混合交通流车辆折算系数研究及应用

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.79MB 76 页 15积分

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摘要

混合交通流是我国道路交通的典型特征，不仅交通构成复杂，不同车型所占

道路空间不同，而且行驶性能相差较大，相互干扰较为严重。同时，国内普遍存

在的超载、超限运输现象，使得车辆动力性能快速下降，尤其是在纵坡上，对其

他车辆的正常运行影响很大。而在一般的交通规划、建设和运营管理当中，通常

将货车及其他车型以固定的折算系数折算成标准车。但实际情况要复杂很多，不

同道路、不同纵坡，不同载重，不同流量、不同交通构成都会导致不同车型对交

通流的影响发生很大的变化。

考虑到固定折算系数的不足，本文首先对影响折算系数的因素进行分析总结，

并提出车辆因素也是影响车辆折算系数的重要因素之一。然后，从车辆折算系数

不同的根本原因——车辆性能表现的不同出发，设计车辆模拟实验，通过车辆模

拟软件和车辆模拟模型，分析在不同载重、不同纵坡和不同等级道路下车辆的运

行情况。采用 VISSIM 软件设计交通流微观仿真实验，通过设置期望车速决策点来

模拟车速的变化，间接模拟车辆纵坡行驶特征。根据车辆在不同环境下速度变化

的规律及速度变化快慢规律，仿真交通流环境下车辆的运行情况，采用理论模型

法，标定不同载重、不同纵坡和不同等级道路下的 PCE 值，并分析 PCE 随不同因

素变化规律。最后，将应用相继平均法的多用户分配模型与本文研究的成果相结

合，应用 EMME 软件，对温州市域公路网进行实证研究。研究结果表明，采用本

文的可变车辆折算系数的分配结果更贴近于实际公路网的交通量。

关键词：车辆折算系数车辆载重车辆模拟微观交通仿真

ABSTRACT

The road traffic is a typical mixed traffic in china, traffic composition is complex,

different vehicles share different space of road, their respective driving performance

varied widely and interference serious. At the same time, overloading is widespread

phenomenon of domestic, vehicles driving performance rapid decline, especially in

slope, interference great influence on the other vehicles. Generally, transportation

planning, construction and management use a fixed conversion factor of converted car

equivalent. However, the actual situation is more complicated, different roads, different

slope, different vehicle load, different traffic and different traffic composition will lead

to the various models the impact on traffic flow change a lot.

Taking into account the lack of a fixed conversion factor, firstly, summarized and

analysis the factors affecting the passenger car equivalent, proposed vehicle factors also

an important factor to passenger car equivalent. Then, from the passenger car equivalent

of different underlying causes - the performance of different vehicles, design vehicle

simulation, use simulation software and vehicle simulation model to analyze the

performance of under different load, different slope and different vehicle load. Using

VISSIM software to design microscopic traffic flow simulation, use decision point by

setting the desired speed to simulate the speed change on slope, simulated vehicle

driving characteristics on slope indirectly. According to the speed and speed change of

vehicles’ law in different environments, simulate traffic flow operation of the vehicle,

using the theory model method, calculated passenger car equivalent form based on

vehicle load, slope and road and analysis of different factors with the variation of

passenger car equivalent. Finally, combined of successive average method model and

the results of this research, application of EMME software, researched the Wenzhou

empirical Highway Network. The results show that allocation results of the variable

passenger car equivalent in this research results is closer to the actual road network in

the traffic.

