曲线还并没有实现理论与实践的统一，仍需要世乔各国的研究人 员对其进行深入、持久地研究。 2 2 2 其它国家的研究 除美国之外，许多机动化程度较高的国家，如英国、法国、德国、瑞典、澳 大利亚、日本等，根据本国实际情况各自编制了适合自己国情的公路通行能力手 册。从2 0 世纪9 0 年代初，一些发展中国家如印度、巴西、印度尼西亚、韩国、 马来西亚等国也在各国政府的支持下，对公路的通行能力问题展开了研究。下面 简单介绍几个国家的研究成果。 1 、澳大利亚 澳大利亚的研究主要针对平原和微丘地区的双车道公路，采集的速度流量 数据也来自平直路段。整个研究遵循美国早期的通行能力研究模式。由于对公路 交通条件的影响因素考虑不多，所以不能确定方向分布对通行能力的影响。只是 提出单一方向通行能力值在1 4 0 0 - 1 5 0 0 辆，小时，方向均衡分布时通行能力为 2 4 0 呲8 0 0 辆，j 、时。研究还发现交通流量对较大流量方向的车流平均速度的影响 要大于其对于较小流量方向的影响。具体的车流平均速度影响模型见式( 2 3 ) 。 k = 7 7 。8 0 0 0 8 7 q l o 0 0 2 6 q 。 ( 2 - 3 ) 式中，v l 较大流量方向车流的平均速度，h n ，h ； q l 较大流量方向流量。v e i 妇； q 旷较小流量方向流量，蝴。 2 、丹麦 丹麦主要利用美国h c m 的结论，同时为了验证美国的服务水平标准是否适 合本国的交通情况，在双车道公路( 平原区) 上选取了4 个路段采集速度和流量 数据。研究结论是：丹麦公路的平均车速要高于美国通行能力手册中的观测值， 在饱和度o 5 时，车流速度与h c m 的结果相差l o 一1 5 l m 汕。由于样本量较小， 第2 苹国内外双车遭公路通行能力研冗综述 这些结论不能完全用于估计或评价理想条件下的通行能力值，也不足以评价车道 宽度和侧向净空对通行能力的影响。 3 、英国 英国t r 砒，实验室对乡村双车道公路的交通流特性开展过一次规模较大的 研究，共收集了1 7 个路段的交通流数据，覆盖了英国国内各种横断面尺寸和平 面线形的双车道公路。经过研究分析后得到，双车道公路单向标准车道( 重型车 的比例为1 5 ) 的通行能力为1 1 0 0 v e h m 。但是，研究中没有考虑行车道宽度和 通行能力之间的关系，只是给出了当车道宽度减少1 0 时，交通量相当于增加了 1 0 的大致结论。另外，对丘陵和山区及重型车比例较高的公路也进行了研究， 通过分析一定数量的实测数据。得出初步的结论：山区( 平均纵坡大于3 ) 和 载重车较多( 比例超过3 0 ) 的路段，一个车道的通行能力约为1 l o o 辆，j 、时。 4 、加拿大 加拿大并没有尝试分析速度流量与通行能力之间的关系。研究者一致认为， 当天气和路面状况良好的情况下，整个断面交通量达到至少1 5 0 0 辆l l 时，平均 运行速度应保持在8 0 8 5 k i i 以范围内，当交通量达到1 0 0 0 辆l l 时，运行速度能 超过美国1 9 6 5 年h c m 手册确定的2 5 k n l 1 1 。除了下雪等恶劣天气外，天气对速 度流量的影响并不显著。最大流量受方向分布系数影响，通行能力从分布系数 为5 0 ：5 0 的2 8 0 0 辆l l 到1 0 0 ：o 时的2 0 0 0 辆i l 。 5 、印度 印度跟中国一样属于发展中国家，发展中国家双车道公路的交通特性与发达 国家的最大差别就是混合交通，双车道公路上有高速行驶的小客车，还有低速行 驶的重型车以及畜力车、人力车等等。根据发达国家小客车占绝对优势的交通流 得出的速度一流量曲线不能代表发展中国家的混合交通特性。发展中国家有必要 根据自身的交通特性对公路通行能力进行研究。