第二節(jié)　城市交通流特征

交通流是交通需求的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，是交通需求在有限的時(shí)間與空間上的聚集現(xiàn)象。由于涉及人、車、路三者之間的相互關(guān)系，交通流的形成過程非常復(fù)雜。汽車在城市道路上連續(xù)行駛形成的車流，稱為城市交通流。其在廣義上還包括非機(jī)動(dòng)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(tǒng)特征。

通過采用合理的技術(shù)指標(biāo)，描述城市交通流的各種特征，可以提高交通設(shè)施的效益和服務(wù)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(duì)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(guān)于交通流組成要素，有各種各樣的敘述和見解。但多數(shù)人認(rèn)為，組成交通流的4個(gè)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(yīng)變能力。司機(jī)的這些感知能力，同時(shí)又受到道路、環(huán)境、自身狀態(tài)和駕駛時(shí)間等各種因素的影響。因此，采取司機(jī)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(yīng)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(shè)備提高聽力滿足駕駛的要求。視覺過程對(duì)于駕駛者和行人都是非常重要的，各種交通信號(hào)燈、標(biāo)志、標(biāo)線等所有物體，都是通過視覺過程傳遞信息。

感知反應(yīng)時(shí)間t_pr是交通道路設(shè)計(jì)中最重要的技術(shù)指標(biāo)。研究表明，感知反應(yīng)時(shí)間通常在1.26～3.0s之間，國內(nèi)外在交通設(shè)計(jì)中采用2.5s作為感知反應(yīng)時(shí)間。感知反應(yīng)時(shí)間在視距計(jì)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(hào)燈、安全島、人行橫道、人行道、人行天橋、人行地道的設(shè)計(jì)中是不缺少的技術(shù)數(shù)據(jù)。除了感知反應(yīng)過程外，行人的步伐速度也是交通流分析中的重要指標(biāo)。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(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性。動(dòng)力特性是指導(dǎo)致車輛運(yùn)動(dòng)的各種動(dòng)力因素，包括空氣阻力、坡道阻力、摩擦阻力、曲線阻力、動(dòng)力要求、剎車距離、制動(dòng)力、轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)中，需要仔細(xì)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(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。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(zhuǎn)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(yīng)考慮駕駛?cè)藛T的感知反應(yīng)時(shí)間。

二、交通流的指標(biāo)

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

早期的交通流分析中并不區(qū)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(qū)分開來。流量主要用于描述交通量隨時(shí)間的變化過程。小時(shí)流量和小時(shí)交通量的區(qū)別，可以通過表2-2中所列交通調(diào)查數(shù)據(jù)說明。高峰小時(shí)因子（PHF）經(jīng)常用于描述流量與交通量的區(qū)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(diǎn)至9點(diǎn)實(shí)際通過的車輛數(shù)；而流量變化在該時(shí)間段內(nèi)非常明顯，其中（8:15）～（8:30）時(shí)間段內(nèi)的流量為4400veh/h。則該時(shí)段的PHF=4000/4400=0.909。

密度是指在某一時(shí)刻單位路段長度內(nèi)的平均車輛數(shù)，通常以輛/千米（veh/km）表示。在我國，以前對(duì)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(jīng)常用到密度這個(gè)指標(biāo)，特別在服務(wù)水平的研究應(yīng)用最多。

速度也是交通流的重要描述指標(biāo)，瞬時(shí)速度、時(shí)域速度和路段均速經(jīng)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(guān)系。

q=kV_s　?。?-4）

式中　q——平均流量，veh/h；

k——密度，veh/h；

V_s——速度，km/h。

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

q=3600/t_h　?。?-5）

k=1000/d_h　?。?-6）

V_s=d_h/t_h　　（2-7）

三、連續(xù)流的特征

公式（2-4）描述了交通連續(xù)流的本質(zhì)關(guān)系。從圖2-2中可以看出，在以下兩種交通狀態(tài)將導(dǎo)致流量為零。一種狀態(tài)是交通流密度為零，因此，在觀測點(diǎn)上看不到車輛通過，此時(shí)對(duì)應(yīng)的速度是最大速度，或稱自由流速度。另一種狀態(tài)是交通流密度最大而達(dá)到交通阻塞時(shí)，此時(shí)所有車道上的車輛處于停車狀態(tài)，因此在任何觀測點(diǎn)也看不到任何車輛“通過”，此時(shí)對(duì)應(yīng)的密度程度為阻塞密度。

城市交通連續(xù)流研究結(jié)果表明：速度-流量曲線是速度隨流量的變化規(guī)律，速度-流量關(guān)系可以用來標(biāo)定快速路的服務(wù)水平，并用于衡量快速路的運(yùn)行狀況，因此是研究交通流速度和流量關(guān)系的基礎(chǔ)，也被認(rèn)為研究是快速路交通流特性研究中最重要的部分。當(dāng)流量較小和很大時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)比較分散，這是因?yàn)樵诘土髁肯拢囕v行駛自由度大，駕駛?cè)藛T可自由選擇其車速，以其期望車速行駛，因此車輛的機(jī)動(dòng)性能的差異就顯現(xiàn)出來，表現(xiàn)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(diǎn)是最大流量發(fā)生點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的密度和速度分別稱為關(guān)鍵密度和關(guān)鍵速度。在流量達(dá)到通行能力之前，交通流屬于穩(wěn)定流；當(dāng)超過通行能力后，速度低于關(guān)鍵速度，交通流就成為非穩(wěn)定流或強(qiáng)制流。此后對(duì)交通流的任何干擾都會(huì)引起一系列的連鎖反應(yīng)。

