（光学工程专业论文）高速公路合流区车辆运行模拟与评价研究.pdfVIP

高速公路合流区车辆运行模拟与评价研究 摘要 高速公路合流区车辆运行模拟与评价研究是高速公路管理与控制研究的重 要部分，规范、科学的合流区设置是高速公路实现匝道控制的前提，因此，高 速公路合流区车辆运行模拟与评价研究对进一步完善我国高速公路管理与控 制等相关法规具有一定的现实意义。 本文在大量实验调查数据的基础上，分析了匝道车辆汇入主路车流的三个 状况，针对三种状况，建立了匝道车辆在主路车流不同交通负荷下的车流汇入 概率模型、匝道车辆在加速车道上的行驶距离模型和算法；建立了合流区交通 仿真模型，模拟了我国大部分公路很难观测到的大交通量下的合流运行，便于 详细观察系统在各个时刻的状态。仿真模型可以模仿车辆在高速公路合流区运 行时的合流、跟驰、等待、加速等各种行驶行为，得出车辆的速度、密度、排 队和延误的大小，由此表现交通运行特征与其影响因素的数值关系；运用现场 观测和计算机仿真模拟等方法，得出了我国高速公路合流区主路车流车头时距 分布，确定了研究合流区服务水平的主要分布为负指数分布、2 至3 阶爱尔朗分 布。 本研究通过对加速车道长度和合流区服务水平关系的评价，修正了加速车 道长度，对我国公路路线设计规范j t j 0 1 1 - 9 4 中加速车道长度偏短的缺陷提 出了改进方法和建议值，研究成果对于改进现有高速公路合流区的设计有显著 的现实意义。 关键词：高速公路合流区加速车道评价管理服务水平 t h et r a f f i cs i m u l a t i o na n de v a l u a t i o no f m e r g i n g - a r e a o n f r e e w a y a b s t r a c t t h et r a f f i cs i m u l a t i o na n de v a l u a t i o no fm e r g h a g - a r e ao n f r e e w a yi s a n i m p o r t a n ti s s u ea b o u t 锄cm a n a g e m e n t a n dc o n t r 0 1 n 圯r e a s o n a b l es e t t i n gi st h e f o r e f r o n to f t b er e a l i z a t i o no f t h er a m pc o n t r o lo f f r e e w a y b a s e do nap l e n t yo fs u r v e yd a t a , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h et i m eh e a d w a y d i s t r i b u t i o no ft h em a i nr o a d w a yo nf r e e w a ym e r g i n g a r e aa n dc o n f i r m st h em a i n d i s t r i b u t i o no f s m d y h a g o ns e r v i c el e v e lo f m e r g i n g - a r e aw h i c h c o m p l y w i t h n e g a t i v e e x i ) o n e n td i s t r i b u t i o n ，2r a n ke r l a n gd i s t r i b u t i o n ，3r a n ke r l a n g d i s t r i b u t i o n 。 t h e r ea l et h r e ek i n d so fc o n d i t i o nw h e nv e h i c l e sc o n v e r g et ot h em a i nl a n e f r o mr a m p s ：( a ) s m a l lt r a f f i cv o l u m eo nt h em a i nr o a d w a y , v e h i c l e sc o n v e r g et ot h e m a i nt r a 伍cf l o wd i r e c t l y ( b ) t h em a i nr o e d w a yc o n t a i n sm o r et r a f f i cv o l u m e ， v e h i c l e sf r o mr a m p sr u na n dw a i tf o rt h em e r g h a gg a pt oc o n v e r g e ( c ) t h em a i n r o a d w a yc o n t a i n sh e a v yv o l u m e w h i c hc l o s et oo re x c e e d 也eh i g h w a yc a p a c i t y v e h i c l e sf r o mr a