（交通运输规划与管理专业论文）高等级道路交织区通行能力研究.pdf

摘要 摘要 交织区是道路系统的组成部分。在高等级道路上同一方向的两股或多股交通流交叉运行时形成 交织区。本文以苜蓿叶式或部分苜蓿叶式互通立交中的交织区作为研究载体，研究了高等级道路交 织区的通行能力。 论文应用间隙接受理论和线性优化模型得出所研究交织区类型的通行能力模型。间隙接受理论 用于解释交织区的车道变换行为，计算通行能力的线性规划方程主要以基本路段通行能力、交织流 量比和交织车道上可接受的换车道车辆数为约束条件。 论文首先总结交织区研究文献，分析了世界上现有主要的交织区分析方法。其次，确定最典型 的第一类交织区作为本论文研究通行能力的对象。通过对调查数据的统计分析，归纳出交织区内的 交通流运行特性、车道变换特性。掌握交织区车流运行的重要影响因素，分析各因素对交通运行及 其通行能力的影响。接着，对交织区车辆的换车道行为进行了详细分析，提出计算换车道的理想安 全间隙的方法，得出交织车道上可接受的换车道车辆数。最后，运用线性规划方法建立高等级道路 交织区运行分析的数学模型，提出适合高等级道路交通特点的、易于工程应用的交织区通行能力分 析方法，得出其通行能力优化模型。并应用t s i s 软件对高等级道路交织区进行微观仿真研究。 【关键词】 高等级道路。交织区，通行能力，影响因素，变换车道。换车道车辆数，可接受间隙，理论模 型，线性规划，交通仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t w e a v i n gs e c t i o ni so n eo ft h ec o m p o n e n l so fe x p r e s s w a ys y s t e m e x p r e s s w a yw e a v i n gs e c t i o n sa r e t h o s ef o r m e dw h e nt h ep a t h so ft w oo rm o r et r a f f i cs t r e a m sc r o s si nt h es a m eg e n e r a ld i r e c t i o n ，a n dt h e w e a v i n gs e c t i o n so fc l o v e r l e a fi n t e r c h a n g e so rp a r t i a lc l o v e r l e a fi n t e r c h a n g e sa r er e g a r d e da st h er e s e a r c h o b j e c ti nt h i sd i s s e r t a t i o n c a p a c i t yo f e x p r e s s w a yw e a v i n gs e c t i o n si ss t u d i e di nt h i st h e s i s c a p a c i t ym o d e l sf o rt h ea d v a n c e dc o n f i g u r a t i o no fw e a v i n gs e c t i o n su s i n gg a pa c c e p t a n c et h e o r ya n d l i n e a ro p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sa r ed e v e l o p e di nt h i sp a p e lg 印a c c e p t a n c et h e o r yi su s e dt oe x p l a i n 1 a n e - c h a n g i n gb e h a v i o ra tw e a v i n gs e c t i o n s l i n e a rp r o g r a m m i n ge q u a t i o n sf o rc a p a c i t ye s t i m a t i o n w i t h c o n s t r a i n t si m p o s e do nb a s i ce x p r e s s w a ys e g m e n tc a p a c i t y , v o l u m er a t i o s ，a n dt h ep o s s i b l en u m b e ro f v e h i c l e si a n e - c h a n g e sw h i c ht h ew e a v i n gl a n ec a l la c c e p t a n c e 。