嚴(yán)亞丹, 趙 鵬, 仝 佩, 王東煒

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

0 引言

不同類型道路設(shè)施的交通流特征不同，為便于通行能力、飽和流率計(jì)算以及服務(wù)水平分析等，車輛換算系數(shù)應(yīng)運(yùn)而生。自《Highway Capacity Manual》于1965年提出該概念[1]，學(xué)者們對(duì)換算系數(shù)估算做了許多研究，以將不同類型道路設(shè)施處的各類車輛換算成標(biāo)準(zhǔn)車型(通常指小客車，即passenger car unit，簡(jiǎn)稱pcu)。Raj等對(duì)國(guó)外車輛換算系數(shù)估算方法進(jìn)行綜述[1]，總結(jié)了不同類型道路設(shè)施背景下的估算方法，包括城市道路基本路段處的速度模型[2-3]、空間占有率法[4]、多元線性回歸模型[5]和公路基本路段處的車頭時(shí)距模型[6]、流率和密度法[7]、延誤法[8]、仿真建模法[9]等以及交叉口處[10-11]的估算方法。討論了目前存在的問題和挑戰(zhàn)[1]：(1)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集主要采用攝像機(jī)，位置點(diǎn)和視頻錄攝角度可能會(huì)影響數(shù)據(jù)的樣本；(2)隨著技術(shù)的快速發(fā)展，車輛類型更加多樣化；(3)公路交織區(qū)、環(huán)形交叉口等的車輛換算系數(shù)估算極少涉及。國(guó)內(nèi)車輛換算系數(shù)的研究對(duì)象包括城市道路路段、快速路匝道合流區(qū)、交叉口進(jìn)口道等。薛行健[12]研究了快速路匝道處的車輛充分加速匯入、停車匯入模式，提出了相應(yīng)的車輛換算系數(shù)建議值。李紅偉和陸鍵[13]以跟車狀態(tài)的平均車頭時(shí)距代替路段總流量的平均車頭時(shí)距，從而改進(jìn)了傳統(tǒng)的車頭時(shí)距法。亦有學(xué)者開展了高速公路基本路段上的車輛換算系數(shù)研究。付強(qiáng)等[14]采用VISSIM，基于小客車速度構(gòu)建了車輛換算系數(shù)模型。敖谷昌等[15]基于時(shí)間占有率，提出了車輛折算系數(shù)的回歸分析模型。孫山等[16]將車輛聚類分型，依據(jù)不同類型車輛間的車頭時(shí)距，重新推導(dǎo)了車輛換算系數(shù)的計(jì)算模型。曲大義[17]定義了交通密集度，并將其作為動(dòng)態(tài)車輛換算系數(shù)的計(jì)算參數(shù)。此外，徐建閩等[18]基于宏觀基本圖曲線，從路網(wǎng)全局的角度研究了大型車的車輛換算系數(shù)?？偨Y(jié)可知，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀極少涉及公路接入口處的車輛換算系數(shù)問題，且目前的接入口設(shè)計(jì)亦缺少明確具體的規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化步伐加快，城鎮(zhèn)化公路現(xiàn)象大量涌現(xiàn)，表現(xiàn)之一為兩側(cè)接入口的進(jìn)出車輛逐漸增多。由于缺少渠化設(shè)計(jì)和信號(hào)控制，接入口設(shè)施處駛?cè)牍仿范蔚能囕v對(duì)路段外側(cè)車道交通流運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。本研究擬采用無人機(jī)航拍采集數(shù)據(jù)，基于交通流和車輛運(yùn)行狀態(tài)，開展從公路接入口處駛?cè)牍仿范蔚能囕v動(dòng)態(tài)換算系數(shù)估算方法研究。

