付 強，李 曄，楊曉芳，石心怡

（1.同濟大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092；2.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.上海理工大學(xué) 交通系統(tǒng)工程系，上海 200093）

近年來，在中國某些快速道路（包括高速公路、城市快速路以及城區(qū)與郊區(qū)交界的快速環(huán)線）路段，由于大量重型車輛的存在，常出現(xiàn)運行交通量并沒有達(dá)到設(shè)計通行能力而實際交通狀況卻擁擠不堪的現(xiàn)象，并迫使這些快速道路提前進(jìn)入改造期，大大影響快速道路社會經(jīng)濟效益正常發(fā)揮的同時，也對我國快速道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的科學(xué)規(guī)劃建設(shè)、高效運營管理造成很大沖擊.很多學(xué)者指出，重車的影響被嚴(yán)重低估是造成這一問題的根本原因.根據(jù)我國實際交通情況，制定合理的重車影響參數(shù)值，從而減少公路建設(shè)中的決策失誤，已經(jīng)迫在眉睫.實際上，重車對交通流的影響主要原因在于，重車加減速及保持速度的性能通常比小客車差，從而使得交通流內(nèi)跟車、換道行為與常規(guī)交通流不一致，而且這種影響是隨時空動態(tài)變化的.

為表征重車對交通流的影響，研究者提出車輛折算系數(shù)（passenger car equivalent，PCE）概念，從而將混合交通流轉(zhuǎn)化為單一交通流進(jìn)行研究.國際上對重型車輛的影響的研究，以美國通行能力手冊（Highway Capacity Manual，HCM）為代表［1］，其基本思路為通過車輛折算系數(shù)將重型車輛折算為標(biāo)準(zhǔn)車輛進(jìn)行研究.而確定車輛折算系數(shù)時，首先通過調(diào)查得到典型車輛在不同坡度、坡長下的行駛性能曲線，然后在對應(yīng)實際的坡度、坡長時通過組合坡段求解換算成等效坡度和坡長后再確定車輛折算系數(shù).

車輛折算系數(shù)概念提出后，很多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究，研究的焦點和不同之處在于等效標(biāo)準(zhǔn)、采用方法、影響因素和影響規(guī)律.近年來，PCE的研究應(yīng)該面向服務(wù)水平已經(jīng)成為研究者的共識［2］，但由于服務(wù)水平的指標(biāo)是多方面的，且這些不同指標(biāo)之間并不能完全對等，因此，車輛折算系數(shù)的研究也存在多種，如基于密度［3－4］、延誤［2］、出行時間［5］、車頭時距［6］等.

我國的相關(guān)研究起步較晚，較有代表性的研究為20世紀(jì)80年代由交通部公路科學(xué)研究所主持、南方八省市參加的“混合交通雙車道公路設(shè)計通行能力研究”，其采用方法為基于實際觀測數(shù)據(jù)的多元回歸分析方法.而在設(shè)計階段所采用的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》則簡單將車輛類型分為5類，每類車型對應(yīng)一固定不變的車輛折算系數(shù)［7］.這無法反映實際重車的影響，特別是在復(fù)雜地形條件下.而國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究仍集中于等效標(biāo)準(zhǔn)的選取上［2，6］，對我國重車的實際行駛性能不足的影響重視不夠.相關(guān)研究的滯后，使得在道路設(shè)計階段，設(shè)計人員不得不直接參考通行能力手冊中的數(shù)值，由此帶來相當(dāng)大的設(shè)計誤差和投資浪費.因此，亟需根據(jù)我國的實際交通組成和地形條件，確立適合我國的通行能力和車輛折算系數(shù)體系.而其中一項重要且必須的工作，則是確定我國典型貨車的行駛性能曲線.

基于以上考慮，本文調(diào)查并得到我國典型重型車輛在不同地形和裝載條件下的實際速度變化情況，并與HCM中典型車輛的比功率曲線進(jìn)行對比，進(jìn)而得出中國重型車輛運行特性與HCM中研究的異同.

