车辆折算系数研究
第37卷第12期 2004年12月
土 木 工 程 学 报CHINA CIVIL E NGINEERING JOURNAL
Vol 137 No 112Dec 1 2004
车辆折算系数研究
王 进 唐忠华 陆化普
1
2
1
(1. 清华大学, 2. 北京市交科公路勘察设计院)
摘要:城市道路交通流通常以混合机动车流为主, 对混合交通流进行分析, 要有一个统一的标准来计量道路上行驶的车辆。本文从定义动态车长入手, 提出了基于通行耗时、分行驶状态计算车辆折算系数的计算方法, 并利用该方法对城市交通流调查数据进行了计算, 得到的城市道路机动车交通流的车辆折算系数值合理。关键词:动态车长; 通行耗时; 车辆折算系数中图分类号:U491 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2004) 12-0097-06
STUDY ON VEHICLE CONVERSION C OEFFIC IENTS
Wang Jin Tang Zhonghua Lu Huapu
1
2
1
(1. Tsinghua University, 2. Beijing JiaoKe Road Survey and Designing Institute)
Abstract :The traffic flow on the urban roads usually is the mixed traffic strea m. To analyze the mixed traffic volume, a un-i fied standard of the vehicles is needed. The paper put forward the definition of the dyna mic length of vehicles. Based on the
passing time, the paper proposed the calculation method of the vehicle conversion coefficients under different driving state. Then the vehicle c onversion coefficients are obtained using the traffic survey data. Keywords :dynamic length of vehicles; passing time; vehicle conversion coefficients
1 引 言
城市道路上交通成分各异, 具有不同动力特性、外形尺寸和行驶行为的车辆混合行驶形成交通流, 而对交通流进行研究时希望能够有一个统一的标准来计量道路上行驶的车辆。如何把这些差异通过一定的换算关系统一起来, 是混合交通流特性研究的重要内容。1965年在美国的5通行能力手册6
[1]
2 车辆折算系数概念
HC M 中关于车辆折算系数的定义只是说明了小客车在通常道路条件下车辆折算系数的含义, 而没有包括车辆折算系数的全部内容。另外, 此定义虽明确说明PCE 是当量值, 却没有明确说明当量的基础, 所以在具体的PCE 算法中, 提出了以速度、司机感受、车头间距、车道占有率、延误、驾驶自由度等多种交通流参数为基础的算法。可见, 在讨论车辆折算系数之前, 有必要明确车辆折算系数的定义。
在PCE 定义中, 将道路条件限定为通常情况, 这种定义是不完整的。由于道路条件的不同, 特别是道路等级、纵坡坡度和坡长的不同, 会导致各车型对交通流的影响发生很大的变化, 所以通常道路条件下的当量值应该只是车辆折算系数研究的一个方面, 除此之外, 车辆折算系数研究还包括各种坡度、坡长以及交通组成等特定条件下的当量值问题。这一点可以在1965、1985及1994年出版的各版HC M 中得到部分验证。在HCM 的/高速公路基本路段0一章中, 不仅给出了一般地形条件下各车型的PCE 值, 还给出了在各种道路形式, 特定的坡度、坡长和货车所占, [2]
(Highway
