第三章交通流的基本特性
第一节概述
道路上的行人或运行的车辆构成行人流或车流，人流和车流统称为交通流。一般交通工程学研究中，有特指时的交通流是针对机动车交通流而言的。
交通流的定性和定量特征，称为交通流特性。观测和研究发现，由于在交通过程中人、车、路、环境的相互联系和影响作用，道路交通流具有以下三个基本特性。
1．两重性
对道路上运行车辆的控制既取决于驾驶员，又取决于道路及交通控制系统。一方面，驾驶员为避免与其他车辆发生冲突，必然受到道路条件及交通控制系统的制约；另一方面，驾驶员又可以在一定的时空条件下，依据自己的意志自由地改变车速和与其他车辆的相对位置。
2．局限性
由于机动车和道路的物理尺寸所限，车辆运行中相互之间可能会相互妨碍。仅由于道路通行能力的限制和车辆间的相互制约，就有可能引起交通拥挤；另外，车速也是有限的，并因车辆和时空条件而异。
3．时空性
由于车速是随机变化的，机动车在时间上和空间上的状态都是不相同的，因此，交通流既是现有时间变化规律，又有其空间变化规律。道路交通流的以上三个特性进一步说明：道路交通是一个复杂的动态系统。由这三个特性出发，将道路上的交通流用交通量、速度、密度三个基本参数加以描述。观测、整理和研究这些参数的变化规律以及它们之问的相互关系，可以为分析道路上的运营状况、交通规则、路网布设、线形设计、运输调度与组织、运力投放与调控以及为现有道路交通综合治理提供起决定作用的论证数据。
第二节交通量的基本特性
交通量是指单位时间内，通过道路某一地点或某一断面的实际交通参与
者(含车辆、行人、自行车等)的数量，又称交通流量或称流量。如果不加说明时，通常是指单位时间内通过道路某一地点或某一断面往来两个方向的车辆数，亦称为车流量。
在交通量观测和统计分析及实际应用中，常见的交通量有以下几种：
1．平均交通量
交通量不是一个静止的量，它是随时间变化的，在表达方式上通常取某一时段内的平均值作为该时段的代表交通量。如年平均日交通量就是将一年内的交通量总数除以当年的总天数所得出的平均值。常用的有平均日交通量，还有月平均日交通量，周平均日交通量以及任意期间(依特定分析目的而定)的平均日交通量等。以上平均交通量可以概括成如下的表达式
平均日交通量 (ADT)=1/n{∑Q (3—1)
式中 Q i——计算期内各单位时间的交通量；
n——计算期内的单位时间总数。
如果计算年平均日交通量(A A D T)时，n为365或366，则
年平均日交通量 (AADT)= (3—2)
由此类推：
月平均日交通量 (MADT)= (3—3)
周平均日交通量 (WADT)=∑Qi (3—4)
2．高峰小时交通量
高峰小时交通量是指一天内的交通高峰期间连续lh的最大小时交通量。
3．第30位小时交通量
将一年当中8760h的小时交通量，按大小次序排列，从大到小排列序号为第30位的那个小时的交通量，称为第30位小时交通量。一年中8760h交通量依大小次序排列，然后计算出每一个小时交通量与年平均日交通量之比值，称为小时交通量系数，以此为纵坐标，以排列次序为横坐标，可以绘制出一年中小时交通量曲线图(图3—1)。
图3—1 一年中小时交通量变化曲线图
从图3—1中可以发现，从第1到第30位左右的小时交通量减少的比较显著，即曲线斜率大；而从第30位以后，交通量减少得非常缓慢，曲线较为平直，即曲线斜率小。据此规律，美国和日本等选取第30位小时交通量为设计小时交通量。这样使道路设计既满足了99.67％时间内的交通需求，将交通拥挤时间保持在最低限度(只占O.33％)，又大大降低了公路建设费用，经济合理。
