1、交通工程 (Traffic Engineering ),授课人：王智超 土木工程与力学学院,2019/1/15,交通工程,第二章,交通特性分析,2019/1/15,交通工程,目 录 (contents),2-1 道路交通三要素特性 2-2 交通量的基本特性 2-3 行车速度特性 2-4 交通流的基本特性及其相互关系,2019/1/15,交通工程,2-1 道路交通三要素特性,人、车、路的交通特性。,2019/1/15,交通工程,2-1-1 驾驶员的交通特性,迈克尔舒马赫,驾驶员是交通系统中最活跃的因素之一，是影响交通安全与效率的关键要素，主要通过视觉特性、反映特性与心理特性加以表现。,2019/
2、1/15,交通工程,图2.1 驾驶控制系统示意图,(0.4s),(0.3s),2019/1/15,交通工程,1)视觉特性, 视力(0.7以上,裸视0.4,无红绿色盲), 视野(分静视野和动视野, “隧洞视”), 色感,表2.1 夜间驾驶员辨认距离, 视力适应(分明适应和暗适应), 炫目(俗称晃眼,或耀眼), 视觉敏锐度和视差,静视力；动视力；夜间视力,2019/1/15,交通工程,动视力随着汽车速度的提高，明显下降,炫目防治方法,2019/1/15,交通工程,说明：在弯道前100m涂上V形标线，然后在弯道上再使V形标线的夹角逐渐加大，经直线，再涂上人字标线，行车时使驾驶员有道路变窄错觉，从而使
3、其降低车速。实验表明：使用标线前，平均车速降低了6.4km/h，使用标线以后，平均车速降低了11.7km/h。,车 道 上 画 v 形 线,2019/1/15,交通工程,说明：从高等级公路驶入一般公路的交叉口前400m 内，在环行交叉口的路面涂上由疏到密间隔不等的黄色横线，距环越近横线间隔越小，当驾驶员看到这些黄线后，首先产生警觉刺激随后降低车速，并适应路面标线的视觉变化情况，把车速降到合理水平。,2019/1/15,交通工程,2)反应特性.驾驶员开始制动前最少需要0.4s知觉反应时间，产生制动效果需0.3s时间，共计0.7s。反应时间的长短取决于驾驶员的素质、个性、年龄、对反应准备程度以及工
4、作经验。,事故次数与反应时间长短的关系,2019/1/15,交通工程,3)驾驶员的心理特点和个性特点. 动机； 素养； 注意力；智力；情绪；成熟件；知识性；条件反应。,生物节律的计算方法:,式中： Y1、Y2、Y3分别是体力、情绪、智力的节律状态 A1、A2、A3分别是体力、情绪、智力的振幅 X当事人发生事故日期到出生日期的总天数:,驾驶员处于体力循环低潮期、情绪高潮期和智力低潮期,2019/1/15,交通工程,生物节律的变化如图所示:,2019/1/15,交通工程,4)饮酒与驾驶,捷克斯洛伐克的莫斯试验表明：当血液中酒精的浓度为0.03%-0.09%时，其事故的发生率比不饮酒者增加7倍，当酒
5、精浓度为0.1%-0.14%是，事故率为不饮酒的32倍，当酒精浓度为0.15%时，事故率竟增加128倍。美国Loomis认为：当血中酒精浓度为0.03%时，驾驶能力就有低落；当为0.1%时，低落15%，为0.15%时，低落30%。日本学者研究：当酒精含量达到0.5mg/ml时，驾驶机能受到影响，辨色力降低，反应时间增加，错误反应增加46%.,2019/1/15,交通工程,我国交通法规规定,酒后驾驶机动车，记6分，罚500元，暂扣驾驶证1-3个月； 酒后驾驶营运机动车，记12分，罚500元，暂扣驾驶证3个月; 醉酒驾驶机动车，记12分，罚2000元，暂扣驾驶证3-6个月，拘留15天以下; 酒醉酒
6、驾驶营运机动车，记12分，罚2000元，暂扣驾驶证6个月，拘留15天以下; 一年内有醉酒驾驶机动车被处罚两次以上的，吊销机动车驾驶证，五年内不得驾驶营运机动车。,当酒精含量达到0.20.8mg/ml时，属于饮酒驾驶 ；大于0.8mg/ml属于醉酒驾驶。,处罚措施：,2019/1/15,交通工程,酒后开车产生事故的特点：,向静止的物体冲撞； 向停驻的车辆冲撞； 夜间与对向车迎面撞击； 因看错路引起的各种翻车； 重大事故和恶性事故多，致死率高,珍惜生命,2019/1/15,交通工程,2-1-2 乘客交通特性,乘客旅行的共同要求 安全、迅速、舒适。,表2.2 不同出行目的出行容忍时间（min）,20