m p sk e e p sw a i t i n ga n df o r m i n gq u e u e a i m i n ga tt h e s ec o n d i t i o n s ， t h i sp a p e rb u i l d su pam e r g i n g - p r o b a b i l i t ym o d e lo f t h er a m pv e h i c l eu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n so fm a i nr o a d s v o l u m e ，a sw e l la sad r i v i n gd i s t a n c em o d e la n da r i t h m e t i c o nt h ea c c e l e r a t i o nl a n e t r a 衢cs i m u l a t i o nm o d e lo nm e r g i n g - a r e ah a sb e e l lb u i i tu p i tc a ns i m u l a t e v e h i c l em e r g i n gc o u s ei i lq u a n t i t i e so f v o l u m ew h i c hc o u l dn o tb es u r v e y e de a s i l yi n c h i n a ，t h u s ，t h es y s t e m s t a t u sc a nb eo b s e r v e dc o n v e n i e n t l ya t a n yt i m e i tc a n s i m u l a t et h ed r i v h a gb e h a v i o ro f c o n v e r g i n g ，f o l l o 谢n g ，w a i t i n g ，a c c e l e r a t i n g 协t h e f r e e w a ym e r g i n g - a r e a a n dt h e v e h i c l ed a t a i n c l u d i n gv e l o c i t y , d e n s i t y , q u e u e ， d e l a y i n gt i m ec a i lb ea c q u l r e d s o t h en u m e r i c a lr e l a t i o no f t h et r a 衔cc h a r a c t e r i s t i c a n di i se f f e c t i v ef a c t o r sc a nb er e p r e s e m e d 1 1 1 e a p p l i c a b i l i t yo f “h i g h w a yr o u t ed e s i g n i n gc r i t e r i o n ”j t j 0 1 1 - 9 4o nt h e s u g g e s t i o nl e n g t ho fa c c e l e r a t i o nl a n ei sn o ts a t i s f i e dw i t l lt h eg r o w i n go ft r a f f i c v o l u m e w i 也t h ee v a l u a t i o nb e t w e e nt h el e n g t ho f a c c e l e r a t i n gl a n ea n ds e r v i c el e v e l o ft h em e r g i n ga r e a , t h ev a l u eo fa c c e l e r a t i n gl a n e l e n g t h i sm o d i f l e d n l e p r o p o s i t i o n a ll e n g t ho f t h ea c c e l e r a t i n gl a n ei sb r o u g h tf o r w a r d n 地r e s u l to ft h e r e s e a r c hi ss i g n i f i c a n tt og u i d et h eg m e 面cd e s i g no f t h em e r g i n g a m a k e yw o r d s ：h i g h w a y , m e r g i n g - a r e a , t r a f f i cs i m u l a t i o n , a c c e l e r a t i n gl a n e ，t r a f f i c e v a l u a t i o n s e r v i l e v e l 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： 揣7 享啼【仓膨六歇哟 委员： 愀肌( 御畎啦) 南 蝴 ，瑶) ) 夕翻叫易叉硒罐钾慕 韵患芬氓舭破 弦和船渺书仰 夕孑 亳鸢 酚茹笔 币剥 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志的地方外，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盒魍王些盍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贡献均已在论文中作了明确说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：洲年，。