Key Words: Passenger Car Equivalent ，Vehicle Load ，Vehicle

Simulation，Traffic Microscopic Simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..............................................................1

§1.1 选题背景 .......................................................1

§1.2 国内外研究现状 .................................................1

§1.3 研究目的与意义 .................................................3

§1.4 论文结构 .......................................................4

第二章车辆折算系数概述与算法确定 ........................................6

§2.1 车辆折算系数定义 ...............................................6

§2.2 车辆折算系数影响因素分析 .......................................6

§2.3 车型划分 ...................................................... 10

§2.4 算法确定 ......................................................13

§2.5 本章小结 ......................................................15

第三章车辆性能研究 .....................................................16

§3.1 车辆构造简介 .................................................. 16

§3.2 车辆性能测试实验设计 ..........................................18

§3.3 车辆性能测试结果分析 .......................................... 25

§3.4 本章小结 ...................................................... 33

第四章微观交通仿真下车辆折算系数研究 ..................................34

§4.1 微观交通仿真实验设计 .......................................... 34

§4.2 车辆折算系数结果及分析 ........................................ 39

§4.3 本章小结 ...................................................... 54

第五章车辆折算系数应用研究 ............................................55

§5.1 多用户网络均衡模型 ............................................ 55

§5.2 温州公路网实例研究 ............................................ 58

第六章结论与展望 .......................................................65

§6.1 本文研究成果 .................................................. 65

§6.2 本文研究不足之处 .............................................. 65

附录 1 .................................................................. 66

附录 2 .................................................................. 69

参考文献 ................................................................71

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..........................74

致谢 ..................................................................75

第一章绪论

§1.1 选题背景

混合交通是我国道路交通的典型特征，不仅交通构成复杂，不同车型所占道

路空间不同，而且行驶性能相差较大，互相间干扰较为严重。车辆折算系数是比

较混合流中各车型对通行能力影响的重要参数，是量化道路交通流量，确定道路

服务水平的基础和前提。对于混合交通流的研究，首先要确定的就是不同车型间

的折算系数。因此，混合交通中不同车型间车辆折算系数的确定备受研究者的关

注。根据相关课题的积累，以《温州市公路水路交通发展布局规划》等作为支撑，

结合项目实际，本文的论题由此产生。

§1.2 国内外研究现状

§1.2.1 国外研究现状

车辆折算系数（PCE）概念最早于 1965 年出版的美国《道路通行能力手册

（HCM65）》中提出，并作为混合交通流当中不同车型之间的转换系数。车辆折算

系数概念提出后，以美国、英国为代表的国外学者以《道路通行能力手册》[1]为基

础，提出了以基于延误[2]、v/c 比[3]、车头时距[4]、投影面积[5]等为等效标准的车辆

折算系数算法。

1976 年，Werner 和Morrall[4]提出在平直路段、较低的服务水平下，最适合的

PCE 研究方法是车头时距法。1986 年， Ranymond A Krammes 和Kenneth

WCrowley[6]在Huber 公式基础上，提出了通过利用较大交通流中，不同车型的车

头时距及所占用的时间间距的等价性来求解 PCE 值的方法。但车头时距在 PCE 应

用中有较大的局限性。一方面是在剔除较大的车头时距时，车头时距的确定容易

影响最终的 PCE 值；另一方面，车流中存在超车换车道的驾驶行为，有些车头时

距并不是当前两辆车的性能决定的。

1979 年，Linzer[3]等提出来基于 v/c 比相同的 PCE 折算方法，以该方法研究的

《公路通行能力中间成果》在 TRB212 会议上得到采用。在研究过程中采用了典

型货车比功率 5.47kw/t

（300lb/hp），车辆性能曲线借鉴了宾夕法尼亚大学的研究成

果，货车初速度为 88.5km/h。对双向多车道公路的研究发现，PCE 值随比功率和

设计速度变化很小，但货车比例增加时，PCE 变小。但是，研究中假设仅存在比

功率相同的货车，这与道路上的实际情况相差较大。

1983 年，Cunagin 和Messer[2]通过对 HCM65 中的方法进行拓展，提出了基于

延误的多车道功率的 PCE 算法，是相对超车率法和相对延误法的结合。通过分析

地形条件、货车比例和服务水平对 PCE 的影响，发现在平直路段和一般坡度下，

混合交通流车辆折算系数研究及应用

PCE 值随货车比例、流量的增加而增大；在陡坡情况下，PCE 值随货车比例增大

而降低。但该研究没有涉及双向二车道和车辆不同载重的情况。

2000 年，Chandra 和Sikdar[5]提出了投影面积法，其原理是利用车流中各车型

的速度与车辆的占地面积比值作为车型 PCE 值。当交通流中，车辆不遵守车道的

限制，有变换车道的行为发生情况下，投影面积法能够最佳反映出该行为过程下，

车辆的 PCE 值。

同时，有关国家结合本国交通流特性、道路特性、车辆特性等影响因素进行

修正，提出适用于本国的车辆折算系数标准。[7]

