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基于不同流向的交叉口问路段通行能力研究 摘要 本文研究了基于不同流向的交叉口间路段通行能力。 交叉口问路段是城市道路的重要组成部分。交叉口问路段内的车流由于在 下一个交叉口所选取的方向不同，在路段内交织运行，至使路段内的车流运行 具有紊动性，使之成为影响城市道路系统通行能力的重要因素之一。但由于交 叉口间路段内的车流运行的复杂性，使分析交叉口间路段通行能力的问题难度 很大，很多问题缺乏深入的研究。 论文首先在总结道路通行能力已有研究成果的基础上，分析了现有交叉口 问路段通行能力研究的不足之处。其次，制定了相应的调查方案，并在借鉴他 人调查分析成果的基础上，进行补充调查，总结了影响交叉口间路段内车流运 行的重要因素，分析各因素对交通运行及其对通行能力的影响，归纳了交叉口 问路段内的交通流运行特性、变换车道特性。接着，研究分析了与交叉口问路 段内车流运行相关的交通流理论模型。在以上分析研究的基础上，运用间隙可 接收理论、概率论等方法理论计算了路段交通的极限流率，并对交叉口间路段 长度折减系数进行了确定，从而建立了交叉口间路段通行能力模型。最后应用 交通仿真软件对交叉口问路段进行了微观仿真研究，并将仿真结果与理论计算 结果进行对比，验证了交叉口间路段通行能力模型的合理性。 关键词：交叉口，通行能力，变换车道，可接受间隙，车头时距 r e s e a r c ho fs e c t i o nc a p a c i t yb e t w e e ni n t e r s e c t i o n sb a s e do n d i f f e r e n td i r e c t i o nt r a f f i c a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e so nt h es e c t i o nc a p a c i t yo fd i f f e r e n td i r e c t i o ni n t e r s e c t i o n s e c t i o nb e t w e e ni n t e r s e c t i o n sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nu r b a nr o a ds y s t e m t h ef l o wi ns e c t i o nb e t w e e ni n t e r s e c t i o n si sc h a o sa sab o t t l e n e c ko fu r b a nr o a d s y s t e mb e c a u s et h ef l o wi nt h en e x ti n t e r s e c t i o nv e e r sa n di si n t e r l a c e do p e r a t i o ni n t h es e c t i o n s t h e p r o b l e m s o fs e c t i o n sb e t w e e ni n t e r s e c t i o n s a r e a n a l y z e d d i f f i c u l t l ya n dm o s ta r el a k eo fp r o f o u n dr e s e a r c hb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t vo f f l o wo p e r a t i o n t h i s p a p e ra n a l y z e sc u r r e n tr o a ds e c t i o nb e t w e e ni n t e r s e c t i o n s a n a l y s i s m e t h o d sa n dac a p a c i t yd e t e r m i n a t i o nm e t h o df i r s t l yb a s e do nt h es u m u po fr o a d c a p a c i t yr e s e a r c hl i t e r a t u r e ，a n dt h e n g e n e r a l i z e s t r a f f i cf l o w o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c si nr o a ds e c t i o nb e t w e e ni n t e r s e c t i o n s ，l a n ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ha n a l y s i so ff i e l ds u r v e y a tl a s tt h ep a p e rc o n c l u d e st h ei m p