1 調(diào)查安排

1.1 調(diào)查地點選擇

為取得當(dāng)前中國高速公路上重型車輛的實際運行參數(shù)，選取廣韶高速公路進(jìn)行實地調(diào)查.廣韶高速公路是廣東與湖南等省市間的重要貨運通道，沿線地形條件復(fù)雜，上下坡坡度長，彎道多，重車比例高，對研究貨運車輛對高速公路通行能力與交通安全的影響具有較強的代表性.

為得到不同車輛類型和不同的裝載情況下重車運行的實際參數(shù)，在選擇調(diào)查路段時，要求在調(diào)查路段內(nèi)有較多的上下坡段.選定廣韶高速公路K251到K294標(biāo)段，即湯塘到太和收費站之間的40km作為調(diào)查路段，坡度等基本指標(biāo)見表1.

表1 調(diào)查路段坡段參數(shù)Tab.1 Gradients of survey sections

從表1可以看出，調(diào)查路段內(nèi)上下坡多.在總計40km的調(diào)查路段內(nèi)，坡度超過3%的坡長達(dá)到8.40 km，坡度超過2%的有13.80km，坡度在1%以內(nèi)的只有18.94km.

1.2 調(diào)查方法

對交通數(shù)據(jù)的大規(guī)模采集國內(nèi)外很多高校和研究部門都已做過，數(shù)據(jù)采集方法主要有2種：斷面觀測法和路段觀測法.這2種方法可以得到一些靜態(tài)的交通數(shù)據(jù)如點速度、車型、車頭時距、占有率等，但是無法知道同一車輛在不同點的速度變化和運動軌跡.而車載全球定位技術(shù)（globe position system，GPS）卻正可以彌補普通觀測方法的不足，通過GPS定位和進(jìn)一步的分析可以獲知典型車輛在不同地形條件下的位置坐標(biāo)，從而可以得到其運行參數(shù).

本文所采用的具體方法是，在收費站由路政人員協(xié)助2名調(diào)查者進(jìn)入選中的典型重車，通過問卷調(diào)查并結(jié)合稱重信息得到車輛的相關(guān)技術(shù)信息，如車輛型號、使用時間、裝載情況等，同時用GPS記錄車輛的位置、時間等信息.

1.3 儀器

調(diào)查采用的儀器為多功能差分GPS接收機，用于接收并處理GPS和信標(biāo)信號，并通過與之相連接的筆記本電腦將接收數(shù)據(jù)與實際道路參數(shù)進(jìn)行對比.GPS接收機的差分定位誤差小于1m（95%置信度），速度誤差小于0.05m·s－1.

2 調(diào)查結(jié)果分析

2.1 車輛參數(shù)確定

由于時間和其他方面的限制，且主要目的在于分析典型重車行駛性能隨地形的變化規(guī)律，而非獲得完整準(zhǔn)確的我國代表車型行駛性能曲線，所以調(diào)查選取了9輛有代表性的車輛進(jìn)行研究.通過車輛的型號可以查知車輛參數(shù)，如表2所示.

在表2中，滿載質(zhì)量包括整備質(zhì)量和裝載質(zhì)量，而超載率定義為實際滿載質(zhì)量和額定滿載質(zhì)量的比值，因此與通常所指的超載會有所不同.以解放CA5107XP11K2L11為例，其整備質(zhì)量為9 600kg，額定裝載質(zhì)量為9 000kg，而實際裝載質(zhì)量為15 000 kg，為額定裝載的1.67倍.之所以定義超載率為滿載質(zhì)量的比值而不是裝載質(zhì)量的比值，是因為影響車輛運行的是其功率與滿載質(zhì)量的比值，即比功率.折算比功率即為車輛額定功率與實際滿載質(zhì)量的比值.

