（交通运输规划与管理专业论文）高速公路合流区车辆换算系数研究.pdf

摘要 高速公路合流区作为高速公路的重要组成部分，是联系匝道和高速公路主线车道的桥粱。因为大量 的车辆合流会引起整个合流区的交通流紊乱，进而产生拥堵，使其成为高速公路的“瓶颈”路段。这 些拥堵的形成往往是因为设计通行能力与实际交通流量之间的差距而造成的，而车辆换算系数的取值对 于通行能力计算至关重要。由于我国对于车辆换算系数缺乏深入的研究和经验积累，目前大多公路通行 能力设计与计算均以国外车辆换算系数为标准但是我国道路条件、交通组成和车辆动力性能与国外存 在很大的差别，盲目参照国外的参数标准，往往会出现一些不够符合国情之处。 本文以实测交通数据为基础，在对调查数据进行分析处理的基础上，利用车辆瞬时速度和车身长度 为指标进行聚类，对车型进行了划分。对高速公路合流区的交通组成、交通流量、速度、车头时距等交 通参数分断面分车道进行了分析。在采用车头时距计算通行能力的基础上推导了车辆换算系数的计算方 法，并根据实测数据，得出了高速公路合流区各车型车辆换算系数推荐值。采用饱和车头时距法和流量 车速法分别计算了高速公路合流区标准车通行能力值和混合车型通行能力值并根据标准车通行能力对 本文得到的车辆换算系数进行了验证运用v i s s i m 软件对高速公路合流区进行微观仿真研究，分析了 道路纵坡、车道宽度、车道数量等因素对车辆换算系数的影响，得到了相关修正系数。本文的研究结果 在高速公路合流区的规划、设计、建设和管理过程中有一定参考价值，这一研究对保证车辆在合流区内 畅通运行、提高交通安全，充分发挥高速公路合流区的道路功能具有一定指导意义。 i 关键词】 高速公路，合流区，车型划分，车头时距，车辆换算系数，通行能力，交通仿真 a b s t r a c t a 6 卸i m p o n a n lc o m p o n e 鸣f r e e w a ym e 画n g - a r e ai s a j i n k a g ec 0 仰e c l i n gm 唧a n dm a i n l i n el a n e b e c a u 黔w ea uk n o w m a 嚣v e h j d e s m e f g j n gb e h a v i o rw 1 i1 e a dt ot u r b u l e n c eo fl r a f f i cn o w 洒t h ew h o l e m e 咖ga r c a t h e nt r a 蚯cc o n g e s t i o ne m e 增e sa n d 【h em e r g i n ga r e ab e c o m e sa b o t n e n c c ko ft b ef k e w a y s o m e t i 加e s ，u 帆a n a b l cp a s s e n g e r re q u j v a j e d c e ( p c e ) ，w b i c hm s u j bi i li h ed e 崩1 c cb c t w na d u a i v o l u m e 卸dd 髂j 驴c a p a c i 【y ，s h 叫l db cm s p o n s j b l ef o rt h e n g e s d 伽d 1 0 吐圮l a c ko fd 髓pr e s c a r c h e s 如d “p e f i 伽砌舢l a “彻仰p 呱m e 喇s 血gh i g h w a yc a p 解i t yd e s 咖a n dc a l c u l a t i o n 眦b a s e d 彻f o r e 咖 p c ev 丑l u c i o w c v c l ；l h er o a dc o n d n 妯，t r a 矗! i cc o m p o s i 虹o n 柚dv 。h i c l ed y n a n l i c 弘d ；o r m a 丑c ea 北q u 沁 d i 如阍1 t 矗o ml h a lo ff o r e i 印c o u n t r j e s s or c f e r r i n gt of o 化i 印p c ev a j eb h n d l y 啪yc a u n 摇 i j l n s i s t e n c c b 瓒do n 山e 卸a l y s i s1 0m e 越u 肥dd a t a ，v c h i c l et y p 鹤a 他d a 豁j 丘e da c r d i n g1 0 ( h ci n d e xd 惦t c r i n g0 f v e h i c l ei i l 蛳m t a n e o u sv e l o c i t y 柚dv e h i d eb o d yl c n g i h t 五e 恤伍cc o m p o s m o n ，眦i cv o l u m e ，v c l o c 打y 柚d t i m eh e a d l a ym a l y z e da 。