大城市環(huán)城高速公路大流量路段交通流特性分析

謝陳峰

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東廣州 510507)

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大城市環(huán)城高速公路大流量路段交通流特性分析

謝陳峰

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東廣州 510507)

摘要:著眼于大城市環(huán)城高速公路大流量路段,通過實(shí)地調(diào)查,收集相關(guān)資料,對(duì)交通流相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、仿真等方法,分析了大城市環(huán)城高速公路大流量路段的交通流特性,為這類路段的交通組織和管理提供參考。

關(guān)鍵詞:公路交通;環(huán)城高速公路;大流量;交通流特性

目前,國內(nèi)外對(duì)交通流特性的研究成果較多,但專門針對(duì)大城市環(huán)城高速公路交通流特性的研究較少。該文以廣州北環(huán)高速公路為例,根據(jù)交通數(shù)據(jù)對(duì)其交通流特性進(jìn)行分析研究。

廣州北環(huán)高速公路是中國最早建成通車的高速公路之一,是全國首條環(huán)城高速公路即廣州環(huán)城高速公路的一部分。北環(huán)段是廣州環(huán)城高速公路最繁忙的路段,起于沙貝立交,向東經(jīng)金沙洲、橫沙村到達(dá)增槎路,跨過京廣鐵路至三元里,再以高架橋架設(shè)于廣園路上,到達(dá)大金鐘路附近回落于白云山山腰,以白云隧道穿越白云山到達(dá)沙河,跨越廣州大道及天源路后抵達(dá)岑村立交,與華南快速干線相交,全長23.5 km。

1 交通流量

對(duì)北環(huán)高速公路立交間主線斷面交通量(見表1)進(jìn)行分析,總體來看,沙貝—廣清西斷面的交通量最大,達(dá)164 865輛/d,其次是廣清東—廣花和沙河—岑村,分別為164 856和120 909輛/d,其他路段的斷面交通量較為接近,基本為78 000～91 000 輛/d。

表1 2013年北環(huán)高速公路日均斷面交通量

北環(huán)高速公路的設(shè)計(jì)速度為100 km/h。根據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》,設(shè)計(jì)速度100、80 km/h對(duì)應(yīng)的單車道設(shè)計(jì)通行能力Cd分別為1 400、1 200 pcu/(h·車道)。根據(jù)規(guī)范要求,其路段實(shí)際通行能力按式(1)進(jìn)行修正,結(jié)果見表2。

表2 實(shí)際通行能力計(jì)算值與實(shí)際流量對(duì)比

式中:Cr為高速公路路段的實(shí)際通行能力[veh/(h·車道)];Cd為與實(shí)際行駛速度相對(duì)應(yīng)的高速公路路段設(shè)計(jì)通行能力[pcu/(h·車道)];fHV為交通組成修正系數(shù),fHV=1/[1+∑Pi(Ei-1)];Pi為中型車、大型車、拖掛車(i)交通量占總交通量的百分比;Ei為中型車、大型車、拖掛車(i)的車輛折算系數(shù);fN為六車道及以上高速公路的車道數(shù)修正系數(shù),取0.98～0.99;fP為駕駛者總體特征修正系數(shù),通過調(diào)查確定,通常取0.95～1.00。

從表2來看,除廣清東—廣花路段外,北環(huán)高速公路大部分路段的交通流量小于設(shè)計(jì)通行能力,并未達(dá)到飽和狀態(tài)。

從北環(huán)高速公路24 h交通量的時(shí)間分布來看,發(fā)生在7:00—20:00時(shí)段的交通量為132 955輛,占總交通量的78.67%;發(fā)生在20:00—7:00時(shí)段的交通量為36 039輛,占總交通量的21.33%。

2 交通組成

按收費(fèi)車型分類(即1類車、2類車、3類車、4類車、5類車)對(duì)北環(huán)高速公路的交通流量進(jìn)行調(diào)查,得到各車型交通流量(見表3)。

表3 按車型分類的交通流量調(diào)查結(jié)果　　萬輛

根據(jù)表3,可得北環(huán)高速公路的交通組成:1類車的比例最大,占總流量的64%以上;其次是3類車,占總流量的18%～20%;占比最小的為4類車,占總流量的1%～2%;3類、4類及5類車合計(jì)占總流量的24%～27%,其他各類車共占73%～76%。雖然3類、4類及5類車中包含了客車,但從局部調(diào)查數(shù)據(jù)來看,貨車是主要車型,占81%,則在總流量中,5 t以上貨車的占比為19%～22%。

