城市交通第10卷第2期2012年3月 ■文章编号:1672.5328(2012)02—0068—07 Transport ofChina,Vo1.10,No.2,March 2012 破损路面对城市道路路段通行能力的影响 Effect of Poor Pavement Surface Condition on Capacity of Urban Roadway 程国柱 ,刘博通 ,马亚峰 (1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,黑龙江哈尔滨1 50090;2.西南交通大学交通运输与物流学院,四川成都610031) Cheng Guozhu ,Liu Botong ,Ma Ya ̄ng (1.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin HeilonNiang 1 50090,China 2.SchoolofTransport —ndLogistics,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 6 1 003 1China) ,摘要:为了准确评价路面破损条件下的道路通行能力,有必要探讨 破损路面对道路通行能力的影响。选取路面车辙深度、裂缝率、坑槽 宽度和修补率作为破损路面状况的评价指标,给出了基于灰色聚类 分析方法的破损路面状况评价方法。应用该方法对调查路段的破损 0引言 近年来,中国城市机动车拥有 量和交通量急剧增长,许多城市机 路面状况进行等级划分,并基于不同破损路面状况等级路段调查的 交通流参数,分析破损路面对饱和车头时距和平均行程车速的影 响。引入破损路面修正系数的概念,得到不同破损路面状况等级对 应的路段通行能力修正系数,并给出不同破损路面状况等级对应的 城市道路路段通行能力推荐值。 Abstract:In order to accurately estimate capacity of urban roadway 动车客运量的年增长率超过了 20%,再加上大量货运交通,使得 城市道路在高峰时段经常超负荷运 营。随着道路使用年限的增长以及 交通荷载的日益增加,道路路面破 损越来越普遍,并且由于修缮不及 时以及受外界条件不断变化等因素 的影响,道路路面破损趋于严重。 由于特殊的气候条件,寒区城 with poor pavement surface conditions,it is necessary to investigate the effect of poor surface condition on roadway capacity.Using rut depth, cracking ratio,width of crack,and repairing ratio as evaluation indica— tors,this paper proposes a pavement surface condition evaluation meth— odology based on Grey Cluster Analysis.By classilying surveyed road— way segments with poor pavement surface condition,the paper analyz— as the effect of poor pavement surface condition on saturated headway and average operating speed based on trafic fflow parameters under dif- 市每年春天会有超过30%的城市道 路出现不同程度的冻胀和翻浆,继 而引发不同形式的路面破损。由于 受经济和技术因素的限制,破损道 路得不到及时修缮或者在修缮时没 ferent pavement surface conditions.Finally,using the adjusted coefif— cient of roadway capacity under different levels of pavement surface conditions,the paper presents the corresponding roadway capacity val— Ues. 关键词:城市道路;破损路面:通行能力;交通流;修正系数 Keywords:urban roadway;poor pavement surface;capacity;trafic f有充分考虑交通荷载,导致修补完 成后路面承载功能低且使用期限较 短。