公路接入口處駛入車輛換算系數估算方法

嚴亞丹, 趙 鵬, 仝 佩, 王東煒

(鄭州大學 土木工程學院,河南 鄭州 450001)

0 引言

不同類型道路設施的交通流特征不同，為便于通行能力、飽和流率計算以及服務水平分析等，車輛換算系數應運而生。自《Highway Capacity Manual》于1965年提出該概念[1]，學者們對換算系數估算做了許多研究，以將不同類型道路設施處的各類車輛換算成標準車型(通常指小客車，即passenger car unit，簡稱pcu)。Raj等對國外車輛換算系數估算方法進行綜述[1]，總結了不同類型道路設施背景下的估算方法，包括城市道路基本路段處的速度模型[2-3]、空間占有率法[4]、多元線性回歸模型[5]和公路基本路段處的車頭時距模型[6]、流率和密度法[7]、延誤法[8]、仿真建模法[9]等以及交叉口處[10-11]的估算方法。討論了目前存在的問題和挑戰[1]：(1)現狀數據采集主要采用攝像機，位置點和視頻錄攝角度可能會影響數據的樣本；(2)隨著技術的快速發展，車輛類型更加多樣化；(3)公路交織區、環形交叉口等的車輛換算系數估算極少涉及。國內車輛換算系數的研究對象包括城市道路路段、快速路匝道合流區、交叉口進口道等。薛行健[12]研究了快速路匝道處的車輛充分加速匯入、停車匯入模式，提出了相應的車輛換算系數建議值。李紅偉和陸鍵[13]以跟車狀態的平均車頭時距代替路段總流量的平均車頭時距，從而改進了傳統的車頭時距法。亦有學者開展了高速公路基本路段上的車輛換算系數研究。付強等[14]采用VISSIM，基于小客車速度構建了車輛換算系數模型。敖谷昌等[15]基于時間占有率，提出了車輛折算系數的回歸分析模型。孫山等[16]將車輛聚類分型，依據不同類型車輛間的車頭時距，重新推導了車輛換算系數的計算模型。曲大義[17]定義了交通密集度，并將其作為動態車輛換算系數的計算參數。此外，徐建閩等[18]基于宏觀基本圖曲線，從路網全局的角度研究了大型車的車輛換算系數。總結可知，國內外研究現狀極少涉及公路接入口處的車輛換算系數問題，且目前的接入口設計亦缺少明確具體的規范或技術標準。

近年來，隨著我國城鎮化步伐加快，城鎮化公路現象大量涌現，表現之一為兩側接入口的進出車輛逐漸增多。由于缺少渠化設計和信號控制，接入口設施處駛入公路路段的車輛對路段外側車道交通流運行產生較大影響。本研究擬采用無人機航拍采集數據，基于交通流和車輛運行狀態，開展從公路接入口處駛入公路路段的車輛動態換算系數估算方法研究。

1 公路接入口處車輛運行特征

接入道路是實現路網可達功能的“首末端”道路類型，其與公路平面交叉形成公路接入口。《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)將“路線交叉”分類為公路與公路平面交叉、公路與公路立體交叉、公路與鐵路相交叉、公路與鄉村道路相交叉，面向等級公路和鄉村道路，未提及公路接入口。這里借鑒已有文獻[19]，定義公路接入口為：服務于公路兩側的企事業單位、居住小區、商服用地、公共用地、物流倉儲用地或村鎮等的接入道路與公路相交所形成的無信號控制平面交叉，通常為T型。接入道路通常由兩側土地利用的開發商或使用者建設而成，并用于該土地利用發生、吸引的交通，通常屬于非等級道路的范疇。

接入口對公路路段的交通運行影響主要是由于車輛在駛入、駛出過程中，需要占用公路路段的時間與空間資源。車輛占用公路路段的時間長短，主要受車輛的制動性能影響；空間占用則主要與車輛的尺寸有關。不同尺寸的車輛，轉彎半徑存在較大差異。小貨車和小客車由于車型小，機動性好，通常情況下，駛入、駛出過程僅需占用公路路段最外側的1個車道，如圖1(a)所示；且進出過程所花費的時間短，影響范圍小。但大貨車需要占用2個車道，十幾米長的汽車列車甚至占用4個車道，影響范圍和程度均很大，如圖1(b)所示。

