（道路与铁道工程专业论文）城市快速路出入口与公交站点相互关系仿真研究.pdf

、 ，1j，l 独创性声明 洲ii l li l ll l ll ll lll l iif y 17 8 8 8 5 3 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：日期： 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：导师签名： 名差弘期：丝翔 -_-_ 近年，在大城市城市快速路建设规模逐年加大的背景下，城市快速路承担着 越来越多的居民出行。而大力提倡公交出行的号召，使城市对公交投入也逐年增 多，为提高公交运行效率，越来越多的公交线路设置于快速路。而目前针对快速 路上公交站点的设计设置缺乏统一规范，造成公交站点的不合理设置，致使城市 快速路运行效率大受影响，同时公交服务水平也未得到有效提高，这极大背离了 快速路布设公交线路的初衷。因此，本文以城市快速路出入口与公交站点的相互 关系为切入点，采用微观仿真和正交试验设计方法，展开两方面研究： 1 ) 以正交试验设计原理为基础，总结概况了一套微观仿真软件标定的一般 方法及步骤。并应用该方法对论文研究对象城市快速路出入口区段的微观仿 真模型进行了标定。 2 ) 利用正交试验设计方法对城市快速路出入口与公交站点的相互关系仿真 试验进行试验方案设计，并对试验结果进行了直观分析、方差分析，并在此基础 上综合分析得到了城市快速路四种形式出入口公交车站设置的最优方案及次优 方案。该研究结论可以作为完善城市快速路设计规程的参考。 通过运行标定完成的v i s s i m 模型研究得到四种城市快速路出入口组合形 式附近设置公交站点的最优设置方案。具体见表0 1 ： 表0 1 公交站点布置方案 出入口形式最优方案次优方案 入出式港湾式、中游、4 条港湾式、中游、8 条 出一出式港湾式、下游、4 条 港湾式、中游、8 条 入入式港湾式、中游或下游、4 条港湾式、中游或下游、8 条 出入式港湾式、上游、4 条港湾式、上游、8 条 并得出对于城市快速路任何形式出入口附近的公交站点一般性设置准侧：快 速路的公交站点必须为港湾式、公交线路数不应超过8 条。 关键词微观仿真；城市快速路；公交站点；正交试验设计； 11l a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，u r b a ne x p r e s s w a yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nu r b a nt r a n s p o r tw i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a ne x p r e s s w a yi nc i t i e s m e a n w h i l e ，i n v e s t m e n to n p u b l i ct r a n s i ti si n c r e a s i n gy e a rb yy e a ra c c o r d i n gt ot h ea p p e a lo fp r o m o t i n gt h e p u b l i ct r a n s p o r t m o r e o v e r , m o r ea n dm o r eb u sl i n e sa r es e to nt h ee x p r e s s w a yt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp u b l i ct r a n s p o r t d u et ot h ef a c to ft h a tt h e r ei sn ou n i f o r m s t a n d a r df o rt h ed e s i g no fb u ss t a t i o n so nu r b a ne x p r e s s w a y , t h eb u ss t a t i o n sa r es e t u n r e a s o n a b l e a n db e c a u s eo ft h i s ，t h ee f f i c i e n c yo fu r b a ne x p r e s s w a ya n dt h el e v e lo f b u ss e r v i c ea r eg r e a t l ya f f e c t e d ，w h i c ha g a i n s tt h eo r i g i n a li n t e n t i o no f s e t t i n gt h eb u s l i