（道路与铁道工程专业论文）城市道路通行能力的影响因素研究.pdf

摘要 摘要 作为城市道路交通建设的一项基础性工作，城市道路通行能力及其影响因 素研究，不仅可以确定城市道路建设的合理规模及合理建设模式，还为城市道 路路网规划、工程可行性研究、城市道路设计、建设后评估等方面提供更为科 学的理论依据。 通过回顾国内外通行能力的研究现状，根据我国城市道路上的实际道路交 通条件，确定了本文的研究思路和研究方法应该从实测数据入手，建立符合我 国情况的通行能力影响因素研究方法。 本文首先介绍了城市道路的分类，指出论文的研究对象为城市快速路和城 市地面干道，并分别描述了各自的交通流特性，给出研究城市道路交通流特性 的一般步骤为：( 1 ) 数据采集；( 2 ) 数据处理及分析；( 3 ) 建立交通流模 型；( 4 ) 推荐通行能力。 然后针对城市快速路，利用上海市高架所提供的数据进行处理及分析，根 据交通流中问状态时的实测数据，建立相应的速度一密度线性关系模型，从而 计算得到上海市快速路推荐通行能力值。采用数理统计的方法，对于车道位置、 车道数、车道宽度、路段s 线型和主线段长度等影响因素进行了研究，给出了 影响推荐值。 针对城市地面干道，提出了基于试验交通工程学的“等效通行能力”概念 和模型。进而就其理论基础、现场调查方法、调查道路选择和长度确定、数据 采集、数据处理及分析和等效交通流模型选择等方面的研究，来获得等效通行 能力。采用分析一标定法，对于“开发强度”和“非机动车”影响因素进行了 研究，给出了影响推荐值。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：城市快速路，城市地面干道，等效通行能力，影响因素研究 a b s t r a c t ab s t r a c t a saf u n d a m e n t a lt a s ko fu r b a nr o a dt r a n s p o r tc o n s t r u c t i o n ，r e s e a r c ho nu r b a n r o a dc a p a c i t ya n di t si n f l u e n c ef a c t o r sn o to n l yc a l ld e t e r m i n et h er e a s o n a b l es c a l ea n d c o n s t r u c t i o nm o d eo fu r b a nr o a dc o n s t r u c t i o n ，a l s op r o v i d e sm o r es c i e n t i f i ct h e o r i e s f o u n d a t i o nf o ru r b a nr o a dn e t w o r kp l a n n i n g ，e n g i n e e r i n gf e a s i b i l i t ys t u d y , u r b a nr o a d d e s i g n ，a n de v a l u a t i o na f t e rc o n s t r u c t i o n ，e t c t h r o u g har e v i e wt ot h er e s e a r c hp r e s e n tc o n d i t i o no fd o m e s t i ca n do v e r s e a s c a p a c i t y ，a c c o r d i n gt ot h er e a lr o a dt r a n s p o r tc o n d i t i o n so fo u rc o u n t r yu r b a nr o a d ，t h e p a p e rd e t e r m i n e st h er e s e a r c hi d e a sa n dm e a s u r e st oe s t a b l i s ht h er e s e a r c hs y s t e mo f c a p a c i t yi n f lu e n c e f a c t o r st h a ti ss u i t a b l et oo u rc o u n t r y ，t h r o u g hf ie l ds u r v e yd a t a f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o no fu r b a nr o a d ，c o n s i d e r su r b a n e x p r e s s w a ya n da r t e r i a lr o a da st h er e s e a r c ho b je c t ，s e p a r a t e l yd e s c r i b e st h e i rt r a f f i c f l o wc h a r a c t e r i s t