表2 跟駛車輛基本參數(shù)Tab.2 Basic attribute of following vehicles

2.2 不同車輛運行狀況對比

為了將不同車輛的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并方便進(jìn)一步分析，需要將X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實際樁號，從而將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo).采用的方法是最高點定位的方法，即通過將實際坐標(biāo)與調(diào)查坐標(biāo)中的最高標(biāo)高點的樁號設(shè)為相同，然后通過調(diào)查所得的X和Y坐標(biāo)得到不同步長的行駛距離，由最高點的樁號和行駛距離向兩側(cè)反推，得到其他點的樁號，從而得到不同車輛行駛速度的變化情況，如圖1.

從圖1可以看出，車輛速度隨地形變化明顯，速度與標(biāo)高呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，但車輛的運行速度除受地形因素影響外，同時還受到其他車輛即交通條件的影響.在上坡處，其他低速車輛形成的移動瓶頸使得跟隨車輛被迫降速跟駛，從而速度迅速下降.由于調(diào)查車輛多數(shù)為超載貨車，自身速度已經(jīng)很小，且在調(diào)查時日交通流流量不大（每車道低于500輛），可以認(rèn)為其他重車的運行只受道路條件的影響.同時，為了排除掉交通條件的影響，對每輛車的運行進(jìn)行了一致性分析，即在同等道路地形條件下，速度減小幅度是否一致，若不一致，則認(rèn)為其中較大的速度為重車只受道路地形影響下的車速，而較小的車速則除受道路地形影響外，也受周圍車輛影響.

2.3 車輛速度波動分析

不同重車正常行駛速度、最低速度和速度均值如表3所示.其中正常行駛速度取其在坡度很小（小于1%）的路段行駛時的速度，最小速度為其在上坡路段的最小速度，同時在相同地形條件下，若速度減小幅度不同，則取速度較大的一個，因為速度較小的可能是受到其他車輛的影響.

從表3中可以看出，大部分貨車的正常行駛速度都很小，約為70km·h－1，而折算比功率越小，最小速度則越小，即受地形影響越明顯.更有重型貨車在上坡路段速度下降到20km·h－1以下.

從速度波動情況來看，呈現(xiàn)另外一個有意義的現(xiàn)象，即實際比功率小的重車（稱之為重車1）速度波動最大，這是因為其受地形影響明顯.部分比功率較大且未超載的重車速度波動卻很小（重車2）.這是因為，在高速公路上，由于其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較高，車輛速度主要受2個方面的影響，即地形和交通流內(nèi)部車輛間的相互影響.重車1的車速受地形影響最大，因此由于調(diào)查路段坡段多，其速度波動很大，但是由于重車1已經(jīng)是最慢的車輛，因此其基本不受交通流內(nèi)部車輛間的影響；而重車2相對重車1來說，受地形的影響較小，同時，由于流量不大［8］，因此其超越重車1的機會也較大，車速受交通流內(nèi)部影響不大.

圖1 不同車輛速度隨地形變化Fig.1 Change plot of speed against topography

3 典型上坡路段車輛行駛性能曲線

重車的行駛性能通常受到幾個因素的影響：車輛比功率、坡度、坡長，而在我國，由于超載現(xiàn)象較為嚴(yán)重，車輛行駛性能還會受到其裝載狀況的影響.選取相同或相近坡段對運行情況進(jìn)行對比.考慮到調(diào)查車輛行駛方向不同，因此分別選取了南行（k251-k294方向）和北行的相近坡段，以便于行駛方向不同的車輛之間進(jìn)行對比，選取坡段情況如表4所示.

表3 不同車輛的比功率和速度Tab.3 Specific power and speed of different vehicles

表4 不同坡段地形參數(shù)Tab.4 Topographic parameters of gradients

3.1 不同比功率車輛行駛性能分析

在當(dāng)前中國的超載超限治理中，新的收費政策鼓勵了重型貨運車輛的發(fā)展，即按照新的收費政策，比功率更大的重型貨運車輛相對費率較低.同時，對道路管理部門來說，通過新的收費政策限制了超載，也減少了車輛對道路路面的損壞.但是，重型車輛車型的變化對交通流運行的影響卻很少得到足夠的重視.另一方面，建立我國的車輛折算系數(shù)體系也需選取最典型的車輛，并分析其車輛行駛曲線.基于此分析不同比功率的車輛在不同坡度下的行駛性能曲線，從而為下一步更深入的機理和對策分析提供支持.

