交通工程学概论

道路交通系统分析
第一章交通工程学概论
1.1 交通工程学的定义、与发展
1.1.1 交通工程学的定义
交通研究可分为两个门类，一个是交通工程，一个是交通科学。

交通科学基础研究的目的是发现制约交通系统的基本规律；而交通工程的目的则是交通运输网络和交通控制系统的规划、设计和实施。

前者是后者的基础，后者是前者指导下的实践。

两者相辅相成，缺一不可。

1．多种提法
交通工程学是一门研究道路交通中各种交通现象的基本规律及其应用的一门正在发展中的新兴学科。

各国学者从不同的角度、用不同的观点和方法进行探索、研究、认识并提出自己的定义，因此对这一学科的理解和定义有多种提法：
20世纪40年代美国交通工程师学会的定义：交通工程学是工程学的一个分支，它研究道路规划、几何设计、交通管理和道路网、终点站、毗连区域用地与各种交通方式的关系，以便使客货运输安全、有效、经济和方便。

澳大利亚著名的交通工程学教授布伦敦的定义：交通工程学是关于交通和出行的计测科学，是研究交通流和交通发生的基本规律的科学，为了使人、物安全而有效地移动，将此学科的知识用于交通系统的规划、设计和运营。

1983年世界交通工程师协会会员指南提出的定义：交通工程学是运输工程学的一个分支。

它涉及到规划、几何设计、交通管理和道路网、终点站毗连用地与其它运输方式的关系。

前苏联学者的定义：交通工程学是研究交通运行的规律及其对道路结构、人工构造物的影响的科学。

英国学者的定义：道路工程中研究交通用途与控制，交通规划，线形设计的那一部分称为交通工程学。

日本学者的定义：考虑客、货运输的安全、便利与经济，综合探讨公路、城市道路及相邻连接地带的整体用地规划、几何线形设计和营运管理等问题，属于工程上的分支学科。

我国《交通工程手册》给出的定义：交通工程学是研究道路交通中人、车、路、环境之间的关系，探讨道路交通的规律，建立交通规划、设计、控制和管理的理论方法，以及有关设施、装备、法律和法规等，使道路交通更加安全、高效、快捷、舒适的一门技术科学。

2．范畴
（1）道路工程学
道路工程学是从事道路的规划、勘测、设计、施工、养护等的一门应用科学和技术，是土木工程的一个分支。

道路通常是指为陆地交通运输服务，通行各种机动车、人畜力车、牲畜及行人的各种路的统称。

道路按使用性质分为城市道路、公路、厂矿道路、农村道路、林区道路等。

城市高速干道和高速公路则是交通出入受到控制的、高速行驶的汽车专用道路。

道路工程学的研究内容主要有：道路网规划和路线勘测设计、路基工程、路面工程、道路排水工程、桥涵工程、隧道工程、附属设施工程和养护工程等。

（2）交通运输工程学（Transportation Engineering）
交通运输工程学是把现代技术和科学原理应用于各种运输方式及运输设施的规划、功能设计、运营和管理，以实现安全、迅速、舒适、方便、经济和与环境相协调地运送旅客和货物。

交通运输系统由5种运输方式（子系统）组成，即铁路、公路、水路、航空、管道。

各种交通运输方式应统筹规划、合理分工、扬长避短、协调发展，以提高综合运输能力，适应国民经济可持续发展的需要。

美国（1978年）已将交通工程学会改为运输工程学会，并将运输工程学的定义为：“适用于所有交通工具的设施规划、机能设计，以及运用管理方面的、技术方面的科学,以实现人员、财物运输的安全、迅速、舒适、便利、经济，并且与环境相协调”，并将相对应的交通工程学定义改为：“处理道路、街道、高速公路及其网络、起终点站、相关联的土地使用，线形几何设计、交通运用以及处理与其他交通的关系”。

显然运输工程具有广泛的含义。

同时，也说明随着科技进步学科内容更新，其定义与含义也自然会随之发展。

（3）交通工程学（American Institute of Traffic Engineering）
40年代美国：是道路工程学的一个分支，主要研究道路规则、几何设计、交通管理和道路网、终点站、毗连区域用地与各种交通方式的关系，以便使客货运输安全、有效和方便。

（1983）美国交通工程师协会（ITE，Institute of Transportation Engineers）提出的定义：交通工程学（亦称道路交通工程，仅研究道路上的交通）是交通运输工程学的一个分支，涉及规划、几何设计、交通管理和道路网/站点用地、与其他运输方式的关系。