第30位小时交通量是国外经验数值，由于我国公路交通组成情况不同于国外，美国、日本等国的交通组成中，小汽车所占比例很高，我国则以中型载货汽车为主，并有白行车、人力车等混合交通。另外，我国公路的技术状况也不同于国外，因此，在对我国交通量调查的基本数据作了系统处理与分析之后，分析资料表明小时交通量系数曲线的显著变化位置一般在第20位小时交通量附近，这时的系数值偏高，而第30位小时之后的曲线较平缓，考虑技术与经济效益方面的因素，确定设计小时交通量的位数一般取第30位小时，各地可根据当地具体情况，在第20～40位小时交通量之间，选用最为经济合理的位数，作为设计小时交通量的位数。
第三节行车速度特性
行车速度既是道路规划设计中的一项重要控制指标，又是车辆运营效率的一项评价指标，对于运输经济、安全、迅捷、舒适具有重要意义。了解和掌握各道路上行车速度及其变化规律是正确进行道路网规划、设计、运营、管理的基础。
一、车速的种类和定义
设行驶距离为l，所需时间为t，则车速可用l/t形式表示。按l和t的取值不同，可定义不同的车速：
1．地点车速
这是车辆通过某一地点时的瞬时车速，因此观测时l取尽可能短，通常以20～25m为宜，用作道路设计、交通管制规划资料。
2．行车速度
根据行驶某一区间所需时间(不包括停车时间)及其区间距离求得的车速，用于评价该路段的线形顺适性和通行能力分析，也可用于计算道路使用者的成本效益分析。
3．运行车速
运行车速是指中等技术水平的司机在良好的气候条件、实际道路状况和交通条件下所能保持的安全车速，用于评价道路通行能力和车辆运行情况。
4．行程车速
行程车速又称区间车速，是车辆行驶路程与通过该路程所需的总时间(包括停车时间)之比。行程车速是一项综合性指标，用以评价道路的通畅程度，估计行车延误情况。要提高运输效率归根结底是要提高车辆的行程车速。
5．临界车速
指道路理论通行能力达到最大时的车速，对于选择道路等级具有重要作用。
6．设计车速
设计车速是指在道路交通与气候条件良好的情况下仅受道路物理条件限制时所能保持的最大安全车速，用作道路线形几何设计的标准。
二、行车速度的统计分布特性
行车速度和交通量一样，也是一个随机变量。研究表明在乡村公路和高速公路路段上，运行车速一般呈正态分布，在城市道路或高速公路匝道口处，车速比较集中，一般呈偏态分布。
表征车速统计分布特性的特征车速常用以下指标：
1．中位车速
中位车速也称50％位车速，是指在该路段上在该速度以下行驶的车辆数与在该速度以上行驶的车辆数相等。在正态分布的情况下，50％位车速等于平均车速，但一般情况下，两者不等。
2．85%位车速
在该路段行驶的所有车辆中，有85％1~’勺车辆行驶速度在此速度以下，只有15％的车辆行驶速度高于此值，交通管理部门常以此速度作为某些路段的限制车速。
3．15％位车速与速率波动幅度
意义同前。在高速公路和快速道路上，为了行车安全，减少阻塞排队现象,要规定低速限制，因此15％位车速测定是非常重要的。
85％位车速与15％位车速之差反映了该路段上的车速波动幅度，同时车速分布的标准偏差S与85％位车速和15％位车速之差存在着下列近似关系：
三、时间平均车速与区间平均车速
1．时间平均车速
在单位时间内测得通过道路某断面各车辆的点速度，这些点速度的算术平均值，即为该断面的时间平均车速.
2．区间平均车速
在某一特定瞬间，行驶于道路某一特定长度内的全部车辆的车速分布的平均值，当观测长度为一定时，其数值为地点车速观测值得调和平均值.