n e so ne x p r e s s w a y t h e r e f o r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb u ss t a t i o na n da c c e s so f u r b a ne x p r e s s w a yi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r n em e t h o do fm i c r o s i m u l a t i o na n d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e di nt h i ss t u d y ： 1 ) t h eg e n e r a lm e t h o da n dp r o c e d u r eo fm i c r o s i m u l a t i o ns o f t w a r ec a l i b r a t i o ni s s u m m a r i z e db a s e do nt h ed e s i g np r i n c i p l eo fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t m o r e o v e r , t h i s m e t h o di su s e dt oc a l i b r a t et h em i c r o s i m u l a t i o nm o d e lo fs e c t i o no fu r b a n e x p r e s s w a ya c c e s si nt h i sp a p e r 2 、t h es i m u l a t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb u ss t a t i o na n da c c e s so fu r b a n e x p r e s s w a yi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h eo n h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n m e a n w h i l e ， v i s u a la n a l y s i sa n dv a r i a n c ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t sa r ed o n e t h eo p t i m u ma n dt h e s u b - o p t i m u mp r o p o s a l so fb u ss t a t i o nl a y o u to nf o u rf o r m so fu r b a ne x p r e s s w a ya r e g i v e nb a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l tc a nb e ar e f e r e n c ef o rp e r f e c t i n g ”s p e c i f i c a t i o n sf o rd e s i g no fu r b a ne x p r e s s w a y ” t h eo p t i m u mp r o p o s a l so fb u ss t a t i o nl a y o u to nf o u rf o r m so fu r b a ne x p r e s s w a y a r es t u d i e da c c o r d i n gt ot h em o d e lw h i c hh a sb e e nc a l i b r a t e di nv i s s i m ( s h o w ni n t a b l e0 - 1 ) ： t a b l eo 1p r o p o s a l so fb u ss t a t i o nl a y o u t a c c e s s s t y l e o p t i m u mp r o p o s a ls u b o p t 删mp r o p o s a l i n o u t b a y , m i d d l er e a c h e s ，4b u sr o u t e sb a y ，m i d d l er e a c h e s ，8b u sr o u t e s o u t 0 u t b a y , l o w e rr