信號(hào)交叉口兩種車輛折算系數(shù)的研究

1、信號(hào)交叉口兩種車輛折算系數(shù)的研究#李瑞敏1，唐瑾2*（1. 清華大學(xué)交通研究所，北京 100084；51015202530352. 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084）摘要：針對(duì)信號(hào)控制交叉口部分車型折算系數(shù)的確定問(wèn)題，本文利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和對(duì)比分析的方法對(duì)路口進(jìn)口道飽和流量計(jì)算中摩托車和中型客車的折算系數(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)實(shí)地調(diào)查分析，利用車頭時(shí)距法確定了中型客車的折算系數(shù)。針對(duì)摩托車運(yùn)行特點(diǎn)，提出等效飽和流量的方法來(lái)確定摩托車的折算系數(shù)。給出了一定條件下小汽車的車頭時(shí)距和直行進(jìn)口車道的飽和流量值。同時(shí)利用信號(hào)控制理論及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明本文確定的折算系數(shù)與實(shí)際較為相符。關(guān)鍵

2、詞：車輛折算系數(shù)；信號(hào)交叉口；摩托車；信號(hào)控制中圖分類號(hào)：u491research on coefficient of conversion of two kinds vehicle atsignaled intersectionli ruimin1, tang jin2(1. institute of transportation engineering , tsinghua university, beijing 100084;2. department of civil engineering, tsinghua university, beijing 100084)abstract:

3、aimed at the research of coefficient of conversion of middle-car and motorcycle atsignaled intersection, this paper reports a new result. using the field survey data, the coefficient ofmiddle-car is calculated based on the time headway. to the characteristics of motorcycle atsignaled intersection, t

4、his paper presents the method of equivalent saturation flow to calculate thecoefficient of conversion of motorcycle. based on the traffic signal control theory and survey data,the simulation indicates the results is consistent with the fact.key words: coefficient of conversion; signaled intersection

5、; motorcycle; traffic signal control0 引言自從 1965 年美國(guó)在通行能力手冊(cè)1（highway capacity manual，hcm）中首次提出小客車當(dāng)量（passenger car equivalent，簡(jiǎn)稱 pce）的概念以來(lái)，車輛折算系數(shù)就被廣泛用來(lái)處理機(jī)動(dòng)車混合交通流中不同車型之間的統(tǒng)一關(guān)系。由于車輛折算系數(shù)的計(jì)算與道路、交通流、車輛性能等條件相關(guān)，針對(duì)特定的對(duì)象需要進(jìn)行專門的研究。在交通信號(hào)控制中，在信號(hào)配時(shí)優(yōu)化過(guò)程中所進(jìn)行的通行能力的計(jì)算、檢測(cè)交通流量數(shù)據(jù)的處理等過(guò)程中都需要用到車輛折算系數(shù)。本文主要研究信號(hào)控制交叉口處中型客車和摩托車對(duì)于

6、小汽車的車輛折算系數(shù)。4算機(jī)模擬法。具體又可分為數(shù)學(xué)模型法、容量計(jì)算法、速度-流量計(jì)算法、超車率法、延誤計(jì)算法、車頭時(shí)距法、車隊(duì)頭車法、動(dòng)態(tài)車長(zhǎng)法3、動(dòng)力學(xué)模型4等方法，本節(jié)在計(jì)算中針對(duì)不同的車輛特點(diǎn)分別應(yīng)用了車頭時(shí)距法和等效飽和流量計(jì)算法?；痦?xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金新教師基金批準(zhǔn)項(xiàng)目( 批準(zhǔn)號(hào): 200800031059 ); 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金( 50908125)作者簡(jiǎn)介：李瑞敏（1979-），男，山東萊州人，清華大學(xué)交通研究所，副教授，研究方向?yàn)橹悄芙煌刂啤⒅悄芙煌ㄏ到y(tǒng)等. e-mail: lrmin-1-目前的車輛折算系數(shù)的計(jì)算方法主要包括如下三類2：理論模型法、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

