¿Cálculo de la capacidad de la carretera y establecimiento de la relación entre la velocidad y el flujo de los vehículos?

Este artículo utiliza un método que combina el análisis teórico con la verificación de datos medidos reales para realizar un estudio más profundo de la capacidad de tráfico de carreteras de diferentes grados y la relación entre la velocidad de los vehículos y el flujo de diferentes modelos de vehículos. , y establece un modelo correspondiente para el transporte por carretera. El análisis macroscópico también tiene un buen modelo matemático de referencia para el análisis de ingeniería de tráfico y tiene valor de aplicación.

Palabras clave: Investigación sobre la relación entre capacidad de carreteras y velocidad y flujo de vehículos

1 Introducción

En análisis de inversión en carreteras e ingeniería de tráfico, capacidad de carreteras y flujo de tráfico se utilizan a menudo Con respecto a la relación entre la velocidad del vehículo y el caudal, se han realizado muchas investigaciones en el extranjero sobre la relación entre la velocidad del vehículo, el volumen de tráfico y la capacidad en diferentes condiciones de carreteras y características del tráfico. Entre ellas, la más influyente es la estadounidense. "Manual de Capacidad Vial" publicado en 1965. (Manual de Capacidad Vial, denominado HCM) y la revisión posterior de 1985. Recientemente, el Banco Mundial llevó a cabo un estudio a gran escala sobre la capacidad de las carreteras en Indonesia y muchas de sus conclusiones son similares a las del HCM. ? También se han llevado a cabo investigaciones nacionales en esta área. El Instituto de Investigación de Carreteras del Ministerio de Transportes ha completado un estudio sobre la capacidad de tráfico de las carreteras de dos carriles. El Instituto de Planificación y Diseño de Carreteras del Ministerio de Transportes ha colaborado. departamentos de transporte de cinco provincias de todo el país para completar la investigación de "Indicadores técnicos y económicos de carreteras de montaña" (en adelante (denominados "Indicador"), etc. La investigación sobre el "Indicador" estableció la relación velocidad-flujo de vehículos de baja calidad. Carreteras en zonas montañosas. Pero en términos generales, la investigación en esta área es limitada tanto en profundidad como en amplitud. ? De 1994 a 1995, el Ministerio de Transporte y el Banco Mundial encargaron conjuntamente a nuestro instituto y a la empresa australiana RUSTPPK y Cai Morgan la realización de la "Investigación sobre optimización de la inversión en carreteras y mejora del método de viabilidad", utilizando análisis teóricos y datos de medición reales. verificación. Este método ha realizado un estudio más profundo sobre la capacidad de tráfico de diferentes grados de carreteras y la relación velocidad-flujo de diferentes modelos de vehículos, y ha establecido un modelo matemático correspondiente. Este artículo presentará los principales resultados de esta investigación. Cabe señalar que la relación velocidad-flujo de vehículos y la capacidad de la carretera establecidas aquí se establecen principalmente para el cálculo de los costos operativos de los vehículos en el estudio de viabilidad, y su alcance de aplicación es principalmente el análisis macro. Si se utiliza para análisis de ingeniería de tráfico, el modelo debe ser más detallado, como por ejemplo, se deben tener en cuenta las condiciones geométricas locales de la carretera, etc.

2 Clasificación de carreteras y vehículos

2.1 ¿Clasificación de carreteras? Las carreteras de mi país se dividen actualmente en dos categorías: carreteras exclusivas para automóviles y carreteras ordinarias. Las carreteras especiales para automóviles se dividen en autopistas, carreteras de primera clase y carreteras ordinarias de segunda clase, y los requisitos geométricos de los distintos tipos de carreteras están estrictamente definidos en el reglamento. “Normas Técnicas de Ingeniería de Carreteras”, aquí No más detalles. 2.2 Clasificación y coeficientes de conversión de vehículos Actualmente, mi país divide los automóviles en seis categorías, a saber, turismos pequeños, autobuses grandes, carga pequeña, carga mediana, carga grande y remolques, considerando que tanto las furgonetas (incluidos los minibuses) como los automóviles son pequeños. turismos, pero su rendimiento energético y velocidad de conducción son bastante diferentes, por lo que se distinguen en este estudio. Los coeficientes de conversión para varios tipos de vehículos (con automóviles de tamaño mediano como modelos estándar) se muestran en la Tabla 1.