c o r d i g1 0 t9 e c t j o 卸dd i 旋咖tl e s o nt h ef o u n d a i j o f c a h i a 皿g p a d t yb ym e 哪o f 缸e h e a d w a y ，也ca i g o r i t h mf o rp c = ei sd c r i v c d a n d 佗c o 衄如d c dm e i g 崛a n ap ( = e 垤l 雌j so b t a i n e d 丘吼m e 越u 坞d 血忸s a n 血r dp a s 鸵霉盱c 缸c a p a d t y 锄dm i x e dv e h i c i cc a p a d t yi nm e 蟛g 批aw 讹c a l c i i l a t e d 哗d i v e l yu s i n g 鞠t 岍t e dt i i i l cb e a d w a y 蛳t h o d 柚dn 州v e l o c i t y 皿e t h o d a n dn l c k = eo b t a i n e di nt h i sp a p e fw 蓝v a l i d a 伽a c c o r d i n gt ol h cs b n d a r dp a 站c n g c rc 盯p a c j t y t h 谢mt h ch e l p o f s s i m m em i c r o - s i m u l 撕。璐幻如c 帅ym c i g i ga r c ac a f r i e d 伽柚dt h ci m p a do fr o a ds l o p c ，l a 们d 山如dl a 加m b c r 如p c ew e 佗a i 柚a l y z c dt og e ii h e f r c s p o n d j n gc o 脚加e 伍c i 如t f i n a l i y w e c o m p a 他dt h er e a r c h 代s u nw i l h 扯t u a lt m 伍cc o n d i o 璐t 五e 删l lj n d i c a 倒t h a tt h e c o n d u s i o 璐h a v e m ef c f e i e n v a l u e 血丘、帕ym e r g i n ga ”ap l a 皿i n g d 船j 印，c 口雌t n l c l i 仰柚d 叫a g e m 明w h i c h 啪 i u 托v e h i c l 髓s n ，t hm n i l l g ，e h 龃c et f a 】皈cs a f 毫吼如d np u tt h e l eo fm e r g h i ga f c a0 fh i g h w a yi n t o 舢p hy 【k e y w o r d s 】 缸e w a y ， 撇咖g a r e a v e h j c l ct y p cc l 梆i f i c a t i ， t i m eh e a d w a y p a 鼬n g e rc 盯e q u i v a l 卸， c a p a c i t y ， t r a n cs i m u l a t i o n 刖舌 随着我国国民经济的高速发展国家逐步加大了对交通基础设施建设的力度。以高速公路为例，我 国大陆自1 9 8 8 第一条沪嘉高速公路建成通车以来，高速公路建设一直处于一个高速发展的时期。 但是，就是在我国高速公路通车里程不断被刷新的同时，第一批建成的高速公路交通流量与设计通 行能力的矛盾逐渐显现，在部分已经通车的高速公路上，人们已经普遍感到交通拥堵。因此，对高速公 路通行能力和服务水平的研究成为了交通工程人员普遍关心的问韪。 车辆换算系数的确定是进行通行能力和服务水平研究中的重要组成部分。由于公路交通是各种车辆 混杂的混合交通t 且车辆种类繁多、车型构成复杂，各种车型间的动力性能相差悬殊，造成不同车型在 道路上行驶时所占用的时间和空间大不相同，在进行通行能力计算和服务水平计算时，不同车型的交通 量之间没有可比性。为此需要将不同车型的交通量换算成某一标准车型的交通量p c u ( p a s s e n g e r c a r u n i t s ) ，其目的是为了能够在不同车种构成的交通条件下进行对比、分析，因此需要通过车辆换算系数 来对各型车辆进行折算。虽然目前国外对通行能力进行了比较全面的研究，而且也有了比较详尽的车辆 换算系数参数标准，但是由于车辆换算系数相关因素太多，我国交通组成和车辆动力性能与国外存在很 大的差别，盲目参照国外的参数标准，往往会出现一些不够符合国情之处。 为了更好的解决不同车型之间的当量换算问题，众多交通工程学者对车辆换算系数的计算方法进行 了种种研究本文正是在前人研究的基础上，以高速公路合流区作为研究对象，从实测交通数据入手 在对调查数据进行分析处理的基础上，对车型进行了划分。对合流区的交通组成、交通流量、速度、车 头时距等交通流参数进行了分析。在采用车头时距计算通行能力的基础上推导了混合车流车辆换算系数 的计算方法，并根据实测数据，得出了合流区各车型车辆换算系数推荐值。以通行能力为标准对本文得 到的车辆换算系数进行了验证。