基于工程應用的高速公路實際通行能力計算方法探討

史盛慶，朱慶瑞，李聰聰

（北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100191）

0 引言

隨著我國交通運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，部分地區(qū)特別是東部發(fā)達地區(qū)的高速公路交通量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，部分路段的交通量水平遠遠超過其服務水平，高速公路改擴建需求逐步提升。目前，我國在高速公路改擴建項目實際論證、財務分析增量收入計算等方面均對高速公路的服務水平、對應等級下的最大服務交通量提出明確要求，如《公路工程技術標準中》（JTG B01—2014）中明確規(guī)定：公路改擴建時機應根據(jù)時機服務水平論證確定，高速公路、一級公路服務水平宜在降低到三級服務水平下限前；在高速公路改擴建財務分析中，《廣東省經營性公路收費期限評估報告編制與審查工作手冊》對增量收入計算中也作出了明確規(guī)定，在原收費期限內，“無項目”情況下的交通量超過原通行能力的上限時，交通量按原通行能力的上限取值，即以降低一個等級設計服務水平對應做大服務交通量為基準。從上述規(guī)定中可以看出，在高速公路改擴建項目中，無論是確定改擴建時的服務水平還是最大服務交通量計算，均需要對高速公路實際通行能力進行計算分析。因此，研究高速公路實際通行能力計算方法對于科學開展高速公路項目前期決策研究具有十分重要的作用和意義。

1 工程項目中高速公路實際通行能力計算方法分析

目前，針對高速公路通行能力的分析研究有很多，例如針對多車型混合車流條件下道路通行能力問題，以跟弛理論為基礎，得到多車型混合車流條件下跟弛平均車頭時距的通行能力模型；將灰色聚類理論引入分析高速公路基本段服務水平，建立了基于灰色聚類的高速公路基本路段服務水平的多目標決策分析模型；引用時空消耗的概念，定義了高速公路基本路段的廣義最大服務交通量，并在分析事故路段時空容量損失的基礎上，給出高速道路事故路段最大服務交通量的計算公式。總體來看，涉及高速公路通行能力的研究有很多，模型方法也很豐富，此處不再一一贅述。但這些模型方法大多偏重于科研領域，受限于數(shù)據(jù)收集、軟件應用等方面因素，很難應用到實際項目工作中。目前，在高速公路建設項目前期研究中，對實際通行能力的計算仍大多采用《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017） 和《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2006）中的方法開展計算。對此，需要明確其計算方法，分析過程如下：

根據(jù)最新的標準規(guī)范，在使用上述規(guī)范過程中，發(fā)現(xiàn)《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）中并未對實際通行能力計算方法說明，只是列出了設計通行能力的計算方法。計算公式如下：

式（1）中：Cd為設計通行能力[veh/(h·ln)]；MSFi為設計服務水平下的最大服務交通量[pcu/(h·ln)]；fHV為交通組成修正系數(shù)，按式（2）計算：

式（2）中：Pi為車型i的交通量占總交通量的百分比；ff為路測干擾修正系數(shù)，高速公路取1.0；Ei為車型i的車輛折算系數(shù)；fp為駕駛人總體特征修正系數(shù)，通常在0.95 ～1.00之間。

由上述計算公式可知，式（1）主要用于計算實際道路條件下的設計通行能力，在通行能力計算的基數(shù)上采取了最大服務交通量，即通行能力計算中并未考慮車道寬度、行駛速度等因素影響，因此，該公式并不能計算實際通行能力，可以說《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017） 并沒有對實際通行能力作出清晰規(guī)定。

在《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2006）中，則對實際通行能力進行了詳細說明，計算公式如下：

式（3） 中：Cr為高速公路路段的實際通行能力[veh/(h·ln)]；Cd為與實際行駛速度相對應的高速公路路段設計通行能力[pcu/(h·ln)]；fHV為交通組成修正系數(shù)，按式（2）計算；fN為六車道及其以上高速公路的車道數(shù)修正系數(shù)，取0.98 ～0.99 之間；fp為駕駛人總體特征修正系數(shù)，與前文所述相同。

由式（3）可知，《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2006）中對高速公路的實際通行能力進行了說明，但最新版本的《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）并未做規(guī)定，需要在項目開展過程中加以注意。需要說明的是，在實際項目中，《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）中計算的設計通行能力主要用于高速公路車道數(shù)的詳細計算。

