基于工程应用的高速公路实际通行能力计算方法探讨

2022-07-12史盛庆朱庆瑞李聪聪

交通世界 2022年16期

史盛庆，朱庆瑞，李聪聪

（北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191）

0 引言

随着我国交通运输事业的飞速发展，部分地区特别是东部发达地区的高速公路交通量呈现爆发式增长，部分路段的交通量水平远远超过其服务水平，高速公路改扩建需求逐步提升。目前，我国在高速公路改扩建项目实际论证、财务分析增量收入计算等方面均对高速公路的服务水平、对应等级下的最大服务交通量提出明确要求，如《公路工程技术标准中》（JTG B01—2014）中明确规定：公路改扩建时机应根据时机服务水平论证确定，高速公路、一级公路服务水平宜在降低到三级服务水平下限前；在高速公路改扩建财务分析中，《广东省经营性公路收费期限评估报告编制与审查工作手册》对增量收入计算中也作出了明确规定，在原收费期限内，“无项目”情况下的交通量超过原通行能力的上限时，交通量按原通行能力的上限取值，即以降低一个等级设计服务水平对应做大服务交通量为基准。从上述规定中可以看出，在高速公路改扩建项目中，无论是确定改扩建时的服务水平还是最大服务交通量计算，均需要对高速公路实际通行能力进行计算分析。因此，研究高速公路实际通行能力计算方法对于科学开展高速公路项目前期决策研究具有十分重要的作用和意义。

1 工程项目中高速公路实际通行能力计算方法分析

目前，针对高速公路通行能力的分析研究有很多，例如针对多车型混合车流条件下道路通行能力问题，以跟弛理论为基础，得到多车型混合车流条件下跟弛平均车头时距的通行能力模型；将灰色聚类理论引入分析高速公路基本段服务水平，建立了基于灰色聚类的高速公路基本路段服务水平的多目标决策分析模型；引用时空消耗的概念，定义了高速公路基本路段的广义最大服务交通量，并在分析事故路段时空容量损失的基础上，给出高速道路事故路段最大服务交通量的计算公式。总体来看，涉及高速公路通行能力的研究有很多，模型方法也很丰富，此处不再一一赘述。但这些模型方法大多偏重于科研领域，受限于数据收集、软件应用等方面因素，很难应用到实际项目工作中。目前，在高速公路建设项目前期研究中，对实际通行能力的计算仍大多采用《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）和《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）中的方法开展计算。对此，需要明确其计算方法，分析过程如下：

根据最新的标准规范，在使用上述规范过程中，发现《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）中并未对实际通行能力计算方法说明，只是列出了设计通行能力的计算方法。计算公式如下：

式（1）中：Cd为设计通行能力[veh/(h·ln)]；MSFi为设计服务水平下的最大服务交通量[pcu/(h·ln)]；fHV为交通组成修正系数，按式（2）计算：

式（2）中：Pi为车型i的交通量占总交通量的百分比；ff为路测干扰修正系数，高速公路取1.0；Ei为车型i的车辆折算系数；fp为驾驶人总体特征修正系数，通常在0.95 ～1.00之间。

由上述计算公式可知，式（1）主要用于计算实际道路条件下的设计通行能力，在通行能力计算的基数上采取了最大服务交通量，即通行能力计算中并未考虑车道宽度、行驶速度等因素影响，因此，该公式并不能计算实际通行能力，可以说《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）并没有对实际通行能力作出清晰规定。

在《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）中，则对实际通行能力进行了详细说明，计算公式如下：

式（3）中：Cr为高速公路路段的实际通行能力[veh/(h·ln)]；Cd为与实际行驶速度相对应的高速公路路段设计通行能力[pcu/(h·ln)]；fHV为交通组成修正系数，按式（2）计算；fN为六车道及其以上高速公路的车道数修正系数，取0.98 ～0.99 之间；fp为驾驶人总体特征修正系数，与前文所述相同。

由式（3）可知，《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）中对高速公路的实际通行能力进行了说明，但最新版本的《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）并未做规定，需要在项目开展过程中加以注意。需要说明的是，在实际项目中，《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）中计算的设计通行能力主要用于高速公路车道数的详细计算。

2 实际通行能力计算公式中的重点数据计算探讨

如上文所述，《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）中对式（2）～式（3）中各个符号进行了较为详细的说明，但在实际计算操作中仍然存在部分模糊的计算。结合实际工作，主要包括以下几方面：

（1）与实际行驶速度相对应的高速公路路段设计通行能力Cd的计算方法未说明。

首先，车辆的行驶速度与高速公路的通行能力是息息相关的。根据2000年版的美国道路通行能力手册，高速公路的速度、流量和密度关系如图1所示。

图1 速度—流量曲线和高速公路基本路段服务水平

在我国标准规范中，并没有给出行驶速度与高速公路流率之间的关系，仅给出对应120km/h、100km/h 和80km/h 的条件下对应单车道设计通行能力，造成了在大多数实际项目工作中，虽然通过其他公式计算出车道和路侧对运行速度的影响，得到对应状态下行车速度，但是对应的高速公路设计通行能力基本按照线性关系的形式开展分析计算，容易造成计算结果依据不足或不够精准。对此，建议目前应采用道路通行能力手册的计算公式进行分析，待未来数据逐步完善后，建立适合我国的计算体系。需要注意，在采用基础数值计算时，需根据最新的公路工程技术标准三级服务水平下的最大服务交通量进行确定。

