（道路与铁道工程专业论文）事件状态下高速公路延误预测方法研究.pdf

嗍f 螋愀 r es e a r c ho ni n c i d e n td e l a y p r e d i c t i o nm e t h o d o ff r e e v 沁 ad i s s e r t a t i o ns u b m i 讹dt 0 s o u 廿l e a s tu n i v e r s i 够 f o rm ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e b y z h 肌g l e i s u p e r v i s e db y p r q 知s s o rn if u j i 觚 r i r a n s p o r t a t i o nc o e g e s o u t h e a s tu n i v e r s i 锣 a p r n ，2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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 、， 研究生签名：三生幺生日期：丝 ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：监导师签名：伍复如，期：丝臣： 摘要 摘要 交通事件是造成高速公路拥堵和通行能力下降的重要原因，而交通延误大小则是交通事 件对交通流影响的重要度量。当高速公路网建成之后，提高运营管理水平是提升运输能力的 唯一手段。目前，我国高速公路事件管理还处于起步阶段，国内对高速公路交通事件的研究 还非常少。本文在回顾国内外交通事件研究成果的基础上，以宁通高速公路2 0 0 7 年收费数 据为基础，针对车辆旅行时间、交通事件造成的交通延误计算、预测进行了相关的理论和应 用研究，为高速公路管理部门对交通事件的管理提供决策依据。 研究首先收集了宁通高速公路2 0 0 7 年全年的收费数据、交通事件数据、交通管制信息 数据、天气数据等资料，在排除恶劣天气、交通事件、非正常行驶车辆影响的前提下，分客 货车给出了不同路径车辆的正常行驶时间，并对旅行时间计算过程中发现的异常数据进行了 分析。 其次，参照交通事件数据并分析事件期间车辆旅行时间变化，找到了1 4 个对交通流影 响明显的交通事件，并根据断面交通量数据求出了事件造成的确切延误。 然后对交通延误的三个主要影响因素：事件持续时间、事件期间的交通需求、事件造成 的道路拥堵进行了分析，并以这三个影响因素为自变量，使用线性回归的方法对交通事件造 成的交通延误进行预测，并对预测结果进行了分析；随后使用经典排队论的方法，使用历史 交通量数据、事件日志信息，对事件造成的交通延误进行了预测，通过对预测结果的分析给 出了排队论在延误预测中的使用限制条件； 最后，本文将交通仿真用于交通事件的延误预测。建立了宁通高速公路交通量最大的 1 7 0 0 0 2 断面的仿真模型，并根据中国的交通状况对仿真模型中的参数进行了标定。使用历 史交通量数据、事件日志信息对交通事件的延误进行了预测。之后，以某个交通事件为原型， 改变事件基本信息后进行了仿真，并根据仿真的结果对交通延误的影响因素进行了分析，提 出了目前交通事件管理中的问题，提出了若干建议 关键词：收费站数据；旅行时间；交通延误；排队论：交通仿真 a b s t 刚、c t a b s t r a c t t h 仃i ci i l c i d e 删【s 剐ct l l em o s ti m p o r t a n tr e a s o no fr o a dc o n g e s t i o n 觚dr e d u c t i 锄 o f 仃a 行i cc a p a c i t y o r 峙o f 廿i e 访d e x e st om e 弱陀t i l ed e g 职零o fr o a dc o n g e s t i o ni s d e l a yb yi i l c i d e n t a f i e rb u i l d i n go ft l l e 肫c w a y 鹏t 、0 d ( s ，u p 黟a d i n gt i 坞l e v e lo f m 锄a g e m e n ti st h c0 n l yw a y t 0u p g r a d et i l ec a p i 哆o ft 啪s p o r t a t i o n a tn o w t l l e m a n a g e m e n to ff e e w a yu n d e ri i l c i