Capacity Manual, 简称HC M) 中首次提出了小客车当量(Passenger Car Equivalent, 简称PCE) 这一概念, 定义为在通常的道路条件下, 交通流中货车或公共汽车相对于小汽车的数目。这一思想和方法被世界各国广泛采用。但由于各国的交通流组成不一样, 车辆的行驶特性也不一致, 城市道路车流和公路存在差异, 同一地点的不同时期的交通流运行状况也不相同, 所以, 针对特定的对象需要进行专门的研究。本文以中国现状城市混合机动车流为研究对象, 确定城市混合机动车流中标准车型和非标准车型的车辆换算系数。
# 98 # 土 木 工 程 学 报2004年
中没有明确提出。
PCE 的定义以小客车为标准车, 建立货车或公共汽车与小客车的当量关系, 这与国外小客车在道路交通中占主流, 且车型相对较少的实际情况吻合。而在我国道路上行驶的车辆类型多, 交通组成差异大, PCE 的内容就明显不足了。在车辆折算系数的讨论构成中, 不单单小客车可能成为标准车, 其他车型也可能成为标准车, 这由研究对象的交通组成来决定。但标准车的选择并不是车辆折算系数讨论的重点, 车辆折算系数主要是研究各种车型的车辆对交通流流量造成影响的差别。在相同的道路、交通条件下, 不管标准车如何选择, 车辆折算系数反映的各车型对交通流流量影响的相互关系都相同。
车辆折算系数是在通行能力研究中提出的, 用于混合交通流与标准车流之间流量的换算, 为的是使各道路、交通条件下的混合交通量之间具有可比性。可见, 车辆折算系数的当量关系应该建立在混合交通流和标准车流的流量之间。也就是说, 不论车辆折算系数算法的计算标准如何选择, 车辆折算系数最终都应该在现实交通流与理想交通流的流量之间建立等量关系。
综上所述, 将车辆折算系数定义为标准车当量系数更为准确一些, 其具体定义为:在特定的道路条件以及交通组成条件下, 所有非标准车相当于标准车对交通流流量影响的当量值。
图1 车流量与服务水平的关系Fig 11 The relations of traffic volume and LOS
(Level of Service)
PCE =
(q b P q m -1)
+1
p
(2)
式中, q b 为某服务水平下对应的小汽车流量; q m 为某服务水平下对应混合流的车流量。
312 经验计算法
目前, 许多手册给出的PC E 值都是经验数据值。经验计算法有很多种, 处于不同的观点和不同的角度得出的方法各不相同, 而且, PCE 的值也有较大的差异。不同的PCE 经验计算方法如图2所示。
3 车辆折算系数计算方法回顾
自PC E 的概念被提出之后, 许多人在这方面进行了广泛深入的研究和探讨, 确定了不少计算PCE 的方法, 从总体上说, 这些方法可以分为3大类:即理论模型法、经验计算法和计算机模拟法。311 理论模型法
只考虑载重汽车和小汽车之间的关系, 其它车型的车辆可以依此类推。
首先, 考虑两个稳定的交通流:无载重车的纯小汽车流和有一定载重车比例的混合车流, 混合流中载重车的混入率为p , 根据服务水平与车流量之间的对应关系, 在给定的服务水平下, 对应着不同情况的两种车流量分别为q b , q m , 如图1所示。
随着车流量的增大, 服务水平降低。可以看出混合车流服务水平的降低速率比纯小汽车流要大。在同一服务水平下, 混合车流的车流量应该与纯小汽车车流量具有等价性, 即
=q m (([4]
[3]
图2 PCE 经验计算方法分类
Fig 12 The sum -up of the experiential calculati on methods of PCE
313 计算机模拟法
计算机模拟法是通过数学分析或物理建模, 在计算机上进行模拟计算。此方法可以求得不同车型在各种情况下的PCE 值。然而, 这种方法不能脱离实际的试验与观测, 它可以分析归纳理论与实际的差别, 并可方便地对理论进行修改, 这是现代科技的新模式。
4 国内车辆折算系数研究现状
411 相关规范规定
,
第37卷 第12期王进等#车辆折算系数研究#99#
美国HC M 研究成果的情况。1997年交通部颁布的5公路工程技术标准6(JTJ 001-97)
[5]