运用v i s s i m 软件对高速公路合流区进行微观仿真研究，分析了道路纵 坡、车道宽度、车道数量等因素对于车辆换算系数的影响，得到了相关修正系数。 全文共分八章，其中各章内容简介如下： 第一章为绪论，阐述了本文研究的背景及意义等； 第二章讲述了数据采集的方法及分析整理； 第三章提出了车型划分的标准，并给出了相应的标准车和其它车型的分类方法； 第四章对高速公路合流区交通流特性进行了分析； 第五章提出了车辆换算系数计算方法，并计算了高速公路合流区车辆换算系数； 第六章采用交通仿真手段对车辆换算系数进行了修正； 第七章对车辆换算系数值进行了验证； 第八章也就是本文的最后一章，是对本次研究课题的总结与展望。 本文的研究建立在许多交通鼙前辈的基础上，参阅了人量的国内外相关研究课题，有些资料朱能 一一列出，在此向这些著作和文献资料的原作者们表示衷心感谢! 同时也要感谢所有为完成本论文参加 数据调查和提供人量先前调查数据的老师和同学们! 由于作者水平有限，文中错误难免，欢迎大家批评指正。 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。 研究生扣- ) 、i ? 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：! 篷丝 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 我国高速公路发展的历史和现状 高速公路为专供汽车分向、分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。它是国家干线公路系统的 重要组成部分，在国民经济发展和人民生活中起着十分重要的作用。我国的高速公路发展比西方发达国 家晚近半个世纪的时间，从8 0 年代末开始起步，经历了8 0 年代末至1 9 9 7 年的起步建设阶段和1 9 9 8 年至今的快速发展阶段 在改革开放初期，随着我国国民经济的快速发展，公路客货运输量急剧增加，公路交通长期滞后所 产生的的后果充分暴露出来，特别是主要干线公路交通拥挤、行车缓慢、事故频繁。为改善主要干线公 路交通紧张状况，缓解公路交通的瓶颈制约，根据发达国家的实践经验，建设高速公路是解决主要干线 公路交通紧张状况的有效途径。 1 9 8 8 年上海至嘉定高速公路建成通车，结束了我国大陆没有高速公路的历史；1 9 9 0 年，被誉为“神 州第一路”的沈大高速公路全线建成通车，标志着我国高速公路发展进入了一个新的时代；为了集中力 量、突出重点，加快我国高速公路的发展，1 9 9 2 年，交通部制定了。五纵七横”国道主干线交通规划并 付诸实施，从而为我国高速公路持续、快速、健康发展奠定了基础；1 9 9 3 年京津塘高速公路的建成， 使我国拥有了第一条利用世界银行贷款建设的、跨省市的高速公路 到1 9 9 7 年年底，我国高速公路通车里程达到4 7 7 1 公里，1 0 年间年均增长4 7 7 公里。相继建成了 沈大、京律塘、成渝、济青等一批具有重要意义的高速公路，突破了高速公路建设的多项重大交通工程 技术“瓶颈”，积累了交通设计、交通施工、监理和运营等建设和管理全过程的经验，为1 9 9 8 年后的快 速发展奠定了基础”1 1 9 9 8 年，为应对亚洲金融危机，国家实旌了积极的财政政策，加快了基础设旋建设步伐。交通行 业按照国家的统一部署，加大了公路建设力度，从1 9 9 8 年至今，高速公路建设进入了快速发展时期， 年均通车里程超过4 0 0 0 公里，年均完成投资1 4 0 0 亿元；1 9 9 9 年，全国高速公路里程突破l 万公里； 2 0 0 0 年，国道主干线京沈、京沪高速公路建成通车，在我国华北、东北、华东之间形成了快速、安全、 畅通的公路运输通道；2 0 0 1 年，有。西南动脉”之称的西南公路出海通道经过1 0 多年的艰苦建设实现了 全线贯通。 2 0 0 2 年年底，我国高速公路通车里程一举突破2 5 万公里，总量位居世界第二位，2 0 0 4 年年底超 过3 万公里。截止2 0 0 6 年底，全国高速公路通车总里程达4 5 4 万公里( 不包括港、澳、台) ，除西藏外， 各省、自治区羊i l 直辖市都已拥有高速公路，其中，江苏、山东、河南和厂。东四省的高速公路里程突破 3 0 0 0 公里，河北、浙江等6 省高速公路里程超过2 0 0 0 公里有2 0 个省份的高速公路里程超过1 0 0 0 公 里”。随着高速公路里程的不断延伸，规模效益逐步发挥，人们切身感受剑高速公路带来的时间、空间 观念的变化。 我国高速公路经过1 9 年的持续快速发展，使公路基础设施总体水平实现了历史性跨越。高速公路 的持续快速发展，大大缩短了省际之间、重要城市之间的时空距离，加快了区域间人员，商品、技术、 1 第一章绪论 信息的交流速度，有效降低了生产运输成本在更大空间上实现了资源有效配置，拓展了市场对提高 企业竞争力、促进国民经济发展和社会进步都起到了重要的作用，有力地促进了我国现代化建设【4 j 。 1 2 立题的背景和意义 高速公路合流区作为高速公路的重要组成部分，它包括加速车道和与之相联系的主线部分。在基本 路段上，交通流比较稳定，通行能力与服务水平一般能达到殴计水平，由于合流区存在车辆的交汇行为， 一这一区段的交通特性比较复杂。