（交通运输规划与管理专业论文）连续流内多车种相互作用机理及对策研究.pdf

摘要 近年来，在我国某些快速道路( 包括高速公路、城市快速路以及城区与郊区 交界的快速环线) 路段，由于重型车辆的影响，常出现运行交通量并没有达到设 计通行能力而实际交通状况却拥挤不堪的现象，并迫使这些快速道路提前进入改 造期，大大影响这些快速道路作为重要交通基础设施的社会经济效益正常发挥。 因此有必要对混合交通车辆间相互影响的机理进行研究，进而制定针对性策略， 保障快速道路效益的发挥 本论文首先通过选取典型高速公路路段进行实际调查，运用视频检测手段， 分析了重车作用下高速公路上的典型交通现象；并提取了其宏观运行参数；采用 基于g p s 的跟车方法，得到了典型重车的实际运行参数，并通过与国外同类现象 研究的成果对比，分析了国内外重型车辆的运行特性差异。 引入移动瓶颈理论来解释和研究重车所造成的影响，针对已有的移动瓶颈理 论只是研究单一重车影响的不足，结合中国的实际交通情况，将移动瓶颈理论由 瓶颈点拓展到瓶颈段和阻塞瓶颈研究。指出其本质是重车影响在时间和空间上延 续、交汇，并由此引发相关车辆的跟车和变道行为发生变化，导致高速公路时空 资源损失随时间、空间动态变化。 在全面分析重车影响因素的基础上，重点探讨了流量、重车比例、重车速度 对车辆折算系数的影响，以及车道行驶规则和车道数的影响。分析了混合交通条 件下的通行能力和服务水平，发现在混合交通流的影响下，高速公路这种连续流 设施却呈现了类似于间断流设施的运行特征，并初步提出移动间断流理论对其进 行解释和研究。 研究发现，超车机会的供需矛盾是混合交通条件下服务水平下降的根本原 因。针对实际调查发现的车辆速度离散、部分重车速度过低的问题，运用数学建 模和仿真结合的方法，分析了速度下限设定的标准；结合移动瓶颈理论的研究成 果，提出隔段拓宽的策略，从而可以有效解决当前重车影响所带来的超车机会不 足和延误增加问题，并且本策略有较好的流量增长适应性和与后续策略的连续 性。 关键词：移动瓶颈，重车，连续流，影响机理，对策，交通现象 a b s t r a c t t h e s ey e a r s u n d e rt h ei n f u e n c eo fh e a v yv e h i c l e ，t h eb a s i cs e c t i o n s0 ts o m e f r e e w a yo f t e ng e ti n t oc o n g e s t i o nw h i l et h et r a f f i cv o l u m e sh a v en o tr e a c hi t sd e s i g n c a p a c i t y w h a t sm o r e 。m a n yf r e e w a y sh a v et ob er e b u i l to n l ya f e wy e a r sa f t e rt h e m g o ti n t ou s e a sar e s u l t ，t h es o c i e t ya n de c o n o m i cb e n e f i to ft h e s ef r e e w a y s a r e w e a k e n e d s o i ti si ng r e a tn e e dt os t u d yt h em e c h a n i co fi n f l u e n c e sb e t w e e n d i f f e r e n tv e h i c l et y p e sa n dt oc o n s t i t u t ep e a i n e n c es t r a t e g ys ot h a tt h ef r e e w a yc a n o p e r a t i o ne f f i c i e n t l y f i e l dd a t as u r v e y sw e r ec a r r i e do u ti ng u a n g s h a of r e e w a y t h er e p r e s e n t i t a v e t r a 衢cp h e n o m e n aa n dm a c r o s o p i cp a r a m e t e r so ff r e e w a yu n d e rt h ea f f e c t i o no fh e a v y v e h i c l e sw e r ea n a l y z e d ；t h ep e r f o r m a n c e so ft y p i c a lh e a v y v e h i c l e sw e r em e a s u r e di n g u a n g s h a of r e e w a yw i t hg p s d a t ac o l l e c t i o n c o m p a r i s o nw a sc o n d u c t e df o rh e a v y v e h i c l ep e r f o r m