了解美国交通研究的发展模式与未来趋势

从1950年第一版推出以来，美国交通研究委员会（Transportation Research Board，简称TRB）发布的《公路通行能力手册》（Highway Capacity Manual，简称HCM）历经七十多年的发展，已经成为交通工程行业标杆性的参考手册。

《公路通行能力手册》共分为4卷，分别对应了交通概念定义、连续交通流设计与评估方法、间断交通流设计与评估方法、以及相关的应用指南。《公路通行能力手册》第三版诞生之后，与之紧密相关的商业软件也随之推出，用以辅助庞杂的计算方法。

随着《公路通行能力手册》的不断更新，软件也不断推出新版本以改进用户体验，更好的实现手册中的方法。

本文将回顾《公路通行能力手册》及其商业软件的发展，着重介绍第七版《公路通行能力手册》和商业软件的最新成果，以更好地了解美国交通研究的发展模式与未来趋势。

《公路通行能力手册》第一版于1950年出版。在当时，它实际上只是公共道路局（美国联邦公路局的前身）在《公共道路》杂志上发表的一系列文章的集合。第一版的《公路通行能力手册》只有147页的篇幅，但提供了一系列用于测算各种类型公路的通行能力的方法。

1965年《公路通行能力手册》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。

有赖于联邦、州和地方交通机构的广泛使用，第二版《公路能力手册》在美国得到了广泛的普及。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术语。

1985年《公路通行能力手册》第三版出版。相较上一版本，手册只增加了80页，但涵盖的内容也不再仅限于汽车道路，将行人自行车也考虑到了其中。第三版的《公路通行能力手册》运用了不少最新的研究成果。

这些由研究者得出的方法往往需要繁杂的计算过程，且可以预见这些方法的复杂度在未来会不断增长。这对于方法的实际运用带来了不少挑战。

恰好在1980年代，个人计算机逐渐走入美国普通人的生活之中。在交通行业领域，越来越多人认为计算机可以辅助实施复杂的计算方法。当时佛罗里达大学土木工程系的教授Kenneth Grant Courage就是持此观点。

Kenneth Grant Courage拥有电子工程学和交通工程学学位，他在早期的苹果电脑上开发了一系列程序，并在此基础上于1985年成立了McTrans 中心，意为交通微型计算机中心（the Center for Microcomputers in Transportation）。

此后佛罗里达大学的McTrans中心与交通研究委员会展开了密切的合作。经过一年的研发，McTrans中心于1987年正式发布第一款基于《公路通行能力手册》第三版的商业软件Highway Capacity Software （HCS）。HCS严格遵守《公路通行能力手册》中的各种规范，以确保了各个方法准确无误。

为了使用户能尽快使用《公路通行能力手册》的方法，Highway Capacity Software也必须同步更新。为此，交通研究委员会与佛罗里达大学的McTrans中心展开了更密切的合作，该中心一直负责Highway Capacity Software的维护和发布。

此后，《公路通行能力手册》在第三版原有内容的基础上进行了两次更新 （1994年和1997年版），McTrans中心也同步推出了HCS2与HCS3。交通研究委员会因此与佛罗里达大学的McTrans中心有了更密切的合作。

2000年，《公路通行能力手册》改版，并发布第四版。第四版手册第一次提出了全新的分析高速公路理论体系，尤其是分析饱和流的模型。

时至今日饱和流模型依然包括在最新的第七版中。此版手册不仅在美国国内知名度很高，而且由于推出了公制版本，在国际上也享有盛誉。

McTrans中心 于2001年推出了新一代的HCS4 （包含英制和公制版），以及在2005年推出了HCS Plus （HCS5），增强了与信号配时软件TRANSYT-7F和交通仿真软件CORSIM等软件的整合。

2011年1月，《公路通行能力手册》第五版发布，此版在城市道路，立交桥和高速公路交织段发布了重要更新。模型的复杂度也上升到了一个新的层次。

McTrans中心于同年4月推出了HCS 2010（HCS6）系列（2011年至2016年，共11版），其中重新设计的Freeway Facility 和Streets模块整合多个章节的模型。

另一家位于德克萨斯州的交通企业Trafficware则相继于2011年6月及2014年5月推出Synchro Studio 8和Synchro Studio 9。这两款软件仅支持《公路通行能力手册》第五版的非连续流模型。

2016年底，《公路通行能力手册》第六版发布，提出了新的可靠性分析方法。在2016年12月McTrans中心发布的HCS7系列，提供了重新设计的Freeways，AWSC（All Way Stop Control, 四向停车标志控制交叉口）和Streets Reliability模块。此后直至2021年，HCS7持续更新了13个版本。

Trafficware及其母公司Cubic则于2017年1月推出了支持《公路通行能力手册》第六版的Synchro Studio 10。此后又于2019年12月发布了Synchro Studio 11。相较之下Synchro更注重交通信号配时及优化设计。

