（交通运输规划与管理专业论文）双车道公路仿真中的超车模型研究.pdf

摘要 摘要 超车模型是应用仿真技术研究双车道公路通行能力、服务水平、交通安全问 题的关键技术之一，对于促进交通流理论的研究进展也具有一定的理论意义。本 文针对我国目前的双车道公路状况，在采集和分析实测数据的基础上，采取了调 查分析建模标定验证应用的研究思路，对超车模型进行了 系统的研究。 本文首先对国内外超车模型的研究历史、现状和发展趋势进行了分析。在分 析我国双车道公路超车特性的基础上，详细地描述了整个超车过程，将超车过程 划分为超车意愿判断，超车形式选择，超车条件检查，超车行为实施，超车中止 强制回车这五个主要的步骤，建立了超车模型。 提出了超车视距估算系数的概念，并给出了该系数的计算方法和取值范围。 对超车条件之一进行了修改，即将“超车视距小于对向来车间距”修改为“超车 视距乘以超车视距估算系数小于对向来车问距”。 进行了现场实验，利用实测数据，标定了可回车问距和可回车间隙，确定了 可回车间距和可回车问隙的取值范围。认为，开始超车意愿判断的车头时距值反 映了车辆处于非自由流状态下的情况。给出了车头时距的取值范围，而在分析车 辆和驾驶员总体特性时，建议采用3 1 秒。 通过对比实测数据和仿真结果，对模型进行了验证。验证路段包括直线路段、 纵坡路段以及组合路段。验证结果证明了模型的有效性。 本文应用模型进行了仿真实验，通过分析速度流量关系、超车率流 量关系和跟车率流量关系，推荐标准二级双车道公路的双向通行能力为 2 9 0 0 p c u h ，并使用t w o p a s 模型进行了对比仿真实验。 关键词双车道公路；仿真；超车模型 a b s t r a c t i t i sv 瑚yi n l p o r t a n tt o 武l 】母o w 州出l 培m o d e lf b ra n a l y 面培胁h t i i g l 州缈c a p i 啊 e v a l u a 虹n gl l l ei m io f 辩r v i o c 坤s e a 嵋h i n g 砌i cs a f 音l y 锄dp r o m a 吐i l g 锄c 日o w1 h r y t l i i s p a p 盯s t i 】d i 嚣们旧呦k i n gm o d e l 啪m i c a l l y ，a i m i n gt h e 鲡呱| t i o no f 地t w o - l 撇h i 窖1 1 w 夥 p 磷吼i yi i lc h i l l a b a s e d 1 l ，e 矗e l dd a 粗l i t i a n d 珊塌l y 3 i s 璐m gt 培船舶盆r c hm e l l l o dm 砒 l o o k i i p 1 掰砸m e _ 删y s i 争m o d e l i i 培枷b r 砒i 讲卜v a l i 捌埘卜叫啊，n 咖o m t l i i sp 印盯p r l 嘲如t 量l el l i s 哪锄d 呷巾越e 鱼l i t so f 洲e 一蜘m o d e l s t h e 伽铷c yo f 也e 旭吼hi sa l d i 璐s e dt b 加u g h 赳塌l y z i n gv a r i 吣m o d c l s t h i sp 印盯d e s c r i b e st h ew h o l e l 艘o f o v 州褴l l ga n d 嘲b l 曲噼o 、r e n 出1 1 9 舰l d e lb a s c d 锄a b 咖gl h cc h 戤删c 伽 t w o 1 孤e i i i g h w a y i n ( i 抽忱h l l h e m o d 吐n 帕u r o f 删州a l 【i l l g i sd j v i d e d i t o 右v e m ! p s ： 1 m v i n gm 删毗i k i n gd 稍i 矿，气蛔岫m i n i l 坞们帕嗽i l d n gt y p 以“c h c 她m 嘲妇g 把q l i i 托m 毗 “e 巍u t i l l g 嘲i l 【：h 旷锄d 飞幻仰i i 喀讲旧巾i l d n g 幻阳劬f 0 i b l y ， t h j s p 珥埘删y 溯t l l ep a f 咖咖o f t l l e m o d 西b f i n g so l i t o v e 删d n gs i 班d i s 啪c s i i m 啦 c 伍c i e l l t 锄do m 翳1 l l ec 蚰c i l l 鲥础油o do f c 街c i e 此o o f 协eo v e 门圃d l l g ，e q l l i 他m 瓤bl h 砒o w f t a l 【i i 培s i g i i td i s 协r 鹏i si e 韶t l l 觚l h e 雄哪b c t w 嘲o 、嘲怕虹i 唱v e i l i c i e 锄d 0 i ，p o s i 把埘l m i n g 删c l ei sm o d i 6 e d 协t h 越曲时p m d l l c to fo w 毗a l 出l gs i 9 