a n c eb e t w e e nc h i n aa n da m e r i c a m o v i n gb o t t l e n e c kt h e o r yw a s i n t r o d u c e dt oe x p l a i na n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo f h e a v vv e h i c l e s i n c et h em o v i n gb o t t l e n e c kt h e o r yi sm a i n l yd e a lw i t ht h ei n f l u e n c e o fo n eh e a v yv e h i c l ew h i c hd o e s n ti na c c o r d i n gt ot h ea c t u a lt r a f f i cs i t u a t i o ni nc h i n a ， i ti sd e v e l o p e di n t h i sp a p e rf r o mm o v i n gb o t t l e n e c kp o i n tt om o v i n gb o t t l e n e c k s e g m e n ta n dj a mm o v i n gb o t t l e n e c k t h ei n f l u e n c eo fh e a v yv e h i c l ec o n t i n u ea n d g a t h e ri ns p a c ea n dt i m e ，t h ef o l l o w i n g ，l a n ec h a n g i n ga n do v e r t a k i n gb e h a v i o ro f r e l a t e dv e h i c l e si sn o tt h es a m ea si ng e n e r a lt r a f f i cs t r e a ma n dt h et i m e - s p a c el o s so f f r e e w a yc h a n g e sw i t ht i m ea n ds p a c e t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fh e a v yv e h i c l et ot r a f f i ca r ca n a l y z e d ，t h ei n f l u e n c er u l e o ft r a f f i cv o l u m e ，h e a v yv e h i c l ep r o p o r t i o na n dv e l o c i t yt op a s s e n g e r c a re q u i v a l e n ti s s t u d i e da n dt h ei n f l u e n c e so fl a n eu s er u l ea n dl a n en u m b e ra r ea l s oa n a l y z e d t h e c a d a c i t ya n dl e v e lo f s e r v i c ei nm i x e dt r a f f i ca r es t u d i e d i ti sf o u n dt h a tu n d e rm i x e d t r a f f i cc o n d i t i o n ，f r e e w a y , w h i c hs h o u l db et y p i c a lu n i n t e r r u p t e df l o wf a c i l i t y , p r e s e n t s c h a r a c t e r sl i k ei n t e r r u p t e df l o w m o v i n gi n t e r r u p t e df l o wt h e o r y w a s p r e s e n t e di nt h i sp a p e rt oe x p l a i na n ds t u d yt h i ss i t u a t i o n i ti sf o u n dt h a tt h eu n b a l a n c eb e t w e e no v e r t a k i n gc h a n c es u p p l ya n dd e m a n di s t h er o o to fi n f l u e n c e so fh e a v yv e h i c l e i no r d e rt os o l o v et h ep r o b l e m t h a tt h ev e h i c l e v e l o c i t yd i s p e r s e ，m o d e l sw e r eb u i l tt