o r t a n tf a c t o r s w h i c he f f e c t st r a f f i cf l o wo p e r a t i o ni nr o a ds e c t i o nb e t w e e ni n t e r s e e t i o n s ，a n a l v z e s h o wt h e s ef a c t o r si n f l u e n c e st r a f f i co p e r a t i o na n dc a p a c i t ya n ds t u d i e st r a f f i cf l o w m o d e lw h i c hi sr e l a t i v ew i t ht r a f f i cf l o wo p e r a t i o ni n r o a ds e c t i o nb e t w e e n i n t e r s e c t i o n s o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c h ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h em o d e l o fr o a ds e c t i o n c a p a c i t yb e t w e e ni n t e r s 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 y , p r o b a b i l i t yt h e o r ya n ds oo na n dt h e na p p l i e sv i ssi ms i m u l a t i o ns o f t w a r et o s i m u l a t ea n ds t u d i e so ns e c t i o nb e t w e e ni n t e r s e c t i o n s k e y w o r d s ：i n t e r s e c t i o n s ；c a p a c i t y ：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 ；h e a d w a y 插图清单 图2 1 交叉口问路段地点调查仪器布置图7 图3 1 交织区运行图10 图3 2 交织流量比为l 和o 1 1 图3 3 交织车辆接受空档统计分布1 3 图3 - 4 车辆跟车时距统计图1 5 图4 1 车辆跟驰运动示意图1 7 图4 2 判断请求换车道行为的间隙关系1 9 图4 3 加速合流中的有效安全间隙2 0 图4 4 减速合流中的有效安全间隙一2 1 图5 1 非跟车车头时距2 4 图5 2 单车道匝道连接区运行图式2 6 图6 1 交叉口问路段示意图2 8 图6 2 车辆换车道过程示意图2 9 图7 1 模型标定流程3 5 图7 23 0 0 米交叉口间路段交通仿真3 d 图3 5 图7 34 0 0 米交叉口问路段交通仿真3 d 图3 6 4 表格清单 表2 1 调查仪器种类、数量和作用6 表6 1 不同车型车辆换算表2 7 表6 2 交叉口间路段双向4 车道理论通行能力计算值31 表7 1 微观仿真模型一览表3 3 表7 24 0 0 米双向4 车道交叉口间路段通行能力结果比较一3 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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 金目里王些盔堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：嘉者咧迅嘱签字日期7 年辟月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目墨王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒筵些塞 堂一可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲鼎蜩内 签字日期：劢铲牛月占日 学位论文作者毕业后去向： 上作单位： 通讯地址： 翩魏吼 签字日期砂7 年牛月忍日 电话： 邮编： 致谢 经过近三年的努力，论文终于完成，感慨万千，为自己能够顺利完成学位 论文而感到欣慰和自豪。在这期间，各位老师、同学、师兄师姐、师弟师妹给 我极大的关心和帮助。在此，由衷的向你们表示诚挚的感谢! 感谢我的导师张卫华老师，在我两年半的研究生学习生涯中对我的谆谆教 诲。您的孜孜以求的敬业精神、独到的学术见解、严谨治学的态度，使我受益 终身，再次向张老师表示我衷心的感谢和深深的敬意。 感谢黄文娟老师、丁恒老师、黄志鹏老师、郑晓燕老师、姜平老师等各位 老师给予的热心帮助和支持，使我能够顺利的完成学业。 感谢董瑞娟、孙浩、林丽凡、李静、王钊、王婷婷、唐丽娜等同学和各位 师兄师姐师弟师妹在学习生活上对我的关心帮助，使我在两年半的研究生学习 生涯中充满了欢乐和感动。 