（交通运输规划与管理专业论文）互通立交分流区交通流特性研究.pdf

摘要 摘要 出口匝道及分流区是互通式立体交叉的重要组成部分。在互通立交分流区内，由于车辆的分流 行为，引起主线车辆在各车道间进行重新分布，导致主线交通流混乱，行车速度降低，从而造成行 车延误。当分流的交通量大时，分流车辆在减速车道或分流影响区内形成排队。随着交通量的增大， 减速车道不足以提供足够的空间供分流车辆驶离主线，甚至占用主路靠边的部分车道，形成互通立 体交叉系统通行能力的“瓶颈”地段。研究互通立体交叉出口匝道的交通特性，为解决分流影响区 的交通实际问题，并缓解分流区的瓶颈，提高交通安全性，保证互通立体交叉的通行能力和服务水 平有着十分重要的意义。 本文首先在对大量的调查数据进行处理与分析的基础上，研究分流区内的交通流特性；其次， 运用数理统计、排队理论及间隙接受理论分析分流区的行车延误；然后，分析互通立交分流区的驾 驶特性，运用动力学方法分析主路与匝道连接段的通行能力；最后，应用t s i s 软件对分流区的延 误及交通特性进行微观仿真。 【关键词】 互通立体交叉，出口匝道，分流区，交通流特性，数理统计，排队理论，间隙接受理论，延误 通行能力，交通仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t o f f - r a m pa n dd i v e r g i n ga r e aa r ei m p o r t a n ts e g m e n t so fi n t e r c h a n g es y s t e m s b e c a u s eo ft h e c o n f u s i o nt a k e nb yt h ed i v e r g i n gb e h a v i o ri nd i v e 堰i n ga r e a ，v e h i c l e sw i l ld i s t r i b u t ea g a i ni nt h ej u n c t i o n o f o f f - r a m pa n df r e e w a y , s p e e dr e d u c e d , a n dd e l a yh a p p e n e do nt h e s es e g m e n t s a st h ed i v e r 舀n gv e h i c l e s i n c r e a s i n g , d e c e l e r a t i n gl a n ec o u l dn o tp r o v i d i n ge n o u g hs p a c et oa c c o m m o d a t es om u c hv e h i c l e s ，t h e n q u e u ei sf o r m e d s om u c ha st h eq u e u ew o u l dt a k eu pp a r t so f m a i n l i n es p a c e o f f - r a m p j u n c t i o n sb e c o m e t h eb o t t l e n e e k so f t h ei n t e r c h a n g es y s t e m s r e s e a r c ho nt r a f f i cs t r e a mc h a r a c t e r i s t i c so f o f f - r a m pj u n c t i o n i nt h ei n t e r c h a n g ew i l lr e s o l v ed i v e r g i n ga r e a sa c t u a lp r o b l e mo f t r a n s p o r t a t i o na n dr a i s et h et r a n s p o r t a t i o n s a f e t ya n dr e m o v eb o t t l e n e c k s ，e s t i m a t i n gf r e e w a yc a p a c i t ya n di m p r o v i n gf r e e w a yl e v e lo f s e r v i c e f i r s t l y ，b a s e d o na l o to f a n a l y s i sa n d d i s p o s a l f o r i n v e s t i g a t i n gd a t a ，m ec h a r a c t e f i s t i e so f t r a f f i c f l o w a r es t u d i e d s e c o n d l y ，w i t hq u e u i n gt h e o r ya n dg a pa c c e p t a n c et h e o r y , t h ea r t i c l eh a sr e s e a