（测试计量技术及仪器专业论文）基于its的高速公路通行能力研究.pdf

摘要 高速公路以其大流量、快速、安全、舒适等特点己在道路交通中扮演了重要的角色 并得以迅速发展，为改善我围交通运输状况及推动围民经济的发展作出了巨大的贡献。 然而，实际通行能力降低及此引起交通延误、交通安全、环境污染及能源消耗等问题严 重阻碍着高速公路效益的发挥。研究和实践表明，对高速公路进行交通控制与管理，提 高高速公路实际通行能力是解决上述问题的有效途径。 高速公路交通控制与管理系统是一个包括人、车、路相互作用的复杂时变巨型系统， 按传统的控制方法和常规管理手段很难达到满意的效果。随着智能运输系统( i t s ) 的兴 起，智能的交通控制和管理逐渐成为解决高速公路运行问题的主要途径。本文在智能运 输系统( i t s ) 大发展的背景下，以交通控制与管理的集成化、智能化为基本思想，以智 能工程( 计算机科学、人工智能及系统工程) 作为解决巨型复杂问题的方法论，就高速公 路网通行能力问题展开了系统、深入的研究。概括起来有以下几方面： 1 研究高速公路通行能力的基础理论。从系统的角度对高速公路通行能力的基础 理论进行r 研究，研究j ，高速公路交通流特性，明确了交通量、速度、密度、车头间距 和车头时距等交通量参数的定义和表示方法以及各参数之间的关系在此基础上，研 究了高速公路通行能力理论，明确了通行能力的概念和分类，研究了通行能力现有计算 模型，并分析了现有理论模型存在的问题。 2 研究通行能力的传统采集方式，重点分析了观测仪器和设备，数据采集方法， 观测数据的处理与分析，并分析了传统信息采集方式存在的问题。 3 研究高速公路通信、监控系统的构成和功能，并对各类交通检测器的性能进行 对比分析和选择。设计了基于高速公路通信、监控系统的高速公路通行能力信息提取系 统，为高速公路通行能力研究提供数据源。 4 研究高速公路实际通行能力信息分析系统。根据高速公路监控系统的交通检测 器所检测的交通流数据和各收费站交通量数据，建立交通量分配模型，即通过建立0 d 表，交通生成，交通分布，交通分配，确定实际通行能力。 5 研究高速公路通行能力信息发布系统，对信息发布系统的设计、外场设备布设 和注意事项进行分析。 6 研究高速公路服务网服务水平，对比了美国和我国对高速公路服务水平的分级 标准，并根据高速公路网特性，建立了高速公路网服务水平评价指标体系。 7 研究高速公路网服务水平决策模型，提出了高速公路网平均实际通行能力概念， 并以其为决策目标。亓将可能度与满意度概念引入高速公路服务水甲研究，建立了基于 可能度、满意度的高速公路服务水平决策模型，将以往高速公路服务水平分级由固定分 级改变为以可能一满意度为衡量指标的动态分级。 最后，论文总结全文的研究工作，并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：i t s ，通行能力，服务水平，可能度，满意度 a b s t r a c t c h a r a c t e r i z e da sl a r g ef l u x ，h i g hs p e e d ， s a f e t ya n dc o m f o r t ，h i g h w a yd e v e l o p s r a p i d l ya n dp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nr o a d - b a s e dt r a n s p o r ts y s t e m ， a n dh a s m a d e g r e a tc o n t r i b u t i o n t o i m p r o v i n gt h ee x i s t i n gt r a n s p o r t a t i o ns i t u a t i o na n dp r o m o t i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h e n a t i o n a l e c o n o m y h o w e v e r , t h eh i g h w a yc a p a c i t y r e d u c t i o na n d t h e p r o b l e m sr e s u l t i n gf r o mi t ，s u c ha st r a f f i cd e l a y , t r a f f i cs a f e t y , e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n de n e r g y c o n s u m i n g ，h a v ec o n s t r a i n e db a d l yt h ee f f e c to fh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o n a c c o r d i n gt or e l e v a n ts t u d ya n d p r a c t i c e s ，t h e t r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n