第二節　城市交通流特征

交通流是交通需求的實現結果，是交通需求在有限的時間與空間上的聚集現象。由于涉及人、車、路三者之間的相互關系，交通流的形成過程非常復雜。汽車在城市道路上連續行駛形成的車流，稱為城市交通流。其在廣義上還包括非機動車的車流和人流。城市交通流的特征取決于交通流要素和交通流系統特征。

通過采用合理的技術指標，描述城市交通流的各種特征，可以提高交通設施的效益和服務水平，減少行駛延誤，控制交通阻塞，因此城市交通流的特征對于交通組織與管理具有非常重要的意義。

一、交通要素特征

關于交通流組成要素，有各種各樣的敘述和見解。但多數人認為，組成交通流的4個基本要素包括駕駛者、車輛、道路和行人。

交通流中的首要問題就是車輛的駕駛者，具有不同的駕駛水平和感知能力，其中包括視覺、聽覺、判斷和應變能力。司機的這些感知能力，同時又受到道路、環境、自身狀態和駕駛時間等各種因素的影響。因此，采取司機人群的平均感知能力和駕駛水平，只能保證50％的交通安全概率。

在交通流的分析中，最重要的人體反應過程是視覺過程和聽覺過程。聽覺過程差異比較小，聽力阻礙者可以通過助聽設備提高聽力滿足駕駛的要求。視覺過程對于駕駛者和行人都是非常重要的，各種交通信號燈、標志、標線等所有物體，都是通過視覺過程傳遞信息。

感知反應時間t_pr是交通道路設計中最重要的技術指標。研究表明，感知反應時間通常在1.26～3.0s之間，國內外在交通設計中采用2.5s作為感知反應時間。感知反應時間在視距計算中起著重要作用。

行人的特征在城市交通流中也起著重要作用，特別是在交通信號燈、安全島、人行橫道、人行道、人行天橋、人行地道的設計中是不缺少的技術數據。除了感知反應過程外，行人的步伐速度也是交通流分析中的重要指標。人的步行速度一般介于1.0～2.5m/s之間。在十字路口，男性的步行速度一般為1.5m/s，女性的步行速度一般為1.4m/s，老年人的步行速度一般為1.2m/s。

在城市交通流中，車輛的特征包括靜力特性、運動特性和動力特性。動力特性是指導致車輛運動的各種動力因素，包括空氣阻力、坡道阻力、摩擦阻力、曲線阻力、動力要求、剎車距離、制動力、轉彎性能等。由于一般城市道路上行駛車輛包括各種類型的車輛，因此，在城市道路的設計中，需要仔細分析在路段上可能行駛的車輛的種類，并選定何種車輛作為設計的標準。城市道路特征主要包括各種視距保證、超高、加寬、爬坡車道、專用轉彎車道、平曲線、豎曲線等。視距中的停車視距和超車視距均應考慮駕駛人員的感知反應時間。

二、交通流的指標

流量和交通量是交通流中兩個非常重要的概念。流量是指一定時間內（小于1h時，通常采用15min）通過的車輛數除以該段時間所得到的當量單位小時內汽車的通過數量，也稱為小時流量或流量率，簡稱流量，單位為輛/小時（veh/h）。交通量是指單位時間（每天、每小時、每分鐘）內通過道路上某一點（斷面）的車輛數。

早期的交通流分析中并不區分流量和交通量。隨著城市道路交通流研究的需要，近年來已將它們清楚地區分開來。流量主要用于描述交通量隨時間的變化過程。小時流量和小時交通量的區別，可以通過表2-2中所列交通調查數據說明。高峰小時因子（PHF）經常用于描述流量與交通量的區別，即為交通量與流量之比。

如表2-2中所列，交通量為4000veh/h，表示8點至9點實際通過的車輛數；而流量變化在該時間段內非常明顯，其中（8:15）～（8:30）時間段內的流量為4400veh/h。則該時段的PHF=4000/4400=0.909。

