作者：陈队永 杨永亮 赵青 贾世东编著
出版社：中国铁道出版社
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高速公路服务系统评价理论与方法试读：
前言
Preface
高速公路服务系统是交通运输系统的一个子系统，主要是由高速公路的线路主体设施、服务停靠设施、信息通信设施、运输车辆、运营管理、法律法规体系、交通参与人员以及交通环境等诸多要素所构成的有机整体。这些要素相互联系、相互作用、有机结合，目的是高效、安全、快捷、方便地实现人和货物的移动。
高速公路服务系统的目的以满足人和物的位移为核心，保证服务正常，车辆使用可靠，安全生产，达到最佳的材料用量和最低的劳动消耗，减少整个道路运输行业对环境的污染和人类的危害，实现空间和时间效益，取得最佳的经济效益。
随着我国高速公路建设步伐的加快，高速公路通车里程将日益增多，高速公路之间以及高速公路运输与其他运输方式之间的竞争日益激烈。因此，高起点加强高速公路服务系统质量管理具有重要意义。
本书运用系统工程分析方法对高速公路服务系统的基本概念、基本理论和基本方法进行了阐述。主要介绍了高速公路的交通特性、服务系统基础理论、服务质量理论、服务质量系统分析、服务系统评价体系、服务系统评价方法、服务系统评价标准、服务供给系统评价、需求满意度评价以及改善高速公路服务系统质量的措施。
通过系统分析高速公路服务系统特性，从服务需求和供给不同的角度建立高速公路服务系统评价体系，将有助于提高高速公路服务评价的规范化、标准化，便于相关管理部门的行业管理，提高高速公路的竞争优势，更好发挥高速公路的功能特点及优越性。
本书第1章、第4章、第8章和第9章由石家庄铁道大学陈队永撰写；第2章和第5章由衡水市公路工程质量监督站杨永亮撰写；第3章和第6章由衡水市公路工程质量监督站赵青撰写；第7章和第10章由衡水市交通运输局贾世东撰写。全书由陈队永进行统稿。
书中参考了大量的相关文献和资料。由于所参考的文献和资料较多，只能将主要的文献列于书后。在此谨向所有文献和资料的作者表示衷心感谢和敬意。
限于时间和作者的水平，书中不妥和错漏之处在所难免，敬请专家和读者批评指正。
作者2014年6月第1章高速公路交通特性分析1.1高速公路的功能与特点
1.1.1 高速公路的定义及功能特征
联合国欧洲经济委员会运输部对高速公路作了如下定义：“利用分离的车行道往返行驶交通的道路”。具体规定是具有分隔带，全部立交，禁止汽车以外的任何交通工具出入。根据我国《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）规定：高速公路为专供汽车分向、分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。其中四车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量25000～55000辆。
为保证行车安全，高速公路还设有必要的标志、标线、信号及照明设备，禁止行人和非机动车在高速公路上行驶，与铁路和其他公路相交时采取立体交叉，行人跨越则用跨线桥或地道通过。除具有普通公路的功能外，高速公路还具有其自身的功能特征。
1.交通控制、汽车专用
高速公路不仅不允许出现混合交通，而且对进入的车辆和车速都有严格的要求和限制，以避免车辆混流。在通常情况下，高速公路规定：凡非机动车辆、由于车速较低可能形成危险的车辆和可能妨碍交通的车辆，如自行车、摩托车、拖拉机、农用车以及装载特别货物的车辆等，都不得进入高速公路。为防止车辆因车速差别过大而造成超车次数过多的情况，高速公路一般划分有行车道、超车道、快车道和慢车道，并对各类车辆在不同车道上行驶的速度加以限制，一般规定速度低于每小时60km的车辆不得上高速公路，最高时速不宜超过每小时120km，遇到冰雪、雨雾天气或灾害事故时，高速公路管理机构还要设置可变的信息提示标志，要求车辆按限定的速度行驶。
2.分隔行驶
为保证安全，高速公路采取了不同于普通公路的分隔行驶的办法：一是在路面中央设立分隔带，实行车道分离、渠化，从而隔绝相向对行车辆的接触，避免车辆的擦挂或相撞；二是至少为同向行驶车辆设置两个以上车道，用划线的方法将车道分成主车道和超车道，或分为快车道和慢车道，以减少由于车速差别发生超车带来的干扰，避免事故的发生。同时，高速公路通常会在主车道和超车道之外设置紧急车道，供发生故障或特殊情况的车辆临时停靠或等待救援。一些地方还设置了加（减）速车道、辅助车道，以增加安全度。调查资料表明，有分隔带的四车道公路要比无分隔带的同样公路事故率降低45％～65％。
3.控制出入
为避免车辆混流造成的横向干扰，保证道路畅通和车辆高速行驶，高速公路实行严格控制车辆出入的办法，其方式主要是采取全封闭、全立交，使高速公路与周围环境隔离，从而限制非机动车、行人、牲畜的进入，通行车辆也只能从互通式立交匝道出入高速公路。全封闭主要采用护栏、高路堤、高架桥等措施，能有效地消除平面交叉带来的横向干扰，保证车辆高速行驶的安全。据国外资料反映，实行全封闭、全立交的高速公路的事故死亡率比不实行的普通公路减少60％。
4.采用较高的技术标准
高速公路设计和施工以及后期管理都采用了较高的技术标准。由于高速公路路基、路面、桥梁、涵洞及相关设施采用较高技术标准设计和施工，因而投资较大。高速公路在线形选择上也有独特的要求，既要避免长直线形的路段，又要防止转弯半径过小影响安全，一般采用大半径曲线形，根据地形以圆曲线或缓和曲线为主，既增加了线路的美观性，又有利于保证行车的舒适和安全。
5.具有完善的交通工程设施和服务设施
高速公路不同于普通公路，除具有基本的道路使用功能外；还要满足驾乘人员较高层次的需求，如对优美环境、对车辆维护、救助的需求，以及食宿、娱乐、信息传递等方面的需要。因此除道路设施外，高速公路还设有不少交通工程和服务设施，典型的如服务区、加油站、提示标志标识等。这些设施为车辆的高速运行提供了技术上、物资上的供应和保障，使道路不仅具有车辆通行的功能，而且能够成为一个能源、信息传递的多功能载体。