r c h e dd e l a y so f v e h i c l e s i n d i v e r g i n g a r e a a r e r w a r d s ，i tr e s e a r c he a p a c n y m o d e l o f d i v e r e i n g a r e a w i t h d y n a m i c s m e t h o d s a n dd r i v e rb e h a v i o ra r ea l s os t u d i e d f i n a l l y , t r a f f i cs t r e a mc h a r a c t e r i s t i co fd i v e r g i n ga r e ai sa n a l y z e d w i t ht r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r en a m e dt s i s a n dw i t ht h er e s u l t so f s i m u l a t i o n ，t h ea r t i c l eh a sv a l i d a t e d t h ed e l a ym o d e l k e yw o r d s i n t e r c h a n g e ，o f f - r a m p ，d i v e r g i n ga r e a ，t r a f f i cs t l t a mc h a r a c t e r i s t i c s ，s t a t i s t i c a lm e t h o d s ，q u e u i n g t h e o r y ，g a pa c c e p t a n c et h e o r y ，d e l a y s ，c a p a c i t y ，t r a f f es i m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j # 整仁日 期：尘丛丛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：鲤辫导师签名：奎叁拿 日期：巡 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，我国交通基础设施建设资金投入不断增加，高速公路、城市快速路迅猛发展， 城市化、机动化进程迅速加快，我国的机动车拥有量及道路交通量急剧增加。以北京为例， 截至2 0 0 4 年，机动车保有量超过2 0 0 万辆，驾驶员人数在3 0 0 万人以上。在早晚高峰期， 北京市八城区很难找到真正意义上的车少畅通路段，尤其在环线快速路进出口车辆较多的路 段，拥堵成为不可回避的现实。同时，交通事故隐患逐渐增加，在城市间的高速公路和城市 内的快速路上，出入口匝道的交通事故率占很大比例。如何使高等级道路发挥高效、安全的 交通服务功能，成为交通领域的重要研究课题。 高速公路、城市快速路等高等级道路的建设促进互通式立体交叉的发展。在互通立交分 流区内，由于车辆的分流行为，驾驶员转换车道，寻找车速较快的车道，进而引起主线交通 流紊乱，行车速度降低，延误增大。当分流不畅时，可能产生向主线延伸的超长排队车流， 甚至造成主线拥堵，形成快速路的“瓶颈”路段，降低互通立交的整体通行能力。因此，有 必要对分流区的交通流特性及通行能力进行研究。 1 2 研究意义 减速车道是互通式立体交叉的重要组成部分，其作用是为驶出快速路的车辆提供安全舒 适的驾驶条件，实现主线车速与匝道车速之间的平稳过渡，维持立交服务水平的整体一致性。 匝道与主线连接段的通行能力及排队延误等交通特性指标极大地影响整个快速道路系统以 及地面路网的交通效率，研究分流区各交通特性参数，能更好的发挥快速路系统以及地面路 网的整体效益。同时，对互通立交分流区交通特性及通行能力进行研究也是科学、合理地进 行交通规划和设计，以及改善交通组织与交通管理环节中的重要工作。 1 3 国内外研究概况 国内外对于道路交通特性的研究通常是作为研究通行能力的前提进行，而对互通立交匝 道及其结合部的研究又侧重于合流区的交通特性与仿真研究，针对互通立交分流区交通特性 与仿真的研究较为缺乏。 1 , 3 1 国外研究概况 国外对互通立体交叉分流区交通特性的研究，取得了较为深入的研究成果。其中以美国 交通工程师协会( a a s h t o ) 的研究最具代表性。美国交通工程师协会出版的h c m 2 0 0 0 1 j 对高速公路分流区和匝道通行能力进行了详细研究。日本也对分流区通行能力进行了研究， 其基本原理与美国的通行能力研究相似，区别在于对减速车道起点的选取不同。由于交通特 性的重要性，许多学者对道路交通流特性的研究不断深入。g r e e n s h i e l d s ( 1 9 3 5 ) 1 2 j 提出道路交 通流的速度和流量之间符合抛物线模型关系。