《交通工程学》教案.docx

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《交通工程学》教案

课程简介

课程说明：

《交通工程学》全书分为十二个章节，前五章为基础部分，阐述交通系统中人车路及交通流的基本特性、交通调查与分析技术、交通流理论以及道路与交叉口同行能力；中间五章为应用部分，介绍道路交通规划、道路交通管理与控制、交通安全、停车场规划与设计、交通环境保护；最后两章为发展动态，介绍交通计算机仿真、智能运输系统等内容。

《交通工程学》是“交通规划与管理”一级学科的基础课程，并与国际《交通工程学》体系接轨。

要求正确地理解并掌握《交通工程学》基本概念、基本知识与基本技能。

先修课程：

发动机构造、机械原理等。

参考教材：

交通工程学，佐佐木纲、饭田恭敬编著，邵春福等译，人民交通出版社；

交通工程学，王炜，过秀成，东南大学出版社；

交通工程手册，人民交通出版社，1998

交通流理论，王殿海，人民交通出版社；

道路通行能力分析，陈宽民，人民交通出版社；

城市交通规划论，徐慰慈，同济大学出版社；

城市交通规划理论及其应用，王炜，徐吉谦等，东南大学出版社；

现代交通规划学，刘灿齐，人民交通出版社；

交通规划理论与方法，陆化普等，清华大学出版社；

交通管理与控制（第二版），杨佩昆、吴兵，人民交通出版社；

授课章节：

第1章绪论

一、教学目的和要求

知识目的：

1.掌握交通工程学的定义及特点。

2.了解交通工程学的产生和发展以及未来的发展趋势。

二、教学重点和难点

教学重点：

交通工程学的定义及特点。

教学难点：

交通工程学的研究范围。

三、授课学时

4课时

四、授课方式

讲授

五、教学内容与教学组织设计

（一）导入新课

我们平时都说交通，那么什么是交通？

作为一门学科，我国现在的交通工程学研究状况怎样？

（二）新课教学

1.交通的概念

广义交通：

人、车、路和信息在两地间输送的总称。

人和物的运转与运输【人和物借助交通工具的载运，产生有目的的空间位移】。

语言、文字、符号、图像等的传递播送。

狭义交通：

人和物在管理空间上的移动。

现代运输包括铁路、道路、水运、航空和管道运输，在本领域指道路交通。

2.交通运输系统的功能

实现社会生产和生活中人流、物流的经济有序的流动；促进人类的活动空间和经济空间的形成和拓展。

活动空间：

住宅、写字楼、购物中心、公园、度假村，公共读书馆等；

经济空间：

物资移动的赢利范围，出行过程中可承受的时间与费用范围，等；

3.交通工程学的定义

交通工程学是研究道路交通中人、车、路、环境之间的关系，探讨道路交通的规律，建立交通规划、设计、控制和管理的理论方法，以及有关设施、装备、法律和法规等，使道路交通更加安全、高效、快捷、舒适的一门技术科学。

（构成要素：

人、车、路；手段：

探讨、规律；建立：

法律、法规；目的：

安全、快捷、高效）。

研究交通发生（过去及现在）、发展（将来），时空分布规律，道路交通调查、路网规划、设计、营运、管理控制、安全的理论与方法以及与道路相关的法规、工程（Engineering）、教育（Education）、能源（Energy）、环境（Environment）等问题的综合性学科。

4.要树立五个方面的工程意识：

改善的观点，可操作的观点，定量的观点，全局的观点，可持续的观点。

5.我国交通工程学的主要内容

（1）人车路特性

（2）交通流特性（3）交通调查（4）交通流理论（5）道路通行能力（6）交通信号控制（7）道路交通规划（8）交通安全（9）城市公共交通系统（10）停车场规划与设计（11）道路交通环境保护（12）智能运输系统

6.交通工具的变革与工程的发展

①步行时代；②马车时代；③汽车时代；④高速公路时代；⑤智能运输时代。

7.交通工程学科的建立与发展：

①基础理论形成阶段（20世纪30年代初~40年代末）；②交通规划理论研究阶段（20世纪50年代初~70年代初）；③交通管理技术形成阶段（20世纪70年代~90年代）；④智能化交通系统研究阶段（20世纪90年代中期）。