月声日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些态堂有关保留、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 盒鲤王些太堂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) 学位论文作者签名导师签名 豸m 签字日期：声嘶扣月7 d 日 签字日期：，。年c 。月；。目 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本文在指导老师方锡邦副教授的悉心指导下完成。从论文的总体思路到具 体研究的每一个环节导师都给予了详细指导和严格把关。学习期间，导师学 术上严谨求实、诲人不倦l 拘g l , 格；生活上平易近人、乐观豁达的态度，对论文 作者有着深刻的激励和深深的感染。在此，谨向导师致以衷心的感谢和崇高的 敬意! 在撰写论文过程中，汽车管理学院的项乔君博士、胡平旺博士、王忠仪副 教授、王学军副教授和刘志玮副教授给予了很大的絮助t 论文中的数据采集得 了汽车管理学院汽车教研室和车辆管理教研室诸多同仁的大力支持和无私帮 助。在此，表示深深的谢意。 感谢合肥工业大学的指导和培养。 感谢汽车管理学院的支持与帮助。 作者：袁中 2 0 0 4 年9 月1 0 日 第一章绪论 1 1 论文研究的意义 1 1 1 高速公路合流区的基本概念 高速公路的合流区包括匝道、加速车道、与之相联系的主线部分。如图l 一 1 所示 1 。 主线2 车道主线1 车道加速车道 ； 一厂一 剞 | | y r ， ， ， 少 图1 1 高速公路合流区示意图 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。在高速公路互通立交的合流运行中，车辆从一条主线进入另一条主线，经 历驶出主线、在匝道上行驶、进入加速车道开始合流的过程 2 。 匝道是提供上下相交道路转弯车辆行驶的连接道，是立交的重要组成部分， 图1 1 所示为临近合流区的匝道一部分。 加速车道是指附设在高速车道右侧，作为加快车辆行驶速度的附加车道，它 能满足车辆从车速较低的匝道驶入车速较高的主线。加速车道一般可分为直接式 和平行式两种。如图1 一l 所示即为平行式加速车道，车道和高速公路主线外侧 车道相平行：直接式加速车道的车道线性与主线及匝道平顺连接。 当匝道驶入主线的交通量较大时，车辆有时需在加速车遒上停车或慢驶等侯 可插入间隙，这时设鬣平行式加速车遒效果较好；反之，可以设置直接式加速车 道。 1 1 2 研究意义 在高速公路基本路段上，交通流比较稳定，通行能力与服务水平一般能达到 设计水平，而在合流区内，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，或因匝道车辆强行汇入而引发 交通事故，形成高速公路的“瓶颈”路段。互通立交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。 越来越多的研究表明，加速车道不仅用来完成车速变换，两且更是用来使车 辆迅速、安全的汇入高速公路。匝道车辆在加速车道上行驶，达到一定速度后， 决定它能否及时汇入高速公路的因素，不是车速，而是高速公路最外侧车道是否 有足够的间隙使它能够汇入。如果高速公路外侧车道没有间隙，则车辆只有一边 行驶，一边继续寻找插入机会，直至加速车道的尽头，被追停车。所以，加速车 道不仅提供加速过程，而且要提供插入机会。 与合流区服务水平最相关的是合流区的加速车道，各国因土地、车辆类型、 比重等国情不同，加速车道具体设置往往不同。 表1 1 中国公路加速车道长度与出、入口渐变率表 2 主线计算行车速度( k m h ) 1 2 01 0 08 06 04 0 加速车道长度单车道2 0 01 8 01 6 01 2 05 0 ( m )双车道3 0 02 6 02 2 01 6 0 渐变段长度( m )单车道 7 06 05 04 54 0 单车道 渐变率 1 ，4 01 ，3 0 l ，2 0 双车道 表1 2 美国加速车道最小长度表 6 主线设计车速( k m h ) 匝道匝道 1 1 01 0 09 08 0 7 06 05 0 设计车速行驶车速 主线行驶车速o o n h ) ( k m h )( k n v h ) 9 28 67 87 0 6 35 24 7 g o7 01 5 0 