交通流规律分析范文

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《华东交通大学学报》2016年第6期

摘要：

在高速公路交通流规律的研究中考虑荷载特性，对完善交通流理论有重要意义。以某双向八车道高速公路的实测动态称重数据为基础，从宏微观角度分别对交通流变量及其关系进行分析总结，探讨考虑荷载特性的交通流规律。结果表明，95%置信区间内，微观上，多轴车车头时距服从同一分布，多轴车与二轴车车头时距服从不同分布；宏观上，平均荷载与自由流车速存在明显的线性关系。由此可以认为自由流状态下，多轴车之间的交通流运行特点较接近，而与二轴车有显著差异性；平均荷载是自由流车速的重要影响因素之一，随着平均荷载减小，自由流车速线性增大。

关键词：

动态称重；荷载特性；交通流变量；交通流规律

荷载特性是交通流的重要属性，是影响道路服务水平和交通流运行情况的关键因素[1]。尤其在道路交通管理中，荷载特性的影响不容忽视。现阶段的交通流理论研究大多集中于对总体交通流规律的统计及应用，较少关注荷载特性对交通流规律的影响[2-4]。利用动态称重数据可以对高速公路进行考虑荷载特性的交通流规律研究[5－6]。微观上，按荷载特性划分车型，继而可以研究不同车型的微观交通流运行特点；宏观上，荷载特性由一定时间间隔内的平均荷载和超载率来表征，可以探讨宏观荷载特性对应的交通流规律。对高速公路进行考虑荷载特性的交通流规律研究不仅可以完善交通流理论研究，而且可以为交通流仿真及高速公路管理提供参考，具有重要意义[7－10]。

1研究方法

1.1车型划分及其限载标准

根据我国公路管理的限载规定并参阅相关文献，以轴数为标准将车辆划分为5类车型[11]。这种车型划分方法可以很好地表达车辆的荷载特性，各类车型限载值如表1所示。

1.2交通数据处理方法

在数据使用之前，首先利用数据修补技术对交通数据的异常或缺失部分进行预处理[12-14]。对微观交通的研究从个体车辆的交通要素入手绘制概率分布图，对荷载要素、车头时距、车速分别按车型划分标准、每2s、每10km•h-1聚合为一类进行频数统计与频率计算。通过车速-车头时距关系模型来表现微观交通流规律，具体的处理方法是将微观车辆按车速每10km•h-1聚合为一类，然后取每类车速区间段内的车头时距中位值进行拟合。为了获取较为可靠的宏观交通数据，将数据聚合为5min时间间隔内的平均荷载、超载率、空间平均车速、交通量等交通流变量，并总结其要素间的关系规律。其中，超载率为5min时间间隔内超载车车辆数与总车辆数之比值。空间平均车速指的是5min时间间隔内通过检测截面的所有车辆的平均车速，计算方法如式（1）。V=nni=1Σ1Vi（1）式中：n为5min时间间隔内所有车辆数；Vi为5min时间间隔内第i辆通过车辆的车速；V为5min时间间隔内的空间平均车速。美国通行能力手册中对交通量-车速关系的研究发现在相当大的流量范围内，速度的变化比较小，这种趋向持续到约1600Veh•h-1处[15]。低流量情况下，对车速的研究需要考虑交通流荷载特性、交通特性的影响。介于数据量大而离散，对平均荷载、超载率、交通量分别按每0.5t、每0.1、每500Veh•h-1聚合为一类进行车速统计与拟合，从而获得平均荷载与车速、超载率与车速、交通量与车速的关系规律。继而选取平均荷载、超载率、交通量中两个或多个变量进行多元回归，根据拟合优度确定车速与交通流荷载特性、交通特性的关系规律。

1.3研究对象

描述选取某高速公路双向八车道的WIM设备测得的车流数据。数据获得于2013年7—10月，共47天，1875512辆车，东行共计934550辆车，西行共计940962辆车。其车道分布及WIM设备布置情况如图1所示。

2考虑荷载特性的交通分析

对交通流变量的分析和交通规律的总结，主要从荷载特性、车头时距、车速相关方面3个角度进行研究。

2.1荷载特性

车型分类统计如表2所示，二轴车车辆数占所有车车辆数的比例为89.9%，三轴车、四轴车、五轴车、六轴及以上车车辆数占所有车车辆数的比例为2.1%，2.9%，0.7%，4.5%。对5min间隔内的平均荷载情况进行统计，69.6%的车辆平均荷载低于10t，23.8%的车辆平均荷载介于10~20t，只有6.6%的车辆平均荷载高于20t。对5min间隔内的超载率情况进行统计，超载率通常低于15%。56.0%的超载率低于0.05，26.6%的超载率介于0.05~0.1间，9.1%的超载率介于0.1~0.15间，4.5%的超载率介于0.15~0.2间，只有3.8%的超载率高于0.2。