d e n ti no u rc o u n 由呵i su n d e n ) 嗯y ；t l l e r ei sl i t t i e 托s e a r c ho n l em 锄a g c m e n t0 fi i l c i d e n tm 锄a g e m e n t 1 h i sp 印e rp 吣t o l ls t a t i o nd 孤肌t 0 舭c a i c u l a t i o no f 锄a l y s i so f t c a v e l t i i i i e 跚d i l l c i d c n td e l a y i nt l l ec a o fe x c h i o no fb a d w e a t t l e r t r a f f i ci n c i d e 鸲l o w s p c c dc 虬 m i sp a p e rc a l c u l a t e sm ea v e m j 萨n a v e l t i m e 粕ds p d 嬲t l l eb a s i so fi l l c i d e n td e l a y c a l c u l a t i o n a 舭rc o n 鲫l t i n gt i l ei r i c i d e n tr e l ) 0 r t 协t l e s 粕dt o p - 伊a d e 触佑cc o n 仃o l 叩r tt a _ b l e s ，n l ep 印e rf i n d sl4e v e n t sw h i c hh a v c 甜f t e d 廿1 en i n g t o n g 丘e e w a y n o 咖a l 仃a m cf l o wg r e a t l ya n d l c u l a 钯s l et o t a ld e l a yb y 廿l e1 4e v e n t s ，t l l e n 廿l e p 印e r h 嬲c 州e do n 廿l es t a t i s t i c a i 锄a l y s i st 0 l i ss t a t i s t i c s t h ep a p l c rf i r s tu s e s1 m e a r - 陀g r e s s i o nm e t h o dt 0 锄l y 冼t h e1 4e v e n _ t s t o l l d e l a ya n dm er c g s s i 托s u l t ss h o w 他g 心s s i o nf 0 m u i ad o e 蛳tm f o rd e l a y f o r e 艇i n g b 嬲e do nt l l eh i s t o 巧舰f f i c 挑m ，m ep 印e ru sq u e u i n gm e o 巧t 0 p r e d i c ti n c i d e n td e l a y t h e 托s u i t ss h o wm a tq u e u i i l gt l l e o 巧h 勰i t sl i m i t a _ t i o n s i l i d c l a yp r 。d i c t i o n t h e n 托p a p c rs c t su ps i m u l a t i o nm o d e lo fl7 0 0 0 2 c t i o n 锄dr u 璐 t l l em o d e lt 0s i m u l a t e7e v e n t s 蠡0 mt h c1 4e v e n t s ，w h i c hh 印p c n e d 圮l7 0 0 0 2 c t i t h es i i t l u l a t i o n 坞s u l t si i l d i c a l ct l i a ts i i i l u l a t i 帆删油0 di sb e t 衙t i l 锄q 鹏u i l l g t i l e o d r0 na p p l i c a b i l 时锄dv e r 咄a tl a s tt i l ep a p e rm 璐t l l es i m u l a t i o nm o d e lb a s e d o n1 4e v e n t su n d 盯d i f i e 尬m 臼例咂c 肼吸吼e t c r s ，锄a l y 鹋s i e 托s u h 锄dp u _ t su ps o m e i n e 嬲u m e n t st 0c o n t r o lt t l ee 任e c ta r c rt t l ek q ，p e no f 锄ci i l c i d e n t k e yw o l m s ：1 o i ls t a 廿蚰d a t l l m ；m v dt i l n e ；i n c i d e n td e i a y ；q u e u i n gt h e o r y ； t t a m cs i m u l a 缸d n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 排队理论模型4 1 2 2 回归模型4 1 2 3 冲击波理论。