i c ，a n dg i v e st h eg e n e r a ls t e p st or e s e a r c hu r b a nr o a dt r a f f i cf l o w c h a r a c t e r i s t i c ：( 1 ) c o l l e c t i n gd a t a ；( 2 ) p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gd a t a ；( 3 ) e s t a b l i s h i n gt h e t r a f f i cf l o wm o d e l ；( 4 ) r e c o m m e n d i n gc a p a c i t y s e c o n d l y ，a b o u tu r b a ne x p r e s s w a y ，t h i sp a p e rm a k e sf u l lu s eo f t h ed a t at h a tt h e i n s t i t u t eo fs h a n g h a ie l e v a t e dr o a d sp r o v i d e s p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gt h ef i e l d s u r v e yd a t ao ft r a f f i cf l o wm o v i n gs t a t et oe s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gs p e e d - d e n s i t y m o d e l ，a n dt og e ts h a n g h a ie x p r e s s w a yr e c o m m e n d i n gc a p a c i t y t h r o u g ht h em e t h o d o fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，t h ep a p e rs t u d i e st h ei n f l u e n c ef a c t o r ss u c ha sl a n ep o s i t i o n ， l a n en u m b e r , l a n ew i & kr o a dsl i n et y p ea n dm a i nl i n el e n g t h ，a n ds o m ec o n c l u s i o n s a r e g i v e n a b o u tu r b a na r t e r i a lr o a d , t h ec o n c e p ta n dm o d e lo fe q u i v a l e n tc a p a c i t yi s p r o p o s e d ，b a s e do ne x p e r i m e n tt r a f f i ce n g i n e e r i n g t h e t h e o r e t i cf o u n d a t i o n ，t h e m e t h o do ff i e l ds u r v e y ，t h es u r v e yr o a dc h o i c ea n dl e n g t hd e t e r m i n a t i o n ，d a t a c o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g ，a n de q u i v a l e n tt r a f f i cf l o wm o d e la r e s u g g e s t e dt og e te q u i v a l e n tc a p a c i t y am e t h o do fi n t e g r a t i n gt h e o r e t i ca n a l y s i sa n d f i e l ds u r v e yi sr e c o m m e n d e dt oa n a l y z i n gt h ee f f e c t so fd e v e l o p m e n ti n t e n s i t ya n d a b s t r a c t b i c y c l e so ne q u i v a l e n tc a p a c i t y , a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r eg i v e n i nt h ef i n a l i t y ，t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：u r b a ne x p r e s s w a y ，u r b a na r t e f i a lr o a d , e q u i v a l e n tc a p a c i t y ，r e s e a r c ho n i n f l u e n c ef a c t o r s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：獬一 潲年弓月n 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个入和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 0 。