tt of r e e w a yi se f f e c t i v ew a yt os o l v i n gt h e s ep r o b l e m s t h et r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts y s t e mo ff r e e w a yi sav a r y i n gw i t ht i m e , l a r g e s c a l ec o m p l e x s y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sp e o p l e ，v e h i c l ea n dr o a d ，a n dt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o da n dg e n e r a l m a n a g e m e n tm e a n sc o u l dn o t r e a c ht h es a t i s f i e dr e s u l t t h u s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr l s ，b a s e do n i n t e g r a t e da n di n t e l l i g e n tn o t i o n o ft r a f f i cc o n t r o la n d m a n a g e m e n t ，r e g a r d i n gi n t e l l i g e n c e e n g i n e e r i n g ( i n c l u d i n gc o m p u t e rs c i c n c e ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，s y s t e m s e n g i n e e r i n g ) a sm e t h o d o l o g yw h i c h s o l v e sl a r g e s c a l ec o m p l e xp r o b l e m s ，t h i sp a p e rs t u d i e sd e e p0 1 1t h eh i g h w a yc a p a c i t y t h em a i n r e s e a r c h e sc a nb es u m m e du pa sf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h i sp a p e re n g a g e di nh i g h w a yc a p a c i t ys t u d yo fb a s i ct h e o r y i tc a r r i e do u tt h eb a s i ct h e o r y r e s e a r c hf r o mt h es y s t e mi nt e r m so fh i g h w a yc a p a c i t y , a n ds t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h w a yt r a f f i c f l o w , t h e nm a d et h et r a f f i cv o l u m e , s p e e d ，d e n s i t y , h e a d w a ya n dh e a d w a yp a r a m e t e r sc l e a rs u c ha st h e d e f i n i t i o no ft r a f f i ca n dt h a t ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hp a r a m e t e r o nt h i sb a s i s ，i ts t u d i e dt h e h i g h w a yc a p a c i t yt h e o r y , d e f i n e dt h ec o n c e p ta n dc l a s s i f i c a t i o no fc a p a c i t y , s t u d i e dc a l c u l a t i n gm o d e l so f t h ec a p a c i t y , a n dt h e na n a l y z e dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fc u r r c n tt h e o r e t i c a lm o d e l s 2 t h i sp a p e rs t u d i e dt h et r a d i t i o n a lc o l l e c t i o nm e t h o d so fh i g h w a yc a