3 Cálculo de la capacidad de la carretera

La capacidad de la carretera se refiere al tiempo unitario en una sección de la carretera o en una sección específica en determinadas condiciones de tráfico y de la carretera. El número máximo promedio de vehículos que. El tráfico que puede pasar en un determinado periodo de tiempo generalmente se mide en horas, por lo que la capacidad de tráfico generalmente se mide en términos del número máximo de vehículos que pueden pasar por hora. ? Las condiciones del camino se refieren a las características geométricas de la carretera, incluyendo el número y ancho de los carriles, ancho del arcén, ancho del sistema lateral, velocidad de diseño, alineación plana y longitudinal y otros factores. Las condiciones del tráfico se refieren a las características del flujo de tráfico en la carretera, incluida la distribución de los tipos de vehículos, el tamaño del volumen de tráfico y la distribución del flujo de tráfico en los diferentes carriles. ? La capacidad de tráfico en condiciones "estándar" o "ideales" es la capacidad de tráfico básica. Aquí nos referimos a las carreteras que cumplen con las "Normas Técnicas de Ingeniería de Carreteras" como si cumplieran las condiciones "estándar". La capacidad de tráfico que realmente se puede alcanzar en un tramo de carretera se denomina capacidad de tráfico real y se obtiene corrigiendo la capacidad de tráfico básica después de tener en cuenta las condiciones de la carretera y del tráfico. ? Cuando las condiciones reales del tráfico son diferentes de las condiciones "ideales", el método de procesamiento adoptado en este estudio es convertir diferentes tipos de vehículos en vehículos estándar de tamaño mediano de acuerdo con el coeficiente de conversión al calcular el volumen de tráfico y establecer el vehículo. Curva velocidad-flujo según conducta del tipo de vehículo.

Entre las diversas condiciones geométricas que afectan la capacidad de tránsito, el ancho del pavimento es el factor más importante. Cuando el ancho del pavimento es diferente del ancho requerido en las "Normas Técnicas de Ingeniería de Carreteras", se debe corregir la capacidad de tránsito básica. Las actividades comerciales, el estacionamiento, las actividades peatonales, etc. en ambos lados de la carretera a menudo se denominan "fricción" en la carretera. Al mismo tiempo, la "fricción" en la carretera también tendrá un impacto en la capacidad del tráfico. velocidad del vehículo. Para las carreteras, la "fricción" al borde de la carretera tiene un mayor impacto en la velocidad del vehículo que en la capacidad del tráfico. Por lo tanto, esta vez hemos adoptado el enfoque de corregir la velocidad del vehículo sin corregir la capacidad del tráfico. Según el "Road Capacity Manual" de EE. UU., la capacidad de tráfico teórica de un tramo de carretera horizontal recto de 4 carriles con un ancho de superficie de 14 metros es de 4.000 vehículos estándar/h, o 1.000 vehículos estándar/carril/h (2.000 automóviles/h). carril /h), debido al bajo rendimiento energético de los vehículos en mi país y a la existencia de tráfico mixto (de modo que el carril exterior no se utiliza en su totalidad), la capacidad de tráfico teórica será menor que este número. Según el análisis de los datos de observación de la autopista Guangfo, la capacidad de cada carril por hora es de aproximadamente 800 vehículos de tamaño mediano. Por lo tanto, utilizamos este valor como la capacidad básica de las autopistas y carreteras para automóviles de primera clase. La capacidad básica de una carretera de tercer nivel de dos carriles con un ancho de superficie de 9 m en zonas planas es de aproximadamente 1.200 vehículos/h para vehículos de tamaño mediano. La capacidad básica de otras carreteras de distintos grados se basa en estos datos y toma. en cuenta el ancho del carril, las normas de cálculo y los arcenes Medido por el ancho. Las capacidades de tráfico básico de varios tipos de carreteras se muestran en la Tabla 2.

(1) Se refiere al ancho de un solo carril de las carreteras exclusivas para automóviles o al ancho de dos carriles de las carreteras ordinarias.

