基于全球定位系統(tǒng)的典型重車行駛性能

付 強(qiáng)，李 曄，楊曉芳，石心怡

（1.同濟(jì)大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.上海理工大學(xué) 交通系統(tǒng)工程系，上海 200093）

近年來，在中國某些快速道路（包括高速公路、城市快速路以及城區(qū)與郊區(qū)交界的快速環(huán)線）路段，由于大量重型車輛的存在，常出現(xiàn)運(yùn)行交通量并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)通行能力而實(shí)際交通狀況卻擁擠不堪的現(xiàn)象，并迫使這些快速道路提前進(jìn)入改造期，大大影響快速道路社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益正常發(fā)揮的同時(shí)，也對我國快速道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)規(guī)劃建設(shè)、高效運(yùn)營管理造成很大沖擊.很多學(xué)者指出，重車的影響被嚴(yán)重低估是造成這一問題的根本原因.根據(jù)我國實(shí)際交通情況，制定合理的重車影響參數(shù)值，從而減少公路建設(shè)中的決策失誤，已經(jīng)迫在眉睫.實(shí)際上，重車對交通流的影響主要原因在于，重車加減速及保持速度的性能通常比小客車差，從而使得交通流內(nèi)跟車、換道行為與常規(guī)交通流不一致，而且這種影響是隨時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的.

為表征重車對交通流的影響，研究者提出車輛折算系數(shù)（passenger car equivalent，PCE）概念，從而將混合交通流轉(zhuǎn)化為單一交通流進(jìn)行研究.國際上對重型車輛的影響的研究，以美國通行能力手冊（Highway Capacity Manual，HCM）為代表［1］，其基本思路為通過車輛折算系數(shù)將重型車輛折算為標(biāo)準(zhǔn)車輛進(jìn)行研究.而確定車輛折算系數(shù)時(shí)，首先通過調(diào)查得到典型車輛在不同坡度、坡長下的行駛性能曲線，然后在對應(yīng)實(shí)際的坡度、坡長時(shí)通過組合坡段求解換算成等效坡度和坡長后再確定車輛折算系數(shù).

車輛折算系數(shù)概念提出后，很多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究，研究的焦點(diǎn)和不同之處在于等效標(biāo)準(zhǔn)、采用方法、影響因素和影響規(guī)律.近年來，PCE的研究應(yīng)該面向服務(wù)水平已經(jīng)成為研究者的共識(shí)［2］，但由于服務(wù)水平的指標(biāo)是多方面的，且這些不同指標(biāo)之間并不能完全對等，因此，車輛折算系數(shù)的研究也存在多種，如基于密度［3－4］、延誤［2］、出行時(shí)間［5］、車頭時(shí)距［6］等.

我國的相關(guān)研究起步較晚，較有代表性的研究為20世紀(jì)80年代由交通部公路科學(xué)研究所主持、南方八省市參加的“混合交通雙車道公路設(shè)計(jì)通行能力研究”，其采用方法為基于實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的多元回歸分析方法.而在設(shè)計(jì)階段所采用的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》則簡單將車輛類型分為5類，每類車型對應(yīng)一固定不變的車輛折算系數(shù)［7］.這無法反映實(shí)際重車的影響，特別是在復(fù)雜地形條件下.而國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究仍集中于等效標(biāo)準(zhǔn)的選取上［2，6］，對我國重車的實(shí)際行駛性能不足的影響重視不夠.相關(guān)研究的滯后，使得在道路設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員不得不直接參考通行能力手冊中的數(shù)值，由此帶來相當(dāng)大的設(shè)計(jì)誤差和投資浪費(fèi).因此，亟需根據(jù)我國的實(shí)際交通組成和地形條件，確立適合我國的通行能力和車輛折算系數(shù)體系.而其中一項(xiàng)重要且必須的工作，則是確定我國典型貨車的行駛性能曲線.

基于以上考慮，本文調(diào)查并得到我國典型重型車輛在不同地形和裝載條件下的實(shí)際速度變化情況，并與HCM中典型車輛的比功率曲線進(jìn)行對比，進(jìn)而得出中國重型車輛運(yùn)行特性與HCM中研究的異同.

