（载运工具运用工程专业论文）城市快速路匝道交通运行机理研究及匝道控制设计.pdf

摘要 摘要 随着我国经济和社会的发展及城市化进程的加快，我国很多大城市快速路网 得到了迅速的发展，这对保证城市内出行的快速、便捷起着极其重要的作用。但 由于交通需求增长迅速，快速路建设的速度远不及交通量的增长速度，加上目前 我国缺乏对城市快速路交通流特性及控制技术的系统研究，大量车流从入口匝道 无序的汇入主线，严重的影响了城市快速路功能的正常发挥，城市快速路的交通 安全和交通拥挤问题日益严重。因此有必要对城市快速路交通流特性及匝道控制 技术进行研究。 本文以实测数据为基础，深入分析了城市快速路入口匝道交通流特性及其对 主线交通流的影响，并根据匝道交通流特性提出短期交通流预测时长的划定方法， 建立基于神经网络的多模型融合的入口匝道短期交通流预测模型，提出一种以主 线为主、兼顾匝道交通需求增减量大小的入口匝道控制策略，并根据控制策略对 两个近距离入口匝道的协调控制系统的框架、控制流程及各模块功能进行了设计， 然后运用p t w i s s i m 软件对控制系统进行仿真，以评价系统设计的合理性。 通过对上海城市快速路检测数据的分析表明，城市快速路入口匝道交通流呈 现出明显的“周期性”、“脉冲性”和“波动性”，而且这种规律性对主线交通流造 成了扰动。 实测分析表明，根据入口匝道交通流到达的周期脉冲特性的周期时间来划定 预测时长可以有效减小匝道交通流时间序列的波动性，提高了预测精度。文中建 立的基于神经网络的多模型融合预测方法大大提高了短期交通流的预测精度及预 测稳定性。 仿真结果表明，本文提出的调节率计算模型能够根据匝道交通需求和当前调 节率的差值大小来实时调节下一时段的调节率，控制效果明显优于定时控制方法。 在高峰时段或交通状况发生较大变化时控制效果更加明显。 关键词：城市快速路；交通流特性；交通流预测；神经网络；控制策略 摘要 2 i| a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o g n t r y se c o n o m i ca n ds o c i e t ya n dt h ea c c e l e r a t e d p r o c e s so fu r b a n i z a t i o n ，u r b a ne x p r e s s w a y sn e t w o r ki nm a n yb i gc i t i e so f o u rc o u n t r y h a v ee n j o y e dr a p i dd e v e l o p m e n t ，i ti se n s u r et ot r a v e lw i t h i nt h ec i t yr a p i d ，a n d c o n v e n i e n tt op l a ya ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l e h o w e v e r , o w n i n gt ot h er a p i dg r o w t ho f t r a f f i cd e m a n d ，t h ec o n s t r u c t i o ns p e e do fu r b a ne x p r e s s w a y si s s l o w e rt h a nt r a f f i c g r o w t h ，c o u p l e dw i t hc h i n a sl a c ko fh o l i s t i cr e s e a r c ho ft r a f f i cf l o w sc h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fu r b a ne x p r e s s w a y s ，al a r g en u m b e ro ft r a f f i cg e ti n t om a i n l i n e so u to fo r d e rf r o mt h eo n - r a m p ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c tt h en a t u r a le x e r t i o no f e x p r e s s w a y sa n dt r a f f i cs a f e t ya n dt r a f f i cj a mo fe x p r e s s w a y s i sg e t t i n gw o r s e s oi ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c hu r b a ne x p r e s s w a yr a m pt r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o l t e c h n i c a l b a s e