7、19/1/15,交通工程,2-1-3 行人交通特性,1)行人交通流特性：步行速度、步行速度与密度基本关系等；,2)行人交通特征及其基本影响因素: 因素：年龄、性别、出行目的、文化素养、心境、街景、交通状况、生活区域等； 交通特征：行人速度(1.01.3m/s)、行人空间(0.92.5m2 /人) 、行人注意力。,3)步行距离：可接受距离（一般越短越好）,2019/1/15,交通工程,2-1-4 车辆交通特性,Fk=f(，G，Mk),地面驱动力,车轮驱动力,附着重量,附着系数,2019/1/15,交通工程,1)设计车辆尺寸。车辆的尺寸会影响到道路线形，交通结构物的净空，停车场等交通设施的设计。,
8、公路工程技术标准（JTG B01-2003）规定的设计车辆外廓尺寸（单位：米）,机动车设计车辆外廓尺寸限界（城市道路设计规范CJJ37-1990）,2019/1/15,交通工程,2)动力性能。（影响道路的几何设计与通行能力）,包括以下三个评判指标： 最高车速Vmax 汽车在水平良好的水泥或泥青路面上所能达到的最高行驶速度(km/h)； 加速时间t 分为原地起步加速时间和超车加速时间(s)； 最大爬坡度imax 汽车满载时档在良好路面上的最大爬坡度。,2019/1/15,交通工程,最快的车：福特SSCUltimateAero 437km/h,新宝马M5 起动加速时间只需不到秒4.5,爬坡性能好,
9、2019/1/15,交通工程,3)制动性能。,制动距离公式：,式中：汽车制动开始时的速度(kmh)；道路纵坡度()上坡为正，下坡为负；轮胎与路面之间的附着系数。,2019/1/15,交通工程,2-1-5 道路交通特性,1)路网密度。,道路是供行人步行和车辆行驶的设施的总称。,公路网的合理密度可用下式来计算：,道路网密度、间距与不同等级道路的功能、要求相匹配； 道路网密度、间距与城市不同区域的性质、人口密度、就业密度相匹配。,城市道路网密度、间距的选取应遵循以下两条原则：,2019/1/15,交通工程,2)公路分级。,公路的技术等级。公路工程技术标准（JTG B01 2003）根据交通量及其使用
10、性质、任务，公路可分为五级。（高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路） 公路的行政等级。按其重要性和公路管理特点又可划分为：国家干线公路（简称国道，用G表示）、省级干线公路（简称省道，用S表示）、县级公路（简称县道，用X表示）、乡级公路（简称乡道），以及专用公路。 公路网的组成。我国公路网按行政体制由国道、省道、县道和乡道组成。其中，国道网方案于1964年开始编制，1981年由国家经委、国家计委和交通部颁发试行。该方案共有国家干线公路70余条，全长10.92万公里，布局分为三类。,2019/1/15,交通工程,由首都向四周各省放射1xx，共12条，长2.35万公里。 由南北走向的纵线
11、组成2xx，共28条，长3.78万公里。 由东西走向的横线组成3xx，共30条，长4.79万公里。,国道主干系统 国道主干系统是国道网的一部分，由高速公路组成，是全国公路网的主骨架，也是全国综合运输大通道的组成部分。这个系统形成以后，车辆行驶速度可提高一倍，大城市间400500km的公路运输可当日往返，8001000km的可一天到达，这将标志着我国现代化公路运输网络的建成。国道主干线总体布局为“五纵七横”12条路线。2004年起提出“7918” 34条路线。,2019/1/15,交通工程,“五纵七横” （约3.5万公里）,2019/1/15,交通工程,“7918” 网 （约8.5万公里）,20
