寒地城市冬季道路延误函数的确定方法研究

[1-7]。[1-7]。 [8]。 [9]。 寒地城市冬季道路延误函数的确定方法研究 【摘要】冬季道路交通系统运行状况受交通供需、严寒天气、降雪等多方面的影响，与夏季 交通运行状况有很大差异。低温条件下车速度明显降低，道路通行能力下降，因此冬季道路 交通延误函数的计算与夏季有较大差异。本文在BPR函数模型的基础上通过调查数据对BPR 函数进行修正，提出冬季道路延误函数的计算方法，为寒地城市冬季道路交通需求预测模型 的构建提供借鉴。 【关键词】寒地城市；交通调查；BPR函数 1 概述 近年来，随着国民经济的高速发展和城市人口、机动车保有量的迅速增长，我国许多大 城市的交通问题日益突出。在我国北方，寒地城市的气候特点决定了其交通在冬季和夏季具 有不同的特点。寒地城市概念是年1986加拿大埃德蒙顿国际寒地城市论坛上提出的，一般 而言寒地城市是指位于高于纬度45度、冬季较长且寒冷、一月份平均气温低于0℃（32 ℉）、降雪频繁的城市区域。冬季道路交通系统运行状况受交通供需、严寒天气、降雪等多 方面的影响，与夏季交通运行状况有很大差异。人、车、路等交通三要素及其相互关系是交 通模型的构建的基础，低温条件下车速度明显降低，道路通行能力下降，因此冬季道路交通 延误函数的计算与夏季比会有较大差异。要想客观全面分析寒地城市冬季交通状况，就需要 针对冬季的交通运行状况开展调查，研究寒地城市冬季道路延误函数的计算方法，为合理构 建冬季道路交通需求预测模型创造条件。 2 国内外研究现状 国内对寒地交通规划方面研究起步较晚，只针对冰雪天气下的交通流特性与通行能力有 所研究，但仍然处于起步状态，主要侧重于环境对于道路交通安全的影响分析及提出相应的 改善措施上 罗丽君等人从汽车行驶理论的角度，对冰雪道路条件下车辆发生追尾交通事故的可能性 进行了分析，并计算出保证行车安全的最小行车距离，以此保证冰雪道路车辆行驶的安全 任园园探讨了雪天冰雪路面对于城市道路宏观及微观交通流的影响规律，包括路段车辆 到达规律、通行能力、速度以及交通流三参数之间关系在冰雪天气下的变化特性及规律，冰 雪天气对于路段交通流速度及通行能力影响的回归模型，交叉口车辆运行特性，雪天对于交 叉口机动车饱和流率、起动损失时间和运行速度的影响，以及行人过街步速度变化规律等 蒋贤才和裴玉龙对比分析了国内外寒冷地区冰雪天气条件下的道路交通安全特征，得出 了三类有效降低冰雪天气对道路交通安全影响的管理措施（信息提供、交通控制、冰雪处理） [10,11]。冷军强、张亚平和冯雨芹针对冰雪条件下路网交通行程时间可靠可性进行了研究[12,13]。 1 3 冬季低温条件对交通特性的影响 3.1 冬季低温条件对车辆运行速度的影响 低温条件对交通流特性最直观的影响是使速度明显降低。通过实地调查数据分析正常天 气和低温条件下不同道路类型的车辆速度大小及变化规律，从而定量分析低温条件对路段速 度的影响，为标定阻抗函数做准备。 本文针对不同类型的城市道路路段的行车速度分别在正常天气和低温条件下进行了调 查，由于本文目的是研究低温条件对行车速度的影响，调查选取平峰时段进行。对调查数据 进行统计分析，结果如表3-1至3-6所示。 表3-1低温条件下快速路路段车速（km/h）不同条件西三环中源大道康安路公滨路文昌街化工路正常70.065.664.660.365.066.3低温干燥路面58.9(-15.8)61(-7.0)52.1(-19.3)52.9(-12.3)55.4(-14.8)52.1(-21.4)点状薄冰路面50.2(-28.3)49.1(-25.1)44.4(-31.3)41.8(-30.7)45.3(-30.3)40.2(-39.4) 注：表中括号内数据字为速度较正常天气下降百分比。 