丽辟月l re t 第l 章序言 1 研究背景与必要性 第1 章序言 近年来，城市巾交通事故频繁发生，交通堵颦更是司空见惯，交通问题已 成为困扰世界各大城市静主要社会闻题之一。网世界其他醚家一样，隧羲经济 的快速发展，我国的汽车保有量迅猛增加，尤其是私人汽车的增长速度令世人 瞩目，随之而来的是各大中城市的交通量成倍增长，交通拥挤日趋严重。以上 海市为例，交通问题已成为影响城市正常功能发挥和城市可持续发展的一个全 局性麓题 1 】 2 】。据统计，1 9 9 6 年，全市共发生交通拥挤堵塞1 6 7 9 8 起，市区严 重堵塞的路口、路段从1 9 9 4 年的3 6 处猛增至9 9 处，城区主要道路的平均负荷 度高达9 5 以上。 交通拥挤对社会生活最直接的影响是增加了居民的出行时间和成本，美匡 联邦住房管理局援引得克萨斯州交通研究院的调查数据，仅2 0 0 0 年一年，美国 最大的7 5 个城市因交通阻塞所造成的经济损失就达6 7 5 亿美元。这个数据包括 乘客消耗的时间价值( 估计每小时王2 。8 5 美元) 和燃料消耗价值等。交通拥挤 也导致了交通事故的增多，欧渊每年因交通事故造成经济损失达5 0 0 亿美元之 多。2 0 0 4 年我国共发生道路交通事故5 6 7 7 5 3 起，造成9 9 2 1 7 人死亡，4 5 1 8 1 0 人受伤。 交通拥挤还破坏了城市环境，据统计，我圈的城市环境污染状况相獭于西 方发达阐家上世纪7 0 年代水平，全世界污染最严重的1 0 个城市中，我困占5 个。而交通造成的噪声污染占噪声污染总强度9 0 以上，造成的c o 污染占总污 染强度的9 0 以上，拥挤情况下所造成的污染尤为严重。 为了缓解城市道路交通堵塞，提高交通效率，减少交通事故，各地无不从 完善路网、加强管理等方面入手来解决交通叫题。特别是像：f 匕京、上海这样的 特大城市，近年来在交通建设和管理方面投资更为巨大。为迎接2 0 0 8 年奥运 会，= | 艺京市投臣资进行城市路网改造和建设，根据北京奥运规划方案，仅市内 交通部分就将新建和改建道路3 1 7 ，8 2 k m ，其中快速路建设5 4 1 k m ，干线道路建 设8 6 7 2 k m ，中心区路网加密9 6 k m ，建设立交桥6 座，完善、改造立交桥 第1 章序言 1 5 座。在路网建设的同时，也将花大力气进行城市交通管理。上海市为遭接 2 0 1 0 年的世博会同样将在交通建设和管理方面投入巨资。但是需要看到的是， 尽管我国道路交通基础设施建设的步伐不断加大，城市间和城市内部的道路网 络已经初具规模，德是在目前的交通管理水乎下，交通供给的增加仍然无法满 足交逶流量增长的需要，交通供给与需求之间的矛盾依然十分突出。因此，当 道路交通基础设施达到一定规模时，单纯从扩大道路供给方面来解决交通问题 效果并f 推荐通行能力。 本论文将在后续章节中对交通流的宏巍特性及通行能力进行分析研究。 2 。3 城市快速路交通流特性 快速路实行出入口控制，设置有中央分隔带，属于汽车专用道路，不与非 机动车产生干扰，故交通环境较好，干扰小。当与其他道路交叉时，交叉口多 为立体交叉，车辆可以连续的行驶，不受信号控制。所以快速路上车辆速度一 般较嵩，为了充分发挥快速路的功能，对快速路车辆进行限速，一般不得低于 8 0 k m h ，以免较慢的车辆阻碍其它车辆的正常行驶，发挥不出快速路快速运输 的功能。 城市快速路在城市中的布局般都是闭合的，因此快速路在某些地方存在 着转弯，从平面线形上看有一些曲线；由于城市快速路与许多干道相交的地方 都建立了立交桥，所以在纵向线形上，在与戴它道路交叉的地方也总存猩着纵 向的坡度。 | 以上海为例，上海自t 9 8 5 年开始规划、设计研究高架快速道路，以挺高路 网的通行容量，建立一个快速立体交通体系。目前e 海已建成的高架道路有内 环高絮、南北高架、延安路高架、沪闵路高架、逸仙路高架、共和耨路高架北 延 孛段、霹济路赢架、汶水路赢絮道路等，上海市高架快速路总长度达到9 0 左右。 城市快速路系统在承担城市内长距离的汽车交通、联系市区内主要的交通 1 0 第2 章城市道路交通流特性研究 集散地、隽城市地嚣交通需求提供高水平服务等方面的作爝是其它类型的道路 所不可替代的。从实际的运营效果来看，上海城市快速路承担了城市全部交通 负荷的3 0 ，但是，随着交通罩的迅速增加，经常发生的交通拥堵导致快速道 路的功能不能正常发挥。