杨晓光-交通设计-第二讲-交通设计理论基础课件

2019年11月交通设计——第二讲

交通设计理论基础

提纲1.

概述2.

交通设计理论基础体系与作用3.

系统工程学原理4.

工业设计原理,城市设计原理5.

交通工程学原理6.

交通土木工程学7.

交通资源与环境学1、概述◆理论——概念、原理的体系，是系统化了的理性认识，

学问之基础

◆科学理论——实践的基础上产生并经过实践检验和证明的

理论，是客观事物的本质、规律性的正确反映,

对于实践、工程和技术具有指导意义

◆设计目标——通畅、安全、便利、节能、减排及其效率化等

为目标

◆设计约束——资源、环境和（建设或改建）投资等条件为约束理论的意义：科学是揭示事物间内在关系与规律的知识体系；理论是表述科学的知识和方法体系，对于实践、工程和技术具有指导意义。1）系统分析理论与方法——系统工程学2）功能与构思及创造和创意原理——工业设计原理3）城市构筑原理与方法4）交通系统与现象及规律解析5）交通与资源和环境关系认识6）交通设施建设工程与技术——城市规划与设计原理——交通工程学——资源与环境学——交通土木工程学1、概述（1）城市—最佳构筑城市的理论基础（城市设计原理）；（2）交通—解析交通现象，揭示交通规律的理论基础（交通工程学，交通流理论、通行能力理论、交通冲突分析理论、交通行为与安全理论等）；（3）环境—交通与资源和环境关系的理论基础（交通资源与环境学）；（4）系统—构筑与分析交通系统的理论基础（系统工程学）；（5）设计—面向功能构思创造性方案的理论基础（工业设计原理）；（6）建设—交通基础设施的理论基础（交通土木工程学）1、概述安全－交通冲突理论便利－交通行为理论

效率－多目标优化理论（4）“设计”－构思、创意、创造、优化、组合－工业设计（5）交通设计基础－城市与交通规划、交通基础设施

城市－城市设计

交通设施－道路工程、轨道工程、机场工程、港口工程等交通工程学

1、概述（1）交通问题的系统性－交通系统工程理论（2）交通设计对象－交通流－交通流理论（3）交通设计目标－通畅、安全、便利、效率

通畅－通行能力理论系统分析理论与方法——系统工程学

功能与构思及创造和创意原理——工业设计原理

城市构筑原理与方法——城市设计原理交通系统与现象及规律解析——交通工程学

交通与资源和环境关系认识——资源与环境学

改善交通最佳方案创造与构筑——交通设计

交通设施建设工程与技术——交通土木工程学理论基础体系2、交通设计理论基础体系与作用系统工程学原理可以为认识与构筑及改造交通运输系统提供理论与方法。3、系统工程理论◆

系统工程是为了更好地达到系统目的，对系统的构成要素、

组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的技术。◆

系统工程核心问题是组织管理与决策，从系统整体出发，以计算机为工具，进行系统结构与功能分析，包括系统建模、仿真、分析、优化、评价和决策，以求得最好或满意的系统方案并付诸实施。◆

代表性方法论：希尔（A.D.Hill）1969年提出的由时间维、逻辑维和知识维所组成的三维结构体系◆

为构筑交通设计方法的逻辑关系、知识体系以及时间序列提供指导3、系统工程理论➢系统分析、评价与优化理论等。交通设施交通工具调整交通需求提高服务能力交通环境、规则、政

策与信息交通与运输系统分析、规划、设计与管理理论及方法目标：通畅、安全、节能、环保及其效率交通移动体：人和物3、系统工程理论

➢人/物、交通工具、交通设施、交通环境、交通政策与规则，以及交通

信息间的系统关系；

➢不同交通方式间的系统关系；

➢快慢交通系统关系

➢动静交通系统关系；

➢投入与产出系统关系；

➢多目标决策、规划、建设与管理系统关系；需求分析问题问题陈述概念设计定位具体设计细部设计图纸典型的工业设计程序4、工业设计原理

基本概念

◆

为了达到某一特定目的，从构思到建立一个切实可行的实施方案，

并且用明确的手段表示出来的系列行为

◆

它包含了一切使用现代化手段进行生产和服务的设计过程逻辑

系统法

方法工业设计基本原理、程序与方法，可为交通设计提供面向交通系统及其设施的功能、交通问题与特征和交通行为，创造性和人本性以及精细化地构筑交通对策方案的基本原理与思想，乃至方法论。

