公路的通行能力分析.docx
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公路的通行能力分析
公路的通行能力
一、概述
公路的通行能力是指在通常的道路条件、交通条件和度量标准下，单位时间内道路断面可以通过的最大车辆数。
公路的通行能力，尤其是公路"咽喉"处（一般在隧道、桥涵、交叉口、交汇处、匝道与口、山下坡、急拐弯等）的通行能力是决定运输车辆行驶径路的决定因素，因此它在运输组织中非常重要。
公路通行能力是公路的一种性能，是一项重要指标。
研究它的目的在于：
估算公路设施在规定的运行质量条件下所能适应的最大交通量，以便设计时确定满足预期交通需求和服务水平要求所需要的道路等级、性质和设计道路的几何尺寸，同时可以评价现有道路设施。
关于通行能力的研究，最早是以美国为中心进行的，并于1950年将其算法标准化编入美国《公路通行能力手册》（HighwayCapacityManual－HCM）中。
之后，几经修订，目前最新版本为2000年版。
该手册不仅在美国，而且在很多国家作为计算通行能力的规范书使用着。
在日本，于1960年制定了公路工程技术标准，该标准采用了美国《公路通行能力手册》中的观点。
之后，于1982年趁修改日本《公路工程技术标准》的机会，将日本的研究成果编入《道路交通容量》一书中，而使日本的公路通行能力的计算标准化。
《道路交通容量》中论述了路段、平面交叉路口、匝道、交织区间等公路各组成部分通行能力的算法。
二、影响公路通行能力的因素
公路条件：
①车道应有充足的宽度以不影响通行能力（3.5m以上）。
②路旁障碍物（挡土墙、电线杆、护轨、路标等）的距离（侧向净空）应在即使与通行能力相等的交通量时也不给行驶车速带来影响（侧向净空应为1.75m以上）。
③纵向坡度、曲率半径、视距及其它线形条件不应给通行能力交通量时的车速带来影响。
交通条件：
①交通量中不应含有影响通行能力的卡车等大型车辆、摩托车、自行车、行人，即仅由小客车构成。
②不应有给通行能力交通量时的车速带来影响的速度限制。
根据公路条件和交通条件的不同，将通行能力分"基本通行能力"、"可能通行能力"和"设计通行能力"。
（1）基本通行能力：
是公路和交通都处于理想条件下，标准车辆以最小的车头间距连续行驶的理想交通流，在单位时间内通过公路断面的车辆数，是理论上能通行的最大交通量。
（2）可能通行能力（possiblecapacity）：
即公路实际所能承担的最大交通量，指偏离上述理想条件各种公路修正后得到的通行能力，其计算采用对基本通行能力进行补偿的方法求出。
（3）设计通行能力（或实际通行能力）（designcapacity）：
是指在一定的服务水平要求下，公路所具有的通行能力，即根据对交通服务的质量要求和路段的具体结构条件、交通条件及交通管理水平，对可能通行能力进行相应的修正后得到的通行能力。
它是指在规划、设计公路时，根据公路的种类、特性、重要性、适应全年应提供的服务质量规定的交通量。
其值是给可能通行能力乘以表示全年应提供的服务质量（规划等级）的系数求出。
通行能力用１小时为单位定义，为了表示车辆数，用小客车当量辆数（passengercountunit）,即用pcu/h表示。
公路的通行能力->影响公路通行能力的因素
三、公路通行能力的计算方法
（一）、无平交路段通行能力
（1）基本通行能力
一般路段是指不受信号、暂停标志、铁公路口等外界因素的中断，保证大体连续的交通流的公路部分。
多车道公路的基本通行能力是以高速公路上观测到的最大交通量为基准确定的。
根据观测结果，城市快速路比城际间高速公路的值来得大一些，在大体接近城市快速路最大交通量处确定了多车道公路的基本通行能力为每车道2200pcu/h。
往返2车道公路的基本通行能力用往返合计值表示。
其理由为往返2车道公路通常不进行往返车道的分离，以供对面车辆超车用，这种方法是比较现实的。