5 1 2 4 交通仿真6 1 3 研究的主要内容7 1 4 本文研究的技术路线8 第二章基于收费站数据的高速公路旅行时问分析9 2 1 收费站数据概述9 2 2 收费站数据的初步整理1 l 2 3 影响车辆正常行驶的因素分析1 3 2 3 1 交通事故1 3 2 3 2 恶劣天气1 3 2 3 3 交通管制1 5 2 3 4 影响因素小结1 5 2 3 5 服务区对旅行时间的影响1 6 2 3 6 旅行时间计算方法1 6 2 4 基于收费站数据的宁通高速公路正常旅行时间分析1 9 2 4 1 车辆旅行时间分析1 9 2 4 2 车辆旅行时间计算2 l 2 5 重特大交通事故对应的旅行时间2 4 2 6 基于路网收费数据的断面交通量2 8 2 7 异常数据分析3 0 2 7 1u 行3 0 2 7 2 低速车3 4 2 8 小结。3 4 第三章延误影响因素分析3 6 3 1 事件持续时间3 7 3 2 道路通行能力3 8 目录 3 2 1 等效通行能力3 8 3 2 1 剩余通行能力4 0 3 3 上游交通需求4 2 3 4 事件总延误的统计分析4 3 3 4 1 事件总延误的概率分析4 3 3 4 2 事件延误的回归分析4 8 3 5 小结4 9 第四章基于捧队论的延误模型5 0 4 1 捧队论概述5 0 4 2 确定性排队论模型5 0 4 3 考虑随机因素的排队论模型5 4 4 3 1 延误模型的随机特性5 4 4 3 2 单随机变量下延误模型5 6 4 3 3 多随机变量下的延误模型5 7 4 3 4 动态随机网络中的单车延误5 9 4 3 5 事件持续时间的后验概率6 l 4 4 模型验证6 3 4 4 11 4 个重特大交通事故的详细描述6 3 4 4 2 排队论模型延误计算6 5 4 4 3 结果分析6 6 4 4 4 事件处置建议6 8 4 5d 、结：。6 8 第五章基于仿真的延误分析及交通组织研究6 9 5 1 仿真方法及t s i s 简介。6 9 5 1 1 国内外仿真研究概况6 9 5 1 2t s i s 简介7 1 5 21 墙平台下的延误研究7 3 5 2 1 平台的建立和参数标定7 3 5 2 21 7 0 0 0 2 断面事件仿真7 8 5 3 延误影响因素的分析及事件状态下交通组织7 9 5 3 1 提前开通车道对事件总延误的影响7 9 5 3 2 事件持续时间、小时交通量对事件总延误的影响8 0 目录 5 3 3 事件管理及仿真软件在路网中的应用展望8 2 5 4 小节8 3 第六章结论和展望8 4 6 1 本研究的主要成果一8 4 6 2 尚待进一步解决的问题8 4 致谢8 6 参考文献8 7 硕士在读期间发表的论文9 4 v 一 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 交通运输业的发展水平从很大程度上反映了一个国家经济发展的水平。我国为了改善长 期以来交通运输业制约经济发展的状况，加大了对交通行业的投资。“八五”以来，特别是“九 五”期间，公路道路基础设施的落后面貌发生了巨大的变化。从1 9 9 6 年至今我国公路特别是 高等级公路进入了跨越式发展阶段。2 0 0 8 年全年，我国新建新修通高速公路6 4 3 3 公里，高 速公路通车总里程达到6 0 3 万公里，继续居世界第二位。对于一些经济较为发达的省份( 如 江苏省、浙江省、山东省、广东省等) ，省内的高速公路路网骨架已经初步形成i 。 高速公路运输以其独具的方便快捷的优点在我国社会、经济生活中发挥着愈来愈重要的 作用。按照中国2 0 0 5 年公布的高速公路网发展规划，中国正在全力以赴地加快国家高速公 路网主骨架建设，到2 0 2 0 年，基本建成国家高速公路网。届时，中国高速公路通车总里程 将达1 0 万公里。新路网由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成，简 称为7 9 1 8 网，约可以覆盖l o 多亿人口，接近美国8 8 万公里的规模，这将大大改善我国的 交通运输状况，极大地促进我国经济进一步高速发展。