8.我国交通工程学的发展

（1）我国的交通现状

综合运输，公路交通，城市交通。

（2）我国交通工程学科的产生及面临的任务

我国交通工程学科的产生

我国交通工程学科面临的任务

9.交通工程在我国目前的发展状况，主要有：

（1）建立学术和研究机构，培养专业人才

（2）开展了基础数据的调查

（3）城市交通规划与公路网规划

（4）制定交通法规

（5）交通管理与交通控制

（6）交通安全设施与交通检测仪器的研制

（7）交通工程学基本原理在道路交通实践中的应用

（8）计算机技术在交通工程中的应用

（9）新理论、新技术的研究

10.适应我国交通特点的交通控制理论与方法研究

（1）区域交通控制软件系统开发与实施的研究；

（2）区域交通控制系统设备与配套技术的研究；

（3）高等级公路情报采集与信息传输、监控技术的研究；

（4）高等级公路与城市道路的交通管理体制、理论方法与设施的研究；

（5）高等级公路立交规划设计与评价理论与方法的研究。

六、总结

1．交通工程学的定义。

2.交通工程学科外延：

①社会科学方面；②自然科学方面；③工程设计方面。

3.交通工程学性质：

一门兼有自然科学与社会科学双重属性的综合性学科。

七、作业布置

1．交通工程学的定义是？

2．交通工程的发展机理哪几个过程？

3．交通工程学研究的内容有哪些？

4．发动机经济性指标包含哪几个指标？

八、教学答疑、记录

九、教学反思

授课章节：

第2章交通特性

一、教学目的和要求

知识目的：

1.掌握人-车-路的交通特性。

2.掌握交量特性的定义、时间分布，空间分布等。

3.了解行车速度特性，交通密度特性的定义。

能力目的：

能够对交通密度进行计算。

二、教学重点和难点

教学重点：

人-车-路的交通特性。

教学难点：

交量特性的时间分布，空间分布。

三、授课学时

4课时

四、授课方式

讲授

五、教学内容与教学组织设计

（一）导入新课

本节课学习交通系统各要素特性及要素之间相关特性。

（二）新课教学

第一节人、车辆、道路的交通特性

一、道路交通系统的四个基本要素：

1.人——车辆（机动车和非机动车）驾驶员、乘客和行人

2.车辆——机动车、非机动车

3.道路——公路、城市道路、厂矿道路、林区道路、乡村道路

4.环境——渗透在以上三个因素之中

二、人的交通特性

1.驾驶员的交通特性

2.非驾驶员的交通特性

乘车、骑自行车、步行等

3.交通规划、设计与管理及运营者特性

三、交通系统中”人”的特性及其影响

1.人是交通系统中的最活跃的因素；

2.人是交通需求之源；

3.人是影响交通安全之关键；

4.人是改善交通系统之主；

5.交通系统应以人为本。

四、机动车的交通特性

1.动力性能，2.制动性能，3.通过性，4.机动性，5.操纵稳定性

第二节交通量的基本特性

一、交通量的定义

交通量是指在选定时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的交通实体数。

按交通类型分，有机动车交通量、非机动车交通量和行人交通量，一般不加说明则指机动车交通量，且指来往两个方向的车辆数。

二、交通量特性的分析一般要从三个方面来进行：

1.交通量的时间分布特性；

2.交通量的空间分布特性；

3.交通量的构成特性。

三、交通量的空间分布

交通量的大小与社会、经济发展速度、人民文化生活水平、气候、物产等多方面因素有关，它除了随时间而变化外，还随空间的不同而变化。

这种随空间位置而变化的特性称为空间分布特性，一般是指同一时间或相似条件下，随地域、城乡、路线、方向、车道等的差别而变化的情况。

第三节行车速度特性

一、基本定义

设行驶距离为l，所需时间为t，则车速可用l／t形式表示。

按l和t的取值不同，可定义各种不同的车速：

1．地点车速

