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Transportation Research Procedia
Volume 15, 2016, Pages 14–25
ISEHP 2016. International Symposium on Enhancing Highway
Performance
中国高速公路的发展与实践能力研究
Ronggui Zhou, Liande Zhong ,Nale Zhao, Jing Fang, Hua Chai,
Jian Zhou, Wei Li, Bing Li
1 公路安全研究中心与高速公路研究所, MOT, China
rg.zhou@rioh.cn, zhongliande@126.com, nl.zhao@rioh.cn, j.fang@rioh.cn, h.chai@rioh.cn,
j.zhou@rioh.cn, riohliwei@126.com, b.li@rioh.cn
摘要
我国“九五规划”期间“高速公路通行能力研究”项目取得了显著的成果，得益于当前的《公路工程技术标准》和《公路线形设计规范》，它们是我国公路设计和施工中最重要的规范并且指导了几万公里公路的建设和运营。目前，我国的公路工业仍处于快速发展时期。到2014年底，公路网总里程超过4,400,000公里，其中高速公路里程达到112,000公里。自“九五规划”以来，高速公路系统的快速发展，我国的高速公路通行能力研究仍在进行中
本文简要介绍了我国高速公路通行能力研究和应用的研究历史、进展和今后的工作。论文中还提出了我国高速公路通行能力研究的四个主要阶段。第1阶段(1990年以前)称为开始阶段。第二阶段(1991 - 2000年 )是一个广泛的研究阶段，在国外先进的实践经验基础上进行了大规模的研究，例如美国。第三阶段(2001至2010年 )是一个侧重于重要设施的阶段。第四阶段( 2011年至今)是绩效阶段的调整和更新阶段。本文同时也介绍了各阶段代表性的研究项目和成果。
此外，本文还介绍了目前仍在起草的中国高速公路通行能力手册(CHCM)的现状。不仅介绍了该手册的结构以及新增内容，如工作区容量分
析，还介绍了CHCM基本高速路段的研究成果，包括高速公路的新的速度-交通量关系、服务指标和分类水平、车辆分类和等效系数以及容量分析程序和方法。
最后，本文介绍了我国未来高速公路通行能力研究方向的展望，如在节假日等自由通道下的交通特性和容量的动态变化等。
关键词：公路容量、速度/流量关系、服务水平(LOS)
1 我国公路运输的发展
近年来，我国在公路建设方面取得了显著的成绩，大大促进了道路交通的发展。到2014年底，我国高速公路总里程已达到4,460,000公里,免费高速公路里程为112,000公里，如图1所示。以免费的高速公路为框架，以其他高速公路为主体的高速公路网已经形成。在《国家公路网规划(2013-2030 )》的蓝图中，公路网总规模为580万公里，其中国家高速公路里程为118,000公里，主要由北京的7条辐射线、11条南北分界线、18条东西分界线组成，如区域环路、临街线、连接道路等。除了快速发展的公路网，我国目前的机动车保有量达到2.5亿辆，机动车驾驶员人数达到2.5亿人，如图2所示。因此，中国正在经历快速发展阶段。随着我国公路建设和机动化的发展，公路通行能力的研究和实践需要不断发展和提高。
图 1: 高速公路和免费高速公路的里程数(包括2006年以来的农村公路数据)
图 2: 机动车辆和司机人数
2 通行能力研究的历史性联系
本节简要介绍运输部、大学里的交通学院和一些省设计研究所进行的高速公路通行能力研究进展情况。与美国等发达国家相比，我国的高速公路通行能力研究起步较晚，直接原因在于高等级公路和机动化的建设较晚。我国的公路通行能力研究一般分为4个阶段，分别在以下几个阶段进行介绍。
2.1 90年代前的研究
高速公路通行能力研究的第一阶段是1990年以前。当时,中国没有高速公路。因此,我国的高速公路通行能力研究是通过对国外的高速公路通行能力,特别是美国的高速公路通行能力研究进行的，例如研究美国高速公路通行能力手册(HCM)等。研究的基本方法是利用实测数据推导出适合我国的能力和服务水平的分析方法。然而,这些研究较少，零散，不能形成公路通行能力分析的核心理论和框架，研究主要集中在两个公路的混合交通问题上(Zhang et al. 1987)，交叉口和交通流理论(He, 1986)等。典型的研究如下:
( 1 )“典型信号控制交叉口通行能力分析”，由北京工业大学1982年主办。
( 2 )东南大学主办的“利用缝隙接纳理论进行回旋容量分析”。
( 3 )长安大学主办的“小回旋容量分析”。
( 4 )交通运输部公路研究所主办的混合交通双车道公路路段设计能力分析，并得到5个省市的支持。该项目为通行能力分析提供了一种合理、实用的分析研究方法，但通用性差。
2.2 90年代的研究
从1991年到2000年,我国的高速公路通行能力研究进入了广泛的研究阶段。在这一时期,随着我国高速公路建设的快速发展,公路建设对公路通行能力和交通流理论的要求越来越高。本阶段的主要工作包括对美国HCM的系统研究和对每个现有公路设施的能力研究,对中国能力分析方法体系的形成有重要贡献(Cai, 1992; Chen, 1997; Zhou et al, 1998)。典型的研究如下:
( 1 )1991年，由北京工业大学主办了“美国HCM 的翻译”, 。
( 2 )“不同等级公路普遍的日常服务量和车辆换算系数标准”的研究是由交通部公路研究所在1994年主办的。本研究成果已被作为相关的公路技术标准,并作为公路划分的基础。
( 3 )“中原腹地的道路通行能力”的研究是由世界银行赞助并于1995年 (Feng, 1994)应用到河北和河南两省。
( 4 )1996年，由交通部公路研究所主办的“高速公路通行能力研究”,是“九·五规划”期间国家重点科技攻关项目。
在这一阶段,最全面、最系统的工程是“高速公路通行能力研究”。该项目历时五年,取得了如下丰硕成果:
a.开发了交通流量自动测试系统和数据统计分析软件;
b.建立了中国典型地区高速公路路段的速度统计分析模型;
c.首次系统性构建了高速公路和双车道公路交通仿真模型,很好地描述了中国的交通特征,并开发了相关软件;
d.提供了适合中国国情的公路通行能力分析方法。
这些成果有力地支持了《公路工程技术标准》等几项关键的国家标准。本项目的成绩大体上达到了国际先进水平,荣获国家科技进步二等奖。
2.3 新世纪前十年的研究
2001～2010年间，高速公路通行能力研究进入了强化阶段。在这一阶段，中国政府和相关部门已经赞助了大量的项目以加强高速公路通行能力的研究。例如，在这个阶段进行的“山区双车道高速公路通行能力”的研究，就是为了提高在九·五规划期间对“平原区双车道高速公路通行能力”的研究成果。此外，通行能力研究的重点逐渐从公路系统转移到城市道路系统，特别是对城市快速路系统的研究。一般来说，高速公路和城市道路的典型项目如下：
（1）“九·五规划”期间由“RIOH”在2002年主办的“高速公路系统通行能力的研究”是国家重点科技攻关项目。这个项目得到了以下重要成果：a）为高速公路系统建立了速度流统计分析模型；b）第一次在中国提出了适合中国的国情的高速公路通行能力的理论分析系统，其理想的通行能力价值是在高速公路每一个基本部分，例如每个交织、合并和发散段进行测定的；c）交织段进行划分和其通行能力的估算方法是以可接受间隙理论和优化理论为基础而建立的；d）建立了高速公路系统交通仿真模型，并出版了《高速公路通行能力分析指南》。所有的这些成就都有力地支持了多种工业标准如《城市快速路设计规范》（CJ129-2009）和《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)。
（2）2003年，由哈尔滨工业大学主办并由国家自然科学基金资助的“交通流理论及其在城市快速路系统中的应用”。
（3）2003年，由RIOH主办并由交通运输部赞助的“山区双车道高速公路通行能力研究”。
（4）2006年，由北京工业大学主办并由国家科学技术支撑计划资助的“城市道路通行能力与交通系统评价方法研究”。
（5）的“公路施工区通行能力研究”。
（6）2007年，由北京工业大学主办“美国HCM 2000”的翻译工作。
（7）2008年，由RIOH主办的“城市快速路互通立交通行能力的研究”。
