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1、第42卷第1期2016年1月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.42 No.1Jan. 2016基于运行效率的通行能力计算方法邵长桥1,郑加菊1,张 可2(1.北京工业大学北京市交通工程重点实验室,北京 100124; 2.北京市交通运行监测调度中心,北京 100161)摘 要:在分析传统的快速路通行能力定义不足的基础上,定义了运行效率作为快速路的运行评价指标,并引入了基于运行效率最大化的快速路通行能力定义与计算方法.新的通行能力定义不仅考虑了快速路的运输能力,更强调了其运输效率.结合交通流理论模型和实测数据,从交通效率
2、和交通发生中断概率2个方面对传统通行能力和基于运行效率的通行能力作了比较.结果表明:新的通行能力定义比传统通行能力更合理.关键词:通行能力;运行效率;交通中断;交通稳定性中图分类号: U 491文献标志码: A文章编号: 0254 -0037(2016)01 -0107 -05doi: 10.11936/ bjutxb2015060030收稿日期: 2015-06-11基金项目:国家“973”计划资助项目(2012CB723303)作者简介:邵长桥(1972 ),男,副教授,主要从事交通流理论、道路通行能力、交通数据分析方面的研究, E-mail: shaocqbjut. edu. cnFre
3、eway Capacity Estimation Method Based onTraffic Operational EfficiencySHAO Changqiao1, ZHENG Jiaju1, ZHANG Ke2(1. Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2. Transportation Operations Coordination Center, Beijing 100161, China)Abstract: B
4、ased on the analysis of deficiency of traditional definition of freeway capacity, trafficoperational efficiency was introduced as the index for the freeway operation and a new definition forfreeway capacity was developed based on the operational efficiency. Due to the fact that vehicle-carryingabili
5、ty and efficiency are taken into account, the new defined capacity has more advantages. Combinedwith the traffic theory model and field data, the traditional definition of freeway capacity and the newdefined capacity were compared in aspects of traffic operational efficiency and probability of traff
6、icbreakdown. It is concluded that the new defined capacity is more rational.Key words: capacity; traffic operational efficiency; traffic breakdown; traffic stability道路通行能力作为交通规划、运营与管理的基础,一直是交通工程研究的一个重要课题.许多发达国家对此开展了研究,其中最有影响的是美国的道路通行能力手册1.手册给出的通行能力和服务水平分析方法为分析道路设施的运行状况提供了基础,并被许多国家采用.但是,越来越多的研究表明,手册中
7、定义的通行能力和计算方法存在着明显的不足2-6:1)交通流不能在流率接近通行能力状态下保持长时间运行,并在很短时间内交通流会从稳定状态变成非稳定状态. 2)当交通需求达到通行能力时,交通中断发生概率较高.研究表明,当交通需求达到通行能力时,发生交通中断的概率高达70%.因此,按照手册定义的通行能力难以用于评价交通设施的运行效率. 3)基于上述定义的通行北 京 工 业 大 学 学 报2016年能力存在“通行能力二值”现象5-6. 4)手册中定义的通行能力定义只是基于交通设施的物理的疏导交通能力,没有考虑交通设施的道路功能.针对城市快速路而言,其不仅要求具有较大的运输能力,还要求车辆保持较高的运输
8、效率(快速运行).快速路通行能力分析结果表明7,当交通需求接近通行能力时,其运行平均速度只有40 km/ h,与快速路高效率运输要求相违背.此外,当交通运行速度下降后,交通排放的污染物也会增加,对环境污染也会产生较大影响8.因此,有必要对快速路的通行能力定义和计算方法进行研究.本文综合考虑了快速路运输能力运输效率,定义了运行效率评价指标,并在此基础上给出了快速路通行能力定义和计算方法.1 传统的快速路通行能力定义和计算方法目前,传统的快速路通行能力是美国通行能力手册1给出的定义:在通常的道路、交通和管制条件下,在一定的时间段内能合理地期望车辆通过车道、道路中某一点或均匀断面的最大小时流率.基于
9、上述定义,研究人员提出了多种通行能力计算方法1,9.其中,最常用的2种方法是基于速度-流量(密度-流量)模型方法1和流率统计方法8.速度-流量(密度-流量)模型方法是通过观测到的速度、流量数据,应用回归分析的方法拟合得到速度-流量或密度-流量关系模型,然后计算速度-流量经验关系模型的最大值并作为通行能力值(如图1所示).流率统计方法又可分为基于车头时距方法和基于饱和流率观测方法2种.车头时距法通过估计饱和车头时距,根据车头时距倒数计算通行能力;流量观测法则直接对给定状态下的交通流量进行观测,并计算相应的统计值(均值、中值等)得到通行能力.图1 速度-流率关系模型示意图Fig.1 Speed-f