os t u d y t h ec r i t e r i o nf o rs p e e dl i m i tt o g e t h e rw i t h s i m u l a t i o nm e t h o d s i n c et h ei n f l u e n c eo fm o v i n gb o t t l e n e c ki s d y n a m i cw i t ht i m e a n ds p a c e ，an e wc o u n t e r m e a s u r ei sp u to u ti nt h i sa r t i c l e ，t h a ti s ，t oa d do n el a n ea t i n t e r v a l s c a r sc a np a s sh e a v yv e h i c l e sa n dt h ei n f l u e n c eo f m o v i n gb o t t l e n e c kc a nb e a l l e v i a t e dw i t ht h i sc o u n t e r m e a s u r e k e y w o r d s ：m o v i n gb o t t l e n e c k ，h e a v yv e h i c l e ，u n i n t e r r u p t e df l o w , i n f l u e n c e m e c h a n i c ，c o u n t e r m e a s u r e ，t r a f f i cp h e n o m e n o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：剧袋 r | 弋e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文“连续流内多车种相互作用机 堡拯麴筮婴究：，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他 人创作的、己公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 繇砑强 年j 月厶日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 本论文的研究是基于高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 0 4 0 2 4 7 0 2 1 ) ： 高速公路重载重车移动瓶颈理论研究以及广东省交通厅科技项目：货运交通对 高速公路通行能力与交通安全的影响与管制对策研究，( 项目编号：2 0 0 4 - - 3 3 ) 而展开的。 1 2 研究背景 首先，有必要明确本课题的研究范围。通常所提到的混合交通，其概念有 广义和狭义之分。广义的混合交通是指行人、非机动车、机动车等不同的交通 方式的混合 1 2 【3 】，也有指非机动车和机动车混合通行的状况。狭义的混合交通 是指道路上不同车种混合通行 5 6 j 。本文所要研究的是狭义的混合交通，即机 动车辆混合通行时，由于其尺寸和性能不同而相互影响所带来的交通问题。 交通流可以分为连续流和间断流，在不同性质的交通流中，混合交通车辆 间的相互影响表现、机理和影响因素等都不尽相同 7 【8 【9 l 。而连续流相对于间断 流来说， 需要考虑的因素较少，是进一步研究间断流的基础，从连续流开始研 究，符合人们认识事物的一般规律。因此，本文主要研究连续流条件下混合交 通车辆问相互影响的表现、机理和对策。 在此，对本论文将要用到的术语定义如下： 重车：指大型货车，由于满载或超载，使得正常行驶速度低于7 0 k m h 、而 且加减速远低于车辆设计值，受地形影响显著。 快车：指客车或小货车，正常行驶速度高于7 0 k m h ，且速度基本不受地形 影响。 重车和快车是本文中为简化问题而对车辆进行的分类。与公路工程技术 标准h o 中的车辆分类相比，快车基本相当于小型车和中型车，而重车则相当 于大型车和拖挂车。 移动瓶颈：g a m s 和h e r m a n l * 1 】对移动瓶颈的定义为：在多车道道路上，当一 第一章绪论 辆慢车在一条车道上行驶的时候，经常会造成后面车辆排队。排队成因不是车 道上实际存在障碍物，而是由于速度的差异，当慢车后面的车流量达到一定值 时发生的，这种情况称为移动瓶颈。也就是说移动瓶颈的发生存在两个必要条 件：首先，道路上存在重车；其次，道路上的流量达到一定值，使得重车后面 的车辆必须降速、排队。因此，本文中对移动瓶颈定义为：道路上有重车存在， 且后方到达流量超过一定值后，车辆不得不降速，在重车后方排队，这种情况 称为移动瓶颈。 瓶颈点：移动瓶颈最简单和最基本的情况，指道路上流量达到一定值后， 受单个重车影响而降速、排队的情形 瓶颈段：当上游流量达到一定值后，随着重车间距离的减小，瓶颈点在纵 向空间上相接、进而连续，形成瓶颈段。 阻塞瓶颈：重车间的速度差异，使得重车的空间分布随时间而演化，瓶颈 点在时间和纵向空间上相交，进而在横向空间上平行，形成阻塞瓶颈。 