在破损路面条件下,交通运行 flow;adjusted coeficifent 中图分类号:U491.1-14 文献标识码:A 环境恶劣,拥堵严重、事故频发、 环境污染加剧,道路原有通行能力 lI女稿日期:201l 10 25 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“基于不完全 信息的驾驶员与过街行人非合作动态博弈研究”(HIT.NSRIF.2012062) 得不到充分发挥,车辆运行速度缓 慢,交通运行效率降低。 国外对破损路面的研究源白美 国。货运行业的飞速发展使美国面 作者简介:程国柱(1977一),男,吉林长春人,博士,副教授,主要研究 方向:道路交通安全、道路通行能力。E-mai1:guozhucheng@126.com 程国柱等:破损路面对城市道路路段通行能力的影响 69 临道路破损问题,由此产生对破损路面的检测和 路面的摩擦),路面面层内集料颗粒逐渐脱落,形 成磨耗型车辙。在车辙形成的同时,由于路面受 力不均匀,会产生不同程度的横向或纵向裂缝, 在雨雪的作用下,水分逐渐深入路面面层内部, 等级划分…,随后产生对破损条件下高速公路的交 通分析 。现阶段将破损路面与道路通行能力相结 合的研究主要见于高速公路 和城市快速路 ,通 过采集破损条件下城市道路的交通流参数,比较 其与正常道路条件下交通流参数 的变化情况,分 析其通行能力。 加上水的物态变化和路面外部荷载的动态变化, 路面车辙和裂缝逐渐向深、向大发展,直至产生 结构失稳型车辙以至发展为路面坑槽。为了保证 路面的正常使用,需对破损路面进行修补,修补 前后的差异会对路面的正常使用产生不利影响。 因此,本文选取路面车辙深度、裂缝率、坑槽宽 度和修补率作为破损路面状况的评价指标。 国内现阶段主要为各高校对道路破损情况检 测技术的研究,大多停留在理论研究方面,应用 还不广泛 。在城市道路方面,鉴于城市路网交叉 口多、路段短的特点,文献[5]提出等效通行能力 的概念并进行了相关研究和分析,文献[6]对城市 道路路段的通行能力进行了理论上的探讨和研究。 综上所述。开展破损路面对城市道路路段通 1.2评价方法 单因素评价标准只能反映路面某一方面的特 征和使用情况,为了更准确地对路面当前使用状 况进行评价,本文以灰色聚类分析方法为基础, 探讨破损路面状况的评价方法。 破损路面状况等级可分为优、良、中、次、 差五级。基于三角白化权函数的灰色聚类评价方 行能力影响的研究,在理论研究方面,可以丰富 中国交通流理论和道路通行能力研究领域的研究 成果;在实际应用方面,可以为城市道路的规 划、设计和管理提供理论依据和决策指导,完善 城市路网的功能,提高城市道路的利用效率和服 务水平。 法可用白化权函数描述任何一个灰数对其取值范 围内不同数值的“偏爱”程度,从而达到检查观测 1破损路面状况评价 不同破损程度的路面对城市交通运行的影响 存在显著差异,路面破损越严重,城市道路通行 能力下降得越大。因此,开展破损路面对城市道 路通行能力影响的研究必须先对破损路面的状况 进行评价,并对其等级进行合理划分。 对象是否属于事先设定的不同类别的目的。具体 方法为:设有 个对象,17/个聚类指标,S个不 同的灰类,对象i关于指标 勺样本观测值为 37 ( 1,2,…, ;广:=1,2,…, )。根据 的值对 相应的对象i进行归类,步骤如下: 第一步:根据所需划分的灰类数S,将各个 指标的取值范围也相应地划分为S个灰类,例 如,将指标 的取值范围[a。,口、+.]划分为:[a。,a2), 1.1评价指标 车辆的外部特征决定了路面受力主要产生于 … 1,&女),…,[口 ,a +1],其中ak( =1,2,…,S) 的值一般根据实际问题的要求或定性研究结果确定。 第二步:给出对象i的指标 关于灰类是的三 车辆轮胎与道路的接触面。在道路使用中,道路 路面一般首先在车辆荷载的作用下形成压密型车 辙,然后在车辆荷载的累积作用下f主要是轮胎与 0, ’( ) 角白化权函数(隶属度)∥( )( 1,2,…, ; =1, 2,…,S) [a0,a3], ∈[a0,,l1], 1, (“3一x)/(a3一 1), ∈ l,a3], 0, [a _l'a +2] a 1), ∈[a _1. ], ∥( ) a ~1)/( (2) 2 ), ∈ ,ak+2], 70 城市交通第lO卷第2期2012年3月 ( )= 第三步:计算对象i关于灰类 的综合聚类 系数 =1)调查时间。 根据哈尔滨市气候条件,在春季城市道路会 ∑∥(£J0 J、 ) J ,・ J=1 (一 4) 发生不同程度的翻浆和冻胀,此时的道路使用条 件可以满足调查需要。确定调查时间为2011年3 月下旬至5月上甸,在每天的早晚高峰时段调查 选定路段的交通运行状况。 式中:叩为指标’『在灰色聚类中的权重,可参照 表1选取。 第四步:由i<k<st J jma)({}一 判断对象i属于灰 2)调查对象。 类 。当有多个对象同属于灰类走 时,可根据各 选定的各等级城市道路路段包括:快速路(哈 尔滨二环):南直路;主干路:中山路、红旗大 街;次干路:黄河路、革新街・1支路:宣庆街、 平公街。 3)调查内容。 