2 0 0 8 年的统计数据显示，公路运输 占全国货物运输总量的7 3 ，公路旅客运输达到总量的9 2 高速公路虽然只占公路总里 程的1 仍，其承担的客货运输量是巨大的，美国的高速公路占公路总里程的l ，却承担 着全国公路总运量的2 l 以上【2 j 【3 j 。 随着高速公路交通量的迅速增长，交通事件带来的巨大社会和经济影响越来越引起人们 的重视。根据数据统计，2 0 0 9 年l 至7 月，全国仅道路交通事故就发生了1 2 6 1 9 3 起，造成 3 5 0 2 6 人死亡、1 5 1 1 3 1 人受伤。其中高速公路因为行车速度快以及全封闭的特点，使发生在 高速公路上的事件具有违章及错误操作概率高、突发性强、事故处置难度大、重特大恶性事 故比例高及死亡率高等特点【4 】嘲。高速公路在促进国民经济快速增长的同时也带来了一些负 面的效应，其危害后果将直接影响到人民的生命财产安全与社会的经济稳定。 图1 1 中国高速公路里程 l 东南大学硕士学位论文 图l - 2 中国高速公路里程排名 在我国，城市道路上的交通拥堵已经成为了困扰交通的严重问题与此同时，高速公路 上的交通量也越来越大，交通解拥堵这个问题日益严重【6 l m 交通拥堵可分为周期性的和非周期性的两种。前者主要是由于峰值小时交通需求超过了 道路的允许通行能力而造成的。周期性的交通拥堵是一种普遍的现象，可以采取建造新路以 及采用更为合理的交通控制方式来解决。非周期性的交通拥堵主要是由交通事件引起的，例 如交通事故、车辆抛锚、车辆着火、天气情况、道路施工等，这也是造成道路交通拥堵的最 主要原因。交通拥堵，不论是周期性的还是非周期性的，都与交通事件存在着密切的关系 拥堵的交通状况是造成交通事故的主要原因之一：这些事故又造成更多的交通拥堵状况，而 反过来又引起更多的交通事故。这一恶性循环给道路的机动性和安全性带来了很大的威胁。 对驾驶员和乘客而言，交通拥堵意味着行程时间延长，出行费用增加，出行效率降低； 对交通管理者而言，交通拥堵使公路单位时间的实际通过量小于其通行能力，从而降低了公 路网的运行效率网网。 德克萨斯州德运输协会的一份研究报告表明，美国的交通问题近年来日趋恶化，交通拥 堵给更多的出行者和货物运输造成了延误，且在高峰小时的平均车速逐年下降1 1 0 】【1 1 】。2 0 0 2 年城市出行者平均每年要经历4 6 小时的交通拥堵，这比1 9 8 2 年提高了1 8 7 。这种状况在 大城市更为严重，例如在洛杉矶，出行者每年的平均交通延误时间为9 3 小时；在旧金山， 出行者平均每年有7 3 小时的交通拥堵；在华盛顿，由于高峰时段的车速下降，平均每位出 行者损失6 7 小时u z j 据相关统计得知，由交通事件引起的拥堵占到了城市道路交通拥堵总量的6 0 以上， 在高速公路中占的比例更高。交通延误的大小是衡量道路拥堵程度最重要的量化指标，延误 值的获取也是交通管理部门进行控制管理的依据。对事件状态下的高速公路交通延误规律进 行研究，提出事件状态下延误的合理的缓解措施，对于解决高速公路交通延误有着积极有效 的作用【1 3 1 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 为尽可能地降低交通事件造成的影响，高速公路事件管理系统需要实时、可靠地预测交 通事件所造成的阻塞，并将预测的事件延误提供给交通控制系统、交通诱导系统、出行者信 息服务系统，以便相关管理部门采取必要的交通管理控制措施，诱导驾驶员选择行驶路径。 高速公路的事件延误与事件严重程度、道路条件、实时交通条件以及事件持续时间等因 素有关，及时准确地了解这些信息对事件延误的分析至关重要。目前国内在这方面的研究较 少，还没有一种能够实时地、较准确地对事件的持续时间做出预测的模型【1 4 l 。 国外对高速公路事件延误的研究起步较早，至今对高速公路交通事件延误的预测研究已 有几十年的历史：第二次世界大战后，排队论广泛地应用在交通工程中，研究车辆延误、通 行能力、信号配时以及停车场、加油站等交通设施的设计与管理。很多学者都使用排队论模 型进行了交通延误的研究u 习【i 们。m 响k ( 1 9 8 6 ) 的研究中，根据不同交通事件管理过程的 差别，基于排队论模型建立了四种计算交通延误的方法。s u l i i v 狃( 1 9 9 7 ) 使用排队论的知 识建立了一个两级的事件延误模型：第一级中的三个模型分别用于预测事件发生率、事件严 重程度和事件的持续时间：第二级模型是将第一级的三个模型的预测值运用到捧队论模型中， 对交通延误进行预测。在这个模型中，为了考虑交通流的差别，将一天分成了几个时间段分 别计算延误，最后将各个时间段计算得到的交通延误进行平均得到整个事件的交通延误。 