1 2 2 实际背景 近年来，在我国某些快速道路( 包括高速公路、城市快速路以及城区与郊 区交界的快速环线) 路段，常出现运行交通量并没有达到设计通行能力而实际 交通状况却拥挤不堪的现象，并迫使这些快速道路提前进入改造期，大大影响 这些快速道路作为重要交通基础设施的社会经济效益正常发挥，也对我国快速 道路交通基础设施的科学规划建设、高效运营管理造成很大冲击。有关方面在 分析我国快速道路难以达到设计通行能力的原因时，已渐渐认识到该现象很大 程度上为我国快速道路上较多超载超限、性能较差的重载车辆与其它快速车辆 混行，在快速道路沿线形成大量的“移动瓶颈”所致。国外亦有“重载车辆对 高速公路通行能力影响越来越大”，“以往计算高速公路通行能力时对重载车辆 的影响估计不足”等对该类问题的类似分析，对问题原因的定性分析结论与国 内的认识基本一致。 建设快速道路的初衷是为了充分发挥其行车速度高、通行能力大、交通事 故少、运输成本低和舒适程度高等优点，混合交通车辆间的相互影响已大大制 约了我国快速道路这一重要而稀缺交通资源的经济、社会效益的发挥。因此， 解析混合交通车辆间的相互作用机理，并进而制定合理的措施缓解混合交通的 影响，成为当前我国道路交通领域迫切需要解决的新问题。 第一章绪论 高速公路重载重车移动瓶颈问题是连续流交通设施内由于性能差异、速度 不一的车辆组成一类新的“混合交通”运行中所表现出的现象。超载、超限重 载重车本身行驶性能的差异导致相关车辆的跟车、变换车道、超车的行为与常 规交通流不一致，并且移动瓶颈导致的高速公路时空资源损失随时间、空间都 是动态变化，所以重载重车在高速公路上产生移动瓶颈是一复杂的交通现象， 是复杂交通流理论与实验研究的前沿研究课题。和发达国家不同，交通移动瓶 颈问题在我围快速道路中非常突出，己成我国经济发达、交通繁忙区域高速公 路通行能力下降、交通拥堵和安全恶化的主因之一。 1 2 3 理论背景 我国现行高速公路基本路段( b a s i cf r e e w a ys e g m e n t s ) 的通行能力计算 方法主要借鉴美国运输委员会编制的道路通行能力手册( 简称h c m ) 1 2 高速公路通行能力指的是保持规定运行质量前提下疏导交通流的能力。由于美 国等发达国家车辆性能差异不大、速度差不明显，除爬坡路段外，高速公路基 本路段车辆通行时空资源的利用随车种变化不大，可以用典型断面的通行能力 代表整条路段的实际通行能力。但高速公路车辆通行时空资源的利用是交通流 内部各车辆之间相互作用和影响以及道路几何构造、环境条件等对车辆作用和 影响的综合结果，在车辆性能差异很小的情况下，高速公路通行能力随时间与 空间动态波较小，根据典型断面计算得到的“计算通行能力”能基本反映高速 公路的实际容量。而在超载超限、性能较差重载重车在高速公路上形成移动瓶 颈时，由于移动瓶颈引起的高速公路车辆通行时空资源浪费和车辆排队延误， 可能导致移动瓶颈处通行能力急剧下降的情况，从而造成高速公路实际的时空 动态容量比计算通行能力低的状况，这是我国某些高速公路路段实际运行交通 量未达到“计算通行能力而服务水平很低的基本内因。 对混合交通的影响，国外很早就进行了研究，h c m ( 1 9 6 5 ) 【1 2 提出了 p c e ( p a s s e n g e rc a l e q u i v a l e n t ) 来研究重车对交通流的影响。其定义是：t h en u m b e r o fp a s s e n g e rc a r sd i s p l a c e di nt h et r a f f i cf l o wb yat r u c ko rab u s ，u n d e rt h ep r e v a i l i n g r o a d w a ya n dt r a f f i cc o n d i t i o n s ，就是在通常道路和交通条件下，一辆重车或公交 车相当于小客车的车辆数。p c e 概念提出的本意是进行通行能力折算，因为在国 外，重车的比例都不大，因而交通流理论以及通行能力研究都是基于标准车流， 并通过p c e 将混合车流与标准车流之间进行换算。自h c m 提出p c e 的概念后， 第一章绪论 这方面的研究就成为交通工程研究中的一个热点问题 1 3 1 4 1 5 1 6 1 。p c e 研究本身 是基于影响的表现，而缺乏对不同车种相互作用的机理解析，这种重结果而轻 机理的方法，直接导致了至今关于p c e 的研究仍然存在很大争议，而没有一个 固定的标准。争议的核心问题是：等价标准的选取以及p c e 随不同因素的变化规 律 1 7 18 j 。这说明，p c e 概念本身存在一定的局限性，对p c e 研究进行改进，或 寻找其他的研究方法来确定混合交通相互影响的规律非常有必要。 “移动瓶颈”理论( m o v i n gb o t t l e n e c kt h e o r y ) 1 1 1 9 是近年来新提出的 理论，它把重车比作道路上的移动瓶颈来进行研究，重点研究某一个或多个低 速个体对标准车流的影响，得到了不错的结果。但是，移动瓶颈理论刚刚出现， 并未成熟。