7、法和計(jì)401 中型客車折算系數(shù)研究本文在中型客車的折算系數(shù)的計(jì)算中采用車頭時(shí)距法。車頭時(shí)距法是在大流量的車流中（近似飽和車流），取不同車型的車頭時(shí)距，以其不同車型所占的時(shí)間間距為等價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：pcei =hihcar（1）4550式中： hi 某車型的車頭時(shí)距；hcar 小汽車的車頭時(shí)距；車頭時(shí)距法適用于交通量接近通行能力、車輛排隊(duì)行駛時(shí)。在路口交通量較大、紅燈期間路口排隊(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況下，若無(wú)橫向干擾，排隊(duì)車輛在綠燈期間會(huì)以接近飽和流量的狀態(tài)通過(guò)交叉口（扣除啟動(dòng)損失的 2 秒左右且限于排隊(duì)車輛范圍），因此可以利用排隊(duì)車輛的運(yùn)行特征使用車頭時(shí)距法來(lái)進(jìn)行中型客車車輛折算系數(shù)的計(jì)算

8、。筆者在廣州市原廣州大道與花城大道的交叉口進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，取路口北進(jìn)口道（廣州大道）最內(nèi)側(cè)車道（直行車道）為調(diào)查車道，車道寬度為 3.2 米，由于交通管制等因素，該車道 95以上為小汽車和中型車（采用文獻(xiàn) 3 中的分類方法）為主。車型分類如下表 1 所示。55表 1調(diào)查車型劃分表3車型編號(hào)12車型小汽車中客車車型說(shuō)明座位數(shù)7，如：小轎車，小面包車，吉普車等座位數(shù)在 821 之間，如：大面包車，依維柯圖例所取數(shù)據(jù)為車流以接近飽和流量的狀態(tài)通過(guò)路口時(shí)的數(shù)據(jù)。即在調(diào)查時(shí)段內(nèi)，假設(shè)每個(gè)周期該車道紅燈期間最大排隊(duì)長(zhǎng)度為 n ，則所取數(shù)據(jù)為從第 6 輛車開始到第 n 5 輛車為止，第 6 輛車的數(shù)據(jù)表示第

9、 6 輛車與第 5 輛車之間的車頭時(shí)距。由于該交叉口機(jī)動(dòng)車流量很大，60因此每次綠燈可以得到 2030 個(gè)有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下表 2 所示。表 2各類車輛通過(guò)交叉口時(shí)車頭時(shí)距值項(xiàng)目小汽車尾隨小汽車小汽車尾隨中型車中型車尾隨小汽車中型車尾隨中型車取樣數(shù)（n）平均車頭時(shí)距（s）樣本標(biāo)準(zhǔn)差（s）279 74 792.076 2.074 2.2190.776 0.683 0.634182.4600.52295的置信度的置信區(qū)間（s）1.1723.3631.2293.6631.2423.3041.5743.594由以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，在交叉口交通流量統(tǒng)一化計(jì)算過(guò)程中，中型客車的車輛折算65系數(shù)可

10、以取為 pce1.18，這與文獻(xiàn) 3 中所得 1.11 的數(shù)據(jù)有所差異，主要是由于交通運(yùn)行條件不同所致。本文研究的是車輛以接近飽和流量的狀態(tài)通過(guò)交叉口時(shí)的車輛折算系數(shù)，可以用于信號(hào)配時(shí)的設(shè)計(jì)。而文獻(xiàn) 3 中計(jì)算的是非飽和狀態(tài)下通常車道上的車輛折算系數(shù)，無(wú)法用于信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)。同時(shí)也可以近似得到該車道的飽和流量約為 1734 輛（標(biāo)準(zhǔn)小汽車）/小時(shí)。-2-702 摩托車折算系數(shù)研究1978 年中國(guó)民用汽車總計(jì) 135.84 萬(wàn)輛，摩托車總計(jì)為 12.6 萬(wàn)輛。其后摩托車經(jīng)歷了快速發(fā)展到過(guò)程，保有量迅速超過(guò)小汽車，直到 2011 年 10 月，汽車保有量才超過(guò)摩托車保有量5由于摩托車在交叉口的運(yùn)行特

11、點(diǎn)復(fù)雜，也增加了交通控制管理的難度。75表 3 幾個(gè)城市交叉口機(jī)動(dòng)車交通流中摩托車比例城市蕭山6 樂(lè)清7瑞安8順德9大北路口 a摩托車比例1526255867.1%a 該路口為作者在研究過(guò)程中詳細(xì)調(diào)查的路口。在交叉口飽和流量的計(jì)算中，對(duì)于摩托車，webster 給出的系數(shù)為 1/3，而國(guó)內(nèi)部分學(xué)808590者給的是 0.410。在交叉口配時(shí)的實(shí)際運(yùn)用中，筆者發(fā)現(xiàn)這些系數(shù)對(duì)我國(guó)部分城市摩托車比例較大的交叉口而言偏大，因此進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)查研究工作。首先討論一下摩托車在信號(hào)交叉口的運(yùn)行特征。與小汽車相比，在綠燈期間通過(guò)信號(hào)控制交叉口的摩托車具有如下一些運(yùn)行特征：1）啟動(dòng)快；2）運(yùn)行軌跡靈活；3）在路

