大城市環城高速公路大流量路段交通流特性分析

謝陳峰

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司,廣東廣州 510507)

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大城市環城高速公路大流量路段交通流特性分析

謝陳峰

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司,廣東廣州 510507)

摘要:著眼于大城市環城高速公路大流量路段,通過實地調查,收集相關資料,對交通流相關數據進行統計,采用數據統計、仿真等方法,分析了大城市環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。

關鍵詞:公路交通;環城高速公路;大流量;交通流特性

目前,國內外對交通流特性的研究成果較多,但專門針對大城市環城高速公路交通流特性的研究較少。該文以廣州北環高速公路為例,根據交通數據對其交通流特性進行分析研究。

廣州北環高速公路是中國最早建成通車的高速公路之一,是全國首條環城高速公路即廣州環城高速公路的一部分。北環段是廣州環城高速公路最繁忙的路段,起于沙貝立交,向東經金沙洲、橫沙村到達增槎路,跨過京廣鐵路至三元里,再以高架橋架設于廣園路上,到達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沙河,跨越廣州大道及天源路后抵達岑村立交,與華南快速干線相交,全長23.5 km。

1 交通流量

對北環高速公路立交間主線斷面交通量(見表1)進行分析,總體來看,沙貝—廣清西斷面的交通量最大,達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年北環高速公路日均斷面交通量

北環高速公路的設計速度為100 km/h。根據《公路路線設計規范》,設計速度100、80 km/h對應的單車道設計通行能力Cd分別為1 400、1 200 pcu/(h·車道)。根據規范要求,其路段實際通行能力按式(1)進行修正,結果見表2。

表2 實際通行能力計算值與實際流量對比

式中:Cr為高速公路路段的實際通行能力[veh/(h·車道)];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·車道)];fHV為交通組成修正系數,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;fN為六車道及以上高速公路的車道數修正系數,取0.98～0.99;fP為駕駛者總體特征修正系數,通過調查確定,通常取0.95～1.00。

從表2來看,除廣清東—廣花路段外,北環高速公路大部分路段的交通流量小于設計通行能力,并未達到飽和狀態。

從北環高速公路24 h交通量的時間分布來看,發生在7:00—20:00時段的交通量為132 955輛,占總交通量的78.67%;發生在20:00—7:00時段的交通量為36 039輛,占總交通量的21.33%。

2 交通組成

按收費車型分類(即1類車、2類車、3類車、4類車、5類車)對北環高速公路的交通流量進行調查,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查結果　　萬輛

根據表3,可得北環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,但從局部調查數據來看,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%。

根據上述分析結果,在北環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

交通流狀態的主要指標參數為交通負荷度即V/C比,是指公路交通量與基本通行能力的比值。根據北環高速公路的交通流量統計數據,計算得到2013—2014年各路段單車道的實際服務交通量V值及對應的路段V/C比值(見表4)。

計算結果表明:北環高速公路廣清東—廣花路段的交通量較大,其V/C比值超過二級服務水平的極限值;其次為沙貝—廣清西路段,其V/C比值接近二級服務水平的極限值。這兩個路段交通流處于不穩定狀態,時常發生交通阻塞,這與北環高速公路經常出現堵車的實際情況相符。除廣清東—廣花路段外,其他路段的交通量相對較小。

表4 北環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水平的主要指標之一,它能直觀地反映高速公路上交通流的狀態。《公路路線設計規范》關于不同服務水平高速公路的交通密度要求見表5,北環高速公路不同路段的交通密度見表6。

表5 不同服務水平高速公路的交通密度要求

表6 北環高速公路不同路段的交通密度

根據表5、表6,北環高速公路沙貝—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定的狀態,廣花—廣園、廣園—沙河、沙河—岑村路段的交通流處于穩定狀態。

5 車輛速度

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

根據北環高速公路的交通量和車流密度分析結果,可計算出對應的平均行程車速(見表7)。

表7 北環高速公路各路段的平均行程車速

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

6 交通流特性綜合分析

道路交通流量、交通密度和車速(區間車速)是表征道路交通流特性的3個基本參數,它們之間的基本關系為:

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)。

從它們之間的關系來看,流量、密度和車速之間是相互影響的。當車流密度很小時,車輛之間的相互干擾小,車輛可以暢行,車速高,相應流量也大,若車速被抑制得較低,則流量也相應變小;當車流密度很大時,車輛之間的相互干擾大,車速低,交通流量也較小,若車流密度達到最大,則出現交通阻塞,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應,即車流處于最佳密度時,其流量和速度可以達到最大。在交通流理論中,通常用以下的二次函數表征道路交通流量與密度的關系,其關系圖為拋物線(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-密度關系曲線

如圖1所示,曲線的頂點對應的交通流量為路段通行能力或最大流量Qm,其對應的交通密度為最佳密度Km。北環高速公路的設計通行能力(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),其對應的最佳密度為18 pcu/(km·車道),臨界速度分別為66和79 km/h。從前面統計數據來看,北環高速公路的實際交通流量除廣清東—廣花路段外均小于設計通行能力,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。這主要是由運行車速過低導致的,若提高運行車速,相應地可降低車流密度,提高路段服務水平。對于廣花—廣園、廣園—沙河、沙河—岑村路段,其實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分析結果

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

7 交通阻塞狀況

根據前面的分析,北環高速公路的服務水平總體上已由二級降至四級,交通流處于強制流狀態,車流不穩定,運行車輛之間的相互干擾很大,一旦車流受到擾動,將導致嚴重阻塞。

據統計,2013年北環高速公路共發生交通阻塞948次。從時間分布來看,發生在7:00—20:00時段的交通阻塞次數為772次,占總數的81.4%;發生在20:00—7:00時段的交通阻塞次數為176次,占總數的18.6%。從交通阻塞長度和阻塞時間(見圖2、圖3)來看,最大阻塞長度達到17 km,其中阻塞長度在2 km以上的次數達到545次,占總次數的57.5%;最長阻塞時間達到980 min,其中阻塞時間在60 min以上的次數達688次,占總次數的72.6%。

阻塞數據分析結果表明:北環高速公路的阻塞現象非常嚴重,且經常發生在7:00—20:00時段內,多發生在K0—K10路段,交通阻塞現象也印證了北環高速公路交通密度大、服務水平降低的分析結果。

圖2 北環高速公路交通阻塞長度分布

圖3 北環高速公路交通阻塞時間分布

8 結論

該文分析了廣州北環高速公路的運行特點,用交通流最基本的3個參數即流量、密度、速度等描述其交通運行狀況,通過對三參數及交通阻塞情況的研究,得出以下結論:

(1)交通流分析結論與北環高速公路實際運行情況基本一致,在局部路段的特定時間內交通量大、交通密度大、運行速度較低,容易導致交通擁堵。

(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,而大型貨車的運行速度一般偏低,嚴重影響了小型客車的自由運行。

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

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收稿日期:2015-10-06

中圖分類號:U491.2

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0031-04