(2) Las carreteras exclusivas para automóviles y las carreteras ordinarias son; medido en términos de (vehículo estándar/h/carril respectivamente) y (vehículo estándar/h) son las unidades.

El ancho de los carriles de las autopistas y las carreteras para automóviles de primera clase es fijo, es decir, cada carril mide 3,75 m en zonas planas y montañosas, y 3,5 m en zonas montañosas y montañosas, por lo que no se realiza ninguna corrección de ancho. requerido. . Sin embargo, el ancho del pavimento tiene un impacto muy importante en la capacidad de tránsito de otras carreteras. Cuando el ancho del pavimento es diferente del ancho especificado en las "Normas Técnicas de Ingeniería de Carreteras", se debe considerar el coeficiente de corrección del ancho para corregir la capacidad básica de tránsito. , es decir: ? C=fw*Co

En la fórmula: C——capacidad de tráfico real; fw——coeficiente de ajuste de ancho; CO——capacidad de tráfico básica. El coeficiente de corrección de ancho de una determinada pendiente de carretera se calcula de la siguiente manera: primero, se mide la capacidad de tráfico básica bajo el ancho estándar y se calcula la capacidad de tráfico básica de una carretera hipotética de 4 carriles con un ancho de superficie de 14 m. y luego se utiliza el método de interpolación lineal para calcular Obtenga el factor de corrección. El coeficiente de corrección de ancho f?w se puede calcular mediante la siguiente fórmula: fw=aW b donde: W - ancho del carril; a, b - coeficientes, ver Tabla 3.

4 Relación velocidad-flujo del vehículo

4.1 Introducción

La forma general de relación velocidad-flujo del vehículo es que cuando el volumen de tráfico es pequeño, hay poca interferencia entre vehículos., los vehículos que viajan a alta velocidad tienen más oportunidades de adelantar. En este momento, la velocidad del vehículo depende principalmente de sus propiedades mecánicas y características geométricas de la carretera. A este estado de flujo de tráfico lo llamamos estado libre. A medida que aumenta el volumen de tráfico, la velocidad del vehículo también disminuye. Al principio, la velocidad de reducción no es muy grande. Cuando el volumen de tráfico se acerca a la capacidad de la carretera, la velocidad de reducción aumenta. Cuando el volumen de tráfico alcanza la capacidad, el volumen de tráfico alcanza el valor máximo. A medida que más vehículos intentan ingresar a la carretera, el flujo de tráfico se vuelve inestable y el volumen comienza a disminuir, junto con la velocidad de los vehículos que disminuye aún más.

Los principales factores que afectan la relación velocidad-flujo incluyen: (1) Características geométricas del terreno y de la carretera, como líneas horizontales y verticales, distancia de visibilidad, etc. (2) Características del vehículo (3) No; -vehículos de motor mezclados; (4) "fricción" en la carretera. 4.1.1 Consideración del impacto sobre el terreno y las características geométricas de la carretera La alineación del plano y la distancia visual de la carretera en el diseño a menudo dependen de la velocidad de diseño, y la velocidad de diseño está estrechamente relacionada con el terreno y la pendiente de la carretera. Con este fin, establecimos relaciones entre velocidad y flujo de vehículos para diferentes grados de carreteras y terrenos (áreas llanas/ligeramente montañosas y áreas montañosas/muy montañosas). El impacto de la pendiente longitudinal en la velocidad del vehículo depende principalmente de la pendiente, la longitud de la pendiente y el rendimiento de ascenso del vehículo. En áreas planas y montañosas, el impacto de la pendiente longitudinal en la velocidad del vehículo es muy pequeño y generalmente puede ignorarse. el impacto de la pendiente longitudinal sobre la velocidad del vehículo es muy pequeño y se refleja en el coeficiente de corrección.