a r eb r o u g h tt oe s t i m a t et h ec a p a c i t yo f w e a v i n gs e c t i o n s f i r s t l y , p r e v i o u sr e s e a r c ho nw e a v i n gs e c t i o n sa l lo v e rt h ew o r l da r es u m m a r i z e d t h e r ee x i s ts e v e r a l m e t h o d sf o rw e a v i n gs e c t i o na n a l y s i sa n dd e s i g n s e e o r d l y ，t h et y p i c a lc o n f i g u r a t i o no f t y p eii sc o n f i r m e d t ob et h eo b j e c to f c a p a c i t ys t u d y t r a m co p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e n s el a n ec h a n g i n gm a n e u v e r sa r e a n a l y z e df r o mf i e l dd a t ao f w e a v i n go p e r a t i o n ；w i t hs t a t i s t i c a lm e t h o d sa n dr e g r e s s i o nt e c h n i q u e st h er u l e s o ff l o wr a t ef o rt h ew e a v i n gs e c t i o n sl a r e sa r ef o u n d i n f l u e n c ef a c t o r so ft r a f f i co p e r a t i n gi nw e a v i n g s e c t i o n sa r eh e l da n da n a l y z e df r o ma b o v es t u d yt h i r d l y ，t h ep r o c e s so fi a n e c h a n g i n gf o rt h ev e h i c l eo r w e a v i n gs e c t i o n si sa n a l y z e di nd e t a i l t h ei d e a is a f eg a po fl a n e c h a n g i n gi sa d v a n c e da c c o r d i n gt ot h e e x p e r i e n c eo fd r e we ta 1 a n dm e t h o do ft h en u m b e ro fv e h i c l e s1 a n e - c h a n g i n gj sa d v a n c e d f i n a l l y , t h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fe x p r e s s w a yw e a v i n gs e c t i o n so p e r a t i n gi ss e tu d a n dt h eo p t i m a lc a p a c i t ym o d e ii s e s t a b l i s h e dw i t hl i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o d f i n a l l y ，c a p a c i t yo f e x p r e s s w a yw e a v i n gs e c t i o n si 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 k e yw o r d s e x p r e s s w a y ，w e a v i n gs e c t i o n s , c a p a e 对，i n f l u e n c ef a c t o r ，l a n ec h a n g i n g ，n u m b e ro fv e h i c l e s l a n e c h a n g i n g a c c e p t a b l eg a p s ，t h e o r e t i c a lm o d e l ，l i n e a rp r o g r a m m i n g ，t r a f f i cs i m u l a t i o n i i 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垄登基日期：型盟曰 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：查辞歌导师签名：盔邀日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 交织区是道路系统的组成部分。