基于高速公路通行能力分析的车辆折算系数理论与算法

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 文章编号:10020268(200006006004基于高速公路通行能力分析的车辆折算系数理论与算法高耀华1,刘洪君2,周荣贵3(11山西原太高速公路公司,山西太原030012;21山东省公路检测中心,山东济南272113;31交通部公路科学研究所,北京100088摘要:以通行能力分析为基础,通过对车辆折算系数理论的分析,提出车辆折算系数的准确概念,即在特定的道路条件以及交通组成条件下,所有非标准车相当于标准车对

2、交通流流量影响的当量值。在此定义的基础上,确定车头时距的SVE算法。最后,通过计算广佛高速公路的数据,给出微型车和大中型车在高速公路平直路段、通常交通条件下的SVE推荐值。关键词:车辆折算系数;理论分析;算法;高速公路;通行能力中图分类号:U49111+14文献标识码: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引言在国内外的通行能力研究中,对交通流模型和服务水平的研究多数以100%的标准车流为基础,引出如何将实际的混合交通流折算成理想的100%标准车流的车

6、辆折算系数问题,从而确立了车辆折算系数研究在通行能力研究中的重要地位。随着本世纪40年代通行能力研究的展开,对车辆折算系数的研究从未中断,但至今却没能提出一个公认的算法。我国公路中运行的车辆种类多,车辆动力性能差异大,给车辆折算系数研究提出了新课题。1数据说明本文计算中使用的所有数据,都是利用交通部公路科学研究所和中国矿业大学联合开发的交通量数据采集仪,于1998年1月14日和15日,在广佛高速公路的佛广方向超车道中连续采集,采集地点为平直路段,采集过程中有间断小雨。最终获得有效单车数据信息共28354项。车辆分类采用以车辆的运行特性为首要标准,结合车辆的结构特征和轴距出现频率的方法,将车辆划

7、分为微型车、小客车、大中型车和不定型4类。考虑到交通量数据采集仪可能得到的错误数据,对采集仪获得的原始单车数据作如下处理:11删除轴距在019m以下,速度在10km/h左右的车辆信息,它们仅占总数的018%;21结合我国车辆的运行特性,删除地点车速大于160km/h的车辆,它们占车辆总数的012%。删除后,剩下有效单车信息共28050项。2车辆折算系数的理论分析车辆折算系数的概念虽经常使用,却从未明确定义过,而一直沿用小客车当量的定义。在1965年版的HC M中,小客车当量(Passenger Car Equivalents定义为通常道路条件下,交通流中货车或公共汽车对小汽车的当量1。此定义只

8、是说明了小客车在通常道路条件下车辆折算系数的含义,而没有包括车辆折算系数的全部内容。另外,此定义虽明确说明PCE是当量值,却没有明确说明当量的基础,所以在具体的PCE算法中,提出了以速度、司机感受、车头间距、车道占有率、延误、驾驶自由度等多种交通流参数为基础的算法。可见,在讨论车辆折算系数之前,有必要明确车辆折算系数的定义。在PCE定义中,将道路条件限定为通常情况,这种定义是不完整的。由于道路条件的不同,特别是道路等级、纵坡坡度和坡长的不同,会导致各车型对交通流的影响发生很大的变化,所以通常道路条件下的当量值应该只是车辆折算系数研究的一个方面,除此之外,车辆折算系数研究还包括各种坡度、坡长以及

9、交通组成等特定条件下的当量值问题。这一点可以在1965、1985及1994年出版的各版HC M中得到部分印证。在HC M的“高速公路基本路段”一章中,不仅给出了一般地形条件下各车型的PCE值,还给出了在各种道路形式,特定的坡度、坡长和货车所占比例条件下,各车型的PCE值,只是在PCE定义中没有明确提出。PCE的定义只是针对小客车是标准车的车流,建立货车或公共汽车与小客车的当量关系。这与国外小客车在道路交通中占主流,且车型相对较少的实际情况是吻合的。而在我国公路中运行车辆的车型多,且各等级道路中的交通组成差异大的情况下,其内容就明显不足了。在车辆折算系数的讨论构成中,不单单小客车可能成为标准车,