系数作出规定外, 还给出了标准货车换算系数、公共交通标准汽车换算系数和非机动车换算系数。其中对当量小汽车换算系数的规定见表4。
表3
5城市道路设计规范6(CJJ 37-90) 规定的路段车种换算系数
Table 3 The conversion coefficients of vehicle kinds in links provided in 5Design Criterion of Urban Roads 6(CJJ37-90)
车种换算关系
小客车1
普通汽车115
绞接车2
指出/由于我
国道路通行能力研究尚处于起步阶段。因而提出新的车辆折算系数的时机还不成熟, 考虑到公路规划建设
的需求与车辆折算系数选用的连续性, 目前, 仍延用以中型载重汽车为标准的车辆折算系数0, 其值列于表1。
表1 97版5公路工程技术标准6规定的各级
公路通用的车辆折算系数
Table 1 The general vehicle conversion coefficients of kinds of grades of roads provided in 5the standard of technology
of road engineering 6o f 97edition
车型换算系数
中型汽车110
小客车015
拖挂车115
摩托大中小型畜力人力车015
拖拉机110
车210
车015
自行车011
这些规范规定的数值基本是借鉴国外的研究成果, 这些成果是否适用于中国的交通条件, 还需要进一步的验证。而相关的研究主要是针对公路展开的,
对于城市道路的折算系数研究很少。412 其他研究
除了大规模的研究项目外, 一些高校和科研院所也对车辆折算系数的计算方法进行了研究, 并取得了一些成果。
文献[3]认为PC E 完全取决于车辆的动力性能, 因为在宏观交通流系统中, 速度是最为关键的因素, 而造成速度不同的主要原因是汽车的动力性能不同。汽车的动力性能用动力因数来描述, 若两类车的动力因数不同, 则PCE 可定义为:
PCE i =D i P D s =K
式中:PCE i ) 某车型的PCE 值;
D i ) 某车型的动力因数值; D s ) 标准车的动力因数值。
动力因数受汽车本身结构的限制, 在不同的档位下, 不同的速度下, 取值是不同的。动力因数D 的计算式为:
D =
F t -F w
G
(4) (3)
2001年5公路工程技术标准6的修订项目开始, 由交通部公路司和中国工程建设标准化协会公路工程委员会承担, 到目前已完成了送审稿, 内容涉及到了标准车型和折算系数。5送审稿6拟将标准车型修改为小型车, 提供了用于公路建设前期阶段的车辆折算系数, 但是大型车和拖挂车对于小型车的折算系数, 仍采用597标准6中的规定值。具体规定为:
表2
5送审稿6规定的车辆折算系数
in 5draft plan 6
代表车型车辆折算系数小型车轻型车中型车大型车拖挂车
[**************]
车型说明
[9座的客车和载质量[1t 的货车9~19座的客车和载质量>1t~[215t 的货车>19座的客车和载质量>215t~[7t 的货车
载质量>7t~[14t 的货车载质量>14t 的货车
Table 2 The vehicle conversion coefficients provided
对于城市道路, 相关的规范对车辆折算系数也作出了规定, 5城市道路设计规范6(CJJ37-90)
[6]
规定
式中:F t ) 汽车的牵引力;
F w ) 汽车的风阻系数;
G ) 汽车的总重量。
PC E 计算的动力学模型是从一个新的角度提出的计算方法。但是方法考虑的动力性能的决定因素不够全面, 且该方法无法考虑到道路条件和驾驶员的影响。
/机动车道通行能力按单位时间通过道路某断面的小客车数计; 中、小城市小型汽车很少时, 可按普通汽车计。0并分别对路段和平面交叉口的车种换算系数作了规定, 其中路段的车种换算系数见表3。1995年发布的5城市道路交通规划设计规范6
[7]
(GB50220-95) ) 对车辆折算系数作出了更为详细的规定。车型的划分更加细化, 除对当量小汽车换算
表4
