北京市城市干道通行能力及規劃參數研究

徐 林 葉以農 楊孝寬

（北京市城市規劃設計研究院1） 北京 100045）

（北京工業大學交通工程北京市重點實驗室2） 北京 100022）

0 引 言

本文是根據北京市城市規劃設計研究院與北京工業大學合作研究項目“北京市城市干道通行能力及規劃參數研究”完成.最終目標是從規劃的角度提出北京市道路通行能力分析方法、道路服務水平指標、道路通行能力相關參數的使用，為規劃部門進行公路和城市道路的交通規劃、交通控制與管理、設計以及工程可行性研究提供理論依據.

1 研究背景及內容

在世界范圍內，美國是對通行能力及其相關內容研究最早、最成熟的國家.從20世紀40年代起，美國針對公路規劃、設計和運營中出現的問題，展開了對道路通行能力的全面研究，突出的研究成果為《道路通行能力手冊》［1］（highway capacity manual，HCM），是當今最系統、最具權威性的通行能力研究成果，并先后進行4次更新.其他發達國家，如英國、德國、瑞典、日本等也編制了適合自己國情的HCM手冊.

我國開展對通行能力及其相關內容的研究較晚.自20世紀80年代開始，交通部公路科學研究所、北京工業大學、東南大學和同濟大學等單位在學習和吸收國外有關通行能力研究方法和內容的同時，對適合我國國情的通行能力和服務水平等方面開展了多方位的研究.

隨著國民經濟持續增長、城市中心逐年擴張、交通需求迅猛增加，北京城市道路建設也隨之迅速發展起來.但由于缺乏對城市道路交通流特性和通行能力等基礎領域深入和持續的研究，城市道路規劃與管理部門缺少必要的交通分析工具和手段，無法做到有的放矢.因此，這就迫切要求我們從系統上全面開展對北京市道路系統通行能力及其相關參數的研究，并建立相應的模型.

本研究的主要目標是在北京城市道路網規劃中如何正確估算主、次干道基本路段通行能力，預期服務水平和相關規劃參數的使用.基于這一特點，本文包括以下三項具體研究內容.

1）速度－流量關系模型研究 速度－流量統計曲線可以清楚地顯示速度隨流量的變化規律，從而得到理想條件下的通行能力值.本研究中通過大量的實測數據，以真實的交通流數據為基礎，從交通流狀況的實際出發，建立北京城市主次干道基本路段的統計分析模型，并以此推導出通行能力推薦值.本研究是首次對間斷流的特征參數進行定量分析，它填補了我國在這一領域研究的空白.

2）通行能力影響因素研究 從交通工程學角度可知，影響通行能力的因素很多，諸如：車道寬度、車道數、側向凈空、中央分隔帶形式、交通構成以及非機動車和行人干擾等.在現實設計中，這些因素應該給予足夠重視，本文將公交車的停靠對道路基本路段通行能力的影響進行定量分析.

3）通行能力服務水平及量化指標 服務水平是聯系道路通行能力及其設計、規劃和運營分析的橋梁和紐帶.劃分服務水平等級的指標很多，如加速度干擾、行車速度、行車時間、車輛行駛自由度、行車舒適性和安全性等.本研究根據北京城市道路系統的特點，將服務水平劃分為4個級別，并提出最大服務流率的概念，將服務水平和通行能力有機地聯系在一起.

2 數據采集與分析

本研究調查數據的采集通過攝像法獲得，通過Autoscope將視頻數據轉化為不同時間間隔的數據，然后利用SPSS軟件對各類數據進行統計分析，最終建立各種數學模型.

2.1 主、次干道速度－流量數據調查

以往對速度－流量的研究多數是建立在高速公路、城市快速路等連續流基礎上，而對間斷流方面的研究很少.因此，本研究首次針對北京市的主、次干道這種間斷流特性的速度－流量關系進行研究，各種資料多為現場調研所得.通過對北京市20條主、次干道的觀測獲得了大量的有效數據，為分析速度－流量之間的關系奠定了基礎.

調查從2006年7月到11月，為了保證調查數據的可靠性、真實性和有效性，將調查時間選在天氣晴朗的正常工作日，調查時段選擇平峰、高峰各2h.調查選擇的基本路段定義為：距相鄰2交叉口停車線200m以外的路段，如圖1所示.之所以選用200m是根據北京主、次干道在交叉口的平均排隊長度.