密度是指在某一時刻單位路段長度內的平均車輛數，通常以輛/千米（veh/km）表示。在我國，以前對于密度并不受到損失，但近年來的交通流分析和交通組織管理中，經常用到密度這個指標，特別在服務水平的研究應用最多。

速度也是交通流的重要描述指標，瞬時速度、時域速度和路段均速經常用于描述交通流的各種特征。圖2-1和式（2-4）均描述了速度、流量和密度三者之間的關系。

q=kV_s　　（2-4）

式中　q——平均流量，veh/h；

k——密度，veh/h；

V_s——速度，km/h。

車頭時距（t_h）是指連續兩輛車通過道路上同一地點的時間間隔，以秒（s）計。車頭間距（d_h）是指交通流中連續兩輛車之間的距離，以米（m）計。在式（2-5）～式（2-7）中，分別描述了車頭時距與流量之間、車頭間距與密度之間、車頭時距與車頭間距之間關系。

q=3600/t_h　　（2-5）

k=1000/d_h　　（2-6）

V_s=d_h/t_h　　（2-7）

三、連續流的特征

公式（2-4）描述了交通連續流的本質關系。從圖2-2中可以看出，在以下兩種交通狀態將導致流量為零。一種狀態是交通流密度為零，因此，在觀測點上看不到車輛通過，此時對應的速度是最大速度，或稱自由流速度。另一種狀態是交通流密度最大而達到交通阻塞時，此時所有車道上的車輛處于停車狀態，因此在任何觀測點也看不到任何車輛“通過”，此時對應的密度程度為阻塞密度。

城市交通連續流研究結果表明：速度-流量曲線是速度隨流量的變化規律，速度-流量關系可以用來標定快速路的服務水平，并用于衡量快速路的運行狀況，因此是研究交通流速度和流量關系的基礎，也被認為研究是快速路交通流特性研究中最重要的部分。當流量較小和很大時，數據點比較分散，這是因為在低流量下，車輛行駛自由度大，駕駛人員可自由選擇其車速，以其期望車速行駛，因此車輛的機動性能的差異就顯現出來，表現出車輛速度離散型較大。

速度流量曲線和密度流量曲線的頂點是最大流量發生點，對應的密度和速度分別稱為關鍵密度和關鍵速度。在流量達到通行能力之前，交通流屬于穩定流；當超過通行能力后，速度低于關鍵速度，交通流就成為非穩定流或強制流。此后對交通流的任何干擾都會引起一系列的連鎖反應。

從圖2-2中還可以看出，流量低于通行能力時也存在兩種狀態：速度很高而密度很小狀態和速度很低而密度很大狀態，分別表示在圖中的A點和B點。很顯然，A點的行駛質量遠比B點好，這也說明流量或交通量不能用于衡量車輛的行駛質量，而應代之以速度和密度。同時，速度和密度是車輛駕駛員最能感受的交通狀態，而流量指標僅描述對司機并不重要的某一斷面的交通狀態。交通流研究人員通常可以從實際交通流觀測數據中推測交通流的數學模型，圖2-3～圖2-5分別列舉了交通流的各種數學模型。

四、間斷流的特征

交通間斷流的最重要觀察點就是信號燈控制交叉口。在這些交叉口處，車輛由于信號燈的周期性管制，而必須“紅燈停、綠燈行”以規避主要沖突點。掌握信號燈控制交叉口的交通流特征，對于理解間斷交通流的特征是非常重要的。圖2-6中描述了在一信號燈控制十字交叉路口前的一隊車輛的交通狀況。

當信號燈變綠時，該隊車輛相繼進入交叉口。第一輛車的車頭時距定義為綠燈亮至該車進入停止線的距離。由于第一輛車司機需要對信號燈轉綠有一感知反應時間，因此第一輛車的車頭時距相對較長。很顯然，后續車輛的車頭時距會依次減少。通常，第4輛至第6輛車及以后的車隊形成的交通流，將會具有相對均一的車頭時距（t_hs），如圖2-7所示。