实际上，在往返2车道公路上发生超车时的最大交通量的观测数据非常少，在美国《公路通行能力手册》中写明往返2车道公路的基本通行能力大约为多车道公路中2车道基本通行能力的二分之一，并确定为2500pcu/h。
另外，与多车道公路相同，对单向通行公路，把其基本通行能力定为每车道2200pcu/h。
（2）可能通行能力
可能通行能力是用基本通行能力乘以公路的几何结构、交通条件对应的各种补偿系数求出的。
亦即
（2.1）
式中，C：
可能通行能力；
CB:
基本通行能力；
γLγCγI:
各种补偿系数。
就多车道公路而言，先用（2.1）式求出每车道的可能通行能力，然后乘以车道数求出公路截面的可能通行能力。
对往返2车道公路，用往返合计值求出。
在用实际车辆数表示可能通行能力时，需要用大型车辆的小客车当量系数换算成实辆数。
影响通行能力的因素有以下几种，各因素的补偿系数也已决定。
a）车道宽度（γL）：
基本通行能力方面而言，必要充分的车道宽度WL为3.50m；根据日本的观测结果，最大交通量在宽度为3.25m的城市快速路上得到，对车道宽度小于3.25m的公路应进行补偿,其系数如参考表2.1。
表2.1公路宽度补偿系数
车道宽度WL
补偿系数γL
3.25m
1.00
3.00m
0.94
2.75m
0.88
2.50m
0.82
b）侧向净空（γC）:
称从车道边缘到侧带或分隔带上的保护轨、公路标志、树木、停车车辆、护壁及其它障碍物的距离为侧向净空，必要充分的侧向净空为单向l.75m，在城市内高速公路上，以0.75m的侧向净空时的最大交通量出现次数多，所以，对比0.75m窄的情况需要进行补偿，如表2.2所示。
表2.2侧向净空补偿系数γC
侧向净空Wc（m）
补偿系数γc
0.75m
1.00
0.50m
0.95
0.25m
0.91
0.00m
0.86
c）沿线状况（γI）：
在沿线不受限制的公路上，通行能力的减少原因有从其它道路和沿道设施驶入的车辆或行人、自行车的突然出现等潜在干涉。
并且，在市内因有频繁停车，所以停车的影响也较大，因为通常认为通行能力与沿道的城市化程度有很大关系，所以确定了城市化程度补偿系数，如表2.3所示。
表2.3沿线状况补偿系数γI
（a）不需要考虑停车影响
城市化程度
补偿系数
非城市化区域
0.95-1.00
部分城市化区域
0.90-0.95
完全城市化区域
0.85-0.90
（b）考虑停车影响的场合
城市化程度
补偿系数
非城市化区域
0.90-1.00
部分城市化区域
0.80-0.90
完全城市化区域
0.70-0.80
a）坡度:
因为坡度对大型车辆的影响尤其大，所以通常包含在大型车辆影响中。
b）大型车辆（γT）：
大型车辆比小客车车身长，即使保持同一车间距离，车头距离也较大。
并且因大型车在坡道处降低车速，故通行能力将减小。
大型车辆的影响程度用一辆大型车辆相当的小客车辆数即小客车当量系数（passengercar equivalent）来表示。
一般认为，小客车当量系数随大型车辆混入率、车道数、坡度大小及长度而变化，并用表2.4所示值表示。
在用实辆数表示通行能力时，应该用下式所示补偿系数乘以小客车当量交通量
（2.2）
式中，γT：
大型车辆补偿系数;
ET：
大型车辆的小客车当量系数;
T：
大型车辆混入率（%）。
a）摩托车和自行车:
对摩托车和自行车交通量应该用表2.5示小客车当量系数乘以交通量求出小客车当量交通量。
但是，在用实辆数表示通行能力时，应与大型车辆的方法相同，对当量交通量进行补偿。
b）其它因素:
除上述几种因素外，使通行能力降低的原因还有:
公路线形，尤其是曲线路段和隧道、以及驾驶技术、经验的不同等，但这些原因目前还没有较好的定量化方法。
表2.4大型车的小客车换算系数
表2.5摩托车和自行车的小客车换算系数
车型
地区
摩托车
自行车
地方
0.75
0.50
城市市区
0.50
0.33
四、规划、设计通行能力
可能通行能力为公路上可能实现的最大交通量。
然而，这时的交通流不安定，不能长时间停留在一定状态。