2 0 世纪8 0 年代以后，较多学者研究交通流到 达或接近通行能力时的交通流状况，多数的文献均表明道路上交通量低于一定水平时，车辆 东南大学硕士学位论文 可以保持自由流速度。h o u n s e l l 3 1 对英国的情况进行了研究，得出自由流速度几乎能保持到 流量接近通行能力的结论，h a l l l 4 】对此进行了全面的综述，并指出对应于高速公路的不同区 段，速度一流量曲线应分为三部分：第一段表示非拥堵状况，第二段为排队后的疏解状况， 第三段为堵塞区排队状况。m a r ki ，j 、p e t e r 【6 j 等人分别通过分析调查数据和计算机模拟，进 一步揭示了加拿大和德国高速公路的情况，结果表明在同一地点不同车道间的交通流特性也 存在较大差异。g f n e w e l l 7 1 对高速公路互通立交分流区不同拥挤程度的车流排队延误进行 研究，利用车辆行驶时间曲线评价分流区的延误。r o b e r tb e r t i n i 1 等将由出口匝道引起的交 通“瓶颈”分为静态与动态，通过微观模拟自由流及排队状况的车流运行特征，得出自由流 状态的通行能力比排队状态的通行能力更难估算的结论。 1 3 2 国内研究概况 我国对互通立交匝道及其结合部的交通研究始于8 0 年代，在混合交通、交叉口、交通 流理论等方面进行了大量的专项研究，但由于试验设备不足等原因，许多参数仍借鉴国外的 研究成果，与我国实际情况有些出入。 交通部公路科研所、公路规划研究院、东南大学、同济大学、北京工业大学等有关科研 单位在学习国外有关通行能力研究方法及内容的同时，对其相应的成果也做了适合国情的引 进，对相应问题也作了深入的研究。例如，“九五”期间，“公路通行能力研究” 9 1 被国家 列为重点攻关课题，主要研究了高速公路基本路段、匝道、交织区的交通运行状况和通行能 力标准，提出适合我国道路交通状况的公路通行能力分析方法、公路通行能力分析指南及其 相关的计算机分析计算软件和仿真软件。 近年国内研究人员对高速公路互通立交匝道及其结合部的交通特性及通行能力进行研 究，例如：李文权等【l o j 【1 “】对高速公路减速车道分流区的交通特性进行了细致分析；陈泰忠、 吴九懿等【l 目对减速车道的长度进行分类研究；熊烈强【1 m 等通过建立交通流的运动微分方程 和欧拉方程，采用特征线性法对交通流的运动微分方程组进行分析求解，研究了出口匝道与 主线连接段参数之间的关系模型；晏克非i 1 4 1 、郭长波【1 ”等对匝道出口处的通行能力进行了 仿真研究。北京工业大学李征l i6 j 的硕士论文分析了分流区单车道平行式变速车道情况下， 最右侧车道的车辆换车道行为。 1 4 研究内容 本文着调查高等级道路互通立交分流影响区内减速车道及主线所有车道的交通量、车辆 行驶速度、车流密度、车头时距等交通运行特性数据，在分析其交通运行数据的基础上，研 究独立式单车道驶出匝道( 匝道上下游1 8 0 0 m 范围内没有影响其运行的驶入或驶出匝道) 的分流区交通流特性。 l 、运用数理统计方法分析互通立交分流区内交通量、车辆行驶速度、车流密度、车头 时距等交通特性的分布规律，对分流区交通流特性进行理论分析； 2 、根据互通立交分流区内的车辆排队特征，分别运用间隙接受理论和排队论方法，研 究分流区的车辆行车延误； 3 、研究分流车流作用下，驾驶员的换车道行为，运用动力学方法分析互通立交分流区 的通行能力； 4 、结合交通流的宏观与微观分析，运用t s i s 仿真软件对匝道路段、减速车道及分流区 主线各车道进行微观仿真，验证模型。 2 第一章绪论 1 5 研究重点与难点 l 、分析分流区车辆的排队特征。运用排队论原理和间隙接受理论，研究互通立交分流 区车辆的行车延误。 2 、分析分流区通行能力。运用动力学方法，通过分析分流区驾驶员的换车道行为，研 究分流区的通行能力。 3 、应用t s i s 软件对互通立交分流区进行微观仿真研究，验证模型。 1 6 研究技术路线 本论文按照“以系统理论为指导、以大量观测数据为基础、以计算机模拟为手段”的指 导思想，结合我国道路交通特点，研究互通立交分流区交通特性各参数间的关系，为直观认 识互通立交分流区的交通运行特性、合理制定互通立交的交通管理方式提供理论依据。研究 技术路线如图1 - i 所示： 图1 1 研究技术路线流程图 东南大学硕士学位论文 1 7 研究方法 按照研究手段和方法，交通流理论可划分为两类：传统交通流理论和现代交通流理论。 传统交通流理论以数理统计和微积分等传统数学和物理方法为基础的交通流理论，其明显特 点是交通流模型的限制条件比较苛刻，模型推导过程比较严谨，模型的物理意义明确，如交 通流分布的统计特性模型、车辆跟驰模型、交通波模型、车辆排队模型等。现代交通流理论 是以现代科技和方法( 如模拟技术、神经网络、模糊控制等) 为主要研究手段而形成的交通 流理论，其特点是所采用的模型和方法不追求严格意义上的数学推导和明确的物理意义，而 更重视模型或方法对真实交通流的拟合效果。本文采用传统交通流理论与现代交通流理论相 结合的方法，着重采用概率论与数理统计方法和计算机模拟方法研究互通立交分流区的交通 流特性。 1 7 1 概率论与数理统计方法 概率论与数理统计方法是研究交通问题的基本方法。