2.2车头时距

图2给出了各类车型的车头时距分布，经KS检验分析表明在5%的置信区间内，多轴（三轴车及以上）车车头时距服从同一分布，多轴车与二轴车车头时距服从不同分布；二轴车车头时距较为集中，有69.4%的概率分布在0~14s；多轴车车头时距则较为离散，车头时距随轴数增加而增加。微观上的车速-车头时距关系图可以较好地表达各类车型的交通特性，从而发现不同车型的交通运行规律特点。鉴于微观车辆交通流离散性较大，将微观车辆车速每10km•h-1聚合为一类，取每类车速区间段内的车头时距中位值为车头时距表征值。对各类车型车头时距最小值进行统计，并对车速-车头时距关系进行二次函数拟合。由图3可以发现，多轴车车速-车头时距曲线分布较集中；同一车速下，轴数越多的车辆车头时距通常越大。表3给出了车速车头时距之间的函数关系。不同车型分别服从不同的车速-车头时距关系。利用最小二乘法原理检验表明车速-车头时距具有良好的二次函数关系。二轴车车速108km•h-1时车头时距为7.4s达到最小值，三轴车车速105km•h-1时车头时距为11.3s达到最小值，四轴车车速105km•h-1时车头时距为10.9s达到最小值，五轴车车速102km•h-1时车头时距为13.8s达到最小值，六轴及以上车车速105km•h-1时车头时距为14.8s达到最小值。可以发现各类车型车头时距在车速约105km•h-1时达到最小值，多轴车最小车头时距值明显大于二轴车。

2.3车速

对各类车型的车速分布按每10km•h-1聚合为一类进行频数统计与频率计算并进行正态分布拟合，拟合效果良好。由图4、表4可知，二轴车车速通常处于65~115km•h-1区间段，多轴（三轴车及以上）车车速通常处于55~95km•h-1区间段；二轴车车速均值94.4km•h-1，标准差13.5，大于多轴车的车速及标准差，说明二轴车运行车速通常比多轴车快且车速最为离散；四轴车车速服从均值76.1km•h-1标准差9.7的正态分布，六轴及以上车车速服从均值76.0km•h-1标准差9.2的正态分布，四轴车与六轴及以上车车速概率分布情况接近。某高速数据为交通量低于1000Veh•h-1的自由流数据，宏观数据涵盖5min时间间隔内交通流的平均荷载、超载率、交通量、车速等变量。对平均荷载与车速、超载率与车速、交通量与车速分别进行单因素回归分析，对平均荷载、超载率分别按每0.5t、每0.1聚合为一类进行车速平均值的统计与拟合。由表5、图5所示，在平均荷载小于35t，超载率小于0.7的情况下，车速随平均荷载与超载率增加指数减小。利用SPSS相关性分析发现平均荷载与超载率相关性0.6587且呈现较强的共线性关系。对13536组宏观数据中平均荷载、超载率等多个变量进行多元线性回归调试。交通流车速V与平均荷载W满足拟合优度为0.764的V=94.461-0.001W函数关系。可以认为平均荷载是交通流车速的主要决定因素，交通量低于1000veh•h-1的自由流状态下，平均荷载越小，交通流车速越大；反之，交通流车速越小。

3结语

根据某交通量低于1000veh•h-1的双向八车道高速公路WIM数据，统计了荷载特性及交通流变量情况，重点进行了荷载特性影响下的高速公路交通流规律分析，可以得到以下结论：

1）多轴车车头时距服从同一分布，多轴车与二轴车车头时距服从不同分布。由此可以认为，多轴车的运行特点接近且与二轴车有明显区分。

2）平均荷载是自由流车速的重要影响因素之一，随着平均荷载减小，自由流车速增大；反之，自由流车速减小。荷载特性影响交通特性，关注交通流变量随荷载情况的变化趋势，总结交通流规律可以为考虑荷载的交通风险分析提供理论支撑[16-17]。鉴于本文采用的数据为四车道高速公路数据且多为自由流数据的影响，通过平均车速表达交通量-车速关系，对拥挤交通流状态下的分析有待进一步深入。

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作者:王颖 何青俊 涂辉招 阮欣 单位:同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 同济大学土木工程学院