選取了比功率分別為8.18kW·kg－1和5.55 kW·kg－1的貨車來進(jìn)行對比，在不同坡度下其行駛性能曲線如圖2所示.在不同的坡度下，隨著坡長的增加，比功率小的車輛速度下降更快，且坡度越大，坡長越長，不同車輛之間比功率的差距會更明顯地反映為速度差距.而根據(jù)相關(guān)研究，重車速度越小，對交通流產(chǎn)生的影響越大［8］.因此從交通流運行角度出發(fā)，當(dāng)前的一些超載超限治理對策值得商榷.

3.2 裝載對車輛性能的影響

為分析超載車輛對交通流運行效率的影響，對不同裝載狀況車輛的行駛曲線進(jìn)行對比分析.在調(diào)查 車 輛 中，解 放 CA1112P1K2L6A84、乘 龍LZ5170XXYMD23P和乘龍LZ4242MD49的比功率分別為9.26，8.18和10.95kW·kg－1，比功率較為接近，而其裝載情況分別為空載、實載和嚴(yán)重超載.坡度分別為2%和3%時不同車輛的行駛性能曲線如圖3所示.從圖3可以看出，裝載情況的不同對貨運車輛爬坡性能影響很大，空載的貨車受地形影響很小，即使在坡度較大后，速度降低也不大，嚴(yán)重超載的貨車受地形影響大于實載的貨車，當(dāng)坡度增大后，隨著坡長的增加，這一規(guī)律更加明顯.

3.3 國內(nèi)外車輛行駛性能曲線對比

在HCM2000中列出了最新的車輛比功率曲線，其比功率為8.1kW·kg－1，在調(diào)查中，也選取了比功率接近的車輛，將其在不同坡度下的行駛性能曲線與HCM2000中對比，如圖4所示.從圖4中可以看出，相同比功率的車輛，在同樣坡度下，國內(nèi)車輛速度下降幅度大于美國車輛，超載車輛下降幅度更大；隨著坡度的增加，這一規(guī)律更加明顯.

在坡度為2%時，中國實載重車的速度比HCM中的重車小10km·h－1，而超載重車的速度則小30 km·h－1；在坡度為3%時，當(dāng)坡長達(dá)到1 000m時，中國實載重車速度比HCM中的重車小11km·h－1，超載重車的速度小36km·h－1.國內(nèi)車輛性能方面的不足以及超載運輸導(dǎo)致在高速公路上的特殊路段重車速度嚴(yán)重下降，道路服務(wù)水平下降.

4 結(jié)論

通過基于GPS的重車行駛性能調(diào)查發(fā)現(xiàn)超載車輛行駛性能嚴(yán)重下降，因此，在研究國內(nèi)高速公路交通流的時候超載車輛的影響必須引起足夠的重視.同時，比功率越大的車輛，其行駛性能越差，在制定超載政策時，不僅需從路面破壞角度出發(fā)，也應(yīng)從保障高速公路的高效運營角度出發(fā)，因此，鼓勵比功率大的車輛從而治理超載值得商榷.國內(nèi)同樣比功率的重車，其行駛性能遠(yuǎn)低于美國通行能力手冊中的重車性能，因此，直接參考通行能力手冊中的車輛折算系數(shù)會帶來重車影響的嚴(yán)重低估，應(yīng)在大規(guī)模調(diào)查的基礎(chǔ)上建立我國自己的典型車輛比功率曲線和車輛折算系數(shù)體系，為高速公路的合理規(guī)劃、高效運營提供支持.

圖2 不同比功率車輛行駛性能曲線Fig.2 Driving performance curves of vehicles of different specific power on different gradients

圖3 不同裝載車輛行駛性能曲線Fig.3 Driving performance curves of vehicles under different loads

圖4 國內(nèi)外典型車輛行駛性能曲線Fig.4 Driving performance curves of typical vehicles

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