第二节
城市交通流特征

汽车在城市道路上连续行驶形成的车流，称为城市交通流。城市交通流在广义上还包括非机动车的车流和人流。城市交通流的特征取决于交通流要素和交通流系统特征。通过采用合理的技术指标，描述城市交通流的各种特征，可以提高交通设施的效益和服务水平，减少行驶延误，控制交通阻塞，因此，城市交通流的特征对于交通组织与管理具有非常重要的意义。

一、交通要素特征

关于交通流组成要素，有各种各样的叙述和见解。但多数人认为，组成交通流的四个基本要素包括驾驶者、车辆、道路和行人。

交通流中的首要问题就是车辆的驾驶者，具有不同的驾驶水平和感知能力，其中包括视觉、听觉、判断和应变能力。司机的这些感知能力，同时又受到道路、环境、自身状态和驾驶时间等各种因素的影响。因此，采取司机人群的平均感知能力和驾驶水平，只能保证50％的交通安全概率。

在交通流的分析中，最重要的人体反应过程是视觉过程和听觉过程。听觉过程差异比较小，听力阻碍者可以通过助听设备提高听力满足驾驶的要求。视觉过程对于驾驶者和行人都是非常重要的，各种交通信号灯、标志、标线等所有物体，都是通过视觉过程传递信息。

感知反应时间 t _pr 是交通道路设计中最重要的技术指标。研究表明，感知反应时间通常在1.26～3.0s之间，国内外在交通设计中采用2.5s作为感知反应时间。感知反应时间在视距计算中起着重要作用。

行人的特征在城市交通流中也起着重要作用，特别是在交通信号灯、安全岛、人行横道、人行道、人行天桥、人行地道的设计中是不缺少的技术数据。除了感知反应过程外，行人的步伐速度也是交通流分析中的重要指标。人的步行速度一般介于1.0～2.5m/s之间。在十字路口，男性的步行速度为1.5m/s，女性的步行速度为1.4m/s，老年人的步行速度为1.2m/s。

在城市交通流中，车辆的特征包括静力特性、运动特性和动力特性。动力特性是指导致车辆运动的各种动力因素，包括空气阻力、坡道阻力、摩擦阻力、曲线阻力、动力要求、刹车距离、制动力、转弯性能等。由于一般城市道路上行驶车辆包括各种类型的车辆，因此，在城市道路的设计中，需要仔细分析在路段上可能行驶的车辆的种类，并选定何种车辆作为设计的标准。

城市道路特征主要包括各种视距保证、超高、加宽、爬坡车道、专用转弯车道、平曲线、竖曲线等。视距中的停车视距和超车视距均应考虑驾驶人员的感知反应时间。

二、交通流的指标

流量和交通量是交通流中两个非常重要的概念。流量是指一定时间内（小于1h时，通常采用15min）通过的车辆数除以该段时间所得到的当量单位小时内汽车的通过数量，也称为小时流量或流量率，简称流量，单位为辆/小时（veh/h）。交通量是指单位时间（每天、每小时、每分钟）内通过道路上某一点（断面）的车辆数。

早期的交通流分析中并不区分流量和交通量。随着城市道路交通流研究的需要，近年来已将它们清楚地区分开来。流量主要用于描述交通量随时间的变化过程。小时流量和小时交通量的区别，可以通过表2-3中所列交通调查数据说明。高峰小时因子（PHF）经常用于描述流量与交通量的区别，即为交通量与流量之比。如表2-3中，交通量为4000veh/h，表示8点至9点实际通过的车辆数；而流量变化在该时间段内非常明显，其中8:15～8:30时间段内的流量为4400veh/h。则该时段的PHF=4000/4400=0.909。

密度是指在某一时刻单位路段长度内的平均车辆数，通常以辆/千米（veh/km）表示。在我国，以前对于密度并不受到重视，但近年来的交通流分析和交通组织管理中，经常用到密度这个指标，特别在服务水平的研究应用最多。

速度也是交通流的重要描述指标，瞬时速度、时域速度和路段均速经常用于描述交通流的各种特征。图2-1和式（2-4）均描述了速度、流量和密度三者之间的关系。

q = kV _s （2-4）

式中 q ——平均流量，veh/h；

k ——密度，veh/h；

V _s ——速度，km/h。

车头时距（ t _h ）是指连续两辆车通过道路上同一地点的时间间隔，以秒（s）计。车头间距（ d _h ）是指交通流中连续两辆车之间的距离，以米（m）计。在式（2-5）、式（2-6）和式（2-7）中，分别描述了车头时距与流量之间、车头间距与密度之间、车头时距与车头间距之间关系。

q =3600/ t _h （2-5）

k =1000/ d _h （2-6）

V _s = d _h / t _h （2-7）

三、连续流的特征

式（2-4）描述了交通连续流的本质关系。从图2-2中可以看出，在以下两种交通状态将导致流量为零：一种状态是交通流密度为零，因此，在观测点上看不到车辆通过，此时对应的速度是最大速度，或称自由流速度；另一种状态是交通流密度最大而达到交通阻塞时，此时所有车道上的车辆处于停车状态，因此在任何观测点也看不到任何车辆“通过”，此时对应的密度程度为阻塞密度。