这迫使我们必须尽快对快速路系统昀交通流特性及其 通行能力展开系统、深入的研究。 城市快速道路上的交通流在运行特性上与龠速公路交通流运行特性相似， 冈此，在城市快速道路的组成上，奉研究参照高速公路的组成部分，把快速路 分为快速路基本路段、交织区以及匝道和匝道连接点三种路段c l a ，论文主要对 快速路基本路段的交通流特性进行分析研究。 城市快速路尽管在路线设计、道路结构、交通运行方面同高速公路有许多 相似，傻与高速公路也有着许多差异 h 】，如表2 。l 所示。 表2 1 城市快速赂和高速公路特性的差异点 1 4 1 城市快速路高速公路 结点多，面上范围大，出入口匝道多，间距线上范围大，匝道间距大 道 短 路 多为放射性环状形式，所以普通道路中的最有并行于现状高速公路的普通公路，二者的 结 短路线和利用高速公路场合的最短路线不同最短路线几乎一致 构 承担蠢内交逶，交逶需求大，交逶蹩接近予主要承担城泰闫交通，与前者攘毙，交通需 通行能力，因此，常发性拥挤频繁发生求小，因此，较少发生常发性拥挤，偶发性 系拥挤的对策则变得重骤 统出行距离短，对很小的速度损失也敏感出行服岗比较长，没有前者那样的时间敏感 状性 态 出嗣匝道与其它城市道路相接，车辆从匝遒与有定富余通行麓力的普通公路襁接，有 驶出豳难，这也是造成交通阻塞的个原因可能强制车辆从匝道驶出 车辆构成变化小不同的区间，车种构成变化显著 2 4 城市地面干道交通流特性 地面干道是城市道路网的骨架，是连接城市各主要分区的交通干路，以交 通功能为主，它与快速路共同分担城市的主要客、货车流，形藏重要的交通走 廊 13 。城市道路纵横交错，加上各个交叉口车辆的交互作用，使得城市交通网 络非常复杂，在整个交通网络中，地面干道占有重要位置，是城市交通嗍的主 第2 章城市道路交通流特性研究 动脉，它承担着城市中酶大量的车辆的交通运行。干道的畅通与否，直接影响 到整个交通嘲络的运行效率e 1 5 。 地面丰干道一般是控制出入口，并且多数都设置中央分隔带( 例如绿化带 隔离或栅栏隔离) ，道路条件相对较好，更多的承担城市中车辆的交通运行；很 多时候没有设置菲视动车道，若有非机动车道，则与机动车道都为物理分隔( 例 如绿化带隔离或栅栏隔离) 。地面次干道一般不太控制出入口，多数是中央划线 分隔，并居基本部有非机动车道；虽然道路等级没有主干道高，但是它是连接 主干道帮支路的重要纽带，在城市道路丽中却超着不可忽视的作焉。 市内道路纵横交错，与地面干道相交的地方，一般设置信号交叉口，交叉 口成为道路交通的咽喉，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集、通 过，故交叉口成了地面干道交通的关键点。由于信号交叉f l 的存在，便至l 达交 叉目的车辆在时闻上进行了分离，车辆行驶不能保持连续进行，这就在地面干 道上就形成了问断交通流。 对间断交通流进彳亍描述时，采j 程与表 i e 连续流相同的特征参数就彳再合适 了。这样，可以采耀行驶时间( 速度 戳及行程时闻t 速度) 等来表籍地巍二f 道交通运行参数。在地面干道路段一 ：虽然也存在与快速路栩同的道路条件，但 其交通状况有着很大的不同。由于交叉口的信号控制，当车辆行驶方向遇到红 灯时，车辆开始等待，出现排队现象，当红灯转绿时，这些排队的车辆以饱和 流率连续的通过交叉口，以车队的形式前进。这样，地面予道车辆运行带有脉 冲的性质。所以，在地面干道交通运行特征方面，本文更关心车辆在道路上的 行程速度及行驶速度。 2 ，5 本章小结 本章首先奔绍t 】城市道路的分类，可分为快速路、主干道、次子道和支路， 并描述j 各种类型道路的特点，说明本论文主要研究的是快速路( 主要指高架 道路) 和地面干道( 包括主干道和次干道) 。然后阐述了交通流特性的研究内容， 并指明本论文主要对交通流宏观特性及通行能力进行研究。最后分别说明了城 市快速路和城市地谣干道的交通流特性，作为后续城市道路通行能力及其影响 因素研究的基础。 | 2 第3 章城市快速路通行能力研究 第3 章城市快速路通行能力研究 快速路通行能力研究是快速路网规划、工程项叠可行缝研究以及快速路的 设计、后评估、路网管理等工作的基础。快速路通行能力分析系统将为道路建 设前期h t 作提供决策依据，并为制订道路设计规范和快速路t - 程的一r = 可性、预 可性研究的编制办法奠定了基础。同时还可为各设计、管理郝f j 进行快速路设 计和设施设置提供分析方法和依据 1 6 1 。 城市快速路作为城市大运量快速交通干道，其运行效率的提高自然对解决 城市交通拥挤问题超着关键作用。快速路通行能力作为快速路规划、设计与管 理的基本依据被广泛应用于我国道路工程建设。适合我国国情的快速路遵行能 力研究成果的推广应用，必能为我国的道路建设事业带来臣大的经济效益与社 会效益。因此，快速路通行能力的研究越来越得到交通工程人员的重视。本章 将着重对上海枣快速路的通行能力进行研究。 3 1 引言 关于快速路通行能力，可以参阅美国道路通行能力手册【4 】中的定义： 在给定的时间内，给定的交通、道路条件下，单位时间内能合理地通过道路设 施的最大小时流率。