do nt h em e a s u r e dd a t a , t h i sp a p e ra n a l y z e di n - d e p t ht h eo n - r a m pt r a f f i cf l o w a n dt h ei m p a c to ft h em a i nl i n eo ft r a f f i cf l o w , i na c c o r d a n c ew i t ht h er a m pt r a f f i cf l o w c h a r a c t e r i s t i c s p r o p o s e d s h o r t t e r mt r a f f i c - f l o w f o r e c a s t sf o rt h e d e s i g n a t i o n ， e s t a b l i s h e dt h em o d e lo fo n r a m ps h o r t t e r mt r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n gb a s e do nt h e m u l t i - m o d e ln e u r a ln e t w o r k ，p r o p o s e dao n - r a m pc o n t r o ls t r a t e g ym a i n l yt ot h em a i n l i n e ，t a k ea c c o u n ti n t ot h ec h a n g e so ft r a f f i cd e m a n d ，a n dd e s i g n e d t h es y s t e m s f r a m e w o r k , p r o c e s sc o n t r o lf u n c t i o no fe a c hm o d u l ei na c c o r d a n t ew i t ht h ec o n t r o l s t r a t e g y , t h e nu s ep t v v i s s i ms o f t w a r es i m u l a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mt oe v a l u a t et h e r e a s o n a b l e n e s so ft h es y s t e md e s i g n t h r o u g ha n a l y s i so fs h a n g h a iu r b a ne x p r e s s w a yt e s td a t as h o w e dt h a t ，o n 。r a m p t r a f f i cf l o wo fu r b a ne x p r e s s w a yh a ss e e na l lo b v i o u s p e r i o d i c i t y p u l s e a n d “f l u c t u a t i o n ，a n ds u c hr e g u l a r i t yc a u s e dt h ed i s t u r b a n c eo fm a i nl i n e t r a f f i cf l o w p a t t e r n s a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em e a s u r e d ，a c c o r d i n gt ot h ep u l s ec y c l et i m eo fo n 。r a m p t r a f f i cf l o wt os e tt h ef o r e c a s tl o n gc a nr e d u c e dt h er a m pt r a f f i cf l o w sv o l a t i l i t yo ft h e t i m es e r i e s ，a n di m p r o v e df o r e c a s t i n ga c c u r a c y i ne s t a b l i s h i n gt h em e t h o db a s e do n m u l t i m o d e ln e u r a ln e t w o r kg r e a t l yi m p r o v i n gt h ef l o wo fs h o r t - t e r mt r a f f i cf o r e c a s t a c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo f f o r e c a s t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ea d j u s t