交通现象是纷繁复杂的，表面上看 来无任何规律可寻，但无论是交通现象本身，还是影响交通流特征的各种因素，都近似符合 某种特定分布。概率论方法是我们解决交通问题的重要手段；数理统计方法是研究交通问题 的最传统，也是最被普遍使用的方法。交通规律一般都是隐藏在大量的、杂乱无章的现场数 据里。数理统计方法以大量实测数据为基础，从中找出规律性的东西进行分析论证，得到交 通规律。只有通过数理统计方法，才能透过事物的表象，把握到事物存在、运行的深层次的 内核。 1 7 2 计算机模拟方法 计算机模拟是以系统理论、形式化理论、随机性理论和优化理论为基础，以计算机和模 拟系统软件为工具，对现实系统或未来系统进行动态实验研究的理论和方法。交通流具有随 机性的特点，交通系统在某时刻的状态不是确定的，主要表现为按照一定的概率特征来变化。 因此不可能用解确定性问题的方法来求解交通问题。对于外界影响因素比较少，系统内各组 成部分相互作用规律容易掌握的情况，仅仅用概率论方法就可以对系统做出比较透彻的研 究。但由于研究系统组成复杂，系统内各个部分间相互作用关系也很复杂，用概率论方法很 难将各种影响因素考虑完全。应用系统模拟方法来模拟系统的状态变化，进而详细观察系统 在各个时刻的状态，进行分析研究。 1 8 主要结论 1 、分析调查资料和数据，得到互通立交分流区的交通特性参数规律； 2 、分析互通立交分流区的排队特征，建立分流区车辆的行车延误模型 3 、分析互通立交分流区的车辆换车道特性，并分析分流区与匝道连接断的通行能力； 4 、经t s i s 模拟分析，验证所得延误模型与实际情况符合。 4 第二章分流区车辆运行数据的调查与分析 第二章分流区车辆运行数据的调查与分析 2 1 调查目的 道路交通特性研究中，所需要的野外观测数据是后期分析工作的第一手资料，数据的准 确与否直接关系到分析结果的偏差程度。因此，正确的数据采集与处理方法将给后面的分析 建模工作在质量上提供可靠的保证。 通过实地观测，可以研究分流区内主线和减速车道上的流量变化情况、主线车流的车头 时距在不同交通量水平下的分布规律、分流点的分布特性、分流车辆在减速车道上的行驶特 性等。将调查数据组成一个分流区车辆运行的数据库。数据库为互通立交分流区的研究提供 一个很好的数据平台，也为其它各方面研究提供一个数据共享的机会。通过大量统计，分析 交通流特性背后的深层次原因，为进一步研究交通行为打下基础，为建立相应的数学模型以 及模型标定与验证提供依据。 2 2 调查内容 互通立交分流区的交通调查属于抽样调查。交通参数主要是调查主路和匝道的交通量、 行车速度、车种类型、不同车辆间车头时距、临界间隙等。分流区交通调查参数主要分为两 种：几何参数和交通参数。参数具体如下： ( 1 ) 几何参数：主路车道数、主路车道宽度、主路平面线形；匝道车道数、匝道宽度、 平面线形；减速车道数、减速车道宽度、减速车道长度、渐变段长度等。 ( 2 ) 交通参数：交通量、车型比例、车头时距、车头间距、车辆速度、车辆减速度等。 ( 3 ) 行为参数：车辆在分流区域内的行为特征。 2 3 调查方案设计 交通调查必须依据一定的调查方案合理有效地进行。观测点的选取、观测设备选用及其 布置、观测方法等构成整个调查方案。 2 3 1 调查点的选择 一、调查点的选点原则 正确选择观测点的主要目的在于能够得到正确反映互通立交交通流特性的数据。观测点 的选择必须以数据后期分析要求为依据，选点应具有代表性。 调查点的选择主要有以下几个原则： ( 1 ) 一般情况下，应选择常见立交形式，有较好视野，有利于观测，并适合于架设摄 像机； ( 2 ) 选点应有较少的外界干扰，即保证不受意外事件影响； ( 3 ) 交通量应足够大，保证能观测到减速车道上的分流行为。 二、确定调查点 近年来，东南大学交通运输规划与管理项目组对高速公路分流区车辆运行特性等进行了 东南大学硕士学位论文 大量的研究，取得了较为深入的研究成果。项目组在京津塘、首都机场及北京东四环立体交 叉进行了大规模的调查研究。本文以此数据为基础，并结合交通部公路科学研究所对上海内 环高架路有关立体交叉的调查数据进行分流区交通特性研究，根据需要于2 0 0 5 年9 月2 2 日( 星期四) 在大羊坊一北京高速公路东四环立交出口进行补充调查( 实地照片参见附录) 。 表2 1 为立体交叉分流区调查的基本情况。 表2 - 1 高速公路分流区调查点列表 序号 调查时间调查地点 l8 ：3 0 - - 1 l ：0 0 京津塘高速公路宜兴阜分流区 2 1 5 ：2 0 一1 8 ：2 0京津塘高速公路杨村天津方向分流区 36 ：5 0 - - - - 9 ：5 0 大羊坊一北京高速公路东四环立交分流区 4 5 ：0 0 2 4 ：0 0上海内环高架路金沙江路分流区 2 3 2 观测设备的选用 采集数据的主要观测设备为摄像机、雷达测速仪、升降车等；处理数据的主要仪器为美 国a u t o s e o p e 2 0 0 4 视频处理系统，分析处理摄像机在野外拍摄的交通画面，自动判别车辆的 车型、车速、车头时距等。 2 3 3 调查仪器的布设 调查仪器的布置方案如图2 1 所示。