1.1.2 高速公路的特点
高速公路的多功能作用促使公路交通运输业发生了质的变化，使之成为当今一种新型的、具有巨大发展活力的现代运输手段。高速公路与一般公路相比具有如下优越性：（1）运行速度快、运输费用省。据调查，高速公路平均技术车速约为80～100km/h，最高可达150～200km/h，而一般公路只有20～50km/h。由于车速的提高，可缩短运行时间，降低油耗、车耗和运输成本。（2）通行能力大、运输效率高。通行能力是指单位时间内道路容许通过的车辆数，是反映道路处理交通数量多少的指标。一般双车道公路的最大通行能力约为5000～6000pcu/d，而一条四车道的高速公路一般通行能力可达25000～55000pcu/d，相当于7～8条普通公路的通行能力，六车道或八车道的高速公路可达70000～100000pcu/d。高速公路的建设，还有力地促进了汽车运输车辆的大型化（重型载货汽车）、拖挂化（汽车列车）、集装箱化、柴油化和专用化（如冷藏车等专用特种车辆）等。（3）减少交通事故，增强可靠性。高速公路由于采取了控制出入、交通限制、分隔行驶、汽车专用、自动化控制管理系统等确保行车快速、安全的有效措施，使交通事故比一般公路大大减少。据国外统计，高速公路事故率为一般公路的1/10，死亡率为一般公路的1/3。另据我国公安部对道路交通事故万车死亡率统计，美国为2.5～3.3，德国为3.6～5.6，日本为2.8～3.2，而我国1990年为33.38，2000年为15.6，2005年为7.57，这其中的主要原因是高速公路的存在和发展。据统计，高速公路的事故率和死亡率只有一般公路的1/3～1/2。高速公路每亿车公里的事故费用只有一般公路的1/4左右。据推算，我国每年修建5000km高速公路，每年可减少8200人死于交通事故，沈大高速公路交通事故死亡人数比建路前下降83.3％，受伤人数下降54.9％。（4）缩短运输时间，提高社会效益。高速公路技术等级高、质量好、运输条件及设备齐全，不仅缩短运行时间，而且提高运输质量，增加了汽车容量，加快了车辆周转。据日本对全国8个部门货运时间的调查，各种运输方式，商品流通的平均时间分别是：铁路46h，海运20.4h，空运17.8h，而高速公路由于转装环节减少，平均仅为7.9h，加快了商品流通，减少了货物积压。高速公路的发展还有利于加快工业开发、改善工业布局、促进城乡交流、加速沿线经济发展、缓解城市交通、调整城市格局，使社会受益。（5）提高了客货运输量。例如，意大利的高速公路仅占全国公路总里程的2％，但其承担着全国公路20％和68.7％的客、货运输量；德国的高速公路仅占全国公路总里程的1.73％，但其运量却占了公路总运量的37％；美国高速公路只占全国公路总里程的1％多，但其承担了全国公路总运量的21％以上；日本的高速公路只占全国公路总里程的0.28％，但其承担了全国公路总运量的25.6％。据国外评价，一条4车道的高速公路运量相当于6条单线铁路的运量，而公路土地占用只为条铁路的（6）节省燃料，减少汽车损耗。由于高速公路路况好、时速高，可节省燃料和减少汽车轮胎及机件损耗。据美国政府测算，1956～1980年高速公路上的汽车运输仅因减少在路口刹车、停车及加速而减少消耗汽油费就高达58亿美元。高级路面比中级路面可减少汽车轮胎及机件损耗一半。（7）促进各国（或地区）经济发展，社会经济效益巨大。日本1956年修建名古屋到神户的高速公路，10年内沿线14座互通立交附近增加了800多家企业，爱知县已经发展成为一个新兴工业城市。另据德国公路总署测算，每投资1美元高速公路，可给使用者带来2.9美元收益，即二者之间的比例为1∶2.9。建设高速公路不仅可从中获得巨大的社会经济效益，而且还可使国家的工农业、商贸业、旅游业等发展起来，促进高速公路沿线地区的产业化、城镇化和现代化。（8）节省用地，提高土地利用率。修建高速公路用地比一般公路要多，但从用地的效益来看，实际是节省了用地。据测算，每建100km高速公路，比修建担负同等交通量的一般公路可节省土地600亩（4km长高速公路）。修路占用土地的损失，可从整个公路运输的社会效益中得以补偿，并远远超过占用土地损失的经济效益。（9）投资效益好，资金回收率高。高速公路多分布在工业及人口集中的地区，客、货流量大，运输效益高。如日本名神高速公路长189km，占日本公路总里程的0.35％，而它所承担的货运量占公路总运量的12.3％。1.2高速公路的道路特征
高速公路是在普通公路基础上发展起来的汽车专用公路。因此，其道路特征与普通公路相比有很大差别，设计考虑因素多，线形标准高，充分保证了道路功能的发挥。高速公路道路特征一般也称为线形几何设计，主要包括道路平面线形，纵断面线形，平、纵面线形组合及横断面组成。
1.平面线形
平面线形是由直线、圆曲线、回旋线三种要素组成。在高速公路设计中，回旋线已不是缓和曲线的狭隘意义了，而是规定作为在视觉方面能得到平顺圆滑线形的条件，它与直线、圆曲线一样，或者更为频繁地被采用作为主要的线形要素。可以说高速公路采用的是以圆曲线及回旋线为主配以短直线或无直线的平面线形设计，这是与普通公路所不同的。这种以曲线为主的线形，容易适应自然地形，能做到与地形、地物、景物等的配合协调，而且线形圆滑平顺、美观、舒适。高速公路平面线形采取以曲线为主的设计，在路线满足行车动力要求条件下，要充分考虑交通工程心理学和美学上的要求，以保证汽车的高速、安全与舒适行驶。
2.纵断面线形