一般概念：交通工程学是以人（驾驶员和行人等）为主体、以交通流为中心、以道路为基础，将这三方面有关的内容统一在道路交通系统中进行研究，综合处理道路交通中人、车、路、环境之间的时间与空间的关系的科学。

它寻求的是道路通行能力最大、交通事故最少、能源消耗与公害影响最低、运输效率最高而费用最省的科学措施，从而达到安全、迅速、经济、舒适和低公害的目的。

交通工程学研究的内容涉及工程（Engineering）、执法（Enforcement）、教育（Education）、环境（Environment）、能源（Energy）等许多领域，人称“五E”科学。

3．研究目的：
●提高道路通行力（通畅）
●提高运输速度（快速）
●减少交通事故（安全）
●提高交通舒适和方便程度
●减少交通污染（环保）
●节省能源消耗（节能）
1.1.2 交通工程发展的回顾
1．步行时代
在车辆发明以前漫长的远古时期，人类为了追捕、逃避兽类，就要迅速奔跑，为了获取食物，就要从事采集和狩猎活动。

但真正的运输活动要从创造和使用运输工具的时期算起，最早的运输工具是木棒，在木棒的一端缚上重物，由人背负，或木棒的中部放置一个重物，由两人抬行。

在人类从渔猎时代进入畜牧时代，某些野兽如牛、驴、马等。

经过驯化供人役使，成为人类的运输工具。

以后人类又发明了一种运输工具，这就是撬，可用于雪地、草地或土地，
用以拖曳物品。

其后又在撬板的底下安放圆木，以滚动代替滑动，从而大大减少了摩阻力。

2．马车时代
近代世界上一些文明古国所在地都先后从出土文物中发现过车的遗迹。

中国是最早发明使用车的国家之一，相传在4600年前黄帝时代已创造了车，至商代中国的车工已能制造出相当精美的两轮车，表明商代的车已有一辕、一衡、两轭、一舆。

从舟车到马车，使人类交通进入车辆时代，车轮的发明对于人类的文明发展起着相当大的促进作用。

在古代用马、牛、骆驼或人来牵引车轮进行运输，但最常用、最有效、最普遍的还是马车，历史上称为车轮文化，又称马车时代。

车轮文化在中国和欧洲均较发达，从某种意义上讲，也可以说交通工程学是随着车轮文化的出现而产生的。

我国古代对交通工程极为重视，交通也相当发达。

但也不能不指出在车辆的动力方面，长期以来均依靠人、畜与风力，没有较大的进展，拉车速度最高的动力就是马，故一般称其为马车时代，其速度受马力所限无法提高。

3．汽车时代
19世纪末，产业革命之后出现了蒸气机和电动机，为运输工具的改革和发展提供了良好的条件。

于是，以动力机械驱动的各种机动车辆纷纷制成，成为道路交通发展的一个里程碑。

最先出现的是蒸气机车，它们组成列车在轨道上行驶，运量大，速度快，受气候影响小，在19世纪末期，即已成为资本主义国家旅客运输和大宗货物运输的主要工具。

1885年，德国人K.本茨（karl.Benz）第一次制成了用内燃机作为动力的汽车，从此汽车很快就成为主要的运输工具。

它具有行驶迅速、机动灵活、乘坐舒适、使用方便等优点，不要求有固定的轨道，且适用于公路和城市道路的客、货运输，也可用于军事、体育以及其他方面。

现代大城市要求多种运输工具组成的交通网络，除汽车外，还有有轨电车、无轨电车、轻轨车辆、电动汽车、摩托车、轻骑等。

4．高速公路时代
20世纪30年代之后汽车工业迅速发展，公路运量激增，形成了车多路少、事故率不断上升的局面，交通需求难以满足。

加之汽车速度提高很快，这一状况推动了公路的发展和技术标准的提高。

一说世界上最早的一条汽车专用道路是1921年德国在柏林西部建造的一条l0km的往返分离的高速道路，然后1933年在柏林至汉堡修建了一条更长的高速公路；一说意大利于1924年首先建成了一段高速公路。

1937年美国在加州也修建了一条高速公路，40年代后，许多国家仿照德、美，也修建了高速公路。

有些国家甚至已建成了本国的高速公路网并与邻国相接。

据1997年不完全统计，80个国家和地区拥有高速公路通车里程已达20多万公里，中国已通车的高速公路到2001年底已达1.94万公里。

高速公路具有运量大、速度快、效率高、事故少、灵活、方便等优点，其缺点是建设造价高，占地多。

5．智能运输时代
智能运输时代是交通发展的一个新阶段，是社会经济发展与科技进步的必然产物。

一方面有此需要，进入20世纪90年代以来汽车增加很快而道路难以迅速增加，各国交通拥堵，事故频发，环境污染，道路设施不足，同时土地能源方面的矛盾也日益突出，要大量修筑新路就要占用大量土地，造价高昂，矛盾尖锐，难以付诸实施；而另一方面由于科学技术的进步，特别是计算机与信息技术、电子技术的飞速发展。