印度公路研究中心在平原区和山 区采集了部分交通流数据，建立了不同车型在不同地形条件下的流量一速度关系 模型。印度在不同地区观测到的最大流量见表2 1 。 表2 1 印度双车道公路上的最大观测流量 1 曲l e2 l1 km 缸i m u mo b s e r v e dt r a 伍cn o wo ni n d i 柚t w o - l 锄eh i 曲w a y s 公路类型 观测的最大流量( p c “历)路面宽度西)路肩宽度伽) 平原区 2 5 0 072 5 山区 1 3 9 070 6 、各国双车道公路最大观测交通量 双车道公路双向交通流的相互干扰使得获取达到通行能力值时的相关参数 数据比较困难。在交通量最大时，例如上下班高峰、旅游旺季等，一个方向可能 达到或接近通行能力，但对向车道却远低于通行能力。双车道公路双向交通流都 达到或接近通行能力的情况，通常只有在桥隧处才能出现。表2 - 2 列出了各国在 双车道公路中观测到的最大交通量。 表2 2 各国双车道公路上的最大观洌4 流量 1 曲l e2 21 km 缸i l i l 哪o b s e r v e dt m m cn o wo n m ec o u f 嘣舒t w o 1 龃eh i g l l w a y 毒 总交通量 来源国家重型车比例( ) 行车道宽度( m ) ( 辆，h ) o e d ( 1 9 7 2 ) 丹麦 2 7 1 8o 5 6 o e d ( 1 9 7 2 法国 2 8 3 32 8、 o e d ( 1 9 7 2 1 德国 2 4 1 52 07 5 o e d ( 1 9 7 2 ) 日本3 0 6 027 5 o e d ( 1 9 7 2 )挪威 2 4 9 4、7 5 o e d ( 1 9 7 2 )西班牙 2 3 1 01 07 0 o e d ( 1 9 7 2 1英国 2 0 7 0、7 1 2 1 9 6 5 u s h c m 美国 2 2 9 7、7 3 2 0 0 0 u s h c m 美国 3 4 6 03 2| y h g 叫1 9 8 3 ) 加拿大 2 2 6 0 、 l n l m m m s ( 1 9 8 1 ) 加拿大 2 2 7 2 b | 7 3 h a r d i n g 觚d马来西亚 2 1 6 2、7 4 8 t l c i m o n ( 1 9 7 2 )印度 4 4 0 46 97 o c r 融( 1 9 8 2 ) 印度 1 5 7 02 57 o c r r j ( 1 9 8 2 )印度 8 0 03 45 5 。 注：溅陡的纵坡，单位为当量小客车，洒足两个完整的车道宽度 各国根据自己观测到的最大流量和速度流量曲线，估计各自的双车道公路 通行能力值，并作为自己国家工程建设的参考值。表2 - 3 是世界部分国家确定的 双车道公路通行能力的推荐值。 袭2 - 3 各国最大通行能力推荐值 t 矗b l e2 - 3t h ef r 瞰i n l u mr e c o m m e n d a t o r y 唧a c i 母o f m ec o u n t r i 岱 通行能力 来源国家 备注 一个方向双向 1 9 6 5 u s h c m 美国 2 0 0 0p c l l l l 理想的几何条件 1 9 8 5 u s h c m 美国 2 8 0 0p c u ，h 理想的几何条件 2 0 0 0 u s h c m美国 2 0 0 0p c i l ，l i 3 2 0 0p c u ，l l y 砘a | ( 1 9 8 3 ) 加拿大 2 0 0 0 p c u l i 理想的几何条件 d u n c a n ( 1 9 7 4 ) 英国 1 7 0 0p c i l ，i l 2 2 0 0 辆，l l i 汛m m 访s ( 1 9 8 1 ) 加拿大 