创新设计功能矩阵法规划分析综合评价4、工业设计原理

◆设计方法、设计逻辑与设计时间的三维合一

时间

市场、开发

方案◆《中国大百科全书（城市规划、建筑、园林卷）》

“城市设计”条目称“城市设计是对城市体形环境所进行的设计”；◆《大不列颠百科全书》中城市设计的定义是“城市设计是对城市环境形态所做的各种合理处理和艺术安排。”◆英国城市设计家弗·

吉伯特《市镇设计》一书中指出：“城市是由街道、交通和公共工程等设施，以及劳动、居住、游憩和集会等活动系统所组成，把这些内容按功能和美学原则组织在一起就是城市设计的本质”◆交通设计应是城市设计的重要组成部分！！！5、城市设计原理◆1933年《雅典宪章》：城市规划的目的是解决居住、工作、游憩与交通四大功能活动的正常进行◆城市的功能定位决定其交通的辐射性和服务性城市与交通间密不可分，交通派生于城市的居住、休闲与工作等功能，又影响甚至反作用于城市的发展。基于城市设计的交通设计，对于构建和谐的交通系统具有及其重要的理论意义和实用价值。5、城市设计原理城市设计内涵与外延的发展——◆

狭义范畴：早期的研究范畴与工作对象仅局限于建筑和城市相关的狭义层面；◆

综合性跨领域学科：二十世纪中叶已经开始变化，除了城市规划、景观建

筑、建筑学等范畴的关系日趋绵密复杂，也逐渐与城市工程学、城市经济

学、社会组织理论、城市社会学、环境心理学、人类学、政治经济学、城

市史、市政学、公共管理、可持续发展等知识与实务范畴产生密切关系。◆

城市设计理论：主要专注于城市公共空间的设计实践和理论发展。公共空间=（城市设计）静空间+（交通设计）动空间交通设计与城市设计融合——5、城市设计原理1）交通系统基本要素及特征2）交通流理论3）通行能力理论4）交通行为与安全理论5）交通管理与控制理论和方法6、交通工程学原理1

）交通系统基本要素及特征

（1）交通系统构成要素人/物交通工具交通设施交通环境信息交通规则系统要素之有机组合

安全、通畅、便捷、环保

效率

和谐/谐和-先进的交通系统1）交通系统基本要素——人/物、工具（车）、设施（路）、环境、规则、信息◆人/物的基本特征◆交通方式与工具特征◆交通设施基本特征◆交通环境基本特征◆交通规则与政策的基础性◆交通系统信息特征➢

交通出行者：驾驶员、骑车人、乘车人及步行者等，交通需求的产生本源；➢

交通规划/设计与管理者：决定着交通系统的科学性与适应性，受到理念、知识与科技水平的影响；➢

交通系统的决策者：影响着交通的政策与法规以及系统的走向交通系统基本要素——交通主体：人和物的交通特征◼关于交通系统中人的特性及其影响➢人是交通系统中的最活跃的因素；➢人是交通需求之源；➢人是影响交通安全之关键；➢人是改善交通系统之主；➢交通系统应以人为本交通系统基本要素——交通系统中人的基本特征1）交通系统基本要素——人/物、工具（车）、设施（路）、环境、规则、信息◆人/物的基本特征◆交通方式与工具特征◆交通设施基本特征◆交通环境基本特征◆交通规则与政策的基础性◆交通系统信息特征2）交通流理论◆描述人和物的移动、交通工具、交通设施、交通环境共同作用现象的理论——行人交通流——自行车交通流——汽车交通流（客运与货运）——轨道交通流——航空交通流——港口交通流交通流理论交通流理论可为交通设计中的交通参数确定提供理论依据◆以揭示交通流现象和基本规律为目的◆运用数学和力学的定理，研究道路交通流运行规律机动车交通流理论•••••交通流特征（流量、速度、密度）概率统计模型排队论波动理论跟驰理论交通流特征•

交通流基本参数模型：流量-速度关系速度特征•

速度基本定义：行驶距离/所需时间；•

地点车速：瞬时车速，车辆（或人）通过某一地点（非长距离内）的速度•

时间平均速度：某一时间内某一道路断面地点速度的平均值，可用于对地点交通现象及状态分析•

空间平均速度：在给定的路段上，于统一瞬间，速度的平均值，用于评价分析空间上交通流状态•

行驶速度：行驶某一距离与所用时间（不

包括停止时间）之比，可用于道路设计•

行程速度：也称区间速度，为行驶某一距

离与所用时间（包括停止时间）之比，可

用于评价分析道路的交通质量速度特征交通流的密度特征•

交通密度：单位长度道路上一个车道（或单位宽度）内车辆（或人、自行车）数概率统计模型基本概念1)