p a c i t y , a n dt h ea n a l y s i sf o c u s e d p r i m a r i l yo n t h eo b s e r v a t i o n a p p a r a t u sa n de q u i p m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d s ，t h ep r o c e s s i n ga n d a n a l y s i so ft h eo b s e r v a t i o nd a t a ，a n di tm e n t i o n e dt h ea n a l y s i so ft h ep r o b l e m si nt h et r a d i t i o n a lw a yo f i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n 3 t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt h eh i g h w a yc o m m u n i c a t i o n s ，m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e a n df u n c t i o n ，a n dt h e ni te n g a g e di nv a r i o u st y p e so ft r a f f i cd e t e c t o r sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fc o m p a r a t i v e a n a l y s i sa n ds e l e c t i o n f u r t h e rm o r e ，i th a sb e e nf i n i s h e d o ft h ed e s i g nf o rt h eh i g h w a yb a s e do n c o m m u n i c a t i o n ，m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nc a p a c i t yh i g h w a ys y s t e m ，t h e h i g h w a yc a p a c i t yr e s e a r c hd a t as o u r c e 4 t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt h ei n f o r m a t i o no ft h eh i g h w a yc a p a c i t ya n a l y s i so ft h ea c t u a ls y s t e m b a s e do nt h et r a f f i cf l g wd a t aa n dt h et r a f f i ca m o u n td a t ao f e a c ht o l ls t a t i o nd e t e c t e db yt h et r a f f i cd e t e c t o r f r o mt h eh i g h w a ym o n i t o r i n gs y s t e m ，w eb u i l tt h et r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l ，t h a t st os a yd e t e r m i n i n gt h e a c t u a lc a p a c i t yb yt h ee s t a b l i s h m e n to fo d t a b l e ，t r a f f i cg e n e r a t i o n ，t r a f f i cd i s t r i b u t i o n ，t r a f f i ca s s i g n m e n t 5 t h ep a p e rs t u d i e dt h ei n f o r m a t i o ni s s u es y s t e mo ft h eh i g h w a yc a p a c i t y , a n da n a l y z e dt h ed e s i g no f t h ei n f o r m a t i o ni s s u es y s t e ma n dt h eo u t f i e l de q u i p m e n tb u i l da n dt h em a t t e r sn e e d i n ga t t e n t i o n 6 t h ep a p e rs t u d i e ds e r v i c el e v e lo ft h eh i g h w a ys e r v i c en e t w o r k ，c o m p a r e dt h eh i g h w a ys e r v i c el