e a c h e s ，4b u sr o u t e sb a y ，m i d d l er e a c h e s ，8b u sr o u t e s i i l 一m b a y , m i d d l eo rl o w e rr e a c h e s ，4b u sr o u t e sb a y ，m i d d l eo rl o w e rr e a c h e s ，8b u sr o u t e s o u t i n b a y , u p p e rr e a c h e s4b u sr o u t e sb a y ，u p p e rr e a c h e s8b u sr o u t e s g e n e r a lg u i d e l i n eo fb u ss t a t i o nl a y o u ta r o u n da c c e s so na n yf o r mo fu r b a n e x p r e s s w a yi sg i v e n ：t h eb u ss t a t i o ns h o u l db eb a ya n dt h eb u sr o u t e ss h o u l dn o tb e m o r e t h a n8 k e y w o r d s ：m i c r o - s i m u l a t i o n ；u r b a ne x p r e s s w a y ；b u ss t a t i o n ；o r t h o g o n a ld e s i g n i i l 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义3 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国内研究现状6 一 1 3 研究方法及技术路线7 1 3 1 研究方法- 7 一 1 3 2 技术路线- 9 - 1 4 研究内容及结论1 0 一 1 4 1 研究内容一l0 一 1 4 2 研究结论10 一 第2 章城市快速路出入口交通特性分析1 1 2 1 快速路出入口及公交车站形式1l - 2 1 1 快速路出入口组合形式一1 l - 2 1 2 快速路公交车站形式，一1 3 2 2 快速路出入口及公交车站附近交通特性分析13 2 2 1 快速路出入口交通特性分析- 1 4 2 2 2 公交车站交通特性分析- 1 5 2 3 本章小结一1 6 一 第3 章微观仿真模型建立及标定一l7 3 1 仿真模型概述一17 - 3 1 1 道路交通系统仿真- 1 8 3 1 2 仿真模型种类及特点2 0 一 3 1 3 微观仿真研究流程2 2 - 3 2 仿真模型标定2 7 3 2 1 模型标定验证指标2 7 3 2 2 待标定参数敏感性分析2 8 北京工业大学工学硕士论文 3 2 3 参数标定的正交试验设计7 l - 3 3 本章小结7 7 第4 章微观仿真试验一7 9 4 1 评价指标及仿真试验目标7 9 4 2 仿真试验模型的建立_ 7 9 4 2 1 出入口形式7 9 4 2 2 其他模型输入条件8 0 一 4 3 仿真试验的正交试验设计81 - 4 3 1 因素及水平划分一8l - 4 3 2 试验方案及次数8 2 4 4 仿真试验结果分析8 2 4 4 1 入口+ 出口形式出入口8 2 4 4 2 出口+ 出口形式出入口8 5 4 4 3 入口+ 入口形式出入口8 9 4 4 4 出口+ 入口形式出入口9 2 4 5 本章小结9 6 结 仑。9 7 参考文献9 9 一 攻读硕士学位期间发表的学术论文1 0 3 j l i 谢10 5 第1 章绪论 第1 章绪论 城市快速路正被越来越多的大城市所接受，建设里程逐年增加。城市快速路 系统作为城市交通的骨架，承担着城市大流量长距离的人员、物资流通功能。但 长时间以来城市快速路的设计一直缺少规范可依，道路的设计、施工与管理都是 参照国家高速公路的相关规范。直至2 0 0 9 年1 0 月1 日由住房与城乡建设部颁布 实施了城市快速路设计规程( 以下简称规程) 对城市快速路上不同形式的 出入口间距及相关设计细节进行了详细规定【1 1 。规程的颁布实施虽然迈出了 我国城市快速路设计有规可循的重要一步。但还需在两个方面进行改进：1 ) 规 程中的相关规范值还有待于城市快速路设计应用实践的检验并改进修订：2 ) 在 我国大城市的快速路上特别是在北京的快速环路上普遍布设了城市公交线路，公 交站点的设置是影响快速路主路交通运行的重要因素，公交站点处置的稍有不 当，对城市快速路功能的有效发挥将产生严重影响，而这在规程中并未提及。 因此，对于城市快速路公交车站的设置规范亟待制定。 鉴于城市快速路出入口附近交通运行特性的复杂性，通过理论模型的方法找 到精确解析解的难度很大。