这是车辆通过某一地点时的瞬时车速，因此观测时l取尽可能短，通常以20-25m为宜，用做道路设计、交通管制规划资料。

2．行驶车速

这是从行驶某一区间所需时间（不包括停车时间）及其区间距离求得的车速。

3．运行车速

是指中等技术水平的驾驶员在良好的气候条件、实际道路状况和交通条件下所能保持的安全车速，用于评价道路通行能力和车辆运行状况。

4．行程车速

行程车速又称区间车速，是车辆行驶路程与通过该路程所需的总时间（包括停车时间）之比。

5．临界车速

这是指道路达到理论通行能力时的车速，对于选择道路等级具有重要作用。

6．设计车速

是指在道路交通与气候条件良好的情况下仅受道路物理条件限制时所能保持的最大安全车速，用作道路线形几何设计的标准。

二、行车速度的统计分布特性

行车速度与交通量一样，也是一个随机变量。

研究表明，在乡村公路和高速公路路段上，运行车速一般呈正态分布，在城市道路或高速公路匝道口处，车速分布比较集中，一般呈偏态分布，如皮尔逊Ⅲ型分布。

表征车速统计分布特性的特征车速常用：

1．中位车速

也称50％位车速，是指在该路段上在该速度以下行驶的车辆数与在该速度以上行驶的车辆数相等。

在正态分布的情况下，50％位车速等于平均车速，但一般情况下，两者不等。

2．85％位车速

在该路段行驶的所有车辆中，有85％的车辆行驶速度在此速度以下，只有15％的车辆行驶速度高于此值，交通管理部门常以此速度作为某些路段的限制车速。

3．15％位车速与速率波动幅度

意义类前。

在高速公路和快速道路上，为了行车安全，减少阻塞排队现象，要规定低速限制，因此15％位车速测定是非常重要的。

三、时间平均车速与区间平均车速

1．时间平均车速

在单位时间内测得通过道路某断面各车辆的点车速，这些点速度的算术平均值，即为该断面的时间平均车速，即：

式中：

——时间平均车速（km／h）；

Vi——第i辆车的地点车速（km／h）；

n——单位时间内观测到车辆总数（辆）。

2．区间平均车速

如果研究行驶于道路某一特定长度（S）内的全部车辆的车速分布的平均值，则其数值为地点车速观测值的调和平均值。

3．两者之间的关系时间平均车速和区间平均车速都是描述交通流运行速度的指标。

前者用于描述某地点一段时间内交通流的平均运行速度；后者用于描述某一路段某一瞬间交通流的平均运行速度。

四、影响车速变化的因素

驾驶员、车辆、道路、交通条件等。

第四节交通密度特性

一、交通密度的定义

交通密度是指某一瞬间，道路上单位长度存在的车辆数。

K＝式中：

K——车流密度（辆/km）；

N——车辆数；

L——观测路段的长度。

二、车头间距和车头时距

车头间距是指一条车道上前后两辆车之间的距离，用车辆上有代表性的点来测量，如前保险杠或前轮。

车头时距是前后两辆车通过车道上某一点的时间差，也是用车辆上有代表性的点来测量。

对观测路段上所有车辆的车头间距和车头时距取平均值称为平均车头间距和平均车头时距。

三、交通密度资料的应用

车流密度调查是交通调查的重要组成部分，它对了解交通状况具有十分重要的作用。

表现在：

1.车流密度是研究交通流理论和制定交通控制措施的重要基础数据。

2.车流密度是划分服务水平的依据，可为改善道路设施提供依据；

3.车流密度指标，可以反映道路上交通堵塞状况。

4.流密度对道路通行能力的研究十分重要。

六、总结

1.人-车-路的交通特性

驾驶员的反应操作过程；驾驶员的视觉特性、反应特性和选择特性

道路基本特性（路网密度、典型的道路布局）

2.交通量特性

定义、时间分布，空间分布等

3.行车速度特性

定义、二者关系

4.交通密度特性定义

七、作业布置

1．驾驶人的交通特性有哪些？

2．乘客的交通特性有哪些？

3．道路交通特性有哪些？

4．车辆交通特性有哪些？