交通流分布：交通流的到达特性或在物理空间上的存在特性；2)

离散型分布（也称计数分布）：在一段固定长度的时间内到达某场所的交通数量的波动性；3)

连续型分布（时间间隔分布、速度分布等）：在一段固

定长度的时间内到达某场所交通的间隔时间的统计分布4)

研究交通分布的意义：预测交通流的到达规律（到达数

及到达时间间隔），为确定设施规模、信号配时、安全

对策提供依据–

1905，哥本哈根，爱尔朗，电话自动交换机–

排队论也称“随机服务系统理论”，是研究广义“需求”与“供给”关系的一种数学理论–

应用于交通延误、通行能力、交通信号配时、停车场、收费站、加油站等交通设施的设计与管理分析，方案制定等排队论模型Diagram

for

traffic

signal波

速：车流中两种不同密度部分的分界面经过一辆辆车向车队后部传播的现象,称为车流的波动。此车流波动沿道路移动的速度称为波速集散波：•

从低密度状态向高密度状态转变的分界所体现的车流波称为集结波•

从高密度状态向低密度状态转变的分界所体现的车流波称为疏散波•

两种不同的车流可统称为集散波。车流波动理论交通参数交通流关联理论用途说明交通流分布特征⚫速度分布；⚫⚫⚫⚫密度分布；流量分布；车型分布；车头时距分布；1)离散分布理论2)3)4)连续分布理论；数理统计分析理论；交通流散布理论➢用于设计车速或管理车速的确定；➢➢➢➢时空设计流量的确定；车道设计的依据；交通流协调处理依据；通行能力分析交通流微观行为分析⚫⚫⚫⚫⚫交通流排队行为分析；延误分析；穿越行为；跟车与超车行为；压缩与膨胀交通流参数1)排队论；2)3)4)5)6)波动理论；流体理论；跟车与超车理论慢行交通流理论连续流与间断流理论➢空间设计依据；➢➢➢➢交织状态分析；安全与效率分析；交通信号配时参数；。。。网络交通流分析⚫⚫⚫OD

分布分析；网络交通流路径分布；网络状态分析1)2)3)网络交通流

OD

分析理论交通分配理论；网络交通流均衡理论；➢➢➢网络设计；交通组织方案与优化；网络评价分析交通流理论与交通设计交通流理论可为交通设计中的交通参数确定提供理论依据•

交通设施的通行能力：在通常的道路、交通和管制条件下，单位

时间人或车辆通过车道或道路中某一点或断面的合理期望最大小

时流率•

车辆通行能力：在通常的道路、交通和管制条件下，单位时间车

辆能够通过道路中某一点的最大数量，假定不存在下游的影响•

人员通行能力：在通常条件下，单位时间能够通过道路中某一点

的最大人员数，用于评价公共交通服务、HOV车道和行人交通

设施•

道路通行能力随诸多因素而变化•

计量单位有人/h、辆小客车/h、辆/h等基本概念（HCM2000）3）通行能力理论影响因素•

理想条件：车道宽3.6米，坡度为0，交通流中只有小客

车，没有公交车停车行车道上，没有行人，没有路边停车•

道路条件：车道数，交通设施类型及其两侧开发状况，

几何条件（车道宽、路肩宽度及侧向净空、平纵线形、视

觉环境等），设计车速，交叉口处是否有专用转向车道•

交通条件：车辆类型，方向分布和车道分布；•

交通管理条件：标志、标线、信号、禁止路边停车，交通组织等•

技术：智能交通系统•

其它条件：气候、环境、心理环境（行为特征）等通行能力主要研究内容◼

交通设施服务对象：机动车、公共交通、行人、自行车◼

机动车交通流状态：间断流、连续流

间断流交通设施包括城市道路、信号控制交叉口、无信号控制交叉口（两向/全部方向停车让行交叉口、环形交叉口）、立交匝道连接处等连续流交通设施包括双车道/多车道公路、高速公路（基本路段、匝道合流/分流点、交织段）等◼

公共交通通行能力：包含公共汽车、轨道、渡运以及枢纽、中途停靠站、首末站公交通行能力与服务质量手册交通设施通行能力－道路路段通行能力一）基本通行能力通行能力与车速、车型等有关二）实际通行能力•