1982 年，日本在修编《道路工程技术标准》时，将相关研究成果编入日本《道

路通行能力手册》中，而使道路通行能力的计算标准化。道路的通行能力计算的

基本原理与美国相同，车种构成补偿系数是基于重型车对小客车折算系数得到的。

德国在道路与交叉口的通行能力的研究中发表了许多学术论文，取得了突出

的研究成果，这些成果有的被美国《道路通行能力手册》直接引用。澳大利亚、

法国、西班牙等国家也都有专门的道路和交叉口的车辆折算系数。

表1-1 不同国家车辆折算系数值[7]

国家

小客车、

小货车

大货车

拖拉机、

牵引机械

公交车、

大客车

摩托车、

非机动车

美国

1.0

2.0

英国

1.0

1.75~3.00

2.25~3.00

0.33~1.0

德国

1.0

2.0

3.5

2.0

0.50/0.33

法国

1.0

2.0

0.3

澳大利亚

1.0

2.0

西班牙

1.0

2.0

日本

1.0

1.75

0.33

注：美国对于车辆转弯的修正另行考虑；英国的数值与应用有关，最低数值应用

于交通信号，最高数值应用于乡村公路的交叉路口；德国要考虑车辆转弯与道路

坡度的影响。

§1.2.2 国内研究现状

我国对道路车辆折算系数的研究起步较晚，研究成果相对较少。

上世纪 80 年代，由交通部公路科学研究所主持，南方八省市参加的《混合交

通双车道公路设计通行能力研究》[8]中提出了用“速度因子法”测算混合交通下双

车道公路车辆当量换算系数。研究以速度流量的一元回归方程为基础，将速度影

响因素作为衡量车辆折算系数的标准。其具体含义：在混合交通流中，平均某一

车型对标准车平均运行速度的影响量与平均标准车对小汽车运行速度影响量的比

第一章绪论

值，采用某一车型每增（减）一辆对标准车平均运行速度变化量与增(减)一辆标准

车对上述速度变化量的比值求得。该方法通过实际的调出数据分析得出模型，具

有一定的可靠度，但在实际应用过程中，当某一车型交通量较小时，该方法计算

出来的结果差异较大。

高海龙[9]等在《当量车的动力学计算模型》中，以车辆动力学特性不同为依据，

建立了基于车辆动力学的 PCE 计算模型，并得出了相应的 PCE 值。但是，该模型

仅考虑了车辆的几何尺寸以及其动力性能的使用充分性，而没有将模型应用于交

通流环境当中进行分析；对于车辆下坡的研究依然采用车辆动力学特性分析，这

与实际情况相差较大。同时模型对于同一坡度下，不同坡长纵坡的研究还存在一

些缺陷。

付强、杨晓芳[10-11]等提出了基于服务水平的车辆折算系数。研究以对小客车

的速度影响相同作为等效标准，利用微观仿真和数学建模的方法得到了不同混合

车流量、货车速度和货车混入率的车辆折算系数。该研究结果表明，在流量和混

入率都很小的时候，车辆折算系数没有实际意义；接近通行能力时，货车的影响

主要与车辆尺寸有关；在中间状态，车辆折算系数最大，且分别随流量和混入率

的增加先增后减。

长安大学刘俊德[12]，调查分析了 177 个不同路段交通观测数据，并结合通行

能力研究积累的成果，利用数理统计和随机场理论，提出了一种“汽车道路作用

空间”的物理分析方法来研究车辆当量换算问题。推算出了基于不同交通运行条

件下的车辆当量换算系数。

总体上来说，国内外的理论和实践研究已经较为成熟。研究算法方面已经形

成根据车辆折算系数定义构建的理论模型法、从宏观的交通流和通行能力角度出

发，把车流整体作为研究对象的经验直接计算法和从车头时距、车辆延误等实测