5.交通量的空间分布表征车速统计分布特性的特征车速常用的有哪些：

6.交通流分类，交通流三个基本参数是什么？

八、教学答疑、记录

九、教学反思

授课章节：

第3章交通调查

一、教学目的和要求

知识目的：

1.掌握交通调查的基本方法及操作。

2.掌握速度调查的方法及操作。

3.了解延误的类型及调查方法。

能力目的：

能够对交通量进行调查计算。

二、教学重点和难点

教学重点：

交通调查的基本方法及操作。

教学难点：

交通量的计算，延误的计算。

三、授课学时

4课时

四、授课方式

讲授

五、教学内容与教学组织设计

（一）导入新课

交通调查是指通过统计、实测与分析判断，掌握交通状态发展趋势及有关交通现象的工作过程。

交通调查的主要内容有交通流要素调查，交通需求调查，交通事故调查，交通环境调查等。

（二）新课教学

第一节交通量调查

一、交通量调查目的

交通量是指单位时间内通过道路或车道某一断面的交通实体的数量亦称交通流量。

通过交通实体为汽车时称汽车交通量，如为自行车和行人时则称自行车交通量和行人交通量等。

二、交通量调查的种类

汽车交通量的调查只需在某种确定的条件下统计通过道路或车道某一断面的汽车数量。

按交通动态观点分类如下：

1．区域交通量调查2．小区边界线交通量调查

3．核查线调查4．特定地点或专项交通量调查

三、交通量调查的方法

1．确定调查地点

2．选择调查时间

3．调查方法

交通量的调查是在固定地点、固定时段内的车辆数量调查。

它可有许多方法，如人工观测法、浮动车法、车辆感应器测定法及摄影法等。

四、交通数据的分析应用及不同车辆的换算

由上述方法测得的交通量，还应根据调查目的进行处理分析，一般作如下处理：

1．绘制交通流量图

2．绘制交通量变化图

3．交叉口交通流量图

4．计算交通量特定参数

5．交通量中不同类型车辆的换算

五、交通调查实施

设计交通调查方案、调查地点、调查时间、调查方法、人员分配、实施组织。

第二节车速速度

一、车速调查的目的

从交通运营的观点出发，车速又可分为地点速度和区间速度。

车速调查的目的一般为：

1.对某处作周期性速度调查，掌握速度分布状态及速度变化形式，为评价规划设计指标与服务水平提供依据。

2.为交通管理与控制提供速度资料。

3.通过事前、事后调查判断交通管理和工程措施的效果。

4.为事故分析提供速度资料。

5.用于决定道路几何设计要素：

如曲线半径、纵坡及变速车道长度等6.用于其他交通研究。

二、车速的分类

地点速度（行驶车速）和区间速度（行程车速）。

三、速度调查方法

1.地点车速：

人工测定法、使用测速仪器测定法、车辆感应法；

2.区间速度：

试验车观测法、车辆牌号对照法、驶入驶出测量法。

第三节交通密度调查

一、交通密度的定义

交通密度与交通量不同，交通量表示的是车辆通过道路断面的频繁程度，而交通密度表示的是道路空间上的车辆密集程度。

流量、车速和密度都是交通流的宏观参数，是对给定的时间和区间内的交通流在整体上予以描述。

车头间距和车头时距则是交通流的微观数据。

二、密度调查的时段长度

在道路某一区段范围内的交通密度每时每刻都在变化,因此,所谓密度,总是指某一瞬间的密度值或某一时段内的平均密度值。

在交通研究中关心的常是后者。

这样就需要在某一阶段内连续调查瞬时密度，然后求算平均值。

从实测经验得知，调查时段越长密度变化越平缓。

三、密度调查的区间长度

另外，在正常交通量条件下，车辆在道路上分布也不均匀，即路段不同部位的交通密度一般也不同，只有实测路段达到一定长度后，交通密度的变化才趋于平稳。

四、调查方法

1.出入量法

如下图所示的无出入交通的路段AB上,t0时刻存在的车辆数为Et0,从t0到t一段时间内进入该路段的车辆数为QA；驶出该路段的车辆为QB时，则t时刻时，AB段上的车辆数为为：