12、19/1/15,交通工程,2019/1/15,交通工程,2019/1/15,交通工程,3)道路结构。,道路结构基本部分是路基、路面、桥涵，另外还有边沟、挡墙、盲沟等附属部分。,2019/1/15,交通工程,4)道路线形。（要求通畅、安全、美观）,道路线形是指一条道路在平、纵、横三维空间中的几何形状，传统上分为平面线形、纵断面线形、横断面线形。,2019/1/15,交通工程,5)道路网布局。（网络与文化、历史等有关系）,典型的公路网布局有三角形、并列形、放射形、树叉形等； 典型的城市道路网布局有棋盘形(方格形)、带形、放射形、放射环形。,2019/1/15,交通工程,2-2 交通量的基本特性,2
13、-2-1 交通量的定义,它是指在选定的时间段内，通过道路某一地点或某一断面的交通体的数量。（一般指双向） 交通量Q通常取某一时间段内的平均值作为该时间段的代表交通量。,式中：Qi各规定时间段内的交通量（辆/单位时间）n 规定时间段的单位统计数。,2019/1/15,交通工程,按平均值所取的时间段的单位不同分为：年平均日交通量；月平均日交通量；周平均日交通量；平均日交通量（Average Day Traffic, ADT）,年平均日交通量（Annual Average Day Traffic, AADT）,月平均日交通量（Month Average Day Traffic, MADT）,周平均日
14、交通量（Week Average Day Traffic, WADT）,2019/1/15,交通工程,2-2-2 交通量的时间分布特性,交通量的时间分布特性主要包括：月交通量变 化、周交通量变化和小时交通量变化。,2019/1/15,交通工程,1)月交通量变化。一年内各月交通量的变化称为月变化。把AADT/MADT称为交通量的月变化系数（或称月不均衡系数），以K月表示：,月交通量变化图,2019/1/15,交通工程,例2.1 某测站测得各月的交通量及全年的累计交通量如表，试计算各月的月平均日交通量与月变系数(K月)。,月平均日交通量与月变系数计算表,解：首先计算年平均日交通量：,再计算月平均日
15、交通量及月变系数：,2019/1/15,交通工程,2)周交通量变化。一周内日交通量的变化，也称日变化。把WADT/ADT称为交通量的日变化系数，以K日表示：,式中：Qi年平均星期i的日交通量,2019/1/15,交通工程,3)小时交通量变化。一天24小时中每个小时的交通量不断在变化，简称时变化。以某一小时或某一时段交通量占全日交通量之比表示交通量的时变规律。常用的有16个小时(6:0022:00)或12个小时（6:0018:00)，亦有用18小时(4:0022:00)交通量占全日交通量之比及高峰小时占全日交通量之比作为特征变化系数。,日交通量（%）,交通量小时变化曲线图,2019/1/15,交
16、通工程,高峰小时交通量(Peak Hour Volume, 简写PHV)。,在城市道路上,交通量时变图一般呈马鞍形,上下午各有一个高峰，在交通量呈现高峰的那个小时，称为高峰小时（Peak Hour，PH），高峰小时内的交通量称为高峰小时交通量（PHV）。高峰小时交通量占该天全天交通量之比称为高峰小时流量比(以%表示),它反映高峰小时交通量的集中程度,并可供高峰小时交通量与日交通量之间作相互换算之用。,高峰小时系数(Peak Hour Factor , 简写PHF)。,高峰小时系数,就是高峰小时交通量与高峰小时内某一时段的交通量扩大为高峰小时的交通量之比。,2019/1/15,交通工程,例2.2
17、 某测站测得的连续各5min时段的交通量统计数如表,高峰小时交通量为1346辆/h，求5min和15min的高峰小时系数。,某路段高峰小时以5min为时段交通量统计表,解:由表知8:258:30为最高5min,故,最高15m交通量为8:208:35,故,2019/1/15,交通工程,2-2-3 交通量的空间分布,1)城乡分布。大城市出入口干道一般大于5000辆/d,城市道路交通量就更大,如武汉的航大路日最大交通量达21300辆,北京崇文门的日交通量达27871辆,自行车为108306辆/d,南京市中央路小汽车为33620辆/d。,4)交通量在车道上的分布,2)在路段上的分布,3)交通量的方向分