交织区内由于常常形成车流的紊动，而成为道路交通系统的瓶 颈。交织区通行能力是科学、合理地进行规划、设计和改善交通组织与交通管理环节中的重要基本 参数。 交织的定义为行驶方向大致相同的两股或多股车流，沿着相当长的路段，不借助于交通控制设 施进行的交叉运行。道路上，一个进口紧接着一个出口或一个迸口紧接着多个出口或多个进口紧接 着一个出口或多个进口紧接着多个出口时，且这两部分由辅助车道连接，交织区多存在于进出口之 间的路段上。图1 - 1 为4 车道交织区示意图。车辆在交织路段上有两种运行特性，一是进入、通过 和离开交织路段与其他正常行驶车辆的轨迹没有发生相交，如蟛，l 和q ，2 ；二是进入交织路段后， 必须穿过其他正常行驶车辆的轨迹，然后离开交织路段，如q 。l 和9 。，。 再二一一一一一己 乡一戈* 一哭 b p 交织区示意图 弓 q s l q w l q - 2 今q s 2 交织区运行图示 图1 ，1 高等级道路交织区示意图及交通运行图示 交织区有几种不同类型，h c m 2 0 0 0 1 1 中把交织区分为a 、b 、c 三类；我国分成i 、i i 、三类 ，各构造类型交织区如图1 _ 2 所示。两种分类方法都是根据每个交织运行的最少换车道数得到的， a 型( 第1 类) ：两个方向的交织车道必须都做一次车道变换，以成功地完成交织行为；b 型( 第1 i 类) ：一个方向的交织车辆不需变换车道就可以完成交织行为，而另一方向的车辆必须变换最少一 次车道才能成功完成交织行为；c 型( 第1 i i 类) ：一个方向的交织车辆不变换车道就可以完成交织， 另一方向车流必须变换两个或更多车道才能完成交织。 、， 。一歹 薹? ? 篓? ? 銎 ，： a 型( 第1 类) 交织区 东南大学硕士学位论文 、 、 ， 熹曼 ：，f ： b 型( 第1 i 类) 交织区 一。，多么 - - ，：一 一一一。，一 一一一 荔兰兰三 c 型( 第1 i i 类) 交织区 圈1 2 交织区构造类型示意图 a 型交织区内的交织与非交织车辆更容易分离，这样更有利于提高车速，b 和c 型交织区能容 纳更高比例的交织车辆，所以非交织车辆更可能与交织车辆分享车道：b 型和c 型交织区更适合交 织流量比较大的情况，而且在交织区长度和宽度相同的条件下，b 型交织区在交织量大时的车速相 对较高吼 交织是互通式立体交叉中常用的交通组织方式之一。如环形立交、部分或全苜蓿叶式立交本身 就存在交织运行。图l - 3 中的斜线阴影部分即为交织区。 ( ) 曹擅叶互通立体交叉上 ( b ) 环岛上 利阕莎 ( c 1 立交之间小于7 5 0 来路段上 图1 - 3 道路上交织区的位置 本文以苜蓿叶式互通立交中的交织段为例研究交织区通行能力，我国的道路尤其是高等级道路， 少有真正意义上的交织区或专门用于将交织交通和主要交通分离的集散车道，现有的交通状态可能 还不需要设立较多的交织区，而苜蓿叶式互通立交的交织区多为a 型交织区，故本文以a 类( 第1 类) 交织区作为本论文研究的对象。 本文提到的高等级道路包括城市道路中的快速路、公路中的高速公路、一级公路等。高等级道 2 第一章绪论 路交织区通行能力类似于公路合流与分流区通行能力，通常定义为：直行车辆的最大通过数和交织 车辆在单位时间内变换车道并通过交织区的最大车辆数之和。在立体交叉中，采用一段交织，常可 省去一廖桥梁，并且能简化立交方案，节省用地和降低造价。所以交织区通行能力是确定匝道合理 间距与密度以及确定互通立交规模的重要参数。 1 2 研究意义 交织区交通特性分析及通行能力分析是道路分析中最重要的工作之一。由于交织区的存在，运 行车辆必须在一定长度限制内选择好各自希望的进出口车道，顺利完成车道变换；要求驾驶者注意 力集中，频繁地操作。从而影响道路交通流，由基本路段上的平顺、稳定运行转变为交织路段上的 合流交叉、交织、分流等紊乱运行。造成了交织路段通行能力低于基本路段的通行能力，成为道路 系统的瓶颈路段。另一方面，有关研究表明，一旦交织区内发生堵塞，将不仅仅影响交织区内的车 流，还会影响到更远路段上车流有效运行，并且拥堵的消散时间一般很长。所以，交织区运行分析 有助于降低或消除瓶颈影响，提高整个道路系统的通行能力和服务水平。经验说明。无论在高速公 路或城市快速路上，适当的交织区对车辆的高效和安全运行十分重要。而我国在这方面的工作还很 不够，未来的发展正提出了我们尽早开展交织区研究的紧迫性。 交织区通行能力理论因可以用于规划、设计道路设施和科学交通管理而具有实际应用价值。一 方面，通过对已知交通条件下的交织运行分析，可以辅助设计出满足给定需求条件下经济合理的设 施型式，使设施从技术上和经济上都达到优化，为设施设计工作提供理论分析依据。另一方面，通 过对交织区内已有设施的交通运行分析，可以确定该设施当前的服务水平，并将其与整个道路系统 的服务水平进行比较，对其服务状况做出恰当的评价，从而确定是否需要采取改善措施以改善该设 施处的运行状况，提高道路系统的运行效率和安全。