10、其他车型也可能成为标准车,这由研究对象的交通组成来决定。但标准车的选择并不是车辆折算系数讨论的重点,车辆折算系数主要是研究各车型车辆对交通流流量造成影响的差别。在相同的道路、交通条件下,不管标准车如何选择,车辆折算系数反映的各车型对交通流流量影响的相互关系都是相同的。比如,在一定的道路、交通条件下,当小客车是标准车时,大中型车为210;那么,当大中型车被定为标准车时,小客车则是015。另外,车辆折算系数还应该把研究范围从货车、公共汽车扩展到所有非标准车型。车辆折算系数是在通行能力研究中提出的,用于混合交通流与100%标准车流之间流量的换算,为的是使各道路、交通条件下的混合交通量之间具有可比性。

11、可见,车辆折算系数的当量关系应该建立在混合交通流和100%标准车流的流量之间。也就是说,不论车辆折算系数算法的计算标准如何选择,车辆折算系数最终都应该在现实交通流与理想交通流的流量之间建立等量关系,而不是泛泛的讨论各车型之间的任何一种当量关系。综上所述,将车辆折算系数(Standard Vehicle E2 quivalents定义为:在特定的道路条件以及交通组成条件下,所有非标准车相当于标准车对交通流流量影响的当量值。3车辆折算系数的算法分析311选择车辆折算系数的计算标准SV E的计算标准,可以选择各种交通流的特征参数,如原来已经采用过的速度、司机感受、车头间距、车道占有率等。我们选择能直

12、接反映交通流流量的车头间距作为车辆折算系数的计算标准,原因是: (1在通行能力分析过程中,车头时距是最直观的交通流参数,可以从交通量数据采集仪直接获得,不会因计算产生累积误差,是能采集到的最准确的交通流参数;(2SV E的最终目的是在实际交通流与理想交通流的流量之间建立当量关系,利用车头间距来计算可以直接反映出各车型车辆对流量的影响;(3目前对交通流的认识并不透彻,各交通流参数之间的关系在理论和实际之间存在差距。如果选取其它交通流参数作为SV E计算标准,确定这些参数与流量之间的准确关系存在困难;(4非标准车型车辆在混合车流中运行,在驾驶自由度、司机感受、速度以及延误等各方面都对交通流造成了与

13、标准车不同的影响,但这些影响终归通过司机选择不同的跟驰距离,在车头间基于高速公路通行能力分析的车辆折算系数理论与算法高耀华等距上反映出来,可以说车头间距在一定程度上是各车型对交通流造成各方面影响的综合体现;(5利用交通量数据采集仪采集实地数据的内容有限,而采集车流密度等其他交通流参数不仅会影响参数精度,还需要耗费大量的人力、物力。以车头间距作为SV E的计算标准,其实是考虑不同的车型在相同的交通流状态下,所有非标准车占有车流空间与标准车占有车流空间的比值。312基于车头时距的SV E计算式车头间距的描述方法包括时间描述(车头时距和空间描述(动态净空。考虑到车头时距采集更准确、计算更简便,在这里

14、我们利用前者计算SV E值,其计算表达式如式(1。SV E ij=H ij/H Sj(1其中,SV E ij在交通流j状态下,车型i的车辆折算系数;H ij在交通流j状态下,车型i的车头时距;H Sj在交通流j状态下,标准车的车头时距。313SV E的支持数据虽然计算得到的车辆折算系数在所有交通流状态中都是有效的,但是在计算车辆折算系数的过程中却不是任何状态下的数据都是适合的。由于车辆折算系数研究的是不同车型的车辆对交通流流量造成的不同影响,所以在计算SV E的过程中,参与计算的数据必须是存在于各车型对交通流流量造成影响的车流状态之中。参照1994年HC M中高速公路B、C、D、E 级服务水平

15、的规定,以及实际数据中15%车速和85%车速,本文将用于计算SV E的交通流状态参数的范围定为:车流速度4080km/h,混合车流密度大于7辆/km/车道,混合车流率在6002000辆/h/车道。超出此范围,车辆或自由行驶,车辆间的相互影响太小;或不能稳定运行,不能形成稳定流。所以不能把超出范围的数据作为SV E的计算数据。在具体计算中,如何确定用于计算SV E的单个车辆的车头时距范围呢?在保证样本的总体特性的前提下,为了避免极少数车辆的大车头时距值影响样本均值,我们选取了SV E支持数据范围内最小车流率的85%为车头时距作为统计车头时距的上限。当车流率在600辆/h/车道时,车头时距的均值大