e v e l g r a d i n gs t a n d a r d si nt h eu sw i t ht h a ti no u rc o u n t r y a n da c c o r d i n gt ot h eh i g hs p e e dh i g h w a yn e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c ，w ee s t a b l i s h e dt h es e t w i c el e v e le v a l u a t i n gi n d i c a t o rs y s t e mf o rt h es e r v i c el c v c lo ft h e h i g h w a yn e t w o r k 7 t h ep a p e rs t u d i e dd e c i s i o nm o d e lo ft h es e r v i c el e v e l ，p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to ft h eh i g hs p e e d h i g h w a yn e t w o r ka v e r a g ep r a c t i c a lc a p a c i t y , a n ds e ti ta sp o l i c y m a k i n gg o a l a n dt h ed e g r e e so ft h e p o s s i b i l i t ya n ds a t i s f a c t i o na l s oh a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h er e s e a r c ho ft h es e r v i c el e v e lo ft h eh i g h w a y n e t w o r k b a s e do nt h ed e g r e e so fp o s s i b i l i t ya n ds a t i s f a c t i o n ，as e r v i c el e v e ld e c i s i o nm o d e lf o rt h e h i g h w a yn e t w o r kh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，t h u st h es t a t i cc l a s s i f i c a t i o nw h i c hi sb a s e do nt h eh i g h w a ys e r v i c e l e v e lh a sb e e nc h a n g e di n t ot h ed y n a m i cc l a s s i f i c a t i o nw h i c hi sb a s e do nt h ed e g r e e so ft h ep o s s i b i l i t ya n d s a t i s f a c t i o n f i n a l l y , c o n c l u s i o n so fa l lr e s e a r c he f f o r t si nt h ep a p e ra r ed r a w na n df u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n sa r e p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：i t s ，c a p a b i l i t y , s e r v i c el e v e l ，i m p o s s i b i l i t y , d e g r e eo fs a t i s f a c t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 一瞄一一一一 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：逍三l 日期：j 过如缸匠一 导师签名： 中北大学学位论文 1 1 研究背景和研究意义 1 1 1 研究背景 1 绪论 近年来，我国公路建设特别是高速公路建设迅猛发展，公路交通网络已经形成，快 捷、安全、便利已经成为公路交通管理的首要任务，通行能力是衡量公路交通运输能力 的重要指标，公路通行能力研究对于科学、合理发挥公路交通运输功能，最大限度的满 足公众需求有着重要的作用。 相对于普通公路而言，高速公路己取得了巨大成功，带来了巨大的经济与社会效益， 服务水平大大提高。但随着国民经济的飞速发展，汽车数量急剧增加，人们对交通的需 求大幅度增长，造成了交通供求关系的不平衡，尤其是交通高峰期的市区高速公路。因 而，高速公路在运行中始终存在着交通拥挤、交通安全和环境污染等问题。 交通拥挤是指交通需求( 一定时间内想要通过道路的车辆数) 超过某道路的交通容 量时，超过部分的交通滞留在道路的交通现象。