有时遇到微小的紊乱干扰便陷入阻塞状态，肇致行驶时间严重增加，并且驾驶员经常处十紧张状态。
行驶舒适性和安全性降低，故让驾驶员在这种状态下行驶是不合适的。
此外，交通量因月、日、时刻的不同而经常变动，规划、设计中未必以最大交通量为对象。
因此，在进行公路规划设计时，使用着通路许可的设计通行能力、设计基准交通量及营运交通量。
（1）规划等级及设计通行能力
将规划、设计的公路应该提供的营运的质的程度称为规划等级。
根据公路的种类等条件可将规划等级分成二级。
并根据各规划等级设定了补偿系数，用该系数与可能通行能力之积算出设计通行能力（designcapacity），如表2.6所示。
各规划等级的交通状态如下:
l级:
在规划目标年度，预测年度最大峰值小时交通量不能超过可能通行能力。
应保持在第30位小时交通量状态下，以某一车速（不能任意选择）可以畅通行驶。
2级:
在规划目标年度，一年内有总计10h左右预测峰值小时交通量超过可能通行能力，有时发生较严重的交通阻塞。
在第30位小时交通状态下，难以以匀速行驶、行驶车速产生变动。
3级:
在规划目标年度，一年内有总计30h左有预测峰值小时交通量超过可能通行能力，发生严重的交通阻塞。
在第30位小时交通量状态下，行驶车速经常变动，有时不得不停车。
规划等级除交通流的畅通、安全性等交通工程指标之外，还应结合考虑规划公路对人民生活和工业生产所起的作用的大小及公路修建的经济性指标等确定。
上述1级标准适用于营运质量要求高的高等级公路及汽车专用公路；２级标准适用于上述１级之外的公路；3级标准的规划等级值为1.0，属于处于交通极限状态的等级，原则上不使用。
（2）设计小时交通量
交通量作为公路设计的基础指标常用设计小时交通量（designhourlyvolume），并与设计通行能力成对儿使用。
根据线路和地区特点不同，交通量具有特有的时间变动特性。
把一年的交通量按大小顺序排列，可以得到图2.1示时间顺序图。
通常时间顺序图在第30一50位交通量处发生急剧变化。
所以，如果以第30位交通量为设计对象，一年之内将有30h左有发生交通量超出通行能力的现象，绝大部分时间能畅通行驶，并且与最大交通量相比能以较低的交通量为设计对象，从设计上比较经济。
因此，通常以第30位小时交通量为设计基准。
为了由规划交通量确定设计交通量，可以利用交通量观测资料，在没有观测值的公路上，按下式给规划交通量乘以K,D值求出。
亦即,
设计小时交通量=规划交通量×K/100（往返合计辆/h）（2.3）
2车道公路:
多车道公路:
设计小时交通量=规划交通量×K/100×D/100（相同方向辆/h）（2.4）
式中，K：
设计小时交通量（通常为第30位小时交通量）与规划交通量之比，用%表示;
D：
相同方向交通量与往返合计交通量（lh单位）之比，用%表示。
（3）设计基准交通量
所谓设计基准交通量，是指按公路的种类级别及地形不同，以标准的公路结构和交通条件为公路车道数的决定基准时的交通量。
这是因为公路通行能力因公路条件和交通条件的不同而变化。
因此即使在同一路段也因截面不同等理由，而按标准的公路条件和交通条件并以日交通量来确定的。
（4）公路的服务水平
在美国《公路通行能力手册》中，取代设计通行能力使用了服务交通量（servicevolume）的概念。
称公路在一定的交通状态下，能向驾驶员提供的服务程度为服务水平LOS（levelofservice）。
服务水平是根据表示公路最佳利用状态的一个或多个评价指标来确定的。
例如，高速公路的一般路段和多车道公路的评价指标为交通密度；在干线公路上评价指标为平均行驶车速。
服务水平为从A到F的6级，A级为最佳服务状态，F级为最差服务状态。
交通量在某一服务水平、某一交通状态下增加时，原有的服务水平将得不到保证。
称这时的限界交通量为该服务水平时的服务交通量,如图2.2所示。
服务交通量的概念在1965年版美国《公路通行能力手册》中初次提出，以后继续得到提倡。
