交通流速度概念（自由流速度等在设计及交通管理中的用途连载）

第五章 速度

上一期《道路设计速度如何选取？》介绍了第五章速度5.1-5.3节，今天介绍5.4节，包括：形成自由流速度应具备的条件、运行速度涉及的重点、其他重要速度的定义及用途等内容。

自由流速度

道路上车辆移动、流动的状态称为“车流状态（Traffic Flow State）”（编者注：大陆技术文献将Traffic Flow翻译为“交通流”），也可简称为“车流”。车流的种类众多，自由流仅是其中之一。“车流理论”的内容体量极大，请参阅本书后续章节内容。

自由流速度（Free Flow Speed），简称自由速度（Free Speed），指驾驶人在无其他车辆干扰、明显测速执法及其他外在环境因素影响的情况下，根据道路表征，自然选择的车速。换句话说，这是驾驶人在当前道路条件下感到舒适的速度。（Free-flow speed is the speed a driver chooses when there are no influences from other vehicles, conspicuous enforcement, or environmental factors; in other words, this is the speed the driver finds comfortable based on the appearance of the road.）

“自由流速度”从何而来，形成自由流速度必须具备哪些条件？

▼ 车流量极少，或称低流量状态，不同车辆之间无互制现象（No Intersection between Vehicles），即车辆之间完全不会有互相牵制、影响的情况。

▼ 以驾驶任务（Driving Task）的观点来看，这种车流情况下，驾驶人做任何驾驶动作的自由度最高，例如可自由加减速、变换车道等，且舒适感最佳。

▼ 驾驶人可依自己意愿、自身经验，根据道路当时状况，将车速控制在期望速度值。当然，此期望速度值受到交通法规、限速值的制约。

▼ 在道路状况良好、无外在环境影响的前提下，上述状况下的车流速度即是所谓的“自由流速度”，简称“自由速度”。

另外，还应清楚了解以下重要概念：

▼ 自由流速度不见得代表高速度，依道路型态与几何线形而异。受几何线形制约，自由流速度可能是中、低速度，例如在急弯处，即使车流量稀少也不可能高速驾驶。

▼ 自由流是道路上众多车流型态之一。道路规划设计的目的在于发挥道路应有的交通功能，如果某道路车流长时期都处于自由流状态，代表没有充分利用道路空间，或设计时严重高估预测车流量，致使道路设计太保守，有过度设计（Over Design）之嫌。

运行速度

运行速度（Operating Speed）指车辆驾驶人面对当时道路状况与外在环境，依自身经验，自行选择操控车辆行驶的速度。运行速度在道路完工通车后才能得知。

运行速度定义的重点:

▼ 道路上车流状况与外在影响因素随时空变化，驾驶人依自身经验操作车辆，即驾驶人在旅程中的运行速度也随时在变化。

▼ 当车流量稀少且无其他外在因素影响的情况下，运行速度可视同自由流速度。

▼ 车辆行至灯控交叉路口时，如果遇到红灯，则此时的运行速度为零，即车辆处于停等状态。

上述运行速度的定义是针对驾驶人而言，对于道路交通工程规划设计者来说，预估道路完工通车后的可能平均行车速度（Average Running Speed）就是运行速度。规划设计时除了选定某一设计速度，同时也会有一个符合逻辑的预期运行速度，以进行各式交通工程设施的设计，此即美国道路和运输官员协会（AASHTO）绿皮书[3]中提到的预期运行速度（Anticipated Operating Speed）。

当道路完工通车后，道路交通主管机关所关心的运行速度并非某单一驾驶人的运行速度，而是道路上整体车流的实际运行速度，此时所说的运行速度是整体车流的平均行车速度。

任何道路真正的速度环境（Speed Environment）在道路完工通车，进入管理、维护阶段后才会逐渐浮现。通过长期交通量调查、监测现测速度（Observed Speed, Measured Speed），经收集、整理、分析后才能知道路在不同情况下的运行速度，同时也可得知下列各种衍生型速度在交通管理及执法中的用途。

点速度

点速度（Spot Speed），也称“定点速度”或“现点速度”，指在某定点时间（通常为秒）车辆的速度，例如以雷达测速枪、道路固定照相设备测速或交警执法抓拍时的速度，如图5-4所示。驾驶人若因开车超速而接到罚单，其上显示的速度即是点速度，此速度是驾驶人在旅程中众多运行速度之一。

图5-4 点速度示意

行车速度与行程速度

行车速度

行车速度（Running Speed），参考图5-5，指某车辆由A点至B点，行驶的距离L除以耗费的时间t，且车辆停、等耗费时间不计入t。行车速度Sr可表示成：

影响行车速度的因素十分复杂，大致归纳如下:

☞ 内在因素：个人驾驶习惯、个人驾驶行为、车辆性能等。

☞ 外在因素：不同车流状态、道路设施种类、天候状况、交通警察执法力度、执法设施种类、路面状况等。

在自由流状态下，此时车流速度是自由流速度，也可视同当时的行车速度与车辆运行速度。

图5-5 行车速度与行程速度

行程速度

行程速度（Travelling Speed = Overall Travel Speed），也称“总旅程速度”，参考图5-5，指车辆由A点至B点，行驶距离L除以全部耗费的时间T，耗费时间应包含该车所有停等时间，行程速度ST可表示成：

平均速度

上述行车速度与行程速度是针对个别车辆的平均速度，驾驶人自己会有直接感受。不过对于道路交通主管机关与执法单位而言，某车流状态下众多车辆的车流平均速度（Average or Mean Speed）才是其应长期掌握的数据。

车流平均速度是道路交通主管机关最常采用的车速中心值。由测速点得到的速度数据，汇总后除以样本数（车辆数）即是平均速度。（The average （or mean） speed is the most common measure of central tendency. Using data from a spot speed study, the average is calculated by summing all the measured speeds and dividing by the sample size.）

道路交通工程与管理领域中，常用的平均速度按照量测方法不同，可分为两大类：

☞ 时间平均速度（Time Mean Speed，TMS）指在已知时间内，通过某特定点（测速点）车辆行驶速率的算术平均值。

☞ 空间平均速度（Space Mean Speed，SMS）指通过某已知路段的车辆速度平均值。

道路交通工程实务上，由于时间平均速度可由点速度的几何平均数求得，量测时间平均速度比空间平均速度容易，因此实务应用上通常以时间平均速度为主。此外，由于量测特性的差异所致，空间平均速度≤时间平均速度是必然现象，且当速度越大时，两者差值越小，如图5-6所示。

图5-6 TMS与SMS的关系[2]

百分位速度

将车流量与车速的相互关系以百分位（%）表示，用于了解不同车速的车辆数分布，对交通管理决策、交通控制作为极有帮助。百分位速度（Percentile Speed）通常以Vn表示，代表在所有被量测速度的车辆中，有n%的车辆在某一运行速度以下。以图5-7所示百分位速度曲线为例，V15=23 mph（36.8km/h），代表车辆运行速度在23 mph（36.8km/h）以下的车辆数占所有车辆总数的15%，换句话说，共有15%的车辆运行速度在23 mph（36.8km/h）以下。同理，V50=30 mph（48km/h）代表车辆运行速度在30 mph（48km/h）以下的车辆数占车辆总数的50%。

图5-7 典型的百分位速度曲线（1mph=1.609344 km/h）

百分位速度的量测可依需要而找出V10、V20…V50…V85…V95等。例如V10、V20、V30等低百分位速度可用来校验究竟有多少大型车的运行速度处于低速状态。V50为50百分位速度，此值通常位于百分位速度曲线的中点或邻近处，是道路上大小车混行情况下中等车速值的代表。V85称为85百分位速度，在制定交通管理决策时极具参考价值，尤其是决定高、快速公路的限速值（Speed Limit）时，当然，笔者必须强调，限速值未必只能采用V85。

V0在百分位速度曲线中不具任何意义，此代表量测速度时，该路段上毫无车辆。V100的值必是某较高速值，且此值极有可能明显超过该路段的限速值及设计速度值。道路交通工程实务上，V100减去该路段的限速值便可粗估此路段的超速值分布情况。

图5-8所示是某道路实测的百分位速度曲线，尤其应注意到其纵坐标由0至1及V85±5 mph（8km/h）的百分位速度变化现象。

图5-8 实测的百分位速度曲线例[3]（1mph=1.609344 km/h）

相对速度

相对速度（Relative Speed）在道路交通工程设计与管理中极为重要，假设1车的速度为V1，2车的速度为V2。

针对同向车流：1车在前，2车在后

如V1一直保持大于V2，则两车的前后间距将越来越远，两者无互相影响的隐患，即无前述提到的车辆互制（Interaction between Vehicles）现象。

