美国《公路能力手册》及道路能力评价体系的演进

Mark wiens

发布时间:2020-04-07

近年来,随着智慧城市概念的发展和普及,相关的项目逐渐在全国各处落地,利用各种信息技术或创新概念,将城市的系统和服务打通、集成,以提升资源运用的效率,优化城市管理和服务,以及改善市民生活质量欧美女人性交

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原标题:美国《公路能力手册》及道路能力评价体系的演进

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导 语

 

美国《公路能力手册》是评价道路通行能力和道路服务水平的一部重要著作, 了解该手册的形成和发展历程有助于我们更好地认识道路能力评价技术的发展及其未来,并为我们进行道路建设与规划和有效解决交通拥堵提供了有力的借鉴与参考。今天,交通言究社邀请到了公安部道路交通安全研究中心特约专家、3M交通安全系统部首席交通安全与教育联络官官阳为大家带来相关内容的介绍。

应该修建什么样的道路?如何评价道路通行能力和道路服务水平?需要多少条和具有哪些功能的车道才能合理满足交通需求?这些问题一直困扰和吸引着公路交通工程界人士不断寻找和尝试各种评价和测算方法。在这个领域, 有一部非常著名且影响力巨大的专业工具书——《公路能力手册》(HCM, Highway Capacity Manual),对回答上述问题有着举足轻重的技术贡献,但因为其编写较早且仍处在不断扩充修订中,已从最初的147页扩容到现在的3000多页,导致人们很难全面了解和认识这部巨著。为帮助大家对道路能力评价技术有一个初步的了解,本文摘选一些相关资料,来展示这部伟大著作的形成和发展历程。

《公路能力手册》是美国国家科学院下设的运输研究委员会(TRB,Transportation Research Board )的主要出版物。 在决策道路建设规模、分析道路运输能力和评价道路服务水平方面已成为美国和其他很多国家使用的最重要的技术指南。在美国,该手册被强制用于所有使用联邦援助资金的公路项目。它由美国公路能力和服务质量委员会 (HCQSC,Committee on Highway Capacity and Quality of Service)编写和维护。至今,《公路能力手册》已经更新到第六版的部分章节。因此, 熟悉和掌握《公路能力手册》是权衡道路建设资源、评价道路服务水平、解决交通拥堵、提高道路运输效率的必备知识。

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公路研究委员会的成立

20世纪20年代,美国已经出现了对道路的使用效率和质量问题的关注及相关研究。这种关注与美国最初在道路建设方面大量筹措资金,特别是利用过商业资金的传统有关。筹资建路的商业运行模式,需要对投资规模、回收和经济效益“斤斤计较”,尽量做到节省和可持续发展。公路能力与服务质量委员会(HCQSC)的最终形成,与这种评价机制的需求有关。

美国于1920年成立了全国公路研究顾问委员会(National Advisory Board on Highway Research), 1925年更名为公路研究委员会(Highway Research Board),也就是后来大名鼎鼎的交通运输研究委员会(TRB)。之所以采用委员会的形式,主要是因为工作人员都来自各州不同的道路交通机构,并不是固定的雇员,只是因为业务需要而走到一起的。这些机构的出现,为公路能力与服务质量委员会的建立打下了基础。

公路研究委员会赞助的第一个审议与道路能力有关问题的小组是公路交通流分析委员会(The Committee on Highway Traffic Analysis),它比公路能力研究委员会成立的时间还早。公路交通流分析委员会曾在1927年制定了一套公路能力理论估算体系。1941年,美国总统罗斯福建立了“全国地区互通公路委员会”(National Committee on Interregional Highways),旨在解决各州之间的公路互通问题。这种机制和任务形成了对公路能力分析的现实需要,人们这时最需要回答的问题是:到底应该修建多大的公路来实现地区互通呢?

当时的联邦政府公共道路局(Bureau of Public Roads)专员托马斯·麦克唐纳(Thomas H. MacDonald)当选为全国地区互通公路委员会主席(见图1左)。麦克唐纳从公共道路局指派了几名专业人员在委员会全职工作,其中包括对之后的公路能力研究产生巨大影响的奥拉夫·诺曼(Olav K. Normann,见图1右)。诺曼当时是一名年轻的工程师,负责大部分的技术分析,这些分析工作构成了委员会具有历史意义的一批报告的基础。 诺曼利用自己开发的设备研制了一种估算多车道公路能力的创新方法。他通过对前后一组车辆之间速度关系的研究发现:当两辆车以35英里/小时(56公里/时)的速度行驶时,其间距至少达到约2秒。当车速更高或更低时,车辆间距会增加。他由此得出结论:公路的理论通行能力约为1800辆/小时/车道。单车道每小时运送1800辆车的基础能力概念,就是从这个时期开始逐渐成为交通工程界的一个基本常识。直至今天,虽然车辆和道路技术均有所变化,但美国交通工程师也依旧将其作为一个基础数据概念,只是把单车道一小时行驶1800辆车修正为约1900辆车。