1 公路接入口處車輛運(yùn)行特征

接入道路是實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)可達(dá)功能的“首末端”道路類型，其與公路平面交叉形成公路接入口?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)將“路線交叉”分類為公路與公路平面交叉、公路與公路立體交叉、公路與鐵路相交叉、公路與鄉(xiāng)村道路相交叉，面向等級(jí)公路和鄉(xiāng)村道路，未提及公路接入口。這里借鑒已有文獻(xiàn)[19]，定義公路接入口為：服務(wù)于公路兩側(cè)的企事業(yè)單位、居住小區(qū)、商服用地、公共用地、物流倉儲(chǔ)用地或村鎮(zhèn)等的接入道路與公路相交所形成的無信號(hào)控制平面交叉，通常為T型。接入道路通常由兩側(cè)土地利用的開發(fā)商或使用者建設(shè)而成，并用于該土地利用發(fā)生、吸引的交通，通常屬于非等級(jí)道路的范疇。

接入口對(duì)公路路段的交通運(yùn)行影響主要是由于車輛在駛?cè)搿Ⅰ偝鲞^程中，需要占用公路路段的時(shí)間與空間資源。車輛占用公路路段的時(shí)間長(zhǎng)短，主要受車輛的制動(dòng)性能影響；空間占用則主要與車輛的尺寸有關(guān)。不同尺寸的車輛，轉(zhuǎn)彎半徑存在較大差異。小貨車和小客車由于車型小，機(jī)動(dòng)性好，通常情況下，駛?cè)搿Ⅰ偝鲞^程僅需占用公路路段最外側(cè)的1個(gè)車道，如圖1(a)所示；且進(jìn)出過程所花費(fèi)的時(shí)間短，影響范圍小。但大貨車需要占用2個(gè)車道，十幾米長(zhǎng)的汽車列車甚至占用4個(gè)車道，影響范圍和程度均很大，如圖1(b)所示。

圖1 公路接入口處匯入路段的車輛類型Fig.1 Vehicles types at highway accesses

沿線用地通過接入道路與公路銜接，平面交叉時(shí)形成接入口。接入口處，車輛行為主要包括車輛駛?cè)牒蛙囕v駛出。駛?cè)胄袨橹附尤氲缆飞系能囕v從接入口處開始進(jìn)入公路路段到車輛在公路路段上把車身擺正的過程；駛出行為則指公路路段上的車輛由開始轉(zhuǎn)彎到車尾完全離開公路路段進(jìn)入接入口的過程。

2 公路接入口處駛?cè)胲囕v動(dòng)態(tài)換算系數(shù)估算方法

2.1 車型劃分

采用小客車作為標(biāo)準(zhǔn)車型。進(jìn)而根據(jù)公路及接入口處的車輛類型特點(diǎn)進(jìn)行分類，分類后的車型既要反映車型特點(diǎn)，亦要有利于后期數(shù)據(jù)處理。《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)中給出了4類車輛類型的換算系數(shù)，即小客車、中型車、大型車、汽車列車。而實(shí)際中，客車與貨車的動(dòng)力性能不同，道路時(shí)間和空間資源的占用情況亦有所不同，宜分開考慮，如表1所示。

表1 城鎮(zhèn)化背景下公路上的車輛類型劃分

2.2 公路基本路段上車輛換算系數(shù)

公路路段上最常用的車輛換算系數(shù)估算方法為車頭時(shí)距法。但不同車型組合的車頭時(shí)距差別較大，獲得混合交通中各種車輛類型的車頭時(shí)距數(shù)據(jù)具有一定難度[1, 20]；尤其是在車流不穩(wěn)定狀態(tài)下，車頭時(shí)距更難獲取，且誤差較大[20]。故可采用通行耗時(shí)衡量車輛通過公路斷面的能力，即通過某公路斷面所耗費(fèi)的時(shí)間。該指標(biāo)由車身長(zhǎng)度、車輛行駛速度兩個(gè)因素決定。速度與車型動(dòng)力性能相關(guān)；從宏觀角度而言，速度主要受制于路段總體交通流狀態(tài)的影響；從微觀角度分析，速度尚受到其與前車、后車間距，以及前車、后車速度的影響，且該影響是相互的[21-23]，在某種程度上反映了車輛與車輛之間的相互制約程度。此外，不同寬度的車輛在行駛時(shí)占用道路寬度不同，為了避免與其他車輛沖突，駕駛員會(huì)考慮一定的側(cè)向空間保證車輛快速平穩(wěn)運(yùn)行。故應(yīng)有一個(gè)反映這種橫向道路空間資源占用的系數(shù)對(duì)通行耗時(shí)法進(jìn)行修正。