国际上对交通移动瓶颈理论的研究还处于探索阶段，即使针对单个 移动瓶颈，其实验观测方法、理论描述模型以及对高速公路通行能力的影响分 析方法都不完善，而对多个随机分布的移动瓶颈相互关联、甚至演变为高速道 路拥堵路段的变化规律，以及移动瓶颈的分布密度对高速公路通行能力的影响 程度，均未展开研究。更重要的，国内混合交通状况的复杂性使得必须进一步 发展移动瓶颈理论，才能对我国复杂的交通状况进行描述。 可见，虽然国外的交通流理论研究已经相当成熟，但是，由于交通组成与 国内不同( 国外以小客车为主) ，重车的比例小，性能相对小客车差别也不是 很大，因而重车的影响并没有受到足够的重视，混合交通理论很少涉及。而国 内对货运交通带来的损害都有相当认识，但还停留在初步研究层面，未能全面 深入的对混合交通车辆间相互作用的机理进行解析。 1 3 研究目的和意义 1 3 1 研究目的 本论文希望通过混合交通现象观测分析和调查研究，得到重车影响的实际 现象和特征参数，从而对重车影响不独立情况进行解析，拓展已有的移动瓶颈 理论；分析混合交通的影响因素和影响规律，在以上研究的基础上，初步建立 混合交通流理论，最终提出针对性的解决策略。 1 3 2 研究意义和应用价值 从理论上看，本研究可发展移动瓶颈理论，将移动瓶颈理论从独立情况拓 4 第一章绪论 展到相互影响和演变情况，并从通行能力和服务水平角度，分析混合交通流与 常规交通流的异同，尝试建立混合交通流相关理论，摆脱以往交通流理论利用 车辆折算系数研究的单一模式，为混合交通条件下交通流建模研究提供思路。 从实际应用看，本研究有效利用现有设施，最大限度减少投资浪费，提高 高速公路的服务水平，对缓解当前高速公路的交通状况，以及对高速公路下一 步的规划和管理都有积极意义。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 主要研究内容 传统重车影响研究主要集中在p c e ，而p c e 的研究方法不外于计算机仿真、 实地调查和数学建模等，重结果而轻机理。本文针对这些问题，从混合交通现 象和特征参数出发，通过数学建模，解释不同的交通现象，分析了重车影响的 相关因素及其影响规律，对移动瓶颈理论进行扩展，初步提出移动间断流理论， 最终在机理研究的基础上，提出了针对性的混合交通对策。 主要研究内容如下： 混合交通相互影响现象分析； 重车运行参数及混合交通特征参数提取 移动瓶颈理论拓展研究； 混合交通影响因素研究。 混合交通流理论 混合交通对策研究。 1 4 2 技术路线 第一章绪论 1 5 论文结构安排 混合交通理论 上 混合交通管理对策 图1 1 论文的技术路线 本论文共分八章，各章主要内容如下： 第一章绪论 介绍了研究背景，分析了本文研究目的与意义，并提出了本文的技术路线。 6 第一章绪论 第二章研究综述 对国内外相关研究进行总结和分析，明确本文的研究方向和重点。 第三章重车影响表现和特征提取 首先通过基于g p s 的跟车调查，得到不同装载和不同比功率的典型车辆在不 同地形下的实际运行情况：然后运用视频检测手段，分析重车影响的现象和特 征参数，在获取感性认识和实际运行参数的基础上，为理论建模做好数据上的 准备。 第四章移动瓶颈理论扩展研究 首先对我国移动瓶颈的特点进行分析，明确移动瓶颈不独立的情况为本文 研究的重点。从发生条件、影响角度研究了移动瓶颈不独立的两种情况：段瓶 颈、阻塞瓶颈。从通行能力和服务水平角度分析了混合交通流与单一交通流的 异同，并初步提出了移动间断流理论。 第五章混合交通影响因素分析 在全面分析重车影晌因素的基础上，重点探讨了流量、重车比例、重车速 度对车辆折算系数的影响，以及车道行驶规则和车道数的影响。 第六章对策提出 在分析重车影响的基础上，从减少超车需求和增加超车供给两个方面提出 了针对性的解决策略，并结合仿真和实际调查数据对策略进行了验证。 第七章结论与展望 总结了本论文的主要研究成果，并指出下一步的研究方向。 第二章研究综述 第二章研究综述 对不同车种间的相互影响研究，主要有车辆折算系数理论、移动瓶颈理论， 本章针对这两个方面分别进行综述。并且对两种理论之间的异同进行分析，以 期能将不同理论的成果和方法综合起来，殊途同归，从而最终完成混合交通车 辆间的相互影响机理解析和应用。 2 1 车辆折算系数( p o e ) 理论研究进展 2 1 1h c m 中对p c e 规定 车辆折算系数是由于通行能力研究的需要而提出的，1 9 6 5 年版h c m 中正式 提出p c e 和服务水平的概念。车辆折算系数的概念为：在当前道路和交通条件下， 交通流中货车或公交车等价的标准车辆数 15 2 】( t h en u m b e ro f p a s s e n g e rc a r s d i s p l a c e di nt h et r a f f i cf l o wb yat r u c ko rab u s ，u n d e rt h ep r e v a i l i n gr o a d w a ya n d t r a f f i cc o n d i t i o n s ) 。