如V1小于V2，则一段时间内，存在2车追撞前方车尾端的隐患，此时的相对速度可表示为V2-V1，即两车速度的差，此为明显的“速差现象”。

针对对向车流：1车与2车对向行驶

1车如与2车产生正面对撞（正撞，Head-on Crash），则其相对速度为V2 V1，即两车速度的和。由力学原理，撞击能（Impact Energy）E可表示成：

m=车辆质量（Mass）=重量×重力加速度（Gravity）；

V=速度（Velocity）。

由此式可知，速度越大，撞击能越大，由此也可知，正撞交通事故的严重性比追撞或追尾事故大许多。由道路交通工程设计的观点，相对速度衍生出针对车流“分向设计”与“分隔设计”的理念，如图5-9所示，分向设计须严防车辆跨越至邻侧对向车道。

图5-9 分向与分隔设计的理念

分向设计的典型例如高速公路、快速路的中央分向护栏；分隔设计的典型例如快、慢车道间的分隔缘石（Curb）或低型护栏（Low Profile Barrier）。道路交通工程设计者对“分向”与“分隔”应有明确的认知。

重点速度

重点速度（Relative Speed），也有人称之为临界速度，此在道路交通工程设计领域中，通常不会在任何设计规范、标准或准则中出现，充其量只可视为设计时的主观参考值，但是其重要性不可低估。

重点速度必须与存活速度（Survivable Speed）共同思考，以图5-10为例说明，图中的撞击速度（Impact Speed）为车辆撞击行人时的速度。

图5-10 行人穿越道路遇车辆撞击的伤亡比例[4]

行人穿越道路被速度为30km/h的车辆撞击时，可能不会致死，但受伤比例已超过10%；当车速为40 km/h时，行人伤亡比例超过30%；当车速为50 km/h时，行人死亡比例剧升为85%。所以我们可由此推定，行人穿越道路时，30km/h是行人受伤的重点速度；50km/h是行人遇撞击死亡的重点速度；而存活速度约在40km/h，即速度为40km/h以下，行人遇撞击可能受伤，但不至于死亡，而速度为40km/h以上，行人死亡率将明显上升。

再以路侧行道树的安全防护为例。车辆以速度50km/h撞击路侧大型乔木，驾驶人在系安全带的前提下，受伤的可能性也极大；以速度70 km/h以上撞击，驾驶人死亡比例大增。所以我们可由此推定，针对路侧大型乔木，50km/h为重点速度，而70km/h为存活速度。

重点速度、存活速度是道路交通工程设计者应深入了解的重要速度概念值，尤其针对行人穿越道路设计与路侧安全设计更应深思熟虑。

接近速度

接近速度（Approach Speed）指某车辆正以某速度运行，遇到前方各种路况，例如收费站、交叉路口或施工区时，车辆接近且可应变（例如停车缴费、遇红灯停止）的速度。接近速度在设计规范中不会提及，但道路交通工程设计者应确实了解，要考虑车辆处于接近速度时，随后必处于减速状态。

接近速度在道路交通工程实务设计中的应用场合众多，尤其是各种视距（Sight Distance）考虑、车辆转向及平面交叉路口的规划设计，这些应用内容在本丛书后续章节中具体详述。

速度分布

道路上量测车辆的点速度经统计、分析后便可得知并绘制该路段的速度分布曲线（Speed Distribution Curve）。道路交通工程实务上有两种较常用的速度分布曲线：速度频率分布曲线（Frequency Distribution Curve）；累积速度频率分布曲线（Cumulative Frequency Distribution Curve）。

以上两种曲线对了解道路速度环境都极有帮助。图5-11所示是曲型的速度频率分布曲线，其形状类似统计学中的正态分布曲线（Standard Distribution Curve），也称概率密度函数曲线（Probability Density Function Curve）。图5-11中，由于速度量测的路段不同，路段A与路段B速度分布曲线呈现的速度特征也有差异。

图5-11 典型的速度比率分布曲线例（1mph=1.609344 km/h）

如将图5-11中路段A、B的速度分布曲线迭加，即让两曲线的垂直坐标最大值都位于同一垂直线上，如图5-12所示，可看出下列重点：

▼ A函数与B函数都是典型的正态分布曲线型式；

▼ A函数的速度标准偏差小于B函数，表示A路段车流中不同车辆的车速较为集中；

▼ 由车辆速差的观点来看，A路段的安全隐患必明显低于B路段。

图5-12 曲线分布曲线判定速差现象例（1mph=1.609344 km/h）

图5-13所示为典型的累积速度比率分布曲线，此为图5-12的另一种表现型式，也就是上文提到的百分位速度分布曲线。如图5-13所示的50百分位速度V50=52 mph（83.2km/h），85百分位速度V85=59 mph（94.4km/h）。