Et=Et0+QA-QB（Et0为初始车辆数）

2.摄影法

利用空中定时摄影方法求得实测路段的车辆数，然后除以路段长度即可得到摄影时刻的路段交通密度。

若进行连续摄影，即可连续测得各时刻交通密度。

第四节行车延误调查

一、交通延误的基本定义

延误是由于交通干扰以及交通管理与控制设施等因素引起的运行时间损失，以秒或分钟计。

二、延误的类型

1.基本延误（固定延误）：

由交通控制装置所引起的延误，与道路交通量多少及其他车辆干扰无关的延误。

2.运行延误：

由于各种交通组成间相互干扰而产生的延误。

一般它含纵向、横向与外部和内部的干扰，如停车等待横穿、交通拥挤、连续停车以及由于行人和转弯车辆影响而损失的时间。

3.行车时间延误：

指车辆在实际交通流条件下由于该车本身的加速、减速或停车而引起的时间延误，即与外部干扰无关的延误。

4.停车延误：

由于某些原因使车辆实际停止不动而引起的时间延误。

三、延误的调查方法

跟车法、输出-输入法。

六、总结

1.交通调查的定义、内容、要求和调查方法。

2.车速的类型及调查方法。

3.道路占有率调查。

4.厌恶的类型及调查方法。

七、作业布置

1.交通量调查的常用方法有哪些，各种方法的优缺点和适用条件是什么？

2.速度调查的方法有哪些？

3．密度调查的方法有哪些？

4.地点车速数据分析包括哪些步骤？

5.出入量法的原始车辆数如何测定？

6.延误的类型有哪些？

八、教学答疑、记录

九、教学反思

授课章节：

第4章道路交通流理论

一、教学目的和要求

知识目的：

1.掌握概率论方法、交通跟驰理论、排队论及流体力学模拟理论在实际交通中的应用。

2.了解各种交通流理论的计算及分布图。

能力目的：

能够根据实际交通流选择合适的交通流理论进行分析。

二、教学重点和难点

教学重点：

概率论方法、交通跟驰理论、排队论及流体力学模拟理论的应用及实施。

教学难点：

概率论方法的离散型及连续型分布图。

三、授课学时

4课时

四、授课方式

讲授

五、教学内容与教学组织设计

（一）导入新课

交通流是交通需求的实现结果，是交通需求在有限的时间与空间上的聚集现象；交通流理论是研究在一定环境下交通流随时间和空间变化规律的模型和方法体系；由于涉及人、车、路、环境之间的相互关系，交通流的形成过程非常复杂。

（二）新课教学

第一节交通流的特性

一、交通设施种类

交通设施从广义上被分为连续流设施与间断流设施两大类。

连续流主要存在于设置了连续流设施的高速公路及一些限制出入口的路段。

间断流设施是指那些由于外部设备而导致了交通流周期性中断的设置。

如交通信号灯。

二、连续流特征

1.总体特征

交通量Q、行车速度Vs、车流密度K是表征交通流特性的三个基本参数

此三参数之间的基本关系为：

Q=Vs*K

式中：

Q——平均流量（辆/h）；Vs——空间平均车速（km/h）;