l i td i s t a n 锄d 们圯咄t k i n gs i g kd i s 咖c e 嚣吐m a 蕾e 础j c i e m i sl e 豁岫t h e 印a b l m v 嘲io 、旧毗【k i n gv e h i c k 珊l d0 l 甲疵删咖i n gw 蜘c i e t h e 翟p 洲e 圮咖c l e a 瑚卸dt 1 1 e 批唧劬l e 托t i i i ns p i l 】ga c a l m 删b y 疆忸l y 面唱 矗e l dd a 扭删c hc 锄c 缸胁删e f t a i ( i n g 既p e r i m e n t t h c 诩咖i o no f c 叩t a b l e 咖 d 舢l 越l d 越优p t a b i e 砖咖s p 昌【n ga 坤c 讲l 丘衄e d t h i sp 印钟m i d e rt l l 砒t i m eh c 瓤1 w a y 硼岫b e g i n n i l 培t od e 衄m i 地也eo v 盯虹l l 【i n gd e s i r ei s 瑚e c t 吐碡s 札鲥o ft h ev e 蛐c l c s 饿m 面磺，d o m a n dt 量l e m m e n 出岫f y m eh i 盈d w a yi s3 1 s t l 蟛m o d e li s 训i d 砷e dm a l ( i n gu o f 伽忉牟i f i 】l l gl l l e 矗e l d 讹喇t l l 协es i m l | l a 吐蛆阳如此 t h em o d e li sl l s e dt om a i 【cs i m l a l i o na p 豇i i i 啪li i y 趣l a l y 面瞎f e l m i 伽o f 叩l e c d v o l i 珊嗡 l a 6 o f 讲瞎巾i 妇】gr 砒i o - v o l u m e 锄d 埠l 砒i o no f f o l l o w 础d e l a y 棚。卜v o l i 删嗡t h ec 叩i t y o f 舭t w “锄eh i 曲w a y sc a p a c 蚵i sc a k u l 删2 9 p c i l mu n d 盯嘲r l d a r d n d i 矗伽a n d 罅 c o 曲锻s 皿u i a l i o nc 印e f i 嗍吐j sm a d eb y ”睡a s k 眄w o r d _ 钾旧l 趾eh i 窖l 聊a y ；妇l l l a d o 瞒0 1 ，a 瞄n gm o d 嘲 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 签名；到避!日期：幽：三：! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名；童i 垫盘) 导师签名：醯。日期：至型二= 1 2 ， 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 双车道公路作为一般干线公路，是我国公路网中的主要形式。国家在实施 西部大开发的重大举措时，把交通建设放到重中之重的优先位置，提出了“交通 先行，适当超前”的方针。在2 0 l o 年前，将投资70 0 0 亿元改善西部地区的交通 基础设施，基本建成9 条连通西部的国道主干线，规划建设公路里程约1 5 0o o o 公里，其中双车道公路占据绝对多数“。 双车道公路是指具有两条行车道的公路，每条车道用于一个方向的交通。在 快车超越前方车辆时，需要借用对向车道进行超车。由于双车道公路几何条件的 限制，随着交通量的增加，超车需求增加，而进入对向车道伺机超车的能力却降 低，同时超车能力减小导致后续车流形成排队，这些车辆由于不能超车而延误。 所以，双车道公路一个方向上的正常车流不仅受到同方向车流的影响，还受到另 一个方向上车流的制约嘲。这是双车道公路交通特性与高速公路等其他道路设施 的不同之处。 为此，在交通部专门成立的西部交通建设科技项目中，将双车道公路通行能 力列为一个非常重要的研究课题之一。 我国双车道公路遍布全国的各个地区，其形式多种多样，不同道路、交通条 件下的交通状况十分复杂。这给采集大量实测数据带来了困难，限制了依赖于实 测数据的统计分析法的使用；同时，面对这种复杂的道路、交通状况，使用理论 推导的方法又显得不够全面。 交通仿真模型是研究交通问题的一种非常重要的手段，它可以方便地、快捷 地构建道路条件、交通条件以及其他各种与交通有关的环境m 。交通仿真模型可 以直观地描述道路设施及交通流运行的实际情况，并可以按照使用者的要求模拟 任何一种道路条件或交通状况的改变所引起的交通运行特征的变化，通过模拟试 验来得出特定条件下的车流运行状况、道路通行能力以及其他所需的实验结果。 它可以简化研究对象，便于分析复杂的交通运行状况，并能克服实测数据不足的 缺点。 因此，在双车道通行能力研究中，设置了予课题“双车道公路仿真模型研究”。 拟通过研究目前我国双车道公路的交通特性，建立符合我国目前双车道公路特点 的仿真模型，并开发双车道公路仿真系统，为双车道公路的研究提供强大的仿真、 分析平台。