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 国外对交织区通行能力的研究方法主要有图表法、回归分析法、分析程序、模型模拟法。 p i g n a t a r o ，m c s h a n e 和r o c s s ( 1 9 7 5 ) 3 1 根据回归分析发展了交织和非交织车辆的速度估计方程， 并用交织和非交织车辆作为效果措施，交织区常被聚集在其内某处的车辆控制，相反，交织区内的 一些点就未被利用；随着交织区长度的渐增，其对交织区的益处消散很快。 f a z i o 和r o u p h a i l ( 1 9 8 6 ) 1 4 j 介绍了换车道变量。然后把换车道变量用到回归方程中预测交织和 非交织车辆的速度。换车道概念的主要特点是它能在不限制交通量和交织区结构的情况下应用于任 何测试点。然而，该研究是基于车速估计交织区服务水平的，而车速对交通流的变化是不灵敏的。 c a s s i a y 和m a y ( 1 9 9 1 ) 5 t 在具有两个或两个以上车道的交织区进口和出口调查了主要交织区的 性能。他们建议了一种预测车辆分配的方法，即与h c m 中对匝道的分析相同，在占用交织区右边 车道的大部分交织车道或交通运行部分的任何位置内，反映变换车道行为。他们没有预测交织区的 车辆平均速度。还指出影响高速公路一匝道车辆行为的交通参数是总的交织流率而不是交织区总的 交通流率，而且，当交织流量增加时，高速公路一匝道车辆在较短距离内的车道变换行为更紧张。 该论文的程序对交织区通行能力有两个约束：1 1 可以运行在主要交织区道路上任何点的最大车流( 一 个车道内) 不能超过相应基本高速公路路段的通行能力；2 ) 发生在交织区任何2 5 0 英尺路段内的最 大车道变化率( 两个相邻车道闻) 的范围是每小时1 1 0 0 到1 2 0 0 车道变换数( 通过单个的车道线) 。 在h c m l 9 9 7 中，交织区的运行被分为两种情况：约束的和不受约束的运行。在约束运行中， 交织车辆对车道占用的部分小于平衡运行时所占车道，非交织车辆占车道部分要大于平衡运行的要 求。考虑影响交织区服务水平的参数是交织区长度、交织区的总流率、总交织流率、交通量比、交 织率、交织车辆和非交织车辆的平均空间速度。估计车速的方法是基于p i g n a t a r o ，m c s h a n e 和r o e s s ( 1 9 7 5 ) 川的研究，当前用于确定h c m 中服务水平的效果措施是密度，该程序只能用于参数值校正 的情况下。 东南大学硕士学位论文 h c m 2 0 0 0 口1 分析交织区的方法是基于速度估计和密度，该方法的本质与h c m l 9 9 7 所补充的通 行能力估计实际是相同的。h c m 2 0 0 0 根据影响交织车辆车道变换最小数的几何结构，把交织区类型 分类，有三种交织类型：a 型、b 型、c 型。对通行能力的估计，用于计算交织区通行能力的估计 是通行能力达到服务水平e f 为2 7 当量小客车公里车道( p c & m i n ) 时的密度。因此，通行能力定义 为，任何使密度达到2 7 p c k m l n 时的交通流组合。交织区通行能力是通过参数交织区结构、交通量 比、交织区长度和自由流车速计算的。 l e r t w o r a w a n i c h ( 2 0 0 0 ) | 6 1 ，l e r t w o r a w a n i c h 和e l e r e r i a d o u ( 2 0 0 3 ) 1 7 1 提出了一种新颖的方法估计a 型 和b 型交织区的通行能力，即用间隙可接受理论和线性规划方法。他们把交织区的通行能力分解成 两部分：a ) 交织车道的最大车辆流率：b ) 交织区其他车道的最大车辆流率。交织区通行能力的第一部 分是通过线性规划技术估计，约束条件是每个车道的最大流率和车道变换的晟大数；而第二部分为 相应的基本高速公路路段通行能力。前提是假设内部车道很少有交织车辆，且交织区的通行能力不 受它们的影响。 l e r t w o r a w a n i c h ( 2 0 0 3 ) i s 提出对各类交织区通行能力的估计并对交织区类型提出新的分类建议。 用问隙接受理论和线性规划技术提出各种构型交织区的通行能力模型，闻隙接受理论解释交织区内 的车道交换行为，线性规划方法用于通行能力估计，约束条件是基本路段的通行能力，交通流率和 期望的交换车道车辆数用来估计交织区的通行能力。 计算机模拟对交通操作分析来说是很有作用的工具然而，只有几篇文章直接用模拟方法讨论 了交织区通行能力，从这些论文中的发现总结如下： v e r m i j s 和s c h u u r m a n ( 1 9 9 4 ) ”悃了f o s i m ( 高速公路运行模拟) 模型计算交织区和上匝道的 通行能力，交通数据用于校正模型，数据是用环形探测器和视频照相机收集的。f o s i m 模型的三个 特征参数得到校准：车辆跟随方法、期望位置和强制性的车道变换。