山区双车道公路通行能力分析.doc

山区双车道公路通行能力研究
报告简本
0引言
随着国家西部大开发政策的深入执行，西部地区的公路建设进入蓬勃发展时期，与此同时，决定公路建设规模和建设标准的公路通行能力研究就显得异常迫切和关键。为此，国家专门设立了西部交通建设科技项目“山区双车道公路通行能力研究”，来深入持久地研究西部山区公路道路和交通特性。该项目由交通部公路科学研究院承担，并联合北京工业大学、云南省公路规划勘查设计院、贵州省交通规划勘察设计研究院、山西省公路局等单位共同公关。在各级领导的支持下，在项目承担与参加单位的共同努力下，经过近两年的研究圆满完成了合同规定的各项研究任务，达到了预期的研究目标。
1 项目背景
截至2003年底，西部地区公路通车里程将近74万公里，其中，双车道公路占总里程的70%以上。巨大的建设规模和巨大的资金投入，要求各级决策和设计部门在建设项目的决策和设计过程中，要依据国民经济和交通量的发展需求和公路的通行能力适应状况等多方面因素来确定。山区公路超规模建设的严重后果，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。
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。交通部于2003年颁布的“公路工程技术标准（JTG B01-2003）”和即将颁布的“公路路线设计规范（JTG B20-xx）”由于缺少专项的研究支持，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。因此该项目的研究也是完善标准规范相关内容的需要。
2 主要研究内容
在分析国内外关于双车道公路通行能力研究的基础上，结合我国山区双车道公路的实际情况，研究内容主要包括以下内容：
Ø 山区双车道公路交通运行特性研究
Ø 山区双车道公路服务水平研究
Ø 各种车型的当量换算方法研究
Ø 山区双车道公路微观仿真模型研究
Ø 山区双车道公路通行能力及影响因素研究
Ø 编制双车道公路通行能力分析指南
3 研究思路、关键技术与技术路线
本课题研究的思路：利用先进的数据采集设备，采集大量的实测数据，分析山区双车道公路路段通行能力及其影响因素；针对我国山区双车道公路的道路、交通特性，开发微观双车道公路交通仿真模型。结合计算机模拟试验和实际采集的数据，运用数理统计方法，确定山区双车道公路服务水平指标体系；以理论分析为指导，建立通行能力理论分析模型，揭示通行能力状态下交通流的内在机理。

图1 研究思路和技术路线

下面是野外试验观测的部分现场图片。

线形检测车和数据采集软件界面

断面法检测区间自由流速度

标定仿真模型参数P值的实验调查图和弯道视距测量

交通流数据采集仪设备（NC-97和Metro count）的铺设
4 关键技术和技术创新
本项目的关键技术和技术创新点如下：
（1） 自主开发了适合我国国情的双车道公路交通仿真软件，为全面、系统地开展山区双车道公路通行能力研究搭建了可靠的分析平台，还为将来研究双车道公路交通问题创造了条件。
（2） 选取加速度干扰和超车率指标作为服务水平的分级指标，根据交通流内在的变化规律提出了服务水平的量化分级方法，突破了传统主观经验分级方法的局限，提高了双车道公路服务水平分级的客观性和科学性。
（3） 针对山区双车道公路道路、交通特点，在考虑其安全水平和服务水平的条件下，量化了爬坡车道和超车道的设置条件，提供了爬坡车道和超车道的运行分析方法，填补了该领域国内研究的空白。
（4） 在分析双车道公路交通流特性的基础上，运用车辆跟驰理论，提出了基于可变减速时间的通行能力计算方法和基于车辆行驶占用动态空间的车辆折算系数分析方法，为确定双车道公路通行能力和分析其影响因素提供了科学依据。
（5） 项目组对山区双车道公路通行能力及影响因素进行了全面的分析，量化了平、纵线形指标对通行能力的影响，提出了操作性较强的分析方法，补充完善了相关标准、规范。
5 主要研究成果
在历时两年的研究中，山区双车道公路通行能力研究不仅注重通行能力的理论研究，而且非常重视最新研究成果与工程实践的衔接，在将研究成果转化成指导工程实践的可操作程序的环节中做了大量深入、细致的工作。整个项目研究取得如下主要成果：
（1） 明确了双车道公路的地形分类及道路、交通特点
根据道路平纵线形的不同，提出了“梯度”和“曲率”的地形分类参数，将双车道公路的地形分为三类，如表1所示。
表1 推荐的地形分类标准
地形分类
平均曲率（rad/km）
梯度(m/km)
平原
<1.0
<10
微丘
≤2.5
<30
山区
＞2.5
30~60
陡坡路段