1 調(diào)查安排

1.1 調(diào)查地點(diǎn)選擇

為取得當(dāng)前中國高速公路上重型車輛的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，選取廣韶高速公路進(jìn)行實(shí)地調(diào)查.廣韶高速公路是廣東與湖南等省市間的重要貨運(yùn)通道，沿線地形條件復(fù)雜，上下坡坡度長，彎道多，重車比例高，對研究貨運(yùn)車輛對高速公路通行能力與交通安全的影響具有較強(qiáng)的代表性.

為得到不同車輛類型和不同的裝載情況下重車運(yùn)行的實(shí)際參數(shù)，在選擇調(diào)查路段時(shí)，要求在調(diào)查路段內(nèi)有較多的上下坡段.選定廣韶高速公路K251到K294標(biāo)段，即湯塘到太和收費(fèi)站之間的40km作為調(diào)查路段，坡度等基本指標(biāo)見表1.

表1 調(diào)查路段坡段參數(shù)Tab.1 Gradients of survey sections

從表1可以看出，調(diào)查路段內(nèi)上下坡多.在總計(jì)40km的調(diào)查路段內(nèi)，坡度超過3%的坡長達(dá)到8.40 km，坡度超過2%的有13.80km，坡度在1%以內(nèi)的只有18.94km.

1.2 調(diào)查方法

對交通數(shù)據(jù)的大規(guī)模采集國內(nèi)外很多高校和研究部門都已做過，數(shù)據(jù)采集方法主要有2種：斷面觀測法和路段觀測法.這2種方法可以得到一些靜態(tài)的交通數(shù)據(jù)如點(diǎn)速度、車型、車頭時(shí)距、占有率等，但是無法知道同一車輛在不同點(diǎn)的速度變化和運(yùn)動(dòng)軌跡.而車載全球定位技術(shù)（globe position system，GPS）卻正可以彌補(bǔ)普通觀測方法的不足，通過GPS定位和進(jìn)一步的分析可以獲知典型車輛在不同地形條件下的位置坐標(biāo)，從而可以得到其運(yùn)行參數(shù).

本文所采用的具體方法是，在收費(fèi)站由路政人員協(xié)助2名調(diào)查者進(jìn)入選中的典型重車，通過問卷調(diào)查并結(jié)合稱重信息得到車輛的相關(guān)技術(shù)信息，如車輛型號(hào)、使用時(shí)間、裝載情況等，同時(shí)用GPS記錄車輛的位置、時(shí)間等信息.

1.3 儀器

調(diào)查采用的儀器為多功能差分GPS接收機(jī)，用于接收并處理GPS和信標(biāo)信號(hào)，并通過與之相連接的筆記本電腦將接收數(shù)據(jù)與實(shí)際道路參數(shù)進(jìn)行對比.GPS接收機(jī)的差分定位誤差小于1m（95%置信度），速度誤差小于0.05m·s－1.

2 調(diào)查結(jié)果分析

2.1 車輛參數(shù)確定

由于時(shí)間和其他方面的限制，且主要目的在于分析典型重車行駛性能隨地形的變化規(guī)律，而非獲得完整準(zhǔn)確的我國代表車型行駛性能曲線，所以調(diào)查選取了9輛有代表性的車輛進(jìn)行研究.通過車輛的型號(hào)可以查知車輛參數(shù)，如表2所示.

在表2中，滿載質(zhì)量包括整備質(zhì)量和裝載質(zhì)量，而超載率定義為實(shí)際滿載質(zhì)量和額定滿載質(zhì)量的比值，因此與通常所指的超載會(huì)有所不同.以解放CA5107XP11K2L11為例，其整備質(zhì)量為9 600kg，額定裝載質(zhì)量為9 000kg，而實(shí)際裝載質(zhì)量為15 000 kg，為額定裝載的1.67倍.之所以定義超載率為滿載質(zhì)量的比值而不是裝載質(zhì)量的比值，是因?yàn)橛绊戃囕v運(yùn)行的是其功率與滿載質(zhì)量的比值，即比功率.折算比功率即為車輛額定功率與實(shí)際滿載質(zhì)量的比值.

表2 跟駛車輛基本參數(shù)Tab.2 Basic attribute of following vehicles

2.2 不同車輛運(yùn)行狀況對比

為了將不同車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并方便進(jìn)一步分析，需要將X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際樁號(hào)，從而將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo).采用的方法是最高點(diǎn)定位的方法，即通過將實(shí)際坐標(biāo)與調(diào)查坐標(biāo)中的最高標(biāo)高點(diǎn)的樁號(hào)設(shè)為相同，然后通過調(diào)查所得的X和Y坐標(biāo)得到不同步長的行駛距離，由最高點(diǎn)的樁號(hào)和行駛距離向兩側(cè)反推，得到其他點(diǎn)的樁號(hào)，從而得到不同車輛行駛速度的變化情況，如圖1.