在日本，因为没有找出交通量调查结果与服务水平、服务交通量的关系，所以至今仍使用着设计交通量和设计基准交通量。
图2.3为美国《公路通行能力手册》给出的对应某一道路服务水平时,路上交通流的具体状态。
图2.3道路服务水平对应的交通流状态
五、路段交通状态的评价
路段的交通状态的评价项目有畅通性、安全性、舒适性、方便性、经济性、环保等，从公路交通管理方面而言，畅通性最为重要，作为交通流畅通性的宏观且客观性评价指标，一般拥挤度（或负荷度）（degreeofcongestion）。
拥挤度为某路段12h实际交通量与日12h的评价基准交通量之比，评价基准交通量由规划等级和设计通行能力、峰值率、同方向率求出。
在计算评价基准交通量时，首先需要求出路段的可能通行能力。
路段通常由单纯路段和交叉路口组成；信号交叉路口多为路段的"咽喉"部位，因此，在有信号交叉路口的公路上，需要比较信号交叉路口与单纯路段的通行能力，选择比较小的通行能力为路段通行能力。
在没有信号交叉路口的公路和汽车专用公路上，仅需求单纯路段的通行能力。
评价基准交通量用K、D值对设计通行能力进行换算求出。
即以第30位小时交通量与通行能力相等的状态下的年平均日12h交通量为评价基准交通量。
这里，将K值设为第30位小时交通量占年平均日小时交通量的比例，将D值设为交通量调查日的高峰时同方向率。
在1、2车道公路上，将相同的方法应用到断面交通量。
根据公路交通调查资料分析结果知，在拥挤度小于1.0时，日12h不发生交通拥挤、车辆能畅通行驶，但大于1.0时，拥挤时段逐渐增加，拥挤度大于l.75时，公路上将呈现出慢性拥挤状态。
此外，拥挤度是反映日12h交通状态的指标，而不能直接反映各时刻、各地点的交通状态。
因此，该指标应限定于进行宏观性评价。
在美国《公路通行能力手册》中使用着营运水平评价公路状态，营运水平表示在某一公路状态下能向驾驶员提供的交通状态的质的程度。
公路的通行能力->路段交通状态的评价
六、高速公路匝道的通行能力
为连接与平面公路有高差的高速公路而设置的车道称为匝道（ramp）。
匝道的通行能力由匝道本身和匝道两端连接段的通行能力而决定。
其中，匝道本身的通行能力基本上可按一般路段的通行能力求出，但因为与一般路段相比匝道的平面、纵截面线形等较差，所以通行能力也较低。
在匝道连接段，通行能力受流入、流出交通量、主道交通量以及邻近路段等的影响，所以难以象一般路段那样单纯地确定其通行能力。
对匝道连接段的通行能力，美国《公路通行能力手册》中给出了的解析方法。
该方法并非是直接算出通行能力，而是建立评价实际或假想交通状态的方法。
在美国《公路通行能力手册》中，用合流分流及主道交通流率作为定义匝道连接段服务水平的评价指标，并规定为从A～F 6级。
合流交通流率Vf为主道外侧车道（第1车道）的交通量与驶入匝道交通量之和。
分流交通流率Vd为与驶出匝道最接近的主线最外侧车道（第1车道）的交通量。
主道交通量Vf为主道上的全部交通量，通常取最大交通量段，即驶出匝道上游及驶入匝道的下游处的交通量。
在合流处，驶入匝道上的车辆驾驶员观察主道交通流中的间隙进行合流。
通常以第1车道即主道最外侧车道的交通流为对象。
然而，随着驶入匝道上交通量的增加，驶入车辆将给主道上交通流的车道分布带来影响。
这是因为，为了避开导致合流处交通流的紊乱和车辆相撞，主道上的车辆变更行驶车道的缘故。
一般认为，驶入匝道处上游的第1车道交通量由匝道交通量、匝道处上游主道上全部交通量及上、下游相邻匝道的位置和交通量决定。
与驶入匝道相同，因驶出匝道上的车辆必须在与匝道连接的最外侧车道上行驶，所以为了避免与驶出车辆相撞多利用其它车道。
因此，第１车道交通量由上游侧全部车道的总交通量和驶出匝道交通量决定。
这些关系以列线图（nomograph）或与其等价的函数方程式表示。
匝道服务水平按以下步骤决定:
首先根据匝道形式和上、下游相邻匝道交通量求出第1车道交通量，再将该交通量换算成小客车交通量，求出核算点交通量，即求出全部相关的合流、分流和主道交通量。
