北京市城市干道通行能力及规划参数研究

徐 林 叶以农 杨孝宽

（北京市城市规划设计研究院1） 北京 100045）

（北京工业大学交通工程北京市重点实验室2） 北京 100022）

0 引 言

本文是根据北京市城市规划设计研究院与北京工业大学合作研究项目“北京市城市干道通行能力及规划参数研究”完成.最终目标是从规划的角度提出北京市道路通行能力分析方法、道路服务水平指标、道路通行能力相关参数的使用，为规划部门进行公路和城市道路的交通规划、交通控制与管理、设计以及工程可行性研究提供理论依据.

1 研究背景及内容

在世界范围内，美国是对通行能力及其相关内容研究最早、最成熟的国家.从20世纪40年代起，美国针对公路规划、设计和运营中出现的问题，展开了对道路通行能力的全面研究，突出的研究成果为《道路通行能力手册》［1］（highway capacity manual，HCM），是当今最系统、最具权威性的通行能力研究成果，并先后进行4次更新.其他发达国家，如英国、德国、瑞典、日本等也编制了适合自己国情的HCM手册.

我国开展对通行能力及其相关内容的研究较晚.自20世纪80年代开始，交通部公路科学研究所、北京工业大学、东南大学和同济大学等单位在学习和吸收国外有关通行能力研究方法和内容的同时，对适合我国国情的通行能力和服务水平等方面开展了多方位的研究.

随着国民经济持续增长、城市中心逐年扩张、交通需求迅猛增加，北京城市道路建设也随之迅速发展起来.但由于缺乏对城市道路交通流特性和通行能力等基础领域深入和持续的研究，城市道路规划与管理部门缺少必要的交通分析工具和手段，无法做到有的放矢.因此，这就迫切要求我们从系统上全面开展对北京市道路系统通行能力及其相关参数的研究，并建立相应的模型.

本研究的主要目标是在北京城市道路网规划中如何正确估算主、次干道基本路段通行能力，预期服务水平和相关规划参数的使用.基于这一特点，本文包括以下三项具体研究内容.

1）速度－流量关系模型研究 速度－流量统计曲线可以清楚地显示速度随流量的变化规律，从而得到理想条件下的通行能力值.本研究中通过大量的实测数据，以真实的交通流数据为基础，从交通流状况的实际出发，建立北京城市主次干道基本路段的统计分析模型，并以此推导出通行能力推荐值.本研究是首次对间断流的特征参数进行定量分析，它填补了我国在这一领域研究的空白.

2）通行能力影响因素研究 从交通工程学角度可知，影响通行能力的因素很多，诸如：车道宽度、车道数、侧向净空、中央分隔带形式、交通构成以及非机动车和行人干扰等.在现实设计中，这些因素应该给予足够重视，本文将公交车的停靠对道路基本路段通行能力的影响进行定量分析.

3）通行能力服务水平及量化指标 服务水平是联系道路通行能力及其设计、规划和运营分析的桥梁和纽带.划分服务水平等级的指标很多，如加速度干扰、行车速度、行车时间、车辆行驶自由度、行车舒适性和安全性等.本研究根据北京城市道路系统的特点，将服务水平划分为4个级别，并提出最大服务流率的概念，将服务水平和通行能力有机地联系在一起.

2 数据采集与分析

本研究调查数据的采集通过摄像法获得，通过Autoscope将视频数据转化为不同时间间隔的数据，然后利用SPSS软件对各类数据进行统计分析，最终建立各种数学模型.

2.1 主、次干道速度－流量数据调查

以往对速度－流量的研究多数是建立在高速公路、城市快速路等连续流基础上，而对间断流方面的研究很少.因此，本研究首次针对北京市的主、次干道这种间断流特性的速度－流量关系进行研究，各种资料多为现场调研所得.通过对北京市20条主、次干道的观测获得了大量的有效数据，为分析速度－流量之间的关系奠定了基础.