由于双车道公路的独特之处在于其超车过程，所以构建双车道公路仿 真模型的关键是建立超车模型。 北京工业大学工学硕士学位论文 本论文即为“双车道公路仿真模型研究”的关键组成部分，双车道公路仿真 中的超车模型研究。 1 2 研究意义 双车道公路的独特之处在于其超车过程：超车车辆在超车过程中必须占用对 向车道，为了安全的实现超车，超车车辆在对向车道运行时，必须与对向来车保 持足够安全的间距，当原车道有可回车间隙时，超车车辆驶回原车道，完成超车。 因此，超车过程的复杂性决定了双车道公路交通特性的独特性。分析双车道公路 的超车过程，可以为描述双车道公路交通特性提供理论支持。建立超车模型，可 以为研究包括超车行为在内的交通行为模型奠定基础。采集和处理超车数据，可 以为建立微观车辆信息数据库提供依据。 超车模型的研究不仅可以促进交通流理论的研究进展，而且对于研究双车道 公路的通行能力、服务水平和交通安全等问题也具有重要的意义。 在建立超车模型的基础上可以开发符合我国双车道公路交通特性的计算机 仿真系统。它可以克服传统方法在数据采集、实验条件限制等方面的局限，对于 研究复杂的双车道公路系统更加有优势，为分析双车道公路的通行能力提供仿真 平台。 超车过程中，车辆的运行状况受到周围环境旧、道路条件嘲、交通状况、 车辆特性啪和驾驶员行为。1 等因素的影响。而服务水平是一项衡量交通流运行状 况和驾乘人员所感受到的服务质量的指标嗍。通过研究不同道路状况下的交通特 性和超车行为，可以划分其服务水平等级，最终为评价双车道公路的服务水平提 供依据。 双车道公路上的超车行为十分危险，极易造成事故。统计表明，我国双车道 公路上发生交通事故和死亡人数比例在公路交通中都占据了较大比例埘。因此， 分析超车行为，可以为研究双车道公路上的交通事故和交通安全问题提供依据。 综上所述，超车模型是双车道公路仿真模型的关键部分，研究我国双车道公 路上的超车过程，并建立符合我国双车道公路交通特点的超车模型，具有重大的 理论和应用意义。 1 3 研究方法 。 一 本文针对我国目前的双车道公路状况，从它的独特之处出发，以双车道公路 上的超车过程为研究对象。采用的方法主要是： 在采集和分析超车数据的基础上，描述双车道公路上的超车过程，建立符合 我国双车道公路交通特性的超车模型。利用实测数据对模型进行标定和验证，证 明模型的有效性。设计仿真实验，得出双车道公路的通行能力值。 2 第l 章绪论 1 4 主要内容 本文第二章回顾了国内外对双车道公路超车过程的研究历程。分析了国外研 究超车过程的现状和趋势，总结了我国超车模型的研究成果和研究现状，确定了 论文的研究方向和研究内容。 本文第三章介绍了论文研究中所需数据的采集方法和分析处理过程。确定了 获得可回车间隙、超车率和超车次率的实验方案，为仿真建模以及模型的标定和 验证奠定基础。 本文第四章分析了双车道公路上的超车过程，将超车过程划分为五个主要步 骤，建立了仿真模型。对模型中的主要参数进行了研究，提出了超车视距估算系 数的概念。 本文第五章标定了模型中的可回车间距和可回车间隙，将实测数据和仿真结 果进行对比验证，证明了模型的有效性。 本文第六章应用模型设计了仿真实验，推荐我国标准二级双车道公路的双向 通行能力值为2 9 0 0 p c u h 。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章国内外研究现状 2 1 国外研究现状 ( 1 ) 对双车道公路超车过程的研究开始于2 0 世纪3 0 年代末。1 9 3 8 年， t s o n 和f o r b e s 提出了基于超车开始和结束条件的超车过程划分方式。当超 车车辆以恒定或者近乎恒定的速度直接超越前方慢车完成超车时，他们使用“快 速超车”来描述这种情况；当超车车辆跟随前方慢车，在合适的条件下加速超 越慢车完成超车时，则称为“加速超车”。通过对超车结束条件的分析，“快速 超车”和“加速超车”可以进一步被分类。当有对向交通的影响或超车视距不 足时，会造成“强制回车”；反之是“主动回车”。观测得到的数据表明，超车 类型不同则超车距离和超车时间不同。“快速超车”的超车距离和超车时间比“加 速超车”的超车距离和超车时间大。另外，通过观测数据可以得出，“强制超车” 的超车距离和超车时间要小于“主动超车”的超车距离和超车时间。 1 9 3 9 年，n o 瑚n n “”提出了“单个超车”，即超车车辆一次只超过一辆慢车。 在分析1 0 9 6 组“单个超车”数据时，对比超车开始前，超车车辆与前方慢车 之间速度，发现：5 3 7 的超车车辆速度降低至前方慢车的速度；1 6 0 9 6 的超车 车辆速度低于前方慢车，且速度差值不超过5 英里小时；1 4 7 的超车车辆速 度低于前方慢车，且速度差值大于5 英里小时；1 5 6 的超车车辆不减速。超 车结束时，按照驾驶员在对向车道能够看到的净空距离，称之为“净空距离”。 分析表明：5 9 7 的超车行为中，“净空距离”受视距影响；其余的4 0 3 ，由 对向车辆影响“净空距离”。“净空距离”的大小也可以进一步划分超车过程， 划分范围分别是o 一5 0 0 英尺、5 0 0 一1 0 0 0 英尺和 1 0 0 0 英尺。 