m e n tm o d e lp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a n 摘要3 a d j u s tt h en e x tr a t ea d j u s t m e n ta c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tr a m pt r a f f i cd e m a n da n dt h es i z e o ft h em a r g i nr a t ea d j u s t m e n tr e a l t i m e ，t h ec o n t r o le f f e c ts u r p a s s e st h ef i x e dt i m e c o n t r o lm e t h o do b v i o u s l y t r a f f i cd u r i n gp e a kh o u r so rw h e nm a j o rc h a n g e si nt h e s i t u a t i o no fc o n t r o le f f e c tm o r ep r o n o u n c e d k e yw o r d s ：u r b a ne x p r e s s w a y t r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c s t r a f f i cf l o wf o r e c a s t n e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls t r a t e g y 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 韧叫 j 日期：渺分年午月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：桶枞号 日期：胪弓年年月矿日 指导教：衙龉 醐：z 廨丫月罗日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 近几十年来，随着我国经济和社会的发展及城市化进程的加快，我国很多大 城市快速路网得到了迅速的发展，这对保证城市内出行的快速、便捷起着极其重 要的作用。但由于交通需求增长迅速，快速路建设的速度远不及交通量的增长速 度，加上目前我国缺乏对城市快速路交通流特性及控制技术的系统研究，城市快 速路的交通安全和交通拥挤问题日益严重。快速路承担着城市的主要交通流量， 快速路运行效率的高低对整个城市的交通状况有着至关重要的影响。因此对城市 快速路匝道运行机理及控制技术的研究成为当前解决城市交通的主要问题。 城市快速路是连接城间高速路和市内道路的重要通道，其基本目的是使车辆 快速、高效、舒适、方便地行驶而不受交通信号控制的干扰。它以较大的服务容 量和较高的服务水平对城市交通出行做出了积极的贡献。但由于受入口匝道交通 流的无序冲击作用，严重的影响了城市快速路功能的正常发挥。匝道交通流无序 汇入快速路主线产生的负面影响主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 不断从匝道“挤”入主线的车辆迫使主线速度不断降低； ( 2 ) 主线车速的降低导致车辆不能尽快到达目的地，从而囤积于快速路上， 使入口匝道车辆更难汇入主线； ( 3 ) 快速路入口匝道排队车辆的溢出，影响邻近地面道路的正常运行； ( 4 ) 快速路主线车速的降低使其服务能力和服务水平急剧下降，促使部分车 辆转移到其它路网，加剧了其它道路的交通压力； ( 5 ) 地面路网交通恶化使出口匝道上的车辆无法尽快消散，车辆排队蔓延至 快速路主线，导致快速路主线阻塞。 在如图1 1 所示的不断相互作用的恶性循环下，快速路变得不再“快速”，快 速路与城市地面道路的基本功能在高峰时段难以得到发挥。国内外学者研究表明， 减少或消除城市快速路交通拥挤的措施有三种：通过新建或扩建道路来增加交 通供给；采用交通管制措施，如限制私人汽车行驶、实行单双号行驶、实行高 密度车辆优先( h o v ) 等；采用先进的通信技术、计算机技术和控制技术，对快 速路进行有效的调节控制，使其最大限度的发挥作用。在这三种方法中，第一种 方法在道路发展初期比较有效，但道路建设周期长、耗资巨大，随着城市交通系 统的完善，修建道路的空间变得非常有限，与我国当前的国情不符，不宜采用。 第二种方法比较有效，但容易引起公众的反对和不满，一般很少采用。目前第三 种方法最具潜力，也是智能交通系统( i t s ) 的基本目标，因此成为众多交通学者的 第一章绪论 2 研究热点。本论文就是针对城市快速路交通拥挤及控制对策问题作出研究。研究 的目的在于以匝道控制为手段，控制由匝道汇入主线的交通流量，缓解匝道车流 集中汇入对主线交通运行的影响，避免主线陷入拥挤状态，从而减少或消除入口 匝道交通流对城市快速路主线交通运行的干扰和影响，使城市快速路达到快速、 安全和高效的目的。 