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交通与计算机 2005年第6期 第23卷(总第127期)
对城市道路通行能力定义方法的探讨
邵敏华 邵显智 孙立军
1
2
1
(同济大学1 上海200092) (中国民航机场建设总公司2 北京100101)
摘 要 从理论研究和应用研究两个角度,对已有的道路通行能力的定义方法进行综述。对已有定义方法中的两个基本假设进行分析,结果表明:“瓶颈”断面受多种因素影响,不一定出现在交叉口断面;采用“瓶颈”断面表征城市道路的通行能力不具代表性,在一定的条件下甚至会高估道路的通行能力。采用道路上某一断面的通行能力作为整条道路通行能力的思想方法不适用于城市道路通行能力研究。
关键词 城市道路;断面通行能力;定义方法
中图分类号:U491 文献标识码:A
Abstract:Firstly,abriefreviewofcitystreetcapacitydefinitionsisgiven.Byanalyzingthetwohypothesesofthesedefinitions,theauthorshavefoundoutthatbottlenecksectionisaffectedbymanykindsofdisturbancesanddoesnotnecessarilyappearatintersectionapproachsection,andthatthecapacityofthebottlenecksectiondoesnotrepresentthestreetcapacity,whichcanbeoverestimatedinsomecases.Theauthorsconcludethatthecapacityofasectiondoescanbeusedasthecapacityofcitystreet,evenwhenitisthebottlenecksection.
Keywords:citystreet;sectioncapacity;methodofdefinition
0 引 言
道路的通行能力是指在一定的道路交通条件下,单位时间内某一车道或道路某一断面能通过的最大车辆数。通行能力是进行公路和城市道路交通理论研究的基础参数之一,也是道路规划、设计、运行分析以及控制管理过程中不可或缺的重要参数。
1)道路通行能力理论研究。关于道路通行能力的理论研究最早可以追溯到20世纪20年代中期,当时交通研究人员基于对行车安全性考虑,用了近20年(1924～1941年)对公路通行能力进行了研究,《美国通行能力手册》(highwaycapa-citymanual,HCM)对这些研究进行了总结,认为几乎所有这些研究都是基于式(1)进行的
Clane=27850u/Sp
km/h;Sp为行驶车辆的平均车头间距,m。
Sp=au+bu+c
式中:a,b,c为常数。
此后,伴随着交通流理论的发展,关于道路通
2
[1,2]
行能力的研究大都围绕着流量、速度和密度3大交通流基本参数的关系进行。首先建立速度和密度的基本关系模型,再根据q=uk(式中:q为流量;u为速度;k为密度)这一基本关系将其转换成速度和流量的关系模型,从而找到流量的最大值作为其通行能力。
第1个交通流模型是由Greenshields在1934年提出的,即速度-密度线性模型
u=uf(1-k/kj)
式中:uf为自由流车速;kj为堵塞密度。
May(1991)对1950～1970年间的最为重要的模型进行了总结。
Greenberg(1959):u=umln(k/kj) Underwood(1961):u=ufexp(-k/km) Drake(Northwestern)(1965):
(1)
u=ufexp[-0.5(k/km)2]
(6)
式中:um为最大交通流对应速度;km为最大交通流对应密度。此间和其后,为了更好地反映拥挤和畅通交通条件下模型的适应性,Edie(1961),Underwood,Dick(1966)等人先后建立了速度-密度的分段模型。所有单段和分段的交通流模型均是基于交通实测数据拟合的经验模型。
(4)(5)(3)
。
式中:Clane为单车道通行能力,veh/h;u为车速,
(2)
对城市道路通行能力定义方法的探讨——邵敏华 邵显智 孙立军
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为交通流模型的发展开辟了一条新路,即基于驾驶员行为的交通流模型建立方法。Grazis等人于1959年在OperationResearch上讨论了跟车和交通流模型的关系。随后的研究表明,跟车模型通过改变参数值可以实现上述多个交通流模型的统一,从驾驶员行为的角度对交通流模型进行了解释。