K—平均密度（辆/km）。

2.数学描述

（1）速度与密度关系

格林希尔茨（Greenshields）提出了速度-密度线性关系模型

（2）流量与密度的关系

（3）流量与速度关系

3.连续交通流的拥挤分析

（1）交通拥挤的类型①周期性的拥挤②非周期性的拥挤

（2）瓶颈处的交通流

第二节概率统计模型

一、定义

研究自然界中随机现象统计规律的数学方法，叫做概率统计，又称数理统计方法。

二、交通流与概率统计

假定道路上行驶的车辆是各自独立的，车辆的分布是随机的，并假定各个车辆的行驶是一种概率过程，因此可以用概率论方法进行分析，并用统计分布表示过程。

三、离散型分布

1.泊松分布

泊松分布适合于描述单位时间内随机事件发生的次数。

如某一服务设施在一定时间内到达的人数，电话交换机接到呼叫的次数，汽车站台的候客人数，机器出现的故障数，自然灾害发生的次数等等。

2.二项分布

3.负二项分布

4.离散型分布拟合优度检验——χ2检验

四、连续型分布

描述事件之间时间间隔的分布称为连续型分布。

连续型分布常用来描述车头时距、穿越空档、速度等交通流特性参数的分布特征。

常用的分布有：

负指数分布、移位负指数分布、韦布尔分布、爱尔朗分布。

第三节排队论模型

一、基本概念

排队：

单指等待服务的顾客（车辆或行人），不包括正在被服务的顾客

排队系统：

既包括等待服务的顾客，又包括正在被服务的顾客

二、排队系统的3个组成部分

1.输入过程：

定长输入、泊松输入、爱尔朗输入；

2.排队规则：

损失制、等待制、混合制；

3.服务方式：

定长分布、负指数分布、爱尔朗分布；⑶M代表泊松输入或负指数分布服务，D代表定长输入或定长服务；Ek代表爱尔朗分布的输入或服务。

二、排队系统的主要数量指标

1.等待时间从顾客到达时起至开始接受服务时为止的这段时间

2.忙期服务台连续繁忙的时期，关系到服务台的工作强度

3.队长

有排队顾客数与排队系统中顾客数之分，这是排队系统提供的服务水平的一种衡量。

三、M/M/1系统

设平均到达率为λ，则到达的平均时距为1/λ。

排队从单通道接受服务后出来的平均服务率为μ，则平均服务时间为1/μ。

比率ρ=λ/μ叫作交通强度或利用系数，可确定各种状态的性质。

所谓状态，指的是排队系统的顾客数。

如果ρ<1，并且时间充分，每个状态都按一定的非零概率反复出现。

当ρ≥1，任何状态都是不稳定的，而排队的长度将会变得越来越长。

因此，要保持稳定状态，即确保单通道排队能够消散的条件是λ<μ。

第四节跟驰模型

一、跟驰理论

是运用动力学方法，探究在无法超车的单一车道上车辆列队行驶时，后车跟随前车的行驶状态，并且借数学模式表达并加以分析阐明的一种理论。

二、车辆跟驰特性分析

非自由状态行驶的车队有如下三个特性：

1.制约性。

紧随要求、车速条件、间距条件

2.延迟性（也称滞后性）前车在t时刻的动作后车在t＋T时刻才能响应

3.传递性脉冲式间断连续

第五节流体模型理论

一、流体和交通流的对比

流体

交通流

水波起伏

密度变化

流体力学

车流波动理论

流体的连续性方程

车流的连续性方程

二、车流连续方程

W=（Q1-Q2）/（K1-K2）=VW（W--集散波的波速；Q1、Q2--前后两种车流状态的流量；K1、K2--前后两种车流状态的密度）；W>0前进波，W<0后退波，K1>K2消散波，K1

六、总结

1．概率论方法的计算及应用。

2.交通跟驰理论的计算及应用。

3.排队论及流体力学模拟理论的计算及应用。

七、作业布置

1.离散型分布的定义及类型？

2.连续分布的类型及适用条件？

3．排队系统的主要组成部分及主要指标。

4.跟驰理论的定义？

5.非自有状态车队的特性？

八、教学答疑、记录

九、教学反思

授课章节：

第5章道路通行能力（1-4节）

一、教学目的和要求

知识目的：

掌握高速公路基本路段通行能力，区段通行能力，交叉道通行能力的特性及区别。

能力目的：

能够根据实际交通流选择合适的高速公路管制及分流措施。

二、教学重点和难点

教学重点：

高速公路基本路段通行能力，区段通行能力，交叉道通行能力的特性

教学难点：

高速公路基本路段通行能力，区段通行能力，交叉道通行能力的区别

三、授课学时

4课时

四、授课方式

讲授

五、教学内容与教学组织设计

（一）导入新课

进行通行能力分析的主要目的是求得道路在不同运行质量情况下1h所能通行的最大交通量，通行能力分析过程将公路规划、设计及交通管理等与运行质量联系起来。

那么高速公路的通行能力有什么特点呢？

（二）新课教学

第一节概述

一、通行能力概述

1、通行能力