10、low relationship diagram正如前所述,应用上述通行能力定义和估计方法往往过多地强调了快速路对交通的疏导能力,而没有全面地考虑快速路的运行效率;上述方法计算的通行能力往往不能真实反映交通运行状况.已有的研究表明2,在交通需求到达上述方法计算的通行能力水平时,交通中断发生概率过大,大大降低了通行能力的应用意义.2 基于运行效率的通行能力定义2. 1 交通运行效率的定义快速路作为城市的交通干道,从其交通功能上来说不仅要有较高的疏导交通能力,还应具有快速运行的交通特性,这是城市快速路与一般道路设施的不同.因此,快速路交通运行评价指标应综合考虑其疏导交通能力和运行速度2个方面,而不
11、仅仅强调其通行能力10.另外,快速路既然是一种服务设施,其输出效率应从输出速度(运行速度)和输出率(流量)度量.文献11定义高速公路运行效率为 = q vcm vm(1)式中:为高峰小时时段内的运行效率;q为高峰小时交通流率,辆/ h;v为高峰小时时段内的运行速度,km/ h;cm为最大流率,辆/ h;vm为最大流率对应的运行速度,km/ h.对于给定的路段,cm和vm可以看作常数.因此,式(1)定义的效率主要取决于流率和运行速度.借鉴上述思想,本文定义快速路交通运行效率评价指标为E = q v (2)式中:E为高峰小时时段内的运行效率;q为高峰小时交通流率,辆/ h;v为高峰小时时段内的运行
12、速度,km/ h;从式(2)给出的运行效率定义来看,其综合考虑了交通运量和运输速度双重因素,与“车公里”概念有着相同的内涵.相对于单独用交通量和车辆运行速度来评价交通设施运行效率而言,该指标的优点是明显的.2. 2 基于效率的通行能力定义根据交通流理论12-13,速度可以表示为流量的函数v = f(q), q 0 (3)把式(3)代入式(1)可得E = q f(q) (4)因此,效率E是流量的函数.由交通流理论可知,随801 第1期邵长桥,等:基于运行效率的通行能力计算方法着流量增加速度是下降的,即f(q)是流量的单调减函数,其导数f(q) qE.基于上述3个模型得到的qEqm平均值为:qEq
13、m=0. 873, vEvm=1. 422.3. 2 2种通行能力的可靠性分析如前所叙述,按照传统的通行能力定义,当交通需求接近通行能力时交通中断发生概率较高,这是该定义存在的不足.研究表明4,14-15交通中断发生的概率可用威布尔分布刻画.因此,本研究采用以901北 京 工 业 大 学 学 报2016年表1 两种方法定义的通行能力比较Table 1 Comparison of capacity based on the two kinds of definition理论模型传统方法qm新方法qE结果比较vEvmqEqm格林息尔治v = v (f 1 - kk )jqm = 14 vfkj q
14、E = 29 kjvf 1. 333 0. 889安德伍德v = vfe - kkm qm = vfkme qE = vfkm2 e 1. 649 0. 824德雷克模型v = vfe - (12 - kk )j 2 qm = vfkje qE = vfkj2 4 e 1. 284 0. 908平均值 1. 422 0. 873下形式的威布尔分布刻画交通拥堵发生概率:F(q) (= exp - - q - q0 ) ,q q0 (15)式中:F(q)为交通中断发生的概率;q为交通中断发生的流量;、q0为模型参数.可以求得流量达到qE时不发生交通中断的概率与流量达到qm时不发生交通中断概率比Pn
15、b =1 - F(qE)1 - F(qm)(16)由于qm qE,所以1 -F(qE)1 -F(qm)1.0,即交通流在流量qE水平下平稳运行概率要比流量在qm时概率大.4 应用分析表2与表3分别为应用传统通行能力分析方法和基于运行效率方法给出的参数估计结果(基于北京市三环快速路采集到的内侧1车道交通流数据),进一步计算得到的vm、qm、vE、qE、qm vm和qEvE.从表2与表3给出的结果可以发现vm 40,vE 49 km/ h.应用2种方法计算的qEqm平均值为0. 84,qEvE qmvm.表2 传统方法得到参数估计结果Table 2 Estimates based on tradi
16、tional method模型模型估计vf / (km h -1) vm / (km h -1) qm / (辆 h -1) qm vm F(qm)格林息尔治80 40 2 019 81 164 0. 858安德伍德81 30 2 055 72 141 0. 964表3 基于效率方法得到参数估计结果Table 3 Estimates based on efficiency method模型模型估计vf / (km h -1) vE / (km h -1) qE / (辆 h -1) qE vE F(qE)格林息尔治80 54 1 795 96 212 0. 376安德伍德81 49 1 889
17、 93 128 0. 537此外,根据观测到交通中断发生数据,得到模型(15)参数估计:a =1. 08, =278. 4,q0 =2 068.表2给出了基于传统通行能力定义,并分别应用格林息尔治模型和安德伍德模型计算的通行能力值以及在达到通行能力流量水平交通流发生中断的概率(分别为0. 858和0. 964);表3列出了基于运行效率的通行力计算结果和相应发生拥堵概率(分别为0. 376和0. 537).因此,在基于运行效率方法确定的通行能力对应的流量水平下,无论在交通运行效率方面还是在交通运行稳定性方面都优于传统的通011 第1期邵长桥,等:基于运行效率的通行能力计算方法行能力确定的流量水平