因此本文采用微观交通仿真的方法，在确定评价指标 的前提下，通过完成标定的仿真模型，进行仿真试验正交设计，对仿真结果进行 分析，求取不同形式快速路出入口附近公交车站设置的最佳方案。希望相关研究 结果能够为规程中关于城市快速路公交站点设计的相关条款的完善提供有益 的参考。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 背景一：大城市城市快速路建设规模逐年加大，城市快速路承担着城市大部 分出行。 以北京为例，其五条环路( 二、三、四、五、六环) 已成为城市交通中不可 缺少的主要跨区通道，其中四环和五环的部分路段更是2 0 0 8 年奥运会的交通干 线；上海也修建了大规模的高架快速路系统，包括内环高架、逸仙路高架、延安 路高架、以及沪闽高架等；其他大城市如广州、成都、天津等也相继建立了城市 北京工业大学工学硕士论文 快速路系统。城市快速路系统在承担长距离的汽车交通、联系市区内主要的交通 集散地、为城市地面交通需求提供高水平服务等方面的作用是其它类型的道路所 不可替代的。从实际的运营效果来看，北京的城市快速路承担了城市全部交通负 荷的3 0 ，其他城市的快速路系统也承受了相当大的交通量。但是，经常发生的 交通拥堵导致了快速道路的功能不能正常发挥。同时，由于长期以来缺少对城市 快速路设计、建设、管理的相关规范，致使城市快速在设计、管理环节不够科学， 严重影响了城市快速的运行效率，阻碍了城市经济社会的快速发展。由此可以看 出，加速城市快速路设计、管理规范的制定、完善与实施是当务之急、不容拖延。 背景二：大力提倡公交出行，城市对公交投入巨大，以期公交承担更多出行， 缓解城市交通压力。 北京市公交线路共计6 4 0 条，公交站点5 万个，每日承担出行1 4 0 0 万人次， 分担3 8 出行。截止到2 0 0 8 年底，公交集团共有公共电汽车2 0 6 7 9 辆，其中通 道车5 5 6 7 辆，单机车1 5 1 1 2 辆，折合标准车2 5 1 3 3 辆；运营线路6 4 8 条：线路 长度1 7 1 6 2 公里；全年行驶1 3 5 8 亿公里：运送乘客4 5 亿人次。2 0 0 8 年以来， 集团公司日均客运量超过1 4 5 0 万人次，最高达到1 5 4 9 7 9 万人次，创了历史新 高。公共交通的出行分担率己由2 0 0 5 年的2 8 1 提高到3 6 8 ，超过了小汽车 3 2 的出行比例。通过以上数据可以看出，以北京为例，由于大力发展公共交通 符合我国人多路少的国情，全国各大城市的公共交通都处于高速发展的阶段。但 在此轰轰烈烈的倡导公交出行，大力发展公共交通的过程中，公交线路的优化布 设，公交站点的细部优化设计工作还存在一些问题，而这些问题的忽视也从一方 面影响了公交服务水平的提升。 背景三：为提高公交运行效率，大站快车线路设置于快速路。 公交线路设置于城市快速路，对于提高公交运行效率，扩大公交的辐射范围， 提高公交的服务水平都具有重大意义。然而，公交线路由于公交车站的存在，使 得公交车辆在城市快速路行驶时，周期性的减速停驶，加之公交车辆本身行驶速 度较低，这就使得公交线路设置于城市快速路必将影响城市快速路交通流的运行 效率。由此可以看出，公交通过城市快速路提高运行效率是以降低快速路原有运 行效率来实现的。因此公交线路设置于城市快速路的过程应该是在提高公交运行 第1 节绪论 效率与减少其对主路影响之间的平衡过程。 通过实践观测我们可以发现，公交线路对城市快速的影响主要集中在快速路 的出入口处，低速的公交车辆通过出入口进出主路时与其他车辆产生交织，干扰 了主路交通的运行。另外，公交车站也往往设置于快速路出入口附近，方便公交 车辆在快速路主、辅路之间转换，此时由于公交车站的设置使得快速路出入口附 近的交通运行更为复杂，不同交通流之间的冲突点增多，致使该区段主路运行效 率大大降低。( 如图1 1 ) 图1 - 1 北京快速路出入口交通现状 f i g u r e1 - 1t r a f f i cc o n d i t i o ni ne x p r e s s w a ya c c e s s e so fb e i j i n g 在此大背景下，如何优化公交车站在快速路出入口附近的设置方案以减少公 交车辆对快速路主路交通运行的影响就显得格外重要。 1 1 2 研究意义 意义一：提高城市快速路通行效率和安全水平。 通过本研究能够有效提高城市快速路的通行效率和安全水平。将公交线路布 设于城市快速路对其产生的不利影响降至最低。 意义二：完善快速路设计相关规范的内容。 我国住房与城乡建设部于2 0 0 9 年1 0 月1 日颁布实施了城市快速路设计规 程，尽管该规程对城市快速路的几何设计都作出了明确的规定和表述，但其忽 略了快速路上公交站点的设计问题。通过本研究可以为完善此规范的该缺陷提供 一些参考。 