交通拥挤的根本原因是交通供求关系不 平衡，在造成交通拥挤的许多需求因素中，大部分可归纳为二类：( 1 ) 常发性的过大交 通需求；( 2 ) 偶发性暂时通行能力降低，如发生交通事故或进行公路养护等。与之相对 应，交通拥挤可分为常发性交通拥挤和偶发性交通拥挤。常发性交通拥挤是指在某些特 定时期经常发生的交通拥挤现象；偶发性交通拥挤是指由于诸如事故或其它特殊事件等 随机事件造成道路实际通行能力下降而引起的交通拥挤现象。 引起高速公路常发性拥挤的原因主要分为两类：运行因素和几何因素。与拥挤有关 的运行因素有：( 1 ) 交通需求超过容量：拥挤是供应和需求关系的种直接结果，交通量 过大的高速公路必将发生拥挤。( 2 ) 不受限制的入口匝道：高速公路的瓶颈和伴随出现的 拥挤经常是由于入口匝道不受限制的结果。在这种情况下，匝道上的车辆，加入高速公 路上的交通流时，将产生超过容量的需求，在高速公路主线上产生交通_ 辩j 挤，并导致瓶 颈上游车辆出现排队现象。( 3 ) 出口匝道排队：高速公路主线上的拥挤，有时是由于出口 匝道车辆排队引起的。当出口匝道上的需求超过了能处理通过汇合区交通的能力，或超 中北大学学位论文 过了匝道下流的一个交叉路口通过交通的能力，或者匝道本身缺乏存贮停车的能力时， 最终的结果是车队一直排到高速公路上，引起主线拥挤。( 4 ) 收费站收费：高速公路主线 上或匝道上拥挤经常由于收取过路费，车辆在收费站停下来交费引起的。另一种引起常 发性交通拥挤的原因是由于道路几何上的缺陷( 例如：在直行车道末端出现“车道减少” 等) 造成的通一t i v 力降低。这些称为几何瓶颈路段的通行能力低于高速公路邻近路段的 通行能力。当瓶颈上流的交通需求超过瓶颈路段的通行能力时，就产生交通拥挤并在高 速公路上游车道形成排队现象。 随机事件造成道路容量下降而引起的延误和危险，构成了另一类同样严重的高速公 路交通拥挤问题。这类问题称为高速公路偶发性问题，包括交通事件、交通事故、不利 的气候条件及道路的维护等。通常偶发性问题将会引起交通量的减少，造成交通拥挤和 延误。 通1 z - - j 日匕i 力分析与交通量适应性分析，不仅可以确定公路建设的合理规模及合理建设 模式，为公路网规划、公路工程可行性研究、公路设计、公路建设后评估等方面提供更 为科学的理论依据，还可以为公路交通管理、控制提供信息支撑，为交通诱导系统、紧 急调度系统、出行服务系统提供决策支持。通行能力研究因其在智能交通体系中属于基 础支撑性作用而显得尤为重要，通行能力测试与评估对于通行能力适应性分析更是不可 缺少的，其研究工作有着很强的理论价值和现实作用。 基于上述背景，作者开展论文课题研究 1 1 2 研究意义 交通运输无论是过去、现在和将来，都是人类进步的重要物质基础。随着改革开放 的深化，我国的国民经济实力不断增强，交通运输也得到空前迅猛发展。1 9 9 0 年，全国 公路总里程突破1 0 0 万公里，达到1 0 2 万公里，1 9 9 2 年，我国年产汽车量突破1 0 0 万辆， 1 9 9 9 年底，高速公路总罩程突破1 万k m 。截止2 0 0 0 年底，全国公路总里程为1 4 0 万公 里，其中，高速公路1 6 万公里，仅次于美国、加拿大，居世界第三位。根据交通部“十 五”计划和2 0 2 0 年长远规划，在最近的十多年间，我国的公路里程还将大幅度增加， 到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，全国公路通车里程将分别达到1 8 0 万公里和2 3 0 万公里，其中， 高速公路分别达到3 5 万公罩和5 5 万公里，二级以上公路比重达到2 0 和2 5 。高速 2 中北大学学位论文 公路建设投资巨大，每公里造价高达2 0 0 0 5 0 0 0 万元，建造一座普通立体交叉口需投资 2 0 0 1 0 0 0 万元左右。而道路基础设施建设的主要决策依据为预测交通量及道路设施的通 行能力。由于我国目前还没有科学的通行能力分析方法与标准体系，道路设施通行能力 的分析不够准确，导致公路建设标准过高或平行建设，以致建设资金超前投入而造成巨 额经济损失。此外，由于对某些已有道路或交叉口的通行能力估计过高，使得在交通严 重阻塞时仍得不到改建，或在建成后不久就产生严重交通阻塞而影响公路运输效率，造 成巨大经济损失。因此，合理确定公路建设的规模和标准，将是公路建设中成本控制的 关键，而确定公路建设规模与标准和设计总体方案的重要依据之一便是道路通行能力 作为道路交通建设的一项基础性工作，通行能力分析与交通量适应性分析，不仅可 以确定公路建设的合理规模及合理建设模式，还可为公路网规划、公路工程可行性研究、 公路设计、公路建设后评估等方面提供更为科学的理论依据【l j ( 图1 1 ) 。 1 ，、曲e d m 卓“ 公路通行能力研究 7 i 公跆网剃划 交通流特性研究 可行性研究 交通构成车速分布 = 参数关系 换算系数 公路勘察设计 ，r jl 7 v 通行能力研究 i 工程项目后评估 基本路段交叉路口 路网管理 图1 1 道路通行能力研究意义及结构框图 从高速公路运营管理层面看，高速公路面临的主要问题就是交通拥挤。交通拥挤造 成旅行时间无法预测、运行成本增加、事故率提高、能源浪费和环境污染加剧等不良的 影响，从而形成巨大经济损失。