根據(jù)上述分析結(jié)果,在北環(huán)高速公路的交通組成中,5 t以上貨車占19%～22%,其中15 t以上貨車約占6%。

3 V/C比值

交通流狀態(tài)的主要指標(biāo)參數(shù)為交通負(fù)荷度即V/C比,是指公路交通量與基本通行能力的比值。根據(jù)北環(huán)高速公路的交通流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),計(jì)算得到2013—2014年各路段單車道的實(shí)際服務(wù)交通量V值及對(duì)應(yīng)的路段V/C比值(見表4)。

計(jì)算結(jié)果表明:北環(huán)高速公路廣清東—廣花路段的交通量較大,其V/C比值超過二級(jí)服務(wù)水平的極限值;其次為沙貝—廣清西路段,其V/C比值接近二級(jí)服務(wù)水平的極限值。這兩個(gè)路段交通流處于不穩(wěn)定狀態(tài),時(shí)常發(fā)生交通阻塞,這與北環(huán)高速公路經(jīng)常出現(xiàn)堵車的實(shí)際情況相符。除廣清東—廣花路段外,其他路段的交通量相對(duì)較小。

表4 北環(huán)高速公路各路段單車道交通量及V/C比

4 V/C交通密度

交通密度是衡量高速公路服務(wù)水平的主要指標(biāo)之一,它能直觀地反映高速公路上交通流的狀態(tài)?！豆仿肪€設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于不同服務(wù)水平高速公路的交通密度要求見表5,北環(huán)高速公路不同路段的交通密度見表6。

表5 不同服務(wù)水平高速公路的交通密度要求

表6 北環(huán)高速公路不同路段的交通密度

根據(jù)表5、表6,北環(huán)高速公路沙貝—廣清西、廣清西—廣清東、廣清東—廣花、岑村—廣氮路段的交通流處于不穩(wěn)定的狀態(tài),廣花—廣園、廣園—沙河、沙河—岑村路段的交通流處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 車輛速度

區(qū)間平均車速是反映車輛運(yùn)行順暢程度的重要指標(biāo)之一,是指車輛的平均行程速度。區(qū)間平均速度與交通量、車流密度存在著相互影響的關(guān)系,車流密度與交通量成正比,與運(yùn)行速度成反比,即:

v=Q/K

式中:v為車輛的平均行程速度(km/h);Q為單車道交通流量[pcu/(h·車道)];K為平均車流密度[pcu/(km·車道)]。

根據(jù)北環(huán)高速公路的交通量和車流密度分析結(jié)果,可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平均行程車速(見表7)。

表7 北環(huán)高速公路各路段的平均行程車速

從公路服務(wù)水平的角度考慮,北環(huán)高速公路的平均行程車速低于高速公路二級(jí)服務(wù)水平的要求,基本上在四級(jí)服務(wù)水平范圍內(nèi)。因此,從行程車速指標(biāo)來看,北環(huán)高速公路的服務(wù)水平已降至四級(jí)。

6 交通流特性綜合分析

道路交通流量、交通密度和車速(區(qū)間車速)是表征道路交通流特性的3個(gè)基本參數(shù),它們之間的基本關(guān)系為:

式中:Q為平均流量(veh/h);v-s為空間平均車速(km/h);K為平均車流密度(veh/km)。

從它們之間的關(guān)系來看,流量、密度和車速之間是相互影響的。當(dāng)車流密度很小時(shí),車輛之間的相互干擾小,車輛可以暢行,車速高,相應(yīng)流量也大,若車速被抑制得較低,則流量也相應(yīng)變小;當(dāng)車流密度很大時(shí),車輛之間的相互干擾大,車速低,交通流量也較小,若車流密度達(dá)到最大,則出現(xiàn)交通阻塞,車速和流量將趨于零。因此,道路交通流中存在最佳交通密度、最大流量和臨界速度一一對(duì)應(yīng),即車流處于最佳密度時(shí),其流量和速度可以達(dá)到最大。在交通流理論中,通常用以下的二次函數(shù)表征道路交通流量與密度的關(guān)系,其關(guān)系圖為拋物線(見圖1)。