并把道路分为连续交通流道路( 以全封闭高速道路为典型 的交叉嗣，其间距十分钟远的路程) 与间断交通流道路( 以城市街道为典型的 车流形态受交叉口影响的道路) 两类。车辆在城市快速路上可以不问断的连续 行驶，这种交通流称为连续交通流，可以采用三个基本的交通参数一速度、 流量及密度之间的关系来表征连续交通流特征。 速度、流量及密度是测定交通流运行状态昀三个主要参数，它们之间的相 互关系町用交通流统计分析模型米描述。由于人一车特性以及车辆到达的随机 性，由于这些变量组成的交通流必然也是随机的，也就是说速度、流量及密度 这三大参数也是随机变量。在研究随机因素时，最常用鲶方法是数理统计的方 法，因此在建立交通流模型时，也不可避免的用到这种方法。 本章即是利用实测的数据，试图建立起符合城市快速路交通流特点的交通 1 3 第3 章城市快速路通行能力研究 流模型。 822 数据采集 上海市道路交逶信息化在近几年得到了非常快昀发展，在进入本世纪以来， 随着纳入国家智能交通试点工程的延安高架路交通信息采集和发布工程的成功 实施，大多推进了一批交通信息采集、交通信息实时应用项目的发展，先后建 设了上海城市快速路交通监控系统、城市地灏道路交叉团交通信息采集系统、 高速公路网交通监控系统等道路交通信息化系统。 上海市城市快速路交通监控系统以外环线为界，覆盖外环线以内的城市快 速路成，主要由高架道路组成。上海市城市快速路交通信息震集采艇直接采集 方式，通过在快速路上布设采集设备环形线圈检测器以获取各耪原始交通 参数，所有的原始交通数据在交通监挖中心集中处理，生成快速路交通i s ；理所 需要的务种二次交通信息和锌种统计信息。 上海l 膏在城 汀快速路一 二l t 理设了丈量醵感应线圈雳予采集交通数据。 ：要 的交通信息采集描述为：主线采集断面布设约4 0 0 m ，匝道按照交通状态采集要 求布设，按照控制要求布设；采集周期：2 0 s ；采集交通信息类型；按车道采集： 分车型的交通流量、平均速度、时间占有率。基本格式如表3 。1 所示。 表3 1 上海市城市快速路交通数据 l o o p g r o u pid t i 尬l vm vs vl sm ss s v s 0 2 0 0 7 4 2 4 n h n x 2 6 ( 1 ) 0 重2 o8 97 938 24 0 ：0 0 ：2 0 2 0 0 7 4 2 4 n i t n x 2 6 ( 1 ) o0000o0oo 0 ：0 0 ：4 0 2 0 0 7 4 2 4 , k l t k x 2 8 ( 1 )o o3oo 8 1 38 1耋 0 ：0 l ：0 0 2 0 0 6 8 5 n h n x 2 6 ( 1 ) oo2oo7 927 92 4 ：4 3 ：2 0 2 0 0 6 8 5 n h n x 2 6 ( 2 ) oo2 o0 5 7 25 73 4 ：4 3 ：2 0 2 0 0 6 8 - 5 n 黼x 2 6 ( 3 ) 0oooooooo 4 ：4 3 ：2 0 奉研究所用的数据来源就是由上海市高架监控巾心所提供的感应线蹦采集 1 4 第3 章城市快速路通行能力研究 的原始数据。这些数据为后续分析提供了足够的样本。本章节对城市快速路通 行能力研究取用的是高架所提供2 0 0 7 年4 月份的采集数据。 3 。3 数据处理及分析 3 3 1 数据预处理 叁于采集设备故障、通信系统故障、环境因素异常、采集周期较短等原因， 断面交通采集数据最常出现的就是数据错误、缺失等问题。这些问题的存在一 定程度上影响了面交通采集数据的管理和应用。为此，十分有必要对断谳交通 采集数据进行预处理。 困内外对数据预处理已经做了大量的研究 1 7 1 e 2 1 ，本文在这些研究的基础 上，针对上海市的断面交通采集数据进行分析，归纳总结了一些共性的问题， 并针对这些闻题，提出了断面交通采集数据检验和预处理的流程，这里主要描 述数据有效性分析和数据修专 这嚣个关键琢节。 1 数据有效性分析 断面交通采集数据错误的情况主要有两种：第一，交通流量、速度和占有 率等数据超出合理闽值；第二，交通流量、速度和占有率等数据之间的关系不 符合交通流理论。本文针对这两种情况下可能出现的各种数据错误现象，概括 总结了8 条数据有效性分析的规则，来剔除错误的数据 2 2 i 。具体规则如表3 2 所示。这8 条数据清洗规则，比较易于实现，适合在线应用。在离线应焉时， 可以进行更深入的分析，挖掘出数据在时间和空间上关联和变化的不合理现象， 进行更严密的数据有效性分析。 表3 。2 断薅交通采集数据有效糌分季厅规燹| j 规则 剔除标准 l 交通流蓬、速度及占有率为负或者为空 2 交通流量大于最大闽值 3 速菠犬予最大阈值 4 占商率大于1 0 0 ，或者占有率人于9 5 ，同时速度大于合理阀德 5 速度等j ：零，但是交通流量不等于零 6 占有率等于零，同 f 寸交通流量人于合理闽值 第3 章城市快速路通行能力研究 续表 规则剔除标准 7 交通流量等于零，速度和占有率同时都不等于零 车辆平均有效长度小于最小阂值，或者大于最大阈值 8 a v e l ( n ) = 1 0 0 v o q 其中，v = 速度( k m h ) ，o = 占有率( ) ，q = 交通流量( p c u l i n e h ) 表3 2 中最大阈值和合理阈值如何选取也是一个值得商榷的问题，一般情 况下最大阈值都是取和实际情况相差比较大的数值，而合理阈值则可以根据实 际交通状况进行选取。