2)道路通行能力实测研究。上述交通流模型为道路断面通行能力的实测研究提供了理论基础。实际上,几乎所有的道路通行能力研究都将公路和城市道路截然分开,以期能够反映公路连续流和城市道路间断流之间的区别所在。而对已有研究的总结却表明两者所采用的研究思路完全相同,都是基于上述交通流模型,选用某一代表道路断面的通行能力作为整条道路的通行能力,所不同的仅是由于各自影响因素不同所导致的代表断面的选择不同。对于公路,可采用路段断面的通行能力作为整条道路的通行能力;而对于城市道路,通常认为,信号控制交叉口是道路的“瓶颈”所在,因此可以用交叉口进口车道断面通行能力作为城市道路的通行能力。
通行能力的测量方法通常有两种:即折减系数法和实测法。折减系数法以美国通行能力手册和日本道路公团的设计规范为代表,对于公路和城市道路均适用。实测法可大致分为速度-密度模型实测法和车头间距实测法两种:前一方法多用于公路断面通行能力的测定;后者则多用于实测城市道路交叉口的通行能力,具体又分为停车线法和冲突点法2种。
“瓶颈”断面的判断十分困难。
这一点在HCM中也有提及[2]:在某些情况下,中间路段有特殊阻塞,从而也限制了道路的通行能力。即使不存在特殊阻塞,交叉口的过度密集也会造成“瓶颈”断面出现在路段,这要从路段断面通行能力降低的机理进行分析。
对一条下游设有“瓶颈”断面的城市道路采用Vissim进行交通仿真,仿真的道路交通参数设置如下。
1)路段长1000m,单向2车道,下游“瓶颈”断面为单车道。
2)取100m为分析路段单元长度,仿真得到该段行程车速和流量的平均值。
3)取15min作为分析期。
采用Greenshields模型回归得到各路段单元的通行能力和自由流车速,如图1所示。
图1 “瓶颈”断面对路段通行能力和自由流车速影响图
从图1可以看到,通行能力和自由流车速的变化趋势基本一致,均随断面与“瓶颈”断面之间距离的减小而减小,两条曲线基本重叠。这种现象可解释为随着“瓶颈”断面的临近,人的期望车速随之降低,而通行能力由于自由流车速的降低而降低。在此过程中,各断面的阻塞密度基本维持不变。这也表明,断面自由流车速是决定断面通行能力的关键因素,各种干扰因素正是通过这一参数影响断面通行能力,进而形成交通拥挤现象的。
采用这一原理对城市道路单元(交叉口和与其相连接的上游路段的组合,参见图3)通行能力进行分析,交叉口的存在与其它路段干扰一样将带来驾驶员期望车速的降低,从而影响路段各断面的通行能力,如图2所示。(需要说明的是,因笔者只是对概念和方法的一般性探讨,图2及后续示意图的变量未给出单位,但在实际问题中,应当采用合理的单位,并进行相应变换。) 图2中,交叉口无拓宽,Sr为不考虑交叉口和干扰时路段的通行能力,veh/h;L0为交叉口位121 已有研究的基本假设
采用交叉口断面通行能力作为城市道路通行
能力的方法,实际上蕴含着以下3点假设。
1)交通流-密-速模型是确定城市道路通行能力的理论基础。
2)信号灯交叉口是城市道路的交通“瓶颈”所在。
3)“瓶颈”断面的通行能力可以代表城市道路的通行能力。
交通流-密-速模型是交通工程学的理论根基所在,假设1无可厚非,假设2和假设3却值得商榷。
2 对假设2的分析
2
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地块开口、路边停车、公交车站等)所在位置;
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摘 要 从理论研究和应用研究两个角度,对已有的道路通行能力的定义方法进行综述。对已有定义方法中的两个基本假设进行分析,结果表明:“瓶颈”断面受多种因素影响,不一定出现在交叉口断面;采用“瓶颈”断面表征城市道路的通行能力不具代表性,在一定的条件下甚至会高估道路的通行能力。采用道路上某一断面的通行能力作为整条道路通行能力的思想方法不适用于城市道路通行能力研究。
关键词 城市道路;断面通行能力;定义方法
中图分类号:U491 文献标识码:A
Abstract:Firstly,abriefreviewofcitystreetcapacitydefinitionsisgiven.Byanalyzingthetwohypothesesofthesedefinitions,theauthorshavefoundoutthatbottlenecksectionisaffectedbymanykindsofdisturbancesanddoesnotnecessarilyappearatintersectionapproachsection,andthatthecapacityofthebottlenecksectiondoesnotrepresentthestreetcapacity,whichcanbeoverestimatedinsomecases.Theauthorsconcludethatthecapacityofasectiondoescanbeusedasthecapacityofcitystreet,evenwhenitisthebottlenecksection.
