基于駛?cè)肼实姆?wù)區(qū)合理用地量計(jì)算模型

李 霞，李 霖，崔洪軍，任喜龍，李 昊

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；3. 河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061000)

基于駛?cè)肼实姆?wù)區(qū)合理用地量計(jì)算模型

李 霞1，李 霖1，崔洪軍1，任喜龍2，李 昊3

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；3. 河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061000)

將服務(wù)區(qū)間距信息、服務(wù)水平、高速公路所處地形條件等因素對服務(wù)區(qū)用地量的影響引入車輛連續(xù)行駛時(shí)間分布函數(shù)中，提出了基于連續(xù)行駛時(shí)間的服務(wù)區(qū)駛?cè)肼视?jì)算方法。考慮主線交通量的交通組成、不同車型的服務(wù)需求特性，計(jì)算服務(wù)區(qū)的服務(wù)交通量和服務(wù)客流量，并對停車場、公共廁所、加減速車道、餐廳等設(shè)施的用地面積分別進(jìn)行計(jì)算，從而確定服務(wù)區(qū)的用地量計(jì)算模型。最后借用大廣高速衡大段工可階段OD調(diào)查數(shù)據(jù)，完成了對其沿線各服務(wù)區(qū)駛?cè)肼屎透鞣?wù)設(shè)施的合理用地量的計(jì)算，得到了各服務(wù)區(qū)的合理用地量。

交通運(yùn)輸工程；服務(wù)區(qū)；駛?cè)肼剩贿B續(xù)行駛時(shí)間

高速公路項(xiàng)目參與人員通常以《公路工程項(xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)》作為分析服務(wù)區(qū)項(xiàng)目用地的唯一手段。該指標(biāo)中，高速公路服務(wù)區(qū)用地指標(biāo)的服務(wù)系數(shù)依據(jù)不同的車道數(shù)、路段交通總量和大型車駛?cè)氡壤_定，進(jìn)而最終確定服務(wù)區(qū)用地量[1]。研究發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)一的用地指標(biāo)不能很好地反映服務(wù)區(qū)內(nèi)各分項(xiàng)設(shè)施的用地合理性和服務(wù)區(qū)用地與主線交通組成、服務(wù)區(qū)駛?cè)肼屎头?wù)設(shè)施需求特征之間的關(guān)系，限制了服務(wù)區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的靈活性。

筆者在考慮服務(wù)區(qū)間距、確定服務(wù)區(qū)駛?cè)胄枨罅康幕A(chǔ)上，對不同地址地形條件下服務(wù)區(qū)建設(shè)用地進(jìn)行系統(tǒng)的定量分析預(yù)測，計(jì)算得到各必要服務(wù)設(shè)施的分項(xiàng)用地指標(biāo)，建立合理的服務(wù)區(qū)用地量模型，以期更好的解決我國服務(wù)區(qū)用地的現(xiàn)存問題。

1 基于連續(xù)行駛時(shí)間的服務(wù)區(qū)駛?cè)肼视?jì)算方法

車輛連續(xù)行駛時(shí)間是指車輛連續(xù)不間斷地在高速公路主線上行駛的時(shí)間。車輛駛?cè)敕?wù)區(qū)的時(shí)間點(diǎn)正是車輛在高速公路上行駛的間斷點(diǎn)[2]，因此決定高速公路服務(wù)區(qū)駛?cè)肼实膬?nèi)在關(guān)鍵是車輛連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，在高速公路上車輛連續(xù)行駛時(shí)間與車輛駛?cè)敕?wù)區(qū)是等價(jià)命題。

1.1 車輛連續(xù)行駛時(shí)間分布規(guī)律

模型建立之初，首先應(yīng)對數(shù)據(jù)的分布規(guī)律進(jìn)行分析。筆者調(diào)查了京秦高速某天在服務(wù)區(qū)利用率最高的06：00—19：00點(diǎn)之間各服務(wù)區(qū)車輛駛?cè)肭闆r，通過計(jì)算同一車輛兩次駛?cè)敕?wù)區(qū)的時(shí)間差，得到車輛連續(xù)行駛時(shí)間。客車、貨車車輛連續(xù)行駛時(shí)間頻率分布和累積分布如圖1。由圖1可見，車輛連續(xù)行駛時(shí)間存在正態(tài)分布的一些基本特征。對貨車和客車的連續(xù)行駛時(shí)間分別進(jìn)行是否滿足正態(tài)分布的χ2擬合檢驗(yàn)，驗(yàn)證了車輛連續(xù)行駛時(shí)間滿足正態(tài)分布。對客車細(xì)化分為大中客車和小客車后，經(jīng)檢驗(yàn)兩車類型的客車連續(xù)行駛時(shí)間仍滿足正態(tài)分布。