構(gòu)建公路基本路段上車輛換算系數(shù)PCEi的估算公式如下：

(1)

(2)

公路基本路段上的交通流率則為數(shù)據(jù)采集時(shí)間段內(nèi)，各車型的車輛數(shù)與其換算系數(shù)的乘積和，即：

(3)

式中，n為車輛類型數(shù)量；i為車型編號(hào)，i=1，2，…，n；q為當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)小客車流率；qi為車型i的車輛數(shù)；PCEi為車型i的車輛換算系數(shù)。

2.3 公路接入口處駛?cè)胲囕v換算系數(shù)

公路接入口處，車輛換算系數(shù)主要用于分析車輛匯入過程中對(duì)公路路段交通流所造成影響的程度和差異。故將該處車輛換算系數(shù)定義為：與標(biāo)準(zhǔn)車型小客車相比，在特定的交通條件下，公路接入口處的車輛在駛離接入口并匯入公路路段的過程中對(duì)其交通流影響的當(dāng)量值。該影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：(1)空間資源占用，體現(xiàn)在對(duì)臨近接入口的公路路段上車道的占用；(2)時(shí)間資源占用，體現(xiàn)為占用公路車道上的停留時(shí)間。基于此，構(gòu)建接入口處駛?cè)牍仿范蔚能囕v換算系數(shù)PCEi′的估算公式為：

(4)

3 實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

以鄭州市含路側(cè)接入口的某G107公路路段為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。該接入口服務(wù)于路側(cè)的大型物流倉儲(chǔ)園區(qū)，進(jìn)出車輛類型較多。采用大疆無人機(jī)PHANTOM 4 PRO V2.0，在接入口上方120 m進(jìn)行高空錄制視頻，鏡頭以垂直視角錄制公路路段及接入口處車輛運(yùn)行情況，如圖2所示。為了獲取從自由流到強(qiáng)制流的全樣本空間，調(diào)查期間，在每天的6:00—18:00之間，從中隨機(jī)抽取時(shí)段進(jìn)行調(diào)查，并非在此期間進(jìn)行不間斷調(diào)查；隨機(jī)抽取的調(diào)查時(shí)段的總和為22 h(如表2所示)，由于采用無人機(jī)拍攝視頻，電池約每20 h需要更換一次，故去除更換電池所花費(fèi)時(shí)間，總有效調(diào)查時(shí)長(zhǎng)為15.8 h。

圖2 調(diào)查路段和接入口Fig.2 Survey highway section and access

3.2 數(shù)據(jù)處理

交通流率反映了短時(shí)間內(nèi)交通流狀態(tài)，確定流率的合理統(tǒng)計(jì)間隔宜以樣本空間盡可能大為目標(biāo)。

表2 調(diào)查時(shí)段分布

已有文獻(xiàn)中的統(tǒng)計(jì)間隔有所不同，如20 s[24]、2 min[25]等。對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)，分別采用5,3 min和1 min的流率作為統(tǒng)計(jì)間隔，隨機(jī)選取30個(gè)樣本，將交通流量樣本從小到大排序，如圖3所示。當(dāng)統(tǒng)計(jì)間隔為1 min時(shí)，得到小時(shí)交通流量樣本區(qū)間為[936，5 304]；統(tǒng)計(jì)間隔為3 min時(shí)，樣本區(qū)間為[951，4 649]；統(tǒng)計(jì)間隔為5 min時(shí)，則為[1 163，3 835]?？紤]到統(tǒng)計(jì)間隔過短難以記錄車輛運(yùn)行的微觀過程，選擇3 min作為統(tǒng)計(jì)間隔。

圖3 不同統(tǒng)計(jì)間隔下交通流量區(qū)間Fig.3 Traffic volume range under different statistics time intervals

在統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)，利用車輛及行人數(shù)據(jù)采集與分析軟件(Simi Motion)，建立與實(shí)際尺寸相同的坐標(biāo)系，得到不同類型駛?cè)胲囕v的尺寸參數(shù)、占用車道數(shù)、占用時(shí)間等；進(jìn)而通過視頻的處理分析，計(jì)算得到車輛通行時(shí)耗、行駛速度、車頭時(shí)距等參數(shù)。