因而如何避免拥挤或减轻拥挤造成的影响，保持高速公 路高速、安全、舒适和高效的特性，不仅是发达国家也是我国高速运营中要解决的主要 问题。 解决此类问题有二种途径：一是通过几何改善和路网建设来改善瓶颈路段的通行能 力，从而扩大交通供给。其基本解决方法是通过路面和路肩的重新划分或通过整个横断 3 中北大学学位论文 面的改建来增加车道，与在原有的线路上附加支线。例如在美国，前后共花了3 0 年修 建和改造州际高速公路网。此种方法费用较高，且受资源和环境的制约。第二种途径是 对现有的高速公路进行交通控制和管理，从而达到减缓交通拥挤和提高通行能力的目 的。此方法经济有效、不受资源和环境的制约。且随着智能运输系统( i t s ) 的兴起，智能 的交通控制和管理逐渐成为解决高速公路运行问题的主要途径。 1 1 3 本论文研究方法和技术路线 1 主要研究方法 采用室外实验和室内研究相结合的方法进行研究。室外实验主要是确定车辆和交通 流量数据信息采集、测试方法和采集设备选型，选择适合的数据信息采集外场设备，确 定设备数据采集接口、数据传输方式、数据采集频率，对选定的外场设备进行可靠性等 性能指标进测试，通过室外实验以保证所采集数据的可用性、可靠性和可信性，满足室 内分析研究和实际应用工作的需要。室内研究主要内容是采集数据分析，剔除不合格数 据，统数据格式和数据库字段格式，建立数学模型，列高速公路通行能力适应性进行 分析与评估，确定高速公路省级路网条件下的通行能力可能度与满意度，从而为高速公 路交通管理提供决策支持。 2 技术路线 运用系统工程理论与方法，对高速公路通行能力进行系统分析，明确课题研究的目 的性，影响因素的相关性，系统研究的整体性，与交通智能管理环境的适应性，数学模 型的功能性等。采用定量分析和定性分析相结合的研究方法进行研究，以定量分析为主， 通过建立数学模型，对通行能力进行定量研究和适应性分析，并结合定性分析，对通行 能力进行评估。然后结合定量分析和定性分析结果，提出省级高速公路网络实际通行能 力的可能一满意度，以确定通行能力的合理区域范围，供交通管理决策部门选用。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 世界上对道路通行能力的研究最早始于2 0 世纪4 0 年代。 1 9 4 4 年，美国道路研究委员会( h i g h w a yr e s e a r c hb o a r d ，简称h r b ) 以o k n o r m a n n 4 中北大学学位论文 为首，成立了道路通行能力研究小组，在美国公路上进行了广泛地观测，获得了大量的 交通流数据，经过分析、归纳，撰写成研究报告，于1 9 5 0 年出版了第一版道路通行 能力手册( h i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l ，简称h c m 。此后，h r b 将道路通行能力作为长 期的研究课题，进行持续不断地研究，罕今已经有6 0 多年的历史了。1 9 6 5 年h r b 将 1 9 5 0 年至1 9 6 5 年间的研究成果进行了汇总，出版了第二版的h c m t 2 1 ；1 9 7 5 年，美国 道路研究委员会更名为“美国运输研究委员会 ( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r d ，简称 t r b ) 。1 9 8 0 年，t r b 根据1 9 6 5 年至1 9 8 0 年间道路通行能力的研究进展，出版了道路 通行能力专刊一交通研究通报( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hc i r c u l a r ) t 3 】；1 9 8 5 年，t r b 又 根据1 9 6 5 年至1 9 8 5 年近2 0 年的最新研究成果出版了第三版的h c m 4 ；1 9 9 1 年，t r b 制订了一项包括2 1 个课题、历时6 年的研究计划，对第三版的h c m 进行修订【5 】；1 9 9 4 年，为及时反映当时各国在道路通行能力研究领域的最新研究成果，t r b 对第三版h c m 中共7 章的内容做了较大的修改，出版了h c m 第三版新版本【6 】；1 9 9 7 年又修改了h c m 第三版中其它章节的内容，再次出版了h c m 第三版修订本【7 】；2 0 0 0 年，t r b 在对近十 几年的研究成果进行了认真细致地总结后，又出版了第四版的h c m 8 1 。随后不到3 年， t r b 又提出了一项耗资千万美元修订h c m 2 0 0 0 的计划，拟对1 2 个研究课题、3 0 个子 项目进行深入研究，为新版本的h c m 提供修订依据【9 1 。 t r b 在编写h c m 的同时，还先后召开了4 次通仨1 j 她1 3 1 二力国际学术研讨会，为世界各 国通行能力研究人员互相交流、互相学习提供了一个平台。1 9 9 1 年t r b 的道路通行能 力与服务水平委员会在德国卡尔斯鲁厄( k a r ls r u h e ) 召开了第一次道路通行能力国际学 术研讨会i l 叫；1 9 9 4 年，在澳大利亚悉尼( s y d n e y ) 召开了第二次道路通行能力国际学术研 讨会【1 1 1 ；19 9 8 年6 月，在丹麦哥本哈根( c o p e n h a g e n ) 召开了第三次道路通行能力国际 学术研讨会【1 2 1 ；2 0 0 0 年6 月，在美国的夏威夷( h a w a i i ) 召开了第四次道路通行能力国际 学术研讨会i ”】。 