然后，将上述交通量除以高峰小时系数（peakhourfactorPHF）换算成高峰交通流率，再按服务水平基准决定服务水平，如图2.4和表2.7所示。
公路的通行能力->高速公路匝道的通行能力
七、交织区间通行能力
在我国，还没有对交织区间的通行能力进行充分总结，这里介绍美国《公路通行能力手册》给出的解析方法。
（l）交织的影响因素
所谓交织（weaving）是指左具有大体相同方向的二股以上的交通流以小角度交叉流动时，一股交通流的车辆逐渐地驶人另一股交通流中的动作。
并且，把为进行交织而设计的单向通行车道的区间定义为交织区间（weavingsection）,如图2-7所示。
接近高速公路的合流处又与分流处连接的场合或接近驶人匝道又与驶出匝通连接并且附加车道连接的场合等部属于交织区间。
在交织区间，有交织交通和非交织交通混合存在。
并且因为车道的变更集中于该处，所以易产生交通流的紊乱。
因此，在进行设计和交通管理时需要进行详细研究。
影响驾驶员进行交织行驶操作的公路因素有:
交织区间长度、宽度或车道数、交织形式等。
交织区间长度约束着驾驶员进行操作的机会。
交织区间短;变更行驶车道余力小，容易带来行驶车速降低，相反，区间使度长时，变更行驶车道的机会增多，余力也增大。
交织车辆为变更行驶车道，需要观察可能进行交织的间隙而降低行驶车速，并且比非交织车辆使用的公路空间大。
因此，产生交通流紊乱，交织交通量越多，变更行驶车道的回数越多，影响则越大。
变更车道的次数又依赖于交织区间的形式。
在1985年版美国《公路通行能力手册》中，根据交织车辆的必要最小限度的变更车道次数将交织区间形式分为A、B、C三类,如图所示。
A型为所有交织车辆都要进行一次交织行驶的形式，匝道交织（rampweavesection）及其有路拱（crown）线的大交织区间（majorweavesection）属于该种类型。
匝道交织具有连接两端驶入、驶出匝道的辅道，并且所谓大交织是在多车道公路上，３个或其以上的流入、流出处具有２车道以上的区间。
B型为一股交织交通流在直行车道上行驶，并不需要变更行驶车道，另一交织区间交通流需要进行一次变更行驶车道的形式。
该种形式对处理大量交织交通是非常有效的。
C型为一股交织交通流不需要改变行驶车道，另一股交织交通流需要变更二次以上行驶车道的形式。
这种形式对向直行车道方向变更的车辆有利，但对另一股交织交通流而言变更车道则比较难，故不适于处理大量交织交通。
公路的通行能力->交织区间通行能力
（2）交织区间中各种因素的关系
从交织区间的实际交通状态看，供交织车辆行驶的车道数存在某一界限值（最大车道数）。
交织交通量增加到超过界限车道数时，在交织区间内产生相当严重的拥挤状态，交织车辆与非交织车辆间的车速差增大。
把这种状态归类为"约束状态"。
与此相应，把交织车辆与非交织车辆间几乎没有车速差，交织车辆能按适当的比例使用的状态归类为"非约束状态"。
交织区间处于何种状态由非收敛状态所必要的车道数队与给定的交织形式下交织车辆能使用的最大车道数Nw（max）的比较来决定。
即NwNw（max）时，为约束状态。
Nw与交织区间长、交织区间总车道数、交织交通量比、交织车辆和非交织车辆的平均行玻等有关，其关系式及最大交织车道数按交织形式给出，如表2.8所示。
交织区间的营运等级根据交织车辆和非交织车辆的平均行驶车速决定。
这些平均行驶车速与交织交通量比、车道平均交通流率及交织区间长有关，并适应交织形式和使用状态（约束、非约束）用（2.13）式表示。
该式的前提是使用理想条件下的小客车换算交通量表示的15min高峰时交通流率。
交织区间的服务水平的基准值如表2.10所示。
表中的基准值将交织车辆和非交织车辆分开使用。
表2.10交织区间服务等级基准值
公路的通行能力->交织区间通行能力
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