在20世纪60年代日本、欧洲就开始了智能运输系统（ITS）的研究，美国也投入了大量人力资源，研究车辆与交通的控制、传感器接收、输送等元件和各种自动控制系统组成智能运输系统，也称自动化公路运输系统（AHS）。

美国1997年8月在南加州San Diego15号州际公路上的约12.22km（7.6英里）长的自动化公路试验段对各项自动化指标进行了试验。

总的看来，智能运输系统还处于研究试验开发阶段，各经济发达国家都争相投入大量开
发研究经费，试图获取重大进展，发展中国家也纷纷加入，希望能从此解决交通拥挤。

1.1.3 交通工程学科的建立与发展
1．交通工程学创立的初期
主要是交通管理，诸如给驾驶员发执照，设立交通标志，安装手动信号机，进行路面画线等，以减少交叉路口的阻塞。

20世纪40年代，交通工程人员开始意识到，只靠简单的交通管理，无法根治交通问题，修建道路若不以交通量大小为依据，则带有很大的盲目性。

于是增添了交通调查、道路规划的内容。

在修路之前，首先调查现状交通量，预测远景交通量，根据预测车流的流量、流向，对道路布局、标准、线形几何设计提出要求，同时考虑交通管理方案，配备必要的交通设施并就提高投资效益进行技术经济论证。

进入20世纪50年代以后，各工业发达国家，为了尽快恢复第二次世界大战期间受到破坏的工业，大规模修建公路，推动相关行业的发展。

1956年，美国颁布的联邦资助公路法案，提供250亿美元，全力支持州际、国防公路建设。

其经费，联邦政府负担90%，州政府负担10%。

计划修建高速公路的总里程为6.8万km，联结42个州的首府，全国5万人口以上的城市几乎都在该系统上。

日本于1957年4月颁布了高速公路干道法，次年修建第一条高速公路，名神高速公路。

英国自1957年开始修建高速公路，平均每年建成110km。

德国是最早修建高速公路的国家，从1933年开始，后因战争，曾一度中断。

到1955年，前联邦德国又在全国范围内建设高速公路系统，平均每年修建150km。

高速公路的修建，带动了汽车工业，也刺激了钢铁、橡胶、有色金属、塑料、石油、电器、动力、玻璃等行业的迅速发展。

各国汽车拥有量增加很快，至1996年，美国有17975.5万辆，英国有2569.3万辆，法国有3029.5万辆，德国有8181.8万辆，日本有7122.2万辆，意大利有3321.0万辆，加拿大有2052.7万辆，澳大利亚有1065.1万辆。

在美国，陆路交通打破了以铁路为中心的局面，形成了“汽车化”运输的新格局。

因此，在这个时期，交通规划的理论与方法、道路通行能力、线形设计、立体交叉设计、工程建设项目可行性研究、停车问题就成了交通工程学的研究课题。

公路交通与铁路、水运、航空和管道运输的衔接，小汽车、公共汽车、轨道交通等各种交通方式的特点及如何充分发挥各种交通方式的功能以满足交通需求等，也开始进行研究。

2．交通工程发展的中期
进入20世纪60年代，由于汽车数量激增，美、英、前联邦德国、法、日等国的每公里公路平均汽车密度逐渐趋于饱和。

1969年至1996年，这些国家的汽车拥有量按每公里公路的车辆拥有计算：英国39/71辆，前联邦德国33/72辆，美国18/31辆，日本15/62辆，法国9/37辆，1996年，意大利、加拿大与澳大利亚每公里公路的拥有车辆分别为109辆、22辆与12辆；若以高速公路每公里拥有量计，加拿大为1080辆，美国为2234辆，法国为3314辆，意大利为3748辆，德国为4649辆，英国为8029辆，澳大利亚为9182辆，日本为12153辆。

各国车辆增加很快，因此，交通拥挤、阻塞现象严重。

在纽约、巴黎、伦敦、东京等城市的中心街道上，平均车速每小时只有十几公里。

同时交通事故与日俱增，越来越严重地威胁着人们的生命安全。

为了疏导交通，减少交通事故，提高道路通行能力，于是，倡导“交通渠化”，用计算机控制交通，改进道路线形设计，保持各线形要素之间协调。

在此期间，开始在一个地区或一个城市做交通规划，并按照规定的格式，做出行调查，用出行产生、交通分布、交通方式划分、交通分配的程式进行交通预测；从供需平衡的角度布设路网、枢纽、场站等交通设施。