其他方面，赫班( h o b a n ) 研究了道路条件对通行能力的影响并出版了专著( ( e v a l u a t i n g t r a f f i cc a p a c i t ya n di m p r o v e m e n t st or o a dg e o m e t r y ) ) 1 1 4 1 ；塞提斯( s a t is h ) 和卡玛( k u m a r ) 分 析了混合交通条件下车道宽度对通行能力的影响【l5 】；易卜拉欣( i b r a h im ) 和霍尔( h a l l ) 分 析了恶劣天气对速度、流量和车道占有率关系的影响【1 6 】；香卡( s h a n k a r ) 矛l j 曼拉宁 f m a n n e f i n g ) 分析了恶劣天气下流量、平均车速和速度变异的关系【1 7 】。 5 中北大学学位论文 随着计算机技术和仿真技术的突飞猛进，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道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j 力j ，3 个阶段【1 8 】： 第一阶段，2 0 世纪4 0 年代末至6 0 年代初为诞生期。英国道路研究实验室( r o a d r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 于19 51 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( m i d w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 应用仿真技术升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。这一时期出现的比较著名的宏观仿真 软件有：用于信号交叉口的c a p c a l 、用于城市干道网的s p a n ，m a x b a n d ， s s t o p ，d a s s e r ，t r a n s y t 以及用于高速公路的f r e q ，f r e c o n 等等；微观仿真软件 有：美国研制的用于信号交叉口的t e x a s 和s i g s i m 、用于城市干道网的n e t s i m 、用 于高速公路的i n t r a s ，以及瑞典研制的用于乡村道路的v t i 1 9 】，澳大利亚研制的用于 乡村道路的t r a r r 等【2 0 】【2 l 】。 第三阶段，8 0 年代至今为成熟期。这一时期出现了混合模型，如s c h w e r d t f e g e r 提 出的d y n e m o 模型。模型开始向综合化发展，如英国m v a 公司的t r i p s ，q u a d s t o n e 公司的p a r a m i c s 和美国c a l i p e r 公司的t r a n s c a d 软件包以及联邦公路局( f h w a ) 的 t s i s t 2 2 1 ，i n t e g r a t i o n 2 3 1 。这一时期还出现了用于信号交叉口的c a l s i g , c a p s s i ， p o s i s i d r a 2 2 ，s i g n a l 8 5 ，s o a p 8 4 等；用于高速公路的c o r q 以及用于乡村公路的 t w o p a s t 2 4 】【2 5 1 等。这一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 ，西班牙t s s 公司的a i m s l j n 2 等。 总之，交通仿真技术已经广泛应用于交通事故、动态交通分配、出入口控制、道路 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。 1 2 1 1 美国h c m 的研究 美国对道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 多数国家对本国道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f 2 6 】【2 7 】。因此，对美国4 版h c m 中双车 6 中北大学学位论文 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。 ( 1 ) 1 9 5 0 年h c m 双车道公路通行能力的分析程序最早是由o k n o r m a n n 提出。首次定义了“基本通 行能力”( b a a i cc a p a c i t y ) 、“可能通行能力”( p o s s i b l ec a p a c i t y ) 和“实际通行能力”( p r a c t i c a l c a p a c i t y ) 3 个基本概念。