意义三：优化公交线路及站点设计设置，提高公交服务水平。 北京t 业大学t 宁硕f j 论文 本研究的相关结果也将通过优化城市快速路出入口附近的公交站点设计，而 提高公交车辆的运行效率和服务水平。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外关于城市快速路通行能力研究主要集中于美国等发达国家，而美国的公 交系统不够发达，在快速路上设置公交车站的情况相对较少。因此，国外文献主 要集中于对快速路出入口处分、合流及交织区通行能力的研究。对于计算机仿真 方面的研究国外开展得较为深入全面。具体总结如下： 1 ) 快速路出入口通行能力研究 h c m 2 0 0 0 中对于出口匝道的研究将道路几何条件与交通特性综合考虑， 研究流程如下【2 】： ( 1 ) 输入道路几何参数、匝道流速和上游流量；( 2 ) 利用高峰小时影响系 数、重车比例修正流量；( 3 ) 计算流率；( 4 ) 计算主路上游l 、2 车道的流率； ( 5 ) 计算分流区下游各支的通行能力以及减速车道始端丰路1 、2 车道能通过的 最大流率；( 6 ) 将流量与通行能力对比，判断服务水平。 h c m 2 0 0 0 只侧重于服务水平的研究，并未涉及通行能力和过饱和状态。 k a a no z b a y 等认为交通现象的随机性决定了道路的通行能力本身应是随机 值，在其论文中作者采用极大似然估计的方法估算出快速路路段通行能力分布函 数。并通过统计方法估算出通行能力在一定置信水平下的取值区间，及其对应的 交通拥堵的概率。( 见表1 1 ) 【3 】 表1 1 通行能力可靠度区间值翻 t a b l e1 - 1c a p a c i t yi n t e r v a l sb r e a k d o w np r o b a b i l i t y 通行能力区间拥堵概率 1 5 0 0 1 7 5 0 o 1 5 1 7 5 0 2 1 0 0 0 5 0 2 1 0 0 2 5 0 00 9 5 a a s h t o 关于减速车道车辆减速特性的二次减速理论较早期的研究认为减 速度是一个恒定的值，或者将减速过程分为几段，每一段中取一个恒定的加、减 第l 苹绪论 速度值，由于这种描述在计算机上相对简单，在加减速匝道的设计中得到了广泛 的应用。a a s h t o 的具体内容为：车辆从主线分流，在三角渐变段上以高速公 路直行车辆的行车速度行驶3 5 秒后，进入减速车道。在减速车道上开始利用发 动机减速，减速3 秒后，速度降为v i ，然后，再利用制动器进行减速，一直由 速度v l 减速到匝道车速v r 为止。【4 】 2 ) 交通仿真研究 微观交通仿真系统已经成为帮助分析和评价各类交通系统的有力工具。对于 诸如高速公路或快速路交织区运行的复杂性，通过解析方法求得交织区通行能力 值的方法在应用过程中困难很大。因此在随着计算机技术的提高，仿真方法逐渐 应用于交通问题的定量分析过程中来。很多学者充分利用这一工具，将交织区研 究的思路和目光转向计算机模拟的方法【5 ，6 ，7 ，舯，并取得了很多成果 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 针对计算机仿真技术应用于交通领域愈发普遍，美国联邦公路局和各州交通 厅，通过立项研究制定了一系列关于交通仿真研究的规范手册 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】，作为交 通工程技术人员在应用计算机仿真手段解决交通问题过程中的参考。 3 ) 仿真模型标定研究 目前主流交通仿真软件主要由西方发达国家进行开发并商业化，其模型参数 的缺省值往往只适合于系统开发国，所以针对具体的仿真对象必须对其参数进行 标定，使其能够较为真实反映当地的交通流特性。在以往对于参数标定的研究中 一部分学者集中于标定具体方法的研究，如尝试错误法、遗传算法、单纯形算法 等 t 8 , 1 9 ，2 0 圳1 。另一部分学者对参数标定流程进行研究。早期关于标定流程的研究 主要集中于理论框架的研究，不基于任何微观交通仿真系统。 b b r i a np a r k 等研究建立了一套微观仿真模型标定与验证的标准步骤，但该 步骤忽略了对模型各参数的敏感性分析，在对模型参数标定过程中采用的是拉丁 方试验设计方法。【2 2 】 b y u n g k y u ( b r i a n ) p a r k 等针对v i s s i m 软件提出了参数标定流程，并以事例 验证了该标定流程及方法的可行性，该流程采用拉丁方试验设计方法，回归出标 定参数与标定评价指标的线性关系函数，并以此为目标函数，各标定参数的取值 区间为限制条件，进行模型优化求解，从而确定模型参数的标定值。