考虑到道路条件（车道宽、侧向净空、坡度、视距）的修正；•

交通条件修正；三）规划（或设计）通行能力

类别道路条件

内容城市道路交叉口间距道路几何线型道路横断面道路沿线行驶环境

说明纵坡、弯道横断面形式、车道宽度、车道数等公交停靠站位置、进出口分布、行人过街横道位置等交

通

流

构

大客、公交、小客、出租、小货、摩；非机动车；行人成自行车与行人一体化模式交通渠化模式交通设施通行能力－道路路段通行能力道路沿线行驶环境行人过街横道位置等交

通

流

构

大客、公交、

、出租、小货、摩成自行车与行人一体化模式传统的自行车与行人分离模式无管理限速管理交通渠化模式交通管理条件为*

施工和养护期管理出

行

者

行

驾驶员变道、跟车、超车行为，行人和自行车穿越心理等《城市道路工程设计规程》（DGJ08-2106-2012）不受交叉口影响的道路单向通行能力Nm=fc×fn×fw×fp×fb×NpNm：

不受平面交叉口影响的路段设计通行能力（pcu/h）fc：

机动车道的道路等级系数；fn：

机动车道数修正系数；fw：

机动车道宽度修正系数；fp：

驾驶员修正系数；fb：

自行车修正系数；Np

：一条机动车道的路段基本通行能力；交通设施通行能力－道路路段通行能力考虑交叉口的影响，路段通行能力：Nn=ß×NmNn——受平面交叉口影响的路段设计通行能力（pcu/h）；ß——平面交叉口影响修正系数；s——交叉口间距（m）；λ——绿信比。交通设施通行能力－道路路段通行能力•

连续流基本路段特征•

交织运行特征•

交织区长度（太短、太长的问题）•

交织区类型•

交织运行特性（交织区内总流量、交织流量比）交通设施通行能力－连续流、交织区通行能力•

无信号控制交叉口通行能力（穿越理论）；•

信号控制交叉口通行能力（信号配时与饱和流量）；•

环型交叉通行能力（交织变交叉）进行交通设计时基于通行能力约束选择交叉口控制管理模式——如将无控制环岛改为信号控制交通设施通行能力－平面交叉口通行能力1）影响通行能力的要素•

信号配时：信号周期/绿信比、相位与相序；•

道路条件：车道数、车道功能、车道宽度、转弯半径、路面条件、公交站点位置；•

交通条件：车型、流向/流量、通行权、饱和流量等；•

规则及管理条件和交通行为

交通设施通行能力－平面交叉口通行能力道路交叉口的交通设计应以其通行能力理论为基础类别内容说明城市道路交叉口间距

针对短连线交叉口道路条件道路几何线型道路横断面行驶环境纵坡横断面形式、车道宽度、车道数等公交停靠站、进出口分布等交通流构成

大客、公交、小客、出租、小货、摩；非机动车；行人交通渠化模式自行车与行人一体化模式设置右转渠化岛模式无渠化模式交通设施通行能力－平面交叉口通行能力自行车与行人一体化模式交通渠化模式

设置右转渠化岛模式

无渠化模式交叉口形式

T

型、Y

型、十字型、环型、错位、多路、畸形等交叉口控制管理条件无控制、让行控制管理、停车让行管理、定时信号（特别强调不同相位衔接模式和红灯间隔时间对通行能力的影响）出行者行为