1 9 3 8 年，n o r 咖n 使用“h o l s 方法川圳在马里兰和维吉尼亚采集超车数 据来分析超车过程。随后的2 年内，在马萨诸塞州、俄亥俄州、伊利诺斯州、 德克萨斯州、加利福尼亚州和俄勒冈州总计采集到2 1 0 0 0 组超车数据。p r i s k 1 4 从中选出了3 5 2 1 组“单个超车”数据。他从定性的角度出发，将超车行为划分 为以下4 种，分别是：a 类超车延迟开始，由于对向来车导致超车延迟进 行；b 类车辆加速回车，对向来车导致超车车辆加速回车；c 类超车延 迟开始且车辆加速回车；d 类一自由超车，整个超车过程中，对向车道没有 来车。数据分析结果表明：a 类和b 类的平均超车距离都是6 0 1 英尺；c 类的平 均超车距离是5 2 1 英尺；d 类的平均超车距离是7 0 3 英尺。c 类超车过程可以由 3 个部分组成。每一部分分别用初始延迟时间、对向车道占用时间和对向来车 时间问隔来表示。 4 第2 章国内外研究现状 在采集超车数据过程中，研究人员使用了各种各样的方法。固定摄像法n 3 】 是将摄像机固定在一个观测点对过往的车辆进行摄像。这种方法一般用于观测 区间的超车数量，但是很少能捕捉到超车行为。动态摄像法是从运动的车辆上 拍摄超车过程。妇t s o n 和f o r b e s 采用这种动态摄像方法，通过分析从前方慢 车拍摄得到的数据，获得了在超车开始时刻和超车结束时刻的超车车辆与前方 慢车的距离。同时，使用速度测量仪和秒表得到速度和运行时间，计算得到整 个超车过程的运行距离。而h 0 1 m e s 则设计使用了另一种方法，他在车辆驶过的 路段上，沿车道以5 0 英尺的间距安装一组检测器，通过解读检测器的记录来追 踪车辆的进度和超车状况。由于这种方法减少了观测人员暴露在危险实验环境 下的时间，而且电子形式的数据被安全完好地保存在封闭的检测器中。因此， 在实际使用中取得了极大的成功，以后的研究人员便将这一方法称为“h o l 鹏s 方法”。n o m r m 和p r i s k 的研究采用的都是通过这种方法获得的数据。在采 集超车数据时，需要记录每一次超车过程的详细情况，它关系到划分超车过程 的合理程度。为了获得更加详细的车辆运行信息，经常使用视频探测器和激光 检测器来测量前后车辆的速度和问距“”。描述这样复杂的超车过程，必须有大 量的微观车辆单元信息作为基础。可以说，正是由于大量超车数据的缺失，才 导致了超车模型的发展严重滞后于交通仿真中另一个重要模型跟驰模型。 直到2 0 世纪8 0 年代，美国出于微观交通仿真研究的目的，采用航测手段建立 了微观车辆运动信息数据库o ”。自此以后美国的超车模型研究才得以快速发展。 但是，采用航空测量耗资巨大，不易进行。 ( 2 ) 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，超车模型的发展。随着计算机仿真 技术的发展，交通仿真软件成为研究交通闯题的一种重要的方法。由于交通仿 真软件可以较为方便、快捷地构建道路、交通条件以及各种与交通有关的环境， 可以较为真实地模拟交通设施的运行状态，所以越来越被多的研究人员认为， 利用交通仿真软件来研究复杂危险的超车过程是非常适合的。不少国家也都开 发了适合本国国情的双车道国内公路仿真系统，其中比较著名的有：t w o p a s ( t w 旷l a r i ep a s s i n g ) 、t r a 隙( t r a f f i co nr u r a lr o a d ) 、v t i s i m 等等。 t w o p a s 坶”删是由f 1 i a ( 美国联邦公路局) m i d - w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ( 中西部研究所) 于2 0 世纪7 0 年代开发的微观仿真程序。为了配合h c m 2 0 0 0 的修定工作，1 9 9 8 年美国加利福尼亚大学伯克利分校对原有的模型进行了修正， 并增加了新的分析模块。该程序也是美国i h s 删( i n t e r a c t i v e 毗g h w a ys a f e t y d e s i g n d e l ) 中交通运行分析模块的核心。t w o p a s 具有如下特点： a ) 用户可以输入平曲线、纵坡、竖曲线、辅助车道、爬坡车道等道路线性； b ) 仿真车型可以分为小客车、旅游车和货车3 大类，1 3 类车型； c ) 驾驶员类型总共可以分为1 0 种； 5 北京工业大学工学硕士学位论文 d ) 用户输入流量、车辆组成、排队率来产生仿真车辆； e ) 用户可以根据观测到的自由流速度分布来确定输入的期望速度分布； f ) 用户可以改变车道宽度、路肩宽度和增加限速区域来调整自由流车速； g ) 车道选择、车道变换、超车等都是基于实测数据进行确定的。 t 霄0 p a s 对双车道公路的影响因素考虑得比较细致，但是没有考虑交叉路口、 路侧干扰等对通行能力的影响；同时，用户对模型参数的修改以及后期数据的 处理非常麻烦；由于基于d o s 操作系统，没有较为直观的动画仿真，所以总体 来说用户在使用和处理数据时并不十分方便。 