该方法中对 北京工业大学工学硕士论文 于标定评价指标与标定参数之间的线性关系假设是值得怀疑和进一步验证的 2 3 】 1 2 2 国内研究现状 李秀文在其硕士论文中将快速路系统的分合流区划分为9 种形式以北京和 上海的实测数据为基础，利用实测数据，分别研究分析了分合流区的交通流特性， 通过实测数据回归建立分合流影响区的速度一流量统计模型，以及统计饱和车头 时距、利用时间序列方法确定速度突变后的流量值等方法，确定了分合流影响区 通行能力推荐值分别为：分流区通行能力值3 8 0 0 p c u h ；合流区通行能力值 3 9 0 0 p c u h 2 4 。 钟连德在其硕士论文中采用理论模型和仿真方法，给出了三类交织区的理想 通行能力值1 2 5 。王元生在硕士论文中对辅路有附加车道的城市快速路出口交通 特性进行了仿真研究，从三个方面( 即：出口几何条件、交通管理和交通需求) 的六个因素着手，分别分析了各种因素对出口通行能力和主路直行交通流运行的 影响程度。并得出在城市快速路交通需求较大时，减速车道基本段长度第一推荐 值为1 4 0 米左右，当道路空间资源受到严重限制时，第二推荐值为6 0 米左右【2 6 1 。 张婧在其硕士论文中对辅路无附加车道的城市快速路出口交通特性进行了 仿真研究。研究认为，辅路对城市快速路分流区的车辆运行影响极大，改善城市 快速路出口的交通运行应从改善辅路运行做起。并且，有序行车是提高最大流量 的关键。以上两组仿真研究都是采用v i s s i m 软件，但在仿真研究中标定过程较 为简单，只是对车辆动力性能、输入流量、期望速度、交通组成等值按照实际调 查数据进行了输入和修改，而没有对仿真软件中换车道、跟驰模型的核心参数进 行标定，因此论文结论的可行度还有待进一步推敲证实【2 7 1 。 此外，国内相关学者还对微观仿真软件的标定过程做过相关研究【2 8 , 2 9 , 3 0 】。但 多是针对仿真软件具体某几个模型参数进行标定研究1 2 8 , 3 1 ，缺乏对模型参数全面 的标定研究，并且在模型参数标定前缺乏对模型参数进行的敏感性分析研究1 3 2 l 。 1 3 1 1 交通微观仿真 鉴于城市快速路出入口附近交通运行特性的复杂性，通过理论模型的方法找 到精确解析解的难度很大。因此本文采用微观交通仿真的方法，求取不同形式快 速路出入口附近公交车站设置的最佳方案。 1 ) 微观仿真方法的可行性 根据国外关于仿真文献的介绍，对于规模较小的路网适于采用微观仿真。本 研究对象为城市快速路、辅路、及其出入口。研究道路形式简单，o d 对少，研 究路网规模小，标定精度较高。 2 ) 微观仿真方法的必要性 本研究是为确定城市快速路出入口及公交站点的位置关系，这就需要设计不 同的公交站点及出入口位置关系的设置方案，通过实际运行情况进行比选，并提 取出站点在快速路出入口附近设置的最优方案。而如果采用进行实际工程建设来 研究的方法，一是成本高、二是周期长，从时间和经济成本考虑都不合适，采用 仿真就十分必要。 3 ) 仿真方法的优越性 交通微观仿真方法是计算机虚拟技术在交通工程领域的延伸和应用。该方法 在针对交通问题的研究过程中具有诸多优越性： ( 1 ) 经济性：由于交通系统的复杂性，有些数据无法通过普通意义上的试 验方法获得，或者是试验过程代价非常昂贵，这种情况下，仿真是最佳的求解方 法。 ( 2 ) 安全性：利用计算机进行仿真试验，可以避免实地试验中可能出现的 意外伤害。 ( 3 ) 可重复性：一旦建立了一个仿真模型，可以任意重复仿真过程，这是 北京工业大学工学硕士论文 普通的试验方法所无法比拟的。 ( 4 ) 易控制性：计算机仿真是通过程序控制的，它很容易使某些参数的作 用限制在一定范围或特定值。例如，人为地固定一些变量为常数，只改变一些变 量以考察它们对所研究指标的影响；还可以事先对一些诸如信号配时、几何形状 等因素进行认为优化，采取特定的组合方案进行模拟，进而对不同方案进行必选、 评价等。 ( 5 ) 快速性：与实际交通调查相比，交通仿真可以快速获得结果，、缩短了 数据获取周期，还可避免由于人为因素发生交通中断等干扰而造成的数据丢失或 失真。 1 3 1 2 正交试验设计 在交通科学的研究过程中，针对不同的问题所需考察的因素往往较多，而且 因素的水平数也常常多于3 个，例如在研究交叉口通行能力的过程中，影响交叉 口通行能力的因素就有：行人、自行车、大车混入率、坡度、车道宽度等等，而 每个因素的水平也大都在3 个以上。如果对每个因素的每个水平都相互搭配进行 全面观测或试验，观测或试验的次数将是惊人的。例如，对于3 因素4 水平的试 验，若在每个因素的每个水平搭配上只做1 次试验，就要做4 3 = 6 4 次试验，对于 4 因素4 水平的试验，全面试验次数至少为4 4 = 2 5 6 次试验，对于5 因素4 水平 的试验，全面试验次数至少为4 5 = 1 0 2 4 次试验。