9 0 7 06 32 4 51 7 51 0 0 6 05 23 2 02 5 01 7 09 0 5 04 43 7 53 0 02 3 01 5 08 0 4 03 54 0 53 3 52 6 51 8 01 1 03 0 3 02 84 3 03 6 02 8 52 0 01 3 05 5 2 52 34 4 03 7 02 9 02 0 51 3 56 0 0o4 6 53 8 53 0 52 2 51 5 59 06 0 2 表1 3加拿大加速车道最小长度表 7 主线设计车速o ( 汕) 匝道 1 4 01 3 01 2 01 l o1 0 09 08 07 0 6 0 设计车速 渐变段长度柚) ( k m h ) l l o1 0 09 59 08 58 07 06 55 5 8 05 1 03 8 02 8 01 6 57 0 7 05 6 54 5 53 5 02 4 51 5 07 0 6 06 0 05 2 04 2 53 3 02 3 01 5 08 52 0 5 06 2 55 5 04 7 03 8 02 8 52 0 51 3 57 02 0 4 06 4 05 7 05 0 04 l o3 3 02 4 01 7 51 0 56 0 3 06 6 05 9 55 2 54 4 03 5 02 7 02 0 51 3 58 0 2 06 7 06 1 05 4 04 5 53 6 52 9 02 2 01 5 09 5 06 7 56 1 05 4 54 6 53 8 03 0 02 3 51 6 51 0 5 从各国关于加速车道长度的规定可 三i 看出，我国规范的长度比起欧美各国偏 小，它基本上是依据车速计算的加速车道长度，只考虑了理想状况，没有考虑实 际的交通运行特征，长度偏短，不能适应交通量的大幅增长，甚至于影响国民经 济的发展。 由于互通立交的合流区是高速公路车流运行过程中极易出现的瓶颈地段，因 此加速车道设置的合理与否对高速公路的车辆运行状况会产生很大影响。设置过 短会影响车流的安全性及主路车速，造成高速公路运输效率的降低；设鼍过长则 会造成严重的建设资金浪费，因此，开展高速公路互通立交合流区加速车道设置 长度及其服务水平的研究，具有很大的指导意义和实用价值。 1 2 国内外研究概况 对于互通立交合流区的研究，国内外均做过一些工作。相比之下国外对这方 面的研究要早得多，也更深入广泛一些。 从六、七十年代起国外对变速车道进行了大量的研究，其理论主要包括以下 几方面： 延误理论。该理论由b l u m e n f e l d 和w e i s s 1 0 研究加速车道的合流特性时 提出，从研究延误时间入手，运用一个理论模型来描述车流和可插入间隙特征， 找到车辆行驶到加速车道终点而不能汇入的概率与加速车道长度的关系。在此模 型中，加速车道上的车辆若按一定的速度v 行驶，汇合车辆连续地行驶在加速 车道上直到主线上有合适的间隙出现，否则，行驶到车道终点停车。假定合流发 生在某时间t ，而将车辆延误时间定义为汇入车辆与在主线上行驶的车辆所用时 间之差，即 。= ( 一) f - 肌 m ， 式中：v 广一高速公路外侧车道车速； v a _ 一加速车道车速； 将加速车道上车辆的总延误时间分为两种情况：在加速车道上延误和停车延 误。f 4 1 从研究延误时间入手，找到车辆行驶到加速车道终点丽不能汇入的概率与变 速车道长度的关系。如果可接受间隙为4 秒，邶为定值，则车辆不能汇入的概率 分布与车辆在匝道上的行程的关系如图1 2 所示。 生 辆 不 能 汇 入 的 概 塞 0 2 o 1 2468 图l 一2车辆在加速车道上行驶时间( 距离) 示意图 其中：t _ 一标准可插入间隙： 九高速公路外侧车道交通量： p 2 l _ v a j r ， ( 1 1 2 ) 该模型将九b 设为定值，是因为当高速公路最外侧车道交通量增大时，行车速 度会减小，而匝道上行车速度不变，则九p 相当于车流的速度一流量关系模型。该 模型揭示了车辆在加速车道上运行的大体时间，从而得到适宜的加速车道长度。 其缺陷是没有考虑匝道交通量的影响，仅使用于交通量较小的情况。 4 a l e x a n d e r 计算机模拟模型 9 。1 9 8 5 年美国加里福尼亚大学的a l e x a n d e r 对互通式立交的几何设计与交通流特性进行研究，提出一个微观模拟模型和计算 机程序，并且利用大量的基础统计、实测数据对该模型进行检验和校正。该模型 包括高速公路及匝道的复合车头间距分布模型、人一车关系模型、车头时距模型、 高速公路换车道模型，以及汇入过程模拟。用来预测互通式立交不同条件下的交 通特性，以及评价几何设计对交通合流的影响。 由于计算机模拟可以再现在复杂交通环境条件下的车流运行特征，能分解高 速公路分流，合流区交通流的影响因素，便于重复研究，所以计算机仿真模型是 目前国际上进行相关方面研究的主要方法。【9 】 我国高速公路从9 0 年代开始大规模发展，比起发达国家时间还较短，所以 在这方面的研究还不够充分。近年来，湖南大学、长沙交院、北京工业大学、东 南大学、西南交通大学陆续进行了一些这方面的研究。