破损路面状况调查包括所选路段的路面车辙 似 一 对象综合聚类系数大小确定同属于灰类 的优劣 ~ -_ 位次。 通过以上分析,得到破损路面状况等级划分 ∈∈ 结果,见表2。 __ __ 2破损路面与交通流参数调查 为了确定不同等级破损路面条件下的道路通 1—2 行能力,需要对不同等级破损路面当前的运行状 + l l深度、裂缝率、坑槽宽度和修补率;交通流参数 调查包括对选定横断面及其前后50 m的横断面进 行交通流数据采集,统计所选路段的饱和车头时 距和平均行程车速。 况进行调查,掌握在破损条件下城市道路路段的 瓯 交通流参数,通过与正常条件下(设计规范推荐 值)各种参数进行比较分析,探讨破损路面对交通 流的影响。 2-2调查结果 根据观测结果,调查路段的路面车辙深度、 裂缝率、坑槽宽度和修补率范围分别为7-17 mm、3.7% ̄44.2%、0.2~0.7 m和1%~10%。基于 2.1调查概况 本文选定哈尔滨市区l3个路段进行破损路面 调查数据并结合实践经验,确定各评价指标的取 值范围,并将各评价指标分为优、良、中、次、 差5个等级;计算各路段的4种评价指标关于其对 状况调查和路段交通流参数调查。 表1各个指标在灰色聚类中的权重 Tab.1 The weight of indicators in grey cluster analysis 程国柱等:破损路面对城市道路路段通行能力的影响 71 应等级的三角白化权函数以及各路段 在道路等级相同的条件下,破损路面状况等级高的路段饱和 车头时距低于破损路面状况等级低的路段,见图2。 关于破损路面状况等级的综合聚类系 数。根据结果判断各路段破损路面状 况等级。 应用综合评价方法对所选路段进 行破损路面状况等级划分,见表3。本 3.2对平均行程车速的影响 本文采取抽样调查法,在调查路段随机抽取100辆车, 分别统计各个车辆的瞬时速度,然后计算每辆车在路段的行 程时间,从而得到车辆的平均行程车速,见表3。最高平均 次调查路段的破损路面状况涵盖了各 个等级,其中:等级为优的有3个路 段,等级为良的有4个路段,等级为中 的有2个路段,等级为次的有2个路 段,等级为差的有2个路段。 行程车速为49.0km・h~,位于中山路文昌街至革新街路段,其 饱和车头时距很小(2.27 s),接近最小饱和车头时距(2.20 S); 最低平均行程车速为16.5 km・h~,位于宣庆街平公街至宣威 街路段,其饱和车头时距较大(2.98 s),高于宣庆街其他 路段。 3破损路面对交通流的影响 3.1对饱和车头时距的影响 饱和车头时距是指稳定行驶的连 续流的车头时距,常用于对道路通行 能力的分析和研究。调查路段最小的 饱和车头时距为2.20 S,位于红旗大街 黄河路至长江路路段,该路段的道路 对比破损路面状况等级相同时不同道路等级的路段平均 行程车速可以发现,道路等级高的路段平均行程车速高于道 路等级低的路段,见图3。对比道路等级相同时不同破损路 表3各调查路段详情 Tab.3 Details of surveyed roadway segments 等级为主干路,路面状况等级为优; 最大的饱和车头时距为3.64 S,位于平 公街华山北路至海滨街路段,该路段 的道路等级为支路,路面状况等级为 差,见表3。 对比破损路面状况等级相同时不 同道路等级的路段饱和车头时距可以 发现,道路等级高的路段饱和车头时 距低于道路等级低的路段,见图1。对 比道路等级相同时不同破损路面状况 等级的路段饱和车头时距可以发现, 图1破损路面状况等级相同时路段饱和车头时距比较 Fig.1 Comparison ofsaturated headway with the same level ofpavement surface condition 72 城市交通第10卷第2期2012年3月 面状况等级的路段平均行程车速可以发现,破损 路面状况等级高的路段平均行程车速高于破损路 面状况等级低的路段,见图4。 路段的破损路面修正系数进行标定。具体方法 如下: 1)假设破损路面修正系数f 的起始值为1, (1 为不考虑破损路面状况影响的路段通行能力。' 4破损路面对通行能力的影响 4.1破损路面修正系数 路面破损会影响道路的实际通行能力,故应 对该状况下的路段通行能力进行修正。本文引入 ( 6值经过 修正后,得到考虑破损路面状况影响 的通行能力C加。 2)将破损路面状况下测得的实际通行能力 与( 加比较,计算两者之间的相对误差。若相对 误差 未超出误差容许范围 (本文设定为5%), 则认为得到的 为可用结果;若相对误差 超出 破损路面修正系数 ,依据图5所示流程,对各 口优 n 口良 一 圈中 |一次 一差 3.5 盖3.0 墨2.5 2. lj| | -。 - t叠 一0 gll、 魏 一 0 0 一 % 赫 。 。 