根据交通数据和模拟结果，车 道变换行为通常发生在距离交织区合流中心2 0 0 m 处，且通行能力随着交织流的降低而线性增加， 上匝道通行能力随着上匝道交通量的增加而减小。 a l e x a n d e rs k a b a r d o n i s ( 2 0 0 2 ) 1 0 1 介绍应用c o r s i m 模型在交织区8 个调查点的模拟情况，认 为以下的参数对c o r s i m 结果有明显的影响：车辆跟随灵敏度因素、车道变换强调因素和不参加交 织而通过交织区的车辆。c o r s i m 模型通过参数校准可使观测值和预测值得到很好的拟合。 w a e lh a w a d ( 2 0 0 4 ) 【1 ”用神经网络技术估计交织段的通行能力，由于交织车辆运行的复杂性， 其对高速公路通行能力的影响是不确定的，他提出两种估计交织区通行能力的程序，分别用线性回 归和神经网络技术两种预测通行能力的模型，发现神经两络技术在预测和概况能力上超过了线性回 归。 1 3 2 国内研究概况 国内对交织现象的研究存在于对环形平面交叉口的交通运行特性的研究中，并且借鉴了大量国 外研究成果。我国对环形交叉e l 的交织运行分析，从前是沿用英国的w a r d r o p 公式，后来，东南大 学徐吉谦教授对国外方法进行综合评述【l “，又曾利用穿插理论对环形交叉口通行能力重新进行分析， 结论是，用穿插理论得到的环形交叉口通行能力有所提高。 由中华人民共和国交通部发起，我国为了建立自己的通行能力手册翻，已经开始努力发展作为 其中一部分的公路交织区的分析设计程序。课题组通过研究，交织区通行能力研究取得了以下成果： 根据构造对我国道路交织区进行了分类，划分为i 类、i i 类和i 类；通过调查采集，得到大量交织 区运行现场数据，该工作在我国尚属首次；对交织区运行特性进行分析，得到了交织区运行统计结 果和影响交织区运行的因素：建立了交织区通行能力应用模型。 陈金川( 2 0 0 0 ) 【l m 针对我国耳前道路系统中的交织区设施，通过大量实地数据，分析了我国交 织区车辆运行特性，并基于通行能力研究，提出了交织区理论分析模型。提出有效车头时距的概念， 所谓有效车头时距是指大于交织车辆进行交织时需要的最小可接受间隙的一切车头时距。由交通流 中存在的一切有效车头时距确定交织区车流中可接受间隙所能接受的极限理想的最大交织车辆数， 进而确定极限理想车道流率。该极限理想车道流率仅仅考虑了间隙的接受能力。陈金川在其方法的 第二部分讨论了由于有效车头时距利用不当造成的极限理想流率的折减，得出两部分构成的模型公 式，确定给定条件的交织区可能合情合理实现的最大流率，即理论通行能力。 刘小生( 2 0 0 5 ) 1 1 4 1 结合深圳市南坪快速路设计，介绍交织区段通行能力、服务水平计算分析， 4 第一章绪论 根据分析结果，调整优化设计。提出当交织流和非交织流中有一个或两者均低于设计采用的服务水 平等级时，就需要采取改进措施。改进措施有：调整方案、改变交织构造形式、在交织区设置集散 道等。 在对道路交织区的研究过程中，由于各研究工作者对交织运行模式理解深度和研究角度不同， 虽然在研究过程中得到了很多用于交织分析的方法，但却还远没有得到一种能够普遍使用于某个国 家各地区、各种交织区几何和交通条件以及在任何情况下其分析预测结果都稳定的方法i i ”。我国对 交织区的交通特性和通行能力的研究还不充足，在借鉴国外道路交织区研究成果的基础上，研究我 国高等级道路交织区交通流特性、交织区通行能力，以便更好地满足我国道路交通的发展和提高道 路系统的通行效率及安全水平。 1 4 研究内容 主要研究内容包括： ( 1 ) 交织区车辆运行数据的调查与分析通过充分调研，采集分析有关数据，对影响交织区交 通特性的主要因素进行筛选。 ( 2 ) 交织区运行特性的理论研究。交织区内的关键运行特征是交织车辆必须在一定的交织长度 内做车道变换，因此造成交织区的紊乱、车头时距大和通行能力低，形成道路系统的瓶颈。交织区 通行能力主要受道路各车道的车速、车流车头时距、交通量分布、交织车辆和非交织车辆的比率、 车辆加减速行为、重型车比例等交通特征参数的影响。本文运用相关数据分析交织区交通鼍、速度、 加速度、车头时距、车道变换行为，通过交织区交通流特性与行为分析，为通行能力研究提供依据。 ( 3 ) 交织区的通行能力估计方法与模型表达式。讨论通行能力模型的发展及其用到的假设，在 对高等级道路交织区车辆运行的调查数据进行分析处理的基础上，应用间隙接受理论和线性优化方 法建立交织区通行能力的模型，交织区通行能力模型以单位时间内匝道车辆和主路车辆汇入并通过 交织区的交通量之和达到最大为目标函数，以高等级路基本路段通行能力、交织车道上的交织流量 比、交织车道上车流有效车头间隙可接受的变换车道车辆数为约束条件。 ( 4 ) 交织区交通模拟分析及模型的标定与验证。应用t s i s 软件对交织区进行模拟，分析影响 交织区通行能力的模拟参数，并应用数据对模型进行灵敏度分析，标定模型。