匝道交通流对主线的无序冲击 主线车速下降 车辆囤积丁快速路主线上 主线交通流转移 到地面道路上 入口匝道排队 车辆溢出 地面道路交通恶化 出口匝道车辆无法及时消散 图1 1 城市快速路交通恶性循环过程 f i g1 1t r a f f i cv i c i o u sc i r c l eo f u r b a ne x p r e s s w a y 1 2 匝道控制的起源及研究现状 1 2 1 匝道控制的起源 对匝道控制的研究最早始于2 0 世纪6 0 年代。在1 9 6 5 年w a t t l e w o r t h 提出了 匝道入口的定时控制( f i x e dt i m ec o n t r 0 1 ) 方法【l ，2 】，这种方法是在缺乏现代交通 检测技术和计算机技术的背景下，基于数学规划理论发展起来的以城市快速路交 通量不超过通行能力为约束，以流入主线的期望交通量最大为目标的匝道控制方 法。自此人们揭开了对匝道控制研究及应用的序幕。 1 2 2 国内外匝道控制研究现状 自从1 9 6 5 年w a t t l ew o r t h 提出定时控制方法以后，人们对匝道控制的研究得 到了全面的发展。匝道控制技术从依靠历史数据的静态控制发展到动态实时控制， 第一章绪论 3 从单匝道控制到整体控制或全局最优控制。 w a t t l e w o r t h 提出的定时控制方法建模简单，不需要实时的交通信息，算法简 单，因而控制系统容易实现、成本低。但这种控制方法是一种理想的数学模型， 没有考虑到交通状况随时间的变化对控制解的影响，因此不具有实用性。后来许 多学者对其进行了改进后成为传统的分段定时控制方法【3 筇】。1 9 8 0 年 p a p a g e o r g i o h 通过引进区间分段，将静态模型动态化，对以上的定时控制方法进 行了扩展，匝道控制技术的发展进入了动态实时控制阶段。 1 9 7 5 年，m a s h e r 提出了一种单匝道的需求容量控制策略( d e m a n d c a p a c i t y c o n t r 0 1 ) t 6 7 】，这种控制策略以交通量为控制参量，通过调节进入主线的交通量， 使得进入主线的交通量与上游交通量之和不超过匝道下游的通行能力，从而保证 下游主路交通量维持在其通行能力负领域之内，确保最大限度地利用主路。这种 控制方法实际是一种开环控制，系统的抗干扰能力差。随后人们又提出了占有率 法( t h e o c c u p a n c ys t r a t e g y ) 【7 - 8 一一们，这种控制方法是通过测量下游占有率值， 用经验公式来估算下游剩余的通行能力，如果匝道下游检测器处的占有率比临界 占有率小，则下游剩余的通行能力为正，否则为负。下游剩余的通行能力为负说 明该段高速公路的交通量超过了通行能力，应采用最小调节率。下游剩余的通行 能力为正则增大调节率。 p a p a g e o r g i o i l 在1 9 9 1 年提出了一种闭环控制方案a l i n e a ，a l i n e a 是一种 最有代表性的占有率控制法，它是一种基于闭环反馈的匝道控制策略【7 1 。其控制 原理是预先给定一个接近临界占有率的期望值，如果每个采样周期内实测到下游 占有率低于( 或高于) 期望占有率就调整原有的调节率，使新的调节率在每次实测 到的调节率的基础上增大或减小。显然a l i n e a 不需要任何控制阀值和最小调节 率，对于任何交通条件都适用，而且调节率的调整是采用一种渐变方式。 p a p a g e o r g i o n 等人多次将a l i n e a 与其他方法相比较【1 1 1 ，都表明了该法在局 部入1 2 1 匝道控制中的优越性。a l i n e a 控制策略已经在巴黎b o u l e v a r dp e r i p h e r i q u e 高速公路的b r a n c i o n 上匝道和阿姆斯特丹a i o 线的c o e n t u n n e l 入口匝道分别进行 了实验，实验结果证明了a l i n e a 控制策略对于改善交通条件的有效性，特别是 在发生异常交通事件的情况下【1 2 1 。 为了加强a l i n e a 的实时适应性，研究学者又提出了a d a p t i v e - a l i n e a 方法 【l3 1 。此方法加入了一个对临界占有率的估计器，以获得实时变化的期望占有率， 因此，改进的a d a p t i v e a l i n e a 方法就具有了更好的协调性和适应性，控制效果 明显比a l l e n a 好。 19 7 6 年模糊控制法最先被p a p p i s 和m a m d a n i 用于传统的单交叉口控制【1 4 , 1 5 1 ， 仿真结果表明，采用模糊控制法时车辆平均延误比用传统的控制方法减少7 左 第一章绪论 4 右。2 0 世纪8 0 年代，c h e n 提出了单个匝道入1 2 1 的模糊控制问题【l6 j 。同时t a y l o r 和m e l d r u m 也将模糊控制应用于c e t t l e 高速公路的匝道控制，现场实验表明模糊 控制比定时控制和需求容量控制的控制效果都好【l 7 1 。