Lựa chọn phương pháp xác định hệ số quy đổi xe con trong một số điều kiện cụ thể trên đường ô tô hai làn xe tại Việt Nam

ThS. Đinh Xuân Hoàn PGS. TS. Vũ Hoài Nam Trường Đại học Xây dựng Người phản biện: TS. Vũ Ngọc Trụ PGS. TS. Bùi Phú Doanh

Tóm tắt: Để đảm bảo độ chính xác trong phân tích, đánh giá chất lượng vận hành của dòng giao thông, rất nhiều nghiên cứu trên thế giới đã đề xuất các phương pháp xác định hệ số quy đổi xe với phạm vi áp dụng khác nhau. Hầu hết đều thiết lập hệ số này cho từng điều kiện đường và dòng giao thông cụ thể. Tuy nhiên, ở Việt Nam, hệ số quy đổi xe còn mang tính phổ quát, chủ yếu phục vụ cho những thiết kế ban đầu mà khó có thể dùng trong phân tích kỹ thuật giao thông. Trong nghiên cứu này, các giá trị hệ số quy đổi xe cho đường ô tô hai làn xe trong một số điều kiện cụ thể ở Việt Nam sẽ được tính toán dựa trên phương pháp luận phù hợp với các số liệu khảo sát thực tế. Phương pháp tương đương về mức phục vụ trên đường ô tô hai làn xe mà đại diện thông qua hai chỉ tiêu tỷ lệ phần trăm thời gian bám sau và tốc độ hành trình trung bình được lựa chọn để xác định hệ số quy đổi xe trong nghiên cứu.

Từ khóa: Hệ số quy đổi xe (PCE), đường hai làn xe, mức phục vụ (LOS).

Abstract: Two-lane highway takes evident of specific features in term of its performance. Hence, in order to enhance the accuracy of traffic analysis, a series of method defining the Passenger car Equivalents have been developed around the world so far. Each method carries the local characteristics of traffic conditions and cannot be applied generally. In Vietnam, the PCEs are quite general and applicable only for initial design phase.  This paper introduces some selected methods that are practical and suitable to get PCE under some specific contexts of Vietnamese traffic and highway conditions. An on-site experiment has been carried out and two methods that are Level of service equivalent and Percent Time Spent Following equivalent has been elaborated and validated. As results, some PCEs have proposed.

Keywords: Passenger Car Equivalents (PCE), two-lane highway, level of Service (LOS).

1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Những ảnh hưởng tương đối của các loại xe khác nhau so với xe con tới dòng giao thông thường được thể hiện bằng hệ số quy đổi xe con (Passenger Car Equivalent - (PCE)). Ảnh hưởng này hoàn toàn khác nhau tại từng vị trí tùy thuộc vào điều kiện đường, dòng giao thông và hành vi lái xe. Vì vậy, phải sử dụng giá trị PCE khác nhau trong mỗi điều kiện. Tính đến thời điểm năm 2015, tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô của nước ta đã trải qua ba ấn bản, tuy nhiên, PCE hầu như không thay đổi. Mặc dù được tham khảo từ một số quốc gia, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần thảo luận, đặc biệt trong tình hình hiện nay khi dòng xe đa dạng, khả năng động học và động lực học của xe cũng tốt hơn nhờ công nghệ chế tạo xe vận tải có nhiều tiến bộ. Giá trị PCE trong TCVN 4054 - 2005 thực tế khó có thể sử dụng cho các điều kiện đường và dòng giao thông cụ thể. Nó chỉ có ý nghĩa mang tính phổ quát, chủ yếu là để xác định ban đầu số lượng làn xe cần thiết ứng với mức phục vụ (LOS) cho trước. Trên thực tiễn, tùy điều kiện đường cũng đã có nhiều phương pháp khác nhau, chính xác và tỉ mỷ hơn để vận dụng xác định PCE. Vấn đề chính là vận dụng thế nào và điều chỉnh thông số ra sao trong điều kiện Việt Nam để có được phương pháp phù hợp nhất.