用校准的模型对交织 区通行能力进行求解，将模拟值与理论模型计算值进行比较，验证模型。 1 5 研究技术路线 l 、通过广泛的调研和文献资料收集与整理，明确研究目标、研究内容和拟解决的关键问题； 2 、确定将采用的研究方法和技术工具； 3 、收集基础资料，设计、组织开展实地调查工作，进行调查数据的采集和处理； 4 、通过对道路交织区交通流特性与行为的分析，建立交织区交通流特性数学模型： 5 、通过对大量调查数据和资料的分析研究，提出交织区各交通参量对交织区通行能力的影响； 6 、建立交织区通行能力模型，并运用交通模拟方法进行验证。 1 6 研究重点、难点及解决方法 本文在分析调查数据的基础上，进行了交织区交通流特性与行为分析，提出交织运行的重要影 响因素，建立交织区交通流换车道模型，得出交织车道可接受的换车道车辆数计算；运用线性规划 方法建立了道路交织区通行能力的线性优化模型，结合调查数据，进行模型校准：运用t s i s 模拟软 件对交织区进行微观模拟研究，验证通行能力模型。研究重点与难点主要有： 1 、进行交织区交通流特性与行为分析，提出交织区运行的重要影响因素，建立交织区交通流换 车道模型。 由于我国的交织区交通构成的特殊性和车辆性能的复杂性。且频繁的交换车道行为导致交织区 5 东南大学顽七学位论文 车辆之间的相互作用与相互影响，宏观上则表现出交通流的紊乱特性。因此，在研究过程中要充分 考虑道路条件、交织类型、交织流最等重要影响因素的作用，找出各因素对交织区车流的综合影响 因素，建立交织区车流的换车道模型。 2 、换车道行为是驾驶员根据自身的速度、相邻车道的间隙以及周围的环境作相应的判断，因此 换车道车辆数的计算与相邻车道的可接受间隙密切相关，通过对车头时距的分布和可接受的理想安 全间隙分析与计算，得出交织车道上可接受的换车道车辆数。 3 、建立道路交织区通行能力模型。 进行交织区车辆运行特征分析，建立交织区通行能力的线性优化模型。确定目标函数和约束条 件，因为交织区内交通运行的关键环节是交织车辆的车道变换，因此约束条件必须考虑交织车道可 能接受的换车道车辆数。结合调查数据标定模型参数，运用现成算法及程序求解线性规划模型。 4 、进行高等级道路交织区微观模拟，验证通行能力模型。 运用t s i s 模拟软件对交织区进行微观模拟研究，对模拟模型参数进行灵敏度分析，标定模型， 得出交织区实际通行能力值，验证线性优化模型。 1 7 研究方法 1 7 1 统计方法 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。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 概率论方法 概率论也是研究交通闯题的基本方法。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。 1 7 3 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。交通模拟可以动态、逼真地 模拟交通流和各种交通现象，深入分析道路环境、车辆、驾驶员行为、控制设施、交通流的综合特 征，有效地进行交通规划、交通管理与组织、交通安全、能源交通等方面的研究。 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，而是按照一定的概率特征来 变化。因此不可能用解决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。因此，交通仿真在这方面具有优越性，能详细观察系统在各个时刻的状态，满足研 究的需要。 1 8 论文主要结论 1 影响交织区运行的主要因素包括交织区长度、车道数等几何条件，交织交通量、总交通量等 交通条件和交织区构造类型及车辆类型等其他条件： 6 第一章绪论 2 交织区内的交通运行有明显的统计特性，提出车辆跟驰特性和换车道特性是交织区微观分析 中必须考虑的两个问题； 3 建立换车道模型，计算了车辆变换车道时所需的的理想安全间隙，得出交织车道的车头间隙 可接受的换车道车辆数； 4 应用间隙接受理论和线性优化方法建立交织区通行能力的模型，模型以单位时间内匝道车辆 和主路车辆汇入并通过交织区的交通量之和达到最大为目标函数，约束条件是高等级道路基本路段 通行能力、交织车道上的交织流量比以及交织车道上车流有效车头间隙可接受的变换车道车辆数； 5 应用仿真软件t s i s 对高等级道路交织区进行交通仿真研究。结合调查数据分析模型参数的敏 感性，标定仿真模型，得出交织区实际通行能力。 7 东南大学硕士学位论文 第二章交织区现场数据的调查与分析 本次交织区通行能力研究过程中，利用交通部公路科学研究所对交织区交通运行的现场调杳数 据。采集交织区调查数据( 北京7 个，上海4 个) ，其中包括了早高峰和晚高峰小时的交通运行数据。 并结合个别情况于2 0 0 5 年9 月2 1 日( 周三) 在北京劲松桥交织区进行了补充调查。