但一般集中在理论研究方 面，缺少实测数据对各类模型的标定与验证，也没有精确的量化计算加速车道的 设置长度，因此与实际应用仍有一段距离。 1 3 论文研究内容、技术路线和框架 1 3 1 研究内容和技术路线 本文在的研究过程中本着“立足国情、理论与实际相结合和成果便于应用” 的原则，主要研究内容包括四个方面： a 调查数据的处理及分析：采用数理统计的方法，通过对现场的实地观测数 据进行统计分析和检验，确定合流区主车流的车头时距在我国现有交通量水平下 的分布模型为负指数分布、或2 阶、3 阶爱尔朗分布模型，建立高速公路合流区 交通流特性的数学模型。 b 合流区交通流特性的数学模型：通过现场观测得到的可接受的穿插间隙观 测值，得出主路车流可汇入间隙在合流端的出现概率分布模型为分指数分布，建 立合流区主路车流可汇入间隙分布模型及合流区车流汇入模型。提出了我国高速 公路车辆汇入主路车流有三个状况，并以上三种情况，建立了在主路车流不同交 通负荷下的匝道车流可直接汇入的概率模型、在加速车道上行驶距离及平均行驶 距离的计算模型和算法。 c 合流区交通流特征和计算机模拟：利用交通流计算机模拟系统软件( 包括 数字模拟及图像模拟两种表示形式) ，分析互通立交合流处交通流特征的诸影响 因素如主线与匝道交通量、大车混入率等影响因素。并模拟车流合流过程中的各 种规律。通过多次模拟试验，分析得出互通立交加速车道在不同交通条件下、道 路条件下的车流运行特征和车道长度的关系曲线，标定了高速公路合流区交通流 特征计算机模拟的参数 d 厶流区服务水平的评价：通过现场调查和计算机模拟，分析加速车道长度 对主线服务水平指标( 如速度、延误、密度) 的影响，提出了评价了高速公路加 速车道长度对主路服务水平的影响相关建议值。 1 3 2 研究框架 本文的内容结构可以用下图表示： 1 。4 本章小结 本章针对高速公路合流区随着交通量增大，容易形成高速公路的“瓶颈”的 现状，阐述了研究内容、技术方案和基本方法，分析了国内外的研究概况，提出 了高速公路合流区车辆运行模拟与评价的研究思路、方法及相应的技术路线。 6 第二章调查数据的处理及分析 现场观测是车流特性分析的基础。通过现场观测，可以研究合流区内主线和 加速车道的速度分布变化情况，分析不同车型在加速车道上的速度变化情况及相 应的影响因素，如坡度、视距、车型比例等。通过现场观测，可以确定车流驶入 主路的运行模式、主路速度变化过程、匝道速度变化过程及其对主路车流的影响。 通过大量统计，分析车流特性背后的深层次原因，为进一步研究车辆运行行为和 进行仿真设计打下基础。 2 1 车辆运行调查及参数采集 高速公路互通立交合流区的交通调查，属于抽样调查。内容是调查主路、匝 道及通过合流区的交通量、行车速度、车型种类、不同车辆间的跟车距离( 车头 时距) 、临界间隙、车辆行为特征等，这些参数是表征高速公路互通立交合流区 车辆运行的重要特征。通过交通调查，将调查数据组成一个车辆运行的数据库。 数据库为高速公路互通立交合流区研究提供一个很好的数据平台，为其它各方面 研究提供了一个数据共享的机会。通过交通调查取得的第一手数据资料，为建立 相应的数学模型提供了基本依据。 合流区的交通调查参数主要分为两种，即几何条件参数和交通参数。 几何参数包括：车道数、车道宽度、平面线形、加速车道长度、加速车道渐 变段长度等： 交通参数包括：交通量、车型比例、车头时距、车头间距、车辆速度、车辆 加速度； 交通调查必须依据一定的调查方案合理有效地进行。观测点的选取、观测设 备选用及其布置、观测方法等构成整个调查方案。 调查方案的设计主要包括：调查仪器的选用；调查点的选择：仪器的布设。 调查采用了先进的测试仪器：美国交通量录相视频处理系统( a u t o s c o p c 2 0 0 4 ) 、实际调查时采用摄像机录相再用视频处理系统进行处理数据。 调查布置方案如图2 - - i 所示。 布置时，进入合流区的主路设置两套数据采集仪，驶出合流区的主路设置两 套数据采集仪，分别采集两条车道的交通流数据。在匝道前适当位置设置两套数 据采集仪及一台交通量自动检测仪，以分析合流行为对主路交通的影响。加速车 道的入口和中间部分各设置一台数据采集仪，采集驶入合流区的交通流数据，同 时可得到车辆的加速度情况。为了观察车辆合流情况，在加速车道外侧放鼠摄像 机及自动检测仪。摄像机应有较好的视角，能够全面地记录合流区车流合流状况， 便于以后的分析。为了测量加速度、速度等交通行为参数，在加速车道及匝道路 侧插入适量醒目的标志杆花杆。在路缘带上贴白色胶带条等方法以确定车辆 的合流点的位置。 l 2 0 0 m 匕= = = 型 图2 1 高速公路合流区观测设备布置图 野外观测时的关键是摄像机的架设。摄像机的高度一般8 - l o 米，要与观测 区域的周围地形和架设摄像机条件相结合，同时要保证一定的视野。对于比较长 的加速车道，可分阶段架设多台摄像机。观测标记是在路肩贴上自色带条，在处 理录相时帮助识别合流位置，保证观测标记尽可能少地影响司机的驾驶行为。室 内观测有两项主要工作：运用美国a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理系统对录相资料进行 处理，获得所需的车辆运行参数；人工观测合流驾驶行为，得到合流点分布数据、 接受间隙。 