18、,其更具有实际意义.5 结语1)基于运行效率计算的通行能力值约为传统通行能力值的0. 873倍,而2种通行能力状态下对应的速度比为1. 422.因此,新定义的通行能力对应的交通状态运行效率更大,在实际运营管理和设计中更具有实际意义.2)基于运行效率定义的通行能力对应的交通状态发生交通拥堵的概率比传统通行能力对应状态下发生交通拥堵的概率要小得多,运行更稳健.3)本文给出的方法不仅可以用于分析快速路的通行能力,还可以基于运行效率评价交通设施的服务水平,从而制定交通管理措施.因此,在以后的研究中,可以对上述问题进一步分析,完善基于新的通行能力定义分析方法.参考文献:1 Transportation
19、Research Board. Highway capacity manualM. Washington, D. C. : National Research Council,2000.2 ELEFERIADOU L, ROGER P R, WILLIAM R M.Probabilistic nature of breakdown at freeway mergejunctions J. Transportation Research Record, 2001,1484: 80-89.3 OZBAY K, OZGUVEN E E. A comparative methodologyfor es
20、timating capacity of freeway sectionC Proceedingsof the 2007 IEEE, Intelligent Transportation SystemConference. Washington, D. C. : IEEE, 2007: 1034-1039.4 BRILON W, GEISTEFELDT J, REGLER M. Reliability offreeway traffic flow: a stochastic concept of capacityCProceedings of the 16th International Sy
21、mposium onTransportation and Traffic Theory. Maryland: CollegePark, 2005: 125-144.5 LEE F, KWAKU A D. Freeway capacity drop and thedefinition of capacity J . Transportation ResearchRecord, 1991, 1320: 91-97.6邵长桥,张智勇,荣建.快速路瓶颈路段交通特性分析J.北京工业大学学报, 2009, 35(3): 354-358.SHAO C Q, ZHANG Z Y, RONG J. Analys
22、is of flowcharacteristics at freeway bottlenecks J. Journal ofBeijing University of Technology, 2009, 35(3): 354-358.(in Chinese)7北京工业大学交通研究中心.快速路系统通行能力研究报告R.北京:北京工业大学, 2005.8 HESEK F. The dependence of the air pollution from theroad traffic on the speed of the speed of driven carsJ.Contributions to
23、 Geophysics and Geodesy, 2002, 32(3):215-226.9周伟,王秉纲.路段通行能力的理论探讨J.交通运输工程学报, 2001, 1(2): 92-98.ZHOU W, WANG B G. Theoretical study about roadsection capacity J. Journal of Traffic and TransportationEngineering, 2001, 1(2): 92-98. (in Chinese)10 BRILON W. Traffic flow analysis beyond traditionalmethod
24、sC Transportation Research Circular E-C018:Fourth International Symposium on Highway Capacity.Washington, D. C. : Transpartation Research Board,2000: 26-41.11 CHEN C, JIA Z F, VARAIYA P. Causes and cures ofhighway congestionJ. IEE Control Systems, 2001, 21(6): 26-32.12 DELCASTILLO J M, BENITEZ F G.
25、On the functionalform of the speed-density relationship J. TransportationResearch Part B, 1995, 29(5): 373-389.13任福田,刘小明,荣建,等.交通工程学M.北京:人民交通出版社, 2008.14 LORENZ M, ELEFTERIADOU L. Defining freewaycapacity as a function of the breakdown probability J.Transportation Research Record, 2001, 1776: 43-51.15 BRILON W, GEISTEFELDT J, HENDRIK Z M.Implementing the concept of reliability for highwaycapacity analysis J. Transportation Research Record,2007, 2027: 1-8.(责任编辑 张 蕾)111