在h c m 2 0 0 0 2 q 中对车辆折算系数的定义为：在当前道路和 交通条件下，一辆货车公交或商务车在高速公路通行能力占用方面相当的标准 车辆数( t h en u m b e ro fp a s s e n g e rc a r st h a tw o u l du s et h es a m ea m o u n to ff r e e w a y c a p a c i t ya so n et r u c k b u so rr vu n d e rp r e v a i l i n gr o a d w a y a n dt r a f f i cc o n d i t i o n s ) 。 通行能力即在当前的道路、交通、控制条件下，道路某一点所能持续通过的最 大流量。通行能力是基于标准车辆的，其单位为p c u h l a n e 。而货运车辆因为 其较大的尺寸和较差的性能，降低了道路的通行能力。h c m 中认为实际通行能 力的降低，是由于货运车辆占用更多的道路空间；更重要的，货运车辆性能差， 在上坡路段尤其明显。因此，混合车流需要通过车辆折算系数转变为标准车辆 具体来说，是通过重车系飙v 来进行换算，计鼽v 分两步： 1 ) 据道路、交通条件，确定折算系数； 2 ) 据折算系数和各种类型车辆在交通流种所占比例计算出矗v 。 在1 9 6 5 年版的h c m 中，p c e 的影响因素有坡度、坡长、货车比例和服务 水平。最高的p c e 值对应最长和最陡的坡度、最高的货车比例和最低的服务水 平。但是，很多情况下，p c e 值在给定的坡度和服务水平下随货车比例增大而 下降。 9 第二章研究综述 1 9 8 5 年版的p c e 研究中，基于r o e s sa n dm e s s e r 【2 2 】的成果，研究了比功率为 6 0 9 ，1 2 1 8 ，a n d1 8 2 7k g k w 的三种货车的p c e ，其中典型货车的比功率为1 2 1 8 。 其他的都基本沿用了t r b2 1 2 的研究方法和成果。 在h c m 2 0 0 0 中，基本路段的p c e 与坡度、坡长和重车比例有关，重车被分 为两类：货车、公交或者旅游车( r v s ) ，然后选取典型比功率的货车作为代表 车型，比功率被看作是体现车辆性能的重要指标。车辆动态模型的发展使得定 义多个比功率货车的p c e 成为可能。对高速公路扩展路段( e x t e n d e df r e e w a y s e g m e n t s ) 和特殊路段分别进行研究。对扩展路段，p c e 根据地形条件分别确定， 而不考虑车型、货车比例和高速公路设施类型的影响；对特殊路段，则考虑坡 度、坡长、货车比例的影响。而且还提供了计算合成坡度下p c e 的方法。 h c m 中的一个相当大的缺陷是：没有考虑流量的影响，考虑因素不够全面； 另外只是一些间断的值，而没有明确说明其变化规律和原因。如从h c m 给出的 表，p c e 是随货车比例而递减的，但是，在货车比例小于2 的情况并没有研究， 使得整个规律并不完整。 2 1 2 国外学者研究 车辆折算系数概念提出后，很多学者从不同角度进行了研究。研究的焦点 和不同在于等效标准、采用方法、影响因素和影响规律。即等效标准、手段和 结果。下面根据等效标准进行划分，以时间为轴，对国外学者的研究进行介绍。 1 ) 基于延误 1 9 8 3 年c u n a g i n a n dm e s s e r l 2 3 1 通过对6 5 年h c m 方法进行扩展，基于相对延误 计算了多车道公路的p c e 。其方法是w a l k e r 法( 相对超车率法) 与相对延误法的 结合。他们认识到，多车道公路超车车辆受流量影响。 c u n a g i n 分析了地形、 货车比例和服务水平对p c e 的影响。研究发现：在平直路段和一般坡度下，p c e 随货车比例、流量增加而增大：但在陡坡情况下，p c e 随货车比例增大而降低。 2 ) 基于v c h 二 l i n z e r 等【2 5 】在1 9 7 9 年提出了基于v c 比相同的p c e 折算方法，这一方法在 名为“公路通行能力中间成果”的t i 也2 1 2 会议上也得到采用。l i n z e r 等人采 用了s tj o h na n dg l a u z1 2 6 1 指导下，中西研究院( m 甜) 采用微观仿真得到的设 计表。p c e 计算公式为： l o 第二章研究综述 易= 警q m 砖r t ( 2 1 ) 其中：q b 为给定v c l | 二的等效标准车流，q m 为混合车流，p t 为货车比例。 在l i n z e r 等的研究中，典型货车比功率为18 2 7k g k w ( 3 0 0l b h p ) ，略小于在 1 9 6 5 年h c m 中所采用的货车比功率1 9 7 9k g k w ( 3 2 5l b h p ) 。另外，还采用了比 功率为9 1 4k g & w ( 1 5 0l b h p ) 轻型货车和比功率为2 1 3 2k g k w ( 3 5 0l b h p ) 的重 型货车。车辆性能曲线借鉴了宾夕法尼亚大学的成果，货车初始速度设为8 8 5 k m h 。