Quy đổi xe con lần đầu tiên được đề cập tới vào năm 1950 trong cuốn sổ tay năng lực thông hành của đường ô tô (HCM). Qua nhiều ấn bản tiếp theo, định nghĩa về PCE cũng dần thay đổi và có xu thế gắn với LOS của đường ô tô. Mới đây nhất, HCM 2010 [5] định nghĩa PCE “là số lượng chiếc xe con mà làm cho điều kiện khai thác tương đồng với chiếc xe tải nặng đơn trong cùng một điều kiện cụ thể về đường, giao thông và điều khiển”. Đối với đường 2 làn xe, HCM 2010 phân biệt rõ việc lựa chọn PCE theo từng phương pháp tiếp cận xác định LOS. Ở đó, tỷ lệ phần trăm thời gian bám sau (PTSF) và tốc độ hành trình trung bình (ATS) là hai phương pháp tiếp cận chính.

Tương tự phương pháp luận của HCM 2010, một số tác giả khác cũng xác định PCE cho đường ô tô 2 làn xe trên cơ sở quy đổi tương đương PTSF và ATS.

Quy đổi tương đương PTSF, theo [6], Van Aerder và Yagar (1984) nghiên cứu xác định PCE trên cơ sở chiếc xe đầu đoàn và dòng giao thông bám sau. Nghiên cứu chỉ ra rằng, những chiếc xe khổ rộng, khả năng vận hành kém thường có xu hướng trở thành chiếc xe dẫn đầu đoàn xe. Trên cơ sở đó, nhóm tác giả đề xuất một phương pháp xác định PCE theo tỷ số xác suất để trở thành chiếc xe đầu đoàn của một loại xe bất kỳ theo công thức sau:

 

(1)

 

Trong đó: X_i và X_c - Biến cố để chiếc xe loại i và xe con trở thành chiếc xe dẫn đầu đoàn xe; P(X_i) và P(X_c) - Xác suất để chiếc xe loại i và xe con trở thành chiếc xe dẫn đầu đoàn xe.

Sử dụng lý thuyết xác suất, các tác giả thiết lập xác suất để một chiếc xe dẫn đầu đoàn như sau:

 

(2)

 

Trong đó: P(A_i) - Số xe loại i dẫn đầu đoàn/tổng số đoàn xe = Phần trăm loại xe i dẫn đầu đoàn xe; P(B_i) - Số xe loại i trong dòng / tổng số xe trong dòng = Phần trăm loại xe i trong dòng xe;

P(X_c) cũng xác định tương tự như P(X_i) theo công thức (2).

Trên cơ sở quy đổi tương đương ATS, theo [3], Chandra và Sikdar (2000) đề xuất một phương pháp mới xác định PCE cho dòng xe hỗn hợp. Họ thiết lập PCE như một hàm của diện tích chiếm dụng của xe và tốc độ hành trình. Nhóm tác giả lập luận trên cơ sở khái niệm “không gian chiếm dụng động” của xe trên đường như Hình 1.1.

Hình 1.1:  Minh họa khoảng thời gian chiếm dụng không gian đường của xe loại i

 

Bằng cách xem xét sự vận hành của các xe ở cùng tốc độ hành trình, V (Km/h), PCE của một xe loại i có thể được xác định thông qua tỷ số giữa không gian chiếm dụng trung bình của loại xe đó với xe con trong cùng điều kiện vận hành như sau:

 

(3)

 

Trong đó: ,  - Không gian chiếm dụng trung bình của nhóm phương tiện loại i và của xe con cùng vận hành ở tốc độ V. Trên cơ sở giá trị khoảng thời gian chiếm dụng không gian đường trung bình của các phương tiện,  và  có thể được xác định theo công thức 4 và 5.

 

(4)

(5)

 

Do đó, PCE của nhóm xe loại i được xác định như sau:

 

(6)

 

2. Phương pháp nghiên cứu và khảo sát số liệu

2.1. Cơ sở lý thuyết xác định PCE trên đường ô tô hai làn xe

LOS trên đường ô tô có ý nghĩa vô cùng quan trọng, nó là một thước đo trong việc đánh giá chất lượng của một dòng giao thông. Thước đo này được xem như là một công cụ đo lường hữu hiệu trong hầu hết phân tích quy đổi tương đương dòng giao thông hỗn hợp. Đây được coi là cơ sở phương pháp luận quan trọng nhất trong việc phân tích quy đổi dòng giao thông.