图5-13 典型的累积速度比率分布曲线（1mph=1.609344 km/h）

如果将速度比率分布曲线与累积速度比率分布曲线综合呈现，则同一路段的车流状态、速度分布（Speed Distribution）现象将更清楚，图5-14与图5-15所示即是典型之例。

图5-14 两种速度分布曲线综合呈现例一

图5-15 两种速度分布曲线综合呈现例二（1mph=1.609344 km/h）

步距速度

步距速度（Pace Speed），指在两个速度值区间内的车辆分布比率，例如10 mph（16km/h） 步距或15km/h区间内的车辆数分布情况。以美国为例，其道路交通工程界最常采用的步距速度为10 mph（16km/h）步距，主要原因在于道路上不同车辆的速差在10 mph（16km/h）内对车流运作的影响尚不至于太大。

以前述图5-14所示为例，取步距速度=36 - 46mph的10 mph（16km/h）步距，可明显看出，46 mph（73.6km/h）车速对应80百分位速度（V80），36 mph（57.6km/h）车速对应34百分位速度（V34），所以在此步距速度内的车辆数占所有总车辆数的46%，即速差在10mph（16km/h）的车辆数约占46%。再以前述图5-15为例，其10 mph（16km/h）步距速度为26.5-36.5 mph（42.4-58.4km/h），其对应的百分位速度为V32.5与V81，故在此步距速度内的车辆数约占所有车辆的59%。

典型模式速度

典型模式速度（Mode Speed，也称为Modal Speed），指某路段的某时段，经长期持续不断的交通调查，样本数在某一程度以上，其结果呈现最常出现（即速度频率分布曲线最高点）的最高速度值。例如某城市某路段下午6点时，最常出现的最高速度为30km/h，如该路段的自由流速度已确认为60km/h，两相比较便可知道，相对速差明显，此典型模式速度可验证此路段已有交通高峰现象。

典型模式速度的获取量越多，其准确性越具参考价值，此对都市交通管理及交通控制（尤其是信号灯配时调控）极有帮助。不过我们应充分了解，典型模式速度具有极明显的区域特性，因每个区域的交通组成、车辆数、交通控制条件、大众运输普及率都不同。图5-14示例中典型模式速度为42.5 mph（68km/h），车辆所占比例约为27%。而图5-15示例的典型模式速度为31.5 mph（50.4km/h），车辆所占比例也约为27%。

速度历程

速度历程（Speed Profile）指沿着某一路段长度，车速的变化状况。速度历程分布图对个别驾驶人较无实用性，但对道路交通主管机关与执法机关而言，建立多组自由车流速度历程曲线，相互比较便可粗略得知此路段是否有须治理之处。

针对单一车辆

图5-16所示为单一车辆在A-B区段间的速度历程，其运行速度为V1 ~ V5的变化状态，而行车速度则是L/t，且不计停等时间。因此，行车速度是平均速度的概念，而运行速度历程则可鉴别车辆沿途的速度变化状态。

图5-16 单一车辆的速度历程

针对车流

道路完工通车后，我们期待车流的实际运行速度（V0）能符合当初设计时的预期值（预期运行速度），即车流的运行速度或平均行车速度在自由流的前提下，与限速值的差距越小越佳。

假设某高速公路的限速值为V85，如定义IC=一致性指数（Consistency Index），其单位与速度同，则IC可表示成：

以此概念校验该高速公路的IC值，则根据下列准则便可依稀判定车流速度状况是否符合当初设计时的预期：

情况1：IC≤10 km/h → 状况非常好

情况2：10 km/h < IC≤20 km/h → 勉强可接受的状况

情况3：IC > 20 km/h → 有须要检讨的地方

当然，我们必须强调，上述的IC值可能因不同道路交通主管机关对车流运作效率的要求程度不同而稍微有所不同。

往期连载

徐耀赐：道路设计速度如何选取？丨连载（九）

徐耀赐：道路路网结构合理的前提是道路交通功能阶差合理丨连载（八）

徐耀赐：选择哪种路网形式 要看具体解决什么问题丨连载（七）

徐耀赐：进行道路设计前必须先明确道路功能定位丨（连载六）

徐耀赐：道路交通工程规划与设计应考虑人车路的先天条件限制 丨连载（五）

徐耀赐：道路交通工程规划设计必须适应人的能力丨连载（四）

徐耀赐：正确的信息传输可辅助驾驶人有效完成驾驶任务丨连载（三）

徐耀赐：道路及街道几何设计应遵守八大控制准则丨连载（二）

徐耀赐：道路交通工程规划与设计的上位指导思维丨连载（一）

来源 | 交通言究社

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