如上海市快速路的交通流量2 0 s 最大阈值可以取为2 0 ， 速度2 0 s 最大阈值可以取为2 0 0 。 表3 3 中任意选取了上海市南北高架的几个断面采集数据，进行分析可以 看出，n b x x l 2 ( 1 ) 的采集数据均为空，不满足规则l ，所以这是无效数据。 n b x x l 5 ( 2 ) 和n b x x l 6 ( 3 ) 中采集数据不满足规则7 和5 ，则这些数据也要剔除。 表3 3 断面交通采集数据 l o o i g r o u p i dt i m ei 。vm 、-s vi 。s 、i ss s vs0 l ；x x l 2 ( 1 )0 0 ：2 0 ：0 0 i n l ij ln u l jn u lln u l ln u l ln u l ln u l ln u l ln t 。i1 n b x x l 4 ( 1 )0 1 ：2 0 ：0 0o o 30o8 538 52 n b x x l 5 ( 2 ) 0 0 ：4 0 ：0 0000o01 2 0f01 2 0 l 3 n b x x l 6 ( 3 )0 1 ：0 0 ：0 00o20o8 4 l 20 l 2 n b x x l 5 ( 1 ) 0 1 ：4 0 ：0 0oo 2008 038 02 2 数据修补 断面交通采集数据的缺失，从时间分布上来看，存在零星时刻的数据缺失 和连续长时间数据缺失的不同情况。从空间分布上来看，存在某一地点的一部 分车道数据缺失和所有车道数据都缺失的不同情况 2 2 。本文根据断面交通采集 数据缺失的不同情况，提出了相应的数据修补方法，如表3 4 所示。 表3 l 断面交通采集数据缺失修补方法 缺失数据情况区分 缺失数据修补方法 零星时 利用相邻车道数据来修补，适用条件是相邻车道和缺失数据的车 刻的数 某一地点的一部分 车道的数据缺失 道具有相似的交通流特征。 据缺失这个条件不成立时，采取与下一种情况相同的修补方法。 1 5 第3 章城市快速路通行能力研究 续表 缺失数据情况区分缺失数据修补方法 利用邻近时刻来修补。在线应用时，利用以前邻近时刻平滑后的 某一地点的所有车 数据来修补。离线应用时，利用以前和以后邻近时刻的数据来修补， 可以在数据修补之后，再进行数据平滑。 道的数据缺失 或者利用相邻地点( 上游或下游地点) 的数据来修补，适用条件 是相邻地点和缺失数据的地点的采集数据具有较强的相关性。 某一地点的一部分 利用相邻1 i 道数据的平均值来修补，适用条件是相邻车道和缺失 连续长车道的数据缺失 数据的车道具有相似的交通流特征。 时间的 这个条件不成立时，采取与下一种情况相同的修补方法。 数据缺 利用相邻地点( 上游或下游地点) 的数据来修补，适用条件是相 失 某一地点的所有车邻地点和缺失数据的地点的采集数据具有较强的相关性。 道的数据缺失这个条件不成立时，利用该地点采集数据的历史值来修补。这种 方法修补的数据无法反映交通状况实时的变化。 3 3 2 数据处理及分析 1 统计间隔数据生成 上海市断面交通检测设备采集的数据是以2 0 s 为周期，但是在进行快速路 交通流特性分析时一般采用5 m i n 为周期。因此需要根据2 0 s 数据来生成5 m i n 的数据。 多辆车在道路上行驶形成交通流，用于描述交通流速度的参数一般有两种： 时间平均车速和空间平均车速 2 3 3 。在进行流量、速度和密度三者关系研究时， 通常采用的车速是空间平均车速。而断面线圈检测得到的是单个车辆的地点车 速，并非区间车速。这就需要进行一定的转化，具体5 m i n 速度生成计算方法如 表3 5 所示。5 m i n 的密度是通过5 m i n 交通流量和5 m i n 速度根据后= 矿木1 2 矿得 到。 表3 5 断面交通检测数据车道5 m i n 数据生成计算方法 数据类别计算方法 简要说明 1 5 某车道5 m i n 交通流量是该5 r a i n 内各个i 车道5 m i n 交通流量 够= 劬 ( j = 时间编号) j = l 2 0 s 交通流量的和 1 7 第3 章城市快速路通行能力研究 续表 数据类别计算方法简要说明 i 车道5 m i n 速度 q , j 菜车道5 m i n 速度是该5 m i n 内备个2 0 s ( j = 对闯编号) 驴幕t ， 速发的空间平均值 i 车遂5 m i n 密度露= 世 菜牟道5 m i n 密度是该5 m i n 内交通流量 哆 和速度计算褥到 2 地点及车道组数据生成 断面交通检测设备所采集的通常是路段上某一地点某一车道的交通流量、 速度、占有率等数据。但进行交通数据分析与建模时，很多情况下需要路段奠 某一地点的数据，就应该进行地点及车道组数据生成。另外，有些情况下需经 具有相似的交通流特征的一组车道( 即车道组) 的数据，就应该进行车邀组数 据生戏，缝点及车道组数据静生成计算方法如表3 。