调查从2006年7月到11月，为了保证调查数据的可靠性、真实性和有效性，将调查时间选在天气晴朗的正常工作日，调查时段选择平峰、高峰各2h.调查选择的基本路段定义为：距相邻2交叉口停车线200m以外的路段，如图1所示.之所以选用200m是根据北京主、次干道在交叉口的平均排队长度.

2.2 公交停靠站对路段影响调查

公交停靠站对城市道路主、次干道通行能力有重要影响.本次调查分别对两类停靠站：港湾式和非港湾式进行研究，共选取北京市主、次干道16个港湾式公交停靠站和13个非港湾式公交停靠站，公交停靠站所处路段，如图2所示.

图1 主、次干路基本路段示意图

图2 公交停靠站所处路段分布图

3 模型建立与标定

3.1 主、次干道速度－流量模型

利用交通流数据检测仪器Autoscope2004以1min为一个统计间隔［2］，对数据进行处理；然后利用SPSS1统计软件得出每个车道的速度流量散点图（如图3、4所示）.

图3 主干路速度－流量散点图

图4 次干路速度－流量散点图

利用传统速度－流量关系式Q＝Kj（v－v2／vf）可得到公式Q＝av2＋bv，然后用统计分析软件进行统计分析，可得出速度流量关系曲线，并由曲线最高点确定推荐通行能力值，见表1.

表1 北京市主、次干道基本路段推荐通行能力值 辆／h

3.2 公交停靠站对路段通行能力影响建模

公交影响时间（T）是指1h内所有停靠某一公交停靠站的影响时间总和.在使用这个参数时，需要对具体问题进行具体分析：对于港湾式公交停靠站无溢出情况，公交影响时间指的是阻凝时间，即公交车辆在停泊前后，驶入、驶出公交影响区时的加速与减速所需时间之和，不包括停泊时间；而对非港湾式停靠站和港湾式停靠站有溢出情况来讲，公交影响时间指的则是阻塞时间，公交车辆在整个公交影响区内，即减速、加速与停泊所有过程，所需时间之和［3－4］.

公交影响时间占用率（k）是公交影响时间与总时间（通常为1h）的比值.该参数反应了公车车辆停靠在时间上对通行能力的影响.

无论是港湾式公交停靠站还是非港湾式停靠站，公交车辆在停靠时都会阻碍其他车辆的行驶.在这段时间上，致使其他小汽车速度下降、车头时距增大、甚至出现拥堵，影响了车辆的正常行驶，同时造成通行能力的降低.因此，可以从时间上将公交停靠站出路段通行能力划分为2部分：公交影响时间和无影响时间，在无影响时间内可认为该位置保持路段的通行能力.建立理论模型如下.

第I类模型（港湾式无溢出）

式中：C为公交车辆影响下的道路通行能力，辆／h；Cp为理想通行能力，辆／h；T为公交影响时间，s，对于港湾式停靠站为阻凝时间；fHV为公交车对通行能力的修正系数，fHV＝1／［1＋PHV（EHV－1）］；PHV为公交车交通量占总交通量的百分比；EHV为公交车换算成小汽车的车辆换算系数，一般取2.

第II类模型（港湾式有溢出／路上停靠）

式中：C为公交车辆影响下的道路通行能力，辆／h；Cp为理想通行能力，辆／h；T为公交影响时间，s.对于港湾式停靠站溢出港湾情况，为溢出车辆在外侧车道停靠时间的；对于非港湾式停靠站，为到达车辆的停靠时间.

因此，对于港湾式停靠站来说，其周围路段通行能力的通行能力即为

式中：T为公交影响时间，s.为港湾式停靠站公交停靠总影响时间，包括无溢出时的阻凝时间与有溢出时的阻塞时间.Ry为溢出影响修正项（辆／h），由于公交停靠溢出港湾引起的通行能力减少量，Ry＝－Cp×Ty／3 600×fHV；Ty为溢出引起的阻塞时间.

式（4）中，理想通行能力Cp可根据以往研究结论查得；公交影响时间T可通过建立公交到达频率与其关系得到，进而转化为公交到达频率与路段通行能力的关系模型，便于实际应用.