Đối với đường ô tô hai làn xe, hai thông số chính để đánh giá LOS cho loại đường này đó là PTSF và ATS. Do đó, trong quy đổi tương đương với loại đường này, PTSF và ATS là hai thước đo quan trọng và cần thiết phải được xem xét tới.

Phù hợp với lập luận trên, phương pháp dựa trên sự hình thành đoàn xe do Aerder và Yagar (1983) theo tiếp cận PTSF (Phương pháp 1) và phương pháp dựa trên không gian chiếm dụng đường theo tiếp cận ATS (Phương pháp 2) được lựa chọn để xác định PCE trong một số điều kiện cụ thể ở Việt Nam. Hai phương pháp này có ưu điểm đó là dựa trên cơ sở khoa học rõ ràng, phù hợp với đặc thù của đường hai làn xe. Mặt khác, các thông số trong phương pháp có thể dễ dàng thực nghiệm xác định trong những điều kiện cụ thể.

2.2. Phương pháp khảo sát xác định các thông số

2.2.1. Phương pháp thu thập số liệu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp trạm quay cố định và thu thập dữ liệu từ các video được lựa chọn. Đây là phương pháp đơn giản, dễ sử dụng và có độ chính xác tương đối cao.

2.2.2. Lựa chọn vị trí khảo sát

Một số tiêu chí lựa chọn vị trí khảo sát như sau:

Thứ nhất, điều kiện hình học của tuyến đường phải đáp ứng được một số yêu cầu như bề rộng một làn xe tối thiểu là 3,5m, bề rộng lề gia cố tối thiểu là 2,0m, không tồn tại các điểm tiếp cận trong đoạn khảo sát.

Thứ hai, vị trí khảo sát được định hướng tới những vùng có phần trăm xe tải và xe buýt tương đối lớn.

Thứ ba, vị trí khảo sát phải đa dạng về các độ dốc dọc và hình thức tổ chức giao thông.

Ba vị trí khảo sát dọc trên tuyến QL1A mới đoạn qua tỉnh Bắc Giang đáp ứng các điều kiện trên và được lựa chọn như sau:

- Đoạn 1: Km127+400 ÷ Km128+400

- Đoạn 2: Km119+500 ÷ Km120+500

- Đoạn 3: Km117+400 ÷ Km117+900

2.2.3. Trình tự thực hiện và thu thập dữ liệu

Tiến hành khảo sát thực nghiệm theo các bước sau:

Bước 1: Chuẩn bị những công cụ, vật dụng cần thiết.

Bước 2: Tiến hành kẻ vạch sơn trắng định vị các mặt cắt khảo sát trên tuyến.

Bước 3:Lựa chọn vị trí đặt máy quay. Máy quay được gắn vào các cột đèn bên đường hoặc đặt trên giá đỡ.

Bước 4: Tiến hành quay video 9 giờ trong một ngày tại từng đoạn khảo sát. Thời gian từ lúc 8h00’ đến 17h00’.

Bước 5:Xem lại video khảo sát trên máy tính cá nhân với tốc độ chậm để thu thập số liệu theo mẫu bảng 2.1.

Bảng 2.1. Biểu mẫu lọc dữ liệu giao thông từ video tại các mặt cắt

 

Trong đó:

A - Biển số của chiếc xe i chạy qua mặt cắt khảo sát;

B - Loại xe mà chiếc xe i được phân loại, B nhận giá trị từ 1 - 7;

C và D lần lượt là thời điểm một chiếc xe xuất hiện tại mặt cắt khảo sát 1 - 1 và 2 - 2. C và D được tính theo thời gian quân đội.

E - Thời gian hành trình của một chiếc xe trên đoạn khảo sát:

 E = D - C (s)

F - Quãng cách thời gian giữa hai xe liên tiếp xuất hiện tại mặt cắt 1 - 1. Giá trị của F được xác định như sau:

 F_i = C_i - C_i-1 (s)

Với i= 1÷n và C₀= 28800 (thời điểm bắt đầu khảo sát, lúc 8h00’).