6 所示。 表3 6 断面交通检测数据地点及车道组数据生成计算方法 数据类别计算方法简要说明 撑 菜地点既交遥流量是该缝点i 施赢残车道缓薛交；悉流量 绕= 乃 ( j = 率道编号，n = 总车道数)j - 1各个车道交通流量的和 i 地点或车道缓的速度 厶扩? 扩 菜地点静率辆速度是该地点各个 够= 皇- 一 ( j = 率道编号，1 1 = 总车道数) 乃 车道上所有车辆的速度盼平均值 户1 i 缝点或车道缝的蜜度匆：世 某地点的密度由该地点 鬈 交通流蓬和速度计笺得羽 3 。4 交通流模型建立 3 4 1 交通流模型回顾 l s 第3 章城市快速路通行能力研究 交通流不是恒定不变的，焉是随时闻、空间丽变化。交通流三变量之间的 关系可表示为： 矿= 1 后 ( 3 1 ) 式中：r 流量( p c u h ) ； l r 空间平均车速( k i n h ) ； 卜平均车流密度( p c u k m ) 。 式3 1 称为交通流模型，可刚三维图形来表示。但为研究方便起见，常用 二维的速度一流量模型、速度密度模型及流壁一密度模型来表示它们两两之 间的关系 1 3 ，见图3 1 。 赫尹 科* 移 蠡 氯 。_ - ：辱 ，l ， l 图3 。1 速度一流量、速度一密度及流量一密度芷交投影 由图3 1 可确立反映交通流特性的一些特征值： 蛳一最大流量，速度一流量曲线图上的峰值； f f 广临赛速度，流量达到锄时的速度； k 一最佳密度，流量达到辞饼时的密度； 七，阻塞密度，车流处于阻塞即车辆无法移动( 矿趋向于0 ) 时的密度； u 厂畅行速度，车流密度趋于零、车辆可以畅行无阻时的速度。 从1 9 3 3 年g r e e n s h i e l d s 提出速度一密度关系昀线性模型至今，国外专家对 交通流模型进行了几十年的研究，先后提出了许多速度、流量、密度之间关系 的统计模型。这种统计模型的有非常重要的应用价值，它是定义交通设施服务 1 9 第3 章城市快速路通行能力研究 东乎的基磁。另外，交通流统计模型还焉予估算通行能力及达到通行毹力时的 数据点。 1 速度一流量美系 蠢予速度和流量数据容易直接采集，隧嚣国外对速度一流量关系的研究陡 较多。速度一流量模型常用于评价交通运行状况、估算服务水平。较为经典的 速度一流量模型是g r e e n s h i e l d s f 2 3 的抛物线模型，其表达式为： 矿= 彦，国一彩2 u ，) 。它是由速度一密度的线形关系推导壅的，1 9 8 5 年舨的h c m 也采用了此种曲线。近年来，这种曲线日益暴露出其缺陷，实践证明它与实际 数据符合的不是很好。h - b j a m e s 、f l h a l l 和h c ，c h i n 2 4 的研究成果表明：在 很大的流量范围内，速度的变化很小，此趋向一直保持到通行能力的i 2 - 2 3 处；当流率达到通行能力时，临界速度大予l 2 的宣由流速度；最大流率可达 2 2 0 0 辆h 车道以上。1 9 9 4 年版h c m 总结了近几年国外许多研究成果，得出的 高速公路的速度一流量曲线如图3 2 所示。这种曲线并不捷某种函数式，而 是从大量的实测数挺分析老的结果。 誊 翟 葛墓1 黼 h 以 蹴 c 3 0 烈埝| l 萄o 褒戆2 a d o2 锨翔 i d o 嘲f l o wr i m 锄镐州蜘 相西p c 嘲啦l 图3 2 速度一流量密度关系示意图 2 遽凌一密度关系 首先是g r e e n s h i e l d s l 2 3 最早提出线性模型；而后g r e e n b e r g 、u n d e r w o o d 2 3 提出了对数模型，分别描述大密度和小密度状态下的速度一密度关系；p i p e s 、 m u n j a l 以及d r a k e 2 3 提出了一组攀段式模型曲线族来描述速度一密度关系；e d i e 及d i c k 2 3 贝1 在考虑不同流量下各模型的适用性的基础上，提出了多段式组合模 型，见图3 3 。 罡墓鬟葚ill萋 餮妻銎爱乏 第3 章城市快速路通行能力研究 图3 3 速度一密度关系示意图 3 流量一密度关系 早期的遥 亍熊力研究，遵循嚣个主要途径：探讨交通密度小时的速度一流 量关系式；探讨交通密度大时的车头时距规律。而流量一密度关系式把这两种 途径统一起来，且流量一密度曲线在交通控制中也具有重要作用，所以通常把 流量密度逮线毽唾傲“交通基本图表”。除了经典的倒u 型模型外，还有m 。k o s h i 的反臌型和f l h a l l 的倒v 模型 2 4 j 。另外，与多段式速度一密度关系相对应， 还提出了流量一密度的间断模型。几种关系示意图见图3 4 。 建 k 镶! u 擞溅纛一密度关系承纛瓣 q 毽 k 菠太缝横塑潍羹一密度荚臻示意甏 建 kk 翔v 鬟浚囊一察凌美蓉豢慧鬻麓簸黪藏纛密废关系零瑟鞠 图3 4 流量一密度关系示意图 虽然上述交通流模型都反映了速度、流量及密度之间的关系，但是对不同 的地区，不同的道路类型，其交通流模型也是不同的。 3 。4 。