t r a r r “”是2 0 世纪7 0 、8 0 年代由澳大利亚道路研究委员会( a u s t r 8 l i 锄 r o a dr e s e a r c hb o a r d ) 主持开发的微观仿真软件，操作界面也为d o s 系统。该 程序可以获得较为精确的车辆运行时间、延误等数据，能够评估由于设置了爬 坡车道而带来的运输效率提高。其输入文件包括道路、交通、车辆、检测器4 个部分。缺点和t w o p a s 一样，输入比较麻烦，没有动画界面，不利于用户修改 和使用。 、r t i 洲是瑞典国家道路与交通研究所( n a t i o n a lr o a da n d t r a f f i cr e s e a r c h i n s t i t u t e ) 于1 9 8 9 年开发，用于分析、研究双车道公路交通流特性的微观仿 真软件。它由7 个骼一d o s 下的可执行程序组成，包括h s c r o a d 、h s c b l 0 c k 、 h s c t r a f 、h s c s i m 、h s c s t a t 、s p p r o f 和h s c f r s i m 。该软件的所有应用程序都是 在骼一d 0 s 下运行，运行过程是以提问一回答的方式进行，用户通过回答软件提 出的问题，输入合适的参数，以此构造仿真道路、交通条件并实施自己的仿真 实验。由于人机界面设计得不友好，因此进行一次仿真需要的时间较长，一旦 出现错误就要重新输入，运行起来非常繁琐。为此，2 0 0 1 年瑞典交通模拟中心 资助开发了基于w i n d o w s 系统的新版本。 ( 3 ) 最近的研究，还出现了采用驾驶模拟舱结合微观仿真软件来分析超车 的新方法。j e n k i n s 1 和r i l e t t 嘲结合使用驾驶模拟舱和v i s s i m 仿真软件进行 了超车实验。实验中，驾驶员超越小客车和卡车两种车型，记录的数据包括测 试车，被超车和对向来车的车辆信息。通过对v i s s i m 仿真结果数据和驾驶模拟 舱输出数据进行统一整理，总计得到9 6 组超车数据。系统每o 1 秒确定一次超 车车辆、被超车辆和对向来车的位置。这些详细的车辆运行信息有助于更加细 致地研究驾驶员和超车条件之间的互相影响。 他们的研究结果表明：在超车开始阶段，超车车辆与前方慢车的速度差越 大，超车车辆的速度增加就越小，如公式( 2 1 ) 所示。 a 巧= 7 7 5 一1 0 5 8 9 ( 一巧) ( 2 - 1 ) 式中a 超车车辆速度变化量( 米秒) ； 6 第2 章国内外研究现状 k 超车车辆速度值( 米秒) ； 形被超车速度值( 米秒) 。 在超车结束阶段，在超车车辆回到原车道的过程中，如果超车车辆与对 向来车的会车时间越长，超车车辆速度的降低就越大，如公式( 2 2 ) 所示。 a 巧= 1 6 5 4 + o 0 7 4 乃c ， ( 2 2 ) 式中圪超车车辆速度变化量( 米秒) ； 玎t c ，是超车车辆与对向来车的会车时间( 秒) ； 系数o 0 7 4 是一个带量纲的常数。 这样，超车过程就可以通过超车车辆速度的增加和减少来划分嘲。 使用驾驶模拟舱可以将观测人员和被测试者从交通现场转移到安全可控制 的环境中。在模拟环境中，包括超车在内的被测试者的驾驶行为信息都将被记 录。同时，在实验室中还可以直接接触被测试者，记录他们的驾驶特性、心理 生理情况等信息。这是个比传统实测研究更为方便有利的方法。 2 2 国内研究现状 国内对双车道公路超车的研究起步较晚，但也取得了一些比较显著的成果。 “九五”期间，交通部公路科学研究所联合东南大学，北京工业大学等单位完 成了公路通行能力研究课题的研究，在双车道公路路段仿真中将超车行为 划分为等速超车和加速超车渊。哈尔滨工业大学交通工程研究所的陈洪仁等 将双车道公路超车过程分为是否需要超车和是否有可能进入对向车道这两个阶 段。武汉测绘大学的沈建武渊和长安大学的严宝杰运用概率论建立了双车道 公路超车可能性的数学模型，利用该模型可以得到单位时间内的超车数和被超 车数。长安大学公路工程学院的王元庆脚等提出了超车完成合流与超车未完成 合流的概念。 仿真模型方面，在北京工业大学的荣建嘲开发的高速公路基本路段仿真模 型b e s s 中，对换车道模型进行了讨论。超车模型其实是换车道模型的一种，但 是，由于高速公路采用分方向物理分隔，两个方向的车流不能进入对向车道， 每个方向又明确划分了超车道和行车道，所以其换车道行为不同于双车道公路 的超车行为，也使得这两种模型有所不同。东南大学的李旭宏嘲和方靖嘲在等 在讨论慢车特性的基础上，分析了双车道公路的交通流特性，建立了一般双车 道公路的仿真模型，对超车过程进行了模拟。 但是，近年来我国双车道公路的道路条件、交通状况、车辆性能、驾驶员 特性都发生了巨大变化，已有的模型已不能适用。因此，借鉴现有模型的研究 7 北京工业大学工学硕士学位论文 成果，在采集实测数据的基础上，对模型的不适合之处进行改进，或者根据我 国目前的实际情况，建立自己的模型，并进行标定和验证将是一项是十分有意 义的工作。