2 2 调查数据的处理分析 将合流区分成若干断面，分析不同断面的流量、车型组成、车头时距、车速、 加减速度等交通特性参数及合流车辆行驶行为等数据。 本次调查涉及范围较广，包括了山西、山东、北京、南京等省市的多个路段 的立交部分，限于篇幅，本文只列出了北京的宜兴阜合流部分数据。 车型分类采用公路路线设计规范( j t j o l l 一9 4 ) 规定【2 ：车辆全长0 米 6 米为小型车：6 米1 2 米为中型车；1 2 米以上为大型车。 8 表2 一l 宜兴阜一北京入口平行式加速车道分车道流量及车型 流量 断面小型车中型车 大型车总量 v e h h 行车道车辆数2 5 l2 7 085 2 91 7 3 比例4 75 l2 1 0 0 超车道车辆数 3 0 82 4 00 5 4 81 8 0 主线合流区初始断面 比例5 64 401 0 0 合计车辆数 5 5 9 5 l ob1 0 7 73 5 3 比例5 24 7l1 0 0 超车道车辆数 2 8 92 9 73 5 8 91 9 5 比例4 95 0l1 0 0 主线车道距离加速车道 行车道车辆数 2 2 04 1 03 66 6 62 2 0 鼻端2 4 米断面 比例3 36 251 0 0 台计车辆数5 0 97 0 73 91 2 5 54 1 5 比例 4 2 5 6 21 0 0 行车道车辆数 2 6 24 4 72 47 3 42 4 f l 比例3 66 131 0 0 主线车道距离加速车道 超车道 车辆数3 0 52 8 9 0 5 9 4 1 9 5 鼻端7 5 米合流区断面 比例 5 l4 90 1 0 0 合计车辆数 5 6 77 3 6 2 41 2 2 8 3 9 5 比例 4 65 211 0 0 超车道车辆数 2 6 23 3 71 06 0 92 0 1 比例4 35 521 0 0 主线车道距离加速车道 行车道车辆数 3 9 43 6 31 47 7 l2 5 5 鼻端1 2 3 米断面 比例5 14 721 0 0 合计 车辆数6 5 67 0 02 41 3 8 04 5 6 比例4 75 l21 0 0 行车道 车辆教3 3 94 3 31 57 8 7 2 5 8 比倒 4 35 5z1 0 0 主线距离加速车道 超车道车辆数 2 4 14 0 576 5 62 1 5 鼻端1 8 0 米合流区断面 比例3 7 6 2 l 1 0 0 合计车辆数5 8 0 8 4 12 21 4 4 34 7 3 比例 4 05 821 0 0 车辆数3 1 32 0 33 75 5 3 1 8 1 加速车道入口处 比蜘5 73 7 7 1 0 0 车辆数 2 2 61 0 61 33 4 51 1 4 距离加速车道鼻端2 4 米 比例 6 53 141 0 0 车辆数1 3 38 262 2 1 7 2 距离加速车遘鼻端7 5 米 比倒6 03 731 0 0 车辆数 6 64 9 7 1 2 2 4 0 距离加速车道鼻端1 2 3 米 比倒5 44 061 0 0 车辆数 4 92 978 52 8 距离加速车道鼻端1 8 0 米 比例 5 83 481 0 0 车辆敦 3 0 74 2 22 87 5 72 5 0 行车道合流区末端断面 比例4 15 631 0 0 9 表2 2 宜兴阜一北京平行式加速车道速度、加速度统计数据 样本 断面车道均值最大值最小值 加速度 数 l 加速车道入口处 5 51 7 35 7 0 1 2 距离加速车道鼻端2 4 米 3 59 05 2 6 8一1 3 5 2 距离加速车道鼻端7 5 米 5 l9 13 02 1 71 0 3 3 距离加速车道鼻端1 2 3 米 5 81 6 83 46 20 5 9 4 距离加速车道鼻端1 8 0 米 7 3 1 5 6 3 28 51 4 7 5 行车道 5 79 42 95 2 5 主线车道合流区初始端 超车道 7 81 1 75 15 4 0 6主线车道距离加速车道鼻端 行车道 6 41 1 22 53 0 2 2 4 米 超车道 8 41 2 05 03 5 2 7主线车道距离加速车道鼻端 行车道 6 71 0 63 02 1 6 7 5 米 超车道 8 81 5 65 85 8 6 8行车道距离加速车道鼻端1 2 3 行车道 7 21 0 84 74 6 0 米 超车道 9 81 4 04 73 6 7 9主线车道距离加速车道鼻端行车道 7 81 3 44 37 7 8 1 8 0 米超车道1 0 5 1 4 56 66 5 3 i 0 行车道合流区末端行车道 8 21 3 03 74 3 7 表2 3宣兴阜一北京入口平行式加速车道车头时距统计数据 均值方差 k 样本数 1 加速车道入口处 加速车道 1 4 8 8 3 8 1 9 1o 5 8 7 0 0 2 距离加速车道鼻端2 4 米断面 加速车道2 6 0 02 4 3 5 5 30 2 82 6 7 3 距离加速车道鼻端7 5 米断面加速车道 4 7 4 12 8 9 9 2 90 7 82 1 6 4 距离加速车道鼻端1 2 3 米断面 加速车道 1 1 2 0 0 1 5 0 2 8 4 8o 8 3 6 l 