所有在这一阶段取得的成绩都支持着最新版本的中国公路和城市道路的标准和规范，如《公路工程技术标准》、《公路路线设计规范》、《城市快速路设计规范》和《城市道路工程设计规范》。此外，这些成果对交通工程学科的发展和实践基础奠定了非常重要的理论，并有助于提升几个研究机构和高校的研究水平，如RIOH、北京工业大学、东南大学、同济大学等。
2.4 2010年至今的研究
从2011年至今,通行能力的研究进入了一个新的推广阶段。在此阶段,通行能力分析的实际应用和相关影响系数的修正越来越受到重视。目前,路网通行能力和交通效率的提高是两个研究热点。典型的研究项目如下:
( 1 ) 2010年，“灾害性天气路网交通影响评估”。
( 2 ) 2011年，关于路网移动性分类研究的“路网监测和服务的技术要求”。
( 3 ) 2012年，“基于优化道路网络交通状况的施工和维护运营计划rsquo;。
( 4 )2012年，由RIOH主办的《中国公路通行能力手册。
下一节将有更多的介绍。
3 目前的实践：中国公路通行能力手册（CHCM）
直到现在，中国没有HCM官方版本，虽然几个公路通行能力分析方法得到较好的改善，并参与相关标准指导施工了数万公里的公路（中华人民共和国，2006，行业标准2014项）。从2012年RIOH开始发展CHCM（MOT，2015公路局）。目前，这项工作已基本完成，并预计将在2016正式出版CHCM。CHCM发展的总原则是“立足现状,突出重点,注重实效”。发展方法如下: a )总结现有研究成果;( b )学习其他国家的HCM ,例如美国和德国 ;( c )对收费站、环形交叉口以及其他设施进行专项调查和研究。
3.1 CHCM的结构
CHCM共分为13章，分别如下：
序号 章节
- 总体原则
- 术语和符号
- 交通特性
- 高速公路基本路段
- 交织路段
- 和分流路段
- 高速公路作业区
- 一级公路 （多通道）
- 二三级公路（双车道）
- 无信号交叉口
- 迂回路段
- 信号交叉口
- 收费站
表1: CHCM的结构
如表1所示,CHCM具有以下特性:
( 1 )涉及高速公路的5章:高速公路基本路段(第4章)、交织路段(第5章)、和分流路段(第6章)、高速公路作业区(第7章)和收费站(第13章)。
( 2 )第五章将交织路段分为两种类型:单面交织路段和双面交织路段,并给出了相应的计算公式。
( 3 )第6章,合分流路段的计算过程和方法与美国HCM 2000中的计算方法相似。
( 4 )针对高速公路养护和重建作业区的现状,提出高速公路作业区的能力分析方法作为CHCM的一个单独章节。本章中,工作区域的基本通行能力为1600pcu/h,而当两道车道的通行能力为1950pcu/h时,除了基本通行能力外,还给出了实际通行能力的折减系数,如车道宽度、横向净空、速度限制、施工工作强度和光照条件等。
( 5 )在CHCM中提供了一种新的环形交叉口通行能力估计方法。该方法通过环形交叉口各入口车道的通行能力来估算环形交叉口的通行能力,受入口车道几何设计的影响和车辆进入环形交叉口后交织交通流量的影响。针对每种类型的影响,建立了通行能力估计模型,估计进入车道的容量值。进入车道的最终容量值采用这两种模型估计的最小容量值。
( 6 )在收费站通行能力分析中,CHCM不仅提供一般收费车道的通行能力估计方法,还增加了对计重收费车道和ETC车道通行能力和服务水平的分析与评价。
3.2 主要章节介绍：以高速公路基本路段为例
以高速公路基本路段为例，本节重点介绍CHCM的以下内容：速度-流量关系，服务水平（LOS），车辆分类和转换因子，基础基本路段通行能力分析方法。
3.2.1. 速度-流量关系
作为交通通行能力研究的最重要理论,速度-流量关系是确定基本交通通行能力和服务水平价值的关键基础。此外,它也是道路环境、车辆特性和驾驶行为的综合反映。
1990年 ,根据当时的交通状况并基于观测数据的典型的速度-流量关系被“九·五规划”国家重点科技攻关项目的“公路通行能力研究”得出。如图3所示。当时,我国高速公路总量不超过10条,处于不饱和状态。此外,这些高速公路的交通组成非常复杂。因此,可以在图3中观察到:( 1 )自由流速度非常低;( 2 )在相同流量下,有较宽的速度分布;( 3 )基本容量小,容量极低,为40。
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