为此，交通部公路科学研究所和北京工业大学再次联合，利用两年 的时间对我国双车道公路交通特性进行了深入地调查和研究，并且建立了 t w o s i m 眦1 ( t w o 1 锄eh i g h 髓ys i m u l a t i o n ) 仿真系统。本文主要对超车过程进 行了研究，并建立了超车模型，为该系统的建立奠定了基础。 2 3 本章小结 国外对超车过程的研究及仿真应用都比较成熟，并取得了丰硕的成果。科 学技术的不断进步，为研究人员提供了更多新的解决问题的手段。超车过程研 究的最新方法和发展趋势，都值得我们去关注和学习。国内的研究起步较晚， 但在发展过程中也取得了一定的成果，为今后的研究积累了宝贵的经验。针对 研究中存在的缺陷，本文拟借鉴以往的模型，以我国目前双车道公路的道路交 通状况为基础，建立超车模型。 8 第3 章数据采集与分析 第3 章数据采集与分析 交通调查是交通工程学中一个非常重要的组成部分，交通工程学的发展离不 开交通调查工作的开展和数据资料的分析、积累。无论是理论推导，还是仿真实 验，都要有大量的实地观测数据作为分析依据。数据的准确和“正常”与否直接 关系到分析结果的偏差程度。因此，正确的数据调查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嘲。 本论文中，需要完成的数据采集与处理工作主要有以下两项： 1 ) 设计双车道公路上的超车实验方案，采集超车数据，为标定仿真模型中的主 要参数奠定基础。 2 ) 观测双车道公路区问内车辆的超车情况，对超车率和超车次率进行研究，为 验证模型的有效性提供依据。 3 1 超车实验 3 1 1 实验目的 本论文中超车实验的主要目的是，对超车过程中的可回车间隙的进行调查。 这里需要说明一下超车过程中的可回车间隙的概念。 驾驶员进入或穿越交通流必须判断潜在的冲突车辆与自己车辆之问的距离 并做出决策是否进入或穿过。连续车辆到达某一点的时间间隔就是间隙。可接受 间隙就是驾驶员试图汇入或者通过连续车流时间间隔的最小值。 图3 - l 超车过程中的可回车问隙示意图 f i g l l r e 3 1s k e t c h 唧o fr e t 啪g a pa c c e p t a n c ei no v e r t a l k i n g 如图3 一l 所示，在超车过程中，车n 为前车( f r o n t a lv e h i c l e ) ，车驴1 为 头车( l e a d i n gv e h i c l e ) ，车m 为对向来车( 0 p p o s i n g0 1 1 c 伽i n gv e h i c l e ) ，实 施超车行为的车辆n + 1 为超车车辆( 0 、，e r t a k i n gv e h i c l e ) 。超车过程中，前车 n 和头车n - 1 之间，允许超车车辆n + 1 汇入的车头时距最小值就是可回车间隙。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 因此，本次实验的调查目的是：超车过程中，前车n 和头车n - 1 之间的车头时距 的临界值。 3 1 2 实验方案 3 1 2 1 实验原理 车头时距表示公路上相邻行驶的两辆车的保险杠先后通过道路上同一断面 的时间间隔。由于车头时距是相邻车辆车头经过某断面的时间差。因此，车头时 距的大小主要取决于两车的问距以及后车的速度嘲。在观测人员为静态条件下， 可以直接测量前后车辆经过某断面的时刻而得到两车之间的车头时距，见公式 ( 3 1 ) 。 _ i i = 出= 名一 ( 3 1 ) 式中 两车之间的车头时距( 秒) ； 前车通过检测器的时刻( 秒) ； 后后车通过检测器的时刻( 秒) 。 但是在超车过程中，这个车头时距不是一成不变的。实验中，我们采集一段 时间内前后两车的车头时距，最终计算出他们的平均值。为了获得一段时间内车 头时距的变化情况，就要采用动态方法。即用两车之间的车头间距除以后车的速 度得到两车之间的车头时距，见公式( 3 2 ) 。 _ i ，：墨业 ( 3 2 )丹= l j z j 式中d 前后两车的车头间距( 米) 后车的速度( 公里小时) 高精度g p s 数据采集仪是一种最新的测量工具，可以实时采集车辆的位置信 息和行驶速度，完全满足本实验的需要。实验中需要3 台g p s 数据采集仪，当所选 车型一致、g p s 接收仪的安装位置一致时，g p s 接收仪之间的间距就等于两车之间 的车头间距。此时，g p s 接收仪的间距就可以代替车辆间的车头间距。实验仪器 安装示意图如图3 2 所示。 l o 第3 章数据采集与分析 画瞳瞳 超车车辆前车n头车m l 车头间距 图3 - 2 超车实验中g p s 的安装示意图 f i g i i r e 3 _ 2s k e t c hm a p0 fi n s t a l l i l l gg p si no v e r t a l 【i l i ge x p e r i m e n t 实验车辆按照图3 2 所示的排列方法列队行驶。前车n 与头n - 1 保持相同的 速度，并保持一定的车头间距。