表3-2低温条件下主干路路段车速（km/h）不同条件机场路新阳路长江路和平路中山路西大直街正常55.142.248.644.335.242.0低温干燥路面51.3(-6.9)38.4(-9.0)43.1(-11.3)34.6(-21.9)34.4(-2.3)37.4(-10.9)点状薄冰路面48.5(-12.0)30.8(-27.0)37.6(-22.6)29.8(-32.7)30.4(-13.6)32.8(-21.9)薄雪泥35.2(-36.1)25.6(-39.3)27.2(-44.0)26.5(-40.2)26.4(-25.0)25.3(-39.8) 表3-3低温条件下次干路路段车速（km/h）不同条件地段街菜艺街南七道街宏图街横道街健康路正常39.134.630.235.931.232.8低温干燥路面35.2(-10.0)29.6(-14.4)27.1(-10.3)32.1(-10.628.5(-8.730.2(-7.9点状薄冰路面30.6(-21.7)27.4(-20.8)25.9(-14.2)29.8(-17.0)25.6(-18.0)27.1(-17.4)薄雪泥24.1(-38.4)22.5(-35.0)19.6(-48.3)24.5(-35.1)19.7(-36.9)20.3(-38.1) 表3-5低温条件下坡路路段车速（km/h）不同条件安发街大成街南极街文昌街公滨路海关街正常54.357.855.260.350.232.5低温干燥路面45.8(-15.7)43.4(-24.9)41.6(-24.6)45.1(-25.2)42.8(-14.7)30.5(-6.2)点状薄冰路面37.2(-31.5)35.4(-38.8)31.5(-42.9)38.7(-35.8)37.5(-25.3)25.6(-21.2)薄雪泥24.1(-55.6)22.3(-61.4)19.5(-64.7)22.4(-62.9)25.5(-49.2)20.3(-37.5) 表3-4低温条件下支路路段车速（km/h）不同条件十道街东八道街南平街巴山街四史街松新街正常30.128.230.229.331.628.7低温干燥路面27.2(-9.6)26.4(-6.4)27.3(-9.6)26.1(-10.928.4(-10.1)27.2(-5.2)点状薄冰路面24.6(-18.3)25.7(-8.9)21.8(-27.8)25.9(-11.6)25.6(-19.0)5.1(-12.5)薄雪泥19.1(-36.5)18.5(-34.4)18.6(-38.4)22.5(-23.2)19.6(-38.0)8.3(-36.2)光滑的压实雪10.1(-66.4)9.5(-66.3)13.6(-55.0)11.8(-59.7)9.7(-69.3)11.3(-60.6)积雪14.5(-51.8)13.5(-52.1)15.7(-48.0)17.5(-40.3)17.7(-44.0)7.3(-39.7) 2 值。表 3-8 至 3-11 列出了不同路面条件下道路计算行车 可能 基本 可能可能可能N可能N 表3-6低温条件下各等级道路路段车速（km/h）取值不同条件快速路主干路次干路支路坡路低温干燥路面5540362741点状薄冰路面4535282534薄雪泥－28201922光滑的压实雪－－－11－积雪－－－16－平均值5034.32819.632.3 3.2 冬季低温条件对道路通行能力的影响 可能通行能力是指在实际道路、交通条件下，车道单位时间内可能通过的最大车辆数。 通常是根据实际道路、交通条件如平面交叉口、道路纵坡、非机动车和行人对机动车行驶的 干扰、道路行车视距等，用折减系数的办法对基本通行能力进行修正，然后得到车行道的可 能通行能力。 N =N 式中— 为修正系数 在计算行车速度和汽车轮胎有路面的摩阻系数已知的前提下，就可以计算出对应不同计 算行车速度和不同冰雪路面的 N 速度 N 计算值。 表3-7不同路面条件下对应的摩擦系数取值范围路面条件摩擦系数范围路面条件摩擦系数范围低温干燥路面0.60-0.65非常光滑的压实雪0.10-0.20点状薄冰路面0.40-0.45积雪、轻度压实雪0.25-0.35薄雪泥路面0.35-0.40 表3-8计算车速60km/h条件下 计算值低温干燥路面点状薄冰路面薄雪泥0.6250.4250.625l038.043.338.0N可能157913861579 表3-9计算车速50km/h条件下 计算值低温干燥路面点状薄冰路面薄雪泥0.6250.4250.375l031.835.537.0N可能157214081351 3可能N可能N(4-2)ax 可能N可能N(4-2)ax fCOST ) ——路段a的行程时间； ； ij 、 两项指标的计算。 