纵断面线形由直线和竖曲线组成，在纵向变坡点必须设置竖曲线，以保证行车舒适和需要的视距，竖曲线大多采用二次抛物线。高速公路纵断面线形设计，不仅考虑行驶动力学和安全上的需要，而且在视觉舒适性及美感上都特别重视。因此，纵断面线形要采用连续的曲线线形设计，在整条路线上紧密配合平面线形，尽量采用平缓的纵坡，大半经的竖曲线，使路线与地形特点相适应，平、纵线形相协调，给驾驶员心理上由线形连贯舒畅的感觉，以保证汽车安全、舒适地高速运行。同时纵坡设计要做到不产生路面排水迟缓的现象，对于不同的纵坡值，要考虑坡长限制。
3.平、纵面线形组合
公路线形是由平面线形和纵断面线形组合而成的立体线形，它决定着公路建成后是否能发挥预定功能及经济效益的大小。高速公路的线形是汽车高速与安全行驶的基础，它要求平、纵面线形必须合理组合，因为这是高标准线形必然出现的问题和要求，组合不合理就将造成行车上的危险。对线形组合的技术要求一方面是力学上的，主要反映行车安全和顺适的条件；另一方面是视觉和心理上的，主要反映在驾驶员及乘客的舒适和愉快感。两者不可分割，互有影响，同时也都要讲求经济效果。
如何将平纵线形组合成平顺、美观、行车舒适的立体线形是高速公路线形设计的最终目的，这主要反映在：①线形的连续性，能够自然诱导驾驶员的视线；②平、竖曲线半径大小均衡；③与公路周围环境相协调。因此，线形设计时，要充分研究，精心考虑，才能确保良好的线形组合设计。
4.横断面组成
道路的横断面是指中线上各点的法向切面，它是由横断面设计线和地面线所构成。这里讨论的横断面只限于与行车直接有关的那一部分。横断面包括中间带（中央分隔带、路缘）、行车道、紧急停车带、路肩等部分。横断面对车速的影响主要是其各组成部分宽度对车速的影响。另外，车道的位置也对车速有一定的影响。（1）行车道：指以标线划分的若干条车道及宽度。分道行驶的高速公路每一方向至少有2个车道，分为行车道和超车道，以便于超车。决定行车道宽度的因素主要有交通量、车速和安全性等方面。根据国内外对道路宽度影响通行能力的实际观测认为，当车道宽度达到某一数值时通过量能达到理论上的最大值，当车道宽度小于该值时，则通行能力降低。不同国家对这个数值有不同的规定。美国公路通行能力手册规定该宽度为3.65m，日本公路技术标准规定为3.5m，我国规定为3.75m。我国高速公路行车道宽度规定见表1-1。
表1-1 高速公路行车道宽度（2）中间带：由两条内侧路缘带和中间分隔带组成。中间分隔带主要用来分隔往返车流，防止车辆驶入对向行车道。高速公路的中间分隔带应设置必要的安全和防眩目、导向设施。内侧路缘带起着诱导视线及增加侧向余宽的作用，以提高行车速度和行车的安全舒适感。中间分隔带宽度按道路等级、用地条件分别选用，一般为2.0～3.0m。中间分隔带宽度各国使用标准不一，主要依据本国的用地情况而定。日本采用3m，欧洲多数国家采用4～5m，美国分隔带宽度变化较大，从4.5～25.5m或更宽。（3）路肩：公路两侧由路面边缘到路基边缘的部分，由外侧路缘带、硬路肩和保护性路肩组成。它与行车道连接在一起，作为路面的横向支撑，也供紧急情况下停车，并为设置标志牌、安全护栏提供侧向净空，还起行车安全感的作用。路肩的宽度根据行车速度有不同的要求。路肩宽度一般不小于3m，美国、日本采用3～4m，欧洲国家多采用4m。外侧路缘带的宽度和作用与内侧相同。1.3高速公路交通流特性分析
高速公路是唯一能够提供完全不间断交通流的公路设施类型。对交通流没有信号灯或停车管制的交叉口那样的外部干扰，车辆进、出设施只有经过匝道。匝道一般设计成可以高速驾驶进行合流与分流，因而最大程度地减少对主线交通的干扰。由于高速公路具有这些特点，因此车辆运行情况主要受交通流中车辆间的相互作用以及高速公路几何特征的影响。此外，车辆运行也受到环境条件的影响。例如，气候条件、路面状况以及是否发生交通事故等。
1.3.1 高速公路车辆运行特征
驾驶人根据自己的技能水平、车辆性能与道路条件等，综合决定自由行驶时的期望车速。具体对于某车辆在道路上的运行状态可分为以下几种情况。
1.匀速行驶
当前导车车速高于跟踪车车速或前导车与跟踪车车头间距远大于最小车头间距时，车辆处于匀速行驶状态。
2.车辆的跟驰行驶
跟驰是指车辆在无法超车的单一车道上车辆列队行驶时，后车跟随前车的行驶状态。跟驰状态行驶的车队具有制约性、延迟性、传递性。具体如下：（1）制约性。在一队汽车之中，驾驶员总不愿意落后，而紧随前车前进。这就是“紧随要求”。同时，后车的车速不能长时间的大于前车车速，只能在前车车速附近波动，否则会发生碰撞。这是“车速条件”。此外，前后车之间必须保持一定的安全距离，在前车制动后，两车之间有足够的距离，从而有足够的时间供后车驾驶人作出反应，便于采取制动措施。这是“间距条件”。紧随要求、车速条件和间距条件构成了一队汽车跟车行驶的制约性。即前车车速制约着后车车速和两车间距。（2）延迟性。从跟驰车队的制约性可知，前车改变运行状态后，后车也要改变。但前后车运行状态的改变不是同步的，后车运行状态的改变滞后于前车。因为驾驶人对前车运行状态的改变要有一个反应过程，需要反应时间。假设反应时间为T，那么前车在t时刻的动作，后车在T+t时刻才能做出相应的动作。这就是延迟性。（3）传递性。由制约性可知，第一辆车的运行状态制约着第二辆车的运行状态，第二辆车又制约着第三辆车，……第n辆制约着第n+l辆。如果第一辆车改变运行状态，它的效应将会一辆接一辆地向后传递，直至车队的最后一辆。这就是传递性。而这种运行状态的传递又具有延迟性。这种具有延迟性的向后传递的信息不是平滑连续的，而是象脉冲一样间断连续的。当制约性为零时，车辆自由行驶。当制约性极大时，车辆停止。
3.车辆变换车道行驶