c n a m ( n y s d o t ，2 0 0 1 ) 采用了和s u l l i v 锄类似的两级模型计算交通延误，此外通过每一 刻钟更新交通通行能力、交通需求方法考虑了动态交通的影响。办i l l 和r o g 嗽( 2 0 0 1 ) 采 用排队论的方法建立延误计算模型，并将它用于交通走廊上可交情报板带来的效益研究1 1 7 】。 1 9 7 3 年m e s s 盯等人将波动理论应用于发生异常交通事件的高速公路上，进行旅行时间 的预测；1 9 8 6 年m o r a l 骼提出利用到达离去曲线估计事件延误；1 9 9 5 年a l d i 融【等人提出 了基于冲击波理论的宏观方法，并对单事件和多事件的延误预测进行了探讨u q 。 使用回归分析进行的交通延误研究也有很多，c o h 铋( 1 9 9 8 ) 使用回归的方法建立了交 通延误的计算方法在这份研究中，为了取得回归需要的延误数据，使用了q s i m 宏观仿真 软件获取未拥堵时的车辆旅行时间、事件状态下的车辆旅行时间、重复出现的瓶颈状态时的 车辆旅行时间。通过回归的方法将取得的延误时间和各相关影响因素之间建立关系。 q 啪l g ( 1 9 9 7 ) 同样采取回归的方法进行了类似的研究。研究中选取了1 2 0 个交通事件，使用 c o 陪i m 进行仿真运算，根据得到的交通延误建立了非线性的回归方程，用于高速公路交通 事件带来的交通影响。f ng a r i t e t a l ( 1 9 9 7 ) 通过高速公路上的交通流检测设备取得了延误 数据，并以此建立了回归方程，其方程中的因变量为交通延误，自变量为事件持续事件、拥 堵的车道数以及天气状况和车辆种类【i 川【2 0 l 。 在偏重应用的事件延误模型中，多采用延误历史数据平均值( 1 9 9 8 年p p e s l e y 建立的模 型) 或查询表格的方式决定延误的取值( 1 9 9 7 年s u l l i v 锄建立的“咀狐c t ”模型，2 0 0 1 年纽约州建立的“c o n g e s t i o nn d s 觚a l y s i s ”模型) ，表格中的取值多通过调查的方式取得。 还有一些研究以高速公路宏观交通模型为基础，利用精确的数字模型及其算法来估计事件发 生时高速公路系统的动态变化过程，进而预测行程时间和延误，在精确估计交通流量、速 度、密度上投入了大量的工作j 。 3 东南大学硕士学位论文 目前，在高速公路事件延误的研究中最常用的方法有：基于确定性排队理论的方法、回 归分析方法、冲击波理论的方法和基于仿真的方法。简单介绍如下： 1 2 1 排队理论模型 目前，对交通事件延误的分析研究最多的是排队理论方法，如图1 3 所示，车辆到达和 离开曲线中间的区域的面积表示事件总的延误。确定性排队论的方法使用如下假定，首先假 设交通需求和道路通行能力在事件持续时间内是固定的，其次假定交通需求大于剩余通行能 力。 图l - 3 捧队论原理 事件延误的计算公式； 总延误一萼掣 n - ， 其中。 墨= 高速公路的通行能力( 车辆，小时) ； & = 事故发生时的交通需求： 墨= 由于事件造成的道路剩余通行能力( 车辆仆时) ； z = 事件开始到事件处理完毕的时间 上面描述的所有这些参数在事件的开始和持续阶段都是未知的。但是，他们可以通过历 史和现在的交通数据来估算得到。以上模型是最为简单的模型，没有考虑事故处理过程中的 交通需求变化，以及事故处理过程中可能的剩余通行能力变化排队论是事件状态下交通延 误的理论表示，排队论的一些假设使得它在现实中的应用受到限制。 1 2 2 回归模型 顾名思义，回顾模型就是使用数学中回归的方法寻找应变量和自变量之间的关系。在事 件延误模型中，自变量通常有：事件的持续时间、事件期间的交通流率、事件造成的车道拥 4 第一章绪论 堵状况，因变量即事件产生的延误大小。在真实的交通环境中，事件造成的延误大小并不容 易获取。建立回归模型后就可以通过较易获取的交通参数来估计事件延误的大小。回归模型 的最大问题在于没有办法获取延误和延误影响因素之间的真实关系。此外，延误的大小是直 接和事件的持续时间、事件的严重程度、事件的频率相关的。但从数学上讲，这三个因素不 是独立的，因此没有办法将这三个因素同时用于回归模型中。 确定性排队论方法是事件延迟决策中被广泛使用的技术，但它的精确性却不及仿真模拟 方法。为了克服这个问题，一些研究人员就试图研究更为精确的事件延迟预测模型。研究者 使用美国l 一8 8 0 高速公路的数据来改进回归模型以预测事件延误，并且提出了两个独立的 模型，见式1 2 和式1 3 。 