圖1 連續(xù)行駛時(shí)間下的車輛頻率分布及累計(jì)分布Fig.1 Frequency distribution and cumulative distribution of vehicle in continuous driving time

決定車輛連續(xù)行駛時(shí)間的主要內(nèi)在因素為司乘人員的生理心理特性、車輛特性，這些因素的隨機(jī)性也決定了車輛連續(xù)行駛時(shí)間的隨機(jī)性。因此可以假定車輛連續(xù)行駛時(shí)間決定因素為車輛和司乘人員，而車輛和司乘人員在每條高速公路上都是隨機(jī)分布的，每條高速公路上車輛連續(xù)行駛時(shí)間分布規(guī)律應(yīng)大致相同，所以調(diào)查所得的車輛連續(xù)行駛時(shí)間滿足正態(tài)分布規(guī)律具有一定普適性，可用于分析其它高速公路駛?cè)肼蕟栴}。

1.2 車輛連續(xù)行駛時(shí)間分布規(guī)律

設(shè)OD對起點(diǎn)r和終點(diǎn)s間的交通出行量為Trs，OD對間共有n個(gè)服務(wù)區(qū)，第i個(gè)服務(wù)區(qū)的影響范圍為Li，設(shè)

(1)

式中：v為車輛行駛速度；μ為車輛連續(xù)行駛時(shí)間均值；σ為車輛連續(xù)行駛時(shí)間方差。

定義φ(t1)為車輛連續(xù)行駛時(shí)間的分布函數(shù)，由此得到該OD對間行駛車輛駛?cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)的概率為

P1=φ(t1)

(2)

車輛駛?cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)的概率為

P2=P1φ(t2-t1)+(1-P1)φ(t2)

(3)

式中：P1φ(t2-t1)為該OD對間車輛在第1個(gè)和第2個(gè)服務(wù)區(qū)都駛?cè)氲母怕剩?1-P1)φ(t2)為該OD對間車輛路經(jīng)第1個(gè)服務(wù)區(qū)未駛?cè)耄苯玉側(cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)的概率。

車輛駛?cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)的概率為

P3=(1-P1)(1-P2)φ(t3)+(1-P1)P2φ(t3-t2)+(1-P2)P1φ(t3-t1)+P1P2φ(t3-t2)

(4)

式中：(1-P1)(1-P2)φ(t3)為該OD對間車輛只駛?cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)的概率；(1-P1)P2φ(t3-t2)為一車輛在駛?cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)后又駛?cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)的概率；(1-P2)P1φ(t3-t2)為一輛車駛?cè)氲?個(gè)和第3個(gè)服務(wù)區(qū)，未駛?cè)氲?個(gè)服務(wù)區(qū)的概率；P1P2φ(t3-t2)為一輛車前3個(gè)服務(wù)區(qū)都駛?cè)氲母怕省?/p>

根據(jù)式(2)～式(4)，遞推得到車輛駛?cè)氲趎個(gè)服務(wù)區(qū)的概率為

(5)

將車輛按車型大小分類，則OD對r-s間的某類型車輛在各個(gè)服務(wù)區(qū)的駛?cè)肓繛?/p>

(6)

在高速公路設(shè)計(jì)中，只要預(yù)測出高速公路服務(wù)區(qū)域內(nèi)的OD矩陣，將各OD對間的某類車型的駛?cè)肓壳蠛蚚3]，即可確定第n個(gè)服務(wù)區(qū)的某類型車輛駛?cè)肟偭浚?/p>

(7)

服務(wù)區(qū)的某類車型駛?cè)肓颗c其主線交通量的比值，即為服務(wù)區(qū)某類車型的駛?cè)肼剩?/p>

(8)

式中：αn為第n個(gè)服務(wù)區(qū)的某類車型駛?cè)肼剩籄n為第n個(gè)服務(wù)區(qū)所在高速公路路段的某類車型主線交通量。

2 服務(wù)區(qū)用地量計(jì)算

服務(wù)區(qū)用地主要為駛?cè)氲能嚭腿朔?wù)的，依據(jù)供需理論，筆者先計(jì)算確定服務(wù)區(qū)的服務(wù)交通量和服務(wù)客流量[4]，進(jìn)而可計(jì)算各分項(xiàng)設(shè)施的合理用地量。