＞60
（2） 构建了基于双车道公路交通流特征的车辆折算系数模型
本研究综合考虑了车辆纵向的运行特性——车头时距的关系和车辆横向的运行特性——车辆行驶过程中所占用道路宽度，提出了适用于交通仿真试验分析的山区双车道公路车辆折算系数算法。

式中， Hi—i型车的车头时距
Hp—小客车的车头时距
P—交通组成中i型车的比例
Wi—i型车行驶所占的道路宽度
Wp—小客车行驶中所占的道路宽度
通过对不同的交通条件和道路条件下，实测数据和仿真数据的分析结果，得到了各典型地区双车道公路各车型的车辆折算系数，见表2。
表2 各地形条形下车辆折算系数推荐值
折算系数
车辆类型
小客车
微型车
中型车
大型车
拖拉机
平原地区
1.0
1.2
1.8
2.0
4.0
丘陵地区
1.0
1.4
2.2
3.0
5.0
山岭地区
1.0
2.0
4.0
6.0

（3） 提出基于速度和外廓尺寸双因素聚类分析的车型分类标准
课题研究中采用了车辆运行特性和车辆外廓尺寸作为双车道公路车辆分类标准，提出了基于车辆自由流速度和车辆外廓尺寸双因素聚类分析的车辆分类方法，见表3。
表3 双车道公路的车型分类
车型
编号
代表
车型
轴数与
轴距
85%自由流车速（km/h）
对 应 车 型
1
微型车
≤2.2 m
65
发动机排量在1升以下的微型面包车和微型小轿车
2
小客车
2.2～2.95m
82
小轿车、小于1.5吨的轻型客货车及12座以下面包车
3
中型车
³ 2.95m
71
载重量在1.5吨～10吨的中型货车、半挂货车和大于12座的大中型客车
4
大型车
³ 3轴
41
载重量>10吨的重型货车、全拖挂车与集装箱等特大型货车与大于50座的大客车
新的划分类型具有以下特点：
u 不同车型之间的运行特性差异明显；
u 同种车型的运行特性稳定；
u 交通组成稳定，且各车型具有相当数量的样本量；
（4） 自主开发了山区双车道公路交通仿真软件
采用计算机仿真的方法，利用Visual C++6.0开发了基于WINDOWS环境的双车道公路交通仿真模型。仿真模型主要分为道路模块、交通条件模块、人-车单元模块、仿真模块以及结果模块。

图3 仿真软件欢迎界面

图2 仿真软件的动画演示界面
（5） 建立了山区双车道公路自由流速度分析方法
车辆自由流速度受各种因素影响，包括路侧冲突、道路线形、路面宽度等，本研究通过实测和仿真结合的手段量化了各影响因素，建立了自由流速度分析体系。
Ø 地形条件对自由流速度的修正
地形条件对自由流速度的修正，通过自由流速度与曲率、
梯度和视距之间的关系模型来确定。