1 9 0 0p c u ， i1 5 重型车，v c 胁 2 3 0 0 辆m c 髂e va n dt i n d a i l 澳大利亚 2 0 0 0 辆m 2 8 0 0 辆m 几何条件良好 h 棚j i l g a n d 1 5 0 0 辆m a 墩i m o n ( 1 9 7 2 ) 马来西亚2 4 0 0 辆l l 较大纵坡 c i 啪( 1 9 8 2 ) 印度1 2 0 0 辆，l i 5 5 m 行车道宽 c r r i ( 1 9 8 2 ) 印度2 8 0 0 辆，i l 2 2 3 双车道公路仿真模型研究与应用现状 在近些年来的通行能力研究中，交通仿真已经成为世界各国广泛使用的研究 手段之一，甚至是主要的和不可替代的工具。为了配合野外观测实验的研究和分 析，不少国家都开发了适合本国国情的交通仿真系统，用于弥补野外观测实验数 据的不足。目前世界范围内应用比较广泛和成功的双车道公路仿真模型主要有以 下几个； + 1 、t w o p a s 1 w o p a s ( t w o - l 强e 队s s i n g ) 是由美国联邦公路局( f h w r a ) 开发的基于 d o s 操作系统的乡村双车道公路微观仿真程序，首次开发时间是1 9 7 0 年。为了 配合h c m 2 0 0 0 的修定工作，1 9 9 8 年美国b e r k e l e y 大学开始对原有的模型进行 修正，并增加了新的分析模块和u c b r i 限a i ，图形界面1 6 m 。该程序也是美国 m s d m ( h 盼a 硝v cl 王i g h 啪ys a 鲫d e s i 鲫m o d e l ) 1 8 】中交通运行分析模块的核心。 t w o p a s 可以模拟单个车辆在公路线型和交通条件影响下的运行，具有如下特 点： ( a ) 仿真车型可以分为小客车、旅游车和货车3 大类，共1 3 种车型； 可模拟的公路特征包括平曲线、纵坡、竖曲线、辅助车道、爬坡车道等； ( c ) 用户可以指定超车和禁超区等控制措施； ( d ) 通过输入流量、车辆组成、排队率来产生仿真车辆； ( e ) 驾驶员行为和驾驶习惯均根据实测数据进行了标定； ( d 在无阻碍条件下，车辆基于用户指定的期望速度分布选择速度： ( 曲在受阻碍条件下，车辆基于跟驰模型选择速度，跟驰模型描述了车辆的 跟驰距离、相对速度和超越前车的倾向性： 驾驶员开始超车、中止超车、返回原车道的决策均根据施实测数据进行 了标定； ( i ) 驾驶员在在超车道爬坡车道、四车公路段的行为，包括辅助车道起点处的 车道选择、辅助车道内和终点处的换车道和超车，均根据实测数据进行 了标定； ( j ) 用户可以改变车道宽度、路肩宽度、增加限速区来调整车辆自由流速度； 根据平纵线形和路侧障碍物距离，自动计算行车视距【1 9 1 ，但是模型中视 距并不对驾驶行为起作用。 t w o p a s 对双车道公路的影响因素考虑得比较细致，但是没有考虑交叉路 口、路侧干扰等对通行能力的影响；同时，用户对模型参数的修改以及后期数据 的处理非常麻烦；由于基于d o s 操作系统，没有直观的仿真动画，所以总体来 说，用户在使用和处理数据时十分不便。仿真界面见图2 - 3 。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 3 t w o 队s 仿真界面 f i g u 嘴2 - 3s i m u l a t i o ni n t e r eo f t w o 队s 2 、r r a r r t r a r r ( t r a 伍co nm i 蹦r 0 a d ) 是2 0 世纪7 0 、8 0 年代由澳大利亚公路研 究委员会( a u s 仃a l i a i lr o a dr 船e a r c hb o a r d ，简称籼) 主持开发的，主要用于 评价双车道公路有无超车道所产生的影响【2 0 】。