從圖1可以看出，車輛速度隨地形變化明顯，速度與標(biāo)高呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，但車輛的運(yùn)行速度除受地形因素影響外，同時(shí)還受到其他車輛即交通條件的影響.在上坡處，其他低速車輛形成的移動(dòng)瓶頸使得跟隨車輛被迫降速跟駛，從而速度迅速下降.由于調(diào)查車輛多數(shù)為超載貨車，自身速度已經(jīng)很小，且在調(diào)查時(shí)日交通流流量不大（每車道低于500輛），可以認(rèn)為其他重車的運(yùn)行只受道路條件的影響.同時(shí)，為了排除掉交通條件的影響，對每輛車的運(yùn)行進(jìn)行了一致性分析，即在同等道路地形條件下，速度減小幅度是否一致，若不一致，則認(rèn)為其中較大的速度為重車只受道路地形影響下的車速，而較小的車速則除受道路地形影響外，也受周圍車輛影響.

2.3 車輛速度波動(dòng)分析

不同重車正常行駛速度、最低速度和速度均值如表3所示.其中正常行駛速度取其在坡度很?。ㄐ∮?%）的路段行駛時(shí)的速度，最小速度為其在上坡路段的最小速度，同時(shí)在相同地形條件下，若速度減小幅度不同，則取速度較大的一個(gè)，因?yàn)樗俣容^小的可能是受到其他車輛的影響.

從表3中可以看出，大部分貨車的正常行駛速度都很小，約為70km·h－1，而折算比功率越小，最小速度則越小，即受地形影響越明顯.更有重型貨車在上坡路段速度下降到20km·h－1以下.

從速度波動(dòng)情況來看，呈現(xiàn)另外一個(gè)有意義的現(xiàn)象，即實(shí)際比功率小的重車（稱之為重車1）速度波動(dòng)最大，這是因?yàn)槠涫艿匦斡绊懨黠@.部分比功率較大且未超載的重車速度波動(dòng)卻很小（重車2）.這是因?yàn)?，在高速公路上，由于其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，車輛速度主要受2個(gè)方面的影響，即地形和交通流內(nèi)部車輛間的相互影響.重車1的車速受地形影響最大，因此由于調(diào)查路段坡段多，其速度波動(dòng)很大，但是由于重車1已經(jīng)是最慢的車輛，因此其基本不受交通流內(nèi)部車輛間的影響；而重車2相對重車1來說，受地形的影響較小，同時(shí)，由于流量不大［8］，因此其超越重車1的機(jī)會(huì)也較大，車速受交通流內(nèi)部影響不大.

圖1 不同車輛速度隨地形變化Fig.1 Change plot of speed against topography

3 典型上坡路段車輛行駛性能曲線

重車的行駛性能通常受到幾個(gè)因素的影響：車輛比功率、坡度、坡長，而在我國，由于超載現(xiàn)象較為嚴(yán)重，車輛行駛性能還會(huì)受到其裝載狀況的影響.選取相同或相近坡段對運(yùn)行情況進(jìn)行對比.考慮到調(diào)查車輛行駛方向不同，因此分別選取了南行（k251-k294方向）和北行的相近坡段，以便于行駛方向不同的車輛之間進(jìn)行對比，選取坡段情況如表4所示.

表3 不同車輛的比功率和速度Tab.3 Specific power and speed of different vehicles

表4 不同坡段地形參數(shù)Tab.4 Topographic parameters of gradients

3.1 不同比功率車輛行駛性能分析

在當(dāng)前中國的超載超限治理中，新的收費(fèi)政策鼓勵(lì)了重型貨運(yùn)車輛的發(fā)展，即按照新的收費(fèi)政策，比功率更大的重型貨運(yùn)車輛相對費(fèi)率較低.同時(shí)，對道路管理部門來說，通過新的收費(fèi)政策限制了超載，也減少了車輛對道路路面的損壞.但是，重型車輛車型的變化對交通流運(yùn)行的影響卻很少得到足夠的重視.另一方面，建立我國的車輛折算系數(shù)體系也需選取最典型的車輛，并分析其車輛行駛曲線.基于此分析不同比功率的車輛在不同坡度下的行駛性能曲線，從而為下一步更深入的機(jī)理和對策分析提供支持.