3.3 接入口處駛?cè)胲囕v換算系數(shù)計(jì)算和分析

由于服務(wù)用地為物流倉儲(chǔ)園區(qū)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，接入口處進(jìn)出的車輛類型包括小客車、小貨車、中型貨車、大型貨車和汽車列車5種，對(duì)接入口處駛?cè)牍返母鬈囆蛙囕v換算系數(shù)隨路段交通流狀態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，如圖4～圖8所示。其中，占用車道編號(hào)如圖2所示。

圖4 接入口處的小客車Fig.4 Cars at access

圖5 接入口處的小型貨車Fig.5 Small trucks at access

圖6 接入口處的中型貨車Fig.6 Medium trucks at access

圖7 接入口處的大貨車Fig.7 Large trucks at access

圖8 接入口處的汽車列車Fig.8 Truck combination at access

由圖4～圖8可知：

(1)對(duì)于5種車型的換算系數(shù)，汽車列車>大貨車>中貨車>小貨車>小客車，符合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)里建議的車輛換算系數(shù)與車型關(guān)系的趨勢(shì)。

(2)接入口處，隨著路段流量增大，各駛?cè)胲囆偷能囕v換算系數(shù)增大；且在駛?cè)脒^程中占用的車道數(shù)越多，車輛換算系數(shù)值越高。

(3)接入口處，隨著公路路段上的交通流速度增大，各駛?cè)胲囆偷能囕v換算系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，在40 km/h左右處呈分界。主要是由于：

當(dāng)公路路段上的交通流速度較低時(shí)，車流密度較大，此時(shí)處于飽和流狀態(tài)，車隊(duì)行駛緩慢，駛?cè)胲囕v難以匯入交通流，對(duì)公路路段交通運(yùn)行影響的范圍亦較小，如圖9所示。

圖9 車輛駛?cè)牍仿范螘r(shí)的交通影響(飽和流)Fig.9 Traffic influence of vehicles entering highway section (in saturated flow)

當(dāng)車流速度較高時(shí)，交通密度低，接近自由流狀態(tài)，車輛之間的間距較大，接入口駛?cè)胲囕v對(duì)公路路段的影響均較??；但在駛?cè)霑r(shí)，因車道選擇性較大，常占用多個(gè)車道，故仍可對(duì)公路路段上的個(gè)別車輛產(chǎn)生影響，如圖10所示。

圖10 車輛駛?cè)牍仿范螘r(shí)的交通影響(自由流)Fig.10 Traffic influence of vehicles entering highway section (in free flow)

而在介于自由流和飽和流之間的穩(wěn)定流狀態(tài)時(shí)，車輛較多，間距介于自由流和飽和流之間，接入口的車輛駛?cè)牍仿范螘r(shí)較為方便，但常對(duì)公路路段上連續(xù)的多輛車輛同時(shí)產(chǎn)生影響，故此時(shí)的車輛換算系數(shù)亦相對(duì)較大，如圖11所示。

圖11 車輛駛?cè)牍仿范螘r(shí)的交通影響(穩(wěn)定流)Fig.11 Traffic influence of vehicles entering highway section (in steady flow)

4 結(jié)論

基于城鎮(zhèn)化公路的特點(diǎn)，研究了接入口處車輛駛?cè)脒^程對(duì)公路路段的交通影響，分別提出了公路路段和接入口車輛換算系數(shù)的估算方法。接入口處車輛駛?cè)刖哂休^為明顯的時(shí)空資源占用特點(diǎn)，且車型越大、車輛占用的車道數(shù)越多，影響的范圍和程度越大。以小客車為標(biāo)準(zhǔn)車型，基于通行時(shí)耗，提出了公路路段車輛換算系數(shù)估算方法；考慮占用路段上車道時(shí)空資源的特征，提出了接入口處車輛換算系數(shù)估算方法。后續(xù)將結(jié)合其他土地利用類型的接入口進(jìn)行更多實(shí)例驗(yàn)證和對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上開展公路通行能力和服務(wù)水平的分析研究。