采用了m 融提出的基准货车百分比方法，假定只有给定比功率的货车存在 来研究p c e 。首次研究了双向多车道( 6 或者8 ) 的p c e 。研究结果显示：p c e 随 比功率和设计车速变化很小，但货车比例增大时，p c e 变小。 在8 5 年版h c m 中，服务水平的效率度量由v c 变为密度，因此以v c 比作为 等效标准来研究p c e 的方法不再适合，因为相同v c 并不意味着密度相同或速度 相同，从而服务水平也不相同。 但在1 9 8 9 年f a n 【2 7 】仍然用v c 方法计算了新加坡快速路上的p c e 。他认 为，虽然密度是服务水平的效率度量，但是在通行能力分析中所要用的p c e 仍 然需要基于v c 。且在通行能力分析中，计算未达通行能力状态的p c e 并没有 意义。他采用多元线性回归方法，研究了v c 在o 6 1 0 范围内多个车型的p c e 。 3 ) 基准货车百分比方法： s tj o h na n dg l a u z 2 6 1 提出了基准货车百分比方法来研究货车类型不同引起的 性能不同。具体是通过将所有车型集中为一基准车型。通过赋予不同类型货车 不同的权重系数来实现，而每个车型的权重系数由其性能相对于最慢车辆的性 能来给出，权重系数越高车辆性能越差。其采用的基准货车百分比法公式为： p r = 弓( 3 1 6 , o l o + 1 4 1 p 9 + 0 1 4 p s + 0 0 6 , 0 7 ) ( 2 2 ) 其中，p r 为基准货车百分比，p t 为货车比例，p i 为第i 种货车占总货车数 的比例。这一方法的提出为多车型货车p c e 的计算提供了一个简便的方法，但 是其准确性并没有得到证明。 4 ) 基于速度 1 9 7 6 年，s tj o h n 2 6 提出非线性货车系数，认为当货车比例增加时，形成货车 车队的可能增大，从而对小车的影响会降低。他认为需要用非线性货车系数来 研究多个货车车型的影响，他提出了核心等效标准的概念来研究货车的影响并 用来计算p c e 第二章研究综述 1 9 8 1 年，h ua n dj o h n s o n1 2 8 1 分析了如何利用h c m l 9 6 5 ，通过运行速度来 得到p c e ，运行速度通过m 砒的表格得到，计算公式则沿用了l i n z e r 等人的公 式。其本质仍然是h c m l 9 6 5 的方法，只是在等效标准上用运行速度来代替了v c 比。 1 9 8 2 年，h u b e r1 2 5 1 对公式2 1 进行了改进，提出基于服务水平来研究p c e ，而 服务水平的任何一项都可以作为等效标准。h u b e r 的基本公式为： 、 历：上f 鱼一1l + 1 ( 2 3 ) 。 弓l 钆 其中：e t 为混合车流中货车的比例，q b 为标准车流量，q m 为混合车流量。 他假定等效平均出行时间为服务水平的度量标准，而每公里的出行时间即 为速度。h u b e r 的研究发现，p c e 随流量增加而降低。发现这个结果存在一定问 题，他又提出了等效总出行时间的概念：等效总出行时间为流量和平均出行时 间的乘积。从而将等效总出行时间转变为等效密度的问题。 1 9 8 4 年，s u m n e r 等f 2 9 j 对h u b e r 的研究进行扩展来计算包含多类货车的混合 车流中某一类货车的p c e 。通过建立标准车流、混合车流和包含目标车型的车流 的流量速度曲线，并用等效速度线与这三条曲线相交得到交点。进而换算p c e 。 他采用的公式如下 厂、 易：上i 丝一塑l + 1 ( 2 4 ) l 心gs g w1 其中妒为加入到混合车流中的目标车的比例，q 为基准流率( 只含标准 车) ， 矿为混合流率，矿为包括目标车的流率。 他们采用了总出行时间( 单位：车小时) 作为等效标准。这里的总出行 时间不再等同于密度。并应用在城市主干路上p c e 的研究。 应用公式2 4 ，e l e f t e r i a d o ue ta l 【2 0 】采用速度作为等效标准研究了高速公 路、双车道公路和主干路的p c e ，考虑的主要影响因素有：流量、货车比例、货 车类型( 考虑车长和比功率) 、坡度、坡长和高速公路车道数。基于特定货车 类型进行研究。结果显示：在高速公路基本路段，p c e 随流量增长基本保持不 变；随货车比例增加，p c e 保持不变或只有很小的增长；没有揭示高速公路车道 数对p c e 的影响规律。 在19 8 4 年，v a na e r d ea n dy a g a r 【3 0 】提出基于相对速度降低率来研究p c e 利 第二章研究综述 用观测数据和己知的流密关系曲线来校准一个多元线性回归模型，并用这个模 型来估算相对自由流速的速度百分比和每类货车的速度降低系数。采用了线性 的流速关系。 5 ) 基于车头时距 因为货车对交通流影响的一个主要方面是占用了更多的空间，因此很多 p c e 计算方法基于车头时距 1 9 7 6 年，w e m e r a n dm o r r a l l 3 q 提出在平直路段、较低的服务水平下，车头时 距方法是最适合的p c e 研究方法。