模型l ：事件延误= _ 4 2 6 + 9 7 j 五+ o s 墨五+ 0 0 0 3 鼍五+ 0 0 0 0 6 五( 1 2 ) 模型2 ：事件延误= _ 0 2 8 8 + 3 8 置五+ o 5 l 置墨+ o 0 6 五+ o 3 5 6 z ( 1 3 ) 其中：置= 被影响车道的数量； 墨= 事件中所包含的车辆数目； 置= 事件持续时间，以分钟表示( 从发现事件到事件清理完毕所需要的时间) ； 置= 事件发生前1 5 分钟上游的交通需求量。 第一个模型将事件延误表示为事件持续时间，交通需求，车道关闭或受影响车道的数量 和事件涉及的车辆数的函数。事实上，这个回归模型接近于图2 2 中到达和离开曲线之间区 域的数学表达形式它的变量和确定性排队论方法中讨论的模型的变量事实上是相同的，因 为，客观上，车道关闭或受影响车道的数量和事件涉及的车辆数直接决定了剩余通行能力的 大小。 第二种模型将事件延迟作为事件持续时间，被影响和关闭道路的数量以及事件涉及到的 车辆数的函数，这个模型看起来是一个更加适合实时操作的模型，因为它并不需要那种很难 获得的变量，如上游交通需求。但是，第二种模型将事件持续时间和事件延迟表示为一个线 性关系，这个假定有悖于目前研究人员广泛接受的事件持续时间和事件延迟并不成线性关系 的结论。第二种模型的另外一个问题是将涉及车辆数的三次方合并到了模型中，有待实践检 验。尽管存在这些问题，这些方法仍然是估计由于事件引起的事件延迟的一个实际的办法， 特别是在实时在线应用中 1 2 3 冲击波理论 l i g l l n l i u 和、枷i n l 锄首次将冲击波理论应用于道路拥堵的分析。在分析高速公路排队延 误时，冲击波理论也是目前广泛使用的一种方法。该方法在分析捧队延误时将交通流假设为 流体流，其产生的冲击波波速同时间具有线性关系冲击波波速基于交通流密度进行计算。 在实际运营过程中，交通密度较难获取，使其应用受到一定的限制。c h o w ( 1 9 7 6 ) 在事件 延误的分析计算时，将冲击波理论与排队论进行对比分析，得出一致性的结论。w i r a s i l l g l l e ( 1 9 7 8 ) 基于冲击波理论建立了确定单个事件的单车延误和总延误的模型，该模型将交通状 态根据不同的密度划分为不同的交通状态，这些状态之间的突变即为冲击波，在时空平面上 由冲击波划分的不同平面代表不同的交通状态。如图l - 4 所示，1 寸国，毛) 代表事件发生前、 5 东南大学硕士学位论文 事件发生后上游的非拥堵交通流，2 争( 吼，乞) 代表事件发生后产生的拥堵状态，在持续了 时间f 后，事件被清理，此时的交通状态表示为3 一( 吼，岛) ，为拥堵消散的状态( 以最大 通行能力进行消散) ，状态4 _ ( 吼，屯) 表示在事件持续时间内通过事件位置的车辆的交通 流的状态，相当于捧队论中描述的剩余通行能力所表示的交通状态口2 】吲。 距离( k ) x 图l - 4 冲击波理论 时间( t ) 对于发生在单向多车道的高速公路的交通事故，如果有剩余车道可通行，得到其造成的 总延误计算公式，见公式1 4 。 见。删：昙f 二 2 ( g l 9 4 ) ( 9 3 一9 4 ) ( 劬一g i ) ( 1 4 ) 其中： d ：事件的总延误； ”：事件的速度， = 0 表示静止的交通事故； f ：事件持续时间； g t ：状态l 的流量： 醌：状态3 的流量，即最大通行能力； 吼：状态4 的流量，及剩余通行能力 a l - d e e k 等于1 9 9 5 年使用美国不同地区的实际运营数据进行交通拥堵的判别分析，研 究所采用的数据综合了交通事件和交通量数据，运用了冲击波理论估计事件拥堵。通过运用 在美国加利福尼亚州的i 8 8 0 高速公路的研究表明，该方法在分析单车延误和总延误时均得 到令人满意的结果 1 2 4 交通仿真 利用计算机进行交通仿真是当今研究交通问题的一种重要手段。国外早在6 0 年代，就 对高速公路交通流进行了仿真研究，如今已将仿真技术广泛用于交通事故、动态交通分配、 6 第一章绪论 出入口控制、道路通行能力、路网运营分析等多个研究领域。 交通仿真技术是在经验研究和数学方法的基础上，利用现代系统工程和计算机仿真技术 成果发展起来的新的交通研究方法。由于仿真技术可有效地体现交通系统中交通运行的复杂 过程，可按试验要求实现交通状况的再现，大大降低了现场调查的工作量，己成为分析各种 交通流、检验各种拟定交通设施、交通控制方案的有力工具。道路交通仿真分为宏观仿真和 微观仿真两大类。所谓宏观仿真是用描述交通运行宏观规律的参数来设计模型进行仿真，而 微观模型则是用描述交通运行微观规律的参数来设计模型进行仿真。由于高速公路的实际运 行情况较复杂，对高速公路和收费站的仿真应以微观为主，这样才能更符合实际的交通状况。 