驾驶员变道、跟车、超车行为，行人和自行车穿越心理

等

等

行驶环境

公交停靠站、进出口分布等通设施

行能力－平面交叉口通行能力通行能力计算方法•

冲突点法•

停车线法：饱和流率法、停车线法、停止线法交通设施通行能力－平面交叉口通行能力驶出率红

饱和流量有效绿灯时间黄尾损失时间

实际通行能力

可挖掘通行能力

绿实际绿灯时间

黄黄灯时间红

绿初损失时间理想通行能力交通设施通行能力－平面交叉口通行能力

信号控制道路交叉口的交通优化设计，

即是实现其影响要素的最佳组合，从

而可以最佳利用可挖掘通行能力修正因数美国英国日本澳大利亚瑞典加拿大台湾道路宽度Y车道宽度YYYYYY

坡度大车率YYYYYYYYYYYYYY车道利用率YY右转左转YYYYYYYYYYYYYY公交车停靠YYYY

行人路边停车所在区域YYYYYYYYY气候Y交通设施通行能力－平面交叉口通行能力

饱和流率修正系数◆

交通行为：通过交通出行者，包括行人、骑车者、乘车

者与驾车者等的行为特征和规律及其影响因素加以表現◆

交通行为内容：选择行为、反应行为；◆

交通行为影响因素：便捷、省时、省力、舒适和安全，

以及交通设施条件（平整性、线形等）和交通工具条件

（车厢的卫生、整洁及人文环境等）4）交通行为与安全理论•

交通事故本质：不同类别交通流不同程度的冲突•

交通冲突分析：冲突特征•

安全性与安全度分析及其对策：速度特征：快速和速度差；控制行为；行驶环境等4）交通行为与安全理论▪非机动车—行人

事件

参与者▪

机动车—机动车▪

机动车—非机动车▪

机动车—行人▪

非机动车—非机动车运行方式避险行为▪

制动▪

转向▪

加速▪

制动+加速▪制动+转向▪

同向冲突▪

对向左转冲突▪

穿越交通冲突▪

红灯右转冲突▪

次冲突

交通

冲突角▪

正向冲突▪

追尾冲突▪

横向冲突▪

撞固定物冲突交通冲突分类分类依据冲突类型冲突主体冲突程度机动车-机动车

动车-非机动车

严重冲突机动车-行人

机

非机动车-行人

一般冲突

冲突角度冲突交通流

交叉冲突直行-直行分流冲突

直行-右转

合流冲突直行-左转左转-右转冲突预测性常规冲突非常规冲突交通冲突分类交通事故过程主动交通安全：从交通规划到交通设计、交通管理及控制各阶段，最大限度地主动规避交通冲突，或减少交通冲突，控制冲突的可能性或者速度、降低冲突能量••••减少交通到达数量：减少出行，优化结构优化交通到达规律：时间上优化/空间上优化优化交通到达特性：交通方式、运行速度减少暴露总量

Traffic

System交通系统Trips出行Arrival(Si,Tj)

交通事故过程Exposing暴露阶段：输入输出

Exposing

暴露非常规冲突点路环境信息规则

遭遇时空特性(Si,Tj)

Charateristics

Arrival到达交通特性

人

车

常规冲突点安全通过交通冲突交通冲突次数

统计时段数冲突几率

=

安全通过几率=1−冲突几率降低交通冲突概率

交通事故过程Encounter遭遇阶段：输入输出交通冲突技术国际应用特点◼

间接评价交通安全◼

分析事故成因◼

研究改善措施，提高道路环境的感觉质量◼

利用交通改善前后的冲突调查，检验与评价交通安全改善措施的效果交通冲突技术应用减少交通冲突和事故的技术措施减少交通冲突和事故的技术措施

时空隔离

提早发现增加制动距离

降低车速改善视距交通渠化设计交通安全设施交通标志标线柔性隔离护栏交通冲突改善对策

慢行交通一体化

优化信号控制减少冲突发生概率的方法

交通控制❖绿灯间隔时间的确定❖倒计时器对交通安全的影响❖红灯时右转机动车的控制❖车辆在交叉口的左转❖最短绿灯时间❖行人过街时间的保证❖绿闪❖信号灯的安装❖视距

交通设计❖渠化❖合理设置人行横道的位置❖设置行人安全岛❖交通组织❖合理设置交通标志标线减少冲突发生概率的方法交通管理：运用各种手段和措施实现交通需求与交通设施服

务能力达到最佳的平衡，以改善交通的基本理论与技术交通管理手段：•

交通法规——交通系统运转的准则，明确与协调通行权、调节交通流的有序化•

交通安全管理——交通行为能力的培养与管理、冲突管理、速度管理以及交通安全监督与管理等•

交通需求管理（TDM，Transportation

DemandManagement）——以均衡交通需求，降低低效率交通需求，改善交通的公平性与环保性等为目的，面向交通需求的管理，可以缓解交通供需矛盾，从而综合改善交通5）交通管理与控制理论和方法交通管理手段：•

交通服务管理：以提高交通便捷性、舒适性和减少无谓交通需求为目的的交通管理•

交通工具管理：确保交通工具性能的管理，从而改善交通的安全性并降低其污染性•

提高通行能力的管理：提高交通设施的使用效率，协调通行效率与安全性的管理•

交通流控制：运用交通信号及法律性标识调节交通流的关系，以改善交通的效率性和安全性•

交通系统管理（Traffic

System

Management）：综合运用各种手段、措施和方法，以交通系统的最佳化为目标而进行的交通管理5）交通管理与控制理论和方法交通问题改善对策交通管理关联性交通阻塞◼增加设施提高通行能力；◼◼◼◼改善秩序提高通行能力；交通需求管理（TDM）；交通系统管理（TSM）；提高安全性缓解阻塞交通管理措施；交通管理措施；交通管理措施；交通管理措施交通事故◼改善设施的安全性；◼◼◼提高驾驶员的安全意识与技能；改善预防事故的管理措施交通系统管理交通管理措施；交通管理措施交通管理措施交通污染◼改善运载工具与设施；◼合理组织交通流交通管理措施交通不便◼改善设施；◼提供信息