2 交通流模型建立 2 1 第3 章城市快速路通行能力研究 麓前，对交通流模型的研究多集中在对速度一密度以及流量一密度关系研 究上，许多研究者认为：一旦速度一密度模型确定了，那么速度一流量模型便 可以矿= 彩xk 导出。这事实上是最早期速度一流量模型研究的方法。基于这种方 法，研究者们把髫光更多的放到速度一密度关系及流量一密度关系上，丽把速 度一流量模型 乍为速度一密度模型的推导汹】。本文对逯幸亍能力的研究也主要是 以速度一密度关系模型为基础，推导得到快速路的通行能力。这里快速路线圈 采集到的是流量、避度和占有率数据，密度主臻是通过流量和速度计算得到的， 以此来建立福应的快速路交通流速度一密度模型。下葱敖点图采用的数据都是 根据前面的处理及分析方法得到的。 1 速度一密度散点图 随着流量的增长，车辆行驶时受到稆互制约，跟随在慢车后面麓车辆增嬲， 以致平均速度降低，密度增高。进而相互制约加大，直到车辆近乎停止状态( 最 大密度) 。在微观上，司机总是根据其速度调憋本车与_ i 车的f h j 距，i 酊其速度又 受到交通流密度蛉制约。因此，在某种意义上说，速度一密度关系是交通漉三 大参数关系r 扣最重要、最本质的关系。下图3 5 分别为断耐n h n x 3 车道l 和车 道2 的速度密度散点图，图3 6 分别为断面n h n x l 5 车道1 和车道2 的速度一 密度散点图，其中的车道编号的顺序是道路出里向外分别为车道i 、车道2 。 图3 5n h n x l 3 车道i 和车道2 速度密度散点图 第3 章城市快速路通行能力研究 图3 6n h n x l 5 车道1 和车道2 速度一密度散点图 虽然n h n x l 3 和n h n x l 5 是位于凌环高架内趣的蓠着两个獗面，但是从其散 点图可以看出，这两个断面交通流的运行状态还是有所区别的。而且即使是同 一个断画的不同车道，交通流的运行特征也是不一样的。 由上述散点图可以看出，速度一密度关系基本上都可分为三个阶段。当密 度低到定程度时，速度不同时密度却基本相同，这是由予当密度比较低的时 候，比较接近自由流状态，驾驶的自由度比较大，因此驾驶速度有一定的变化 范围，但是范围不是很大。当密度处于中问状态时，此时交通流应为均匀流， 为畅通状态，速度耩密度呈明显的线性关系，并可计算褥到相应的通行能力。 当密度比较高的时候，交通流为拥挤状态，此时驾驶员走走停停，行为更为胆 大，因此随着速度的变化，密度变化比畅通状态时更大。 根据大量的高架道路车道断面速度一密度散点图，确定速度一密度关系三 个阶段可根据密度来划分，在本文中分界点密度分别定为7 p c u k m 和6 5 p c u k m 。 本论文主要研究交通流的畅通状态，即密度的范围为( 7 p c u k m ，6 5 p c u k m ) ， 取用此区间内的实测数据回归得到相应的速度一密度线性关系，再计算得到通 行能力。下匿将以断面n h n x l 3 和n h n x l 5 为倒进行通行能力分析。 2 速度一密度关系 瘩图3 。5 - - 一3 。6 可以馥显看出，断面n i t n x l 3 秘n h n x l 5 车道的速度一密度在 密度范围为( 7 p c u k m ，6 5 p c u k m ) 内都呈明显的线性关系，对数据用g r e e n s h i e l d s 线性叫归模型米分析。具体刚归结果见图3 7 和3 8 。 2 3 第3 章城市快速路通行能力研究 图3 7n h n x l 3 车道1 和车道2 速度一密度关系线性模型回归结果 图3 8n h n x l 5 车道1 和车道2 速度一密度关系线性模型回归结果 豳髟= 彩，( 1 一露k ，) 可得到髟，、k ，则通行能力f = ，- 枣k ，4 。 因此，断面n h n x l 3 车道1 的z ，= 8 7 k m h ，后，= 8 1 7 p c u k m ，c = 1 8 8 6 p c u h ； 车道2 的，- - 8 1 k m h ，k ，= 9 0 。8 p c u k m ，c = 1 8 4 4 p c u h 。 断蘸n 淤x 1 5 车道l 的彭，：8 7 k m h ，垂，- - 8 7 。6 p c u k m ，c = 1 8 9 5 p c u7 h ； 车道2 的z ，= 8 0 k m h ，后，= 9 0 1 p c u k m ，c = 1 8 6 2 p c u h 。 由此可见，不同的断而或同一断面不同位置的通行能力和自由流车速都不 尽相同。对上海市快速路断面进行分析可知，大部分断晒畅通状态时的速度一 密度关系都可以用g r e e n s h i e l d s 线性模型回妇拟合，因此快速路的交通流模型 都可以用z ，= ，( 1 一k l k ，) 来建立，根据数据网归得到z ，、k ，计算通行能力 第3 章城市快速路通行能力研究 c = 飘f 蔫毳j 4 o 3 。5 推荐通行能力 快速路通行能力一般与交通基础设施有关，由前面计算也可知，不同的条 件下通行能力是不一样的。但是快速路的设置有其特定的要求，所以快速路的 通行能力值也应该在一定的范【韦l 内