仿真模型是以计算机模拟为手段，运用软件来模拟道路、交通环境，可高度再现出交通流。 对于我国现实生活中的交通而言是属于混合交通，要完全真实的模拟出来尤其难上加难， 但是对于高速公路来说却相对要容易一些，因为在高速公路上是全封闭的，也就排除了非机 动车和行人的干扰，我们可以在仿真的时候只是关注于机动车的交通流特性。此外，为了研 究我国特有条件下高速公路的通行能力及其交通流特性，就需要根据我国高速公路交通流特 性，对仿真软件中的参数设置进行考察，使之适合中国的交通特征。 表1 1 三种方法的优缺点对比 方法优缺点优点缺点 确定性排队论理论模型，含义明确模型的使用存在限制条件 无需知道交通原理，有数据就可以无法找到自变量和因变量之间的 回归模型 进行回归运算真实关系。自变量非独立 冲击波理论理论模型，含义明确模型的使用存在限制条件 交通仿真使用灵活，适用性较好需要复杂的参数校正 1 3 研究的主要内容 本文在调查国内外大量研究文献及相关资料的基础上，把握目前国内外关于事件状态下 高速公路交通延误的特点、影响因素分析、计算方法等方面的研究趋势，论文拟研究的主要 内容包括以下几个方面： l 、对江苏省高速公路事件状态下的交通状况进行调查，了解交通事件给高速公路交通 流带来的影响。 2 、收集高管中心五条高速公路的交通事件数据，通过统计学的方法对所有影响交通延 误的因素进行分析，选取其中与交通延误关联性较好，容易准确获取的参数进行研究。 3 、用捧队论模型进行交通事件延误分析和预测。根据事件拥堵的车道数、事件持续时 间等相关参数，进行交通拥堵时的交通流特性研究，对车辆到达与离去曲线进行分析，研究 其排队与延误规律。 4 、调查我国的交通特征，对交通仿真软件的进行参数校正。在历史交通数据的基础上 对典型事件的延误进行分析：采用不同的交通参数组合进行事件仿真，对仿真的结果进行分 析。 7 东南大学硕士学位论文 5 、通过理论和仿真两种方法对事件延误影响因素进行分析，并在此基础上对事件发生 后的交通组织方法进行研究。 1 4 本文研究的技术路线 图1 5 技术路线图 8 第二章旅行时间分析 第二章基于收费站数据的高速公路旅行时间分析 本文研究的核心问题是高速公路交通事件引起的车辆延误，延误可以简单的定义为车辆 旅行时间的增加。针对延误已经进行的研究，大多是使用各种数学方法和交通理论建立延误 模型，并对模型的正确性进行分析、验证。模型验证中使用的数据通常都为美国仅有的几条 装有高密度感应线圈的路段的交通数据，从侧面验证了事件延误实测数据较为单一的获取途 径。 使用统计方法进行延误分析时，需要使用真实的事件延误数据来建立模型：使用各种交 通流理论建立事件延误模型时，也需要真实的延误数据对模型进行校正。因此延误真值的获 取有着很重要的意义。在目前的交通环境下，获得交通延误实测数据的方法主要有以下几种： 通过交通试验路段设置的高密度的感应线圈来获取；通过先期对仿真软件进行参数校正，仿 真得到的结果也可以作为延误真实值的参考洲。 目前，国内还没有用于交通流分析的试验路段，也就无法从感应线圈获得事件的延误信 息。可以说缺少充实的实测数据是造成国内交通领域高速公路事件影响研究的缺乏的重要原 因。根据前文提到的延误的含义，可以说，如果能够获得事件状态下的旅行时间以及通过这 个路段的正常旅行时间，就自然获得了事件造成的车辆的延误 旅行时间是指使用某种交通方式通过一段距离花费的时间。旅行时间( 行程时间、通过 时间) 数据是实现i t s 中的汀m s 和a t i s 等多种功能的重要基础，它给出行者提供实时有 效的信息，帮助他们更好地进行路径选择、实现路径诱导、缩减出行时间、减少交通拥挤 同时，旅行时间数据通常也是难以获取的，只有通过典型路段调查等方式才能获得有限 的数据。在中国，高速公路有一个非常显著的特征：绝大多数高速公路为收费公路。在目前 联网收费的条件下，收费站记录了进出的每一辆车的详细信息，如：通过时间、车型、入口 收费站、出口收费站以及轴重、总重、车牌号码等信息，这就为获取高速公路上的车辆旅行 时间创造了一种可靠的途径和方法。 2 1 收费站数据概述 数据收集是本文研究的基础。本次研究过程中收集了江苏省高速公路运营管理中心所辖 五条高速公路的2 0 0 7 年全年收费数据。本文选择其中交通量较大的宁通高速公路作为研究 对象。 9 东南大学硕士学位论文 ；k ： 图2 1 宁通高速公路示意图 宁通高速公路是江苏苏北第一条高速公路，起点设在南京，途经扬州、泰州、终于南通 宁通高速公路于1 9 9 6 年全线贯通，全封闭，全立交，示意图如图2 1 所示。