其中， B—路段平均曲率，rad/km
H—路段的平均梯度，m/km
Dis——视距不良路段比例（%）
Ø 横断面尺寸对自由流速度的修正
横断面尺寸包括路面宽度和路侧净空两部分。
表4 横断面尺寸对自由流速度的修正（km/h）
路面宽度(m)
路侧净空值(m)
≤0.5
0.5 <1.0
1.0 <1.5
≥1.5
6
25
23
20
17
7
22
19
16
14
8
18
15
12
10
9
15
12
9
7
≥10.5
8
5
2
0
Ø 路侧冲突对自由流速度的修正
路侧冲突因素包括路侧停车、出入口车辆、摩托车、行人和慢行车辆等。
表5 路侧冲突对自由流速度的修正值（km/h）
冲突强度等级
两侧用地性质
路肩宽度与路侧冲突修正
有效路基宽度＞0.75m
有效路基宽度<0.75m
1
两侧为农田或山体峡谷等
0
0
2
有稀落的农舍，少量行人出入
-2
-4
3
有少量行人、车辆出入，有加油站、小店铺等
-5
-7
4
小型居民区，穿过小镇
-9
-12
5
大型居民区，商业中心，农贸市场
-14
-17
（6） 量化了山区双车道公路通行能力及线形影响因素
根据实测数据，确定了基准条件下交通流模型：

图4 速度-流量和跟车率-流量关系图
根据地形条件与通行能力的关系，确定了不同等级双车道公路在不利线形组合条件下的通行能力值。
表6 不同设计速度山区双车道公路的通行能力值
设计速度(km/h)
80
60
40
30
20
最大纵坡（%）
5
6
7
8
9
极限最小半径(m)
250
125
60
30
15
实际通行能力值（pcu/h）
2200
1700
1200
800
600
（7） 提出了双车道公路服务水平评价指标
表 7 双车道公路服务水平分级表
服务水平等级
超车率(%)
加速度干扰
（m/s2）
对应的V/ C
一
≥16
≥0.45
0.20
二
＜16
≥6
＜0.45
≥0.35
0.40
三
＜6
≥2
＜0.35
≥0.25
0.70
四
＜2
＜0.25
>0.70
本课题用超车率和加速度干扰作为服务水平量化分级的依据，同时，结合在不同流量区间内对驾驶员驾驶状态的问卷调查，最终全面建立了双车道公路的服务水平分级标准，如表7所示。
根据双车道公路功能不同，给出了不同的服务水平分级表，见表8和表9。
表8 干线双车道公路服务水平分级表
服务水平等级
跟车率
(%)
设计速 度(km/h)
V/ C
80
60
一
≤ 35
≥ 76
≥67
0.2
二
≤ 55
≥ 70
≥60
0.40
三
≤ 75
≥ 60
≥50
0.70
四
≥ 90
＜ 90
≥ 50
＜ 50
≥ 40
＜ 40
1.00