最后感谢我的家人。是你们在背后默默支持我，帮助我，是你们无私的爱 给予我战胜一切的勇气，让我在人生的道路中勇往直前，你们是我前进的最大 动力和源泉。 在此，万分感谢关心、支持、帮助和鼓励过我所有人，谢谢你们! 林明涛 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 伴随着城市机动车数量的快速增长，城市交通拥挤堵塞越来越严重，交通 道路系统的负荷不断增大。为了应对日益突出城市交通问题，现今对城市道路 系统通行能力的研究也越发深入，其研究成果在城市道路交通设计、建设中也 得到广泛的应用。 交叉口间路段作为城市道路系统的重要组成部分，其通行能力的大小对城 市道路通行能力有着直接的影响，对其进行相关的分析研究显得尤为重要。交 叉口问路段内由于在下一个交口车辆所选取的前进方向不同，在运行过程中需 要不断的进行车道变换，形成车流的紊动，从而造成了交叉口问路段的通行能 力要小于基本路段的通行能力，成为影响城市道路系统通行能力的重要因素之 一o 本文以城市道路交叉口问路段为研究对象，借鉴已有的研究成果，对我国 城市道路交叉口间路段运行特性进行研究，并进行相应仿真模拟验证，提出了 符合我国城市道路交通特点的通行能力模型。 论文的研究意义主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 有助于改善交叉口间路段对道路系统的影响 交叉口问路段内的车辆频繁进行车道变换行为使交通流由平顺、稳定运行 转变为交叉、紊动运行，成为道路系统的瓶颈路段，造成了交叉口问路段的通 行能力低于基本路段的通行能力。交叉口问路段内一旦发生交通拥挤、堵塞， 将不仅仅影响该路段，而且还会影响到更远路段上车流的有效运行，并且拥堵 的消散时间一般都较长。所以，对交叉口问路段交通运行特性的研究将有助于 降低或消除其对道路系统所产生的瓶颈影响，有助于提高整个道路系统的通行 能力和服务水平。 ( 2 ) 有助于准确分析交叉口问路段的通行能力 交叉口问路段车辆运行特性分析是预测交叉口间路段通行能力的基础和前 提，由于交叉口间路段内交织区的复杂性，使得通行能力参数难以准确获得。 通过研究交叉口问路段交织区特有的交通流特性，探索新的交通思维和理念， 寻求新的突破和切入点，从车辆运行机理分析入手，综合考虑多种影响因素， 把握交叉口间路段内车辆的运行规律，可为交叉1 ：3 间路段通行能力的准确获得 提供理论基础。 ( 3 ) 有助于评价交叉口间路段交通设计方案 通过对给定交通条件下交叉口问路段车流运行特性分析，可以设计或改进 满足该需求条件下的道路交通工程设计，为城市道路设计工作提供理论分析依 据，从而使城市道路从技术上和经济上都得到优化。另外，通过对已有交叉口 间路段分析，可以确定该路段当前的服务水平，可使其与整个道路的服务水平 进行比较，对其服务状况做出恰当的评价，从而确定是否采取相应的改善措施 以提高交叉口问路段的运行效率和安全。 ( 4 ) 有助于完善城市道路设计标准 我国城市道路系统的交通运行在路况条件、车辆性能、交通组成、驾驶行 为等方面都具有不同于国外其他国家的运行特征，交叉口问路段作为道路系统 的重要组成部份，对它的分析将有助于完善适合我国实际情况的城市道路相关 设计标准，对于推动我国城市道路的建设和发展将具有重要的理论意义和实际 意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 目前，欧美等国在道路通行能力研究方面一直处于国际领先地位，尤其以 美国居首。1 9 5 0 年美国交通研究委员会( t r b ) 出版了道路通行能力手册 ( h i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l ，简称h c m ) 第一版，随后于1 9 6 5 年修订出版了第二 版h c m ，首次提出了服务水平的概念，将服务水平划分为a f 六个等级。a 级服 务水平为提供高于实际通行能力的服务标准，而f 级服务水平的提出则涵盖了速 度一流量曲线的下半部分，从而全面反映了车流运行状态。第三版h c m 于1 9 8 5 年问世，与前两版相比，第三版除详细论述了一般公路与城市道路的通行能力 外，又增加了分析高速公路、自行车道、人行道和无信号交叉口等交通设施通 行能力的内容。随着时间的推移，车辆拥有量、交通条例和交通行为均发生 了变化，美国的道路通行能力手册仍在继续修订中。1 9 9 4 年n1 9 9 7 年又先后对1 9 8 5 年第三版中的部分内容进行了修订，更新的章节包括定义和概念、交通特性、 高速公路基本路段、匝道及匝道连接点、多车道公路、信号交叉口以及无信号 交叉口等。2 0 0 0 年又再次修订出版了新的第四版h c m ( 命名为f i c m 2 0 0 0 ) 。h c m 2 0 0 0 不仅给出了各种道路设施的分析技术，而且第一次对整个交通系统运行特性进 行了评价，并且确立了仿真方法和其它模型技术在道路通行能力及服务水平分 析中的作用心1 。 