在这一区段内，随着交通量的增大，由于车辆间的合流行为，往往会引 起主线交通流紊乱，行车速度降低，延误增大；同时，由于匝道上的车辆要在合流区内进入基本路段， 车辆强行变换车道容易引发交通事故，形成公路的“瓶颈”路段。“”。高速公路合流区瓶颈路段的解 决对于保证高速公路的通行能力和服务水平有着重要作用。 车辆换算系数的确定是公路通行能力和服务水平研究中的重要组成部分。由于公路交通是各种车辆 混杂的混合交通，且车辆种类繁多车型构成复杂，各种车型问的动力性能相差悬殊，造成不同车型在 道路上行驶时所占用的时间和空间大不相同，在进行通行能力计算和服务水平评价时，不同车型的交通 量之间没有可比性为此需要将不同车型的交通量换算成某一标准车型的交通量p c i i ( p a s s e n g e r c a r u n i t s ) ”。，其目的是为了能够在不同车种构成的交通条件下进行对比和分析，因此需要通过车辆换 算系数来对各型车辆进行折算。虽然目前国外对通行能力进行了比较全面的研究而且也有了比较详尽 的车辆换算系数参数标准，但是由于车辆换算系数相关因素太多，我国交通组成和车辆动力性能与国外 存在很大的差别，盲目参照国外的参数标准，往往会出现一些不够符合国情之处。以沪宁高速苏州段为 例，日均交通量约为2 9 万辆。其中小客车比例为4 3 1 ，大客车比例为3 0 2 ，货车比例为2 6 7 根据现有的车辆换算系数计算得到的交通量来看，以目前的交通量，其服务水平应保持在a 级，然而， 事实情况却是该段的交通运营情况已经明显下降，车辆之间的相互影响十分明显，超车困难，驾驶的舒 适和便利程度明显下降“”。另外，我国现状高速公路绝大部分为四车道的高速公路，随着经济的快速 发展，交通量日益增大，部分四车道高速公路的服务水平明显下降交通流量与设计通行能力的矛盾逐 步显现，尤其是在部分瓶颈路段，出现了交通拥堵。近年来沈大高速公路、沪杭甬高速公路，沪宁高速 公路等，已( 或正在) 进行四车道高速公路拓宽为八车道高速公路的建设工程”“。 造成这些交通流量与设计通行能力差异的原因中，车辆换算系致的取值影响至关重要。为此，对各 种交通条件下的车辆换算系数进行研究，有利于正确计算公路通行能力和服务水平，为我国公路建设和 运营管理提供有益的措施和建议。 目前国内对车辆换算系数进行的研究较多，且采用的方法多样，但是普遍集中在对基本路段车辆换 算系数的研究上所得结果不一定适用于高速公路其它组成部分“”“”。而高速公路合流区的车辆运行 特性最复杂，对合流区车辆换算系数进行深入系统的研究，有利于更好地分析合流区道路通行能力和车 辆运行特性，这既是科学、合理地进行合流区的交通规划嗣i 改计，改善交通组织与交通管理的前提i ：作， 也是我国合理进行公路建设与经济发展的迫切需要。这一研究对保证车辆畅通运行、提高交通安全，充 分发挥合流区的道路功能具有重要意义。 本论文依托于国家自然科学基金资助项目道路互通立交系统通行能力的分析方法( 编号： 2 第一章绪论 5 0 4 7 8 0 7 1 ) 和江苏省交通厅项目江苏省高速公路车道数适应性研究开展研究二【：作希望通过研究国 内外的已有资料，总结已有的研究成果和经验，结合对高速公路合流区的交通调裔数据，在对高速公路 合流区的交通特性进行分析研究的基础上，进一步探讨合流区车辆换算系数的计算方法，以期在高速公 路合流区的规划、设计、建设和管理过程中提供相关参考这对于保证高速公路合流区的交通安全、经 济和高效运行有着十分重要的意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 美国分别于1 9 5 0 、1 9 6 5 、1 9 8 5 、2 0 0 0 年出版了四版道路通行能力手册。在手册中，针对高速公 路基本路段、多车道公路、双车道公路等交通特性进行了分析，并提出了通行能力和服务水平的计算方 法以及相应修正系数推荐值“”。 在车辆换算系数研究方面，美国在5 0 年代在研究道路通行能力的同时，重点研究了当量标准车型 的概念和换算方法，提出以小汽车为基准车型的当量系数问题；1 9 6 5 年美国道路通行能力手册首 先提出换算系数的概念，此量即为小汽车换算系数p c e ( p a s s e n g e r c a re q u i v a l e n t s 小客车当量) 。此 后，美国一直将其作为道路交通研究中的一个重要基础理论课题进行研究，侧重点多集中在对当量换算 系数的估算研究上“”“”。 7 0 年代以后日本、英国、德国以及加拿大等国基于本国的交通特点和观测数据，相继研究出了适 合本国的以小汽车为标准车型的换算方法，并把车辆当量换算系数作为本国公路交通技术标准的一个主 要参数，并以此指导公路的建设工作。印度在1 9 9 4 年通过研究首次提出了关于混合交通条件下的当量 换算车型标准，从理论研究和实际应用等方面为我们提供了一定的参考，但由于研究对象的差异，其技 术成果的参考价值具有一定的局限性”。 