表9 非干线双车道公路服务水平分级表
服务水平等级
跟车率(%)
一
≤ 40
二
≤ 60
三
≤ 80
四
≤ 95
＞95
（8） 明确了连续上坡路段爬坡车道与超车车道的设计标准
爬坡车道：
根据不同纵坡路段、不同载重车比重条件下上坡方向流量-跟车率之间的关系，确定了设置爬坡车道的基本条件如下：
Ø 交通流中重型车比例大于20%（含）以上；
Ø 交通流量在500veh/h以上；
Ø 纵坡坡度大于4%，坡长500m（含）以上。
推荐了爬坡车道的设置对服务水平的影响系数。
表10 爬坡车道对平均速度和跟车率指标的修正系数
单向流量(pcu/h)
修正系数
平均速度
跟车率
0~300
1.02
0.34
300~600
1.06
0.41
＞600
1.14
0.50
超车车道：
根据不同超车道间距和长度组合条件下交通流运行效率的变化规律，推荐了合理的超车道长度、间距设置标准以及估算超车道设置后对服务水平的调整和影响。
表11 超车道长度和间距的推荐值
交通量（辆/h）
推荐的超车道长度（km）
推荐的超车道间距（km）
400
0.8~1.2
10~12
600
1.2~2.0
8~9
800
2.0~2.4
5~7
1000
2.4~2.8
4~6
1200
2.8~3.2
4~5
表12 超车道对平均速度和跟车率的修正系数
单向流量
（pcu/h）
修正系数
平均速度
跟车率
0~300
1.05
0.63
300~600
1.09
0.70
＞600
1.12
0.75
（9） 编制了山区双车道公路通行能力指南
《山区双车道公路通行能力指南》是“山区双车道公路通行能力”专题研究的一个核心组成部分，是研究成果的汇总和体现。该指南详细介绍了双车道公路设施在不同阶段的通行能力和服务水平分析的方法，为双车道公路通行能力提供了一整套分析程序。
6 项目承担单位、参与单位及其合作情况
交通部公路科学研究院、北京工业大学交通工程研究所、云南省公路规划勘察设计院、贵州省交通规划勘察设计研究院和山西省公路局成立产、学、研一体的联合课题组，共同承担这一课题。
各单位本着“明确分工、团结协作、及时督导、分步实施”的组织管理原则，发扬团队精神，集中集体的智慧，按计划完成各阶段的工作目标，并及时对各阶段计划的执行和完成情况进行检查督导，共同解决研究中的技术难题。
7 项目预期效益
公路通行能力作为公路规划、设计与管理的基本依据被广泛应用于我国公路工程建设的各部门。适合我国国情的公路通行能力研究成果的推广应用，必能为我国的公路建设事业带来巨大的经济效益与社会效益。这主要体现在以下几个方面：
节省公路建设资金
双车道公路是总量最多，涉及范围最广的公路，如果在公路建设的标准、规模或者是总体方案上决策失误，将产生巨大的经济损失。因此，山区公路通行能力分析系统将在目前西部大规模公路建设中发挥巨大作用，为国家利用好巨额的公路建设资金提供科学的决策依据。
提高公路运输效率
由于我国目前没有合适的山区双车道公路通行能力标准，往往会造成公路规划、管理部门的决策失误，影响公路运输效率。通过制订合适的通行能力标准能避免这种损失。
完善国家标准、规范体系
针对山区双车道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。通过对我国西部山区双车道公路实际交通运行特征展开研究，制定出一套适合我国西部山区特点的山区双车道公路通行能力的分析方法和指标体系，可以补充和完善《公路通行能力手册》、“公路工程技术标准”和“路线设计规范”的相关章节内容，有利于提高标准、规范的适用性和权威性。
8 存在问题与措施建议
本项目在借鉴国外道路通行能力与服务水平研究方法与研究成果的基础上，总结了我国道路通行能力研究的进展，首次全面地针对山区双车道公路多车型混杂度高、交通流中车型动力性能差异悬殊的特点，分析了山区公路的道路与交通流特性，开发了双车道公路交通流计算机仿真软件；确定了道路设施的通行能力和服务水平标准；完善了国内第一本“山区双车道公路通行能力指南”。这些系统的、科学的成果对完善我国公路的规划设计标准，提高公路建设决策科学性具有重要的理论意义和实用价值，对其它发展中国家道路通行能力研究和道路规划、建设也具有重要的参考意义和指导作用。
需要指出的是：本项目在国内属于开拓性研究，从研究内容的系统性、完整性来看，还需要继续深入。特别是对我国公路交通流中人的交通特性研究尚处于起步阶段，大型车在交通流中的特性和对通行能力的影响仍需要进一步推敲，影响通行能力的更多、更复杂的规律还有待于进一步在本项目的推广中加以充实和完善。
通行能力研究是一项长期的、动态的工作，伴随着交通工具的更新、交通设施的发展以及ITS等新技术的应用，道路通行能力领域研究需要继续不断地进行探索，以满足道路交通发展的新需求，在这个过程中，计算机仿真技术将扮演更重要的角色。总之，道路通行能力是个博大精深的课题，需要动员、组织众多人力长时间持续投入研究，提倡合作精神，持之以恒，日臻完善。

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