当前新西兰大部分的乡村公路仿真 都是用它来完成的。其输入文件包括以下4 部分【2 l 】： ( 1 ) 公路：以1 0 0 米为增量，可以输入平曲线、纵坡、辅助( 超车) 车道 和禁止超车道： ( 2 ) 交通：输入交通量和交通组成，以及仿真时间和车辆速度： ( 3 ) 车辆：车辆运行特性，如发动机功率、车重、燃油消耗等； ( 4 ) 检测器：公路沿线收集车辆运行数据的观测点，可以统计平均速度、 运行时间和燃油消耗。 该程序能够获得较为精确的车辆运行时间、延误等数据，能够评估由于设置 爬坡车道带来的运输效率提高，能够评价公路线型。缺点如下： ( a ) 不能模拟因为支路的交通量输入而导致的流量变化； ( b ) 不能模拟限速区； ( c ) 不能模拟拥挤状态，如临时性的车道关闭或单车道桥梁； ( d ) 很难用实测数据进行标定，因为没有建立标定程序； ( e ) 很难创建和编辑公路数据，尤其是已经建好的新线型； ( f ) 缺少w i n d o w s 界面( 基于d o s 系统) 和动画界面。 目前，a r r b 已经停止了对t r a r r 的更新。仿真界面见图2 - 4 。 第2 章国内外双车道公路通行能力研究综述 图2 - 4 t r a r r 仿真界面 f i g u r e 2 - 4s i m u l a t i o ni l l t e 趱璩eo f l l 认r r 3 、v 1 r i v t i 田】是瑞典国家公路与交通研究所( n a t i o i l a lr o a d 锄dt r 蕊cr e s e 肿c h i n s d t u c c ) 于1 9 8 9 年开发，用于分析、研究双车道公路交通流特性的微观仿真软 件。它由7 个m s - d o s 下的可执行程序组成，包括h s c r o a d 、h s c b l o c k 、 h s c l r a f 、h s c s 讧、h s c s r 、s p p r o f 和h s c f r s i m 。该软件的所有应用 程序都是在m s d o s 下运行，运行过程是以提问一回答的方式进行，用户通过 回答软件提出的问题，输入合适的参数，以此构造仿真公路、交通条件并实施自 己的仿真实验。由于人机界面设计得不友好，因此进行一次仿真需要的时间较长， 一旦出现错误就要重新输入，运行起来非常繁琐。为此，2 0 0 1 年瑞典交通模拟 中心资助开发了基于w d o w s 系统的新版本。 4 、a i m s u n a i m s u n ( a d v a i l c c di n t e m c t i v c m i c r o s c o p i c s i m u l a t o rf o riy r b 卸a n d n o n - u r b 孤n e t w o r k s ) 是西班牙t 8 s 公司开发的一个交互式交通仿真软件。它沿 用了一般微观交通仿真方法，亦即路网中的每个单一车辆的行为在整个仿真过程 中都会连续不断的被模拟，这些行为通过一系列的驾驶员行为模型( 跟驰、换车 道、可接受插车间隙等) 进行描述。它可以应用于包括城市公路、高速公路、一 般公路、环路、主干线以及它们之间的任何组合所形成的路网】。车辆行为模型 是一系列参数的函数，可以模拟小汽车、公共交通车辆、卡车等不同类型的车辆， 同时还可以模拟给定类型车辆专用公路的情形。用户可以通过对参数的重新定义 来控制模型，使模型的标定工作简单直接。对于车辆生成，用户可以选择不同的 车头时距模型，如常数、均匀分布、正态分布、指数分布等，而且用户还可以利 用g e t r a m 定义自己的车头时距模型。