18、布,2019/1/15,交通工程,2-2-4 交通量的构成特性,交通量的构成指交通量中各种交通工具(机动车、非机动车、客车、货车;大、中、小客货车、公交车、出租车、摩托车等等)所占数量和比重。,3)城市道路交通量构成基本特性。,1)公路交通量构成的基本特性。公路交通量中客车、公交车、自行车的数量和比例一般要比城市道路上要小,而货车和拖拉机交通量的比重要大于城市道路交通量中的比重。,2)城市出人口道路交通量构成基本特性。出人口道路越接近城市,其交通量的构成特性越近似于城市道路交通量特性;越接近于乡村,其交通量构成特性则越近似于公路。,2019/1/15,交通工程,2-2-5 设计小时交通量（DH
19、V）,第30位最高小时交通量（30HV）就是将一年中测得的8760个小时交通量,从大到小按序排列,排在第30位的那个小时交通量。通常被作为设计小时交通量。,研究表明,第30位小时交通量与年平均日交通量之比的K值十分稳定。据国外观测,按道路类别及所在地区不同,K值分布在12%18%范围内。,我国部分地区设计小时交通量系数（K）,2019/1/15,交通工程,当缺乏观测资料时，设计小时交通量系数（K）也可按以下公式进行计算：,l）高速公路,K=-4.105 6In（AADT）+49.927 1 （1+A）,2）一级公路,K=-2.428 3In（AADT）+31.767 0 （1+A）,3）二级公
20、路、三级公路,K=-1.564 8In（AADT）+23.164 0 （1+A）,公路所在位置的修正系数；城市近郊取0，公路取4.0%； A地区气象修正系数，-10%A10%；一年中气候变化显著则选大值，平稳则选小值，其中：华北地区平均值为-9.23%，东北地区平均值为8.31%，西北地区平均值为7.18%，华东、中南和西南地区可不修正。,2019/1/15,交通工程,设计小时交通量的应用： 对于多车道公路,运用设计小时交通量可确定车道数和路幅宽度,通过准确的计算可取得良好的经济效益。 对于双车道公路,由于车道数已定,设计小时交通量主要用于计算各不同时期的高峰小时和交通量,并据此评价道路服务水
21、平、使用品质等。,计算公式：,设计小时交通量系数(%),每一车道设计通行能力(辆/h),车道数,一条车道宽度(m),路幅宽度(m),设计小时交通量(辆/h),2019/1/15,交通工程,在考虑方向不均系数的情况下:,方向不均匀系数（%）,单向设计小时交通量 (Directional Design Hourly Volume),2019/1/15,交通工程,2-3 行车速度特性,2-3-1 基本定义,地点车速：指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2025m为宜,用做道路设计、交通管制、交通规划资料。 行驶车速：指从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
22、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。 运行车速：指中等技术水平的驾驶员在良好的气候条件、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状况。,2019/1/15,交通工程,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。 临界车速：指道路达到理论通行能力时的车速,对于选择道路等级具有重要作用。 设计车速：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
23、的最大安全车速,用作道路线形几何设计的标准。,2019/1/15,交通工程,总结：,2019/1/15,交通工程,2-3-2 行车速度的统计分布特性,图2.2 地点车速直方图、 频率分布图、 累计频率分布图式,行车速度与交通量一样,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匣道口处,车速分布比较集中,一般呈偏态分布，如皮尔逊型分布。,2019/1/15,交通工程,表征车速统计分布特性的特征车速常用: 中位车速。（50%位车速） 85%位车速。（常作限高车速） 15%位车速（常作限低车速）与速率波动幅度。,2019/1/15,交通工程,2