5 距离加速车道鼻端1 8 0 米断面加速车道 1 1 5 8 11 9 6 9 3 0 2o 6 88 4 6 主线车道合流区初始断面 行车道 1 9 7 53 5 0 9 81 1 l5 2 4 7 超车道 1 9 2 93 7 6 8 70 9 95 3 9 8 主线车道距离加速车道鼻端2 4 米断面 行车道 2 3 o o 7 0 9 2 6 0 7 53 0 1 9 超车道 2 0 0 0 6 3 4 7 0 o 6 33 5 1 1 0 主线车道距离加速车道鼻端7 5 米 行车道1 8 1 62 6 2 6 11 _ 2 62 1 5 儿合流区断面 超车道 1 7 7 93 3 1 5 3o 9 55 8 5 1 2 主线距离加速车道鼻端1 2 3 米断面 行车道 1 5 0 04 6 8 0 3o 4 84 5 9 1 3 超车道 2 2 o o 6 0 0 0 9 0 8 l3 6 6 1 4 主线车道距离加速车道鼻端1 8 0 米行车道 1 3 4 1 1 9 7 8 9 0 9 l7 7 7 1 5 合流区断面超车道 1 5 9 62 8 3 8 30 9 06 5 2 1 6 行车道合流区末端断面行车道 1 6 0 0 4 8 3 9 2 o 5 34 3 6 1 0 图2 - - 2 宜兴阜一北京入e l 平行式加速车道不同断面流量变化 在这段合流区内，观测时段的单车道交通量基本在2 0 0 5 0 0 辆m ：加速车 道o 2 4 米区间流量变化最大，2 4 7 5 、7 5 1 2 3 、1 2 3 1 8 0 区间流量变化幅度减 小，说明在主线低流量情况下，车辆主要在0 2 4 米区间汇入。 通过调查数据的分析还可以看出，在加速车道初始部分车辆车速反而会降 低，这一方面是由于道路线形的影响。另外一方面可能由于司机由匝道进入加速 段起点时，为观察主路情况，安全起见，采取的制动措施。车辆进入加速车道平 趋线部分车辆才开始正常加速，加速车道中闻部分车辆加速度比较低，是由于车 辆在这一部分，车速接近主路车速，司机主要在寻找接受间隙，安全汇入。加速 车道末端，车辆迫予汇入，因而，加速度比较大。以上说明车辆合流过程一方亟 受道路条件的影响，另外还与驾驶员、车辆性能、交通量相关。加速车道内加速 度存在不均匀分布，合流过程受人、车、路综合影响。 图2 - - 3 宜兴阜一北京入口平行式加速车道车头时距变化 在加速车道上，车头时距呈现比较明显的变化，汇入流量是沿加速车道逐渐 减少的，车头时距也就会逐渐增大。e r l a n g 系数小于1 ，符合车流低密情况的负 指数分布。 2 3 车辆运行特征分析 以北京大羊坊北京开发区一北京入口为例分析，所采样本为4 7 0 个。为了便 于分析，将加速车道的位置进行标号，具体位置与所标号码的对应关系如表2 4 所示。 表2 4符号对照表 加速车道区间( 米)符号 鼻端 0 0 3 0l 3 0 6 0 2 6 0 9 0 3 9 0 1 2 0 4 1 2 0 1 5 0 5 1 5 0 米以上 6 2 3 1 合流点分布 根据实际调查的数据，将车辆汇入点的频度设为纵坐标，表示加速车道位置 的标号设为横坐标，如下图2 4 所示。从图2 4 车辆汇入点主要集中于三个区 间，即汇入车辆大多在3 0 米1 2 0 米的区间汇入主路。 图2 4 合流点统计分布 1 2 2 3 2 合流点与车型关系分析 本节根据实际观测数据，讨论小型车、中型车和大型车的汇入点分布。首先 列出调查加速车道上的车型分布情况如表2 5 所示。 表2 5加速车道区间车型构成( ) 加速车道区间小型车中型车大型车 鼻端 7 31 89 0 3 08 51 32 3 0 6 06 32 71 0 6 0 9 0 5 83 2i 0 9 0 1 2 0 5 53 31 2 1 2 0 1 5 08 785 1 5 0 米以上 5 43 31 3 表2 5 表示加速车道不同区间的三种车型的组成。在各区间中小型车占绝 大部分，只有在3 0 米1 2 0 米区间，中型车和大型车比重有所增加。 图2 5 合流点车型分布 根据实际观测的结果，将三种车型车辆的汇入点分布列于表2 6 。 表2 6不同车型汇入点分布( ) 、区间 ol23456 车型、 小型车 21 42 12 01 71 96 中型车 262 42 92 721 0 大型车 222 62 62 851 2 下图2 - - 6 用来分析各车型的主要汇入点分布情况。从图可以看出，三种车 型主要利用的汇入区间是3 0 米1 2 0 米，基本是加速车道的中部。 图2 6 车型合流点分布 2 3 3 汇入间隙分布 根据实际观测的结果，将主路车辆的汇入间隙分布列于表2 7 所示。 表2 7合流区汇入间隙分布 主线车头时距( 秒)频数频率( ) 0 l 10 2 1 1 21 83 8 3 2 31 0 32 1 9 l 5 - 41 4 53 0 8 5 4 - 5 1 1 32 4 0 4 5 缶4 39 1 5 6 7 2 0 4 2 6 7 8l l2 3 4 8 971 4 9 9 1 071 4 9 伊l o 秒20 4 3 合计 4 7 01 0 0 1 4 图2 7 合流区车辆汇入间隙分布图 从上图来看，合流区汇入间隙呈正态分布，车辆可汇入间隙为3 4 秒。