2 實際通行能力計算公式中的重點數(shù)據(jù)計算探討

如上文所述，《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2006）中對式（2）～式（3）中各個符號進行了較為詳細的說明，但在實際計算操作中仍然存在部分模糊的計算。結合實際工作，主要包括以下幾方面：

（1）與實際行駛速度相對應的高速公路路段設計通行能力Cd的計算方法未說明。

首先，車輛的行駛速度與高速公路的通行能力是息息相關的。根據(jù)2000年版的美國道路通行能力手冊，高速公路的速度、流量和密度關系如圖1所示。

圖1 速度—流量曲線和高速公路基本路段服務水平

在我國標準規(guī)范中，并沒有給出行駛速度與高速公路流率之間的關系，僅給出對應120km/h、100km/h 和80km/h 的條件下對應單車道設計通行能力，造成了在大多數(shù)實際項目工作中，雖然通過其他公式計算出車道和路側對運行速度的影響，得到對應狀態(tài)下行車速度，但是對應的高速公路設計通行能力基本按照線性關系的形式開展分析計算，容易造成計算結果依據(jù)不足或不夠精準。對此，建議目前應采用道路通行能力手冊的計算公式進行分析，待未來數(shù)據(jù)逐步完善后，建立適合我國的計算體系。需要注意，在采用基礎數(shù)值計算時，需根據(jù)最新的公路工程技術標準三級服務水平下的最大服務交通量進行確定。

（2）兩個版本的《公路路線設計規(guī)范》中fHV計算公式車型換算系數(shù)的前置條件差距過大。

將2006 版本和2017 版本《公路路線設計規(guī)范》中關于fHV計算公式的車型比例取值進行對比后，發(fā)現(xiàn)差距較大。其中，在最新版本《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）中，對應取值如表1所示。

表1 《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）高速公路車輛折算系數(shù)

由表1可知，不同車型對應折算系數(shù)與其相應交通量息息相關。其中，當交通量過小或過大時，其對應折算系數(shù)均較低。以中型車為例，當設計速度為120km/h時，單車道每小時當量交通量小于800pcu 或大于1 600pcu時，其對應的折算系數(shù)均小于800～1 600pcu 之間的折算系數(shù)。

在《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2006）版本中，對應的fHV中的折算系數(shù)選取按表2所示。

表2 《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2006）高速公路車輛折算系數(shù)

表2中的折算系數(shù)變化情況與表1 類似，伴隨交通量的增加，同一車型對應的折算系數(shù)先增后降，但在具體折算系數(shù)上發(fā)生變化，這是由于隨著新版本《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）印發(fā)，對各個車型的折算比例發(fā)生變化，因此對應的fHV折算系數(shù)也有調整。

同時，兩個表格中最大變化是交通量的單位發(fā)生變化，《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）對應的交通量單位為當量小客車，《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2006）對應的交通量單位為自然車，雖然兩部規(guī)范的數(shù)量級基本相似，但是當折算車當量小客車時，其差距還是非常大的。因此，兩組數(shù)據(jù)單位中，有一個單位疑為印刷錯誤。對此，可根據(jù)既有數(shù)據(jù)反推驗證。

以中型車為例，在設計時速為120km/h，雙向四車道的高速公路上，當單車道小時交通量為1 000pcu 時，假設按照高峰小時系數(shù)為10%，方向不均勻系數(shù)為0.5，則該條高速路段日均交通量為40 000pcu/d，其仍處于三級服務水平以內，對應的換算比例應該處于正產水平，即應為1.5。但是按照表1 所示，對應的折算系數(shù)為2.0?？梢酝茢啵? 中關于交通量的前置條件中的單位應該為自然車，而不是當量車，即《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）中關于交通量的單位不應是當量車，而是自然車。

通過以上分析，在實際工作中開展通行能力分析時，建議按照《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）選取折算系數(shù)，但是需要注意，在前置條件中交通量的單位為自然車，而非當量車。

（3）fHV計算中的車型比例不明確。

在目前所有涉及fHV計算的標準規(guī)范中，始終沒有標注對應車型所占的車型比例是當量車的車型比例還是自然車的車型比例。這對項目實施人員特別是初學人員開展項目工作造成一定的困擾。對此，筆者根據(jù)多年項目經驗，并向行業(yè)權威人士求教，認為對應的車型比例應為自然車比例，這主要是由于fHV反映的是將混合交通流量換算為100%標準車流量，目的是使各道路、交通條件下的混合交通量之間具有可比性。