继美国之后，许多西方发达国家如瑞典、日本、德国、加拿大、澳大利亚 等国，均根据本国实情组织专门研究队伍开展了这方面的实地调研，编制出版 了各自的h c m 手册。例如：1 9 7 7 年瑞典出版了瑞典通行能力手册，1 9 8 4 年加 拿大出版了加拿大信号交叉口通行能力规程，1 9 8 6 年日本出版了道路通 行能力，1 9 9 4 年德国出版了德国通行能力手册( h b s ) 。二十世纪八十年代 至九十年代初，一些发展中国家如印度、巴西、印度尼西亚、马来西亚等也在 2 各国政府的支持下，纷纷开展道路通行能力研究，编制出版适合各自国情的通 行能力手册。 1 2 2 国内研究概况 在国内，1 9 9 1 年交通部发布了城市道路设计规范；东南大学王炜教授， 北京工业大学任福田教授、荣建博士、长安大学严宝杰教授，同济大学邹智军 博士、杨东援教授等针对高速公路基本路段运行特性和通行能力进行了相应的 研究h 引；交通部科学研究院周伟教授和长安大学王秉刚教授则对路段通行能 力及服务交通量进行了理论研究，在全面分析行车间距特性的基础上，提出了 路段通行能力分析的理论体系和新定义，从而实现了交通流理论和通行能力分 析的协调统一n 引；寇学智在文献【9 中论述了近6 年来我国公路通行能力研究的 状况、取得的成果及其研究前景；张鸿艳在其论文中探讨道路路段的通行能力 和交叉口的通行能力的计算方法n 引；同济大学的陈建阳以改进的微观跟车模型 为基础，利用交通流稳态特性和概率统计方法得出了交通流宏观统计模型。首 次在严格的理论意义上使交通流微观模型和宏观统计模型得到了统一3 。 1 2 2 国内外研究问题分析 当前国内外对道路通行能力的研究很多，但对两交叉口间路段通行能力的 研究却很少。在仅有不多的对两交叉口问路段的通行能力研究中，也都注重于 研究交叉口问路段长度对交叉口通行能力的影响，如周荣沾在城市道路设计 n 幻中对交叉1 ：3 间距对路段通行能力的影响进行了相应的研究。但都没有考虑到 交叉口间路段交通车辆由于在进入下个交叉口所选取的前进方向不同，而产生 特有的交通运行特性对交叉口问路段通行能力的影响。 1 3 研究内容 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 交叉口间路段车辆运行数据的调查与分析。在已有调查分析的基础上， 制定调查方案，进行相应的补充调查，对影响交叉口间路段的道路交通特性的 主要因素进行筛选。 ( 2 ) 交叉口间路段影响因素和运行特性研究。交叉口问路段内的车辆运行 的关键特征是进入路段后，有部分车辆必须在一定的路段长度内进行车道变换， 因此造成路段内交织区交通运行紊乱、车头时距增大和通行能力降低。交叉口 问路段通行能力不仅仅受路段各车道的车速、车流车头时距、交通量分布、交 织车辆和非交织车辆的比率、车型比例等交通特征参数的影响，还受到路段横 断面类型、路段长度、车道宽度、设计车速等道路因素的影响，应对其进行综 合分析研究确定影响交叉口问路段内车辆运行的主要因素，并同时分析它们对 路段内车流运行所产生的影响。 ( 3 ) 交通流模型的分析运用。本文分别对车辆跟驰模型、换车道模型、间 隙可接受理论、车头时距模型等交通流模型理论的应用和发展进行了研究，并 对其在交叉1 3 间路段中的应用进行相应的研究，揭示了交叉口问路段的运行规 律。根据现有的有效安全间隙分析方法，考虑运行车辆安全停止所需时间和在 变换车道过程中加减速所需时间，并根据间隙可接受理论和动力学理论分析了 交叉口间路段车辆运行的换车道特性，确定了有效安全间隙。 ( 4 )交叉口问路段通行能力模型研究。讨论通行能力模型的发展及其用 到的假设，在对道路交通流模型研究和分析的基础上，应用间隙可接受理论、 概率理论等方法建立交叉口问路段通行能力模型。交叉口间路段通行能力模型 以路段的极限交通流率为目标函数，以交叉口间路段的路段交织交通量的交织 流量比、路段主线车流有效车头间隙可接受的概率、路段主线上的车头时距分 布为约束条件。 ( 5 ) 交叉口问路段交通模拟仿真分析及模型验证。应用v i s s i m 交通仿真 软件对交叉口问路段交通进行模拟，分析影响交叉口问路段通行能力的模拟仿 真因素。用校准的模型对交叉口问路段通行能力进行求解，将仿真值与理论模 型计算值进行比较，验证模型。 1 4 研究方法 ( 1 ) 对一些典型交叉口间路段进行实地勘察，对比分析其路段和交通流的 特征特点，研究其路段和交通流是否能满足调查方案的所需条件，从而确定所 需要进行实地调查采集数据的交叉口问路段地点。 ( 2 ) 详细分析交叉口间路段道路和交通的影响因素，研究交叉口间路段交 通运行特性和路段统计特性，确定影响交叉口间路段交通的各种指标，结合国 内外对交通流模型研究的成果，同时通过反复的研究检验，确定交叉口间路段 的交通流模型，从而建立交叉口间路段的通行能力理论模型。 ( 3 ) 模型的仿真可借助现有的模拟仿真软件v i s s i m 进行，分析影响交叉 口问路段通行能力的模拟仿真因素，并进行相应的模型标定验证，运用e x c e l 、 a c c e s s 等数据分析软件对实地调查数据进行分析，将各类数据进行计算比较， 验证模型的合理性。 