選取了比功率分別為8.18kW·kg－1和5.55 kW·kg－1的貨車來進(jìn)行對比，在不同坡度下其行駛性能曲線如圖2所示.在不同的坡度下，隨著坡長的增加，比功率小的車輛速度下降更快，且坡度越大，坡長越長，不同車輛之間比功率的差距會(huì)更明顯地反映為速度差距.而根據(jù)相關(guān)研究，重車速度越小，對交通流產(chǎn)生的影響越大［8］.因此從交通流運(yùn)行角度出發(fā)，當(dāng)前的一些超載超限治理對策值得商榷.

3.2 裝載對車輛性能的影響

為分析超載車輛對交通流運(yùn)行效率的影響，對不同裝載狀況車輛的行駛曲線進(jìn)行對比分析.在調(diào)查 車 輛 中，解 放 CA1112P1K2L6A84、乘 龍LZ5170XXYMD23P和乘龍LZ4242MD49的比功率分別為9.26，8.18和10.95kW·kg－1，比功率較為接近，而其裝載情況分別為空載、實(shí)載和嚴(yán)重超載.坡度分別為2%和3%時(shí)不同車輛的行駛性能曲線如圖3所示.從圖3可以看出，裝載情況的不同對貨運(yùn)車輛爬坡性能影響很大，空載的貨車受地形影響很小，即使在坡度較大后，速度降低也不大，嚴(yán)重超載的貨車受地形影響大于實(shí)載的貨車，當(dāng)坡度增大后，隨著坡長的增加，這一規(guī)律更加明顯.

3.3 國內(nèi)外車輛行駛性能曲線對比

在HCM2000中列出了最新的車輛比功率曲線，其比功率為8.1kW·kg－1，在調(diào)查中，也選取了比功率接近的車輛，將其在不同坡度下的行駛性能曲線與HCM2000中對比，如圖4所示.從圖4中可以看出，相同比功率的車輛，在同樣坡度下，國內(nèi)車輛速度下降幅度大于美國車輛，超載車輛下降幅度更大；隨著坡度的增加，這一規(guī)律更加明顯.

在坡度為2%時(shí)，中國實(shí)載重車的速度比HCM中的重車小10km·h－1，而超載重車的速度則小30 km·h－1；在坡度為3%時(shí)，當(dāng)坡長達(dá)到1 000m時(shí)，中國實(shí)載重車速度比HCM中的重車小11km·h－1，超載重車的速度小36km·h－1.國內(nèi)車輛性能方面的不足以及超載運(yùn)輸導(dǎo)致在高速公路上的特殊路段重車速度嚴(yán)重下降，道路服務(wù)水平下降.

4 結(jié)論

通過基于GPS的重車行駛性能調(diào)查發(fā)現(xiàn)超載車輛行駛性能嚴(yán)重下降，因此，在研究國內(nèi)高速公路交通流的時(shí)候超載車輛的影響必須引起足夠的重視.同時(shí)，比功率越大的車輛，其行駛性能越差，在制定超載政策時(shí)，不僅需從路面破壞角度出發(fā)，也應(yīng)從保障高速公路的高效運(yùn)營角度出發(fā)，因此，鼓勵(lì)比功率大的車輛從而治理超載值得商榷.國內(nèi)同樣比功率的重車，其行駛性能遠(yuǎn)低于美國通行能力手冊中的重車性能，因此，直接參考通行能力手冊中的車輛折算系數(shù)會(huì)帶來重車影響的嚴(yán)重低估，應(yīng)在大規(guī)模調(diào)查的基礎(chǔ)上建立我國自己的典型車輛比功率曲線和車輛折算系數(shù)體系，為高速公路的合理規(guī)劃、高效運(yùn)營提供支持.

圖2 不同比功率車輛行駛性能曲線Fig.2 Driving performance curves of vehicles of different specific power on different gradients

圖3 不同裝載車輛行駛性能曲線Fig.3 Driving performance curves of vehicles under different loads

圖4 國內(nèi)外典型車輛行駛性能曲線Fig.4 Driving performance curves of typical vehicles

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