2.2 公交停靠站對路段影響調查

公交停靠站對城市道路主、次干道通行能力有重要影響.本次調查分別對兩類停靠站：港灣式和非港灣式進行研究，共選取北京市主、次干道16個港灣式公交停靠站和13個非港灣式公交停靠站，公交停靠站所處路段，如圖2所示.

圖1 主、次干路基本路段示意圖

圖2 公交停靠站所處路段分布圖

3 模型建立與標定

3.1 主、次干道速度－流量模型

利用交通流數據檢測儀器Autoscope2004以1min為一個統計間隔［2］，對數據進行處理；然后利用SPSS1統計軟件得出每個車道的速度流量散點圖（如圖3、4所示）.

圖3 主干路速度－流量散點圖

圖4 次干路速度－流量散點圖

利用傳統速度－流量關系式Q＝Kj（v－v2／vf）可得到公式Q＝av2＋bv，然后用統計分析軟件進行統計分析，可得出速度流量關系曲線，并由曲線最高點確定推薦通行能力值，見表1.

表1 北京市主、次干道基本路段推薦通行能力值 輛／h

3.2 公交停靠站對路段通行能力影響建模

公交影響時間（T）是指1h內所有停靠某一公交停靠站的影響時間總和.在使用這個參數時，需要對具體問題進行具體分析：對于港灣式公交停靠站無溢出情況，公交影響時間指的是阻凝時間，即公交車輛在停泊前后，駛入、駛出公交影響區時的加速與減速所需時間之和，不包括停泊時間；而對非港灣式停靠站和港灣式停靠站有溢出情況來講，公交影響時間指的則是阻塞時間，公交車輛在整個公交影響區內，即減速、加速與停泊所有過程，所需時間之和［3－4］.

公交影響時間占用率（k）是公交影響時間與總時間（通常為1h）的比值.該參數反應了公車車輛停靠在時間上對通行能力的影響.

無論是港灣式公交停靠站還是非港灣式停靠站，公交車輛在停靠時都會阻礙其他車輛的行駛.在這段時間上，致使其他小汽車速度下降、車頭時距增大、甚至出現擁堵，影響了車輛的正常行駛，同時造成通行能力的降低.因此，可以從時間上將公交停靠站出路段通行能力劃分為2部分：公交影響時間和無影響時間，在無影響時間內可認為該位置保持路段的通行能力.建立理論模型如下.

第I類模型（港灣式無溢出）

式中：C為公交車輛影響下的道路通行能力，輛／h；Cp為理想通行能力，輛／h；T為公交影響時間，s，對于港灣式停靠站為阻凝時間；fHV為公交車對通行能力的修正系數，fHV＝1／［1＋PHV（EHV－1）］；PHV為公交車交通量占總交通量的百分比；EHV為公交車換算成小汽車的車輛換算系數，一般取2.

第II類模型（港灣式有溢出／路上停靠）

式中：C為公交車輛影響下的道路通行能力，輛／h；Cp為理想通行能力，輛／h；T為公交影響時間，s.對于港灣式停靠站溢出港灣情況，為溢出車輛在外側車道停靠時間的；對于非港灣式停靠站，為到達車輛的停靠時間.

因此，對于港灣式停靠站來說，其周圍路段通行能力的通行能力即為

式中：T為公交影響時間，s.為港灣式停靠站公交停靠總影響時間，包括無溢出時的阻凝時間與有溢出時的阻塞時間.Ry為溢出影響修正項（輛／h），由于公交停靠溢出港灣引起的通行能力減少量，Ry＝－Cp×Ty／3 600×fHV；Ty為溢出引起的阻塞時間.

式（4）中，理想通行能力Cp可根據以往研究結論查得；公交影響時間T可通過建立公交到達頻率與其關系得到，進而轉化為公交到達頻率與路段通行能力的關系模型，便于實際應用.

通過對此次調查數據的處理，將15min流率轉為小時流量，分別建立不同等級道路上，2種停靠站形式下，公交車平均到達頻率λ（輛／h）與公交平均影響時間T的統計對應關系，并利用SPSS 11.5對統計數據進行分析結果見圖5、6.