此外，国外许多学者也对高速公路分合流区通行能力进行了广泛的研究，取得了较为深入的研究成 果：k o u 与m a c h e m e h l 对高速公路合流区驾驶员的合流行为进行了专门研究，e v 卸s 、e 1 e f t e r i a d o u 、 g a u t 等运用l i a r k o v 链对合流失败而停车的概率进行了研究”1 ，h a l l 与a g y e m 8 n g 对合流区通行能力 进行了研究”，美国道路通行能力手册2 0 0 0 采用了r o e s s u l e r i o 模型计算分合流区影响区通行能 力1 国外常用的一些p c e 确定方法有l k e r 法、延误法、车头时距法、等效交通量法、瞬时占有道路 宰法和计算机模拟模型法等啪瑚“捌。以上方法主要基于两个原理：一是基于小汽车当量和服务水平 的联系而建立起来的当量换算原理；二是基于卡车在交通流中的阻抗影响系数而建立起来的当量换算原 理。 1 3 2 国内研究现状 相对 二国外的研究来说，我国在车辆换算系数方面的研究起步较晚。8 0 年代，我国交通部公路科 3 第一章绪论 学研究所主持南方八省市参加的“混合车流权车道设计通行能力研究”首次提出了“速度因子法”，用 以测算混合交通下双车道公路1 三辆当量换算系数。1 。 我国对互通立交的合流区通行能力的研究也取得了一定的研究成果。东南大学的李文权等对合流区 匝道车辆的汇入模型进行了研究1 5 l 【6 1 口“l ；王炜、高海龙、李文权等在公路交叉口通行能力分析方法 一书中全面介绍了计算车辆换算系数的常_ i ；】方法，重点讲述了基于车辆动力性能的p c e 计算模型和无控 交叉口p c e 的车头时距计算模型，分析了坡度对车辆换算系数的影响。1 。高海龙等从车辆相互影响的根 本原因出发，用反映汽车动力学特征的动力因数作为评价p c e 的量标”“。北京工业大学荣建、任福田 等人针对以往高速公路中车辆分类以车辆轴距为标准，造成车型偏多、分类重心与实际不符等问题提 出以车辆运行特性为首要分类标准，结合考虑车辆结构特征和轴距出现频率的分类方法，将高速公路中 运行的车辆分为微型车、小客车、大中型车和不定型车四种。并从寻求标准化交通流的方法入手，采用 微观和宏观两个角度分析计算车辆换算系数，并采用不同的统计模型，拟合采样数据，确定合理的统计 间隔并结合我国高速公路的实测数据，以密度作为划分不同交通流状态的指标】【矧。 高耀华、刘洪君等人在基于高速公路通行能力分析的车辆换算系数理论与算法中以通行能力分 析为基础，通过对车辆换算系数理论的分析，提出车辆换算系数的准确概念，即在特定的道路条件以及 交通组成条件下，所有非标准车相当于标准车对交通流流量影响的当量值；在此定义的基础上，确定车 头时距的p c e 算法；最后，通过计算广佛高速公路的数据，给出微型车和大中型车在高速公路平直路段、 通常交通条件下的p c e 推荐值”陈洪仁，杨龙海采用微观分析方法对辽宁、黑龙江等北方寒冷地 区的不同车型组合条件下的车头时距进行分析，根据对车队连续跟随行驶条件下车头时距与速度的关 系，建立最小安全车头时距模型，并利用实测数据对模型参数进行标定，以实测数据计算安全车头时距， 最后利用h u b e r 公式得到车辆换算系数值以及不同车型组合及混入率条件下的车辆换算系数。周伟、 王秉纲就现有的路段通行能力修正方法进行比较，对混合车流条件下影响路段通行能力的各因素进行了 评析和指标的提取，在此基础上运用灰色定权聚类的理论，得到了一种适合于各类路段通行能力分析的 修正方法。王进、陆化普从定义动态车长入手，提出了基于通行耗时、分行驶状态计算车辆折算系 数的计算方法”石琴、黄志鹏将一维元胞自动机模型用于模拟周期性边界条件下高速公路的车流运 动，探讨了不同车型和车速对道路最大流量的影响。根据不同车型在同一道路上的不同通行能力，提出 了一种车型车辆之间当量换算系数的确定方法。 综述国内外这些关于车辆换算系数的研究，从总体上来说当前关于车辆换算系数的研究仍然停留 在沿用美国p c e 研究成果阶段，处于摸索状态。纵观取得的研究成果，各种方法虽有理论上的意义，逻 辑推理简洁严谨，但缺点是在现场往往不易获取实地观测数据，或者因实际情况的误差较大，晟后得出 不切实际的当量计算值。目前关于车辆换算系数的研究概括起来包括以下两个方面： ( 1 ) 国外理论发展较快，以美国为例，但是还没有形成系统的理论。从国外的研究成果来看，尽 管研究内容币i 方法各有侧重，但绝大多数都采h j 静态的研究方法，其弊端在于：除与混合交通公路中车 辆运行的实际状态误差较大外，其结果的应用条件也受到严格的限制。因此，随着道路和交通条件的发 展变化及分析技术的不断发展。国外也在不断修止和完善这一基础理论的研究方法。 ( 2 ) 国内的研究起步相对较晚，最近儿年才有部分学者对其进行研究，且人多研究都是沿川了国 外的一些方法，研究与我国实际交通情况结合不够紧密。再加上我国具体的道路条什和车辆特性都与国 d 第一市绪论 外相差很远，只是借鉴国外发达国家的参数标准，往往会出现一些不够符合国情之处。为此，有必要对 我国各型公路分不同组成部分对车辆换算系数进行系统化和完整化的研究，并制定出符合我国交通特点 的参数标准。 1 4 研究内容 针对高速公路合流区，利用调查取得的数据，通过对其交通流的特性如速度、交通量、车辆组 成等参数的细致分析，从实测致据入手，运用数理统计、回归分析等方法，确定车辆换算系数影响 因素，计算车辆换算系数。