12、口的運(yùn)行狀態(tài)與路段不同：在綠燈啟亮初期，每條車道并行的摩托車數(shù)（通常 3 輛左右）要大于路段上一條機(jī)動(dòng)車道同時(shí)并行的摩托車數(shù)（通常不大于 2 輛），因此使用觀測(cè)路段連續(xù)運(yùn)行的摩托車的車頭時(shí)距的方法來(lái)計(jì)算摩托車的折算系數(shù)，則對(duì)于路口處的摩托車的折算系數(shù)而言偏大3。在此，從應(yīng)用于交叉口信號(hào)控制的角度出發(fā)，本文提出使用等效飽和流量的方法來(lái)確定路口飽和流量計(jì)算中摩托車的折算系數(shù)，類似于前面提到的容量計(jì)算法2：在同一服務(wù)水平下，通過(guò)交叉口的混合車流的車流量應(yīng)該與純小汽車具有等價(jià)性，即：qb = q m × p × pce m + q m × (1 p)式中：qb 某服務(wù)水平

13、下對(duì)應(yīng)的純小汽車量；qm 某服務(wù)水平下對(duì)應(yīng)的某種混合車流的車流量；（2）95100105p 混合車比例；pce m 混合車型的折算系數(shù)。由于難以確定某一服務(wù)水平下的交通容量，因此該法的應(yīng)用有一定的困難。本文在應(yīng)用該方法的時(shí)候，基于如下前提：某一車道紅燈期間的停等車流在綠燈期間通過(guò)停車線的飽和流率，在道路、交通條件類似的情況下是相同的。筆者在兩個(gè)城市各自選擇了一個(gè)摩托車比例較大的路口進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，一個(gè)是廣州市番愚區(qū)的大北路/環(huán)城中路路口，一個(gè)是中山市的中山三路/華柏路路口，調(diào)查時(shí)間選擇晚高峰時(shí)段的數(shù)個(gè)周期。在調(diào)查期間，選擇綠燈期間車輛以飽和狀態(tài)通過(guò)停車線的時(shí)段為計(jì)數(shù)周期，例如：若綠燈期間讓綠燈

14、開始時(shí)停車線后等待的車輛全部通過(guò)停車線的時(shí)間為 35 秒，則在調(diào)查中取前 30 秒作為統(tǒng)計(jì)周期。選擇如下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：在大北路/環(huán)城中路路口，選擇了 10 個(gè)周期的北進(jìn)口道直行交通流；在中山三路/華柏路路口，選擇了 20 個(gè)周期的南進(jìn)口道直行交通流和東進(jìn)口道直行交通流（這兩個(gè)路口都為 4 相位信號(hào)控制路口，設(shè)置有左轉(zhuǎn)專用信號(hào)相位）。共分析數(shù)據(jù) 45個(gè)，分析結(jié)果如圖 1 及表 4 所示。-3-。在中國(guó)的眾多中小城市中的交叉口交通流中，摩托車占了很大的比例，見表 3。同時(shí)從結(jié)果中可以看出，摩托車折算系數(shù)可以取在 0.220.27 之間，具體數(shù)據(jù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)110查進(jìn)一步確定。表 4 信號(hào)控制交叉口

15、摩托車折算系數(shù)計(jì)算項(xiàng)目摩托車折算系數(shù)取樣數(shù)（n）樣本標(biāo)準(zhǔn)差90的置信度的折算系數(shù)區(qū)間平均值450.1310.0470.500.245108642std. dev = .13mean = .250n = 45.00.06.13.19.25.31.38.44.50.56圖 1摩托車折算系數(shù)分布圖115在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及研究中作者還發(fā)現(xiàn)，由于摩托車在交叉口的運(yùn)行有一定特點(diǎn)，例如啟動(dòng)快、一個(gè)車道可以同時(shí)啟動(dòng)多輛摩托車等特性，可以對(duì)交通管理和控制有一定的指導(dǎo)意義，例如：在摩托車比例較大的路口，可以在停車線后專設(shè)一段摩托車專用等待區(qū)，讓部分摩托車?yán)眯∑嚨钠饎?dòng)延誤時(shí)間來(lái)提前通過(guò)交叉口，這種管理措施可以有以下優(yōu)