通过对此次调查数据的处理，将15min流率转为小时流量，分别建立不同等级道路上，2种停靠站形式下，公交车平均到达频率λ（辆／h）与公交平均影响时间T的统计对应关系，并利用SPSS 11.5对统计数据进行分析结果见图5、6.

根据散点图趋势，分别采用线性模型、抛物线模型及Power模型进行拟合.统计相关性指标分别为：港湾式停靠站，线性模型R2＝0.822，F＝134.3；抛物线模型，R2＝0.824，F＝65.69；Power模型，R2＝0.818，F＝129.93.可知线性模型拟和较优，故Ty＝3.050 9λ－12.345.将以上结果代入式（4），即可得到各等级道路上港湾式停靠站周围路段通行能力模型.以主干路为例

图5 港湾式停靠站λ与Ty关系图

图6 非港湾式停靠站λ与T关系图

非港湾式停靠站：线性模型，R2＝0.593，F＝116.75；指数模型，R2＝0.689，F＝177.44；Power模型，R2＝0.698，F＝184.81.故选择Power模型拟合结果，即T＝66.630 8λ0.6559，代入式（3）可得非港湾式停靠站公交到达频率与路段通行能力关系模型C＝Cp（1－0.015 8λ0.6559）.

4 服务水平分级

服务水平是衡量交通流运行条件以及驾驶员和乘客所感受的服务质量的一项指标，通常根据交通密度、速度、行驶时间、驾驶自由度、舒适和方便等指标确定服务水平等级.因此，服务水平是反映道路在给定道路和交通条件下交通设施能够为道路使用者所提供运行服务的质量.美国将高速公路基本路段的服务水平分为A～F 6级，我国对通行能力研究起步较晚，对于服务水平分级尚没有定论.但从很多研究文献中发现多数人将我国的服务水平分为4级，作为经典的由任福田主编的《交通工程学》一书当中也将我国的高速公路按4级划分，如图7所示.

图7 我国高速公路服务水平分级图

在本研究中，对北京市城市主、次干道进行深入研究，得出不同服务水平分级指标，仍将服务水平分为4级，对于北京市主、次干道的4级服务水平的交通运营状况，用图8a）～d）表示.

图8 4级服务水平的交通运营状况

最大服务流率（最大服务交通量）在本研究中定义为：交通设施在给定服务水平下为车辆所能提供的最大通过数量.最大服务流率本质上仍是反映通行能力的指标，换句话说，它是对应服务水平的通行能力.

对于北京市主次干道系统，其对应4级服务水平的自由流速度定为70，60和50km／h.根据本研究所做的数据分析和模型标定，给出了对应不同自由流速度和不同服务水平的最大服务流率值［5－7］如表2、图9.

图9 北京市主、次干道服务水平分级示意图

表2 北京市主次干道服务水平分级

5 结束语

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，通过研究提出主、次干道基本路段速度－流量曲线为基础的通行能力模型，并给出不同车道的推荐通行能力值，可为北京道路规划和设计提供理论依据.该项研究的成果填补了间断流交通流特性的空白.还结合北京市交通的特点，将公交停靠站对通行能力的影响因素进行定量分析并建立模型，最后对北京市城市道路服务水平进行量化分析，为未来制定城市设计标准提供数据支持.应当承认，通行能力的研究仍处于发展阶段，要想真正建立完整的理论体系，还需要连续不断的探讨和反复的修正，为我国自己通行能力手册的编写奠定基础.

［1］美国交通研究委员会.道路通行能力手册［M］.任福田，译.北京：建筑工业出版社，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 骤，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计［M］.2版，北京：高等教育出版社，1989.

［5］马国旗.北京市交通流特性研究［D］.北京：北京工业大学，2003.

［6］裴玉龙，伍拾煤.公交停靠站对无信号交叉口通行能力影响分析［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，36（11）：1 524－1 526.

［7］吴 兵.混合交通条件下公交车延误和通行能力研究［D］.上海：同济大学交通学院，1990.