4.1.2 Consideración del impacto en las características del vehículo Dado que las propiedades mecánicas de diferentes automóviles son muy diferentes, sus correspondientes relaciones velocidad-flujo también son muy diferentes. Para reflejar esta diferencia, hemos establecido diferentes modelos de vehículos en cuanto a la relación. entre la velocidad del vehículo y el volumen de tránsito, se consideran los siguientes siete tipos de vehículos: (1) automóvil, (2) minivan, (3) autobús, (4) carga pequeña, (5) carga mediana, (6) carga grande, ( 7) Remolque. 4.1.3 Consideración del impacto de los vehículos no motorizados Los vehículos no motorizados (como los rickshaws y las bicicletas) tienen un impacto considerable en la velocidad de conducción de los vehículos. Hay dos métodos a considerar: uno es convertir vehículos no motorizados en. vehículos estándar (como vehículos estándar de tamaño mediano) y luego incluirlo en el volumen de tráfico al calcular la velocidad del vehículo o medir el ancho de conducción requerido en función del tamaño del flujo de vehículos no motorizados y luego deducir esta parte de; el ancho de la vía al calcular la capacidad de tráfico. El primer método en realidad corrige el numerador de la relación volumen de tráfico/capacidad (relación v/c), mientras que el segundo es el denominador modificado. Aunque todavía hay mucha controversia sobre estos dos métodos, en las condiciones actuales Ambos de los dos siguientes. Se pueden utilizar métodos relativamente hablando, el primer método es más intuitivo y más fácil de entender, por lo que este estudio adopta el primer método. 4.1.4 Consideración del impacto de la fricción en la carretera La fricción en la carretera generalmente se refiere a actividades de desarrollo que tienen un impacto negativo en la velocidad de los vehículos, como aceras, intersecciones y comercios callejeros. El grado de impacto depende del grado de desarrollo. Debido a que este grado de desarrollo es difícil de describir cuantitativamente, es difícil establecer un conjunto estándar de factores de corrección. Sin embargo, para un tramo de carretera específico, este coeficiente de corrección no es difícil de determinar y puede determinarse comparando el tiempo de conducción real con el tiempo de conducción teórico (obtenido a partir de la relación velocidad-flujo del vehículo). Por lo tanto, en este estudio proponemos este enfoque. 4.2 Patrón de relación velocidad-flujo La principal diferencia entre las autopistas de varios carriles exclusivas para automóviles y las autopistas ordinarias de uno o dos carriles es la oportunidad de adelantar. Para carreteras ordinarias de un solo carril o de dos carriles, la oportunidad de adelantar a un vehículo depende del flujo de tráfico en ambos sentidos y de la distribución de la velocidad del vehículo. Cuando la distancia de visibilidad para adelantar no es suficiente, todos los vehículos que deseen adelantar forman un convoy. y su velocidad de conducción se ve afectada por el vehículo más lento del convoy. Por lo tanto, cuando aún no se ha alcanzado la capacidad de tráfico de la vía, las velocidades de conducción de vehículos de diferentes tipos tienden a ser consistentes. Para las autopistas de varios carriles, hay al menos dos carriles en una dirección, los adelantamientos se pueden completar en una dirección de viaje y el avance requerido para adelantar será mucho menor. Por lo tanto, las velocidades de diferentes modelos de vehículos sólo pueden converger cuando el volumen de tráfico se acerca a la capacidad. ? La relación general entre la velocidad y el flujo de tráfico en carreteras secundarias exclusivas para automóviles, carreteras ordinarias y carreteras de varios carriles exclusivas para automóviles. Cada curva representa la relación velocidad-flujo de un modelo de vehículo. De esto se puede ver que la velocidad de conducción de los vehículos en carreteras ordinarias de uno y dos carriles y en carreteras secundarias exclusivas para automóviles disminuye a medida que aumenta el volumen de tráfico cuando el volumen de tráfico alcanza un cierto nivel (no se alcanza la capacidad de tráfico). , las velocidades de conducción de diferentes vehículos tienden a ser consistentes y luego varios vehículos viajan a la misma velocidad hasta alcanzar su capacidad. Definimos el volumen de tráfico cuando las velocidades de los vehículos tienden a ser consistentes como el volumen de tráfico convergente, y la velocidad del vehículo correspondiente es la velocidad del vehículo convergente; el volumen de tráfico cuando la capacidad de tráfico alcanza la capacidad es el volumen de tráfico saturado, y el volumen de tráfico correspondiente; La velocidad es la velocidad saturada del vehículo. Para las carreteras exclusivas para automóviles, cuando el volumen de tráfico es pequeño, las velocidades de conducción de los diferentes modelos también son diferentes a medida que aumenta el volumen de tráfico, todas las velocidades de los vehículos disminuyen. Cuando el volumen de tráfico alcanza la capacidad, todos los vehículos circulan a velocidad saturada.