從圖2-2中還可以看出，流量低于通行能力時(shí)也存在兩種狀態(tài)：速度很高而密度很小狀態(tài)和速度很低而密度很大狀態(tài)，分別表示在圖中的A點(diǎn)和B點(diǎn)。很顯然，A點(diǎn)的行駛質(zhì)量遠(yuǎn)比B點(diǎn)好，這也說明流量或交通量不能用于衡量車輛的行駛質(zhì)量，而應(yīng)代之以速度和密度。同時(shí)，速度和密度是車輛駕駛員最能感受的交通狀態(tài)，而流量指標(biāo)僅描述對(duì)司機(jī)并不重要的某一斷面的交通狀態(tài)。交通流研究人員通?？梢詮膶?shí)際交通流觀測數(shù)據(jù)中推測交通流的數(shù)學(xué)模型，圖2-3～圖2-5分別列舉了交通流的各種數(shù)學(xué)模型。

四、間斷流的特征

交通間斷流的最重要觀察點(diǎn)就是信號(hào)燈控制交叉口。在這些交叉口處，車輛由于信號(hào)燈的周期性管制，而必須“紅燈停、綠燈行”以規(guī)避主要沖突點(diǎn)。掌握信號(hào)燈控制交叉口的交通流特征，對(duì)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(hào)燈控制十字交叉路口前的一隊(duì)車輛的交通狀況。

當(dāng)信號(hào)燈變綠時(shí)，該隊(duì)車輛相繼進(jìn)入交叉口。第一輛車的車頭時(shí)距定義為綠燈亮至該車進(jìn)入停止線的距離。由于第一輛車司機(jī)需要對(duì)信號(hào)燈轉(zhuǎn)綠有一感知反應(yīng)時(shí)間，因此第一輛車的車頭時(shí)距相對(duì)較長。很顯然，后續(xù)車輛的車頭時(shí)距會(huì)依次減少。通常，第4輛至第6輛車及以后的車隊(duì)形成的交通流，將會(huì)具有相對(duì)均一的車頭時(shí)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(shí)距變化。當(dāng)車隊(duì)的車頭時(shí)距遞減到一定的穩(wěn)定值時(shí)，此時(shí)的車頭時(shí)距則稱為飽和時(shí)距。為了描述車隊(duì)的頭幾輛車相對(duì)飽和時(shí)距更為長的時(shí)間間隔，引入啟動(dòng)時(shí)間損失t₁₁。車隊(duì)中最后一輛車進(jìn)入交叉口至另一方向綠燈啟動(dòng)之間的時(shí) 間損失為無車時(shí)間損失t₁₂。因此，由于信號(hào)燈周期變化導(dǎo)致的間斷交通流的通行能力可用公式（2-8）計(jì)算，式中假定每小時(shí)信號(hào)燈變化頻率為n，紅燈-綠燈的時(shí)間為30s-30s

q=［1800-n（t₁₁+t₁₂）］/t_hs　?。?-8）

根據(jù)對(duì)交通流的長期研究表明，飽和時(shí)距大約在1.9～2.1s之間，而啟動(dòng)時(shí)間損失和無車時(shí)間損失之和在3.0～4.0s之間。

由于停止標(biāo)志和讓行標(biāo)志也會(huì)導(dǎo)致交通流中斷，其情形更具有不確定性。因此，司機(jī)必須作出正確判斷，等待合理的車頭間距進(jìn)行交通流的延續(xù)。此時(shí)，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(shí)間，均會(huì)對(duì)司機(jī)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(jīng)常用到的另一個(gè)指標(biāo)。對(duì)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(shí)間損失；另一種是行程延誤，是指實(shí)際行駛時(shí)間與預(yù)測行駛時(shí)間的差值。在信號(hào)燈控制交叉口，進(jìn)口延誤是指減速與加速時(shí)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(shí)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(guān)心高峰時(shí)期的交通設(shè)施能否滿足出行的要求。在實(shí)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(nèi)、一天或一個(gè)小時(shí)等時(shí)段內(nèi)，均會(huì)出現(xiàn)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(shè)計(jì)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(duì)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(xué)生外出度假，還會(huì)遇到交通量減少的情況。

圖2-9表示一周之內(nèi)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(qū)的相關(guān)道路會(huì)出現(xiàn)大幅增長，而普通城市快速路會(huì)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(duì)變化會(huì)穩(wěn)定些。

圖2-10表示一天之內(nèi)各小時(shí)段的交通量變化情況。由于各地地城市居民的起居習(xí)慣、民風(fēng)習(xí)俗和就業(yè)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(gè)方面的要素指標(biāo)均會(huì)對(duì)交通量小時(shí)變化產(chǎn)生一定的影響。

圖2-11表示年度高峰小時(shí)交通量統(tǒng)計(jì)表。高峰小時(shí)交通量按照遞減的順序排列，通常第30位年度高峰小時(shí)交通量被用作設(shè)計(jì)交通量。

圖2-12表示高峰小時(shí)內(nèi)交通量變化狀況。通常，對(duì)于低于1h的交通量觀測是為了計(jì)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(shí)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(guī)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(dǎo)致交通流在不同時(shí)間段的不均勻分布，因此越來越多的城市通過信號(hào)燈、標(biāo)志、標(biāo)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(shí)段的車流。