2.1 服務(wù)交通量的計(jì)算

服務(wù)交通量直接決定了服務(wù)區(qū)內(nèi)為車輛服務(wù)的停車場、加油站等設(shè)施的用地面積[5]。不同車輛類型因?yàn)樽陨硇旭偺卣骱头?wù)需求，所需占用的服務(wù)設(shè)施用地面積也不同，應(yīng)對不同車輛類型的交通量做分別計(jì)算：

(9)

式中：i為大、中、小型車類別編號；Qi為第i類車服務(wù)交通量，輛/d；Q為路段交通量(自然數(shù))，輛/d；μi為第i類車駛?cè)肼剩?；γi為第i類車所占比例，%；Gi為第i類車高峰小時(shí)比率；αi為第i類車假日不均勻系數(shù)。

2.2 服務(wù)客流量的計(jì)算

高速公路服務(wù)區(qū)內(nèi)以人為服務(wù)對象的諸如餐廳、廁所等設(shè)施的用地面積，需要計(jì)算服務(wù)區(qū)內(nèi)服務(wù)客流量來最終確定。客流量可以通過不同類型車輛的平均載客量乘以服務(wù)交通量并求和得到，即

(10)

式中：Ri為第i類車服務(wù)客流量，人/d；Ki為第i類車平均載客量，人/輛。

2.3 服務(wù)區(qū)用地量計(jì)算

利用服務(wù)交通量、服務(wù)客流量，綜合考量不同服務(wù)設(shè)施的服務(wù)特征和車輛、人流的用地需求狀況，可以得到服務(wù)區(qū)內(nèi)各分項(xiàng)設(shè)施的用地量，求和可得服務(wù)區(qū)服務(wù)設(shè)施總用地量。

2.3.1 停車場用地面積

停車場是服務(wù)區(qū)內(nèi)使用率最大的設(shè)施，停車場的用地面積用式(11)計(jì)算：

(11)

式中：ST為停車場用地面積，m2；Si為第i類車單位停車面積，m2/輛；θi為功能分隔帶、貫穿車道、轉(zhuǎn)移車道及車位邊角等非停車面積所占比例[6]，%；Zi為第i類車平均停車時(shí)間，h。

2.3.2 公共廁所用地面積

服務(wù)區(qū)公共廁所使用率較高，用地面積尤其是女廁所多存在不足現(xiàn)象，故公共廁所用地面積計(jì)算公式需將男女入廁特征分別進(jìn)行考慮：

SW=ωw+SWM+SWF

(12)

(13)

(14)

式中：SW為公共廁所的用地面積，m2；SWM為男廁的用地面積，m2；SWF為女廁的用地面積，m2；ωw為洗手池、清洗池、管理間、工具間、化糞池等配套面積，m2；WW為入廁等候率，%；δ為進(jìn)入服務(wù)區(qū)的乘客入廁率，%；Nmd，Nmx，Nw分別為大便男乘客、小便男乘客、女乘客單位入廁面積，m2/人；Fmd，F(xiàn)mx，F(xiàn)w分別為大便男乘客、小便男乘客、女乘客占入廁乘客比例，%；Tmd，Tmx，Tw分別為大便男乘客、小便男乘客、女乘客單位入廁時(shí)間，h。

2.3.3 餐廳用地面積

餐廳是服務(wù)區(qū)駛?cè)胝呔筒汀⑿菹⒌闹饕獔鏊歉咚俟贩?wù)區(qū)的主要設(shè)施之一。餐廳用地面積用式(15)計(jì)算：

(15)

式中：SC為餐廳的用地面積，m2；ωc為門廳、過廳、洗手間、收款處等公用部分的面積，m2；WC為就餐等候率，%；βi為第i類汽車乘客就餐率，%；M為單人就餐面積，m2/人；T為平均就餐時(shí)間，h。

2.3.4 加減速車道用地面積

依據(jù)JB 124—2011《公路工程項(xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)》中的相關(guān)規(guī)定，服務(wù)設(shè)施出入口加減速車道寬度按8.5 m、雙側(cè)加減速車道總長度按2.5 km計(jì)。平原區(qū)、微丘區(qū)、山嶺重丘區(qū)的平均填土高度分別為2，2.5，4 m，邊坡坡率分別按照1∶1.5，1∶1.5，1∶1進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算，平原，微丘，山嶺重丘區(qū)域加減速車道用地面積分別為51，60，60畝/處。

2.3.5 服務(wù)設(shè)施用地總量計(jì)算

依據(jù)JTG D80—2006《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定，高速公路服務(wù)區(qū)內(nèi)還應(yīng)配備車輛維修站、加油站和小賣部。車輛維修站按停車場面積的0.5%計(jì)算，加油站統(tǒng)一按4 000 m2計(jì)，小賣部占地面積按餐廳面積的10%計(jì)算[7]。