2022年初，《公路通行能力手册》第七版发布，将多领域最新的研究成果纳入到了手册之中。McTrans中心则在2021年12月和2022年9月先后推出了HCS 2022 （HCS8.1）和 HCS 2023 (HCS 8.2)。以下是部分第七版《公路通行能力手册》的更新。

路网分析

第七版《公路通行能力手册》第38章介绍了路网分析方法，用以综合分析不同类型的道路，例如高速公路和城市道路之间的相互作用。路网分析方法可适用于相互连接的高速公路网络或者高速公路与城市主干路。

路网分析方法的范围包括了信号交叉口、停车标识控制的交叉口、环形交叉口以及这些交叉口的组合。分析的性能指标包括了路网中的旅行时间与速度。

双车道公路

双车道公路是美国国家公路系统中非常重要的部分，为人员和货物的流动发挥关键作用。

顾名思义，双车道公路在每个方向上只有一条车道。在美国，大多数双车道公路存在于农村地区。与流量大的普通高速公路相比，双车道公路通常具有交通量低、速度相对较高和设计标准较低的特点。

但随着城市化的发展，过去欠发达地区对双车道公路的交通需求量正在增加。此外，随着市区拥堵的加剧，运输企业在其路线决策中越来越多地使用拥堵较少的双车道公路。然而，这又带来了新的问题。

由于双车道公路同向车辆超车机会非常少，加上货运卡车的速度较慢，导致了双车道公路服务水平显著下降。

尽管在双车道公路上新建车道通常会解决双车道高速公路的问题，但此类扩建项目成本非常昂贵。基于此，美国的交通工程师通常会使用良好准确的分析方法提升双车道公路运行管理水平，以实现在不扩建双车道公路的情况下显著改善其通行能力。

第七版《公路通行能力手册》的第15章就提供了新的双车道公路的分析方法。HCS新增了一种方法来评估双车道公路的服务质量。

HCS中关于双车道公路的更新还涵括了新的公路分段，新的性能指标，水平曲率敏感性，超车道的影响，以及对2+1双车道公路的分析。HCS最新版的Highways实现了第七版的第十五章。

行人分析方法

行人过街的安全性与可达性一直是《公路通行能力手册》的重要内容。

第七版《公路通行能力手册》改进了在信号交叉口和非信号交叉口的行人分析方法，有助于分析各个安全措施对行人安全性与可达性的影响。

HCS更新了在双向停车标志控制交叉口和不受控制的交叉口的分析方法。新的分析模型可以涵盖15种安全设施与办法。

智能网联汽车

智能网联汽车（CAVs）是一项发展中的技术，在减少延误、交通事故和燃料消耗方面有着广阔的前景。智能网联汽车不仅可以实现相互之间的信息互通，也可以与路侧设备保持沟通，使其驾驶系统能够比传统的人类驾驶员更有效和安全地进行导航和决策。

鉴于智能网联汽车处于发展的早期阶段，现场数据的稀缺性导致了模拟智能网联汽车对高速公路通行能力的影响时需要有多种假设，包括从非常保守到非常乐观的各种程度的估计。

公共部门在制定长期交通规划并做出政策和投资决策时，就需要考虑未来几十年的智能网联汽车的发展，这无疑是巨大的挑战。

第七版《公路通行能力手册》中的智能网联汽车评估方法中，通行能力的提升是与智能网联汽车市场普及率有关的函数。

即交通流中具有智能网联功能的车辆的百分比越高，交通的通行能力也会因此增加，这与研究结果一致。以道路设施类型划分，《公路通行能力手册》提供了含智能网联汽车的高速公路、信号交叉口和环岛的通行能力调整方法。

在HCS中可以使用这些方法从规划层面，通过通行能力调整系数（Capacity Adjustment Factor, CAF）衡量智能网联汽车的影响。HCS 2023的Freeways， Streets 和Roundabouts模块都支持用户分析智能网联汽车对通行能力的影响。

《公路通行能力手册》的发展与商业软件的开发是相辅相成的。《公路通行能力手册》提供了交通分析的基石，而商业软件则起到了推广实践交通分析方法的作用。这种合作关系可谓是深度融合了交通研究与产业实践。

仅以TRB委员会Highway Capacity and Quality of Service 的委员构成为例，便可以完美诠释这种良好的合作关系。

2021年2月28日，此委员会共有委员29人，48%服务于交通工业界（私有咨询公司和交通软件开发公司），31%来自于大学研究机构，21%工作于政府部门。其中，国际委员有3人。由此可见，《公路通行能力手册》的不断发展和完善与各界的努力息息相关。

在未来规划中，《公路通行能力手册》将着眼于应用效果与前沿科技的发展。而手册方法论的复杂性，则更加依赖于软件的使用，因此也将更加需要商业软件的助力。

参考资料：

https://www.kittelson.com/work/nchrp-project-17-87/；

http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/webinars/220607.pdf；

https://mctrans.ce.ufl.edu/；

https://cubicits.freshdesk.com/support/solutions/69000217759；

Dr. Fabio Sasahara 2021, Estimating Capacity Impacts of CAVs on Highways, Freeways, and Urban Roads,