4 第二章交叉口问路段交通数据采集分析 2 1 调查目的 通过现场观测调查，分析研究交叉口间路段内车辆的运行情况、交通流量 变化情况、车头时距在不同交通量水平下的分布规律、交织车辆交织行驶特性、 路段长对车辆运行的影响等。将调查数据组成一个交叉口间路段车辆运行的数 据库。通过大量统计，分析交叉口问路段交通流特性背后的深层次原因，为进 步研究交通行为打下基础，为建立相应的通行能力模型以及模型标定与验证 提供依据。 2 2 调查内容 此次交叉1 ：3 问路段的交通调查属于抽样调查。调查内容为交织区交通运行 的有关特性参数，包括下列方面： 路段几何条件：相交道路等级、道路类型、路段长度、路段内车道数、车 道宽度、平面线型纵坡、横断面构成，排队车道长度等； 路段交通数据：总交通量、路段间交织交通量、各交通量的车道分布等； 路段交通运行数据：交织车辆速度、非交织车辆速度、总平均速度以及各种 车型比例等。 2 3 调查方案 2 3 1 调查地点的选择 对调查地点的选择主要目的在于所要调查的地点能够得到正确反映交叉口 问路段交通流特性的数据。调查地点的选择必须以满足数据的后期分析要求为 依据，选点应具有代表性，调查地点的选择主要有以下几个原则： ( 1 ) 一般情况下，所选交叉口间路段附近有制高点，有较好视野，有利于 观测，并适合于架设摄像机： ( 2 ) 交叉口问路段所在的位置最好没有平曲线和没有较大的纵坡； ( 3 ) 交叉口间路段长度应尽可能选择在5 0 米以上、8 0 0 米以下； ( 4 ) 各调查地点的交叉口间路段长度应尽可能不同； ( 5 ) 调查交叉口问路段内交通流量应满足调查需求。 2 3 2 调查仪器的选择及人员配置 采集数据的主要观测设备为交通数据采集仪、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叉口间路段平面的交通过程。 每个调查地点需要的人员为： 交通数据采集仪操作( 编程，读取数据及铺设) 人员，4 人； 摄像机操作人员，2 人； 另外，该调查地点整体协调、流动人员1 人。 由于一般都是晚上铺设交通数据采集仪，白天录像，所以共需要5 人调查 地点即可。 每个调查地点进行调查所需的仪器设备如表2 1 所示： 表2 1 调查仪器种类、数量和作用 仪器数量( 个)用途 交通数据采集仪1 2 1 6 用以记录流最车速、车头间距等数据 射钉枪、子弹等 2用来将交通量采集仪固定于路面 摄像机2用以拍摄整个交叉口平面的交通过程 雷达枪 l 用来记录若干单车的速度 2 3 3 调查地点的布设 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 叉口间路段开始和排队车道开始前断面处各车道布置一排。交叉口问路段内部 根据路段长度布设，当路段长度在2 5 0 米以下时，在路段进口7 5 米和路段排队 车道前7 5 米处各布设一排交通数据采集仪；当交织区长度5 0 0 米以下时，在路 段进口1 5 0 米处和路段排队车道前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，则应布置在路段进口2 0 0 米处和路段排队车道前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。 2 3 4 调查工作实施步骤 ( 1 ) 人员培训和调查准备 人员培训内容包括调查步骤和调查注意事项、仪器设备的操作方法等。调 查准备包括维修和调制仪器设备，准备调查过程中需要的耗材，联系协调交通 管理部门等。 ( 2 ) 人员分工 调查准备工作如布设、安装和拆卸交通数据采集仪由全体人员来完成；交 通数据采集仪和数据存取由专门人员进行；摄像机摄像由专门一人操作和负责 工作，另一个人辅助操作；流动人员辅助和整体协调各工作的正常进行。做每 一项工作的人员都要相应地把自己的调查表格填写清楚。 ( 3 ) 布设仪器和设备 6 按图2 1 所示布设各种仪器和设备。其中：位置标识的地标当交织区长度 在2 5 0 米以下时每隔2 0 米布置一个，当在5 0 0 米以下时每隔5 0 米布置一个， 当在5 0 0 米以上时每隔7 5 米布置一个；当条件不允许时，也可以不布置，车辆 运行的特征由车道标线和路旁的灯柱看出。 布置时，交通数据采集仪应分别在交叉口间路段开始和排队车道开始前断 面处各车道布置一排。交叉口间路段内部根据路段长度布设，当路段长度在2 5 0 米以下时，在路段进口7 5 米和路段排队车道前7 5 米处各布设一排交通数据采 集仪；当交织区长度5 0 0 米以下时，在路段进口1 5 0 米处和路段排队车道前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 路段进口2 0 0 米处和路段排队车道前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摄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。 ( 4 ) 调查实施 ( 5 ) 调查结束，整理仪器设备 交通数据采僚器交通数招采艇； 交通数锕采架 l o 一 o o o o o k 厂、 厂、 厂、 ，l 尸厂尸 图2 1 交叉口问路段地点调查仪器布置图 2 4 采集数据处理分析 2 4 1 处理方法 利用交通采集仪自带的数据管理软件h d m 对交通流量计进行设置及下载 它所保存的交通调查基础数据并处理交通流量、车速、车型、占用率等，并导 出相应的数据图表文件。应用相应的软件如e x c e l 等进行全面和更为深入的统 计分析。 7 2 4 2 有效性分析 交叉口问路段交通流数据的采集过程选择在正常的工作日进行，调查日期 内大气状况良好，观测路段运行数据中包含了早、晚高峰小时交通量及低峰小 时交通量，数据包含的交通流量及交通流运行状态的变化范围较大，对于研究 交叉口问路段交通流运行特性，进行交叉口问路段交通运行分析十分有利。通 过现场实际观测发现，路段的交通流通常遵循以车队的方式到达，在出现拥阻 现象时，更多地表现为走走停停现象，也就是说，在短期时间段内交通流的运 行状态可能会发生很大的变化。因此，为了能更真实反映交叉口间路段车流数 据信息及其在不同时段的交通状态，本文采用以1 分钟的时间间隔作为一个统 计样本点。根据数理统计原理要求，若期望置信水平选择9 5 ，并考虑百分位 车速的要求，则可计算出交叉1 5 1 问路段( 按三车道计) 需要观测车速的最小样本 量为1 0 4 n3 l 。若以1 5 分钟作为观测统计间隔，则观测时间为( 1 0 4 1 5 ) 6 0 = 2 6 小时；若以5 分钟作为统计间隔，则观测时间为( 1 0 4 5 ) 6 0 = 8 6 7 小时：若 以1 分钟作为统计间隔，则观测时间为( 1 0 4 1 ) 6 0 = 1 7 3 小时。这表明，只 要一个观测点的连续观测时间满足2 6 小时( 1 5 分钟统计间隔) 或8 6 7 小时( 5 分 钟统计间隔) 或1 7 3 小时( 1 分钟统计间隔) ，就可以满足最小样本量的要求，使 观测的数据具有代表性。而实际观测时间均为1 2 小时( 早6 ：0 0 晚1 8 ：0 0 ) ，样本 量充分满足要求。 2 5 本章小结 总结本章内容，主要包括： l 、在确定调查目的的基础上，对调查内容进行了详细分析，并确定了相关 的调查参数； 2 、针对交叉口问路段交通运行的特点，制定了与之相适应的调查方案内容， 并对调查地点、调查仪器的选择、调查地点的布设、调查的实施步骤等进行了 详细的说明； 3 、对调查采集数据的处理方法和有效性进行了详细的分析。 第三章交叉口问路段交通运行特性 交叉口问路段车流，因在下一交叉口有固定的转向进口道，车辆在路段中 要根据自己的需要进行有目的的换车道行为，产生交织。交叉口间路段的交织 区的通行能力主要受交织区长度、车道数、交织区交通量比、交织比及运行速 度等因素的影响。本章通过研究交叉口问路段交织区交通流的特性与行为特征， 对影响交织区运行特性的多种因素进行分类分析，明确它们对交织区交通流的 运行所产生的影响。 3 1 道路影响因素 3 1 1 交叉口问路段长度 交叉口问路段长度分为交织区长度和排队车道长度两部分。交织区长度定 义为第一个交叉口的出口道到下一个交叉口进口道的排队车道之间的长度。它 对交织区运行的影响表现为驾驶员驾驶车辆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( 小于3 0 m ) ，车辆完成一次车道变换实际是等待主流交通流中的可穿 插间隙，和无信号控制交叉1 2 1 的穿插间隙问题相同n 们；另一种极端情况是交织 区足够长，则交织区分解为合流点和分流点，期间的路段则和基本路段上的车 道没有什么区别。因此当交织区段长度缩减时( 所有其它因素不变) ，车道变换 的频率和因此导致的交通流紊流等级都要增加。 3 1 2 交叉口间路段车道数 交叉口问路段车道数是影响路段通行能力的一个重要影响因素，而且其也 是影响交织区段车流交织运行的一个重要参数。由于路段间车流交织运行的自 身性质导致了交织区交通流不同程度上的紊乱。因此，交织车辆要比非交织车 辆需要占用更多的车行道空间，但交织车辆与非交织车辆相对的车行道空间使 用关系不仅由交织和非交织交通量的相对关系来确定，而且由交织车辆所必须 进行的车道变换数来确定。 交叉口问路段车道数量的多少是路段总通行能力的量度，路段间各条车道 的通行能力之和反映了路段总通行能力的大小，而且也反映了路段的交织段总 通行能力的大小，体现了交织区承担交通服务的能力。但车道数的增多，不仅 会使换车道车辆的行驶距离过大次数过多，而且还会相应产生除换道交织运行 之外基本路段上的一些交通问题。所以，交叉口问路段车道数对路段的通行能 力的影响作用是显著的。 3 1 3 交叉口问路段平横纵断面 事实上，道路的平横纵断面的设计合理与否对行车的安全与舒适起着十分 9 重要的作用。在道路系统中，道路的平横纵断面对驾驶员产生直接的影响，而 驾驶员的视觉连续、心理感受等又都将直接影响着车辆的行驶速度的变化。驾 驶员对前方道路特征的感受是一个重要的人性因素，当车辆行驶在道路平曲线 和竖曲线的组合路段时，驾驶员尤其容易对平面曲率产生错觉，这种错觉可能 会危及设计连贯性，因为当感觉到平面曲率平缓或急剧时，驾驶员就会相应地 增大或降低车速，如果把急剧的曲线看成是平缓的而采用较高的车速行驶，将 会导致交通事故。 