N-霞 - * 1.0 1.5 l l纛 |≥ l 鬻 镑 ll 鬯 ~| I| ^ O 5 快速路 主干路 道路等级 次干路 支路 图2道路等级相同时路段饱和车头时距比较 Fig.2 Comparison of saturated headway with the same roadway classiicatfion 图3破损路面状况等级相同时路段平均行程车速比较 Fig_3 Comparison of average operating speed with the same level ofpavement surface condition 口优 , 口良 毫 # 圈中 一次 _差 H } { ÷50 40 . ●譬 ■ 曩≯链誊黪 澄群 瓤臻 一 ¨ …^ ¨Ⅲ *。 i ■磐瓤 j_ 誊 l 蚤谚曩 赣 0毫麓I毫 毽嚷蘸鼍 静强 毫 l辑;露蕊 |甄鬻馥 一≮ |%%tt g 潞‰ l 《 - l蕊戮 嚣 |_ '潞 一 , { ~t髫翳…鬟 l誊 黪糍鬻 毒季簦 臻 - ≮ 00 谢臻 0 ~ 一 30 20 10 U 0 圜 00 毪秘 《 “ J 誓 l l蠢 嚣 -≯ 0 豳_。 ≥ 0 _ 誓 0 翳嘲 ≯ 豫≯ 瓣 ● - 萋 ●蠢 0 -曩 00 —■●- 。。 快速路 主干路 道路等级 次干路 支路 图4道路等级相同时路段平均行程车速比较 Fig.4 Comparison of average operating speed with the same roadway classification 程国柱等:破损路面对城市道路路段通行能力的影响 73 误差容许范围 ,则对 进行调整。 式中:C加为破损路面条件下城市道路路段的通 3)调整时,若 >0,说明C加偏低,应提高 行 ̄/(pcu・h~・车道。);C6为路面状况良好段的 . 的值;若8<0,说明c 偏高,应降低 的 开始 值。本文均以0.01为步长进行循环运算。 4)返回新生成的 值,重复步骤2)和3),直 {。=1 至得到的相对误差 在误差容许范围 内,结束 l + i l修正。此时认为得到的 值是可用结果。 Cp0=Cb -L一0.01 { {p+ .01 应用以上方法得出各调查路段的破损路面修 Jr t 正系数 ,见表4。 =(cp—C加)/cp L互 >0> 将各调查路段破损路面修正系数和破损路面 否 状况等级相结合,应用数理统计分析的方法,可 T 以求出各破损路面状况等级下路段通行能力的破 损路面修正系数取值区间。 结束 首先,进行归类分析,将破损路面状况等级 图5破损路面修正系数标定流程 相同的破损路面修正系数归为一类,按大小排 Fig.5 Calibration ofadjusted coefifcient ofpoor 序,初步求出其取值的极限范围;其次,将各类 pavement surface condition 破损路面修正系数进行综合分析,去掉相交部 表4破损路面修正系数统计 分,确定相邻等级之间修正系数的界限;最后, Tab.4 Statistics on adjusted coefifcient of poor pavement surface conditions 给出各破损路面状况等级下路段通行能力的破损 路段编号 路段编号 路面修正系数的取值区间,见表5。 1 O.80 8 0.83 2 0.94 9 0.71 4.2破损路面通行能力推荐值 3 0.92 1O O_88 4 0.89 I】 0-85 城市道路路面破损条件下道路通行能力的修 5 0.97 l2 O.82 正公式为 6 0.93 13 O.78 0=c6 , (5) 7 0.87 表5不同破损路面状况等级对应的城市道路路段通行能力修正系数 Tab.5 Adjusted coefifcients of urban roadway capacity with poor pavement surface conditions 表6不同破损路面状况等级对应的城市道路路段通行能力推荐值 Tab.6 Recommended capacity ofurban roadway with different levels ofpavement surface conditions pcu・h‘・车道 1)参考《道路通行能力分析》 中推荐值。 74 城市交通第l0卷第2期2012年3月 通行 ̄j'J/(pcu・h~・车道。。)。 on Freeway with Damaged Pavement[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2008,43(6):714 7I7. 根据《城市道路设计规范》(cJJ37—90)中提 出的不同设计速度下路段通行能力值,结合公式 (5)和表5,计算得到不同破损路面状况等级对应 的城市道路路段的通行能力推荐值,见表6。 [3]诸葛敬敏.城市快速道路交通流特性研究[D].北 京:北京工业大学,2000:26 54. 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