四、影响车速变化的因素
影响车速的因素很多，主要随驾驶员、车辆、道路、交通及环境等因素的变化而变化，其规律简述如下。
(一)驾驶员的影响
汽车行驶速度除与驾驶员的技术高低、开车时间长短有关外，还与驾驶员的个性、年龄、性别和婚姻状态有关。青年驾驶员、男性驾驶员、单身驾驶员，一般比中年驾驶员、女性驾驶员、已婚驾驶员开车快。
(二)车辆的影响
车型对地点车速有影响。在我国，小客车车速最快，专用大客车次之，货车最慢。载货汽车的平均车速按轻型单机货车、中型货车、重型组合车、重型单机货车的次序下降，且随载货总量的增加而下降。
(三)道路的影响
驾驶员实际开车速度在很大程度上受道路条件的影响。诸如：
1．道路类型
不同类型的道路，其设计行车速度不同、汽车的运行条件不同，因此，其上的实际运行速度也不同。我国公路上汽车的平均行驶速度为：
一级公路：54km／h
二级公路：45～52.5km／h
三级公路：46.4km／h
2．平面线形
一般说来，在平曲线上较在直线段上车速要低。平曲线半径越大，车速越高。设计车速较低的弯道上，平均车速接近设计车速。设计车速高的弯道上，平均车速低于设计车速，并接近于在切线段观测到的平均车速。
3．纵断面线形
道路的纵断面线形对车速影响显著，并且这种影响对货车比对小客车更明显。下坡时与运行在平坡直线路段相比，对于货车当纵坡大至5％，对专用大客车和小客车当纵坡大至3％，平均车速都是增加的。当下坡超过此限度以及在上坡道，各类车辆的车速都降低。
4．车道数及车道位置
多于四车道时车行道的特性与四车道设施相似。四车道公路上，由于行驶时不受对向行车的约束，比双车道和三车道公路上的平均车速高。当中央有隔离带时这种差异更明显。三车道上的车速略高于相类似的双车道公路。
在行进市区的道路上，入境车辆的平均车速一般比出境车速高3～6km／h。多车道的公路上，地点车速由靠中央分隔带的车道向靠路肩的车道依次递减。
5．视距
道路上视距若不能满足要求，则车速明显降低。
6．侧向净空
在双车道公路上，一般侧向净空受到限制时，平均车速降低2～5km／h，货车比客车所受影响小。
7．路面条件
路面由低级发展到高级时，地点车速逐渐增加。目前，载货汽车在高速公路上行驶，车速可达60～80km／h；在次高级公路上行驶，车速可达40～60km／h；在中级路面上行驶，车速可达30～40km／h。同一类型路面，其状况的优劣也直接影响车速。
(四)交通条件的影响
1．交通量
交通量越大，交通密度越大，车速越低。这是由于交通量越大，超车越困难。快行车的潜力得不到发挥，所以平均车速下降。
2．交通组成
快慢车分离比快慢车混合行驶车速高，在郊区公路上，畜力车越多，汽车车速越低。在城市道路上，三块板道路比一块板道路上的汽车车速高。行人，特别是横过街道的行人交通量的太小，对车速很有影响。
3．交通管理
道路渠化能使车速有比较明显的提高，这是由于车辆各行其道，减少了相互间的干扰。此外，交通信号、交通标志、交通设施及交通管理设施都对道路上的行车速度起控制影响作用。
(五)环境的影响
季节、气候和地理位置的变化对车辆运行速度有影响。我国有关部门进行的车速调查表明，在山岭、重丘区公路上，载货汽车的平均运行速度为33．9km／h；在平原、微丘区公路上，平均运行速度为39,9km／h。白天的平均车速比夜晚高，市区约高1．6km／h，郊区约高3～13km／h。在临近或穿越村镇、居民区等因素造成交通环境复杂的路段上，车速明显降低。
第四节交通密度
一、交通密度的含义及表示方法
当交通量为零时，不能说明这时没有车辆，而是有两种情况，一是道路上没有车辆行驶；二是车速为零，有车而不流，这时是阻塞。所以这种情况不能只用交通量来描述交通状况，而应用密度来描述交通状况。
所谓交通密度是指单位长度的道路上，在某一瞬间的车辆总数。为使车流有可比性，
对于同一条道路，可以不考虑车道仅考虑方向来比较；对于不同车道数的不同道路应采用单车道来定义密度，即在单位长度的道路上，一个车道或一个方向上某瞬时的车辆数为车流密度。密度单位以辆／km计。交通密度是双向车流的密度，车流密度是某一个方向的密度。例如某条道路因在道路的一边临时处理事件而暂停通行，这一边的瞬时流速为零、交通量为零，密度达阻塞密度；而另一边允许通行，这说明用方向性和车道来反映密度更确切。密度是衡量车流畅通状况的重要指标。
(一)车头间距
车头间距是指同一车道同一方向车流的前后两车辆之间在某瞬时的间隔距离，用向d 表示。