式中:Q為交通流量(veh/h);K、Kj分別為車流密度和阻塞密度(veh/km);vf為自由速度(km/h)。

圖1 流量-密度關(guān)系曲線

如圖1所示,曲線的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的交通流量為路段通行能力或最大流量Qm,其對(duì)應(yīng)的交通密度為最佳密度Km。北環(huán)高速公路的設(shè)計(jì)通行能力(最大流量),沙河以西為1 200 pcu/(h·車道),沙河以東為1 400 pcu/(h·車道),其對(duì)應(yīng)的最佳密度為18 pcu/(km·車道),臨界速度分別為66和79 km/h。從前面統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,北環(huán)高速公路的實(shí)際交通流量除廣清東—廣花路段外均小于設(shè)計(jì)通行能力,但沙貝—廣清西、廣清西—廣清東、廣清東—廣花、岑村—廣氮等路段的交通密度大于最佳密度。這主要是由運(yùn)行車速過低導(dǎo)致的,若提高運(yùn)行車速,相應(yīng)地可降低車流密度,提高路段服務(wù)水平。對(duì)于廣花—廣園、廣園—沙河、沙河—岑村路段,其實(shí)際交通流量和車流密度均小于最佳值,車流之間的干擾較小,有較高的車速期望(見表8)。

表8 交通流特性基本參數(shù)分析結(jié)果

綜上,可適當(dāng)提高北環(huán)高速公路的限速,以滿足車輛駕駛者在高速公路上行車的速度期望,改善北環(huán)高速公路的交通狀況,提高其服務(wù)水平。

7 交通阻塞狀況

根據(jù)前面的分析,北環(huán)高速公路的服務(wù)水平總體上已由二級(jí)降至四級(jí),交通流處于強(qiáng)制流狀態(tài),車流不穩(wěn)定,運(yùn)行車輛之間的相互干擾很大,一旦車流受到擾動(dòng),將導(dǎo)致嚴(yán)重阻塞。

據(jù)統(tǒng)計(jì),2013年北環(huán)高速公路共發(fā)生交通阻塞948次。從時(shí)間分布來看,發(fā)生在7:00—20:00時(shí)段的交通阻塞次數(shù)為772次,占總數(shù)的81.4%;發(fā)生在20:00—7:00時(shí)段的交通阻塞次數(shù)為176次,占總數(shù)的18.6%。從交通阻塞長度和阻塞時(shí)間(見圖2、圖3)來看,最大阻塞長度達(dá)到17 km,其中阻塞長度在2 km以上的次數(shù)達(dá)到545次,占總次數(shù)的57.5%;最長阻塞時(shí)間達(dá)到980 min,其中阻塞時(shí)間在60 min以上的次數(shù)達(dá)688次,占總次數(shù)的72.6%。

阻塞數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:北環(huán)高速公路的阻塞現(xiàn)象非常嚴(yán)重,且經(jīng)常發(fā)生在7:00—20:00時(shí)段內(nèi),多發(fā)生在K0—K10路段,交通阻塞現(xiàn)象也印證了北環(huán)高速公路交通密度大、服務(wù)水平降低的分析結(jié)果。

圖2 北環(huán)高速公路交通阻塞長度分布

圖3 北環(huán)高速公路交通阻塞時(shí)間分布

8 結(jié)論

該文分析了廣州北環(huán)高速公路的運(yùn)行特點(diǎn),用交通流最基本的3個(gè)參數(shù)即流量、密度、速度等描述其交通運(yùn)行狀況,通過對(duì)三參數(shù)及交通阻塞情況的研究,得出以下結(jié)論:

(1)交通流分析結(jié)論與北環(huán)高速公路實(shí)際運(yùn)行情況基本一致,在局部路段的特定時(shí)間內(nèi)交通量大、交通密度大、運(yùn)行速度較低,容易導(dǎo)致交通擁堵。

(2)高速公路大流量路段車流密度大,車輛之間的相互干擾大,車輛駕駛者沒有自由選擇速度的條件。中大型貨車的比例較大,而大型貨車的運(yùn)行速度一般偏低,嚴(yán)重影響了小型客車的自由運(yùn)行。

(3)盡管北環(huán)高速公路的交通量已很大,但除極個(gè)別路段確實(shí)已超出設(shè)計(jì)通行能力外,大部分路段還沒有超過實(shí)際通行能力,應(yīng)采取限制貨車干擾、不同車型速度管理等措施改善目前的運(yùn)行狀況。

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收稿日期:2015-10-06

中圖分類號(hào):U491.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0031-04