5 Investigación sobre la relación entre velocidad y caudal de vehículos

5.1 Investigación sobre indicadores técnicos y económicos de carreteras de montaña La investigación "Indicador"*** recopiló datos sobre 163 tramos de carretera en 5 provincias. El tramo de carretera cubre carreteras ordinarias de segunda, tercera y cuarta clase en zonas montañosas. Después de analizar estos datos, nuestro instituto estableció una relación velocidad-flujo.

"Indicadores" es el primer estudio a gran escala en esta área en mi país. Los coeficientes comparativos están completos y los resultados son relativamente creíbles. Por lo tanto, al establecer el modelo de velocidad-flujo de vehículos en carreteras montañosas ordinarias, citamos directamente estas relaciones y, en base a ellas, establecimos la relación de velocidad-flujo de vehículos en áreas planas después del ajuste. 5.2 Alcance de la investigación Este estudio recopila principalmente autopistas, autopistas exclusivas para automóviles de primera clase y autopistas exclusivas para automóviles de segunda clase que no están cubiertas por el estudio de "Indicadores". La relación velocidad-flujo de las carreteras secundarias para automóviles es similar a la de las carreteras secundarias ordinarias. Su principal diferencia es que la velocidad de flujo libre, la convergencia y la velocidad de saturación de las carreteras secundarias para automóviles son mayores que las de las carreteras secundarias ordinarias.

Este estudio recopiló específicamente datos sobre estos indicadores de carreteras secundarias exclusivas para automóviles. Debido a la limitada investigación nacional sobre la relación velocidad-flujo en autopistas y carreteras especiales de primera clase, es difícil establecer la relación velocidad-flujo con base en los datos existentes. Por lo tanto, realizamos una observación de campo a escala relativamente grande y recopilamos más. datos. Al analizar los datos medidos, medimos las velocidades de los vehículos de varios modelos de vehículos en flujo libre. Cabe señalar que, con la excepción de Guangfo Road, el volumen de tráfico en casi todos los tramos de carretera estudiados no es grande, y la velocidad de convergencia y la velocidad de saturación sólo pueden determinarse con referencia a la experiencia general, el "Manual de capacidad de carreteras" de EE. UU. y Resultados de la investigación de Indonesia. Los tramos viales medidos en este estudio son principalmente autopistas y autopistas exclusivas para automóviles de primer y segundo nivel terminadas en los últimos años. El volumen de tránsito diario promedio anual es de entre 5.000 y 30.000 vehículos de tamaño mediano, incluyendo autopistas en zonas llanas y autovías en. zonas montañosas.

Las observaciones de velocidad de los vehículos y volumen de tráfico se realizaron mediante el "método de la matrícula". Cuando se utiliza el método de la matrícula, el observador registra el tiempo en que el vehículo entra y sale del tramo de carretera observado y el tipo de vehículo. Al comparar la matrícula, se puede calcular el tiempo de viaje de cada vehículo en el tramo de carretera y el. La velocidad de conducción del vehículo se puede calcular en función de la longitud del tramo de carretera. Se puede calcular el número de vehículos del mismo tipo. La velocidad promedio del vehículo se puede calcular en función de los resultados de observaciones continuas, y también se puede calcular el volumen de tráfico correspondiente. registrado durante la observación. En este estudio, cada tramo de carretera fue observado durante aproximadamente 10 horas.