模糊控制的优点在于它不需 要控制对象的精确数学模型，同时可利用专家系统，允许不精确的数据输入，能 有效地克服原始数据的误差问题。其缺点在于模糊规则的获取比较困难，控制参 数的设定需要大量的工作，且不具备在线学习功能。 1 9 9 4 年，p a r i s i n i 利用n 个串级的神经元网络实现一个反馈控制函数，并利 用类似的方法设计匝道控制器。p a p a g e o r g i o u 利用神经网络去逼近局部匝道反馈 控制函数中的非线性项【1 们。仿真结果表明在强干扰作用下神经网络控制方法优于 一般方法。 对于城市快速路匝道交通流特性及控制的研究，国内的研究者一直在追踪国 外的先进思想和方法，并尝试将其应用到实践中，如占有率法、a l l e n a 等，但 在新方法的研究方面成果很少。而且以上介绍的各种控制方法大多应用于高速公 路上，对于在道路结构、匝道间距、匝道排队空间和服务对象等方面明显差别于 高速公路的城市快速路，有必要对其匝道交通流特性及匝道控制策略进行系统的 研究。 1 3 研究对象和主要内容 1 3 1 论文研究的对象 城市快速路的局部匝道控制主要有单个匝道独立控制和少数几个匝道的协调 控制，目前对局部匝道控制的研究多数只针对独立匝道的控制研究。许多城市快 速路匝道距离很近，很多匝道的距离都只有两三百米，这些匝道在运行中交通流 相互干扰十分严重，在这种情况下对这些相关的入口匝道进行独立控制是不合理 的。本论文结合上海城市快速路实际检测数据，主要针对近距离( 间距小于4 5 0 米) 两个入口匝道的交通流特性、短期交通流预测和协调控制等进行研究。 图1 2 论文研究对象 f i g1 2s t u d yt a r g e to ft h ep a p e r 第一章绪论 5 1 3 2 研究的主要内容 本论文的研究是在对上海快速路实际检测数据分析的基础上展开的，研究的 重点包括近距离两个入口匝道的交通流特性、短期交通需求预测、控制策略及控 制系统设计等，具体内容安排如下： ( 1 ) 城市快速路入口匝道交通运行机理分析。对入口匝道交通流的脉冲性、 波动性和离散性对主线的交通流的干扰进行深入的研究，为匝道控制提供有力的 依据。 ( 2 ) 城市快速路入口匝道短期交通流预测。在综述现有各种预测方法的基础 上，结合我国城市快速路及匝道交通环境特征，建立符合我国城市快速路及匝道 交通环境的匝道短期交通流预测模型，并对模型的预测效果进行评价。 ( 3 ) 城市快速路入口匝道控制系统设计。以研究对象为基础，结合匝道交通 运行机理和匝道短期交通流预测模型，设计出一种以快速路主线为主，兼顾入口 交通需求增减量的匝道控制方法，并对匝道控制系统的架构、各组成模的功能、 控制策略及流程进行设计。 ( 4 ) 城市快速路入口匝道控制仿真实例。对两个近距离入口匝道在交通流和 交通状态不变的情况下对控制策略使用前后分别进行数据和图像仿真，然后对比 分析控制前后的交通运行情况。对控制策略的可靠性和控制效果做出评价。 1 4 论文研究的技术线路 本论文从系统学的角度出发，通过对大量实测数据的分析来揭示匝道运行机 理和匝道短期交通流特性。并根据研究对象和匝道交通特性建立入口匝道控制算 法模型，然后运用仿真手段分析和评价控制模型的控制效果。 ( 1 ) 以大量的实测数据为基础，运用e x c e l 和s p s s 等软件分析和绘制匝道 及附近主线交通量、速度和占有率等相关参数时变图来揭示匝道交通流的脉冲性、 波动性和离散性对主线的交通流干扰，然后对匝道各种交通流状态对主线交通流 的干扰进行仿真来进一步揭示匝道交通流对主线交通的干扰作用。 ( 2 ) 在匝道交通运行机理分析的基础上，展开匝道短期交通流预测分析。对 影响匝道短期交通预测的各因子进行系统的分析，在综述现有各种预测方法的基 础上，根据我国城市快速路和匝道交通特性，建立符合匝道短期交通流的神经网 络预测模型，并采用实例预测的方法对模型的预测效果进行分析和评价。 ( 3 ) 根据研究对象、匝道交通运行机理和匝道短期交通流预测模型，从系统 学的角度出发，设计出一种以快速路主线为主，兼顾入口交通需求增减量的匝道 控制方法。 ( 4 ) 运用p t v v i s s i m 对两个近距离的入口匝道在交通流和交通状态不变的 第一章绪论 6 情况下进行仿真对比分析，根据仿真结果分析控制算法应用的可靠性和控制效果， 对匝道控制效果做出评价，得出论文研究结论。 论文研究的技术路线如图1 3 所示。 城市快速路匝道交通运行机理研究及匝道控制设计 匝道交通运行机理分析匝道短期交通流预测分析 图1 3 本论文的技术路线 f i g1 3s t u d yw a yo f t h ep a p e r 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 7 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 在对快速路入口匝道运行机理的研究和分析中，本文主要对入口匝道交通流 的特性、匝道入口处主线交通流特性及由于匝道交通流受地面交叉口信号灯的强 制调节作用所显现的规律性及其对主线交通运行的影响进行研究。 