微观交通数据出发的经验间接计算法。研究影响因素方面，对不同等级道路、不

同交通管制条件、不同道路线型等道路条件和不同交通流、不同交通构成等交通

条件进行了较为详尽的分析研究。但是已有研究往往采用功率比固定的车辆，而

实际情况当中车辆的功率比随着车辆载重等因素的变化而变化，即使功率比相同

的车辆在不同环境条件下，尤其是纵坡，其车辆性能表现也不相同。因此，有必

要对不同载重车辆的折算系数进行分析和研究。

§1.3 研究目的与意义

车辆折算系数是比较混合流中各车型对通行能力影响的重要参数，是量化道

路交通流量，确定道路服务水平的基础和前提。车辆折算系数并非固定值，随道

路纵坡、道路等级、交通流构成、交通流大小、车辆性能等条件变化而变化。我

混合交通流车辆折算系数研究及应用

国的车辆折算系数研究还基本停留在国外的研究基础上，车辆折算系数固定不变。

如《公路工程技术标准（JTG B01-2003）》[13]中的给出的推荐值为固定的车辆折算

系数。而国内道路运输过程中普遍存在的超载、超限运输现象，使得车辆动力性

能表现快速下降，对其他车辆的运行会产生较大的影响。特别是中大型超载货车，

在上下坡路段车速快速下降，对其他类型的车辆干扰尤为严重，甚至出现“移动

的瓶颈（moving bottleneck）”[14]。同时，在道路实际运营过程中，也普遍存在交

通流量低于预测流量，而道路服务水平却出现下降的现象。因此，有必要对不同

载重下车辆的折算系数进行分析研究。

§1.4 论文结构

§1.4.1 研究框架

论文内容框架安排如下所示：

图1.1 论文结构流程图

第一章绪论

§1.4.2 主要内容

本文后续章节内容安排如下：

第二章，分析车辆折算系数的概念和相关影响因素，结合我国交通的实际情

况，以《公路工程技术标准（JTG B01-2003）》为依据，确定相关影响参数的设置。

总结分析车辆折算系数的算法，提出本文研究所采用的算法。

第三章，根据汽车构造和车辆工程学的相关知识，采用模拟方法，设计相关

车辆模拟实验。采用相关车辆模拟软件和模型，模拟不同环境下的车辆运行情况，

分析得出的数据，为交通流模拟提供基础数据。

第四章，设计相关交通流模拟实验，应用得到的车辆模拟数据，应用于微观

仿真软件 VISSIM 中，模拟不同道路和车辆情况下的交通流特性。根据已经确定的

算法，标定车辆折算系数的研究结果，并进行分析。

最后，在以上研究的基础上，进行实证研究。提出基于不同道路、不同载重

和不同纵坡影响的交通网络均衡模型，并提出相应的算法。以温州市域公路网为

例，进行实证研究。

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摘要：

摘要混合交通流是我国道路交通的典型特征，不仅交通构成复杂，不同车型所占道路空间不同，而且行驶性能相差较大，相互干扰较为严重。同时，国内普遍存在的超载、超限运输现象，使得车辆动力性能快速下降，尤其是在纵坡上，对其他车辆的正常运行影响很大。而在一般的交通规划、建设和运营管理当中，通常将货车及其他车型以固定的折算系数折算成标准车。但实际情况要复杂很多，不同道路、不同纵坡，不同载重，不同流量、不同交通构成都会导致不同车型对交通流的影响发生很大的变化。考虑到固定折算系数的不足，本文首先对影响折算系数的因素进行分析总结，并提出车辆因素也是影响车辆折算系数的重要因素之一。然后，从车辆折算系数不同的根本原因—...

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