由此看出，如果假定其他条件不变，交叉口问路段的平横纵断面形式将对 路段内的交织车流和非交织车流的运行速度产生直接的影响。因此，本文把交 叉口间道路的平横纵断面形式也作为影响其交通通行能力的特性的几何因素之 一加以说明。 3 2 交通影响因素 3 2 1 交织流量比 q - 1 q 睨 图3 - 1 交织区运行图 交织流量比y r 是交织区内交织交通量和总交通量的比值，如图3 1 所示， 即( 绋+ 鱿z ) ( 绋，+ q w 2 + q s + g 。因为交织交通流也是总交通流的一部分，故 其具有与交织区总交通流相同的属性，作为影响交织运行的主要因素之一，该 影响参数直接反映了总交织交通量的大小，一定意义上可以表征交织区内交通 流的紊动程度。首先考虑一种极端的情况，假设当交织流量比豫等于0 时，这 时车流通过交织区时不进行任何交织操作全部都保持各自的行驶方向，因为没 有车道变换过程，故交织区内交通流不会出现紊流特征，此时交织区同基本路 段一样不再是道路系统中的瓶颈路段，各车道车流的速度、密度、流量之间会 保持稳定的相互关系，交织区的通行能力为各自车道的通行能力之和，但随着 交通量比的增大，用于交织的车流增多，交织区内交通流的紊动程度就会逐渐 加剧；另一种极端情况是，当交织流量比凇等于1 时，交织区内运行的车辆全 部成为交织车辆，车道变换最为频繁，两股交织车流中的可接受间隙同时被相 互利用，交织区内交通流的紊流等级达到最大。 l o 一三三三三三三；- 兰 图3 2 交织流量比为1 和0 在实际情况中，交织流量比豫的值介于0 和l 之间。因交织是交织区交通 流运行的关键特征，是造成交通流紊乱的主要原因，故交织交通量比值的大小 对交织区的交通运行状态、运行效率以及通行能力都具有重要的影响。 3 2 2 交织比 交织比是指两个交织流中较小的交织流量占总交织量的比值，如图3 - 2 所 示，如果锄。比鲸：小，则交织比是指锄。( q w 。+ 鲵：) ，其大小可直接反映出交 织车流的运行情况。交织比的值不会超过0 5 ，也不可能等于0 ，而是介于0 与 o 5 之间的一个值，即r ( 0 ，0 5 】。所以即使在总交织交通量保持不变时，交织 比对交织区的运行影响也是很明显的。当交织比增加时，交织交通量的平衡分 配结果会使得间隙得到更有效利用。 3 2 3 交织车辆运行速度( ) w ) 和非交织车辆运行速度( ) 一) 在美国道路通行能力手册( h c m 2 0 0 0 ) 和交通工程学n 5 1 中对交织和 非交织车辆的运行速度的计算公式为： 瓯或鼠w = 2 4 l + i i 面j 酉孬可8 再u 可4 7 了万7 丽 3 1 ) 式中，a 、b 、c 、d 均为常数，其值对a 、b 、c 三类构型交织区在约束和非约束 运行形式下均有具体标定。 由公式3 1 可看出，其它影响因素的变化都会引起交织与非交织速度的变 化，运行速度的变化是诸影响因素集中作用的结果之一，进而影响到车流的交 织过程。但公式3 1 是适用于高速公路，并且在交叉口问路段的构造类型是一 定的，所以对于公式3 1 并不适用于交叉口间路段的交织区车辆的速度运行情 况，应对其进行相应的研究推导。 3 3 交叉口问路段交通运行特性与分析 在交叉口问路段的交通流运行状况就是车流之间的相互作用。车头间距分 别服从各自分布的两股或多股车流从上一交叉口出口道方向驶入交叉口问路段 的交织区后，伴随车流的前行，交织车辆随时判断相邻车道上另一股车流中是 否存在有合适的车头间隔，根据判断结果决定是否进行车道变换，然后选择适 当的穿插间隙和位置，并在交织长度内完成操作。经过车道变换的交织车流各 自以一种新的车头时距分布进入下一个交叉口的进口道的排队车道中。交通流 进入交叉口问路段后，表现为平均运行速度降低、流量减少以及平均车头时距 的增大。 3 3 1 交叉口问路段车辆跟驰特性分析 车辆跟驰特性描述了车流中车辆之间的相互影响、跟驰行驶，并形成连续 交通流的特性。车辆的跟驰特性受驾驶员心理、车辆性能、交通流特性和环境 特性等众多因素的影响，交叉口问路段如果与基本路段上车辆的跟驰行为作比 较，还存在车辆运行主要目的不同。 交叉口问路段交织区内行驶的交织车辆必须在交织区长度限制内完成车道 变换，所以交织车辆运行时往往不是追求最大的直行速度，保持和前导车辆之 间的最小车头时距，而是在前进过程中寻找相邻车道车流中合适的可插入间隙。 交织车辆的这种特性导致了当与前导车辆间的车头时距增大时，也不急于加速 紧跟，甚至在一定程度上反而会因等候相邻车道车流中的可插入间隙而减速。 而对于交叉口间路段交织区中的非交织车辆则期望尽可能避免与交织车辆 相互影响而追求尽可能大的直行速度，因而非交织车辆与前导车辆之间的跟驰 行为与基本路段上相似，有保持最小车头时距的趋势，但由于总会受到交织车 辆的影响，导致有效的行驶空间损失，车头间距增大。 3 。3 2 交叉口问路段车辆换车道特性分析 换车道特性是交叉口间路段交通运行分析中必须考虑的一个重要问题。由 于各车道交通流中的交织车辆需要转向下一个交叉口进口道的期望排队车道， 因此路段中的期望转向车辆必然要进行车道变换操作。