可见，随着因素数量的增加，试 验次数呈指数激烈增长，另外还要用相当长的时间对大量试验数据进行统计分析 计算，需要大量的时间和人员投入。如果用正交设计来安排试验，则试验次数会 大大减少，而且统计分析的计算也随之变得简单。 正交试验设计( o r t h o g o n a ld e s i g n ) 简称正交设计( o r t h o p l a n ) ，它是利用正 交表( o r t h o g o n a lt a b l e ) 科学地安排与分析多因素试验的方法。是最常用的试验 设计方法之一。该方法的主要优点主要体现在三个方面： 3 3 , 3 4 1 1 ) 能在所有的试验方案中均匀地挑选出代表性强的少数试验方案。 2 ) 通过对这些少数试验方案的试验结果进行统计分析，可以推出较优的方 案，而且所得优方案往往不包含在这些少数试验方案中。 图1 2 研究技术路线图 f i g u r e1 - 2f l o w c h a r to fr e s e a r c hm e t h o d o l o g y 北京工业大掌工学硕士论文 1 4 研究内容及结论 1 4 1 研究内容 本论文共包括四部分研究内容： 1 ) 第一章绪论主要阐述了本文研究的背景和意义，总结了国外针对于快速 路出入口和交通微观仿真两方面的相关研究结论及经验，并以此为基础制定了本 研究的技术路线。 2 ) 第二章城市快速路出入口交通特性分析主要是针对本文的研究对象，定 性的分析了城市快速路出入口和公交车站附近的交通运行特性，总结了城市快速 路出入口和公交站点附近交通矛盾产生的原因，为后续定量分析提供分析依据。 3 ) 第三章微观仿真模型的建立和标定主要是详细阐述了本文通过正交试验 设计原理对微观仿真模型的具体建立和标定过程，该过程具有一定的普适性，即 它不光适用于v i s s i m 软件的标定，还适用于其他交通微观仿真软件的标定。 4 ) 第四章微观仿真试验主要是通过第三章标定完成的v i s s i m 路网模型， 利用正交试验设计得出的试验方案，分别对城市快速路四种出入口组合形式下， 公交车站不同因素水平对其主路交通运行的影响进行仿真研究。得出在四种城市 快速路出入口组合形式附近设置公交站点的最优方案。 5 ) 文章结论部分总结了本文研究的创新点及迸一步研究方向。 1 4 2 研究结论 本文以正交试验设计原理为基础，建立了一套交通微观仿真研究的流程及微 观仿真软件标定的一般方法。并以标定完成的v i s s i m 模型研究得到四种城市快 速路出入口组合形式附近设置公交站点的最优设置方案。并得出对于城市快速路 任何形式出入口附近的公交站点一般性设置准侧：快速路的公交站点必须为港湾 式、公交线路数不应超过8 条。 通，为提高公交的运行速度和效率，城市快速路在其主辅路上都设置了公交线路。 由于目前针对快速路上公交站点的设计设置缺乏统一规范，造成公交站点的不合 理设置，致使城市快速路运行效率大受影响，同时公交服务水平也未得到有效提 高，这极大背离了快速路布设公交线路的初衷。因此，本章着重对城市快速路出 入口附近的交通运行特征，以及出入口附近公交车站对其交通运行的影响进行定 性分析，为后续章节进行定量的微观仿真研究做一铺垫。 2 1 快速路出入口及公交车站形式 2 1 1 快速路出入口组合形式 城市快速路出入口的组合形式共分为四种：出口+ 入口形式、出口+ 出口形 式、入口+ 入口形式、入口+ 出口形式。( 见图2 1 至图2 4 所示) 图2 1 入出形式出入口 f i g u r e2 - 1i n - o u ts t y l ee x p r e s s w a ya c c e s s 北京t 业大学t 学硕 ：论文 图2 - 2 入一入形式出入口 f i g u r e2 - 2i n - i ns t y l ee x p r e s s w a ya c c e s s 图2 - 3 出出形式出入口 f i g u r e2 - 3o u t - o u ts t y l ee x p r e s s w a ya c c e s s 1 2 图2 - 4 出- 入形式出入口 f i g u r e2 - 4i n - o u ts t y l ee x p r e s s w a ya c c e s s 2 1 2 快速路公交车站形式 公交车站的形式可分为港湾式和路侧式。( 见图2 - 5 、图2 6 ) 图2 - 5 港湾式公交车站图2 - 6 路侧式公交车站 f i g u r e2 - 5b a ys t y p eb u ss t a t i o nf i g u r e2 - 6b ys t r e e ts t y p eb u ss t a t i o n 2 2 快速路出入口及公交车站附近交通特性分析 城市快速路分、合流影响区交通流的运行与基本路段上交通流的运行具有不 同的特性。