布置时，进入分流区的主路设置三套数据采集仪， 驶出分流区的主路设置三套数据采集仪，分别采集主路各车道的交通流数据。在匝道前适当 位置设置两套数据采集仪及一台交通量自动检测仪，以分析分流行为对主路交通的影响。减 速车道的出口和中间部分各设置一台数据采集仪，采集驶入分流区的交通流数据，同时可得 到车辆的减速度情况。为了观测车辆分流情况，在减速车道外侧放置摄像机及自动检测仪。 摄像机应有较好的视角，能够全面地记录分流区车流分流情况，便于以后的分析。为了测量 减速度、角速度等交通行为参数。在路缘带上贴白色胶带等方法以确定车辆的分流点的位置。 在野外观测时主要是架设摄像机。摄像机的高度一般8 1 0 米，要与观测区域的周围地 形和架设条件相结合，同时要保证一定的视野。对于比较长的减速车道，可分阶段架设多台 摄像机。观测标记是在路肩贴上白色带条，在处理录像时帮助识别分流分流位置。观测标记 不能影响司机的驾驶行为。室内观测有两项主要工作：运用美国a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理系 统对录像资料进行处理，获得所需的交通参数；人工观测分流驾驶行为，得到分流点分布数 据、接受间隙。软传感器的设置要考虑分流的始末端、中间阶段、主线、减速车道的不同分 流阶段。以获得主线、减速车道在分流前后、期间的交通参数。图2 1 为互通立交分流区观 测仪器布置示意图。 6 第二章分流区车辆运行数据的调查与分析 2 4 调查数据的处理 2 4 1 数据处理方法 图2 1 互通立交分流区观测仪器布置图 一、软件处理 运用美国a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理系统分析处理摄像机在野外拍摄的交通画面，自动判 别车辆的车型、车速、车头时距等，获得所需的交通参数。 二、人工处理 由于匝道车辆在分流过程中，分流点位置的不同，无法采用a u t o s c o p e 等交通视频软件。 采用人工方法观测分流驾驶行为，得到分流点分布数据等数据参数。 2 4 2 数据处理结果 一、几何特性参数 表2 - 2 几何特性参数表 主路 减速车道 调查地点 单向 车道车道宽度车道长度 车道数 车道宽度( 米)车道数 型式( 米)( 米) 京津塘高速公路宜兴阜 23 7 5 直接式 l4 o 2 0 0 立交天津方向分流区 京津塘高速公路杨村立 23 7 5 直接式 1 4 01 6 6 交天津方向分流区 大羊坊一北京高速公路 2 3 7 5平行式l4 12 9 0 东四环立交分流区 上海内环高架路金沙江 23 4 5平行式23 6 2 61 5 0 路分流区 二、交通流特性参数 运用美国a u t o s e o p e 2 0 0 4 视频处理系统得出分流区流量、车型、车速、车头时距等交通 参数。 7 东南大学硕士学位论文 京津塘高速公路宣兴阜立体交叉天津方向分流区 京津塘高速公路宜兴阜立交分流区仪器布设如图2 - 2 所示： 中央分隔带 3 7 5 3 7 5 、 辽减速车道1 7 l 米 ， 1 2 2 米 渐变嚣 图2 - 2 京律塘高速公路宣兴阜立交天津方向分流区调查示意图 京津塘高速公路宜兴阜立交分流区的具体调查数据见表2 3 和表2 4 表2 - 3 京津塘高速公路宜兴阜立交天津方向分流区车流置统计表 车型比例( ) 流量 断面车道 小 由 大 ( v e h l h ) 分流始端主线车道 4 04 91 l 5 5 9 主线距离分流始端7 l 米主线车道 3 0 6 7 3 4 0 2 主线距离分流始端1 2 2 米主线车道 2 57 23 3 5 6 减速车道流量减速车道 1 86 91 41 5 5 表2 - 4 京津塘高速公路宜兴阜立交天津方向分流区车头时距，速度、减速度统计表 车头时距( j ) 速度均值减速度 断面车道 均值方差 k ( k n d h )( 删，) 主线i 车道1 , 51 4 5 2 81 5 57 8 5 2 主线分流开始端 主线2 车道 1 32 1 4 8 00 7 99 8 6 4 主线1 车遭 2 44 6 5 3 51 2 48 2 4 8 距离分流始端7 l 米主线2 车道 1 32 2 8 6 5o 7 41 1 7 7 5 减速车道2 l6 0 4 3 00 7 37 6 3 70 1 8 主线i 车道 2 76 4 5 3 31 1 38 8 2 1 距离分流始端1 2 2 米主线2 车道 1 5 2 8 8 8 1o ，7 8 1 2 2 7 4 减速车道 2 36 1 5 1 l0 8 67 1 9 90 4 9 主线1 车道2 54 8 8 1 11 2 89 1 5 6 分流结束断面 减速车道 2 36 0 5 9 20 8 76 4 90 7 3 从分流开始端开始，主线两车道四个断面的平均车速由低逐渐升高，减速车道车速逐渐 减小。除受主线道路线性( 此段是大桥下坡的底部平曲线) 的影响外，分流车辆对主线车辆 有较大影响。在分流开始前，分流车辆驾驶员从观察到标志牌开始作分流准备，并逐渐减速， 其驾驶行为将影响跟随其后的直行车辆的正常行驶。