计算公式为 r 参一层 易= “占d ( 2 5 ) f l r 其中：h m 为混合车流的平均车头时距，h b 为基准车流( 只含标准车) 的平 均车头时距，p c 为标准车在混合车流中所占比例，p t 为货车在混合车流中所占 比例。其结果考虑了坡度、坡长和服务水平的影响。 在1 9 8 2 年，c u n a g i na n dc h a n g1 3 2 发现，高速公路交通流中货车的存在带来 了平均车头时距的增加。 s e g u i n 等f 3 3 】在1 9 8 2 年提出了空间车头时距法，p c e 被定义为某一车型的平 均迟滞车头时距与标准车型平均迟滞车头时距的比值。迟滞车头时距为前后车 辆后保险杠之间的时距，从而将车长的因素也考虑在内。 k r a m m e sa n dc r o w l e y i l 6 l 在1 9 8 6 年将基于空间车头时距的p c e 折算方法与 基于通行能力和基于密度的方法进行了比较。研究发现，空间车头时距法更适 合高速公路基本平直路段。k r a m m e s 指出，空间车头时距法不仅反映了货车尺 寸和性能的影响，而且还反映了货车对其他车辆驾驶员心理上的影响。 空间车头时距法可以作为密度法的有效替代方法，因为他们都反映了交通 流中驾驶的自由程度。通过对h u b e r 提出的公式进行改进，得到基于车头时距 的p c e 计算方法。与c u n a g i na n dc h a n g 不同，他们发现大车与大车的车头时距 小于小车跟大车的车头时距，因此他们提出了新的p c e 计算公式。同s e g u i n 的 公式相比，k r a m m e s 的公式考虑了货车比例的影响。k r a m m e s 认为货车比例的 增加会带来p c e 的增长，因为货车和小客车的相互影响会增大。 车头时距方法在实际应用需要对采集到的车头时距进行处理，将较大车头 时距剔除。实际上有部分较大的车头时距是由货运车辆性能不足导致来，因此， 第二章研究综述 剔除较大车头时距时，车头时距剔除标准的确定容易影响最终的p c e 值。更重 要的是由于超车换道等驾驶行为的存在，有些车头时距并不是由当前两辆车性 能所决定，综合以上考虑，车头时距在p c e 计算中的应用有较大的局限性。 6 ) 基于排队消散流率 在2 0 0 2 ，a 1 k a i s ye ta l 3 4 】提出通过排队消散流率来计算p c e 的方法。他们假 设在接近通行能力状态时下货车的影响更大。他们的一个基本假设是，如果没 有货车的影响，排队消散时的通行能力应该是一个常数。采用的研究方法是实 际调查与线性设计结合。在他们的研究中，并没有发现货车比例和p c e 的关系， 但是他们认为随货车比例的增大，p c e 会下降。因为货车对货车的影响小于货车 对小客车的影响。 7 ) 基于密度： h u b e r t 4 0 】首先提出了等效密度法计算p c e ，但该方法主要的缺陷就是，研究 的混合车流只包括标准车和一种货车。 s u m n e r 等【2 9 】提出新的公式，可以研究包含多个货车车型下时每个车型的 p c e 。19 9 9 年，w e b s t e ra n de l e f i e r i a d o u l l 4 1 基于密度相同，采用仿真方法研究了 货车的p c e 。考虑的主要因素有：流量、货车比例、货车类型( 车长和比功率) 、 坡度、坡长、车道数。研究发现，在高速公路基本路段，p c e 随流量增大而增大， 随货车比例和车道数增加而降低；另外，车辆类型对p c e 的计算非常关键。 2 0 0 3d e m a r c h ia n ds e a i 【3 5 】分析了当交通流中有多个货车车型时，p c e 研究 方法的不足。他们通过数学推导证明，利用s u m n e r 等 2 9 】提出的公式得到的p c e ， 没有充分体现货车间的影响。“目标车型的p c e 总是被低估，因为随着目标车 型比例的增大，其边际影响递减”，而其它车型的p c e 则被高估了，因为随着 目标车型的加入，他们的比例减小了。他们提出利用总计p c e 来避免单独计算 每个车型的p c e 所产生的问题。 2 1 3 国内研究 早期国内对车辆折算系数的研究很少。进入8 0 年代后，随着交通工程学在 我国的发展，许多机构和学者也对车辆折算系数进行了研究，并取得了一定的 研究成果，主要有： 8 0 年代由交通部公路科学研究所主持，南方八省市参加的“混合交通双车 道公路设计通行能力研究”提出了“速度因子法”，用以测算混合交通双车道 第_ 章研究综述 公路车辆当量换算系数【l l 。研究者通过3 6 个路段不同路面结构形式和不同交通 构成的观测分析，采用多元回归分析的方法，对当量换算系数进行了研究。由 于这3 6 个路段交通状况和路面结构复杂，按照公路技术标准经过大致整理分为 五类：四级公路、三级公路、二级公路( 9 11 2 m ) 、二级公路( 1 2 11 5 m ) 和快慢车分道 公路研究者认为在混合交通双车道公路上，由于平均运行速度是衡量车辆行驶 质量的主要因素，因而车辆当量换算系数的具体含义可