5城市道路交通规划设计规范6(GB 50220-95) 规定的当量小汽车换算系数
Table 4 The car conversion coefficients provided in 5Design Criterion of Transportation Planning o f Urban Roads 6
车种换算系数
自行车012
二轮摩托车
014
三轮摩托或微型汽车016
小客车或小于3t 的货车110
旅行车112
大客车或小于9t 的货车210
9~15t 货车
310
绞接客车或大平板
托挂货车410
# 100 # 土 木 工 程 学 报
表5 制动距离计算公式
2004年
5 车辆折算系数计算方法
通过以上分析可知, 国外对车辆折算系数的研究已有很长时间, 提出了很多方法, 但是大部分方法仅是停留在理论分析层面上, 很少有实用分析, 一些方法所需的数据搜集更是非常困难, 难以验证。国内的研究起步较晚, 在借鉴国外经验的基础上, 也提出了一些独特的算法, 但这些算法在适用性上还有一定的局限。良好的算法应该是模型简单、数据采集便捷、实用性强、具有一定普适性、理论分析和实测数据相结合的模型。
511 动态车长及相关因素
车辆在道路上行驶时, 所占用的道路空间并不仅仅只是车体本身所占用的空间, 车辆前方的一段距离, 也是车辆正常行驶所必需的, 这段距离称为行驶前距, 用D 表示, 行驶前距加上车辆本身的车长, 称为车辆的动态车长, 用L D 表示。如果用L 表示车长, 则这个关系可以写成:
L D =L +D
(5)
行驶前距D 的大小因车辆行驶状态的不同而不同, 但对于以速度v 行驶的某一确定的车型i 来说行驶前距具有最小值D min (v , i ) 。假设道路上车辆处于紧密跟驰状态, 非标准车跟驰标准车的最小安全间隔为该类型车辆的最小行驶前距。最小安全间隔是与车辆的刹车性能有关的, 下面先对车辆制动距离的计算进行讨论, 然后给出最小行驶前距的计算公式。车辆的制动距离是指开始踩到制动踏板到完全停车的距离。它包括制动系统作用时间t 2和制动持续时间t 3内汽车行驶过的距离F U 时, 则制动距离S 为:
t d 2
2(t c 2+) v +S =
316254U
式中:v ) 制动前车辆行驶速度(km P h) ;
U ) 车轮与路面的附着系数;
t c 2, t d 2) 制动系统作用的两个阶段的时间。在制动过程中U 值随不同路面和不同车速而变化, F L 也是变化不定的, t c 2和t d 2也不易测定。因此, 实际上常用下列公式计算制动距离:
S =Av +Bv
2
[8]
Table 5 The calculation formula of braking distance
车 型小型车(G 12t)
制动距离计算公式(m)S =0105v +v 2P 190S =01055v +v 2P 160S =0106v +v 2P 142
由此, 可以得到某车型i 在速度v 下的最小行驶前距D min 的计算公式:
D min (v , i ) =t 1v P 316+(S i -S s ) +L p
式中:t 1) 驾驶员反应时间, 一般取0160~0183s;
v ) 车型i 车辆行驶速度, km P h; S i ) 车型i 车辆的刹车距离, m;
S s ) 标准车以速度v 行驶的刹车距离, m; L p ) 车辆停止后, 两车之间的安全距离, 一般取115~210m 。
当车型i 与标准车同属于制动距离计算公式中的同一车型时, 上式可以简化为:
D min (v , i ) =t 1v P 316+L p
512 行驶状态划分标准和动态车长的确定
车辆在行驶过程中, 总是与前车有一定距离的, 根据这个距离的大小, 可以将车辆的行驶分为三种状
态:可插入状态, 半可插入状态和不可插入状态。如果用L n 来表示行驶车辆与前车的距离。则对于车型i 以速度v 行驶的车辆的行驶状态判断标准为:可插入状态:
L n E D min (v , i ) +D min (v , s ) +L s 半可插入状态:
D min (v , i ) +D min (v , s ) +L s >L n >D min (v , i ) 不可插入状态: L n F D min (v , i )
可插入状态下, 目标车辆与前车的间隔很大, 允许与目标车辆等速度行驶的标准车插入, 而对目标车辆的行驶几乎无干扰。
半可插入状态下, 目标车辆与前车的间隔变小, 与目标车辆等速度的标准车仍能够插入, 但是它的插入会引起目标车辆的减速动作, 以便与插入车辆拉开车距。
不可插入状态下, 目标车与前车的间距很小, 不允许其他车辆的插入, 否则就会发生交通事故。在理论计算上, 不可插入状态下的车辆间隔不应该小于D min (v , i ) , 但在实测中发现, 这种情况确实存在, 这与某些路段粘着条件比较好有关, 也与某些驾驶员的驾驶习惯有关。
在对行驶状态进行分类以后, 就可以分别对各种i (10) (9) (8)
。
当车辆最大制动器制动力F L 达到或超过附着力
(6)
(7)
通过大量的试验测定, 可确定A 和B 的数值。表5是我国制动距离经验计算公式。表中的速度v 的
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长L D i 的计算公式为:
L D (i ) =
L (i ) +D min (v , i ) 可插入状态L (i ) +L n 半、不可插入状态
(11)
于先进行车型合并, 再进行折算系数计算的方法。
兰州的交通流调查共获得13032个有效的车辆数据, 在这些车辆中各车型的数目和比例见表6。从表中可以很清楚地看到, 交通流中最多的四种
车型依次是小汽车、出租车、普通公交和小货车, 其中小汽车的比例超过了40%, 成为车流中的主要车型, 小汽车和出租车之和超过了总量的6成, 由此可见, 城市的车流已经是客运的小型车占主导地位, 因此, 城市混合交通流应该以小汽车作为车流中的标准车型。
对调查得来的数据进行处理后, 才能用于车辆折算系数的计算, 数据处理包括以下几个步骤:计算每辆车的速度、计算每辆车与前一辆车的距离、对行驶状态进行分类、对分类数据进行统计。在获得了各种状态下各车型的通行耗时的统计值后, 就可以利用公式(13) 计算车辆折算系数, 计算的结果此处略。
(13)
50%位通行耗时也叫中位通行耗时, 它表示有一半车辆的通行耗时比该值大, 另一半车辆的通行耗时比该值小。这个数值能比较好的反映整体的通行耗时水平。因此50%位通行耗时计算得到的值可以作为车辆折算系数的取值。
对于一般车辆, 在宽度方向上一条车道只能排列下一辆车, 所以不用考虑车辆在宽度上的差别, 而对于摩托车, 情况就不同了, 按以上方法计算出来的摩托车的折算系数需要在宽度方向进行修正。这主要是由于摩托车的车宽较窄, 一辆摩托车的宽度在017m 左右, 而城市道路的车道宽度为315m~3175m, 一般可并排行驶两辆摩托车。在拥挤情况下, 摩托车也可以从其他车辆间的间隙中穿插行驶, 因此修正系数应该是大于零, 小于1的一个值, 其取值的大小是与总的交通量以及摩托车占总交通量的比例相关的, 当交通量比较小时, 车辆行驶速度快, 摩托车穿插其他车辆的可能性不大, 但随着摩托车占总交通量的比重增加, 摩托车并排行驶的可能性增大, 所以在这种情况下, 修正系数取015~110之间的值。在交通量大, 车流拥挤, 车辆行驶速度缓慢, 摩托车穿插的可能性增加, 这时的修正系数是可能小于015的。修正系数取值的定量研究, 需要相应的数据支持, 本文无法在此进一步深入, 将修正系数取为016。
为便于应用, 应该对每一种车型给出一个统一的折算系数值。将三种行驶状态下的车辆折算系数按样本量的比例加权平均, 可以得到车辆折算系数的加权平均值, 见表7。这个值可作为车辆折算系数的推荐值。
513 车辆折算系数计算公式
车辆折算系数是量化不同车型车辆对通行能力影
[9]
响程度的一种指标, 因此, 分析车辆折算系数可以从车辆通过道路断面的能力来衡量。各种车型的车辆通过道路断面的能力一般是不同的, 这与车辆的大小、动力性能有着密切的关系。而衡量车辆通过道路断面的能力最直观的指标就是车辆通过道路断面所耗费的时间, 这里称之为通行耗时。所以车辆折算系数就等于某车型车辆的通行耗时与标准车通行耗时的比值。计算通行耗时采用的距离是采用前面定义的动态车长, 即:
t i =L D (i ) P v i
车辆折算系数的计算公式为:
PCE i =t i P t s
式中:PC E i ) 车型i 的折算系数;
t i ) 车型i 的通行耗时; t s ) 标准车的通行耗时。
需要指出的是, 由于车辆行驶状态是划分为三种状态, 相对应的就有三组车辆折算系数。将三组系数加权平均后, 得到统一的车辆折算系数取值。
(12)
6 实例计算
在调查中, 我们将车辆分成了11种, 其中特别的把出租车, 小公交车、普通公交和绞接公交车单独分出来, 这是因为在我国的城市交通流中, 公共交通车辆占了相当比重, 同时, 它们的行驶特性都有自己
的特点, 与同型的社会车辆在行驶特征上存在着较明显的差异。出租车的行驶速度一般比社会小汽车的行驶速度要高, 加速减速的反应较快, 因而与前车的间隔相应会小些, 而且出租车的车型比较单一, 动力性能差异小。普通公交车和绞接公交车由于受城市密集站点的限制, 车辆车形庞大, 动力性能也不是太好, 所以行驶速度不高。而小公共由于车形较小, 载客人数不多, 行驶速度相对快一些。对于货车, 没有对车型进行细分, 只划分了两种, 这是因为在城市内部一般都禁行大中型货车, 货物运输基本上由小型货车完成。
在进行车辆折算系数进行计算时, 仍按11种车型进行计算, 而不是事先进行车型合并, 在计算出每种车型的折算系数以后, 如果有数值接近的车型, 可
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表6 各车型数量及比例一览表
Table 6 The number of vehicles and the ratio of vehicles kinds
编号车型车辆数百分比
1出租车32292418
2小汽车54924211
3中客车655510
4大客车475316
5小公共508319
6普通公交13741015
7绞接公交
34013
8小货车1027719
9大中货车
41013
10摩托车150112
2004年
11其他47014
表7 车辆折算系数加权平均值
Table 7 The weighted average value of the vehicle conversion coefficients
车型折算系数
出租车0195
小汽车1100
中客车1111
大客车1163*
小公共1133*
普通公交1177*
绞接公交2142*
*
小货车1101
大中货车1138*
*
摩托车0152*
其他)
注:表格中带有一个/*0号的数据表示有一种行驶状态没有数值, 带两个/*0号的数据表示有两种行驶状态没有数值。这些结果需要更多的观测数据进行修正。
High way Capacity Manual, 1965:25
7 结 语
车辆折算系数是非标准车相当于标准车对交通流流量影响的当量值。这个概念包含两层含义, 即标准车车型的确定和非标准车换算当量值的求取。城市混合交通流中小汽车占绝对多数, 将其定义标准车型。当量值的计算则基于本文给出的通行耗时比值的计算方法。先将观测车辆划分为三种行驶状态, 对三种状态分别计算车辆折算系数, 然后将它们加权平均, 得到统一的车辆折算系数值。并利用调查数据得到了适合于城市混合交通流的各车型的折算系数。
本文在城市混合交通流中车辆折算系数的计算中, 半可插入状态和不可插入状态下的某些车型缺乏足够的观测数据, 所以无法计算折算系数。方法没有考虑沿车道宽度方向上的因素, 这需要对计算得到的摩托车折算系数进行修正, 本文只对修正系数进行了定性的分析, 定量的研究有待进一步深入。
参 考 文 献
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王 进 博士生, 主要研究方向为智能交通系统、城市交通规划等。通讯地址:100084 清华大学交通研究所唐忠华 主要研究方向为道路工程和交通安全。
陆化普 教授, 博士生导师, 主要研究方向交通规划, 交通管理, 智能交通系统。