在分流始端影响较大，随着分流车辆的 分流结束，主线车速逐渐增加。 京津塘高速公路杨村立体交叉天津方向分流区 京津塘高速公路杨村立交分流区仪器布设如图2 - 3 所示： 8 第二章分流区车辆运行数据的调查与分析 中央分隔带 盟糙 k 3 7 5 米 8 6 米c 孓 1 4 6 米 渐变段 图2 - 3 京律塘高速公路杨村立交天津方向分流区调查示意图 京津塘高速公路杨村立交分流区的具体调查数据见表2 5 和表2 - 6 ： 表2 - 5 京津塘高速公路北京一天津方向杨村立交分流区车流量统计表 车型比例( ) 流量 断面车道 小 由 大 ( v e h h ) 减速车道距分流始端8 6 米减速车道4 84 31 06 7 减速车道距分流始端1 4 6 米减速车道2 46 51 11 3 5 匝道入口处 匝道3 06 46 2 3 2 主线i 车道1 96 71 42 5 4 分流区主线车道距离减速车道开始端8 6 米 主线2 车道 8 7 1 127 2 0 主线1 车道2 56 01 42 1 0 分流区主线车道距离减速车道开始端1 4 6 米 主线2 车道5 44 066 8 8 主线1 车道分流末端主线1 车道 3 05 71 2 1 4 5 表2 - 6 京津塘高速公路北京一天津方向杨村立交分流区车头时距、速度、减速度统计表 车头时距( j ) 速度均值减速度 断面车道 均值方差k ( k m h )( m 胪) 减速车道距分流始端8 6 米减速车道 5 23 2 4 4o 8 55 3 减速车道距分流始端1 4 6 米 减速车道 2 68 7 30 8 05 0- 0 1 8 6 匝道端入口处匝道1 63 2 20 7 55 l0 2 0 5 分流区主线车道距离减速车道 主线l 车道 1 4 1 3 41 4 56 9 开始端8 6 米 主线2 车道 22 00 1 87 2 分流区主线车道距离减速车道 主线l 车道 1 72 5 21 1 36 2 开始端1 4 6 米 主线2 车道55 10 5 01 0 5 主线i 车道分流末端 主线1 车道 2 46 1 10 9 66 6 分流流量比较小，在此减速车道上，车辆速度没有太大的变化。匝道限速为6 0 k m h ， 主线车速变换幅度也不大。说明，分流车流量低的情况下，分流车辆对主线车辆的运行影响 不大。车头时距在8 6 m 1 4 6 m 直接变化较大，说明这一段流量较大，分流主要集中于这一 部分。 大羊坊一北京高速公路东四环立体交叉分流区 大羊坊一北京高速公路东四环立交分流区仪器布设如图2 4 所示： 9 东南大学硕士学位论文 中央分隔带二7 5 米、 7 3 7 5 米 3 7 5 米 ，7 5 米、 4 i 米 ，1 2 0 采、：l ，2 0 0 米、：；墨矗 减速车道 7 、， 图2 - 4 大羊坊一北京高速公路东四环立交分流区调查示意图 大羊坊- ：i l 京高速公路东四环立交分流区的具体调查数据见表2 7 和表2 - 8 ： 表2 7 大羊坊一北京高速公路东四环立体交叉分流区车流量统计表 车型比例( ) 流量 断面车道 小 由 大 ( v e h h ) 减速车道距分流贻端7 5 米 减速车道6 l3 729 9 减速车道距分流始端1 2 0 米减速车道 8 51 4 l1 6 0 减速车道距分流始端2 0 0 米减速车道 5 83 93 3 2 0 减速车道分流末端减速车道 3 9 5 655 2 2 主线1 车道6 63 3l5 l l 主线车道距分流始端7 5 米 主线2 车道 7 5 2 507 4 9 主线1 车道7 92 0l5 3 0 主线车道距分流始端1 2 0 米 主线2 车道 5 l4 456 5 7 主线i 车道 6 5 3 4 1 4 5 8 主线车道距分流始端2 0 0 米 主线2 车道7 l2 818 1 3 主线i 车道 7 0 3 0 0 3 6 5 主线车道分流末端 主线2 车道7 62 408 7 0 表2 - 8 大羊坊一北京高速公路东四环立体交叉分流区车头时距、速度，减速度统计表 车头时距( j ) 速度均值减速度 断面车道 均值方差k ( 丘h )( 删酽) 减速车道距分流始端7 5 米减速车道 3 6 5 31 1 3 5 3 8 7 0 1 2 4 9 9 i 减速车道距分流始端1 2 0 米减速车道2 2 5 75 9 3 2 0 00 0 94 2 3 40 6 0 减速车道距分流始端2 0 0 米减速车道 1 i 2 31 7 0 8 20 7 45 2 0 40 4 4 减速车道分流末端减速车道 6 ，8 94 7 3 91 0 0 58 5 9 0 3 l 主线车道距分流始端7 5 米主线i 车道 7 0 63 8 3 31 3 05 2 1 5 1 0 第二章分流区车辆运行数据的调查与分析 主线2 车道 4 8 21 9 8 91 1 75 8 9 l 主线1 车道6 8 l3 6 8 l 1 2 6 5 7 5 6 主线车道距分流始端1 2 0 米 主线2 车道 5 鹳1 8 8 71 5 96 5 1 6 主线1 车道7 ，8 7 4 9 6 21 2 