24、-3-3 时间平均车速与区间平均车速,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车速,这些点速度的算术平均值,即为该断面的时间平均车速,即:,式中： 时间平均车速，km/hn 单位时间内观测到车辆总数，vehvi 第i辆车通过某段面的地点车速，km/h,2019/1/15,交通工程,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的调和平均值,其计算公式为:,式中：s路段长度，kmn观测次数ti第i辆车通过s所用时间，hvi第i辆车通过s的行驶速度，km/h空间平均车速，km/h,2019/1/15,交通
25、工程,时间平均车速与区间平均车速之间的互换关系,式中： 观测值的均方差 观测值的均方差,2019/1/15,交通工程,例2.3 设有3辆汽车，分别以20、40、 50km的速度度，通过路程长度为l0km的路段，试求时间平均车速和区间平均车速。,解：求时间平均车速,再求区间平均车速,两者的关系也可通过回归分析得到，即,上式可以看出，当速度提高，两者之间的变异就变小，即区间平均车速即近于时间平均车速,2019/1/15,交通工程,2-4交通流的基本特性及其相互关系,2-4-1 交通流三参数基本关系,交通量Q、行车速度V、车流密度K是表征交通流特性的三个基本参数。,车流密度是指某一瞬间内单位道路长度
26、上的车辆数目。,K = N / L （辆/km）,式中：K车流密度，veh/kmN观测路段内某瞬时车辆数，vehL观测路段长度，km,2019/1/15,交通工程,车流密度特性：, 车头时距观测时间内同向行驶的一列车队中相邻两车车头之间的时间间隔。观测路段上所有车辆车头时距的算术平均值称为平均车头时距( )。与流量的关系是：, 车头间距观测路段内一条车道上相邻两车的车头空间间隔。观测路段上所有车辆车头间距的算术平均值称为平均车头间距( )。与交通密度K的关系是：,2019/1/15,交通工程,其基本关系为：,Q = V K,2019/1/15,交通工程,2019/1/15,交通工程,2-4-2
27、 速度与密度的关系,2019/1/15,交通工程,2-4-3 流量与密度的关系,图上点C代表通行能力或最大流量Qm，从这点起，流量随密度增加而减小，直至达到阻塞密度Kj,此时流量Q=0。以原点A， 曲线上的B，C和D点的箭头为矢径的斜率表示速度。通过点A的矢径与曲线相切，其斜率为畅行速度Vf。在流量-密度曲线上，对于密度比Km小的点表示不拥挤情况，而密度比Km大的点表示拥挤的情况。,流量-密度关系曲线,2019/1/15,交通工程,2-4-4 流量与速度的关系,通常速度随流量增加而降低,直至达到通行能力的流量Qm为止。关于曲线在拥挤的部分时,流量和速度则都降低。点A、B、C、D和E相当于流量密
28、度和速度密度曲线上同样点，原点E到曲线上点的向量斜率表示那一点的密度的倒数1/K。点C上面的速度-流量曲线部分表示不拥挤情况,而点C下面的曲线部分则表示拥挤的情况。,2019/1/15,交通工程,某公路需进行拓宽改建，经调查预测其在规划年内平均日交通量为50000辆小汽车/日，设计小时系数K17.86X1.30.082，X为设计小时时位，取一个车道的设计通行能力为1500辆小汽车/小时，试问该公路需修几车道？ 已知某公路上畅行速度Vf=80km/h,阻塞密度Kj=105辆/km，速度-密度用直线关系式，求:1）在该路段上期望得到的最大流量？2）此时所对于的车速是多少？ 在一条24km的公路路段起点断面上于6分钟内测得100辆汽车，车流是均匀连续的，车速V=20km/h，试求:流量Q、平均车头时距ht、平均车头间距hd、密度K以及第一辆车通过该路段所需的时间。,作 业,