在對服務(wù)區(qū)內(nèi)各分項(xiàng)設(shè)施用地面積分別計(jì)算求和后，綜合高速公路各種車道數(shù)所適應(yīng)交通量范圍，經(jīng)適當(dāng)平衡、調(diào)整和取整，即可確定服務(wù)區(qū)用地總量。

3 大廣高速衡大段服務(wù)區(qū)用地量

大廣高速衡大段設(shè)置服務(wù)區(qū)4處，依次為衡水湖服務(wù)區(qū)、威縣服務(wù)區(qū)、邱縣服務(wù)區(qū)和大名服務(wù)區(qū)，與相鄰服務(wù)區(qū)間間距分別為52.947，56.966，53.400，56.640，52.103 km[8]。

大廣高速衡大段位于河北省平原地區(qū)，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測駛?cè)肼剩玫胤从称浞?wù)特性，將同樣位于河北省的京秦高速公路的玉田、盧龍、灤縣、北戴河、山海關(guān)服務(wù)區(qū)與河北省沿海高速公路撫寧、樂亭、昌黎、唐海服務(wù)區(qū)等服務(wù)區(qū)作為統(tǒng)計(jì)分析樣本，以確定連續(xù)行駛時(shí)間分布函數(shù)和各服務(wù)設(shè)施的服務(wù)特征參數(shù)。

筆者依據(jù)在對交通量預(yù)測時(shí)OD小區(qū)就近原則，根據(jù)服務(wù)區(qū)的擬建設(shè)位置進(jìn)行歸并，定義衡水以北區(qū)(A區(qū))，冀州南宮區(qū)(B區(qū))，威縣區(qū)(C區(qū))，邱縣區(qū)(D區(qū))和大名區(qū)(E區(qū))，而后對各起訖點(diǎn)間交通量進(jìn)行歸并折算處理，可得到大廣高速衡大段高速公路服務(wù)區(qū)內(nèi)的交通分布情況即OD矩陣為

根據(jù)相關(guān)資料中關(guān)于不同車型車速的定義，假定大型車、中型車、小型車的平均車速分別為70，90，110 km/h。

根據(jù)筆者給定的駛?cè)肼视?jì)算模型，以及河北省平原區(qū)各車型的連續(xù)行駛時(shí)間函數(shù)，可以確定：

小型車連續(xù)行駛時(shí)間服從

ξ～N(131.99,100.172);

中型車連續(xù)行駛時(shí)間服從

ξ～N(179.93,63.942);

大型車連續(xù)行駛時(shí)間服從

ξ～N(208.10,94.102)。

計(jì)算得到4個(gè)服務(wù)區(qū)小型車的駛?cè)肼室来螢?3.226%，24.104%，25.563%，26.080%，中型車的駛?cè)肼室来螢?.955%，6.020%，6.524%，8.985%，大型車的駛?cè)肼室来螢?2.185%，12.165%，13.589%，15.043%。

針對大廣高速的實(shí)際情況和服務(wù)特征，利用相應(yīng)計(jì)算公式，可得大廣高速衡大段衡水湖服務(wù)區(qū)、威縣服務(wù)區(qū)、邱縣服務(wù)區(qū)和大名服務(wù)區(qū)的實(shí)際用地情況如表1。

表1 大廣高速衡大段服務(wù)區(qū)合理用地量值

根據(jù)4個(gè)服務(wù)區(qū)所在路段車道數(shù)、交通量和大型車駛?cè)氡壤瑓⒄铡豆饭こ添?xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)》表8.3.2，可計(jì)算得到4個(gè)服務(wù)區(qū)的用地量(考慮加減速車道用地后)分別為109 241,109 241,98 600,98 600 m2。筆者用地量計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果偏小，主要是因指標(biāo)中大型車比例介于10%和20%之間時(shí)，折減系數(shù)均相同，大廣高速衡大段大型車比例為11.11%，偏小，大型車的比例對服務(wù)區(qū)用地影響敏感性較大，故筆者建立的基于駛?cè)肼实姆?wù)區(qū)用地量計(jì)算模型真實(shí)可信。