变换车道行为是驾驶人为满足自己驾驶舒适性、驾驶意图而采取的避开本车道，换入相邻车道行驶的行为。车辆是否进行变换车道依靠当时的交通条件、驾驶人目的地、驾驶人行为特征（冷静型或冲动型）。通常根据变换车道需求产生条件将变换车道分为两种：强制型和判断型。强制型变换车道行为有明确的目标车道，只要目标车道出现合适间隙，就执行变换车道行为，目标车道与变换车道动机不受驾驶人类型决定。如果在指定区域未能换入目标车道，其直行行驶行为将受到一定限制，比如减速甚至制动停止，直到目标车道出现合适间隙再重新启动完成变换车道行为。而判断型变换车道行为并没有固定目标车道和指定的变换车道区域，并且存在变换车道需求产生过程。判断型变换车道行为只是在当前车道驾驶状况不能满足驾驶员所能承受的限度，并且相邻车道的驾驶满意度大于本车道时才实施，因此需求产生过程要由驾驶人类型决定。在匝道分、合流区以及交织区内的分、合流车及交织车的变换车道行为属于强制型，它们有固定目标车道和完成变换车道限制区域。基本路段内及匝道分、合流区、交织区内非分合流车、非交织车的变换车道行为属于判断型，它们是由驾驶满意度决定的。
1.3.2 影响高速公路交通流运行的因素
经过对全国高速公路运行现状调查发现，影响我国高速公路车流运行的主要因素是混合交通的车辆组成情况。主要表现在两个方面：一是大、重车比小客车体积大，因而比小客车占用更多的道路空间；二是大、重车辆的行驶性能（如加速、减速和保持速度的能力等）要远低于小客车。这些不同行驶性能的车辆会在交通流中形成间隙，但又不能立即为超越车辆所利用。特别是对于长距离持续上坡路段，影响尤为显著。在这种情况下，货车不得不明显地降低车速，在交通流中出现非常大的间隙，道路通行能力降低。
1.3.3 高速公路交通流运行特征
高速公路作为一种提供完全“连续”交通流的专用公路交通设施，它不仅对交通流没有固定间断，而且，车辆驶入和驶出仅通过立交匝道实现。匝道的设计一般允许车辆高速汇合和分流，这就使对主线交通的干扰减少到最低程度。因此，高速公路交通流运行条件与普通公路有很大差别。连续交通流的特性可用交通流量、速度和交通密度三个参数描述。高速公路交通流三参数的关系如下：（1）速度—密度模型
从目前研究来看，格林希尔茨（Greenshields）曲线模型[U=U f（1-k/k ）]至少存在三个问题。首先，该模型并非利用高速公路的数j据来进行研究的，然而后来不少研究者却直接将其应用于高速公路。其次，该模型将观测数据组相互交叠和分类，经研究表明这是不合理的。第三，该模型所作的交通调查是在假期进行的，不具备广泛的代表性。但是后来的研究者发现，尽管该模型在最初研究时所使用的数据存在一些问题，但是此模型对交通状况的描述还是可以接受的，而且其形式也很简单，因此一直被广泛采用。（2）速度—流量模型
格林希尔茨的速度—流量模型是建立在格林希尔茨速度—密度的线性模型基础上得到的，是速度—流量的最早研究。由于格林希尔茨抛物线模型本身存在的一些问题，通过速度—密度的线性关系推导出的速度—流量关系与直接利用实际数据得出的速度—流量与密度—流量关系存在一定的偏差。因此，不少研究者直接根据观测数据来研究速度—流量的关系。美国1994年版《道路通行能力手册》中所采用的速度—流量曲线，反映了开始时随着流量的增加速度保持不变，直到流量接近通行能力的1/2或2/3时，才开始有一个较小程度的下降。（3）流量—密度关系
公式Q=VK把流量、速度和密度联系起来，因此，速度—密度的关系确定后，密度和流量的关系也就随之确定了，流量—密度关系在交通控制中有着重要的作用，海脱（Haight）把流量—密度曲线称为“交通基本图表”。
综上所述表明：
第一，当密度很大以致车辆无法行进时，流量为零，因为没有活动，车辆不能通过道路上任一点，使所有流向都停止的密度，这时的密度称为阻塞密度。
第二，当设施流量达到最大值时就是其通行能力，这时出现的密度称为临界密度，相应的速度称为临界速度。
第三，当道路上没有车辆时，密度为零，流量也为零。在这一条件下速度是纯理论的，是第一个驾驶者可能选择的任何速度。
交通流三参数之间的关系图式，是对连续交通流设施进行通行能力分析的理论依据。通常对于服务水平的分析正是在稳定交通流范围内进行的。当道路交通出现不稳定状态时，就应该及时采取各种措施进行调节和控制，避免交通拥挤的发生。
从交通流参数间的关系得知，在量测中，密度与速度是单值的，而不象流量与速度那样是双值得。因此，高速公路交通运行效率量度的两个关键量测参数是密度和速度。速度是反映高速公路交通状况的一个非常重要的指标，密度则是控制车速的关键因素。合理地控制车流密度，使车速稳定在自由行驶状态，可大大提高高速公路的通行能力。在不稳定交通流状态下，密度在很大的范围内波动，其通过流量大致不变，但车速随密度增加而大大下降，车辆的行程时间也大大增加。高速公路的交通运行状态对偶然的事故非常敏感，因此在不稳定状态时采取适当控制进入，且保证车速的均匀和稳定是非常有效的措施。1.4高速公路通行能力分析
1.4.1 道路通行能力和服务水平概述
1.道路通行能力概述（1）基本概念
道路通行能力是道路能够疏导或处理交通流的能力。即在一定的时段（通常取15min或1h）和正常的道路、交通、管制以及运行质量要求下，道路设施通过交通流质点的能力。通行能力实质上是道路负荷性能的一种量度，它既反映了道路疏通交通的最大能力，也反映了在规定特性前提下，道路所能承担车辆运行的极限值。通行能力一般以veh/h（辆/小时）、pcu/h（当量标准小客车/小时）表示，基本单位是pcu/h/ln（当量小客车/小时/车道）。通行能力是指所分析的道路、设施没有任何变化，还假定其具有良好的气候条件和路面条件的通过能力，如条件有任何变化都会引起通行能力的变化。
通行能力与交通量虽有相同之处，如它们都是指单位时间内通过道路某断面的交通体数量，表示的单位和方法相同等，但是，两者之间还是有着本质区别。交通量是道路上实际运行着的交通体的观测值，其数值具有动态性与随机性；而通行能力则是根据道路的几何特性、交通状况及规定运行特征所确定的最大流量，其数值具有相对的稳定性与规定性。在正常运行状况下，道路的交通量均小于通行能力，当交通量远远小于通行能力时，车流为自由流状态，车速高，驾驶自由度大；随着交通量的增加，车流的运行状态会逐渐恶化，当交通量接近或达到通行能力时，车流为强制流状态，将会出现车流拥挤、阻塞等现象。由此可见，在交通流状态分析中，交通量和通行能力二者缺一不可，通行能力反映了道路的容量（服务能力），交通量则反映了道路的负荷量（交通需求）。因此，常用交通量与通行能力的比值来表征道路的负荷程度（或利用率、饱和度）。（2）影响因素
