公路通行能力手册22

本手册中提供的四级服务水平与美国HCM的六级服务水平相比，一级相当于A级，二级相当于B级、三级相当于C级和D级，四级相当于E、F两级。

以上定义主要是针对连续流的概念性描述。

对于间断流交通设施的服务水平，按照使用者对服务质量的感受和服务水平运行质量评价指标这样两个条件去衡量，因交通设施不同而有很大的差别，这里不再一一论述，而在相应章节进行具体详细的描述。

由于各种交通设施中能够敏感地反映交通运行状况和质量的指标不尽相同，以及有效资料不足，故不能同时用上述诸因素来量度服务水平和划分服务水平等级。

因此，手册根据指标对交通运行状况和运行质量的敏感程度，选择了能反映交通设施运行质量的参数作为衡量该交通设施服务水平的评价指标。

表1-3列出了用于确定各种设施服务水平的评价指标。

表1-3 确定服务水平的效率指标1.3 交通流特性1.3.1 交通流关键参数表征交通流特性的关键参数有：速度、交通量和车流密度。

（1） 速度用单位时间通过的距离表示，通常为km/h 。

在表示交通流的速度特性时，因为在交通流中观察到的速度分布通常比较离散，所以一般采用速度的统计特征值来表示。

本手册所用的速度标准是平均行程速度（average travel speed ），这是因为在计算该值的过程中，很容易观测交通流中单个车辆的行程速度，并且在统计学上，该速度值最适合用来讨论与其他变量之间相互关系。

计算平均行程速度系采取道路的一段长度L ，除以车辆通过该路段的平均行程时间。

因此，如果有n 辆车，通过路段的长度为L ，测得车辆的行程时间为：,...,,,21n t t t 则平均行程速度可按式（1-1）进行计算。

∑∑====n i in i i s t nL n tLV 11/ 式（1-1） 其中，s V ——平均行程速度，km/h ；L ——公路路段长度，km ；i t ——第i 辆车通过该路段的行程时间，h ；n ——观测行程时间的次数。

值得注意的是：1） 计算中使用的行程时间包括观测路段中由于设备中断或交通拥塞引起的停车延误，该时间是指通过观测路段的总的行程时间。

2） 注意平均行程速度与平均行驶速度（average running speed ）的区分。

平均行驶速度是距离除以通过此距离的平均行驶时间，平均行驶时间只包括车辆处于运动中的时间。

虽然对于在非阻塞条件下运行的连续流设施，平均行程速度和平均行驶速度是相等的，但是从概念上应该对二者有明确区分。

同时，二者都可以认为是区间平均速度，在统计意义上，都是计算一定区间内的平均速度。

3） 通行能力分析中，实测平均行程速度时，最好通过观测车辆驶过公路的时间来进行计算。

而区间长度的选取，对于稳定流范围内运行的连续流交通设施，所取长度应为100m 以上，便于观测；对于间断流交通设施，观测路段长度应该包括相关的交通中断点。

4） 利用雷达测速仪或其他设备可观测地点速度，地点速度的算术平均值就是时间平均速度。

时间平均速度通常比相应的区间平均速度大1~7km/h ，但随着速度的提高，两者之间的差异变小，即区间平均车速接近于时间平均车速。

时间平均速度通常不适于评价间断流交通设施，因为交通中断所损失的运行时间是评价间断流交通设施重要组成部分。

另一方面，通过计算地点速度的调和平均值，可以得到区间平均速度，也就是说可以通过地点车速计算区间速度。

在第二章中对时间平均速度和区间平均速度之间的关系将作进一步的讨论。

（2）交通量和流率交通量和流率都是描述规定时间间隔内，通过一条车道或道路某一断面的车辆数的度量值。

具体定义如下：交通量：在已知时间间隔内，通过一条车道或道路某一点或某断面的车辆总数。

可分为年交通量，日交通量，小时交通量或不足一小时时段的交通量，如15分钟交通量、5分钟交通量等。

流率：在给定不足1小时的时间间隔（通常为15分钟）内，通过一条车道或道路的指定断面的当量小时流率。

交通量与流率之间的区别很重要，交通量是在一段时间间隔内，通过一点的观测或预测的实际车辆数。

流率则表示按照不足一小时观测间隔的交通情况，通过一点的小时当量的车辆数，以不足1小时时段观测的车辆数，除以观测时间（单位为小时），即得到流率。

如果在15min内观测到的交通量为100辆，则小时流率为400辆/h。

以表1-4为例说明两种度量的差别。

在四个连续15min时段内观测了交通量，1小时的总交通量为各时段交通量之和即4300辆/h，然而流率在每个15min时段内都各不相同。

在流量最大的5:15~5:30时段内，流率是4800辆/h。

应注意，实际上并没有4800辆车真正通过观测点，而是说如果按照5:15~5:30的交通情况持续1小时，通过该观测点的交通量应该是4800辆。

可见，流率能更细致地反映交通量的波动情况，也更便于相互比较。

表1-4 交通量与小时流率之间的区别通行能力分析中，高峰时间的流率非常重要。

在上例中，如果公路路段的通行能力是4500辆/h ，那么在峰值15min 的流量时段内，当车辆以4800辆/h 的流率到达，交通就会出现阻塞。

可见，尽管整个小时的交通量小于通行能力，但是由于高峰时段的出现，却可能导致交通阻塞，而消散这种阻塞的过程将持续几个小时，使交通流状况不可能出现按照1小时进行分析而得出的情况。