 

图1:托马斯·麦克唐纳(左)与奥拉夫·诺曼(右)

随着人们对国家公路系统兴趣的上升,加上认识到需要新的、更好的和更统一的设计和分析方法来估算各类公路能力的重要性公路研究委员会在1944年设立了公路能力委员会(C ommittee on Highway Capacity),诺曼为首任主席。委员会当时有十名成员,都来自基层公路运输和顾问机构,他们的共同特点是有丰富的处理日常工作的经验,这种经验在测算不同的道路设施服务能力上非常重要。委员会的工作目标就是编写一份用于帮助从业人员估算各类道路能力的文件,即《公路能力手册》第一版。公共道路局还分配了一些支持人员协助这项工作。

《公路能力手册》第一版的大多数内容由诺曼和公共道路局的公路工程师秘书沃克撰写,委员会其他成员负责审核。随着《公路能力手册》第一版编写工作的进行,公路能力委员会又增加了八名成员,依旧是各级基层单位从事具体工作的工程师,当时的委员会中没有来自大学的学者——大学学者在这方面的研究兴趣刚刚出现,并未接触实际工作。

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1950年《手册》第一版问世

《公路能力手册》第一版于1950年出版。它实际上是从1949年开始发表在公共道路局的《公共道路》杂志(Public Roads)上的一系列文章的集合。它虽只有147页的篇幅,但 提供了一套用于测算各种公路设施能力的标准方法手册涵盖的道路类型也很丰富,包括双向双车道公路、双向三车道公路、多车道公路、信号灯控路口、交织段、匝道和匝道终端等。

《手册》第一版首次正式界定了道路的“能力”(capacity) 最初的界定有三个层次的能力: 基本能力(basic capacity)、 可能能力(possible capacity)和 实际能力(practical capacity)。“基本能力”实际上是“理想”条件下可以达到的最大小时车流量。“可能能力”是在现有的通行道路和交通状况下所能达到的最大小时流量。“实际能力”是指在不造成任何不当延迟或交通流干扰的情况下提供的最大小时流量。这三种能力是通过间接方式解决道路服务质量问题的早期尝试。

虽然《手册》第一版为从业人员估算各种类型道路的能力提供了基础条件,但 主要应用于设计阶段,其目的是回答一个基本问题:应该修建多大的路?进一步说, 它使从业者能够计算出需要多少条车道才能满足不同级别的交通需求。虽然手册的一些方法可以应用于分析,但当时没有把分析做为重点。还需注意的是, 《手册》第一版主要针对的是在不间断流动下运作的长距离道路。灯控交叉口、交织路段、匝道和匝道终端的方法处理等相对于道路整体而言只占了非常少的部分,其测算方法并不限于高速公路,也可应用于多车道和双车道公路,以及某些情况下的主干道。

总体而言, 《手册》第一版最大也是最重要的贡献就是建立了一套通用的方法和标准,可供全美公路工程师考虑应为新建或重建道路设施提供多少车道时使用。

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第二版:建立服务水平概念

在发布《公路能力手册》第一版后的两三年,公路研究委员会暂处于非活动状态。随着关于道路能力的新问题出现,以及对道路能力研究和方法兴趣的日益浓厚,委员会于1953年重启,诺曼继续担任主席,并增加了新成员,致力于继续研究道路能力问题。

诺曼虽然在1957年成为公共道路局负责研究方面的副局长,但仍投入大量时间进行与《公路能力手册》第二版编写相关的工作。委员会其他成员也一样,在保持自己专业职位的同时,额外继续为《公路能力手册》第二版的编写投入大量时间和精力。虽然大家都意识到需要第二版,但依靠志愿人员的做法导致这项任务在时间和资源方面都遇到了挑战。

委员会重新启动后,做了两项最重要的努力:

1954年,委员会面向全国交通官员进行了一次详细的调查,向其分发了具体的表格和说明,以寻求关于灯控交叉口的实践数据。这个调查 取得了1600个信号交叉口的控制方法和数据。公共道路局对这项调查结果进行了详细分析。