2 1 入口匝道交通流特性分析 快速路入口匝道是快速路和城市地面道路系统的连接部分，其交通流受地面 道路交通系统、匝道自身条件和快速路等多重因素的干扰，从而使其呈现出不同 于其它交通流的一些特性。这些交通特性中交通量分布和速度分布的规律性最为 明显。本节通过对上海快速路入口匝道交通流检测数据的统计分析来揭示城市快 速路所特有的这些交通流特性。 2 1 1 入口匝道交通量特性分析 通过对上海快速路入口匝道交通量检测数据的统计分析表明，从时间分布上 来看，城市快速路入口匝道交通量呈现出明显的“周期性”、“脉冲性 和“波动 性 ( 如图2 1 图2 2 所示) 。而且所呈现的这种规律不随时间和地点的改变而改 变。 2 5 2 0 嚣 咖 1 5 图2 1 南北高架东线威海路入口匝道流量时变图( a ) f i g2 1t h et r a f f i cv o l u m eh o u r l yv a r i a t i o no fw e i h a ir o a d o n r a m po fs o u t h - n o r t ho v e rr o a de a s tl i n e ( a ) nuiijuii 咖帅蛐肼帅咖腿舢腿， 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析8 鼍皇皇舅葛i 一i ! 1 量i 曾鼍皇置皇日日目目皇置置鼍皇量皇量宣置皇皇 2 0r j 一- 一 i 一 l l 卫0i 属，卫 l9 肌0n 。1 7 ：1 2 ：0 07 ：2 0 ：0 07 ：2 8 ：0 0 7 ：3 2 ：0 0 图2 2 内环高架内线天钥桥入口匝道流量时变图( a ) f i g 2 2t h et r a f f i cv o l u m eh o u r l yv a r i a t i o no f t i a n y a ob r i g d g e o n r a m po fi n n e rr i n go v e rr o a di n t e r n a ll i n e ( a ) j | | j | | | | 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 9 一i i 一 一 i _ 圈2 2 内环高架内线天钥桥入口匝道流量时变图( b ) f i g2 2t h e 麟cv o l u m eh o u r l yv a r i a t i o no f t i a n y a ob r i g d g e o n - r a m p o f i n n e rr i n go v e rr o a di n t e r n a ll i n e ( b ) 城市快速路入口匝道交通量所呈现出的“周期性、“脉冲性”和“波动性” 规律主要是受城市地面道路交叉口信号灯的强制调节作用引起。这种规律性的周 期时长与匝道上游交通信号的周期时长大致相等，而且同一匝道不同时段交通流 量的周期时长相等，不同匝道周期时长不相等。“脉冲性 和“波动性的明显程 度与匝道和匝道上游交通信号灯的距离有关，匝道和匝道上游信号灯的距离越小 “脉冲性和“波动性越明显，反之则越不明显。 2 1 2 入口匝道车速分布特性分析 对上海快速路入口匝道车速检测数据研究分析表明，城市快速路入口匝道车 速分布相对比较集中，并呈现出服从正态分布状态，其中位车速在2 5 k m h 一 3 5 k m h 之间。城市快速路入口匝道车速频率分布和车速频率累计分布情况如图 2 3 所示。 一 一 一 一 一 一_l-h 一 一 一 一i 7 一 一廿矗l l 一 一 一 一 一 一i 一 一 一 一矗啊丑膏且矗譬丑 0 一 一 一嗣tl 2 一 一 一 一-_-_-l i 广lll上_iilj-iill c【lllil厂ii k 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 1o 内环高架内线大柏树入l | 匝道车速频率分布图 丌 训蕊 二妻j 延rkr r , 1 ) 图2 3 内环高架内线大柏树入口匝道车速频率分布图( a ) f i g2 3s p e e df r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no f d a b o s h uo n - r a m po f i n n e rr i n go v e rr o a di n t e r n a ll i n e ( a ) 内环内线大柏树入u 匝道车速频牢累计分布曲线 1 2 0 i o 1 0 0 。j 一：。一“ ：一 姑8 0 r 一 - 交 兰6 0 。 礤4 0 l ， 2 0 - 。 j 一。 o 。”r 。1 。2 二。