其中，实际通行能力由不同流率下实际超车率和超车需求二者 之间的比较来定义；研究中没有考虑方向分布对通行能力的影响，把双车道公路的通行 能力定义2 0 0 0 p c u h 。 ( 2 ) 1 9 6 5 年h c m 将第一版中的“基本通行能力 的概念改为了“理想通行能力 ( c a p a c i t yu n d e ri d e a l c o n d i t i o n s ) ，并给出了理想条什的具体定义。第一次提出了服务水甲( l e v e lo fs e r v i c e ) 的概念，并一直沿用至今。根据道路上车辆的运行速度( o p e r a t i n gs p e e d ) 和服务交通量 ( s e r v i c et r a f f i cv o l u m e ) 的关系将服务水平分为a ，b ，c ，d ，e ，f 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 h 。 ( 3 ) 1 9 8 5 年h c m 在总结近2 0 年的研究成果后，对服务水平的指标进行了重新审核，认为平均速度 ( m e a ns p e e d ) 不能完全反映超车需求和超车能力之间的平衡。另外，平均速度对流率的 变化也不灵敏。因此，研究人员首次提出了“时间延误百分率 ( p e r c e n tt i m ed e l a y ，以 下简称“延误率”) 的概念，并把延误率作为衡量服务水平的一个重要指标。由于延误 率较难测量，考虑将车头时距小于s s 的车辆数占所有车辆数的比率作为延误率的替代 指标。但是，在计算通行能力时并未使用延误率这个指标，只是大体描述了流量与延误 率之问的关系。 当延误率在没有达到1 0 0 时流量就已达到最大通行能力此时的延误率大约为9 0 。 这说明在双车道公路的交通流中，达到道路通行能力时仍然存在有大约1 0 左右的车 辆，其车头时距值大于5 s ，也就是说这些车辆不处于延误状态。 在第三版的h c m 中，开始考虑方向分布对双车道公路通行能力的影响。根据观测 到的最大流量最终确定了单向车道通行能力值为2 0 0 0 p c u h ，双向车道通行能力值为 7 中北大学学位论文 2 8 0 0 p c u h 。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通行能力值的简 单两倍，但这是什么原因造成的，研究中并没有进行解释和说明。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，如式1 1 。 c = 2 0 0 0 + 1 6 0 0 ( 1 一d )( 1 1 ) 式中d _ 方向分布系数。 4 12 0 0 0 年h c m 2 0 0 0 年版本的h c m 为了避免使用者误解“时间延误百分率 的概念，将其更名为 了“跟车时间百分比”( p e r c e n tt i m es p e n tf o l l o w i n g ，简称p t s f 。通过仿真软件t w o p a s 的仿真结果把h c m l 9 8 5 的5 s 延误时间界限更改为了3 s 的跟车车头时距。并根据实测 数据推荐了单向车道的通行能力值为1 7 0 0 p c u h ，双向车道通行能力值为3 2 0 0 p c t t h 。可 见，该版本给出的双向车道通行能力值也小于单向车道通行能力值的两倍，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1 2 ，但是该版本也没有明确解 释产生双向车道通行能力值小于单向车道通行能力值两倍的具体原因。 c 划n 詈趣。 m 2 ， 【尸d j 、。 式中p d 一方向分布系数。 h c m 2 0 0 0 根据流量与跟车时间百分比的关系，给出了一个计算跟车时间百分比的 统计分析模型，如式1 3 。 p s t f = 1 0 0 ( 1 一e - o o o o s 7 9 q , w ) + f d 册 ( 1 3 ) 式中p s t f 一跟车时间百分比，； q 一小客车当量流量，p c u h ； ，。一方向分布系数和禁超区的调整系数。； 一口m d 根据式1 3 ，可以绘制出流量和跟车时间百分比的关系示意图，如图1 2 。 8 中北大学学位论文 巴 一! ；：一二 熙 - - 。 w i j i l l 。 _ j k 。 c轴目张口9 l 襻o 5 碑鞍62 ，瓣2 蝣i ? 豁 枣，舫 敏麓：v 幽j h 图1 2h c m 2 0 0 0 的流量与跟车时间百分比关系示意图 由图1 2 可以看到，当流量达到通行能力值时，其跟车时间百分比为9 4 ，也未达 到1 0 0 。这说明美国研究人员在观测达到道路通行能力的交通流时，发现仍然会有5 左右牟辆的车头时距大于定义的跟车车头时距值。 对于山岭区公路，h c m 2 0 0 0 还考虑了纵坡对运行速度及跟车时间百分比的影响， 将大于4 的坡段作为一般双车道公路中的特定纵坡路段进行单独分析。 需要强调的是：h c m 2 0 0 0 将5 s 的延误车头时距改为了3 s 的跟车车头时距，主要是 根据以下几个力面的研究决定的： 1 9