6 Análisis de datos y resultados de la investigación

6.1 Introducción El propósito del análisis de datos es establecer la curva de relación velocidad-flujo del vehículo. Como se mencionó anteriormente, para carreteras de varios carriles exclusivas para automóviles, debemos establecer una curva completa para cada tipo de vehículo. Para carreteras secundarias exclusivas para automóviles y carreteras ordinarias de segunda, tercera y cuarta clase, es necesario cumplir los siguientes parámetros. medirse: (1) La velocidad de cada tipo de vehículo en estado de flujo libre; (2) La velocidad de convergencia y la relación V/C correspondiente (3) La velocidad de saturación (la velocidad cuando el vehículo alcanza la capacidad de tráfico); 6.2 Relación velocidad-flujo en carreteras de varios carriles exclusivas para automóviles 6.2.1 Relación velocidad-flujo en áreas planas Se dibuja la relación velocidad-flujo establecida con base en los datos de la autopista Guangfo, que es básicamente consistente con los resultados esperados. La velocidad de circulación libre de los camiones grandes alcanza los 80 km/h, lo que es bastante diferente de los datos medidos en otros tramos de carretera, y su velocidad de cambio con la relación V/C es mayor que la de otros modelos. Puede haber dos razones para este resultado: en primer lugar, la proporción de camiones grandes en Hong Kong con tecnología avanzada es mayor y, en segundo lugar, hay menos muestras de camiones grandes. Para que la curva de velocidad-flujo del vehículo sea aplicable a un rango más amplio, hemos realizado los ajustes necesarios a la curva de carga grande. A partir de los datos de observación de otras secciones de la carretera, la velocidad de flujo libre de carga grande es de aproximadamente 65 km/h. , al ajustar , adoptamos esta velocidad como la velocidad de flujo libre de cargas grandes.

Otro defecto en los datos de Guangfo Road es que la relación V/C máxima es de sólo 0,8. Por lo tanto, la velocidad saturada del vehículo no se puede medir realmente, sino que sólo se puede determinar basándose en la experiencia práctica internacional. La velocidad del vehículo saturado utilizada en el "Manual de capacidad de carreteras" de los Estados Unidos es de 50 km/h, y el resultado del estudio de Indonesia es de 42 km/h. Teniendo en cuenta las características de las carreteras y los vehículos de mi país, utilizamos 45 km/h como vehículo saturado. Velocidad de las carreteras de varios carriles exclusivas para automóviles de mi país.

Principales parámetros de la relación entre la velocidad del vehículo y el flujo del tráfico en zonas planas y montañosas

6.2.2 La influencia de la pendiente vertical en la velocidad del vehículo cuando el volumen de tráfico es inferior a 200 Vehículos/h, la influencia de la pendiente longitudinal en la velocidad de conducción de diferentes modelos Independientemente del tipo de vehículo, ir cuesta arriba o cuesta abajo tendrá un impacto negativo en la velocidad de conducción. Existe una relación lineal entre la velocidad del vehículo y la pendiente longitudinal, y los efectos de cuesta arriba y cuesta abajo son similares. La razón principal de esto es que el principal factor que restringe la velocidad del vehículo cuando se va cuesta arriba es su desempeño dinámico, mientras que el principal. El factor que restringe la velocidad al ir cuesta abajo es el conductor. Teniendo en cuenta la similitud del impacto de las pendientes ascendentes y descendentes en la velocidad del vehículo, utilizamos un coeficiente de corrección que es función del valor absoluto de la pendiente para reflejar el impacto de las pendientes longitudinales en la velocidad. La fórmula específica es la siguiente:

fg=1 ag

En la fórmula: fg——coeficiente de corrección de pendiente; g——valor absoluto de la pendiente longitudinal;

?

6.3 La relación velocidad-volumen de las carreteras ordinarias y las carreteras secundarias exclusivas para automóviles se basa en el estudio de indicadores técnicos y económicos de las carreteras montañosas con base en la velocidad libre, la velocidad de convergencia y la velocidad de saturación encuestadas. Establecimos una relación velocidad-flujo de las carreteras exclusivas para automóviles y de las carreteras ordinarias de segunda, tercera y cuarta clase en terrenos montañosos. La velocidad de flujo libre de las carreteras montañosas exclusivas para automóviles de segunda clase se toma de la. Carretera exclusiva para automóviles de segunda clase Changzhi-Jincheng Otros datos se refieren a investigaciones nacionales relevantes, especialmente el estudio de planificación de la red de carreteras de la provincia de Jilin financiado por el Banco Asiático de Desarrollo. La relación velocidad-flujo de las carreteras secundarias exclusivas para automóviles en áreas planas montañosas y montañosas es similar a la relación velocidad-flujo en otras carreteras. La principal diferencia radica en los parámetros clave, como la velocidad de flujo libre, la velocidad de convergencia, etc. .

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