现场数据调查 结果，为定龟分析交织区的运行特性和影响因素，为建立、标定和验证通行能力提供了坚实的基础。 本部分详细叙述现场调查的方案和过程。 2 1 调查目的 道路通行能力研究中，现场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。 通过现场观测，可以研究交织区内流量变化情况、车头时距在不同交通量水平下的分布规律、 交织车辆在交织车道上的行驶特性等。将调查数据组成一个交织区车辆运行的数据库。数据库为高 等级道路交织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 高等级道路交织区的交通调查属于抽样调查。内容是调查交织区运行的有关参数，包括交通量、 行车速度、车种类型、不同车辆间车头时距、临界间隙等。 交织区交通调查参数主要分为两种：几何参数和交通参数。参数如下： ( 1 ) 几何参数：交织区长度、交织区内的车道数、车道宽度、平面线形纵坡等。 ( 2 ) 交通参数：总交通量、交织交通量、各交通量的车道分布、车型比例、交织车辆速度、非 交织车辆速度等。 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 正确选择观测点的主要目的在于能够得到正确反映交织区交通流特性的数据。观测点的选择必 须以满足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，所选交织区附近有制高点，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 ) 交织区内最好没有平曲线和没有较大的纵坡； ( 4 ) 各调查地点的交织区长度应尽可能不同； 8 第二章交织区现现场数据的调查与分析 ( 5 ) 调查交织区内应该有大于1 5 0 0 辆，车道，j 、时的交通流量。 2 3 2 观测设备的选用 采集数据的主要观测设备为交通采集仪、雷达枪、摄像机、射钉枪等，采集仪用于记录流量、 车速、车头间距等数据；雷达枪用来记录若干单车的速度：摄像机用以拍摄整个交织区平面的交通 过程。 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，交通数据采集仪应分别在交织区开始和结束断面 处各车道布置一排。交织区内部根据交织区长度布设，当交织区长度在2 5 0 米以下时。在交织区进 口断面下游7 5 米和交织区出口断面上游7 5 米处各布设一排交通数据采集仪；当交织区长度在5 0 0 米以下时，在交织区进口断面下游1 5 0 米和出口断面上游1 5 0 米处各布设一排交通数据采集仪；当 交织区长度在5 0 0 米以上时，则应布置在上下游各2 0 0 米处；录像机的位置应选在能够观察整个交 织区平面区域的制高点。 - ，o 一一一一叫一一一叫 ，- 。一一一一- 。j 一一一q 囤函卤匦囹 图2 1 交织区调查地点区观测仪器布置图 交通采集仪和摄像机结合操作，人工辅助采集。其中交通采集仪用于采集交通运行数据和交通 流量数据；摄像机采集的数据一部分可以和采集仪数据相结合使用，另一部分是交织区内交通量车 道分布，交织车辆变换车道、交织流量比等数据，这些数据是无法用交通采集仪采集到的。 2 4 调查数据的处理 2 4 1 数据处理方法 2 4 1 1 软件处理 数据处理工作首先用交通采集仪( n c 9 7 ) 附带的软件h d m ( h i g h w a yd a t am a n a g e m e n t ) j 拄行处理， 将速度、流量、占有率等数据导出，用相应的软件如e x c e l 、s p s s 等进行全面和更为深入的统计分 析。 9 东南大学硕士学位论文 2 4 1 2 人工处理 录像带存储的视频数据通过人工汇总得到，主要的数据参数有交通晕、交通量的车道分布比例、 车头时距、交织交通量和交织流量比、交织交通量的车道分布、交织交通完成交织所需的时间和交 织行为在交织区内的空间分布等。 2 4 2 数据处理结果 2 4 2 1 几何特性参数 表2 1 几何特性参数 调查地点 交织区长度( m )单向车道教 主路车道数交织区类型 北京劲松桥双井桥 3 0 0 4 3i ( 东三环路) 农展馆交织区1 5 0 4 3i 上海市南北高架 1 5 07 4 i 白纸坊桥菜户营桥 2 0 0 4 2l i ( 西二环路) 西三环 1 5 032i i 西三环北路 2 0 043i i 东四环 5 5 4【 2 4 2 2 交通流特性参数 图2 - 2 为上海市南北高架海宁路出1 ：2 1 前的一段交织区示意图： 匡壅圃 7车道+o b i 篮+ o 一 5j!堑-o一 萝一一荽一一一一一一一1 ；：；i l i i j ；i ! 