（4）各車型折算比例選取原則模糊。

目前，關于車型比例折算系數(shù)主要有兩套數(shù)據(jù)，分別來自《公路工程技術標準》（JTG B01—2017）和《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017），其中，《公路工程技術標準》（JTG B01—2017）的折算系數(shù)如表3，《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20—2017）的折算系數(shù)如表1所示。

表3 《公路工程技術標準》（JTG B01—2017）折算系數(shù)

對比表1 和表3 可知，兩套折算系數(shù)明顯不同，造成在計算實際服務水平（V/C）時，C值的計算可按照表3 計算。但對于V值的計算，其折算比例并沒有硬性要求。在實際工作中存在兩類觀點：觀點一認為應全部為同一個比例進行計算，保持數(shù)據(jù)的一致性；觀點二認為V值計算應采用公路工程技術標準，C值應采用表1 計算，能夠反映出大型車對通行能力的影響。同時，在車道數(shù)計算中也會涉及類似問題。但目前相關規(guī)劃標準并沒有給出明確的規(guī)定說明，因此，在目前實際工作中，這兩類計算方法均存在。但是在實際計算中，建議采用兩套折算比例進行計算，以保證數(shù)據(jù)的準確定

（5）方向不均勻系數(shù)分析算法不統(tǒng)一。

在開展路段通行能力計算時，需要在單車道實際通行能力基礎上，經過方向不均勻系數(shù)和設計小時交通量系數(shù)的調整，計算路段實際通行能力，其中，針對方向不均勻系數(shù)目前有兩種算法，一是根據(jù)當量車計算方向不均勻系數(shù)，二是根據(jù)自然車計算方向不均勻系數(shù)。在實際計算過程中，需要考慮單車道實際通行能力的換算單位，當實際通行能力換算單位折算成當量車時，則選擇根據(jù)當量車計算方向不均勻系數(shù)，同時，當實際通行能力單位折算成自然車時，則選擇根據(jù)自然車計算的方向不均勻次數(shù)。

3 大型車比例較高條件下的fHV分析

隨著我國經濟快速增長，貨物運輸占公路運輸?shù)谋戎刂鸩教岣?。部分高速公路貨運車輛的比例甚至會超過總交通量的一半。由于貨運車輛行駛速度緩慢，存在一定的瓶頸效應，造成了部分路段道路通行能力在急劇下降，道路實際交通量并未超過設計服務水平下的預測流量，但實際服務水平卻已嚴重低于預期水平，造成按照現(xiàn)有的計算方法得到的V/C值較低，但是駕駛員在行駛過程中感受到的服務水平卻很差。這種現(xiàn)象對高速公路改擴建的時機論證會產生較大干擾。

形成此類錯誤感受的主要原因是在計算路段基準通行能力的過程中，對fHV總折算比例計算存在一定偏差。一般情況下，公路均以小客車交通量為主，因此，現(xiàn)有規(guī)劃都以小客車為標準車計算。同時，在上文中提到的車輛換算系數(shù)存在不一致的情況，誤差難以避免。在大型車比例較小時，該部分誤差對總體計算的影響相對較小。但隨著大型車比例增加，該部分誤差隨之放大。當計算以大型車為主的高速公路通行能力時，如仍然以小客車作為標準車，則車輛換算的誤差將進一步影響fHV的精度，進而影響服務水平的計算。

針對大型車比例較高的高速公路，在計算其通行能力時，可將大型車作為標準車計算。小型車轉換成大型車的換算系數(shù)可通過Huber 公式計算，具體如下所示。

式（4）中：PCEi為車型i的車輛換算系數(shù)；qb為純小型車情況下的車流量（輛/s）；qm為混合車流率（輛/s）；p為小型車比例。

通過上述計算得到按大型車為標準車條件下的各個車型車輛換算系數(shù)，在此基礎上計算相應的fHV，并計算其實際通行能力，可以有效提高車輛修正系數(shù)的精確性，有助于提升改擴建時機決策模型的精確性。

4 結語

本研究以項目實際應用為出發(fā)點，根據(jù)有關規(guī)范標準，明確了高速公路實際通行能力的計算方法，對計算方法中的一些參數(shù)做了說明及建議。同時，針對大型車比例高的路段，提出了fHV的計算方法，望能對高速公路通行能力計算提供參考。