1957年,委员会赞助出版了《公路研究公报167》(Highway Research Bulletin 167)。报告载有6篇关于道路能力的分析和建议方法的论文,这些论文基于相关专业人员的广泛研究,诺曼或沃克作为作者参与了其中的4篇。 《公路研究公告167》通常被称为“《公路能力手册》1.5版”,在其出版后的十年间被业界广泛使用。

到20世纪60年代初,面对有限的资源,委员会明显感到仅依靠志愿者的努力已经很难完成第二版《公路能力手册》。1963 年,公共道路局指派了5名员工全职编写,仍由诺曼指导。

随着编写工作取得新进展,委员会经过了长时间激烈的讨论,在1963年正式投票决定用单一和更明确的定义方式取代《公路能力手册》第一版中界定的三种能力级别,这就产生了 道路服务级别的概念,它可以用来描述在保持某些定义清晰的操作特征(指道路使用者使用道路时的操作状态)的情况下,道路可以容纳的有效最大流量。 如下所示:

服务级别E旨在复制1950年第一版《公路能力手册》中定义的“可能能力”的概念。这时的车流密度已经很高,随时可能发生中断。

服务级别D旨在反映日常情况中观察到的最大可持续交通流的服务水平。

服务级别C旨在复制《公路能力手册》第一版中定义的“实际能力”概念。

服务级别B代表在农村地区人们可以期望获得的“实际能力”。

服务级别A源于新泽西州收费公路(Turnpike)首席工程师查尔斯·诺布尔(Charles Noble)的意见。诺布尔指出,他的工作是设计收费公路,因此想提供高于“实际能力”的服务标准。根据他的意见,工作组引入了服务水平A的概念,即完全自由流车速的一种操作状态。

人们关于服务水平理念一直有着大量讨论乃至争论。服务水平是五个级别还是六个级别之争的焦点在于服务级别F是否属于服务级别。有观点认为,可以在五个级别之外设立一种“全面”类别,即服务级别F,用来涵盖在因某种故障导致的交通流中断的区域里可能发生的任何操作(美国标准是交叉口信号灯延误80秒以上为F级)。1965年第二版《公路能力手册》在参考文献中对这两种立场均表示了支持。还需注意的是, 服务水平概念的总体结构主要是为了不间断的流量开发的,特别是考虑到高速公路。这一概念随后被修改并应用于其他类型的道路,例如灯控交叉口。

1965年《公路能力手册》第二版扩充到411页,不仅建立并实施了服务水平的概念,还提供了很多新材料。例如,基于高速公路运营的一系列新认知,它被视为一个单独类别加以能力评价论述;关于灯控交叉口、主干道和市中心街道的能力评价也都增添了新材料;交织段和匝道领域的内容也得到更新;还增添了对公共汽车服务水平的评价(见图2)。

 

图2:《公路能力手册》第二版涵盖的道路类型

同上一版一样,交织路段和匝道终端等方法可应用于高速公路上的此类设施,以及其他类型的道路对平面交叉路口的处理范围也已扩大,包括了无信号交叉路口和信号交叉口的一些资料。

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《手册》第三版的变化

有赖于联邦、州和地方公路机构的广泛使用,第二版《公路能力手册》在美国得到了广泛的普及和接受。服务水平的概念也开始流行,成为评价公路设施服务质量的标准语言。

随着第二版《公路能力手册》使用人数的增加,人们对其成书质量的审视力度也加大了,这时出现了新的问题: 虽然服务水平概念得到了接受,但用于界定服务水平的业务措施是否适当等问题还存在很多争议,特别是信号灯控路口问题。人们发现在使用1965年第二版《公路能力手册》中的承载因子参数(load factor parameter,指路口的车辆数量)方法来评价路口能力时,往往很难解释和测量,于是 有人建议使用基于时间参数(time-based parameter,指通过路口需要的时间) 的方法来测算。这个变化非常重要。路口排队的车辆之所以多,很多时候是因为信号延误时间长。此外,工程师们出于分析和设计路口上下中断流量的需求,大量使用该手册,这也暴露出了手册对主干道和市中心街道的测算方法需要重大改进。第二版中新增的公交车一章,使得人们开始关注其他交通方式的测算方法,特别是行人和自行车的道路能力问题。

上世纪60、70年代是美国道路交通管理和技术研究发展的一个重要历史阶段,不仅很多研究有了质的进展,有关机构也发生了变化,比如,公路研究委员会变为运输研究委员会(TRB),联邦政府公共道路局成为联邦公路管理局(FHWA, Federal Highway Administration),公路能力委员会变成了公路能力和服务质量委员会(HCQSC)。