G - Số thứ tự đoàn xe qua mặt cắt 1 - 1. Theo trình tự thời gian khảo sát, giá trị của G thay đổi từ 1÷n. Ở đó, những xe thuộc cùng một đoàn xe sẽ có cùng giá trị G. Giá trị G được lọc thông qua quãng cách thời gian giữa 2 xe liên tiếp xuất hiện tại mặt cắt 1 - 1 theo điều kiện sau:

 

(7)

 

Trong đó: G­_i - S thứ tự của đoàn xe j có chiếc xe i qua mặt cắt 1 - 1; m - Tổng số đoàn xe trong thời gian khảo sát qua mặt cắt 1 - 1; n - Tổng số xe theo hướng khảo sát tại mặt cắt 1 - 1.

H - Loại xe dẫn đầu trong đoàn xe thứ j; H - 1 ÷ 7. H được thực hiện theo điều kiện sau:

 

 

Trong đó: H_i - Loại xe dẫn đầu đoàn xe thứ j mà có chiếc xe i trong đoàn xe; B_i - Loại xe mà chiếc xe thứ i được phân loại; C_i - Thời điểm xuất hiện của chiếc xe thứ i tại mặt cắt 1 - 1; MinC_j - Thời điểm xuất hiện sớm nhất của chiếc xe thứ i trong đoàn j tại mặt cắt 1 - 1;

I, K, L có ý nghĩa tương tự như E, F, G nhưng được xác định tại vị trí mặt cắt 2 - 2.

Trên cơ sở dữ liệu giao thông được lọc thông qua Bảng 2.1, các thông số dòng giao thông phục vụ tính toán PCE cho đường ô tô 2 làn xe được xác định như Bảng 2.2 dưới đây:

Bảng 2.2. Tính toán các thông số yêu cầu từ dữ liệu thực nghiệm

 

2.3. Kết quả khảo sát

Trên cơ sở dự liệu khảo sát thu thập được trình bày dưới dạng mẫu Bảng 2.1, dưới đây trình bày một số phân tích thống kê, mô tả các thông số của dòng giao thông đã nghiên cứu.

2.3.1. Quãng cách thời gian giữa các xe trong đoàn h (s)

Hình 2.1 và 2.2 cho thấy rằng, Mode của h trên đường bằng cao hơn hẳn trên đoạn dốc dọc 6%. Trên đường bằng h_Mode= 3÷4s, đoạn lên dốc 6%, h_Mode» 2s. 

Phần lớn h xuất hiện từ 3÷5s trên các đoạn đường bằng ở cả 2 mặt cắt khảo sát. Trong khi đó, ở đoạn dốc dọc 6%, h tại chân dốc phân bố khá giống trên đường bằng, còn ở đỉnh dốc h tập trung chủ yếu từ 1÷2s. Điều này minh chứng cho những quan sát thường thấy trên các đoạn dốc, đó là sự xuất hiện nhiều hơn của các đoàn xe, đặc biệt những đoạn dốc lớn.

 

2.3.2. Đoàn xe và lưu lượng

Thành phần dòng xe trên đoạn tuyến nghiên cứu gồm đầy đủ 7 loại xe khác nhau, trong đó xe con chiếm tỷ lệ rất cao (> 40%). Ngoài ra, các loại xe khác cũng chiếm một thành phần tương đối, trong đó xe tải nhẹ chiếm tỷ lệ khá cao (> 15%).

Hình 2.3 và 2.4 cho thấy rằng, càng lên đến đỉnh dốc, các xe nặng càng có xu hướng trở thành chiếc xe dẫn đầu đoàn. Điều này thể hiện bằng sự gia tăng những chiếc xe nặng dẫn đầu tại mặt cắt 2 - 2 so với mặt cắt 1 - 1 tại đoạn dốc 6%. Ngược lại, xe con với khả năng cơ động cao hơn thường tách khỏi đoàn xe tại chân dốc và gia nhập vào các đoàn xe khác khi lên tới đỉnh dốc. Điều này thể hiện bằng số xe con dẫn đầu đoàn tại mặt cắt 2 - 2 giảm đáng kể so với mặt cắt 1 - 1.