20世纪70年代，由于能源危机，石油价格急剧上涨。

同时，大量的汽车尾气、噪声、
振动危及人们的健康，这就迫使工业发达国家对交通进行综合治理。

1975年9月，美国提出交通系统管理，即TSM（Transportation System Management），旨在节约能源、改善交通环境、充分利用现有道路的空间、控制车辆和车辆出行、协调各种交通方式，力求达到整体效率最高。

在此期间，注意研究大众捷运系统，倡导步行，对公共交通实行优惠政策，推行合乘方式，减少不必要的客流、车流，保护环境，挖掘现有交通设施的潜力等。

20世纪80至90年代，工业发达国家，多数城市的发展已经定型，大规模进行交通规划的时代已经过去，交通工程的研究问题，多集中于交通管理方面。

在交通工程学的发展过程中，对如何解决交通拥挤、堵塞问题，各工业发达国家根据自己的国情，采取了各自不同的措施。

美国、加拿大等国，因其疆域辽阔，采取增加道路车道数的办法，最多的增加到20多条车道。

日本则由于其国土狭窄，在路上增加车道有困难，因而采取设置交通自动控制系统的办法。

北海道的中央高速公路，在1984年刚刚建成时，亦建有全部控制系统。

他们认为高速公路一旦建成后，交通量就将迅猛增长，届时再行改造极不经济。

欧洲各国所采用的措施则介于二者之间，尽管他们采取了增加车道和加强控制的措施，仍难以满足交通量日益增长的需要。

此外，交通安全也是一个重要问题。

世界各国在兴建高速公路后，交通事故率有所降低，但由于在高速公路上车辆高速行驶，交通量增长，恶性事故率又有所上升。

因此，研究采用高新技术，以提高公路交通的安全度和通行能力，改善日益恶化的公路交通，就成为大家公认的惟一可行的途径。

3．近期交通工程的发展
使世界各工业发达国家均集中大量人力、物力、财力，采用各种高、新技术，研究“智能车辆道路系统（Intelligent Vehicle Highway System，IVHS）”，或称智能交通系统（ITS）。

日本和欧洲动手较早，从20世纪80年代后期即开始进行。

美国起步较晚，在1991年，美国“地面运输方式之间的效率法案（Intermodel Surface Transportation Efficiency Act of 1991，ISTEA）”通过后，才得到联邦政府的重视和支持。

目前世界各工业发达国家已形成北美（美国、加拿大两国）、欧洲（有10多个国家参加）和日本三大研究集团。

这些集团开发的项目很多，但概括起来，不外以下几个方面：（1）先进的车辆控制系统（Advanced Vehicle Control System ，A VCS）或称智能车辆控制系统。

（2）先进的交通管理系统（Advanced Traffic Management System，ATMS）或自动高速公路系统。

（3）先进的驾驶员信息系统（Advanced Driver Information System，ADIS）。

以上三项为主要组成部分，另外，还有先进的公共运输系统、先进的交通信息系统及商用车辆营运系统等，以及针对各个运输部门和企业的子系统。

1.2 交通工程学科的内涵、外延、性质与特点
1.2.1 交通工程学科的内涵（范围）
随着科学技术的发展和交通需求的增长，交通工程得到了迅速的发展，从而使交通工程学科的内容日益丰富。

其主要研究的内容有：
1．交通特性：人、车、路的交通特性和交通流的一般特性（流量、密度、速度等）；
2．交通调查：主要调查交通的流量、流速与起讫点，调查运输工程的时间、空间分布，及交通事故和对环境的影响；
3．交通流理论：运用概率理论，流体力学理论与动力学理论，宏观与微观的方法，研究连
续车流、间断车流与混合车流的速度、运行规律与通行能力；
4．交通规划：研究运量的发生、分布、流动等需求的发展变化规律及满足此项需求的方式、方法和相应的工程与管理措施；
5．停车设施规划：停车需求与停车设施的规划、设计、管理；
6．交通法规：根据交通特性与法学原理研究维护交通秩序，保障交通安全通畅的规则、条例、规定和办法，是调解人、车、路关系的准则；
7．交通管理与控制：研究组织、指挥、控制和管理交通的政策、技术、方法、措施、设备，以充分发挥路网、路段和交叉口的潜力，保障交通安全畅通；
8．交通安全：研究交通事故发生的统计分布规律，分析交通事故的各种影响因素，进行交通安全评价、安全措施及其效益分析与评价，预测交通事故等；
9．交通环境保护：研究减少或消除交通噪声、废气、和振动对环境的不利影响，为提高城市环境质量，创造良好的生活环境服务。