4 結(jié) 語

高速公路服務(wù)區(qū)合理用地量影響因素復(fù)雜，筆者建立的基于駛?cè)肼实姆?wù)區(qū)用地量計(jì)算模型更好地體現(xiàn)了不同車型的行駛特性、服務(wù)需求特性，可依據(jù)工可階段交通量調(diào)查結(jié)果對待建高速的服務(wù)區(qū)用地量進(jìn)行針對性的詳細(xì)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與待建服務(wù)區(qū)所在路段的交通量、交通組成、道路條件、服務(wù)區(qū)間距信息、服務(wù)水平直接相關(guān)，且對各分項(xiàng)服務(wù)設(shè)施用地量分別進(jìn)行計(jì)算，可使服務(wù)區(qū)用地更合理的分配，更好的滿足駛?cè)敕?wù)區(qū)的人和車的需求。駛?cè)敕?wù)區(qū)的車流量和客流量對服務(wù)設(shè)施的需求還表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，有待進(jìn)一步結(jié)合其需求特性對各分項(xiàng)設(shè)施的用地量計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化。

[1] 劉亞非. 高速公路服務(wù)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究[D].西安：長安大學(xué),2012. LIU Yafei.StudyontheKeyTechnicalIndicatorsonExpresswayServiceFacility[D]. Xi’an: Chang’an University,2012.

[2] 申旺. 高速公路服務(wù)區(qū)規(guī)劃與管理研究[D]. 西安：長安大學(xué),2010. SHEN Wang.StudyonthePlanningandManagementofHighwayServiceArea[D]. Xi’an: Chang’an University,2010.

[3] 陳培. 高速公路服務(wù)區(qū)布局與合理規(guī)模研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué),2011. CHEN Pei.ResearchontheScientificLayoutandLogicalScaleoftheExpresswayServiceArea[D]. Tianjin: Hebei University of Technology,2011.

[4] 劉孔杰，崔洪軍．高速公路服務(wù)區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，2009：80-118.

LIU Kongjie, CUI Hongjun.HighwayServiceAreaPlanningandDesign[M]. Beijing: China Building Material Industry Publishing House,2009:80-118.

[5] 岳洋. 基于高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)施服務(wù)水平的臨界交通量研究[D]. 西安：長安大學(xué),2011. YUE Yang.StudyontheCriticalTrafficBasedontheServiceLevelofFacilitiesintheHighwayServiceArea[D]. Xi’an：Chang’an University,2011.

[6] 鄒花,楊佳. 高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)計(jì)探討[J]. 公路與汽運(yùn),2013(2):204-206. ZOU Hua, YANG Jia. Probes into the design of service areas in expressways[J].HighwayandAutomotiveApplications,2013(2):204-206.

[7] 孔佳偉,孫家駟. 臺灣高速公路服務(wù)區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)介紹[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(6):1366-1369. KONG Jiawei, SUN Jiasi. Introduction of service area planning and designing in Taiwan highway[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(6):1366-1369.

[8] 崔洪軍,邢小高,梁國鳳,等. 基于司乘人員需求特征的服務(wù)設(shè)施間距和功能配置研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,33(2):108-112. CUI Hongjun, XING Xiaogao, LIANG Guofeng, et al. Spacing and function configurations of service facilities based on the demand characteristics of drivers and passengers[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2014,33(2):108-112.

Calculation Model of Service Area’s Land Based on Driving-into Rate

LI Xia1, LI Lin1, CUI Hongjun1, REN Xilong2, LI Hao3

(1. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P.R.China; 2. Hebei Research Institute of Investigation & Design of Water Conservancy & Hydropower, Tianjin 300250, P.R.China; 3. Hebei University of Water Resources and Electric Engineering, Cangzhou 061000, Hebei, P.R.China)

The influence of service area’s space information, service level, and freeway topographic conditions on service area’s land was considered in the distribution function of vehicle continuous driving time, and the calculation method of service area’s driving-into rate based on vehicle continuous driving time was put forward. Considering the composition of main line’s traffic volume and the service demand characteristics of different types of vehicles, the service traffic volume and the passenger flow volume of service areas were calculated; at the same time, the land of parking lots, public toilets, acceleration lane and deceleration lane, restaurants and other facilities were calculated respectively, and then the calculation model of service area’s land was determined. Finally, referring to OD survey data of Hengshui—Daming section on Daqing-Guangzhou Expressway in the stage of engineering feasibility study, the calculation of the driving-into rate and the reasonable land of each service facility in each service area along the expressway was completed, and the reasonable land of each service area was obtained.

traffic and transportation engineering; service area; driving-into rate; continuous driving time

2015-03-21；

2015-12-15

河北省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(R080202)

李 霞(1981—)，女，河北新樂人，博士，講師，主要從事交通工程方面的研究。E-mail: diyilixi@126.com。

李 昊(1987—)，男，河北滄州人，碩士，主要從事道路與鐵道工程方面的研究。E-mail: czlh1987@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.26

U491

A

1674-0696(2016)06-127-04