圖1 公路接入口處匯入路段的車輛類型Fig.1 Vehicles types at highway accesses

沿線用地通過接入道路與公路銜接，平面交叉時形成接入口。接入口處，車輛行為主要包括車輛駛入和車輛駛出。駛入行為指接入道路上的車輛從接入口處開始進入公路路段到車輛在公路路段上把車身擺正的過程；駛出行為則指公路路段上的車輛由開始轉彎到車尾完全離開公路路段進入接入口的過程。

2 公路接入口處駛入車輛動態換算系數估算方法

2.1 車型劃分

采用小客車作為標準車型。進而根據公路及接入口處的車輛類型特點進行分類，分類后的車型既要反映車型特點，亦要有利于后期數據處理。《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)中給出了4類車輛類型的換算系數，即小客車、中型車、大型車、汽車列車。而實際中，客車與貨車的動力性能不同，道路時間和空間資源的占用情況亦有所不同，宜分開考慮，如表1所示。

表1 城鎮化背景下公路上的車輛類型劃分

2.2 公路基本路段上車輛換算系數

公路路段上最常用的車輛換算系數估算方法為車頭時距法。但不同車型組合的車頭時距差別較大，獲得混合交通中各種車輛類型的車頭時距數據具有一定難度[1, 20]；尤其是在車流不穩定狀態下，車頭時距更難獲取，且誤差較大[20]。故可采用通行耗時衡量車輛通過公路斷面的能力，即通過某公路斷面所耗費的時間。該指標由車身長度、車輛行駛速度兩個因素決定。速度與車型動力性能相關；從宏觀角度而言，速度主要受制于路段總體交通流狀態的影響；從微觀角度分析，速度尚受到其與前車、后車間距，以及前車、后車速度的影響，且該影響是相互的[21-23]，在某種程度上反映了車輛與車輛之間的相互制約程度。此外，不同寬度的車輛在行駛時占用道路寬度不同，為了避免與其他車輛沖突，駕駛員會考慮一定的側向空間保證車輛快速平穩運行。故應有一個反映這種橫向道路空間資源占用的系數對通行耗時法進行修正。

構建公路基本路段上車輛換算系數PCEi的估算公式如下：

(1)

(2)

公路基本路段上的交通流率則為數據采集時間段內，各車型的車輛數與其換算系數的乘積和，即：

(3)

式中，n為車輛類型數量；i為車型編號，i=1，2，…，n；q為當量標準小客車流率；qi為車型i的車輛數；PCEi為車型i的車輛換算系數。

2.3 公路接入口處駛入車輛換算系數

公路接入口處，車輛換算系數主要用于分析車輛匯入過程中對公路路段交通流所造成影響的程度和差異。故將該處車輛換算系數定義為：與標準車型小客車相比，在特定的交通條件下，公路接入口處的車輛在駛離接入口并匯入公路路段的過程中對其交通流影響的當量值。該影響主要體現在2個方面：(1)空間資源占用，體現在對臨近接入口的公路路段上車道的占用；(2)時間資源占用，體現為占用公路車道上的停留時間。基于此，構建接入口處駛入公路路段的車輛換算系數PCEi′的估算公式為：

(4)

3 實例分析

3.1 數據采集

以鄭州市含路側接入口的某G107公路路段為研究對象進行實例應用。該接入口服務于路側的大型物流倉儲園區，進出車輛類型較多。采用大疆無人機PHANTOM 4 PRO V2.0，在接入口上方120 m進行高空錄制視頻，鏡頭以垂直視角錄制公路路段及接入口處車輛運行情況，如圖2所示。為了獲取從自由流到強制流的全樣本空間，調查期間，在每天的6:00—18:00之間，從中隨機抽取時段進行調查，并非在此期間進行不間斷調查；隨機抽取的調查時段的總和為22 h(如表2所示)，由于采用無人機拍攝視頻，電池約每20 h需要更換一次，故去除更換電池所花費時間，總有效調查時長為15.8 h。