10．城市公共交通系统：公共交通方式、公交车辆、公交线路规划理论、方法及交通信号配时优化等；
11．新交通体系及各种交通设施：研究ITS技术、内容与评价、实施。

如：A TMS、A TIS、APTS、CVOS、ECT、AHS等等。

1.2.2 交通工程学科的外延（相关学科）.
交通工程学的研究对象、内容、目的及其相关学科如下图所示：
相关科学研究对象研究内容研究目的
道路网规划
道路线型设计
道路交叉设计提高道路
对路的研究
道路的环境通行能力
（畅通）
驾驶员特性
对人的研究
行人特性
人体工程人交通流特性提高运输
交车流特性交通调查速度（快速）
通行能力
运输工程通
汽车工程
车
交通法规减少
工交通信号自动控制交通事故
交通管理与交通标志（安全）
道路工程路程控制交通渠化
道路照明提高交通舒适学和方便程度
环境工程环境事故调查分析
交通安全研究事故规律减少
安全措施交通污染
（环保）
交通规划
交通环境保护
交通宣传教育节省能源消耗
其他研究
交通节能（节能）
1.2.3 交通工程学科的性质.
交通工程学科是一门发展中的综合性学科，它从交通运输的角度，把人、车、路、环境与能源作为统一的有机整体进行研究和应用。

就学科性质而言，它既从自然科学方面研究交通的发生、发展、时空分布、分配、车辆运行、停驻的客观规律，并作定量的分析计算、预测、规划、设计与营运等等，又从社会科学方面研究交通的有关法规、教育、心理、政策、体制与管理等。

因此，交通工程学是一门兼有自然科学与社会科学双重属性的综合性学科。

1.2.4 交通工程学科的特点
1．系统性
交通与整个社会经济系统密切相关，自身又是一个由诸多相互联系、相互作用、相互制约的要素（人、车、路、环境、能源等）所组成的有机整体，是一个多目标、多约束、开放性的大系统。

因此交通工程学最重要的方法论基础就是系统分析和系统工程。

以系统分析原理来认识交通问题，以系统工程原理来解决交通问题，是交通工程学科发展的必由之路，也是现代交通工程学的一个显著特点。

2．综合性
交通工程学研究的内容涉及工程（Engineering）、执法（Enforcement）、教育（Education）、环境（Environment）、能源（Energy）等许多领域，人称“五E”科学；又与地理、历史、经济、政策、体制等诸多因素有关，是一门集自然科学与社会科学、"硬"科学与"软"科学于一身的综合性很强的科学。

3．交叉性或复合性
交通工程学研究的对象具有多方面的边际性或交叉之处，如汽车行驶理论与降低汽车的废气排放、噪声、振动、道路几何线形、道路通行能力、交通规划、设计、交通管理与控制等均同其他科学相互交叉或相连接，又如智能交通系统（ITS），它是交通工程学科与电子工程学科、信息工程学科、自动控制学科、计算机技术学科、汽车工程学科等在交通运营管理中相互交叉、相互融合。

4．社会性
交通系统是社会经济系统中的一个子系统，涉及社会的各个方面，特别是交通规划、交通管理、交通法规等，差不多同社会各个方面均有关，如政策、法规、技术、经济、工业、商业、生产、生活等社会各个阶层、各个单位，从人员讲涉及到全体市民，并直接影响到他们的工作、生活和学习娱乐。

5．超前性
道路交通工程是为国民经济发展，为人民的生产、生活，以及科技、教育、文化等活动服务的，是区域和城市发展的载体，社会经济活动的支撑体系，社会经济发展，生活水平提高，交通必须先行。

加之交通工程本身的建设与使用期限长，要使交通工程建设能适应今后一段时期的运输要求，就要预测或设想今后一个很长时期（20~30年甚至更长时间）的交通需求情况和，工程实施后的深远影响，因此，必须超前考虑，提前规划。

6．动态性
交通流车身就是一个动态系统，又是一个随机系统，具有典型的随机特性，其在道路网络上的分布，随时间与空间而不断变化，常常表现为空间（网络的某一路段）与时间（早、晚高峰）的集中而分布不均，甚至可能由于某一偶然因素而改变其正常分布，动态性十分显著。