二一一一一一一一 l 5 9131 72 l2 5 2 93 3 3 74 14 5 4 9 5 3 5 7 速度( k m h ) 图2 3 内环高架内线大柏树入口匝道车速频率累计分布曲线( b ) f i g2 3s p e e df r e q u e n c ya c c u m u l a t ed i s l r i b u t i o no f d a b o s h uo n - r a m p o fi n n e rr i n go v e rr o a di n t e r a ll i n e ( b ) 2 2 入口匝道上下游主线交通流特性分析 2 2 1 入口匝道上下游主线交通流量的车道分布特性分析 当同向车行道有两条或多于两条时，处在不同位置的各车道的使用率往往会 很不一致，其交通量分布会有差别，有的大一些，有的小一些。交通流在车道上 的分布主要取决于交通规则、交通组成、车速和交通量、道路进口的位置和数量、 驾驶员出行的起迄点位置、出行时间以及道路环境和驾驶员的习惯等。以下是对 这些规律的分析和描述。其中车道的编号根据检测器的布置编号来定，以最外侧 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 l l 车道即沿着前进方向最右边的车道为第一车道，以第一车道左边的车道为第二车 道，以此类推。 通过对上海城市快速路入口匝道附近区域主线交通流的研究结果表明，快速 路入口匝道附近的主线交通流由于受入口匝道汇入交通流的影响，使主线交通流 的车道分布在不同的时间段、不同的地点( 匝道上游或下游) 呈现出不同的规律。 ( 1 ) 当匝道为独立匝道时，夜间( 2 3 时到第二天6 时可视为夜间) 匝道上 下游外侧车道( 第一车道) 占用比例明显低于内侧车道( 第二、三车道) 。白天( 6 时到2 3 时可视为白天) 匝道上游外侧车道略低于内侧车道，在交通流达到稳定流 状态时，外侧车道流量趋近于内侧车道流量。匝道下游外侧车道占用比例明显大 于内侧车道。如图2 4 图2 5 所示。 内环高架内线大柏树入口匝道上游交通量的车道分布比例图 2 4 内环高架内线大柏树入口匝道上游交通量的车道分布比例图( a ) f i g2 4t h el a n ed i s t r i b u t i o no fu p p e rt r a f f i cv o l u m eo fd a b o s h u o n r a m po fi n n e rr i n go v e rr o a di n t e r n a ll i n e ( a ) 车道 车道 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析l2 | 舅| 曩量一i i 置鼍| 曼量鼍墨鼍目- ，、7 0 9 6 广 鞋匡芷兰三一r 篓 广_ o o 1 o o j _ o 了 r ：，： rj ! z 讨段 2 4 内环高架内线大柏树入口匝道下游交通量的车道分布比例图( b ) f i g2 4t h el a n ed i s t r i b u t i o no f u p p e rt r a 伍cv o l u m eo f d a b o s h u o n - r a m po fi n n e rr i n go v e rr o a di n t e r n a ll i n e ( b ) 延安高架南线华山路入口匝道上游交通量的车道分布比例图 丑5 0 卜一 暖栅l 一一一一一 测3 0 讲2 0 靶 1 ： 二= 二二二 1 i - - - 车i l 二= _ ：= = 二：= 竺= 二! ! 蔓；i - - 车i l 一j二车道 2 5 延安高架南线华山路入口匝道上游交通量的车道分布比例图( a ) f i g2 5t h e l a n ed i s t r i b u t i o no f u p p e rt r a f f i cv o l u m eo f h u a s h a nm a do n - r a m po f y a n a no v e rr o a dn o r t hl i n e ( a ) _ 加时一 4 一 。 一 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 13 延安高架南线华山路入口匝道下游交通量的车道分布比例图 l 7 1 01 31 f 时段 2 5 延安高架南线华山路入口匝道下游交通量的车道分布比例图( b ) f i g2 5t h el a n ed i s t r i b u t i o no fu p p e r t r a f f i cv o l u m eo f h u a s h a nr o a do n r a m po fy a h a l lo v e rr o a dn o r t hl i n e ( b ) 一车道 二车道 三车道 ( 2 ) 当两个入口匝道距离很近( 间距小于或等于4 5 0 m ) 时，两个匝道上游 和下游交通流在车道上的分布和单匝道上下游车道分布情况相同，夜间匝道上下 游外侧车道占用比例明显低于内侧车道。匝道上游外侧车道略低于内侧车道，在 交通流达到稳定流状态时，外侧车道流量趋近于内侧车道流量。