道路通行能力影响因素主要有道路条件、交通条件、管制条件、环境和气候条件以及规定运行条件等。
①道路条件是指车道宽度、车道数、侧向净空、附加车道、几何线形、视距、坡度和设计车速等因素。
②交通条件是指车流中的车辆组成、车道分布、方向分布等因素。
③管制条件是指交通法规、控制方式、管理措施等。
④气候条件是指风、雨、雪、雾、沙尘暴等恶劣天气对通行能力的影响。
⑤规定运行条件主要是指计算通行能力的限制条件，这些限制条件通常根据速度和行程时间、驾驶自由度、交通间断、舒适和方便，以及安全等因素来规定。其运行标准是针对不同的交通设施，用服务水平来定义的。
另外，道路周围的地形、地物、景观、驾驶员技术等也对道路通行能力有一定的影响。（3）通行能力分类
根据通行能力的性质和使用要求的不同，通行能力可分为基本通行能力、可能通行能力和实用通行能力，实用通行能力也称设计通行能力。
基本通行能力，是指道路和交通都处于理想条件下，由技术性能相同的一种标准车，以最小的车头间距连续行驶的理想交通流，在单位时间内能通过道路断面的最大车辆数，也称理论通行能力。因为它是假定理想条件下的通行能力，实际上不可能达到。
可能通行能力，是指考虑到道路和交通条件的影响，并对基本通行能力进行修正后得到的通行能力，实际上是指道路所能承担的最大交通量。
设计通行能力，是指道路根据使用要求的不同，在不同服务水平条件下所具有的通行能力，也称服务交通量。用来作为道路规划和设计标准而要求道路承担的通行能力。
2.道路服务水平概述
道路服务水平是描述交通流中车辆之间运行条件及其对驾驶员和乘客影响的一种质量评定指标。通常根据速度和行程时间、驾驶自由度、交通阻塞、舒适、方便和安全等来描述服务水平。
在较大的交通量范围内，速度相对来说是一个常量，因此仅以速度作为确定服务水平的标准是不够的。在服务水平上，驾驶员主要关心的是速度，但驾驶灵活性和车辆之间的接近程度也都是重要的参数，可见服务水平与高速公路交通流的密度有直接关系。
此外，在稳定的交通流范围内，交通量随着密度的增加而增加。因此，把密度作为确定基本高速公路路段服务水平的参数。
美国对各级服务水平的特征描述如下：
A级服务水平：描述的是自由交通流运行，车辆的行驶灵活性不受阻碍，驾驶人员的身心舒适水平极高，较小的交通事故或行车障碍的影响容易消除，在事故路段不会产生停滞排队现象，很快就能恢复到A级服务水平。
B级服务水平：描述的是自由交通流运行，车辆行驶灵活性稍受限制，驾驶人员身心舒适水平很高，较小交通事故或行车障碍的影响容易消除，在事故路段的运行服务情况比A级差些。
C级服务水平：描述的是稳定运行，但交通量接近于饱和状态，交通量稍有增加将显著降低运行服务质量，车辆行驶灵活性明显受到限制，变换车道时驾驶员要格外小心，较小交通事故仍能消除，但事故发生路段的服务质量大大降低，严重的阻塞后会形成排队车流，驾驶员心情紧张。
D级服务水平：描述的是接近于不稳定交通流，交通量稍有增加就会导致服务水平的显著降低，车辆行驶灵活性严重受限，驾驶人员身心舒适水平降低，即使较小的交通事故也难以消除，会形成很长的排队车流。
E级服务水平：其下限描述的是达到通行能力时的运行状态。对于交通流的任何干扰，例如车流从匝道驶入或车辆变换车道，都会在交通流中产生一个破坏波，交通流不能消除它，任何交通事故都会形成长长的排队车流，车流行驶灵活性极端受限，驾驶人员身心舒适水平很差。
F级服务水平：描述的是强制或故障交通流，一般出现在事故点后形成的排队车流中，出现F级服务水平的原因是实际到达的交通量大于实际通行能力。
以上六级服务水平的描述是针对非中断性交通流的公路设施的。
我国公路服务水平现分为四级，一级相当于美国的A、B两级，二、三级相当于美国的C、D级，四级相当于美国的E、F级。
1.4.2 高速公路通行能力和服务水平
1.基本路段通行能力计算（1）基本通行能力
基本通行能力又称理论通行能力，是指在一定时间段（取15min或1h）和理想的道路、交通及管制条件下，一条车道的一个断面所容许通过的最大持续交通流。
按车头时距计算，其计算公式为：
C =3600/t （1-1）B
式中 C ——一条车道的基本通行能力（pcu/h）；B
t——最小安全车头时距（s）。
设计速度为120km/h、100km/h、80km/h、60km/h的高速公路基本路段的C 分别为2200pcu/h、2200pcu/h、2000pcu/h及1800pcu/Bh。（2）可能通行能力
可能通行能力是在实际道路和交通条件下的通行能力，是道路的实际最大容量，记为C 。在实践中，完全理想的状况是不存在的，K总有一些条件不符合理想的标准。这种实际条件与理想条件的差异，将会造成道路理论上的最大容量——基本通行能力折减，故可用式（1-2）来确定可能通行能力C 。K
C =C ·r ·r ·r ·r ·r （1-2）KB12345
式中 C ——一条车道的基本通行能力（pcu/h）；B
r ，r ，r ，r ，r ——车道宽度折减系数，侧向净空折减12345系数，纵坡度折减系数，视距不足折减系数，沿途条件折减系数。
纵坡折减系数的确定与车辆换算系数有关，通常是根据载货汽车所占百分数按式（1-3）计算：
式中 P ——载货汽车所占百分数；T
E ——载货汽车换算为小汽车的当量值，可按一定坡度和坡长T查表求得。（3）服务水平与设计通行能力
服务水平亦称服务等级，是指道路使用者从道路状况、交通条件、道路环境等方面可能得到的服务程度或服务质量，如可以提供的行驶速度、舒适、方便、驾驶人的视野以及经济、安全等方面所能得到的实际效果等。