本课题的研究内容主要有合流区车种车型分类、车辆运行特性分析，车 辆换算系数计算、车辆换算系数验证、交通仿真及换算系数修正等。 1 合流区现场数据的调查与处理 车辆换算的计算研究需要观测一些第一手的数据，数据的准确与否直接关系到分析结果和参数的计 算。主要的调查内容有两个方面： ( 1 ) 几何参数：合流区平、纵、横设计标准，车道数、车道宽度：入口匝道与主路的连接方式、 楔形的几何尺寸；加速车道的长度、宽度及纵坡度等； ( 2 ) 交通参数：合流区的交通量、车辆长度、车头时距、车头间距、车辆速度等。 2 车种车型划分 ( 1 ) 查阅国内现行车种车型的划分标准，了解相关汽车生产及公路建设行业标准： ( 2 ) 在对实际车流分析的基础上，根据车辆运行速度、车辆长度等因素对车种车型进行细化分类， 根据车辆瞬时速度及车长指标对交通流进行简单聚类，确定标准车型及待标定车型，为后续计算做准备。 3 合流区交通流运行特性统计分析 利用调查数据进行统计分析，获得合流区的交通组成、交通量时变特性、车道分布、速度特性、车 头时距等，为后续的分析及计算奠定基础。 3 合流区车辆换算系数计算方法研究 ( 1 ) 国内外现有车辆换算系数计算方法介绍； ( 2 ) 从寻求标准化交通流的方法入手，利用调查取得的合流区交通流数据，采用车头时距法建立 计算模型，计算车辆换算系数。 4 交通仿真及参数修正 运用交通仿真手段对高速公路合流区进行微观仿真研究，分析道路纵坡、车道宽度、车道数量等因 素对于车辆换算系数的影响，得到相关修正系数。 5 计算结果验证 采_ i j 饱和车头时距法和流量车速法分别计算了合流区标准车通行能力值和混合午型通行能力值，对 本文得到的车辆换算系数进行验证。 6 下一步研究方向分析 根据本文研究的思路，对进一步研究的方向和l 内容进行了展望。 5 第一章绪论 1 5 研究路线 合流区车辆换算系数的研究主要采用实地调查、理论分析以及科学计算相结合的研究方法来进行。 技术路线如下： 1 确定研究目标。即确定本次研究所要达到的目标及评价准则。总体研究目标是以后所有_ 作的纲 领，确定工作的总体思路和技术路线，有着协调各步骤研究方向的作用。 2 查阅国内外有关合流区通行能力及车辆换算系数研究等相关研究领域的文献资料，吸取其成功经 验，开拓研究思路。 3 研究已有的计算车辆换算系数的模型和算法，分析其优劣，然后加以改进和应用。通过理论推导 建立车辆换算系数计算模型，根据实测数据计算出车辆换算系数。 4 通过计算机软件模拟高速公路合流区交通流运行，对车辆换算系数相关因素进行分析，并对所得 车辆换算系数进行修正。 5 对所得车辆换算系数进行验证。 1 6 研究结论 本论文依托于国家自然科学基金资助项目道路互通立交系统通行能力的分析方法( 编号： 5 0 4 7 8 0 7 1 ) 和江苏省交通厅项目多车道高速公路车道数适应性研究，在2 0 0 6 年4 月1 3 日对苏嘉杭 高速公路进行了调查，并应用美国a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理软件和人工方法对调查数据进行了处理与分 析。运用数理统计方法和回归技术在对调查数据进行分析处理的基础上，利用车辆瞬时速度和车身长度 为指标进行聚类，对车型进行了划分。对合流区的交通组成、交通流量、速度、车头时距等交通参数分 断面分车道进行了分析在采用车头时距计算通行能力的基础上推导了车辆换算系数的计算方法，并根 据实测数据，得出了合流区各车型车辆换算系数推荐值。运用v i s s i m 交通仿真软件对高速公路合流区 进行微观仿真研究，分析了道路纵坡、车道宽度、车道数量三个因素对于车辆换算系数的影响，得到了 相关修正系数。 1 7 小结 本章概述了论文研究的背景、内容及研究意义，简要回顾了国内外与本论文研究内容相关的研究成 果及研究现状。确定了论文研究的内容、技术路线和研究方法，为本论文奠定了理论基础，最后总结了 论文的主要研究成果。 6 第二章高速公路合流区数据采集与处理 交通调查是交通工程学的一个非常重要的组成部分，它是一种用客观的手段，米测定道路交通流参 数的客观数值并对其进行分析的【作是获取交通数据的基本手段。交通f 程学的发展在一定程度上依 赖于交通调查工作的广泛开展和数据资料的积累与利用”。 一般来说实地观测的数据是后期分析工作的第一手资料，数据准确与否将直接影响到分析结果的 偏差程度。一套合理的野外数据调查方法既可以减少观测时间，又可以降低由于调查点选择不当而导致 分析重复或失败的可能性，从而节省了宝贵的人力、物力和财力。 另外，合理的交通调查方案设计是顺利实施数据采集工作的前提，交通调查必须依据一定的调查方 案合理有效地进行，调查方案的设计直接关系到调查数据的准确性，而调查数据的准确与否又直接关系 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研究工作在质量上提供可靠的保 证。 2 1 高速公路合流区基本形式 高速公路的合流区包括匝道、加速车道及与之相联系的主线部分。如图2 - 1 1 所示。 