另 外。通过对其它样本的分析，得出小型车汇入间隙均值为3 秒、中型车为4 2 8 秒、大型车为5 0 4 秒。 2 4 本章小结 合流区交通流模拟的基础来自于能够反应合流区交通流特征的参数，本章提 出了合流区交通流模拟所需要的基础数据及相应的数据采集方法。应用数理统计 原理对调查数据进行了分析，分析了合流区内主线和加速车道的速度分布变化情 况，确定了车流驶入主路的运行模式、主路速度变化过程、匝道速度变化过程及 其对主路车流的影响，得出合流区主车流的车头时距在我国现有交通量水平下的 分布模型为负指数分布、或2 阶、3 阶爱尔朗分布模型，和主路车流可汇入间隙 在合流端的出现概率分布模型为分指数分布的结论，为迸一步研究高速公路交通 行为和进行仿真设计打下基础。 第三章合流区车流特性的数学模型 3 1 主路车流可汇入间隙分布模型 合流区内的关键运行特征是主线与匝道入口车辆交替进入合流段，驶入车辆 的增加，不仅导致合流区内车辆密度增加，行车速度降低，也必然引起车头时距 重新分布。这种重新分布是动态的，取决于主线和匝道入口的交通量和行车速度。 本论文根据合流区主路车流车头时距分布规律的研究，通过现场观测得到的可接 受的穿插间隙观测值，分析建立了主路车流可汇入间隙在合流端的出现概率分布 模型。 3 1 1 车头时距分布模型介绍 1 4 常见的车头时距分布模型的密度函数为： ( 1 ) 负指数分布模型 丸) = 2 e “ 其中f 0 为车头时距，a = q 为车流量 ( 3 一1 ) 州- 击e 一， 啪 ( ，_ 2 ) l 0 ，其它 其中 0 为最小车头时距，r = 1 g 为平均车头时距； 丸) = r = 1 , 2 ，3 ( 3 3 ) 其中r 为e r l a n g 分布的阶，纠为车流量； ( 4 ) m 3 分布模型 朋= k 卜羔 c ，叫 其中是最小车头时距，z 是衰减常量，口是自由车流的比例。这几个参数 之间的关系为 ，q a = 一1 一q 5 其中g 是主路车流量； ( 3 5 ) ( 5 ) 定长分布模型 车流量很大，接近于通行能力，这时的车头时距值基本上可以认为是恒定的， 其值为安全跟车时距，可认为是无穷阶的e r l a n g 分布模型。 3 1 2 合流区主路车流的车头时距分布模型 根据国外经验和实地观测得到的数据表明，合流区主路车流的车头时距分布 模型可概括为三种情况： 车流量很低，车辆之间基本上是相互独立的，这时的车头时距可以认为 是随机的，其概率一般服从负指数分布或移位负指数分布。 车流量很大，接近于通行能力，这时的车头时距值基本上可以认为是恒 定的。 交通流量介于上述两种情况之间，这时部分车辆是独立行驶的，而另外 一些车辆是彼此影响的，这时的车头时距分布模型是k 阶( e r l a n g ) 厄 尔兰分布模型 根据大量观测及数据处理，我国高速公路合流区主路车流的车头时距分布规 律为： 合流区主路超车道( 2 车道或内车道) 的车头时距分布为k 阶e r l a n g 分布， 其阶数取决于主路的交通量。 合流区主路l 车道与匝道和加速车道最相关，是匝道车辆能否顺利汇入主路 的关键，它与匝道交通量共同决定了加速车道车辆是否需要等待以及等待的时 间，是研究的重点。由于合流区的交通量是动态的，车头时距分布也呈动态特征， 在不同的合流区位置有不同的分布。大量调查统计资料的分析表明：在合流初始 阶段为移位负指数分布，进入合流区5 0 2 0 0 米内时为2 阶e r l a n g 分布，合流 区2 0 0 米后服从3 阶e r l a n g 分布。可见在合流区的大部分地段主路一车道的车 头时距是服从二阶e r l a n g 分布的。 3 1 3 主路一车道交通量的确定 确定车道交通量是确定主路车头时距分布的基础，我国目前高速公路合流区 形式分为两种，主路单向两车道和三车道。 主路1 车道的交通量计算公式及图示为： 1 7 ( 1 ) 单向两车道高速公路单车道驶入匝道 v ，扣。二： v ， 乏多一 图3 - - 1 单向车道高速公路单车道驶入 i 车道交通量计算式： v l = 6 6 2 + o 1 7 0 7v f 7 + o 2 2 4 8v r(3-7) 使用条件： a 、仅用于在上游6 1 0 米内无相邻驶入匝道的情况； b 、一般使用范围：v f = 3 6 0 3 l o o v e h h ，v ，= 5 0 1 3 0 0 v e h h 。 ( 2 ) 单向三车道高速公路双车道驶入匝道： v f v r 图3 2 单向三车道高速公路双车道驶入匝道 l 车道交通量计算式： v 1 = 5 4 + 0 0 7 0v f + 0 ，0 4 9v ，( 3 8 ) v 1 + a = - 2 0 5 + 0 2 8 7v f + 0 5 7 5v ，( 3 - - 9 ) 其中v 1 为匝道车道a 合流端处合流区l 车道交通量，v i + a 为匝道车道a 车 流台流后匝道车道b 合流端处合流区1 车道交通量。 使用条件： a 、单向三车道高速公路上具有至少2 4 0 米长加速车道的双车道驶入匝道； b 、一般使用范围：v f = 5 4 0 2 7