由于同一方向的一列车不可能逐车量取间距，往往以所有车头间距的平均值来描述，这称为平均车头间距，以瓦表示，所以交通密度可用式(3—11)计算
(二)车头时距
车头时距是指同一车道、同一方向的一列车队连续行驶前后两相邻车的车头通过某一断面的时间间隔，用h t表示，单位为s／辆。车头时距也是用平均车头时距来描述的，以h t
表示。
为保证行车安全所需的最短车头时距为极限车头时距，最短的车头间距为极限车头间距。极限车头时距一般取2s左右的行程，相应的极限车头间距为
(三)临界密度和阻塞密度
临界密度指在最佳车速时达到的最大流量时的交通密度，又称最佳密度，用K m表示。
阻塞密度是指车速近似于零、流量也近似于零的交通密度，用K j表示。
二、交通密度的分布特性
交通密度的分布特性是用空间占有率和时间占有率来描述的，统称车道占有率。车道占有
率越高，则交通密度越大。
(一)空间占有率
在某一瞬时、一定的观测路段长度内行驶的车辆总长度占该观测路段长度的百分比，叫空间占有率，用R s表示。
(二)时间占有率在某一时段内，车辆通过某一断面的累计时间占该时段的百分比，用R t表示。
第二章 交通流特性 第一节 交通调查 交通调查：在道路系统的选定点或选定路段，为了收集有关车辆（或行人）运行情况的数据而进行的调查分析工作。 意义：交通调查对搞好交通规划、道路设施建设和交通管理等都是十分重要的。 调查方法： （1）定点调查； （2）小距离调查（距离小于10m ）； （3）沿路段长度调查（路段长度至少为500m ）； （4）浮动观测车调查； （5）ITS 区域调查。 图2—1中，纵坐标表示车辆在行驶方向上距离始发点（任意选定）的长度，横坐标表示时间。图中的斜线代表车辆的运行轨迹，斜率为车速，直线相交表示超车。 穿过车辆运行轨迹的水平直线代表定点调查； 两条非常接近的水平平行直线表示小距离调查； 一条竖直直线表示沿路段长度调查（瞬时状态，例如空拍图片）； 车辆的轨迹之一就可代表浮动车调查； ITS 区域调查类似于在不同时间、不同地点进行大量的浮动车调查。 图2—1 几种调查方法的时间—距离图示 时间（s ） 距离（m ） 高速公路车道
一、定点调查 定点调查包括人工调查和机械调查两种。 人工调查方法即选定一观测点，用秒表记录经过该点的车辆数。 机械调查方法常用的有自动计数器调查、雷达调查、摄像机调查等。 自动计数器调查法使用的仪器有电感式、环形线圈式、超声波式等检测仪器，它几乎适用于各种交通条件，特别是需要长期连续性调查的路段。 雷达调查法适用于车速高、交通量密度不大的情况。 摄像机调查法一般将摄像机安装在观测点附近的高空处，将镜头对准观测点，每隔一定的时间，如15s、30s、45s或60s，自动拍照一次，根据自动拍摄的照片上车辆位置的变化，清点出不同流向的交通量。这种方法可以获得较完全的交通资料，如流量、流向、自行车流及行人流和行驶速度、车头时距及延误等。 除这些方法以外，还有航空摄影调查法、光电管调查法等。 定点调查能直接得到流量、速度和车头时距的有关数据，但是无法测得密度。 二、小距离调查 这种调查使用成对的检测器（相隔5m或6m）来获得流量、速度和车头时距等数据。 目前常用的点式检测器，如感应线圈和微波束。调查地点车速时，将前后相隔一定距离（如5m）的检测器埋设地下，车辆经过两个检测器时发出信号并传送给记录仪，记录仪记录车辆通过两个检测器所使用的时间，那么用相隔的距离除以时间就得到地点车速。 这种调查方法还能得到占有率，占有率是指检测区域内车辆通过检测器的时间占观测总时间的百分比。由于占有率与检测区域的大小、检测器的性质和结构有关，因此同样的交通状态下，不同位置测得的占有率可能不同。 小距离调查同样无法测得密度，但可获得流量、速度、车头时距和占有率等数据。 三、沿路段长度调查 沿路段长度调查主要是指摄像调查法，适用于500m以上的较长路段。 摄像调查法首先对观测路段进行连续照像，然后在所拍摄的照片上直接点数车辆数，因此这种方法是调查密度的最准确途径。但是，由于拍摄