1977年,《公路能力手册》第三版的推出被提上日程。在委员会与各政府机构,特别是国家公路合作研究计划(NCHRP,National Cooperative Highway Research Program)和联邦公路管理局(FHWA)的合作下,制定了新的研究方法和计划。表1列出了为制定第三版作出贡献的国家资助研究项目。

表1:为制定第三版作出贡献的国家资助研究项目一览

 

到1970年代后期,委员会针对各种关键议题的编写审查了大量新材料。由于新版手册尚需要很多年才能出版,所以 委员会发布了TRB第212号通告,题为“公路能力的临时资料”(Interim Materials on Highway Capacity),其中很多内容包含在1985年第三版《公路能力手册》中,也就是表1中列出的一系列研究任务。

212通告提出了对信号交叉口、无信号交叉口、公交和行人(测算方法)的改进。由于《手册》第二版中关于灯控交叉口的测算方法受到的批评最多,因此212号通告演示了一种基于关键移动分析(critical movement analysis)的方法来测算灯控交叉口能力。这种方法取得了成功,得到了广泛应用且沿用至今。在非灯控路口的测算方法方面,则借鉴了瑞典的一种方法,并根据美国的实际需要做了修订。212号通告还对交织段的能力分析等提出了新的建议,并在其后的几年里形成了进一步的共识。

《公路能力手册》第三版出版发行于1986年1月。表2列出了其所包含的道路设施种类,以及其方法与第二版的关系说明。

表2:第三版《公路能力手册》所包含的道路设施种类及与第二版关系

 

与以往的版本相比,《手册》第三版有几个明显的变化:

第一次使用了合同制资助研究机构的研究结论。

◆第一次以活页形式出版,初衷是未来该手册会继续更新,有些内容会一页页地添加进去,后被证明不可操作。

第一次包含了一些非常困难的方法,以至于用人力测算会非常耗费时间。公路能力软件包(HCS package)由此在联邦公路管理局的资助下开发,以减轻计算的负担,特别是信号灯交叉口的能力测算。

该手册是最后一部由公路能力和服务质量委员会(HCQSC)全体成员审查所有章节和方法,全体成员都熟悉其内容的《手册》 该手册一共506页,其长度尚能允许每一位委员会成员通读并详细理解。

第三版问世后不久,公路能力和服务质量委员会(HCQSC)为《手册》每一章节都设置了一个永久性分会。这些分会负责审核手册使用者的反馈和评价,向委员会提出修改建议,以及审查相关的研究结论,为下一步修订手册提供方法等。

《手册》第三版的首次更新发布于1994年,有一半内容被替换或更新,涉及的章节有:定义和概念,交通流特征,基本的高速公路段,匝道和匝道交叉段,多车道公路,信号灯控路口,非信号灯控路口。

另外, 个人计算机的普及使很多人认为依靠人工来实施一些更新过于低效,这对《手册》的修订和使用产生了深远影响。因此, 伴随着每一个方法的更新,公路能力软件包也必须同步更新。为此,委员会与弗罗里达大学的McTrans计算中心有了更密切的合作,该中心一直负责公路能力软件包的存储和维护。

1995年,约翰·泽吉尔(John D. Zegeer)成为公路能力与服务质量委员会(HCQSC)主席,这个时间点与1994年手册更新面世的时间紧紧相连,对第三版手册的第二次更新也随即展开讨论,并计划在1997年完成。 1997年更新的内容于1998年早期面世,包括了全新内容和更新章节,涉及高速公路基础段、信号灯交叉口、无信号灯交叉口和城市主干道。

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内容显著扩展的第四版

到2000年第四版出版时,公路能力与服务质量委员会(HCQSC)已经处于持续的生产模式,大部分时间都在开发和审查全新和更新的材料,负责灯控交叉口的分会尤其活跃,不断提出更新和增加其测算方法。

第四版与前面几版有很大不同。在编写时,它考虑了潜在用户的广泛性。因为除了操作层面的分析人员和设计师等手册的传统使用者外,在规划方面使用手册的人员也大幅增加了,所以 第四版专门针对规划方面的需求订了很多标准流程。手册的覆盖面也有了扩展,增加了对多种类型的设施、走廊和系统的评估,虽仅限于通用模式,但已包括了一些分析流程和方法。第四版还触及了仿真软件问题,包括如何使用仿真软件补充或者评价《手册》的方法。该版本有1100多页,有了新的展示形式和边角注释,还有一张配套光盘,不仅包括了全部内容,还含有多媒体内容、网页链接资源、仿真教材和示例问题等。