55 5 5 3 主线车道距分流始端2 0 0 米 主线2 车道4 ，4 21 3 6 51 4 36 4 3 2 主线l 车道9 ，8 6 7 0 1 31 3 9 5 7 3 8 主线车道分流末端 主线2 车道4 1 41 4 9 11 1 56 5 0 0 夺上海内环高架路金沙江路分流区匝道 上海内环高速公路金沙江路分流区仪器布设如图2 5 所示： 图2 - 5 上海内环高架路金沙江路调查示意图 上海内环高速公路金沙江路分流区的具体调查数据见表2 - 9 ： 表2 - 9 上海内环高架路金沙江路分流区车流量、速度统计表 流量速度均值 断面 车道 ( v e h h )( k m h ) 检测点i主线2 车道2 3 1 7 0 2 9 检测点2主线1 车道2 4 7 6 82 9 检测点3出口匝道12 2 7 4 52 9 检测点4出口匝道2 7 1 9 12 7 检测点5主线2 车道5 5 1 42 8 检测点6主线1 车道 3 9 9 42 8 检测点7减速车道1 1 6 2 9 8 2 8 检测点8减速车道2 1 2 2 32 5 检测点9主线2 车道9 5 5 22 9 检测点i o主线1 车道4 9 9 2 8 东南大学硕士学位论文 第三章分流区交通流特性分析 道路上的行人或运行的车辆构成行人流或车流，人流和车流统称为交通流。本文研 究互通立体交叉分流区的机动车交通流。机动车交通流主要由驾驶员与车辆组成，表现为运 动着的车辆。由于驾驶员的判断能力及驾驶技术的不同，交通流中的车辆行为不可能一致。 即使在完全相同的环境中，由于驾驶员的行为受地理特征及驾驶习惯的影响，也不会出现两 个表现完全相同的交通流。但是，驾驶员的行为在一定范围内具有合理性和一致性，因此交 通流的表现范围也具有合理性和一致性。交通流运行状态的定性和定量特征称为交通流特 性，用以描述交通流特性的一些物理量称为交通流参数，参数的变化规律即反映了交通流的 基本性质。交通流的基本参数有三个：交通流量、速度和密度，也称交通流三参数，常用的 参数还包括车头时距、车头间距等。论文根据实际调查数据结合t s i s 模拟数据进行交通流 的特性与行为分析。 通过观测和分析城市快速道路及高速公路互通立体交叉系统车辆运行状态，可知互通立 交车流整体具有如下运行特征整体：城市快速道路上运行的车辆9 5 以上为小型车，大中 型车所占比例较小，车流组成比较单一，车辆运行的横向干扰因素小，但在高速公路上大中 型车辆的比例相对较大。车辆运行的横向干扰因素相应增大；在分流区，从主线分流区进入 匝道的车辆造成主线交通紊乱，主线直行车辆向内侧车道行驶，各车道的交通量重新进行分 布。当互通立交主线车流接近饱和，分流交通量大时，由于匝道的设计行驶车速小于主线的 设计行驶车速，分流车辆在减速段出现排队，排队可能延续至主线，造成主线交通拥堵。在 运行过程中对周边车辆造成一定程度上的影响。 减速车道即指为了满足车辆从车速较高的主线驶入匝道而进行减速变换的车道。通常， 与互通立体交叉的匝道相连接的主线，其设计行驶速度比匝道的设计行驶速度高2 0 4 0 k m h ，设置减速车道可以为车辆从主线车道安全、顺畅驶入匝道提供保证，为车辆的减 速提供缓冲区间。根据设计形式的不同，减速车道可分为直接式减速车道和平行式减速车道。 直接式减速车道适合于交通量较小的立交分流区，平行式减速车道适合于交通量较大的分流 区。 3 1 分流区交通量特性分析 各种车型所占道路空间不同，对周边车辆的干扰程度不同。本文的车流量均折算为标准 车计算，其车辆换算系数见表3 - 1 所示： 表3 - 1 车辆换算系数【1 车型小轿车中型车 大型车拖挂车 h c m 给定值 1 0 1 52 o 2 o 3 1 1 减速车道交通量随距离的变化 分析大羊坊一北京高速公路东四环互通立交分流区的调查数据，得到分流区平行式减速 车道的交通量随观测点距离分流始端长度的变化规律。 第三章分流区交通流特性与行为分析 图3 - 1 分流区减速车道交通量随距离变化图 由图3 1 可知：部分分流车辆从分流始端进入减速车道，但仍存在部分车辆从主线l 车 道上减速车道段中间位置驶入减速车道，随着观测点距分流始端距离的增大，减速车道上的 车辆逐渐增多，至减速车道末端，全部分流车辆均经过减速车道进入出口匝道。 3 1 2 分流区主线车道交通量随距离的变化 分析大羊坊一北京高速公路东四环互通立交分流区的调查数据，得到分流区主线各车道 的交通量随观测点距离分流始端长度的变化规律。 图3 - 2 分流区主路1 车道交通量随距离变化图 由图3 - 2 可知，分流区内主路1 车道( 即外侧车道) 的交通量随着观测点距分流始端距 离的增大，交通量呈下降趋势，减少的交通量大部分驶入减速车道。 1 3 东南大学硕士学位论文 图3 - 3 分流区主路2 车道交通量随距离变化图 由图3 3 可知，在分流区主路2 车道的交通量随着观测点距分流始端距离的增大，交通 量也发生不同程度的变化，当分流车辆对主线影响不大，主路l 车道的车流速度与上游速度 基本保持不变，且由于部分车流行驶进入减速车道或匝道。