 2.3.3. Tốc độ hành trình trung bình (ATS)

Dốc dọc đường 6% không ảnh hưởng nhiều tới tốc độ vận hành của xe con và khách nhỏ. Trên cả ba đoạn khảo sát, ATS của các các xe này không có nhiều biến đổi, các xe con có tốc độ khoảng 62 km/h. Sự sụt giảm tốc độ khi lên dốc chủ yếu xảy ra đối với các xe khách lớn và các xe tải nặng. Khi lên dốc 6%, hầu hết các xe này vận hành kém hơn khoảng 6 km/h ¸ 7 km/h so với đường bằng.

2.3.4. Kích thước hình học

Một tổ mẫu gồm 50 mẫu xe tương ứng với mỗi nhóm được lựa chọn ngẫu nhiên để xác định một thông số đầu vào khác quan trọng là kích thước của xe đại diện trong mỗi nhóm. Qua phân tích cho thấy, kích thước của các xe quan sát được có xu hướng phân bố theo dạng phân bố chuẩn.

3. Tính toán hệ số quy đổi xe con

3.1. Tính toán theo phương pháp 1

Theo phương pháp này, PCE được xác định theo công thức 1. Kết quả phân tích cho thấy rằng, PCE tại hai mặt cắt trên đường bằng không có sự chênh lệch đáng kể bởi những đặc trưng tương đồng. Trong khi đó, đoạn dốc dọc 6%, PCE có sự chênh lệch đáng kể, càng gần đỉnh dốc PCE càng lớn.

Thực chất, để xác định PCE cho các đoạn đặc trưng khác nhau phải có một tập dữ liệu đủ lớn. Khi đó PCE cuối cùng phải là kỳ vọng của các PCE đối với mỗi tập dữ liệu thu được. Tuy nhiên, trong điều kiện của nghiên cứu cùng với những phân tích trên, PCE có thể xác định như sau:

- Đoạn đường bằng:

 

(8)

 

- Đoạn dốc: phân định rõ, từ chân dốc tới < 400m sử dụng PCE^MC1-1, từ > 400 kể từ chân dốc sử dụng PCE^MC2-2.

3.2. Tính toán theo phương pháp 2

Theo phương pháp này, PCE được xác định theo công thức 6. Trên cơ sở dữ liệu kích thước hình học của các xe và tốc độ hành trình trung bình tương ứng đã thực nghiệm xác định. Kết quả phân tích cho thấy rằng, giá trị PCE tương đối lớn, ngay cả khi dốc dọc nhỏ. Ngoài ra, sự chênh lệch PCE giữa đoạn đường bằng và đoạn lên dốc 6% không quá lớn, khoảng 15%.

3.3. Phân tích kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã tập trung vào một số ảnh hưởng chính của điều kiện đường và dòng xe tới PCE như tỷ lệ phần trăm xe tải, độ dốc dọc và các đoạn cho phép hoặc cấm vượt. Tác giả đã lựa chọn được 2 phương pháp dựa trên sự hình thành đoàn xe (Phương pháp 1) và phương pháp quy đổi tương đương tốc độ hành trình (Phương pháp 2). Như đã phân tích, phương pháp 1 dựa trên cơ sở tương đương về LOS mà thông số PTSF là đại diện, trong khi phương pháp 2 lại dựa vào ATS. Nghiên cứu cũng đã tiến hành tính toán PCE theo cả hai phương pháp, kết quả được tổng hợp trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Tổng hợp kết quả tính toán PCE tại một số đoạn đặc trưng của đường hai làn xe trong điều kiện Việt Nam

 

Trên cơ sở kết quả tính toán PCE cho ba trường hợp nghiên cứu, một số nhận xét như sau:

- Giá trị PCE có sự khác biệt đáng kể với TCVN 4054-2005 [1] hiện hành. Các giá trị PCE đề xuất trong [1] chỉ mang tính phân tích ban đầu, chủ yếu là định số làn xe mà khó có thể dùng để phân tích dòng giao thông trên đường 2 làn xe trong các điều kiện cụ thể do không xét đến các yếu tố đặc trưng cơ bản của điều kiện đường, giao thông và điều khiển.