16、勢(shì)：1201251301351）在不顯著延誤小汽車啟動(dòng)的同時(shí)可以提高交叉口通行能力，由于摩托車啟動(dòng)較快，可以減少綠燈啟動(dòng)損失時(shí)間，更加充分的利用綠燈時(shí)間；2）由于將摩托車進(jìn)行了相對(duì)的集中，可以近似認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了不同車種的分流，減少了在通過(guò)交叉口的過(guò)程中摩托車與小汽車的穿插等現(xiàn)象，有利于改善交通秩序、提高交通安全。作者在觀測(cè)過(guò)程中對(duì)摩托車在路口處的集散情況進(jìn)行了粗略的記錄，從最后的數(shù)據(jù)處理來(lái)看，紅燈期間在交叉口停車線后、第一輛小汽車前的區(qū)域中如果集中的摩托車越多，則同樣綠燈期間通過(guò)的折算當(dāng)量小汽車車數(shù)越多，可以看到對(duì)通行能力的增大有一定的意義，具體的影響與分析還需進(jìn)行進(jìn)一步的有針對(duì)性的調(diào)查，同時(shí)該項(xiàng)

17、措施的實(shí)施需要有一定的交通工程配合，例如劃出摩托車專用道等，因此對(duì)其進(jìn)行全面綜合的分析還需要進(jìn)一步調(diào)查和研究，本文在此只是對(duì)調(diào)查過(guò)程中所碰到的情況進(jìn)行初步的分析，由于調(diào)查樣本的有限，可能有分析不全面的地方。3 仿真驗(yàn)證為對(duì)本文摩托車折算系數(shù)研究結(jié)果的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，筆者在廣州市番禺區(qū)的大北路/環(huán)城中路路口進(jìn)行了 1 個(gè)小時(shí)的交通流觀測(cè)，記錄所有周期所有進(jìn)口道分車型的交通流量以及相應(yīng)的配時(shí)方案，并記錄各個(gè)周期的排隊(duì)情況。該交叉口有環(huán)形行人、自行車過(guò)街天橋，因此路口范圍內(nèi)地面機(jī)動(dòng)車交通流受行人和自行車影響非常小。交叉口信號(hào)配時(shí)參數(shù)如下表 5 及所示：-4-頻數(shù)表 5相位設(shè)置及配時(shí)參數(shù)相位編號(hào)相位

18、1相位 2相位 3相位 4放行方向 南北左轉(zhuǎn)南北直行東西左轉(zhuǎn)東西直行燈態(tài)綠黃綠黃全紅綠黃綠黃全紅時(shí)長(zhǎng)（秒） 56 4 36 4 3 22 3 22 3 3140145150155160因調(diào)查時(shí)段與分時(shí)段定時(shí)控制中的時(shí)段劃分一致，因此配時(shí)方案在調(diào)查的 1 小時(shí)內(nèi)沒有變化，如上所示配時(shí)方案，周期長(zhǎng)為 156 秒，共調(diào)查 22 個(gè)周期。在調(diào)查過(guò)程中，由于人力所限，在調(diào)查交通流量的同時(shí)，僅僅記錄了各方向進(jìn)口道直行車道的排隊(duì)長(zhǎng)度，共獲得 44個(gè)排隊(duì)長(zhǎng)度的數(shù)值。因?yàn)樵摻徊婵跈C(jī)動(dòng)車交通流的運(yùn)行受自行車和行人影響非常小，因此采用 synchro5.0軟件環(huán)境中進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)，對(duì)其中的部分參數(shù)根據(jù)路口情況進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。發(fā)現(xiàn)在摩托車折算系數(shù)取 0.25 的時(shí)候，仿真結(jié)果與實(shí)際較為相符。下面圖 2 為 44 個(gè)仿真計(jì)算排隊(duì)長(zhǎng)度與實(shí)際排隊(duì)長(zhǎng)度的相對(duì)誤差分布示意圖，從圖中可以看出，最大相對(duì)誤差不超過(guò) 20，平均相對(duì)誤差為 8.07%，說(shuō)明折算系數(shù)取得較為合理。圖 2 排隊(duì)長(zhǎng)度相對(duì)誤差分布示意圖4 結(jié)論交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用