设计通行能力是指道路根据使用要求的不同，在不同服务水平条件下所具有的通行能力，也称服务交通量，通常作为道路规划和设计的依据。只要确定了道路的可能通行能力，再乘以给定服务水平的V/C（理想条件下，最大服务交通量与基本通行能力之比），就得到设计通行能力，即：
C =C V/C （1-4）SK
关于服务水平的具体划分，前面已进行了详细的介绍。（4）影响高速公路基本路段通行能力的因素及其修正系数
在上述的基本通行能力和实际通行能力计算中，除共同强调了符合“基本交通安全要求”的前提外，还分别强调了“理想条件”和“实际条件”，这说明通行能力是与道路、交通及驾驶员条件息息相关的，随着这些条件的不同，通行能力将发生变化。实质上，道路交通是由人、车、路三个要素构成的有机系统，所以通行能力也必然是这三个方面因素综合作用的结果，这些因素对通行能力的影响机理，正是我们要加以分析讨论的。
考察实际通行能力的分析过程和计算式可以看到，决定实际通行能力的要素为交通流模式和自由车速，道路条件、交通条件及驾驶员条件对通行能力的影响，正是通过这两方面来反映的。一般而言，交通流模式本质上反映了人（驾驶员）的因素的影响，不同群体的驾驶人如出行目的不同、职业不同等，都会有不同的要求与感受，从而表现为期望间距的不同。只要期望间距不符合最小安全间距模式，亦即不满足理想的驾驶员条件，那么从安全要求方面来讲，就只能允许期望间距更大，这必然会使通行能力有所下降。
道路条件、交通条件及驾驶员条件都会影响自由车速，从而使通行能力下降。道路条件的影响机理为：
①车道宽。当车道宽小于3.5m时，平行行驶的车辆间的侧向间距就小于通常情况下驾驶员希望保持的值，这会使驾驶员产生压抑感和不安全感，从而通过降低车速来加以补偿。
②侧向净空。侧向净空不足于1.75m时，路旁的物体将会使驾驶员产生压抑感和不安全感，从而使车辆偏向车道的另一侧行驶，这与车道变窄是等价的，需降低车速来加以补偿。实际调查表明，最右侧车道受侧向净空不足的影响最为敏感。
③线形。道路的平、纵曲线直接影响车速，平曲线半径越小，车速越低。纵曲线坡度越大，车速受影响越大，对大型车辆尤为明显。
④路面。路面状态直接影响车速，像路面破损、打滑等，都会使车速降低。
⑤视距。视距不足将会迫使驾驶员降低车速，以满足行车安全需要。
⑥限速。限速规定将直接限制了最大车速。
交通条件主要是指车流中的车辆组成，它能显著影响自由车速。例如由于车辆的动力性能，大型车的车速小于标准小客车的车速，所以大型车的混入就会直接限制车流的自由车速，而且这种限制会随着超车可能性的降低而急剧增强，在纵坡路段随着坡长的增加就更加突出。另外，不同群体的驾驶员由于其感受和要求不同，也会影响自由车速。
当然，人、车、路三方面因素的影响作用不可能截然分开，它们之间有着复杂的内在联系，车、路方面的影响，多通过对驾驶员的影响而最终得以实现。但就综合效果来讲，不符合理想标准的道路、交通和驾驶员条件，其直接后果就是导致自由车速降低，从而导致基本通行能力折减为实际通行能力。第2章高速公路服务系统基础理论2.1基本理论
2.1.1 系统理论
1.系统理论概述
系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的，具有特定功能的有机整体。不同的国家对系统的定义不同。美国韦氏大辞典将系统定义为“系统是相互作用、相互依赖的诸要素形成的综合各种概念和原理的集合”。日本的JSI标准将系统定义为“许多组成要素保持有机的秩序，向同一目标的行动的集合体”。奥地利生物学家贝塔朗菲则将系统定义为“相互作用的诸要素的综合体”。而我国则普遍将其解释为：“系统是由相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种功能的有机整体”。
由此可见，由诸要素整合而成的集合系统必须具有一定的特性，或者表现为一定的行为，而这些特性和行为是它的任何一个部分都不具备的。系统是一个由许多要素所构成的整体，但从系统功能来讲，系统又是一个不可分割的整体，如果将其分割开来，它将失去原来的性质。
2.系统理论在高速公路服务系统的应用
目前系统思想和方法已在相当程度上融入自然科学、社会科学、工程技术、经营管理等诸多方面的研究实践中。系统方法是一种新的逻辑方法，包括系统分析和系统综合两个方面的内容。高速公路服务系统是以满足高速公路使用者对交通服务的需求目标为中心，以车辆需求、高速公路供给平衡为基础的多种要素组合的综合体，它是一个由人、车、路、环境组成的受控的综合系统。高速公路服务系统作为一个系统对象进行分析和研究，是因为其本身符合系统的统一性原则。第一，高速公路服务系统由多种服务子系统组合而成，高速公路内部的特定结构一般可视为具有相同特征的子系统，其整体和各子系统之间以及它们内部的设计和应用必须贯彻“全局最优”的统一思想。这符合系统科学的精髓，即“总体协调，实现全局最优”。第二，无论何种服务设施，复杂程度如何，都是“人、车、路、环境”这一大系统中的一个组成部分，其整体和各子系统共有一个统一的目标，即实现为道路使用者服务质量的最大化。目标与主要协调变量以及两者构成的关系对于这一特定系统均有统一性。第三，各个子系统内部受同一自然法则支配，对其进行分析时也应用统一法则，而不同子系统各自内部和不同子系统之间并不要求受同样的自然法则支配。这符合系统科学研究对象的特征。
系统方法在高速公路交通系统中的运用，就是在鉴定它的要素、组成部分和分系统之后，制定有关模型来描述这些组成成分的相互作用。系统方法可以通过确定目标函数、进行定量分析，把系统分解，在动态中分析和协调各部分、各层次与整体的关系，使部分的功能和目标服从于系统的总体要求和目标，从而达到系统优化。明确了高速公路服务系统系统属性，即可运用系统论的思想和方法研究与高速公路服务系统有关的许多问题。高速公路服务系统研究作为一项有目的、有步骤的探索与分析工作，完全符合系统分析的概念和流程；从系统的长远和总体最优出发，在选定系统目标与准则的基础上，分析构成系统的各子系统的功能及相互关系，以及系统同外部环境的相互影响；然后再在调查研究、收集资料和系统思维推理的基础上，产生对系统的输入、输出及转换过程的种种设想，探索若干可能相互作用的系统提高服务质量的方案；最后，综合技术、经济、组织运营管理、方针政策等各方面因素，以寻求对系统整体效益最优和有限资源配置最优的方案，为决策者提供选取方案的科学依据和信息。