主线车道l 主线车道2 - - - - + 一加速专兰厂 夕 名道黼艄 一 合流区 7合流末端 4 5 0 ” 图2 1 - 1高速公路合流区基本形式示意图 所谓合流就是两股分开的车流运行于同一方向，合并或统一组成一股车流的过程。在高速公路合流 区的合流运行中，车辆从一条主线进入另一条主线，经过驶出匝道、在匝道上行驶、进入加速车道开始 合流。 加速车道是为保证驶入主线车道的车辆，在进入主线车道车流前，能够安全加速以保证汇流所需的 距离而设的变速车道。加速车道一般可以分为平行式和直接式两种。上图所示即为平行式加速车道，即 午道与高速公路主线外侧车道相平行，这种形式适_ l 于匝道驶入土线交通晕比较大时：直接式加速车道 的午道线形与主线及匝道平顺连接。 与合流区相关的是合流影响区，根据美国公路通行能力手册中的定义，合流影响区是指从进口 匝道开始剑土线f 游4 5 0 米内包含加速乍道以及主线上第l 、第2 午道在内的区域。其实质是指从进口 匝道开始到主线下游4 5 0 米范用内、包含所有车道的区域”。 7 第一二章高速公路合流b 数据采集i 处理 2 2 调查目的 观测数据是后期分析一i ：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群度。因此， 正确的数据采集与处理方法将给后面的分析上作在质量上提供可靠的保证。 本次需要根据高速公路合流区调查取得的数据实现以下目标： ( 1 ) 确定高速公路合流区交通量的时间和空间变化特性，主要包括车辆在各卞道上的分布，交通 流的时空分布特性等； ( 2 ) 确定高速公路上车辆运行的速度特性，包括不同交通量条件下的速度、不同车道上车辆运行 速度的差别及交通组成对整个交通的影响： ( 3 ) 确定合流区内主线和加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、合流点的分布特性、匝道车辆在加速车道上的行驶特性。 2 3 调查内容 本次交通调查内容是高速公路合流区车流运行的有关特性参数，交通调查参数主要分为两种：几何 参数和交通参数。 ( 1 ) 几何参数：道路设计等级、主路车道数、车道宽度、平面线形、坡度、侧向净空值等；加速 车道数、车道宽度、车道长度、渐变段长度等。 ( 2 ) 交通参数：分三个车道进行调查，即合流区主线内车道、主线外车道、加速车道。合流区交 通参数调查的主要内容是交通量、车身长度、车头时距、车头间距、车辆速度等。 2 4 调查方案 交通调查必须依据一定的调查方案合理有效地进行。调查方案主要包括观测设备的选用、观测点的 选取、观测方法等内容。 2 4 1 调查点的选择 1 、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道路交通流特性的数据。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儿个原则： ( 1 ) 一般情况下，选择点应有较好的视野，有利于观测，附近有制高点，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 ) 交通苗麻足够人： ( 4 ) 数据采集点处有尽量小的纵坡平尽= i 人的平曲线。 2 调查点的选取 b 第二常一 速公路合流区数据采集1 ，处理 根据调查内容和选点原则，并结合实际的情况，最终决定选择苏嘉杭高速公路进行调查，调布中卣 接运用苏嘉杭高速公路的监控系统获取视频源。在2 0 0 6 年4 月1 3 日对苏嘉杭高速公路进行了调奄，斤 应川美国a u t o s c o p e2 0 0 4 视频处理软件年1 1 人工方法对调查数据进行了处理与分析。 本次调查选取苏嘉杭高速公路苏州至是江段黎里互通立交上匝道合流区( 桩号k 8 4 + 0 7 3 9 3 k 8 4 + 2 9 0 ) 作为调查地点，整个苏嘉杭高速公路路段路基宽度全线均为2 8 o 米，其中，中间带4 5 米。 行车道为双向4 车道，车行道宽度为3 7 5 米，右侧硬路肩宽为3 5 米，右侧土路肩为0 7 5 米。加速匝 道为l 车道，匝道全长2 1 6 0 6 9 m ，车道宽度为3 5 米，右侧硬路肩宽为2 5 米，路肩为0 7 5 米。 根据合流区的几何特性，对合流区分主线内侧车道、主线外侧车道、加速车道分断面进行调查。调 查时白合流区入口匝道鼻端断面至加速匝道末端断面( 总长2 1 6 0 6 9 米) 范围内在主线内、外侧车道和 加速车道共设置1 1 个检测点，采集实地交通数据，用以统计分析合流区的交通流特性。检测点设置示 意图如图2 4 1 所示，调查点实际地形及车流运行状况参见图2 4 2 。根据高速公路合流区的几何特性 设置摄像机采集实地交通数据，统计分析合流区的交通流特性，调查点列表见表2 4 一l 。 图2 4 _ 1合流区监测点布设 图2 叫一2 苏嘉杭高速公路合流区调查点 9 第二章高速公路合流【基数槲采定- ，处理 2 4 2 调查仪器的选用 通过实验采集数据有两大类方法可供选择，即自动采集与人工采集，它们各自的优点和缺点都非常 明显：前者能够以较少的人力花费获得大量的资料，但是对于复杂交通状况( 比如机非混行、横向干扰 严重、车流频繁更换车道的情况) 的适应性不太理想；后者人力花费比较大，而且难以胜任长时间的连 续观测，但是可以处理比较复杂的交通状况。 