16、约为6s,其85%位车头时距为8s2。所以,将8s作为计算SV E单个车辆的车头时距的上限。另外,由于不定型车辆仅占车辆总数的214%,且多数是交通量采集仪得到的错误数据,所以在计算SV E时,不讨论此类车辆。314计算SV E按单车的速度代表车流速度,划分统计区间,统计不同车流速度下,不同车型的车头时距均值,按式(1计算SV E值,结果见表1。可以看到:车流速度在4080km/h之间变化时,各车型的车头时距在2 4s之间变化,即交通流状态都处在各车型车辆影响交通流流量的的范围之内。随车流速度的变化,微型车SV E值在1105左右摆动,但幅度较小;大中型车SV E值在1130左右摆动,幅度略大

17、于微型车。车头时距的统计结果表1速度区间(km/h车头时距(s微型车小客车大中型车SVE值通过图1中拟合的SV E二次多项式曲线可以发图1不同速度区间内各车型的SVE值序列现:随车流速度的变化,SV E值的变化呈抛物线。当车流速度是40km/h和80km/h,即车流处于自由流状态和拥挤状态时,SV E值最小,即各车型对交通流流量影响的差别小;而当速度为5060km/h,即车流处于中间流量状态时,SV E值最大,即各车型对交通流流量影响的差别最大。现实交通流中,当车流量较少时,车辆自由行驶,相互影响小;车流量较大时,车辆相互跟驰,无法超车,各车型对交通流量的影响仅因车辆轴距的差别造成;当车流处于

18、中间流量状态时,车辆由于频繁的加速、减速、换车道,使车辆间相互影响增大。可见,计算结果与实际情况吻合。公路交通科技2000年第6期利用车头时距计算高速公路平直路段中的SV E,微型车为11001115,大中型车为11151140。其中,微型车SV E在110附近变化,二次拟合曲线的曲率也很小,与小客车几乎没有差别,建议在使用中采用110;随车流速度变化,大中型车SV E的数值变化较微型车大,但其数值也仅有0125的波动,建议在实际应用中采用1130。该数值较1994年版HC M中高速公路一般路段的货车PCE值1153小,这是因为我国高速公路中大中型车种类较多、比例较高,频繁出现的各种大中型车削

19、弱了该车型对交通流流量的影响。316对其它车辆折算系数算法的思考回顾以往提出的PCE算法,不论是基于速度的PCE算法4,5,还是Huber算法6、等延误算法7、Walker算法8,都各自强调交通流受到非标准车影响的一个方面,如速度、司机的心理、行驶延误或超车自由度,虽然这些方面也都同交通流量有关系,但这些算法在实际应用中存在以下缺点:11这些参数都不能直接反映出非标准车对交通流流量的影响,交通流的速度与流量的关系在理论和实际之间存在差距,认识并不透彻,而司机心理、行驶延误和超车自由度与流量的关系则更不清楚。所以,以速度、司机心理、行驶延误、超车自由度为基础得到的PCE,并不是通行能力研究中希望

20、得到的混合交通流与理想交通流之间的当量值,而仅只是讨论了非标准车在速度、司机心理、行驶延误、超车自由度等方面对交通流影响与标准车造成影响的差别。21基于速度、司机心理、行驶延误和超车自由度的PCE算法,对数据的要求苛刻。比如,Huber公式中,需要100%小汽车情况下的车流率;等延误算法中,需要得到标准小汽车由于车队中慢速小汽车而产生的行程时间延误;Walker算法中,需要每英里每小时中超过卡车的小汽车数量。采集这些数据需要耗费大量的人力物力。31基于速度的PCE算法4对数据很敏感,在各车型流量与自由流速度的多元回归过程中,回归系数经常出现正值。采用这样对数据敏感的算法,事倍功半。4结论综上所

21、述,可以得到如下结论:11车辆折算系数是在特定的道路等级、坡度、坡长以及交通组成条件下,所有非标准车相当于标准车对交通流流量影响的当量值。21车辆折算系数算法中,以车头间距作为计算标准的S VE算法,较其他算法更准确、更简便。具体计算过程中,应该对8s以内的车头时距进行统计,这样既能保证样本的特征,又能避免极少数车辆的大车头时距对样本均值的影响。31随车流速度的变化,各车型SV E的变化趋势呈二次抛物线。当车流速度在5060km/h之间时, SV E值最大。也就是说,在这个速度区间内,车辆之间相互影响最大。41实际应用中,在高速公路平直路段,通常的交通组成条件下,微型车的SV E宜采用110,而大中型车SV E则采用1130。而高速公路中特定坡度、坡长和交通组成条件下的SV E值,以及其他道路等级中各种SV E值都有待进一步采集数据后获得。参考文献:1S pecial Report87:Highway Capacity M anual1W ashington D C:TRB,National Research C ouncil,1965:2512Adolf D M ay1T raffic