- Giá trị PCE xác định theo 2 phương pháp được chọn có sự khác nhau tương đối lớn, đặc biệt đối với những xe tải trọng nặng hoặc kích thước lớn. Trong đó, phương pháp 2 cho giá trị cao hơn nhiều so với phương pháp 1. Cá biệt trong trường hợp xe container, PCE theo phương pháp 2 gấp khoảng 1,8 lần phương án 1. Kết quả nghiên cứu này cũng khá tương đồng với các giá trị do HCM 2010 công bố, thể hiện ở các điểm sau:

+ Mỗi đoạn đường đặc trưng có hai giá trị PCE dùng trong những trường hợp khác nhau để tính toán các chỉ tiêu dùng trong phân tích, đánh giá LOS cho đường 2 làn xe;

+ Giá trị PCE dùng cho phân tích PTSF nhỏ hơn khi sử dụng phân tích ATS trong cùng một điều kiện;

+ Giá trị PCE có thể rất lớn khi quy đổi tương đương dựa trên ATS.

- Giá trị PCE có xu hướng tăng theo kích thước và khả năng động học của xe, đặc biệt trong điều kiện độ dốc dọc đường lớn và không có các các đoạn đường cho phép vượt.

- So sánh với HCM 2010 ở cùng điều kiện, nhận thấy rằng, nghiên cứu này cho giá trị cao hơn. Ví dụ, với điều kiện dốc dọc đi lên 6%, chiều dài < 1,2km (0,75 dặm), HCM 2010 đều coi xe tải tương đương với xe con, PCE = 1,0. Trong khi nghiên cứu này giá trị PCE có sự thay đổi và > 1,0. Điều này có thể lý giải được là do sự khác biệt về chất lượng phương tiện và điều kiện đường của hai nước Việt Nam và Hoa Kỳ. Ngoài ra, cũng có thể đến từ sự khác biệt về phương pháp luận tính toán.

4. Kết luận

PCE là một thông số quan trọng trong phân tích, đánh giá chất lượng vận hành của đường ô tô nói chung. Các giá trị PCE với mọi điều kiện đường, giao thông và dòng xe cụ thể, phải sử dụng các giá trị PCE khác nhau phù hợp với bài toán phân tích.

Đối với đường 2 làn xe, cách tiếp cận tốt nhất trong phân tích chất lượng dòng xe là sử dụng thông số PTSF và ATS. Và đương nhiên PCE sử dụng trong tính toán là khác nhau.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, PCE còn phụ thuộc vào đặc tính của dòng xe, đặc biệt là khả năng động học, cũng như công nghệ xe sử dụng. Đề xuất bước đầu cho thấy PCE của xe tải đều lớn hơn 1,0 trong các điều kiện phổ biến.

Có thể sử dụng phương pháp đã thực hiện trong nghiên cứu này để xác định PCE trong các điều kiện đường tương tự với đoạn đường đã chọn trong nghiên cứu.

Phương pháp được lựa chọn có ưu điểm là đơn giản, dễ thu thập dữ liệu đầu vào và có thể tự động hóa bằng các công cụ lập trình thông dụng. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là tập mẫu phải đủ lớn do đó làm tăng thời gian và chi phí thực nghiệm nếu dòng vắng xe. Ngoài ra, phương pháp chọn không phù hợp với những dòng hỗn hợp có xe máy.

Tài liệu tham khảo

[1]. TCVN 4054-2005, Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế.

[2]. Vũ Hoài Nam (2012), Kỹ thuật giao thông tập 1: Nghiên cứu và điều tra giao thông. NXB. Giáo dục.

[3].  Chandra, S. and Sikdar, P. K. (2000), Factors affecting PCU in mixed traffic situations on urban roads, Road Transp, Res., 9(3), 40-50.

[4]. Duncan, N. C. (1974), Rural Speed/Flow Relations, (TRRL Laboratory Report 651), Crowthorne, Berkshire: Transport and Road Research Laboratory.

[5]. Highway Capacity Manual 2010 (HCM 2010), Washington, D.C, Transportation Research Board, National Research Council.

[6]. Van Aerde, M. and Yagar, S. (1984),  Capacity,  speed, and platooning  vehicle  equivalents  for two-lane  rural highways,   Transportation  Research  Record  971, 58-67.

[7]. Yagar, S. and Van Aerde, M. (1982), Radar-platoon  technique for efficient  and complete  speed measurements, Transportation Research  Record 841, 36-41.