2.1.2 木桶理论“木桶理论”来源于古典经济学，其内容是：一个由许多块长短不同的木板箍成的木桶，决定其容水量大小的并非是其中最长的那块木板或全部木板长度的平均值，而是取决于其中最短的那块木板。要想提高木桶整体效应，不是增加最长的那块木板的长度，而是要下功夫补齐最短的那块木板的长度。也就是说，事物的最终结果，往往受制于要素的最低水平：要提高系统的总体水平，通常要从事物“最短的那块木板”着手，采取合理措施，提高事物的整体效果。从经济学意义上来说，木桶理论可以用边际效用来解释。
用U来表示高速公路服务系统的总体效用，TU （i=1，2，3，…，in）表示系统某一方面的效用，MU （i=1，2，3，…，n）表示系统i某一方面的边际效用，Q 为对系统某一方面的数量描述，则TU ii=f（Q ），MU =dTU （Q ）/dQ ，系统的总体效用为系统各方面iiiii效用的综合，可表示为系统各方面效用的函数U=f（TU ）=f[f（Q i ）]。若系统第i方面的效用TU 最小，则在相同条件下其边际效应iiMU 最大，增加相同的ΔQ，其对系统总体效用的提高贡献最大。木i桶理论反映的正是这样一个道理，在边际效用递减这一规律作用下，制约高速公路系统发展的“最短木板”（其效用最低）对于系统总体效用的提高至关重要：从系统发展的最薄弱环节（“最短的木板”）着手进行改善，系统取得的效果往往是最明显的。
因此在分析高速公路服务系统时，应该重点分析影响高速公路服务系统的关键因素，找出其合理的解决方法，为提高高速公路服务系统质量提供合理策略，以期提升高速公路服务系统的整体效果。
2.1.3 生产力理论
高速公路的根本目的是为国民经济和社会发展服务，而国民经济和社会的发展又离不开生产力的发展。高速公路服务是公路运输生产力发展的标志，因此其必须能促进公路运输生产力的发展。生产力是劳动者在一定的科学技术水平和生产组织与管理水平条件下形成的利用自然、改造自然的能力。构成生产力的要素主要有以下三个层次：①基础层要素：劳动者、劳动资料、劳动对象；②中间层要素：组织与管理；③引导性要素：科学技术与教育。
从一般理论形成的逻辑可知，任何产业生产力构成要素都服从于一般生产力理论所揭示的模式。实际上各产业生产力构成上的差异只是各要素构成的具体内容及其表现形式不同而已。在此，着重阐述高速公路服务生产力的特殊性。
1.高速公路服务生产力水平的主要决定因素及实现手段
按照一般生产力理论，反映生产力水平的主要标志及实现应有生产力水平的主要手段都是劳动工具，而反映一个国家或地区高速公路服务生产力水平的主要标志不是劳动工具——车辆，而是高速公路服务系统，但实现这一生产力水平的主要手段则是运输。其一，高速公路服务系统的技术配置对运输车辆使用效率起着基础性的作用；其二，在现代经济环境下，通过贸易手段可便利地解决车辆技术水平不足的障碍；其三，从投资及寿命周期来看，高速公路技术水平升级所需的资金及时间远远大于车辆技术的升级。对于发展中国家来说，由于资金需求大，高速公路技术升级还会受到资金不足的制约。但高速公路系统只是为了运输提供了基础条件，是运输必不可少的劳动资料，其本身并不具有劳动工具的职能，运输才是实现高速公路运输生产力水平的直接手段。从现实生产力水平角度来看，高速公路技术水平的高低，并不是运输生产力水平的客观标准，运输才是关键。从这一特点来看，要提高高速公路服务的生产力水平，不仅要提高高速公路系统的技术配置，而且还必须促使相应水平的运输的实现。
2.劳动对象是人或以物为外在条件的人
旅客运输的对象是人，而货物运输的对象从外在表现上看是货物，正因为此，现有运输的劳动对象从本质上看，仍然是人——货主，因为货物不可能脱离货主而存在，而且运送需求的全部内容均是货主需求的体现。高速公路服务的显著特征之一，是生产过程与消费过程统一，运输产品的位移不可能储存与调拨，也正说明货物不可能脱离货主而独立存在。从劳动对象这一特征来看，运输业与服务行业是相同的。正因为如此在产业分类时，把整个运输业归并到服务行业中。由于劳动对象是人而不是物，运输系统的社会性非常直接、鲜明。在一定的社会条件下，人的需求具有多层性、多面性、多样性，由此决定了各种运输方式的发展空间。虽然支撑着人们需求的层次、方面、形式及其具体内容的因素众多，但是“物有所值”是最根本的。在条件允许的情况下，人们会根据自身的具体情况（约束条件）去选择自认为理想、较好、可接受的运输方式。理想、较好、可接受这些衡量标准看起来似乎很模糊，但实际上是很明确的，人们根据自己的包含有习惯、观念等因素的具体情况，从方便性、舒适性、经济性、安全性、可靠性等方面加以综合权衡，并以“物有所值”的准则来选择。这样与以“物”为劳动对象，且劳动对象的“技术性”影响生产力水平的产业相比，运输生产力发展的影响因素更为复杂，更具多样性。
如前所述，高速公路服务的根本目标是为国民经济和社会发展服务。而要实现目标就离不开高速公路生产力的提高，因此必须按照生产力要素平衡配置的原则，协调高速公路服务体系各组成要素。公路基础设施，是反映公路服务生产力水平的关键因素，而实现公路服务生产力水平的过程则是运输。因此，在研究系统要素构成时，应以充分发挥高速公路的效用为基本出发点，以高速公路运输需求为导向，以实现高速公路运输为目标，适度、平衡、协调安排高速公路服务生产力的各要素。
2.1.4 协调理论