Keywords:citystreet;sectioncapacity;methodofdefinition
0 引 言
道路的通行能力是指在一定的道路交通条件下,单位时间内某一车道或道路某一断面能通过的最大车辆数。通行能力是进行公路和城市道路交通理论研究的基础参数之一,也是道路规划、设计、运行分析以及控制管理过程中不可或缺的重要参数。
1)道路通行能力理论研究。关于道路通行能力的理论研究最早可以追溯到20世纪20年代中期,当时交通研究人员基于对行车安全性考虑,用了近20年(1924～1941年)对公路通行能力进行了研究,《美国通行能力手册》(highwaycapa-citymanual,HCM)对这些研究进行了总结,认为几乎所有这些研究都是基于式(1)进行的
Clane=27850u/Sp
km/h;Sp为行驶车辆的平均车头间距,m。
Sp=au+bu+c
式中:a,b,c为常数。
此后,伴随着交通流理论的发展,关于道路通
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[1,2]
行能力的研究大都围绕着流量、速度和密度3大交通流基本参数的关系进行。首先建立速度和密度的基本关系模型,再根据q=uk(式中:q为流量;u为速度;k为密度)这一基本关系将其转换成速度和流量的关系模型,从而找到流量的最大值作为其通行能力。
第1个交通流模型是由Greenshields在1934年提出的,即速度-密度线性模型
u=uf(1-k/kj)
式中:uf为自由流车速;kj为堵塞密度。
May(1991)对1950～1970年间的最为重要的模型进行了总结。
Greenberg(1959):u=umln(k/kj) Underwood(1961):u=ufexp(-k/km) Drake(Northwestern)(1965):
(1)
u=ufexp[-0.5(k/km)2]
(6)
式中:um为最大交通流对应速度;km为最大交通流对应密度。此间和其后,为了更好地反映拥挤和畅通交通条件下模型的适应性,Edie(1961),Underwood,Dick(1966)等人先后建立了速度-密度的分段模型。所有单段和分段的交通流模型均是基于交通实测数据拟合的经验模型。
(4)(5)(3)
。
式中:Clane为单车道通行能力,veh/h;u为车速,
(2)
对城市道路通行能力定义方法的探讨——邵敏华 邵显智 孙立军
69
为交通流模型的发展开辟了一条新路,即基于驾驶员行为的交通流模型建立方法。Grazis等人于1959年在OperationResearch上讨论了跟车和交通流模型的关系。随后的研究表明,跟车模型通过改变参数值可以实现上述多个交通流模型的统一,从驾驶员行为的角度对交通流模型进行了解释。
2)道路通行能力实测研究。上述交通流模型为道路断面通行能力的实测研究提供了理论基础。实际上,几乎所有的道路通行能力研究都将公路和城市道路截然分开,以期能够反映公路连续流和城市道路间断流之间的区别所在。而对已有研究的总结却表明两者所采用的研究思路完全相同,都是基于上述交通流模型,选用某一代表道路断面的通行能力作为整条道路的通行能力,所不同的仅是由于各自影响因素不同所导致的代表断面的选择不同。对于公路,可采用路段断面的通行能力作为整条道路的通行能力;而对于城市道路,通常认为,信号控制交叉口是道路的“瓶颈”所在,因此可以用交叉口进口车道断面通行能力作为城市道路的通行能力。
通行能力的测量方法通常有两种:即折减系数法和实测法。折减系数法以美国通行能力手册和日本道路公团的设计规范为代表,对于公路和城市道路均适用。实测法可大致分为速度-密度模型实测法和车头间距实测法两种:前一方法多用于公路断面通行能力的测定;后者则多用于实测城市道路交叉口的通行能力,具体又分为停车线法和冲突点法2种。
“瓶颈”断面的判断十分困难。
这一点在HCM中也有提及[2]:在某些情况下,中间路段有特殊阻塞,从而也限制了道路的通行能力。即使不存在特殊阻塞,交叉口的过度密集也会造成“瓶颈”断面出现在路段,这要从路段断面通行能力降低的机理进行分析。
对一条下游设有“瓶颈”断面的城市道路采用Vissim进行交通仿真,仿真的道路交通参数设置如下。
1)路段长1000m,单向2车道,下游“瓶颈”断面为单车道。
2)取100m为分析路段单元长度,仿真得到该段行程车速和流量的平均值。
3)取15min作为分析期。
采用Greenshields模型回归得到各路段单元的通行能力和自由流车速,如图1所示。
图1 “瓶颈”断面对路段通行能力和自由流车速影响图
从图1可以看到,通行能力和自由流车速的变化趋势基本一致,均随断面与“瓶颈”断面之间距离的减小而减小,两条曲线基本重叠。这种现象可解释为随着“瓶颈”断面的临近,人的期望车速随之降低,而通行能力由于自由流车速的降低而降低。在此过程中,各断面的阻塞密度基本维持不变。这也表明,断面自由流车速是决定断面通行能力的关键因素,各种干扰因素正是通过这一参数影响断面通行能力,进而形成交通拥挤现象的。
采用这一原理对城市道路单元(交叉口和与其相连接的上游路段的组合,参见图3)通行能力进行分析,交叉口的存在与其它路段干扰一样将带来驾驶员期望车速的降低,从而影响路段各断面的通行能力,如图2所示。(需要说明的是,因笔者只是对概念和方法的一般性探讨,图2及后续示意图的变量未给出单位,但在实际问题中,应当采用合理的单位,并进行相应变换。) 图2中,交叉口无拓宽,Sr为不考虑交叉口和干扰时路段的通行能力,veh/h;L0为交叉口位121 已有研究的基本假设
采用交叉口断面通行能力作为城市道路通行
能力的方法,实际上蕴含着以下3点假设。
1)交通流-密-速模型是确定城市道路通行能力的理论基础。
2)信号灯交叉口是城市道路的交通“瓶颈”所在。
3)“瓶颈”断面的通行能力可以代表城市道路的通行能力。
交通流-密-速模型是交通工程学的理论根基所在,假设1无可厚非,假设2和假设3却值得商榷。
2 对假设2的分析
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交通与计算机 2005年第6期 第23卷(总第127期)
地块开口、路边停车、公交车站等)所在位置;