超车车辆试图超越前车，并插入到前车和头车之 问的空隙中去。超车车辆在实施每次的超车行为时，实验人员都要对超车过程进 行记录，主要记录的内容有：开始超车的时刻、回车时刻、回车成功或失败、回 车时驾驶员的感受等内容。 超车过程中，前车与头车的车头间距以及后车的速度是两个关键的参数，他 们与实验结果有着直接的关系，因此必须考虑这两个因素对实验的影响。我们按 照车速将实验分为若干组，每组再按照车头间距分为若干小组，每一小组进行多 次实验，求得平均值。然后进行下一组实验。具体步骤是，先固定车速，然后不 断变动车头间距，这为一组实验；每组实验中按照一定的步长来增大车头间距， 步长每变化一次，做若干次实验，这若干次实验作为一个小组，最后对这一组实 验进行汇总。依此类推。最终获得到3 台车辆在不同车速、不同车头间距时的超 车数据。 实验中需要确定车速范围和车头间距的范围。我国双车道公路的最大设计速 度是8 0 公里小时伽，国内双车道公路通行能力的研究结果表明，达到道路通行 能力值的车速范围在4 0 一5 0 公里小时之间嘲。实验中车速的选择应该能够覆盖 达到道路通行能力时的车流速度。实际情况下，当车辆以较小的车头间距行驶时， 道路上的车流速度一般不会太高。综合考虑实验人员和车辆的安全，此次实验的 最高速度限定为6 0 公里小时。最终确定实验车辆( 前车和头车) 的速度范围在 2 0 _ _ 6 0 公里小时，步长为5 公里小时。所以，一共需要做9 组实验。 前车与头车车头间距的范围首先由驾驶员的经验初步确定。一般认为，两车 的车头间距大于1 0 0 米时，超车车辆一般不受前车的制约，可以非常容易地进入 两车之间的空间。车头间距的最小值则根据前车和头车的速度决定，两车车速为 2 0 公里小时，驾驶员在保证安全的情况下能够接受的车头间距为1 0 米，部分 驾驶员可以接受的车头间距小于1 0 米；当车速增加，驾驶员能够接受的间距就 会变大，当车速达到6 0 公里小时的时候，驾驶员能够接受的车头间距大约为 北京工业大学工学硕士学位论文 2 5 米左右。因此，对于超车实验来说，初步确定车头间距的最小值为小于1 0 米， 其次是1 0 米，然后以5 米为步长直至增大到1 0 0 米。不过每组实验中车头间距 的最小值还要根据前车和头车的车速以及驾驶员的感受来随时进行调整。 表3 一l 超车过程中的回车情况记录表 t a b l e 3 1r e t 啪s i t i l 8 t i o n s1 0 9 i no v e r t a l 【i n g 车头间距范围回车失 回车成功时的驾驶员感受 车速范围( h h ) 非常非常 ( m ) 败困难一般容易 困难容易 2 0小于1 0 2 01 0 2 01 5 2 02 0 2 02 5 2 03 0 2 0 3 5 2 04 0 2 04 5 2 05 0 在进行预备实验中发现，当前车和头车的速度控制在6 0 公里小时以内，车 头间距为5 0 米以上时，超车车辆在超车过程中可以非常容易地进入到前车和头 车之间的空间；此后再按照步长增大车头间距进行实验已经没有意义。因此，确 定车头间距的最大值为5 0 米，这样每一组就细分为1 0 个小组。从而减少了实验 的总次数，节省大量的人力和物力。 超车车辆在超越前车后进入前车和头车之间的空间时，由于前车和头车之间 车头间距和车速的不同，会导致不同的情况：包括回车失败和回车成功；而回车 成功的驾驶员在回车过程也有着不同的感受，可以划分为非常困难、困难、一般、 容易、非常容易5 个级别，如表3 1 所示。 3 1 2 2 实验人员及设备 ( 1 ) 车辆及驾驶员。实验中共租用了3 台富康出租车，如图3 3 所示。考虑 到在实际道路上进行超车实验具有相当大的危险性，因此要求驾驶员必须具备良 好的驾驶技术和驾驶经验；同时考虑到驾驶员的气质类型会对车速以及超车行为 产生不同的影响，所以尽可能使用不同气质类型的驾驶员作为样本驾驶员嗍， 第3 章数据采集与分析 实验驾驶员的基本信息见表3 2 。这样在保证实验人员和车辆安全的基础上，也 能够保证所获得的样本具有一定程度的代表性。 图3 - 3 实验车辆 f i 毋鹏3 - 3d 呻锄t v c h i c 蛔 表3 2 实验驾驶员基本信息 t a b l e 3 2i n f o 珈a t i o no fe x p e r i m e n t a ld r i v e r s 驾驶员编号年龄驾龄驾驶员类型 13 71 1冲动型 24 42 4 冷静型 33 61 0 一般型 ( 2 ) 车载高精度g p s 采集仪。高精度g p s 采集仪作为一种导航和定位系统， 以其高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、应用广等特点著称，可以作为 多用途的定位设备。车载高精度g p s 采集仪能连续地为用户提供车辆的三维位 置、三维速度以及精确的u t c 时间信息。图3 _ 4 、图3 5 分别是g p s 采集仪的接 收天线和存储器。 