全长1 2 0 公里， 双向4 车道( 南通方向和南京方向) ，全线共l o 个收费站，依次为砖桥收费站、泰州收费站、 泰兴北收费站、泰兴东收费站、广陵收费站、季市收费站、葛市收费站、如皋港收费站、九 华收费站和平潮收费站。全线共有3 个交通枢纽，分别是正谊枢纽、广陵枢纽、九华枢纽。 其中，京沪高速的车辆由正谊枢纽汇入宁通高速公路，再由广陵枢纽驶入广靖高速公路，经 江阴长江大桥进入苏南路网。正谊枢纽到广陵枢纽是京沪高速和宁通高速的复合段，所以一 些地图上也把此段标作京沪高速；广陵枢纽是广靖高速公路、宁靖盐高速与宁通高速公路交 汇点；在九华枢纽处，通启高速公路与宁通高速公路交汇。 表2 1 为宁通高速公路收费站、枢纽信息。 表2 2 为收费站记录的部分收费信息，包括进入收费站编号、出口收费站编号，进出高 速公路对应的时间、车辆的车型等内容，其中车型信息如表2 3 所示 表2 1 宁通高速公路收费站信息 高速公路名称收费站桩号( 虹)收费站编号 宁通高速宁通高速砖桥主线站 1 1 9 21 7 2 0 i 宁通高速正谊枢纽1 1 9 8 1 4 宁通高速正谊服务区1 2 3 7 宁通高速泰州收费站 1 4 6 41 7 0 0 2 0 2 宁通高速宜堡服务区 1 5 8 4 宁通高速泰兴北收费站1 6 4 8 1 7 0 0 2 0 3 宁通高速泰兴东收费站1 7 4 o 1 7 0 0 2 0 4 宁通高速广陵枢纽1 8 8 8 1 5 宁通高速广陵收费站1 8 9 2 1 7 0 0 1 0 6 宁通高速 季市收费站1 9 6 7 1 7 0 0 1 0 5 宁通高速葛市收费站2 0 9 o 1 7 0 0 1 0 4 第二章旅行时间分析 宁通高速如皋港收费站 2 1 9 9 1 7 0 0 1 0 3 宁通高速九华枢纽 2 3 2 51 7 宁通高速九华收费站 2 3 4 71 7 0 0 1 0 2 宁通高速平潮主线收费站 2 3 9 o 表2 2 收费数据部分数据项示例 入站编号入站日期入站时间出站编号出站日期出站时间车型 1 7 0 0 1 0 32 0 0 7 - 8 1 89 ：2 91 7 0 0 l o l2 0 0 7 - 8 1 89 ：4 0客一 1 7 0 0 1 0 5 2 0 0 7 8 - 3 09 ：5 01 7 0 0 l o l2 0 0 7 8 3 0l o ：0 9 货一 1 7 1 0 22 0 0 7 8 2 88 ：1 81 7 0 0 l o l2 0 0 7 - 8 2 88 ：1 4 客一 1 7 0 0 1 0 42 0 0 7 8 - 1 59 ：5 51 7 0 0 1 0 l2 7 8 1 5l o ：1 2 客一 1 7 1 0 22 0 0 7 - s - l l2 l ：4 41 7 0 0 1 0 l2 7 - 8 1 l2 1 ：4 5 货四 1 7 0 0 1 0 22 0 0 7 - 8 1 41 8 ：5 01 7 0 0 l o l2 0 0 7 8 1 41 8 ：4 7客一 1 7 1 0 42 0 0 7 - 3 2 6 1 6 ：眈1 7 l o l2 7 8 - 2 6 1 6 ：2 7货二 1 7 0 0 1 0 4 2 7 - 8 - 1 78 ：3 1 1 7 0 0 1 0 1 2 0 0 7 8 1 7 8 ：5 3客三 1 7 2 0 22 0 0 7 - 8 2 41 7 ：5 51 7 0 0 i o l2 7 8 2 41 8 ：5 6 货二 1 7 2 0 42 7 8 1 59 ：3 11 7 l o l2 7 8 1 5l o ：0 5客一 表2 3 江苏省高速公路车型分类标准 车型及规格 类别 客车 货车车型代码 夕座l ( 客i ) 第l 类 虫吨l l ( 货i ) 8 座一1 9 座 2 ( 客2 ) 第2 类 2 吨_ 5 吨1 2 ( 货2 ) 2 0 座一3 9 座 3 ( 客3 ) 第3 类 5 吨一l o 吨 1 3 ( 货3 ) 柏座 4 ( 客4 ) 第4 类l o 吨一1 5 吨1 4 ( 货4 ) 2 0 英尺集装箱2 3 、2 4 、2 5 、2 6 ( 货4 ) 第5 类之1 5 吨1 5 ( 货5 ) 2 2 收费站数据的初步整理 收集的数据包含2 0 0 7 年从宁通高速公路收费站驶入、从宁通高速公路收费站驶出的车 辆。因此研究的对象为宁通高速公路上的部分车辆而非全部，“过路车”并不在研究范围内， 收费站数据中包含的车辆具体如表2 4 所示。 东南大学硕士学位论文 表2 4 车辆分类按照进出收费站 车辆类型驶入收费站 驶出收费站 是否研究对象 l宁通高速收费站驶入 宁通高速收费站驶出 是 2宁通高速收费站驶入枢纽驶出否 3枢纽驶入 宁通高速收