分、合流影响区的存在使运行车辆必须在一定长度限制内选择相邻车 道上可以接受的间隙，进行加减速操作，完成车道变换，因而要求驾驶员频繁地 进行速度调整，从而使交通流由基本路段上的平顺、稳定运行，转变为分、合流 影响区的紊动运行。 3 5 , 3 6 , 3 7 , 3 8 】 北京丁业大学_ 1 学硕l ：论文 2 2 1 。快速路出入口交通特性分析 对于四种出入口形式，都是由入口合流区和出口分流区通过不同的组织次序 组合而成。因此对于城市快速路出入口交通特性分析主要是对分流区与合流区的 交通运行特性进行描述，北京工业大学李秀文硕士在其硕士论文中做了详细描 述。在此简要介绍如下2 4 】： 在分流区存在两个交通运行方向，即行驶在主路上准备通过下游出口驶出主 路的交通流和正常行驶在丰路上的过境车流。分流影响区车流的示意及运行图见 图2 7 所示。在分流区驶出车辆必须先从过境交通流中分离出来，进入路肩车道， 以便驶离丰线。在这个过程中，需要驶出的车辆要进行加减速操作以寻找其右侧 车道上的间隙，完成变换车道，从而影响其他车辆的正常行驶，引起交通流的紊 乱。 口口口口口 m m m - _ 口口口口口口 m - m - - l a p - 驶出车道车流示意图驶出匝道运行图 图2 7 分流区车流运行示意图1 2 4 】 f i g u r e2 - 7t r a c k so f t h et r a f f i cf l o wi nt h ed i v e r g ea r e a 在合流影响区，右侧匝道驶入车流将影响主线右边第1 车道( 也叫路肩车道) 上的车流运行。( 见图2 8 ) 在匝道流量较大时，匝道驶入车流强制性挤入路肩 车道，迫使路肩车道上的部分车流转移到左侧车道上。合流影响区内交通流的这 种运行特性必然导致交通冲突，影响主线上交通流的正常运行，在一定条件下可 能减慢车流的运行速度，影响车流运行的稳定性，其影响范围波及到合流上下游 的一段距离。 专 图2 - 8 合流区车流运行示意图f 2 4 】 f i g u r e2 - 8t r a c k so ft r a f f i cf l o wi nt h em e r g ea t e a 2 2 2 公交车站交通特性分析 2 2 2 1 路侧式公交车站 公交车辆在进入路侧式公交车站时根据交通量的大小以及公交车站的线路 数，可以采取两种方式： 1 ) 顺次进站，此时公交车辆在道路外侧车道排队等候依次进入公交站台， 当路段外侧车道设置为公交专用道时，公交车流对路段其他车道运行影响较小。 2 ) 挤并入站，该情况多发生在公交车站设置的公交线路数过多，短时内到 达公交车站的公交车辆过多，排队过长，当第一辆进站车辆驶离车站时，其后进 站车辆还在上下乘客，此时后续到达的公交车辆为充分利用公交车站，从排队公 交车辆的最后位置驶向之前第一辆公交车的停靠位置，实现挤并入站。由于该过 程将占用路段外侧第二条车道，同时与路段其他车辆形成交织扰动，影响其他车 辆的正常行驶。当路段流量较大时，将可能造成严重拥堵。 当路侧式公交车站位于入口上游时，驶离公交车站的公交车为避让下游刚刚 加速汇入主路的汇流车辆，必将减速或换道驶入内侧临近车道：当位于入口下游 时，即将进站减速行驶的公交车辆将有可能影响入口加速车辆加速驶入主路的过 程，这两种情况必将加剧入口合流区的交通流交织扰动程度，影响主路交通运行。 当路侧式公交车站位于出口上游时，快速路主路准备驶出的车辆由于出口上 游公交车站的存在，将有可能利用外侧第二条车道驶入出口，这将有可能与驶离 北京工业大学工学硕士论文 公交车站的公交车产生交织冲突；当位于出口下游时，由于主路驶出车辆己在公 交车站上游提前进入减速车道，因此进站公交车辆与主线车辆的相互影响较小。 2 2 2 2 港湾式公交车站 公交车辆在进入港湾式公交车站时，可以采用的方式与路侧式公交车站类 似，也有顺次进站和挤并入站两种方式。公交车进出港湾式公交车站时，与主线 车辆、通过出入口进出主线的车辆的交织情况也与路侧式公交车站相似，但由于 进入港湾式公交车站的车辆并未停靠在主路上，这时公交车辆与主线车辆的交织 一般只产生在主线的外侧车道上，影响范围较路侧式公交车站小。 基于以上分析看出，公交站点对城市快速路不同形式的出口附近交通运行都 产生程度不一的影响，公交站点对出入口附近的快速主路的交通运行影响因素主 要有公交站点的形式、公交站点的位置以及公交站点安排的公交线路数。因此， 通过定量分析的方法找出城市快速路不同形式出入口形式附近公交车站的最佳 设置方案是一个不容忽视、亟待解决的问题。鉴于城市快速路出入口附近交通运 行特性的复杂性，通过理论模型的方法找到精确解析解的难度很大，因此本文采 用微观交通仿真的方法，在确定评价指标的前提下，仿真求取不同形式快速路出 入口附近公交车站设置的最佳方案。 2 3 本章小结 本章重点分析了不同形式公交车站在城市快速路出入