图3 - 4g p s 数据采集仪接收天线 f i g i i r e 3 - 4r e c e i v i n g 锄t e n 舱o fg p s 扯q u i s i t i e q u i p m 衄t 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 图3 - 5g p s 采集仪存储器 f i 印r e 3 5m 哪r i z e ro fg p sa c q u i s i t i o ne q u i 舯t ( 3 ) 笔记本电脑。使用编辑好的实时记录时间和事件软件，随时记录车辆 运行的状况和道路交通条件以及实施超车行为的具体时刻。 ( 4 ) 对讲机。用于实验人员相互联系、协调工作。 ( 5 ) 其他工具。包括米尺、充电器、数据传输线、电源线、插座等 ( 6 ) 耗材。包括胶带、钉子等 本次超车调查所需人员、仪器及配套工具数量如表3 3 所示。 表3 - 3 超车实验所需人员、仪器及配套工具清单 t 8 b l e 3 既p e r i m e n tl i s t i i l go fp e r s o 衄e 1 ， i n s t r 岫e n ta 1 1 dt 0 0 1 项目数量备注 3 人为驾驶员，3 人在车内记录车辆通过检测器的时刻， 实验人员 7 并保持联络，1 人负责调度指挥 车载g p s 采集仪 3 记录实验车辆的位置信息和行驶速度等 笔记本电脑 1 存储数据、记录超车状况和道路交通条件 电源逆变器 3 给采集仪供电 对讲机 3联络 工具若干米尺、充电器，数据传输线、电源线、插座 耗材若干胶带、钉子 3 1 2 3 样本量 实验中为了保证所采集的参数能够有足够的精度，必须保证一定的实测样本 量。如果以实测速度作为必须保证精度的参数，理想条件下的最小观测样本量可 以按公式( 3 3 ) 计算： r 旅、2 舻污j 1 4 ( 3 3 ) 第3 章数据采集与分析 式中一最小样本量； e 车速观测值允许误差( 公里小时) ，其值取决于平均车速要求的精 度。根据侧速仪器的性能，以及实验要求，本次实验车速观测值允 许误差取e = 5 南霄，_ i l ； 置置信度水平系数( ) ，其值如表3 4 所示，一般取9 5 的置信度水 平，即k 值取为1 9 6 ； 盯估计样本的标准偏差( 公里小时) ，其值如表3 5 所示。 表3 - 4 置信度水平k 值表 t 曲1 e 3 4c o n f i d e n c e1 e v e lkv a l u e 置信度水平( ) 38 6 69 0 09 5 o9 5 59 8 89 9 7 k 1 o o1 5 01 6 41 9 62 0 02 5 03 0 0 表3 - 5 样本标准差盯值表 t a b l e 3 5s 锄p l es t 粕d a “d e v i a t i o n 仃v a l u e 行驶区域双车道公路标准差( k h ) 乡村 8 5 郊区 8 5 城市 7 7 平均 8 0 根据公式可以计算出每一小组实验所需的最少实验次数为， 甩= ( 警) 2 = ( 半) 2 - 1 0 次。由于实验一艏9 组，每一组又细分舢 个小组，因此总共的最小实验次数为，9 1 0 1 0 = 9 0 0 次。 3 1 2 4 调查时间及地点 本次调查时间选取在天气晴朗、能见度较好、风力不大，无雨、雪、雾、风 影响的工作日白天时段进行。 实验应选取二级双车道公路，路侧干扰较少，交叉口少交通量不大的直线段。 3 1 2 5 实验准备阶段 在实验实施前，先进行准备工作。主要包括：实验地点勘测、室内实验仪器 检查和预备实验。实验地点勘测：了解实验地点的线形、仪器布放位置等。室内 实验仪器检查：g p s 数据采集仪器的检查、测试工作：笔记本电脑、对讲机电池 北京工业大学工学硕士学位论文 充电工作；各种连接电线、数据线测试工作；各种工具、耗材准备工作；绘制仪 器布置图等。预备实验：对正式实验中可能出现的问题及时进行了修改和完善， 为成功完成正式实验奠定基础。 3 1 2 6 实验实施阶段 根据实验原理图和进行预备实验后完善的实验方案安装好实验设备，正式开 始进行超车实验。 每辆车上至少需要有2 名工作人员，1 人为驾驶员，另1 人负责联络，并给 驾驶员发布指令，按预定计划行驶，同时记录车辆进行超车和回车的时刻、回车 成功或失败、回车驾驶员感受等。如有其他情况也一并准确地进行记录。 由于实验方案考虑的问题比较周全，正式实验时各项数据的采集都比较顺 利，为后期得到准确的实验数据提供了保障。正式实验中，需要注意的是要把秒 表、笔记本电脑按照g p s 的u t c 时间进行校准，以便后期处理各种数据时互相印 证，尽量减少实验时因为某些仪器出现问题造成数据丢失或其他麻烦。 实验完成后，将数据导入笔记本电脑中。然后组织好人员，在保证安全的前 提下，有步骤地将各种实验设备仪器拆卸下来，按设备仪器清单装箱、装车，避 免遗失东西。 3 1 3 数据分析 g p s 数据采集仪记录的数据是a s c i i 码，需要编制相应的软件才可以转换为容 易处理的数据。研究中使用课题组吴万阳编制的g p s 后处理软件f i i i a l g p s 对所采 集到的数据进行处理，并把其导入e x c e l 表格中。 本次超车实验的主要目的是想要得到瞬时或某一时间段内3 台车辆之间的绝 对距离和车辆的速度