1 车道的车头间距增大，2 车道 的部分车辆将转换至1 车道行驶；若分流车辆对主线1 车道的影响较大，甚至造成l 车道的 交通紊乱，则在分流区内，2 车道的交通量将持续增加。 图3 - 4 分流区主路车道交通量随距离变化图 由图3 4 可见，分流区内，主路各车道交通量随着观测点距分流始端距离的增大，交通 量逐渐下降。减少的交通量即为分流的交通量。 3 2 分流区车头时距特性分析 在交通流和通行能力研究中，车头时距是重要参数，它是进行交通流模拟、应用间隙理 论进行通行能力分析，选择交通控制方法的基本要素。驾驶员的驾驶过程从某种意义上说是 驾驶员追求较小车头时距的过程，但是由于不同驾驶员的反应特性及车辆动力性能的差异， 造成车辆行驶的不协调性，从而使得事实上各车辆不可能都保持期望的车头时距。 车辆到达具有某种程度上的随机性，描述这种随机性统计规律的方法有两种：一种是考 1 4 第三章分流区交通流特性与行为分析 虑在固定长度的时段内到达某场所的交通量的波动性，采用概率论中的离散型概率分布模型 为工具；另一种是研究上述事件发生的间隔时间的统计特性，如车头时距的概率分布，采用 概率论中的连续型概率分布模型为工具。 3 2 1 减速车道车头时距随距离的变化 图3 5 减速车道车头时距随距离变化图 由图3 - 5 可以看出，随着距离的增加，分流车辆逐渐汇入减速车道，因此对于平行式出 口匝道，减速车道上的车辆逐渐增加，车头时距则逐渐减小；对于直接式出口车道，减速车 道的车头时距变化幅度较小。 图3 - 6 大羊坊一北京高速公路东四环立交平行式减速车道车头时距频数直方图 由图3 - 6 和图3 7 可知，大羊坊一北京高速公路东四环立交平行式减速车道车头时距分 布主要集中于1 秒2 0 秒。 1 5 东南大学硕士学位论文 奎 头 时 距 频 塞 _ 叠 瀚| | | | i i 熬| | | | | | | | | | | 图3 7 大羊坊一北京高速公路东四环立交平行式减速车道车头时距巴雷特圈 将各种具体时间分布进行分类：累计频率0 - 8 0 的为主要车头时距分布，8 0 - 9 0 的为次要车头时距分布，9 0 1 0 0 的为少见车头时距分布。 3 2 2 分流区主路车道车头时距随距离的变化 在互通立体交叉分流区的主线上，当车流量很低时，车辆之间相互独立，车头时距可认 为是随机的；当车流量很大时，接近于通行能力，车头时距可认为是恒定的。而在分流区内， 直行车辆与分流车辆交替行驶，其换车道行为引起主路车头时距重新分布。由图3 - 8 图3 1 l 可以看出，互通立交分流区主线各车道的车头时距，随着分流区内位置的不同呈现比较明显 的变化，且车头时距主要集中于3 s 1 5 s 之间。 图3 - 8 主路1 车道车头时距频数直方图 1 6 蚰加0 第三章分流区交通流特性与行为分析 图3 - 9 分流区主路l 车道车头时距随距离变化图 图3 1 0 主路2 车道车头时距频数直方图 图3 - 1 1 分流区主线2 车道车头时距随距离变化图 北京一天津高速公路杨村互通立交分流区的车头时距在8 6 米1 4 6 米直接变化较大， 说明这一段流量较大，分流主要集中于这一部分。 1 7 东南大学硕士学位论文 塘沽一天津高速公路宜兴阜立交分流区从分流开始端开始，主线两车道四个断面的平均 车速由低逐渐升高，减速车道车速逐渐减小。除了主线道路线性( 此段是大桥下坡的底部平 曲线) 的影响外，分流车辆对主线车辆有较大影响。在分流开始前，分流车辆驾驶员看到标 识牌，就开始减速，作分流准备，影响其后跟随不分流车辆的正常行驶。在分流始端影响较 大，随着分流车辆的分流结束，主线车速逐渐增加。 3 3 分流区速度、减速度特性分析 3 3 1 分流区速度特性 图3 1 2 大羊坊一北京高速公路东四环立交分流区减速车道速度频数直方图 由图3 1 2 可知，在平行式减速车道上，车辆速度较主线车速低，主要集中在3 6 k m h 6 5 k m h 之间，其平均速度为4 9 k m h 。 间。 图3 1 3 大羊坊- ：i l 京高速公路东四环立交分流区主线1 车道速度频数直方图 分流区内主线1 车道的平均车速为5 7 8 k m h ，其中车速主要集中在4 1 k m h 7 1 k m h 之 1 8 第三章分流区交通流特性与行为分析 图3 一1 4 大羊坊- a g 京高速公路东四环立交分流区主线2 车道速度频数直方图 分流区内主线2 车道的平均车速为6 4 1 k m h ，其中车速主要集中在4 6 k m h 7 8 k m h 之 间。 由图3 - 1 2 图3 一1 4 可以看出，分流区内各车道的速度具有明显的特征，即减速车道的 车速最低，主路1 车道的车速较减速车道的速度高，主线2 车道的车速最高。由于分流区的 分流行为及匝道的设计车速低于主线设计速度等原因减速车道的速度较低；主线1 车道由 于部分车辆分流至减速车道，且直行的大中型车辆主要分布在此车道，在车道内产生纵向干 扰，因此主线1 车道的交通较为混乱，在一定程度上影响车流速度；同理，由于主线2 车道 的车流只受小部分分流车辆的影响及本身直行车流交通量的影响，因此，其运行速度保持较 高。主线车速的变化幅度不大，说明在低分流情况下，分