C) LV fV ) f() i j ij ij n t 1 ij ： ij i j ——从 区到 区交叉口平均延误时间 ——广义出行费用延误 ( ) 0 fV ) fI ) ij afV a a a 表3-10计算车速40km/h条件下 计算值低温干燥路面点状薄冰路面薄雪泥0.6250.4250.375l026.128.529.5N可能153214031356 表3-11计算车速30km/h条件下 计算值低温干燥路面点状薄冰路面薄雪泥0.6250.4250.375l021.122.523.0N可能142113331304 4 寒地城市冬季道路延误函数的确定方法 交通阻抗是指交通网络上路段或路径之间的运行距离、时间、费用、舒适度，或这些因 素的综合。对于城市道路网，一般用出行时间定义道路延误函数。 道路延误函数定义为与距离相关的广义费用函数，包括车辆路段行驶出行时间、交叉口 延误时间、出行收费延误等。延误函数的表达式为 fR ) 式中 f()——从 区到 区车辆路段平均行程时间 f() fCOST ) 因此假定 fCOST ，则道路延误函数需要计算 道路延误函数=车辆路段平均行程出行时间＋交叉口平均延误时间＋出行收费延误。 4.1 延误函数中车辆路段平均行程时间的计算方法 在交通流宏观三参数的相互关系研究中，美国联邦公路局（BureauofPublicRoads，简 称 BPR）的路段行程时间模型，最具有代表意义。在路网行程时间研究中大多都以此模型 确定路段的行程时间，因此在交通分布模型路段的行程时间采用该 BPR 函数，其数学表达 式为： fV ) a 式中 t ——路段a上自由流时的行程时间， x ——路段a的交通流量； 4 n 1 n 1 C var (4-5)22 n a c agdC x (4-4) n a a 1 C22 x gdC ——路段a的通行能力； ij ) g()[1 ( )] (4-3) ——路段a在冬季影响下的平均行程时间； ≥1；(3) gc (d ) 为 txg (dE tg() var a .15 n 4 fV ) ij ij ——冬季低温条件对自由行程时间影响的修正函数； ——冬季低温不同道路条件对通行能力影响的修正函数； gt(d)均为与低温持续时间有关的函数，应满足如下条件：(1)当 gt (d ) 按实际调查数 n ij c ij a C ， n ——参数，在国外公路网应用中，其推荐值为 ， ； L——路段长度，单位km ； V——与道路等级相对应的车速，单位为 kmh 。 根据上述对冰雪条件下交叉口车辆运行规律的分析可知，冬季冰雪条件下交叉口平均车 辆延误会明显增加，因此冬季交通分布模型构建时，需要对延误函数中 用冬季条件下 值进行计算。 冬季在低温条件下，车辆交通特性与夏季相比有明显差异，冬季车辆制动距离增大、车 速下降从而导致自由行程时间增加，道路通行能力下降。因此，冬季路段车辆的行程时间在 BPR 函数的基础上，分别引入冬季低温下自由行程时间及路段通行能力的修正函数，构建 了低温条件下的BPR函数，具体形式如下： fV a 式中 d ——冬季低温影响因子； fV ) gt (d ) gc (d) 由实际经验知，低温持续时间越长，路段平均行程时间越长，平均通行能力越小。 、 gc (d) tg ) 1， cg ) 1时，代表 天气状况良好，气温低于0度的天数为0；(2) 为单调增函数，且 gt (d ) 单调减函数，且 0 gc (d ) ≤1。在实际问题研究中，必须对函数 gt (d ) 、 gc (d) 据进行标定，求出实际的影响函数。 受低温降雪的影响路段实际行程时间是随机变化的，是服从某种概率分布的一个随机变 量，其数学期望及方差分别表示为： EfV )) tg() a n var(fV )) var