鉴于高速公路运行系统是机动车专行，横向干扰小，交通状况比较简单，且人工采集方式具有一定 风险，本次调查采用自动采集。 处理数据的主要仪器为美国a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理系统，由美国的i 舱g es e n s i n gs y s t e m s ，i n c 研制。该系统对交通运行状况的视频图像( 实时的视频信号或者资料录像带等) 进行处理，以设置“虚 拟检测器”的方法，可同时获取交通量、车型尺寸，速度、密度、车头时距、服务水平等资料该系统 的硬件由以下5 个部分组成p 8 l ： ( 1 ) 图像传感器或视频源( i m a g es e n s o r ( s ) o rv i d e os o u r c e ) ； ( 2 ) 照相机接触面板( c e r ai n t e r f a c ep a n e l ) ： ( 3 ) a u t o s c o p e 视频处理器( u t os c o p el i a c h i n ev i s i o np r o c e s s o r ) ； ( 4 ) 视频卡( w i n t vp r i 轴o rc i n ap r ob o a r d ) ； ( 5 ) p c 机( i 删一c 伽p a t i b l ep c ) 2 4 3 仪器的布设 为了观测调查各车道车辆运行情况，在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， 能够全面地记录调查路段的车流运行情况，便于以后的分析。调亢仪器的具体布设方案如图2 4 3 所示。 布置时，在所调查的路段不同横断面处设置二二到三纽数据采集仪，分别设在合流区鼻端、距加速匝道鼻 端6 0 m 处、距加速匝道鼻端1 2 0 m 处、距加速匝道鼻端2 1 0 m 处。 1 0 第一币商速公路合流区数据采集- j 处理 一 速度检测器 计量检测器 摄像机 一pi 一= - ii li i i 一? 7 一7 图2 4 3 合流区的仪器布设图 野外观测的关键是摄像机的架设。摄像机的高度一般为8 一l o 米，要与观测区域的周围地形和架设 条件相结合，同时要保证摄像机镜头具有一定的视野。对于比较长的调查路段，可架设多台摄像机。室 内观测主要是运用美国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。 2 5 调查数据的处理 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 长、车速、车头时距等，获得所需的交通参数。虚拟检测器布设位置，统计间隔两个方面直接影响视频 的处理结果。 1 虚拟检测器布设 u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理系统，需要在固定的视频画面上设置不同类型的检测器，从而达到数据采 集的目的检测器设置的位置和组合方式的不同直接决定了交通流数据的采集效果。 常用的检测器为计数检测器、速度检测器和站检测器。设置计数检测器时不要画得太长，否则会重 复计入相邻车道车辆。速度检测器是与计数检测器有关联的，设置时需要一定的检测器长度。所有检测 器的数据都是通过站检测器输出的，站检测器只需与计数检测器相连，就能输出该计数检测器以及与之 关联的速度检测器的数据。 2 统计间隔 a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理系统输出的数据分为间隔数据和事件数据。间隔数据与统计间隔有关，它 是获取统计间隔内所有车辆的平均车头时距、时间平均车速和空间平均车速( 由于路段距离较短，二者 差异不大) 、车型组成、密度等。事件数据与统计间隔无关，有一车辆通过检测器即视为一个事件。事 件数据主要包括车辆到达时刻、车速、车长的全部信息。但是从实际检测结果来看，有些车长数据明显 不合理( 过长或是过短) ，建议在使用事件数据时应结合具体情况对不合理事件进行剔除( 本论文研究 中对检测车k 低丁3 米或超过2 5 米的事件数据进行了剔除) 。 在建立流量、速度关系等交通流统计模型或是进行交通流特性分析时，首先需要确定统计时间间隔。 统计间隔的确定1 | 常重要，它直接影响剑交通流模型曲线的形状，特别是在接近通行能力和拥堵区附近 曲线的形状”。 根据一般的经验，当统计间隔增加时，观测点分布的离散性将降低，此时能较好地确定一个适合丁 1 1 第一章高速公路台流i t 数据采囊- ，处理 这些数据的平顺而连续的曲线。统计间隔越短，个别特殊车辆及交通流的随机因素的影响就越明显。 早期的国内外学者在研究交通流通及模型时，经常把1 5 分钟作为分析交通流统计模型的统计间隔。 在近年的关于交通流流奄、速度、密度的关系研究中有些学者认为1 5 分钟的统计间隔可能会使不同 状态下的交通流数据混合，不便于研究接近通行能力时的交通流运行状况。许多研究成