协调是指为实现系统总体演进的目标，各子系统或各元素之间相互协作、相互配合、相互促进而形成的一种良性循环态势。从系统学的角度而言，既不能离开系统的演化来讨论协调，把协调当成结构稳定的同义语；也不能把协调等同于平衡，把协调范畴仅仅归结为系统结构的静态比例关系。协调应是发展的一种规定，是对系统的各种因素和属性之间的动态相互作用关系及其程度的反映。为实现系统的总体协调，不能仅仅考虑某一制约因素，必须充分考虑到其他的制约因素，这样才有可能实现真正意义上的协调。系统之间或系统组成要素之间在发展演化过程中彼此和谐一致的程度称为协调度。为实现系统之间或系统组成要素之间的和谐一致而采取的若干调节控制活动称为协调作用。所有可能的调节控制活动及其所遵循的相应的程序与规则称为协调机制。协调作用和协调度决定了系统由无序走向有序的趋势与程度，协调机制则反映了协调作用的选择与作用规律。
研究高速公路服务系统评价时，必须结合高速公路是一个动态系统的特征，将高速公路服务系统内外因素的影响协调起来进行评价。2.2高速公路服务系统的定义
高速公路在运输能力、速度和安全性方面具有突出优势，对实现国土均衡开发、缩小地区差别、建立统一的市场经济体系、提高现代物流效率具有重要作用。21世纪的今天，高速公路在现代社会的方方面面发挥着巨大的作用，己经成为国力强盛和国家现代化的重要标志之一。
高速公路服务系统是交通运输系统的一个子系统，而其本身则是由场站和枢纽设施、车辆系统、运营管理保障系统、信息服务系统、法律法规体系、交通参与人员等诸多系统交织而成的复合系统。
众所周知，系统是由两个或两个以上的可以相互区别、相互作用、相互依赖的要素构成的具有特定功能的有机整体。因此，根据系统的定义，高速公路服务也可以构建为系统，其构成要素（子系统）主要有高速公路的主体设施、场站和停靠设施、车辆系统、运营管理保障系统、信息服务系统、法律法规体系、交通参与人员以及交通环境等，这些要素相互联系、相互作用、有机结合，目的是高效、安全、快捷、方便地实现人和货物的移动。
随着人民群众生活水平的不断提高，参与高速公路活动愈加频繁，相对于传统交通运输业，其服务内容、服务方式、服务质量发生了新的变化。在国家提出交通运输业向现代服务业转型的大背景下，从现代服务业的角度出发，把整个高速公路服务系统置身于国民经济与社会发展的大系统中进行研究，将安全、便捷、舒适、高效、个性化服务、资源节约、环境友好等“现代要素”融入其中。因此，将面向现代服务业的高速公路服务系统定义为：依托现代化的技术和服务方式，为人和物的移动提供高附加值、高层次的生产服务和生活服务而应具备的诸多要素的系统的集合。
结合行业特点，针对关键要素来研究、探讨高速公路服务系统，它是在一定的时间和空间里，由所需位移的人和物、运输工具、运输基础设施、经营管理等有关人员和组织、信息等若干相互制约、相互联系的动态要素所构成的具有特定功能的有机整体。
高速公路服务系统的目的是以满足人和物的位移为核心，保证服务正常，车辆使用可靠，安全生产，达到最佳的材料用量和最低的劳动消耗，减少整个道路运输行业对环境的污染和人类的危害，实现空间和时间效益，从而取得最佳的经济效益。2.3高速公路服务系统的内涵
对于高速公路服务系统的内涵，可以从狭义和广义两个角度来解释这一概念。在传统的理论中，由于产品属性、发展动力、发展方式、行为属性、归口管理部门等方面的不同，一般将高速公路基础设施与运输产业分立而论，具体情况见表2-1。
表2-1 高速公路基础设施与运输产业的区别
在传统的理论及实践背景下，高速公路服务系统是指以满足客货位移为基本目标、以运输工具移动为主线建立起来的系统，属于运输产业的范畴。本书将这一层面界定的高速公路服务系统概念称之为狭义的概念。在狭义的概念下，高速公路基础设施属于服务系统以外的因素，在建立服务系统时只作为外部实施条件之一加以考虑。
事实上，自20世纪90年代以来，原交通部就一直在着力解决公路运输发展滞后于公路基础设施建设的矛盾，试图回答“路修好了，运输怎么办”这一重大问题，并提出了解决这一问题的基本思路是实现“三个同步”，即公路基础设施和运输基础设施应做到同步规划、同步建设、同步交付使用。但从实践上看，三个同步并未得到很好的落实。政府作为公路基础设施建设的主要责任者，其建设任务来自于路网规划及其项目建设序列，而我国公路网规划理论是以节点联系为基点建立起来的，路网的层次主要取决于线路连接节点的重要性，建设的基本目标在于按照相应的工程技术规范实现节点之间的连通。而运输业，如前所述，其服务的对象是以“面”的形式分布的，运输过程有一系列作业内容，因此在路网层面上要求处理好“点”、“线”、“面”的衔接，在设施配置上要满足运输作业的要求。显然，公路基础设施建设的基本目标与公路运输业发展的要求并不一致，如果按狭义的概念来认识公路服务系统，就可能造成公路与运输之间的配合不够协调。
修建高速公路的根本目的是为国民经济及社会发展服务的，而从经济联系上看，运输则是高速公路服务于国民经济及社会的最基本也是最主要的环节，因此促进运输业的发展应该成为高速公路建设最基本的出发点。没有公路，运输发展无从谈起；建设了公路若没有运输，公路的经济价值也就荡然无存了。从这个角度说，高速公路与运输是相互依存的，两者有机结合在一起构成完整的高速公路运输系统。可以这样说，公路建设是系统的投入，而运输则是系统的产出。本书将该系统称之为广义的高速公路服务系统。
在广义的概念下，高速公路服务系统从硬件上看包括公路基础设施、运输基础设施（场站、通信设施等）、车辆以及为运输过程服务的相关辅助设施，如维修、加油、装卸搬运和途中急救等相关服务设施；从软件上看，包括构成运输产业发展环境的方方面面，如运输市场、运输政策、法规、运输管理、交通科技等。在不作特别说明的情况下，本书运用的“高速公路服务系统”概念是广义的内涵。
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