根據散點圖趨勢，分別采用線性模型、拋物線模型及Power模型進行擬合.統計相關性指標分別為：港灣式停靠站，線性模型R2＝0.822，F＝134.3；拋物線模型，R2＝0.824，F＝65.69；Power模型，R2＝0.818，F＝129.93.可知線性模型擬和較優，故Ty＝3.050 9λ－12.345.將以上結果代入式（4），即可得到各等級道路上港灣式停靠站周圍路段通行能力模型.以主干路為例

圖5 港灣式停靠站λ與Ty關系圖

圖6 非港灣式停靠站λ與T關系圖

非港灣式停靠站：線性模型，R2＝0.593，F＝116.75；指數模型，R2＝0.689，F＝177.44；Power模型，R2＝0.698，F＝184.81.故選擇Power模型擬合結果，即T＝66.630 8λ0.6559，代入式（3）可得非港灣式停靠站公交到達頻率與路段通行能力關系模型C＝Cp（1－0.015 8λ0.6559）.

4 服務水平分級

服務水平是衡量交通流運行條件以及駕駛員和乘客所感受的服務質量的一項指標，通常根據交通密度、速度、行駛時間、駕駛自由度、舒適和方便等指標確定服務水平等級.因此，服務水平是反映道路在給定道路和交通條件下交通設施能夠為道路使用者所提供運行服務的質量.美國將高速公路基本路段的服務水平分為A～F 6級，我國對通行能力研究起步較晚，對于服務水平分級尚沒有定論.但從很多研究文獻中發現多數人將我國的服務水平分為4級，作為經典的由任福田主編的《交通工程學》一書當中也將我國的高速公路按4級劃分，如圖7所示.

圖7 我國高速公路服務水平分級圖

在本研究中，對北京市城市主、次干道進行深入研究，得出不同服務水平分級指標，仍將服務水平分為4級，對于北京市主、次干道的4級服務水平的交通運營狀況，用圖8a）～d）表示.

圖8 4級服務水平的交通運營狀況

最大服務流率（最大服務交通量）在本研究中定義為：交通設施在給定服務水平下為車輛所能提供的最大通過數量.最大服務流率本質上仍是反映通行能力的指標，換句話說，它是對應服務水平的通行能力.

對于北京市主次干道系統，其對應4級服務水平的自由流速度定為70，60和50km／h.根據本研究所做的數據分析和模型標定，給出了對應不同自由流速度和不同服務水平的最大服務流率值［5－7］如表2、圖9.

圖9 北京市主、次干道服務水平分級示意圖

表2 北京市主次干道服務水平分級

5 結束語

本文初步建立了北京市城市道路通行能力研究的流程和框架，通過研究提出主、次干道基本路段速度－流量曲線為基礎的通行能力模型，并給出不同車道的推薦通行能力值，可為北京道路規劃和設計提供理論依據.該項研究的成果填補了間斷流交通流特性的空白.還結合北京市交通的特點，將公交停靠站對通行能力的影響因素進行定量分析并建立模型，最后對北京市城市道路服務水平進行量化分析，為未來制定城市設計標準提供數據支持.應當承認，通行能力的研究仍處于發展階段，要想真正建立完整的理論體系，還需要連續不斷的探討和反復的修正，為我國自己通行能力手冊的編寫奠定基礎.

［1］美國交通研究委員會.道路通行能力手冊［M］.任福田，譯.北京：建筑工業出版社，1985.

［2］Hall F L，Montgomery F O.The investigation of an alternative interpretation of the speed－flow relationship for U.K.motorways［J］.Traffic ＆ Engineering Control，1993（9）：231－238.

［3］Lebacque J P，Lesort J B，Giorgi F.Introducing buses into first－order macroscopic flow models［J］.Transportation Research Record 1644.1998（6）：70－80.

［4］盛 驟，謝式千，潘承毅.概率論與數理統計［M］.2版，北京：高等教育出版社，1989.

［5］馬國旗.北京市交通流特性研究［D］.北京：北京工業大學，2003.

［6］裴玉龍，伍拾煤.公交停靠站對無信號交叉口通行能力影響分析［J］.哈爾濱工業大學學報，2004，36（11）：1 524－1 526.

［7］吳 兵.混合交通條件下公交車延誤和通行能力研究［D］.上海：同濟大學交通學院，1990.