第三章交通流的基本特性 第一节概述 道路上的行人或运行的车辆构成行人流或车流，人流和车流统称为交通流。一般交通工程学研究中，有特指时的交通流是针对机动车交通流而言的。 交通流的定性和定量特征，称为交通流特性。观测和研究发现，由于在交通过程中人、车、路、环境的相互联系和影响作用，道路交通流具有以下三个基本特性。 1．两重性 对道路上运行车辆的控制既取决于驾驶员，又取决于道路及交通控制系统。一方面，驾驶员为避免与其他车辆发生冲突，必然受到道路条件及交通控制系统的制约；另一方面，驾驶员又可以在一定的时空条件下，依据自己的意志自由地改变车速和与其他车辆的相对位置。 2．局限性 由于机动车和道路的物理尺寸所限，车辆运行中相互之间可能会相互妨碍。仅由于道路通行能力的限制和车辆间的相互制约，就有可能引起交通拥挤；另外，车速也是有限的，并因车辆和时空条件而异。 3．时空性 由于车速是随机变化的，机动车在时间上和空间上的状态都是不相同的，因此，交通流既是现有时间变化规律，又有其空间变化规律。道路交通流的以上三个特性进一步说明：道路交通是一个复杂的动态系统。由这三个特性出发，将道路上的交通流用交通量、速度、密度三个基本参数加以描述。观测、整理和研究这些参数的变化规律以及它们之问的相互关系，可以为分析道路上的运营状况、交通规则、路网布设、线形设计、运输调度与组织、运力投放与调控以及为现有道路交通综合治理提供起决定作用的论证数据。
第二节交通量的基本特性 交通量是指单位时间内，通过道路某一地点或某一断面的实际交通参与 者(含车辆、行人、自行车等)的数量，又称交通流量或称流量。如果不加说明时，通常是指单位时间内通过道路某一地点或某一断面往来两个方向的车辆数，亦称为车流量。 在交通量观测和统计分析及实际应用中，常见的交通量有以下几种： 1．平均交通量 交通量不是一个静止的量，它是随时间变化的，在表达方式上通常取某一时段内的平均值作为该时段的代表交通量。如年平均日交通量就是将一年内的交通量总数除以当年的总天数所得出的平均值。常用的有平均日交通量，还有月平均日交通量，周平均日交通量以及任意期间(依特定分析目的而定)的平均日交通量等。以上平均交通量可以概括成如下的表达式 平均日交通量 (ADT)=1/n{∑Q (3—1) 式中 Q i——计算期内各单位时间的交通量； n——计算期内的单位时间总数。 如果计算年平均日交通量(A A D T)时，n为365或366，则 年平均日交通量 (AADT)= (3—2) 由此类推：
■货车开往码头卸货，上午8:00-8:30的到达率为6veh/min，其后为2veh/min。 码头上午8:15开放，平均卸货和驶离速度为5veh/min。 ①绘出从8:00到排队消散时段的累计车辆数-时间曲线，确定码头开放后货车排队消散的时刻。 ②计算最大排队长度（排队中货车数量）。 ③计算到达码头货车的最长等待时间。 ④计算从8:00到排队消散时段的货车总延误和平均延误。 【提示】排队分析方法 ■一段单车道公路交通流规律符合Greenshields模型。测得自由流车速为80km/h，阻塞密度为75veh/km。 ①计算该路段通行能力以及对应的最佳速度和最佳密度。绘出流量-速度关系曲线，标出自由流速度、最佳速度和通行能力。 ②正常情况下交通流流率为1200veh/h，速度为75km/h。一辆速度为35km/h的卡车驶入该道路，行驶3.5km后又驶出。其后跟驶车辆被迫降低速度行驶，从而形成排队。如果车队的密度为40veh/km，流率为1400veh/h。确定货车驶出该路段时的排队长度。 ③确定货车驶出后排队的消散时间（假设道路下游没有交通阻塞）。【提示】交通流模型，连续流理论（冲击波分析方法） Dec2009-98-Civ-A6 ■观测到某交叉口进口的到达流量为675veh/h。信号周期为80s，绿灯时间为40s，红灯时间为40s（忽略黄灯时间）。假设红灯时间
排队车辆在绿灯时间以1800veh/h的饱和流率通过停止线。忽略驾驶员反应时间和车辆加速时间。 ①绘出一个信号周期的累计车辆数-时间曲线，确定绿灯启亮后排队消散的时刻。 ②计算一个周期的最大排队长度（排队中车辆数）。 ③计算一个信号周期的车辆总延误和平均延误。 【提示】排队分析方法 ■某单车道道路上的交通流正常情况下速度为30km/h，密度为20veh/km。该道路的通行能力为1000veh/h，自由流车速为37.5km/h。一天一辆车突然发动机 熄火停在路上，跟驶车辆被迫停在其后，6min后，该车辆重新启动。试应用Greenshields模型和冲击波分析方法确定： ①阻塞密度和最佳密度（达到通行能力时的密度）。 ②熄火停止车辆重新启动时后面的排队长度（车辆数）。 ③排队消散时刻（假设道路下游没有交通阻塞）。 【提示】交通流模型，连续流理论（冲击波分析方法） May2009-98-Civ-A6 ■公路上连续流的速度与密度呈反比关系，假设其关系为线性函数（速度单位为km/h，密度单位为veh/km）： = 90- k