圖2-7中表示交通流中斷后的車頭時距變化。當車隊的車頭時距遞減到一定的穩定值時，此時的車頭時距則稱為飽和時距。為了描述車隊的頭幾輛車相對飽和時距更為長的時間間隔，引入啟動時間損失t₁₁。車隊中最后一輛車進入交叉口至另一方向綠燈啟動之間的時 間損失為無車時間損失t₁₂。因此，由于信號燈周期變化導致的間斷交通流的通行能力可用公式（2-8）計算，式中假定每小時信號燈變化頻率為n，紅燈-綠燈的時間為30s-30s

q=［1800-n（t₁₁+t₁₂）］/t_hs　　（2-8）

根據對交通流的長期研究表明，飽和時距大約在1.9～2.1s之間，而啟動時間損失和無車時間損失之和在3.0～4.0s之間。

由于停止標志和讓行標志也會導致交通流中斷，其情形更具有不確定性。因此，司機必須作出正確判斷，等待合理的車頭間距進行交通流的延續。此時，交匯各路的路況、行車速度、其他方向交通流量、密度、速度、視距和等待時間，均會對司機的正確判斷有所影響。

在間斷交通流中，速度與密度不足以全面描述交通流的特征。延誤是交通流中經常用到的另一個指標。對于間斷交通流而言，延誤通常有兩種：一種是停車延誤，即由于停車造成的時間損失；另一種是行程延誤，是指實際行駛時間與預測行駛時間的差值。在信號燈控制交叉口，進口延誤是指減速與加速時間損失和停車損失之間，通常為停車損失的1.3倍。

五、交通量的特征

交通量隨時間和空間的分布這一特征，在交通流分析中是非常重要的。道路交通工程比較關心高峰時期的交通設施能否滿足出行的要求。在實際道路上的交通并不是均衡的，其出行需求是不斷變化的，一年之中、一周之內、一天或一個小時等時段內，均會出現交通量的變化起伏。

圖2-8表示一年之中交通量分月變化情況，其中ADT為年平均日交通量，AADT為設計年限門年平均日交通量。由于城市道路中每天上下班的人群和車輛相對固定，所以通常城市道路比城外公路的變化幅度小。在一些城市因假期有的市民和學生外出度假，還會遇到交通量減少的情況。

圖2-9表示一周之內每天的交通量分布情況。鑒于城市道路的交通流組成特征，周末在景觀區的相關道路會出現大幅增長，而普通城市快速路會有所下降。由于城市道路主要滿足人們工作日上班和周末購物，因此其相對變化會穩定些。

圖2-10表示一天之內各小時段的交通量變化情況。由于各地地城市居民的起居習慣、民風習俗和就業特征不同，因此該圖只是描述了美國某城市的一天交通量變化過程。城市各個方面的要素指標均會對交通量小時變化產生一定的影響。

圖2-11表示年度高峰小時交通量統計表。高峰小時交通量按照遞減的順序排列，通常第30位年度高峰小時交通量被用作設計交通量。

圖2-12表示高峰小時內交通量變化狀況。通常，對于低于1h的交通量觀測是為了計算流量變化。由圖2-12中可知，5min的最高峰流量為2250veh/h，15min的最高峰流量為2000veh/h，而小時的最高峰流量為1640veh/h。

流量在空間的變化有很多不確定因素，如車道分布、限道規定、匝道分布、交叉口情況等。表2-3中表示交通量方向分布特征。由表2-3中可知，方向分布可能導致交通流在不同時間段的不均勻分布，因此越來越多的城市通過信號燈、標志、標線和隔離等方式，采用潮汐式車道管理辦法來合理分配早晚上下班高峰時段的車流。