速度流量曲线和密度流量曲线的顶点是最大流量发生点，对应的密度和速度分别称为关键密度和关键速度。在流量达到通行能力之前，交通流属于稳定流；当超过通行能力后，速度低于关键速度，交通流就成为非稳定流或强制流。此后对交通流的任何干扰都会引起一系列的连锁反应。

从图2-2中还可以看出，流量低于通行能力时也存在两种状态：即速度很高而密度很小状态和速度很低而密度很大状态，分别表示在图中的 A 点和 B 点。很显然， A 点的行驶质量远比 B 点好，这也说明流量或交通量不能用于衡量车辆的行驶质量，而应代之以速度和密度。同时，速度和密度是车辆驾驶员最能感受的交通状态，而流量指标仅描述对司机并不重要的某一断面的交通状态。

交通流研究人员通常可以从实际交通流观测数据中推测交通流的数学模型，图2-3、图2-4和图2-5分别列举了交通流的各种数学模型。

四、间断流的特征

交通间断流的最重要观察点就是信号灯控制交叉口。在这些交叉口处，车辆由于信号灯的周期性管制，而必须“红灯停、绿灯行”以规避主要冲突点。掌握信号灯控制交叉口的交通流特征，对于理解间断交通流的特征是非常重要的。图2-6中描述了在一信号灯控制十字交叉路口前的一队车辆的交通状况。

当信号灯变绿时，该队车辆相继进入交叉口。第一辆车的车头时距定义为绿灯亮至该车进入停止线的距离。由于第一辆车司机需要对信号灯转绿有一感知反应时间，因此第一辆车的车头时距相对较长。很显然，后续车辆的车头时距会依次减少。通常，第4辆至第6辆车及以后的车队形成的交通流，将会具有相对均一的车头时距（ t _hs ），如图2-7所示。

图2-7中表示交通流中断后的车头时距变化。当车队的车头时距递减到一定的稳定值时，此时的车头时距则称为饱和时距。为了描述车队的头几辆车相对饱和时距更为长的时间间隔，引入启动时间损失 t ₁₁ 。车队中最后一辆车进入交叉口至另一方向绿灯启动之间的时间损失为无车时间损失 t ₁₂ 。因此，由于信号灯周期变化导致的间断交通流的通行能力可用公式（2-8）计算，式中假定每小时信号灯变化频率为 n ，红灯-绿灯的时间为30s-30s。

q =[1800- n （ t ₁₁ + t ₁₂ ）]/ t _hs （2-8）

根据对交通流的长期研究表明，饱和时距大约在1.9～2.1s之间，而启动时间损失和无车时间损失之和在3.0～4.0s之间。

由于停止标志和让行标志也会导致交通流中断，其情形更具有不确定性。因此，司机必须做出正确判断，等待合理的车头间距进行交通流的延续。此时，交汇各路的路况、行车速度、其他方向交通流量、密度、速度、视距和等待时间，均会对司机的正确判断有所影响。

在间断交通流中，速度与密度不足以全面描述交通流的特征。延误是交通流中经常用到的另一个指标。对于间断交通流而言，延误通常有两种：一种是停车延误，即由于停车造成的时间损失；另一种是行程延误，是指实际行驶时间与预测行驶时间的差值。在信号灯控制交叉口，进口延误是指减速与加速时间损失和停车损失之间，通常为停车损失的1.3倍。

五、交通量的特征

交通量随时间和空间的分布这一特征，在交通流分析中是非常重要的。道路交通工程比较关心高峰时期的交通设施能否满足出行的要求。在实际道路上的交通并不是均衡的，其出行需求是不断变化的，一年之中、一周之内、一天或一个小时等时段内均会出现交通量的变化起伏。图2-8表示一年之中交通量分月变化情况，其中ADT为年平均日交通量，AADT为设计年限门年平均日交通量。由于城市道路中每天上下班的人群和车辆相对固定，所以通常城市道路比城外公路的变化幅度小。在一些城市因假期有的市民和学生外出度假，还会遇到交通量减少的情况。

图2-9表示一周之内每天的交通量分布情况。鉴于城市道路的交通流组成特征，周末在景观区的相关道路会出现大幅增长，而普通城市快速路会有所下降。由于城市道路主要满足人们工作日上班和周末购物，因此其相对变化会稳定些。

图2-10表示一天之内各小时段的交通量变化情况。由于各地地城市居民的起居习惯、民风习俗和就业特征不同，因此该图只是描述了某城市的一天交通量变化过程。城市各个方面的要素指标均会对交通量小时变化产生一定的影响。

图2-11表示年度高峰小时交通量统计表。高峰小时交通量按照递减的顺序排列，通常第30位年度高峰小时交通量被用作设计交通量。

图2-12表示高峰小时内交通量变化状况。通常，对于低于1h的交通量观测是为了计算流量变化。由图2-12中可知，5min的最高峰流量为2250veh/h，15min的最高峰流量为2000veh/h，而小时的最高峰流量为1640veh/h。

流量在空间的变化有很多不确定因素，如车道分布、限道规定、匝道分布、交叉口情况等。表2-4中表示交通量方向分布特征。由表2-4中可知，方向分布可能导致交通流在不同时间段的不均匀分布，因此越来越多的城市通过信号灯、标志、标线和隔离等方式，采用潮汐式车道管理办法，来合理分配早晚上下班高峰时段的车流。图2-13为我国某城市实测交通量空间分布（见第27页）。