圖2 調查路段和接入口Fig.2 Survey highway section and access

3.2 數據處理

交通流率反映了短時間內交通流狀態，確定流率的合理統計間隔宜以樣本空間盡可能大為目標。

表2 調查時段分布

已有文獻中的統計間隔有所不同，如20 s[24]、2 min[25]等。對采集得到的數據，分別采用5,3 min和1 min的流率作為統計間隔，隨機選取30個樣本，將交通流量樣本從小到大排序，如圖3所示。當統計間隔為1 min時，得到小時交通流量樣本區間為[936，5 304]；統計間隔為3 min時，樣本區間為[951，4 649]；統計間隔為5 min時，則為[1 163，3 835]。考慮到統計間隔過短難以記錄車輛運行的微觀過程，選擇3 min作為統計間隔。

圖3 不同統計間隔下交通流量區間Fig.3 Traffic volume range under different statistics time intervals

在統計時間間隔內，利用車輛及行人數據采集與分析軟件(Simi Motion)，建立與實際尺寸相同的坐標系，得到不同類型駛入車輛的尺寸參數、占用車道數、占用時間等；進而通過視頻的處理分析，計算得到車輛通行時耗、行駛速度、車頭時距等參數。

3.3 接入口處駛入車輛換算系數計算和分析

由于服務用地為物流倉儲園區，經統計發現，接入口處進出的車輛類型包括小客車、小貨車、中型貨車、大型貨車和汽車列車5種，對接入口處駛入公路的各車型車輛換算系數隨路段交通流狀態變化趨勢進行分析，如圖4～圖8所示。其中，占用車道編號如圖2所示。

圖4 接入口處的小客車Fig.4 Cars at access

圖5 接入口處的小型貨車Fig.5 Small trucks at access

圖6 接入口處的中型貨車Fig.6 Medium trucks at access

圖7 接入口處的大貨車Fig.7 Large trucks at access

圖8 接入口處的汽車列車Fig.8 Truck combination at access

由圖4～圖8可知：

(1)對于5種車型的換算系數，汽車列車>大貨車>中貨車>小貨車>小客車，符合《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)里建議的車輛換算系數與車型關系的趨勢。

(2)接入口處，隨著路段流量增大，各駛入車型的車輛換算系數增大；且在駛入過程中占用的車道數越多，車輛換算系數值越高。

(3)接入口處，隨著公路路段上的交通流速度增大，各駛入車型的車輛換算系數呈現出先增大后降低的趨勢，在40 km/h左右處呈分界。主要是由于：

當公路路段上的交通流速度較低時，車流密度較大，此時處于飽和流狀態，車隊行駛緩慢，駛入車輛難以匯入交通流，對公路路段交通運行影響的范圍亦較小，如圖9所示。

圖9 車輛駛入公路路段時的交通影響(飽和流)Fig.9 Traffic influence of vehicles entering highway section (in saturated flow)

當車流速度較高時，交通密度低，接近自由流狀態，車輛之間的間距較大，接入口駛入車輛對公路路段的影響均較小；但在駛入時，因車道選擇性較大，常占用多個車道，故仍可對公路路段上的個別車輛產生影響，如圖10所示。

圖10 車輛駛入公路路段時的交通影響(自由流)Fig.10 Traffic influence of vehicles entering highway section (in free flow)

而在介于自由流和飽和流之間的穩定流狀態時，車輛較多，間距介于自由流和飽和流之間，接入口的車輛駛入公路路段時較為方便，但常對公路路段上連續的多輛車輛同時產生影響，故此時的車輛換算系數亦相對較大，如圖11所示。

圖11 車輛駛入公路路段時的交通影響(穩定流)Fig.11 Traffic influence of vehicles entering highway section (in steady flow)

4 結論

基于城鎮化公路的特點，研究了接入口處車輛駛入過程對公路路段的交通影響，分別提出了公路路段和接入口車輛換算系數的估算方法。接入口處車輛駛入具有較為明顯的時空資源占用特點，且車型越大、車輛占用的車道數越多，影響的范圍和程度越大。以小客車為標準車型，基于通行時耗，提出了公路路段車輛換算系數估算方法；考慮占用路段上車道時空資源的特征，提出了接入口處車輛換算系數估算方法。后續將結合其他土地利用類型的接入口進行更多實例驗證和對比，并在此基礎上開展公路通行能力和服務水平的分析研究。