匝道下游外侧车 道占用比例明显大于内侧车道。两匝道之间交通流在车道上的分布为夜间外侧车 道占用比例明显小于内侧车道，白天外侧车道占用比例大于内侧车道，但比例小 于下游外侧车道占用比例。如图2 6 所示。 萄北高架东线延东和威海入f | 陋道上游交通流在车道上的分布比例图 7 0 广一一 集6 0 卜- 一 跏睦气二z 一 = 丑4 0 卜二与争；z 二_ 一 暑s o l 一 捌2 0 卜一 通l 嘶r 一 o l - 。- - 。j - - 。- 一 囤2 6 南北高架东线延东和威海入口匝道上游交通流在车道上的分布比例图( a ) f i g2 6t h el a n ed i s t r i b u t i o no fu p p e rt r a f f i cv o l u m eo f y a n d o n ga n dw e i h a ir o a d o n r a m po f s o u t h - n o r t ho v e rr o a de a s tl i n e ( a ) 车道 乍道 一 一 舳 们 加 m o 一 一毒嚣丑匠屯冥f料雉 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 1 4 誉 。， 匿 丑 罡 上亡 测 抖 靶 南北高架东线延东和威海入口匝道之间交通流在车道上的分布比例图 一，u 一1 人 j j 一 l o1 3 时段 + 一车剜 叫【二车道 = = 再 三兰型 图2 6 南北高架东线延东和威海入口匝道之间交通流在车道上的分布比例图( b ) f i g2 6t h el a n ed i s t r i b u t i o no f t r a f f i cv o l u m eb e t w e e ny a n d o n ga n dw e i h a ir o a d o i l r a m po fs o u t h n o r t ho v e rr o a de a s tl i n e ( b ) 南北高架东线延东和威海入口匝道下游交通流在车道上的分布比例图 5 0 一 ，、 冰 - 基 蔓 旺 七 捌 抖 北 + 一车道 二车道 三年道 h 、j 段 图2 6 南北高架东线延东和威海入口匝道下游交通流在车道上的分布比例图( c ) f i g2 6t h el a n ed i s t r i b u t i o no fl o w e rt r a f f i cv o l u m eo f y a n d o n ga n dw e i h a ir o a d o n r a m po fs o u t h - n o r t ho v e rr o a de a s tl i n e ( c ) 城市快速路入口匝道上下游主线交通流在车道上的分布出现明显的差别是由 于存在着多条车道可供选择行驶，驾驶员会根据不同的道路条件和交通条件选择 行驶车道。 ( 1 ) 匝道上游交通量在车道上的分布外侧车道低于内侧车道，主要是由于前 方有匝道入口，驾驶员提前更换车道造成； ( 2 ) 匝道下游交通量在车道上的分布为夜间外侧车道小于内侧车道，白天外 伽 嘶 傩 傩 帆 帆 第二章城市快速路入口匝道交通运行机理分析 l5 侧车道明显高于内侧车道，引起这种分布的因素有两个： 夜间交通量小，入口匝道汇入车辆少，所以匝道下游外侧车道占用比例 低于内侧车道； 白天交通量大，有大量的交通流从匝道汇入主线外侧车道，造成匝道下 游外侧车道占用比例明显高于内侧车道。 ( 3 ) 近距离两匝道之间交通流在车道上的分布为夜间外侧车道占用比例小于 内侧车道，主要原因是夜间交通流量小，匝道汇入主线# i - n 车道的交通量小。使 其占用比例小于内侧车道。白天外侧车道占用比例大于内侧车道，但比例小于下 游外侧车道占用比例。主要原因是白天交通流量大，有大量的车流从第一个匝道 汇入主线，使外侧车道的占用比例增大，但下游# l - 倾l l 车道的流量还有很大一部分 是从第二个匝道汇入，所以中间主线外侧车道的占用比例总小于下游外侧车道占 用比例。 2 2 2 入口匝道上下游主线车速特性分析 2 2 2 1 入口匝道上下游主线车速分布特性分析 通过对上海城市快速路入口匝道上下游主线车速检测数据的统计分析结果表 明，入口匝道处主线车速受入口匝道汇入交通流量大小、主线交通流状态和入口 匝道间距等多种因素的影响而使车速频率分布为一个偏态分布或多个偏态分布在 坐标系上叠加。 ( 1 ) 当入口匝道为单个独立匝道时，匝道上下游车速频率分布呈形状相似的 一个偏态分布或多个偏态分布在坐标系上叠加。即当匝道下游车速频率呈现出一 个偏态分布时，匝道上游车速频率也呈现出形状相似的偏态分布，而且下游车速 频率峰值略小于上游频率峰值( 如图2 7 所示) 。当匝道下游车速频率呈现出多个 偏态分布叠加时，上游车速频率分布也呈现出形状相似的多个偏态分布叠加，而 且下游的车速频率的每一个峰值对应的车速都略小于上游峰值对应的车速( 如图 2 8 所示) 。 第二章城市快速路入1 2 1 匝道交通运行机理分析 16 8 7 集6 褥5 4 曝3 2 9