旷 食一7 一旺：z 狐 7 ，77一 图2 - 2 上海市南北高架交织区示意图 l o 南北高架 海宁路出口 第二章交织区现现场数据的调查与分析 表2 2 上海市南北高架海宁路出口前一段交织区车流量统计表 车道断面对应采集仪编号 交通量( 辆，j 、时) i 交织区内部 l1 1 7 9 2 交织区内部 2 1 2 0 6 交织区内部 3 39 0 2 交织区末端 8 交织区始端 6 4 交织区内部 42 5 4 交织区末端 1 0 5 交织区内部 78 1 6 交织区内部 51 0 6 7 7 交织区内部 98 5 7 表2 3 交织区交织参数表 调查地点 劲松交织区 农展馆交织区 交织区类型i ( 匝道交织区)i ( 匝道交织区) 交织区长度( m )3 0 0 1 5 0 交织区车道数 44 交通量( 辆4 时)4 0 9 23 2 0 0 交通量比值 o ，3 9 2o 3 0 9 交织比0 4 7 80 3 7 8 注：上述各交通参数均为分析时段数据，两路段均为匝道汇入主路交织车辆少于主路汇八匝道交织车辆。 2 5 小结 总结本章内容，主要包括： 1 在确定调查目的的基础上，对调查需要采集的内容进行了充分的分析，并详细考虑了相关的主 要参数； 2 针对复杂的交织区交通运行特点，设计了适用的调查工作方案，并对调查设备的选择及仪器的 布设等进行了详细说明； 3 通过该方案所进行的实地调查，对调查结果作了整理分析，包括几何特性、交通流量，交织比 等。 东南大学硕士学位论文 第三章交织区交通流特性与行为分析 高等级道路交织区通行能力主要受交织区长度、交织区类型、车道数、交织交通量、总交通量 等冈素的影响。通过对调查数据的处理与分析，研究高等级道路交织区交通流特性与行为特征，得 出交织区内的车道变换( 即交织行为) 情况、相邻车道上的车头时距在不同流率条件下的分布规律、 交织点的分布特性等，为交织区通行能力和服务水平分析提供依据。 3 1 交织区车流运行影响因素 在讨论交织区交通流特性之前，重要的工作之一是正确选择和描述对交织运行具有较强影响的 因素，这些因素包括交织区长度、交织比、交织区车道数、交织区车速、交通流总流量、交织交通 量、交织区内车型比例，交织区的构造类型等，表3 1 是h c m 2 0 0 0 c 2 1 5 b 对部分影响因素的参照值。 下面对其分别进行分析。 表3 1 交织区几何和交通要素 参教参j 飘值 交织比0 0 ，0 1 ，0 2 ，0 3 ，0 4 ，0 5 交织区长度c m )1 5 0 ，3 0 0 ，4 5 0 6 0 0 ，7 5 0 从主路到上匝道的交通流车速差值( k i n h ) 0 ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 t3 0 从下匝道到主路的交通流车速差值( k m m )o ，5 。1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 大型车比例( ) o ，5 ，1 0 1 5 ，2 0 ，2 5 3 1 1 交织区长度 交织区长度是交织区域最为重要的参数之一。交织区长度定义为从合流匝道终点与主线连接点 至下游分流匝道起点与主线连接点之间的长度。它对交织区运行的影响表现为驾驶员驾驶汽车通过 交织区时的操作紧迫程度。交织区长度是驾驶员顺利实现车道变换的距离限制。极端的情况是，交 织区长度足够短，这时，车辆完成一次车道变换实际是等待主流交通流中的可穿越间隙，和x 型无 信号灯控制交叉口的穿越间隙问题相同；另一种极端的情况是交织区足够长，则交织区分解为合流 点和分流点，其间的路段则和基本路段上的车道没有什么区别。在h c m 2 0 0 0 中提到，交织区长度 一般不超过7 5 0 m ，如果超过这个长度的话，车辆的合流和分流应该分别研究：最短为1 5 0 m ，如果 不到这个长度，可按无信号交叉口情况研究。在一定的交织长度内，交织区长度越长车辆越不急于 变换车道，则对直行车流的影响就会越大。通过h c m 2 0 0 0 和我国对快速路交织区研究的成果u 2 t ， 可以看出交织区长度对交织区通行能力的影响趋势，见图3 1 和图3 - 2 。 1 2 第三章交织区交通流特性与行为分析 图3 - 1h c m 2 0 0 0 交织区长度对通行能力的影响 图3 - 2 我国快速路交织区长度对通行能力的影响 3 1 2 交织流量比与交织比 - ； q s l q - 1 q w 2 今q s 2 图3 - 3 交织区运行图示 交织流量比是交织区内交织交通量和总交通量的比值，在图3 - 3 中，即 【q ：“+ ( k j ( 绋+ ( k + q l + q 2 j 。交织流量比是交织区运行的重要交通参数。 首先我们考虑一种极端的情况，假设交织流量比为零，交织区有两条车道，见图3 - 4 ( a ) 。这时， 交织区是由两条道路构成的，通过交织区的车辆全部保持原有的行驶方向，不进行交叉，所以交织 区的通行能力为各自通行能力之和：如果交织区是由于立交匝道进出口相连形成的，则通过交织区 的车辆仍然保持在原有主路或匝道方向上运行而不进行交织。即交织区的通行能力为主路通行能力 东南大学硕士学位论文 与匝道通行能力之和。所以，交织流量比为零时，交织区通行能力为各车道通行能力之和，其计算 方法同基本路段或匝道车行道通行能力