因此，通行能力分析中通常采用高峰时间的流率，而并非1小时的交通量。

高峰流率与小时交通量之间通常使用高峰小时系数产生联系。

高峰小时系数定义为整个小时交通量与该小时内最大15分钟的流率之比，计算公式如式（1-2）所示。

该值是一个0~1之间的小数，越接近1，表示该时段内的交通量变化越平稳；而该值越小，说明该时段内的交通量变化越剧烈。

率该小时内的高峰小时流小时交通量=PHF 式（1-2） 如果采用15分钟时段计算高峰流率，PHF 按式（1-3）计算。

154Q Q PHF ⨯= 式（1-3） 其中，PHF ——高峰小时系数；Q ——小时的交通量，辆/h ；15Q ——在高峰小时内高峰15分钟期间的交通量，辆/15分钟。

（3） 密度密度的定义是指单位长度的车道或道路中的车辆数，单位为辆/km ，通常是指一定时间段内单位长度的车道或道路中车辆数的平均值。

密度是描述交通流运行状态的重要参数。

它可以直观地反映车辆之间相互接近的程度，反映驾驶员操作的自由度。

密度的观测方法通常有两种：1） 摄像法：选取制高点，对具有相当长度的一段公路进行高空摄像，可以获得密度观测值。

2）计算：通过平均行程速度s V 和流率Q 计算密度，如式（1-4）：K V Q s ⨯= 式（1-4）其中，Q ——流率，辆/h ；s V ——平均行程速度，km/h ；K ——密度，辆/km 。

例如，某公路路段的交通流率为1000辆/h ，平均行程速度50km/h ，则其密度为K =20辆/km 。

1.3.2 路段交通流特性式（1-4）描述了路段交通流三个参数之间的基本关系式。

尽管单从这个基本关系式来看，当流率确定时，理论上可能出现无穷多组速度和密度的组合。

但是，由于速度、密度和流率之间存在着内在联系，使这三者表现出图1-8所示的关系。

图1-8 速度、密度和流率关系图图1-8表现了连续流交通设施中速度、密度和流率的基本关系，这是连续流通行能力分析的理论基础。

应该注意的是，这些关系是一般形式，针对不同的交通设施，这些曲线的确切形状和数量取决于所研究的公路路段的道路、交通条件。

图1-8曲线上有几个交通流状态的关键点，说明如下：1）零流率值会在两种截然不同的条件下出现。

其一，当道路上没有车辆时，密度为零，流率也为零。

此刻的速度是纯理论的，是驾驶员完全自由选择速度情况下采取的速度，称为V。

其二，当交通发生阻塞时，此刻密度最大（也称阻塞密度，记为K），自由流速度，记为f车辆处于停止状态，速度为零，流率也是零。

2）在这两个极端情况之间，交通流的速度、密度和流率相互作用，导致交通流动态特性发生显著的变化。

理论上，当密度由零增加时，道路中行驶的车辆逐渐增多，流率也相应增加，此时，由于车辆之间的相互干扰，速度开始下降。

当密度持续增加到某一临界值时，交通流的速度会急剧下降。

直到密度增加和速度下降导致流率开始减少，这时流率达到最大值，也就是理论上的通行能力值。

尽管理论如此，但在实测过程中，当密度和流率较小时，同向交通流之间的相互影响较小，速度的下降可以忽略不计。

在美国HCM2000中这种关系存在于相当大的一个流量范围内（高速公路基本路段中可达到1300辆小客车/h/车道左右），速度都不会因为流率的增加而减小。

3）对于特定的交通设施，其统计意义上的最大流率就是它的通行能力，与此同时出现的交通密度叫做临界密度，而相应的速度叫临界速度。

当接近通行能力时，交通流中的可利用间隙很少；而达到通行能力时，交通流中不再有可利用的间隙，因此交通流中发生微小的扰动（包括车辆换车道，汇入、驶出以及交通流内部车辆的随机影响）都可能导致严重的交通阻塞。

因此，当交通流在达到或接近通行能力状况时，交通流很难长时间保持稳定状态，演变成强制流或阻塞流。

由于这一原因，设计过程中，多数交通设施采用的设计交通量都小于其通行能力。

4）除通行能力外，任何流率都对应着两种不同的交通状况。

一种是高速度和低密度，另一种是高密度和低速度。

曲线在整个高密度、低速度的部分认为是不稳定的，它代表强制流或阻塞流。

曲线的低密度、高速度的部分是稳定流范围，代表自由流、稳定流。

对应着一级到四级服务水平的上半部分；而四级服务水平下半部分则对应着强制流或阻塞流的部分。

1.3.3 交叉口交通流特性信号交叉口是最典型的间断流设施，其最主要的特点是交通流受到信号控制的周期性干扰，使得某些流向的车辆周期性的停驶。

每次停驶车辆都要经历减速和加速过程，造成运行时间的损失。

交叉口这一篇将对交通流的特性加以详细的讨论。

（1） 信号交叉口有效绿灯时间的概念有效绿灯时间（g ）是指在给定的相位中，获得通行权的车辆能够有效利用的时间，它等于绿灯时间加上转换间隔再减去损失时间。

由于信号交叉口某个流向并不是在整个信号周期内具有通行权，因此，已知有效绿灯时间和信号周期长度后，可根据饱和流率乘以信号的有效绿灯时间与周期长度的比值，得到该流向的实际通行能力。

因此，有效绿灯时间是个十分重要的概念，是信号配时和交叉口通行能力计算中的重要参数。

（2） 信号交叉口的饱和流率和损失时间饱和流率表示在通常的道路和交通条件下，假定1个小时都是有效绿灯时间，在此时间内能通过交叉口引道或车道组的最大流率。

如果整个绿灯小时可以利用，所有进入交叉口车辆的平均车头时距是h 秒，该值称为饱和车头时距。

因此，饱和流率按式1-5计算：h Q s 3600 式（1-5）其中 ，s Q ——饱和流率，辆/绿灯小时/车道；h ——饱和车头时距，秒。