第四版在章节组织上也发生了重大变化。全手册包括了五个部分, 第一部分是手册介绍材料,讲解了如何使用本手册的方法,包括服务水平定义,应用原则,决策方法,术语、符号等。不同设施的介绍内容分别编入了 第二部分“概念章”和第三部分“方法章”第四部分是针对走廊和区域分析的新资料, 第五部分是关于仿真软件的内容。由于当时美国有新的立法要求单位制式转换为公制单位,所以第四版还包括了两种单位:标准英制和公制。

1994年和1997年研究出来的新方法,仅经过很小的编辑改动就收入了第四版中。更早期的很多方法,则依据国家公路合作研究计划(NCHRP)和联邦公路管理局(FHWA)资助的研究项目结论,做了明显的改写和更新。

第四版《公路能力手册》的一个特殊变化,是介绍了一种新的方法来分析高速公路的基础段、交织段和匝道的能力。这套新方法相当复杂,计算几乎不可能由人力完成,而且该方法还没有用户友好度较高的软件,所以大部分手册的使用者直接忽视了这种新的计算方法。这也说明若要进行复杂的计算,拥有用户友好度较高的软件是非常重要的。

表3展示了第四版手册所覆盖的道路类型以及最后一次显著更新的时间。

表3:第四版《公路能力手册》所覆盖的道路类型

 

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篇幅庞大的第五版

在经历了1985年版与2000年版之间的更新热潮后,委员会最终决定放弃对手册进行临时的碎片型更新的想法,转而制作2010年版,即《手册》第五版的工作陆续开展。这也是两版之间时间跨度最短的一次。

此时, 各方面研究的进展还在加速,2000年后,由国家公路合作研究计划(NCHRP)资助的9个研究项目和联邦公路管理局(FHWA)资助的2个项目都得以完成。在委员会的支持和督导下,在《手册》之外,突破性地 发布了一本重要文件《公路能力手册实施指南》(The Highway Capacity Manual Applications Guide book),该指南通过提供综合详细的案例研究,诠释了如何运用《手册》和其中的方法来进行复杂的案例分析和测算。同时也指出在使用《手册》时,有一些情况类型需要结合其他模式进行测算。《指南》的成功发布,又给委员会带来了一个新的问题,即每次更新《手册》时,还要更新《指南》。

如果说第四版代表了《手册》所涵盖的材料和内容有了显著扩展, 2010年的第五版,则是名副其实的“内容大爆炸”,篇幅已超过3000页。该版包括(但不限于)的新材料有:

各种不同形式的互通立交匝道终端的分析方法。

各种环岛的分析方法。

将多模式通行纳入城市街道和交叉口分析,这种分析方法还包括了预测道路使用者对服务质量的看法。

一种分析高速公路交织段的新方法。

开发用于规划应用程序的综合默认值集,以便在一些需要的数据无法获得时使用通用参数。

为规划使用开发基于日平均流量的道路服务流量数据。

关于使用替代工具和模型分析道路能力和服务质量的附加指南。

一种共享道路的新分析方法(行人和非机动车)。

为提高道路能力和服务质量而实行主动交通流管理而产生的影响的新资料。

将指南应用也纳入手册。

第五版的章节组织和发布形式与以往有根本不同。手册包含四个单独卷,其中三卷有印刷版,采用的是分离式活页夹形式,第四卷仅有发布于网络的电子版。只有购买了印刷卷的用户,才能获得电子版。

第五版的内容非常丰富,篇幅超过3000页,对比第一版的147页,在这60年里,研究投入之巨大,可见一斑。如此一个大型工具书,已经不可能要求任何人通读和了解全部细节了,而且无论是对委员会和还是分会的编写人员,也不能要求他们通晓全部内容,所谓术业有专攻,在这方面有了充分的体现。

更值得关注的是, 从2010年起,美国道路质量和服务委员会就已经在策划对第五版进行更新,委员会批准了国家公路研究合作项目资助的关于行程时间可靠性的研究计划(travel time reliability ,NCHRP Project 3-115)等,这些后续的研究计划将被写入第六版。 截止去年,《公路能力手册》部分章节已得到更新。

(本文经授权转载至微信公众号“官点”,作者:公安部道路交通安全研究中心特约专家、3M交通安全系统部首席交通安全教育与政策联络官 官阳)

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