（2）两个版本的《公路路线设计规范》中fHV计算公式车型换算系数的前置条件差距过大。

将2006 版本和2017 版本《公路路线设计规范》中关于fHV计算公式的车型比例取值进行对比后，发现差距较大。其中，在最新版本《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）中，对应取值如表1所示。

表1 《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）高速公路车辆折算系数

由表1可知，不同车型对应折算系数与其相应交通量息息相关。其中，当交通量过小或过大时，其对应折算系数均较低。以中型车为例，当设计速度为120km/h时，单车道每小时当量交通量小于800pcu 或大于1 600pcu时，其对应的折算系数均小于800～1 600pcu 之间的折算系数。

在《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）版本中，对应的fHV中的折算系数选取按表2所示。

表2 《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）高速公路车辆折算系数

表2中的折算系数变化情况与表1 类似，伴随交通量的增加，同一车型对应的折算系数先增后降，但在具体折算系数上发生变化，这是由于随着新版本《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）印发，对各个车型的折算比例发生变化，因此对应的fHV折算系数也有调整。

同时，两个表格中最大变化是交通量的单位发生变化，《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）对应的交通量单位为当量小客车，《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）对应的交通量单位为自然车，虽然两部规范的数量级基本相似，但是当折算车当量小客车时，其差距还是非常大的。因此，两组数据单位中，有一个单位疑为印刷错误。对此，可根据既有数据反推验证。

以中型车为例，在设计时速为120km/h，双向四车道的高速公路上，当单车道小时交通量为1 000pcu 时，假设按照高峰小时系数为10%，方向不均匀系数为0.5，则该条高速路段日均交通量为40 000pcu/d，其仍处于三级服务水平以内，对应的换算比例应该处于正产水平，即应为1.5。但是按照表1 所示，对应的折算系数为2.0。可以推断，表1 中关于交通量的前置条件中的单位应该为自然车，而不是当量车，即《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）中关于交通量的单位不应是当量车，而是自然车。

通过以上分析，在实际工作中开展通行能力分析时，建议按照《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）选取折算系数，但是需要注意，在前置条件中交通量的单位为自然车，而非当量车。

（3）fHV计算中的车型比例不明确。

在目前所有涉及fHV计算的标准规范中，始终没有标注对应车型所占的车型比例是当量车的车型比例还是自然车的车型比例。这对项目实施人员特别是初学人员开展项目工作造成一定的困扰。对此，笔者根据多年项目经验，并向行业权威人士求教，认为对应的车型比例应为自然车比例，这主要是由于fHV反映的是将混合交通流量换算为100%标准车流量，目的是使各道路、交通条件下的混合交通量之间具有可比性。

（4）各车型折算比例选取原则模糊。

目前，关于车型比例折算系数主要有两套数据，分别来自《公路工程技术标准》（JTG B01—2017）和《公路路线设计规范》（JTG D20—2017），其中，《公路工程技术标准》（JTG B01—2017）的折算系数如表3，《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）的折算系数如表1所示。

表3 《公路工程技术标准》（JTG B01—2017）折算系数

对比表1 和表3 可知，两套折算系数明显不同，造成在计算实际服务水平（V/C）时，C值的计算可按照表3 计算。但对于V值的计算，其折算比例并没有硬性要求。在实际工作中存在两类观点：观点一认为应全部为同一个比例进行计算，保持数据的一致性；观点二认为V值计算应采用公路工程技术标准，C值应采用表1 计算，能够反映出大型车对通行能力的影响。同时，在车道数计算中也会涉及类似问题。但目前相关规划标准并没有给出明确的规定说明，因此，在目前实际工作中，这两类计算方法均存在。但是在实际计算中，建议采用两套折算比例进行计算，以保证数据的准确定

（5）方向不均匀系数分析算法不统一。

在开展路段通行能力计算时，需要在单车道实际通行能力基础上，经过方向不均匀系数和设计小时交通量系数的调整，计算路段实际通行能力，其中，针对方向不均匀系数目前有两种算法，一是根据当量车计算方向不均匀系数，二是根据自然车计算方向不均匀系数。在实际计算过程中，需要考虑单车道实际通行能力的换算单位，当实际通行能力换算单位折算成当量车时，则选择根据当量车计算方向不均匀系数，同时，当实际通行能力单位折算成自然车时，则选择根据自然车计算的方向不均匀次数。

3 大型车比例较高条件下的fHV分析

随着我国经济快速增长，货物运输占公路运输的比重逐步提高。部分高速公路货运车辆的比例甚至会超过总交通量的一半。由于货运车辆行驶速度缓慢，存在一定的瓶颈效应，造成了部分路段道路通行能力在急剧下降，道路实际交通量并未超过设计服务水平下的预测流量，但实际服务水平却已严重低于预期水平，造成按照现有的计算方法得到的V/C值较低，但是驾驶员在行驶过程中感受到的服务水平却很差。这种现象对高速公路改扩建的时机论证会产生较大干扰。

形成此类错误感受的主要原因是在计算路段基准通行能力的过程中，对fHV总折算比例计算存在一定偏差。一般情况下，公路均以小客车交通量为主，因此，现有规划都以小客车为标准车计算。同时，在上文中提到的车辆换算系数存在不一致的情况，误差难以避免。在大型车比例较小时，该部分误差对总体计算的影响相对较小。但随着大型车比例增加，该部分误差随之放大。当计算以大型车为主的高速公路通行能力时，如仍然以小客车作为标准车，则车辆换算的误差将进一步影响fHV的精度，进而影响服务水平的计算。

针对大型车比例较高的高速公路，在计算其通行能力时，可将大型车作为标准车计算。小型车转换成大型车的换算系数可通过Huber 公式计算，具体如下所示。