和基本路段上相比，交 叉口问路段的交织区内车辆的车道变换行为也有不同特点。基本路段上，车辆 在行驶过程中的车道变换一般出于超车目的，并且随时根据变换车道的可能性 决定是否进行车道变换，具有可选择性；交叉口问路段交织区的车辆变换车道 时，由于该车道变换操作必须在交织区长度内完成，所以，受交织区长度的限 制，交织车辆必须在交织区内行驶过程中找到变换车道的可能性并实现其操作， 否则，就只好在交织区内被迫减速等候这种可能性的出现，从而造成交织区拥 堵。一定条件下，驾驶员还有可能牺牲一定的安全水平而冒险进行车道变换。 所以，交叉口路段交织区内的车道变换比基本路段上的操作约束性更强。 车道变换是交织区车辆运行的基本操作，也是造成路段交织区车流运行速 度降低、车流运行紊乱，是交织区交通运行的主要矛盾。正是由于需要进行车 道变换，交织车辆才需要寻找可接受间隙，进而影响本车道和相邻车道的车流 运行，并对非交织车辆造成影响。所以，车道变换是交叉口间路段交通运行的 关键。 3 4 交叉口问路段统计特性分析 1 2 3 4 1 交叉口问路段交织车辆的间隙可接受空档 间隙可接受空档是一个特定大小的车头间隔，其含义是，当车头间隔大于 该可接受空档时，司机就会认为变换车道并汇入相邻车道车流中的操作是可行 的，而当小于该可接受空档时，则认为是有危险的。因此，交织车辆在行驶过 程中，首先确定相邻车道上的相邻车头空档是否为可接受空档，当是可接受空 档时，则可能考虑并道合流，否则只好重新寻找下一个可能。所以，最小的间 隙可接受空档确定是准确把握交织操作行为的关键，对于恰当地刻画车辆交织 过程并进而建立分析过程是重要的。确定间隙可接受空档大小是个复杂问题， 通常根据实际车流运行中交织车辆采取车道变换时接受的空档统计结果进行分 析确定。一般有两种方法n 引：一种是5 0 位空档值法，即是将交织车辆能穿 越的空档值记下，然后做累积频率曲线，选用5 0 位空档值作为可接受空档值； 二是临界值法，即统计有交织要求的车辆能够穿越不同空档的次数和不能穿越 空档的次数，然后绘制成如图3 3 所示的两条曲线，曲线的交点即为可穿越空 档的临界值。个别文献上有用平均值法的，其和方法1 大同小异。 图3 - 3 交织车辆接受空档统计分布 交织车辆变换车道时可穿越空档的临界值。用方法l 求的临界值是2 6 2 s ， 用方法2 求的临界值是2 5 6 s ，所以本文中，认为司机进行车道变换所需的相邻 车道上提供的最小可接受空档为2 6 5 。通过与无信号交叉口车流穿越空档所需 的临界间隙比较来看，这一数值远小于无信号交叉口次要车流穿越主要车流所 需的临界车头空档，分析其原因，主要有三方面：一是两者的运行状态不同， 交叉口问路段的交织车辆的速度要大于交叉口内的次要车流的运行速度，交织 车辆还可以方便地通过加减速来选择前后较近的空档，所以行驶同样的距离， 需要更少的时间；二是交叉口间路段的交织车流虽然在下个交叉口所选择不同 的流向，但不像交叉口那样有明显的主次之分，没有让行规则，交织车辆进行 车道变换比次要车流穿越主要车流迫切得多，不论相邻车道的空档是大还是小， 交织车辆总是想方设法的要挤过去；三是在交织穿插过程中，交叉1 5 1 问路段的 交织车辆的交织角度要远小于交叉口，便于车辆交织。 3 4 2 交通量在交叉口问路段车道内的分布及其车速变化 车辆对交叉口问路段断面的利用方式影响路段的运行效率。所以交通量车 道分布在交叉口间路段通行能力问题中是一项重要内容，对于交叉口问路段交 通流模拟、交叉口间路段交通分析等具有实际意义。 陈金川在对交织区的实测数据统计分析认为n6 1 ：车辆进入交织区后，在大 流量情况下，所有车辆包括交织车辆和非交织车辆都有明显的减速过程，但相 比之下，内侧车道受的影响较小，外侧车道受的影响较大，表现为由内向外车 道上车流的减速幅度由小到大；小流量情况下，内侧车道只受到轻微的影响， 而匝道交织车道出现加速过程。出现这种过程，是因为小流率条件下，交织运 行不构成主要矛盾，主路的期望车速比匝道的高，所以表现出汇入主路的匝道 车辆出现加速过程，而主路车辆不受其影响。而交叉口问路段车辆的运行也具 有相似的特性，在交叉口间路段内同一断面内，运行车速由外侧向内侧依次增 加，这与其他的交织区的车速分布特征相同，对于每一条车道上的车流，随着 流率增加，车速的离散程度减小，同时，内侧车道车速的离散程度大于外侧车 道车速的离散程度。流率增加，车辆的跟驰行为加强，车辆之间相互牵制，离 散程度减小是正常的内侧车道车速的离散程度大于外侧车道，也体现出内侧车 道车流受到交织影响较小。一般来说，交织区由外侧向内侧，车道空间的占有 强度依次递增。交织行为主要在外侧车道进行，内侧车道车辆所受干扰较小， 车流中除了交织车辆外，都希望尽量减少或避免交织干扰，因而非交织车辆向 内侧车道汇集，以获得平稳的行驶车速和假设自由度。交织区内车辆的车道分 布基本上具有稳定的比例，这说明，在流率变换的整个范围内，车流都有尽量 占用内侧车道的趋势。随着流率的增加，不得不占用最外侧车道的车辆数有所 增加。 3 4 3 交叉口间路段交织车辆的跟车时距 车辆跟驰特性描述了车流中车辆之间相互影响、跟驰行驶，形成连续交通 流的特性。车辆的跟驰特性受众多因素的影响，比如驾驶员心理