（交通运输规划与管理专业论文）基于均衡原理的城市快速通道衔接路网配置与管理技术研究.pdf

一；_ 、 、 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已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： 日期叫年钿哆日 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文 的权利。 学位论文作者签名：指导教师签名： 世t 匆缘 日期：冽1 年4 月步日 日期：尹，年牛月，j 日 ，一一 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布， 并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名： 日期：年4 月i 歹日 ：蔓。切智_ ， 日期：勿，j 年￥月，厂日 咖8 、 93m 2 0 m 9 1m y 摘要 摘要 随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的加快，组团式城市交通拥堵日 益成为社会关注的焦点问题，如何解决大城市组团间长距离、大流量、高效率的 交通出行需求，是交通领域面临的难题之一。城市组团间快速通道可以为城市内 部道路交通提供大运量、高服务水平的交通环境，在组团式城市交通发展中起着 骨干作用。为确保城市快速通道系统充分发挥其功效，并能够与城市道路交通实 现有序衔接，本文对快速通道与城市道路的衔接配置与信号控制管理技术进行了 系统性研究，对于实现快速通道与城市道路的有机融合，提高快速通道运行效率 和缓解交通拥堵具有重要的理论和实际意义。 本文基于交通均衡理论，把城市快速通道及两端的衔接路网耦合形成整体的 局域网络，以快速通道交通影响范围确定该局域网边界，通过以重要交通发生吸 引点为虚拟节点，组团间快速通道和主干道为虚拟路段的路网简化方法，建立虚 拟路网。采用o d 反推技术和交通均衡配流模型，得到虚拟路网的均衡流量，根 据虚拟路网的构建方法和实际路段阻抗，还原到实际路网均衡流量。以实际路网 均衡流量作为标准，确定各实际路段的均衡控制目标，在路段均衡目标约束和实 际应用基础上，提出了关键交叉口控制和通道瓶颈协调控制策略，并对具体配时 方法进行了研究。结合出入口管理技术，提出了快速通道出入口管理策略。最后 以重庆市过江快速通道为实例，对该套方法和体系的可行性、实用性、合理性进 行了验证，效果良好。 论文的研究丰富了城市内部组团间联系通道的规划与控制理论，不仅具有理 论意义，而且在实际工程当中具有良好的可操作性。 关键词：快速通道；交通均衡理论；信号配时：出入口管理策略 a b s t r a ( 了 a bs t r a c t a st h eq u i c kd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n p r o c e s s ，t h eg r o u p u r b a n st r a f f i cc o n g e s t i o n i sa ni s s u ea t t r a c t i n gt h ea t t e n t i o n sa l la r o u n d t h ew o r l d h o wt os o l v ei n t e r - g r o u p c i t y t r a f f i cd e m a n d ，w h i c hi sl o n g d i s t a n c e ， l a r g e t r a f f i ca n de f f i c i e n c y i t h a sb e c a m ea ni m p o r t a n tp r o b l e mw h i c em u s ts t u d ya t p r e s e n t i n t e r - g r o u p u r b a nf a s tc h a n n e lp r o v i d e sl a r g eu r b a n r o a dt r a f f i cv o l u m e ，h i g hl e v e l o fs e r v i c et r a f f i ce n v i r o n m e n tf o rt h ed e v e l o p m e n to fu r b a nr o a dn e t w o r k ，w h i c hp l a y s a n i m p o r t a n tr o l ei ng r o u p u r b a nt r a f f i cd e v e l o p m e n t t oe n s u r et h ee f f e c t i v e n e s so f u r b a nf a s t c h a n n e ls y s t e ma n da c h i e v ea no r d e r l yc o n v e r g e n c eo fu r b a nr o a dn e t w o r k ，t h ep a p e rh a s b e e na n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y , s t u d i e df a s tc h a n n e la n du r b a nr o a d sc o n n e c t i n ga n dt r a f f i c s i g n a lc o n t r o ls c i e n t i f i c a l l y i th a sb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e t h a tc a nb ea c h i e v e da no r g a n i ci n t e g r a t i o no f u r b a nf a s tc h a n n e la n du r b a nr o a d sn e t w o r k ， a n da l l e v i a t e df a s tc h a n n e lt r a f f i cp r o b l e m s b a s e do nt r a f f i ce q u i l i b r i u mt h e o r y , i ti sc o u p l e df a s tc h a n n e la n du r b a nr o a d st ot h e l o c a la r e an e t w o r k w i t ht h ef a s tc h a n n e lt r a f f i ci m p a c tr a n gt od e t e r m i n et h el o c a la r e a n e t w o r k sb o r d e r , a n da l la b s t r a c t t r a f f i co d p o i n t sa sv i r t u a lp o i n t s a n ds i m p l i f i e dr o a dn e t w o r k a n dt r a f i 矗cc h a n n e l sb e t w e e n m e t h o dw i t l lt h ei m p o r t a n t g r o u p sa sv i r t u a lr o a dl i n e s i sp r o p o s e d b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h et e c h n i q u eo fo db a c ks t e p p i n ga n dt h em o d e lo f t r a f f i ce q u i l i b r i u ma s s i g n m e n tf o rv i r t u a lr o a dn e t w o r k si sa l s op r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h e v i r t u a ln e t w o r kb u i l d i n gm e t h o d sa n dp r a c t i c a lr o a di m p e d a n c e ，g e t t i n gt h ea c t u a ln e t w o r k e q u i l i b r i u mf l o w b a s e do nt h ea c t u a ln e t w o r ke q u i l i b r i u mf l o wa ss t a n d a r d ，i td e t e r m i n e s t h ea c t u a ls e c t i o n so ft h eb a l a n c ec o n t r o lg o a l s i nas e c t i o no fe q u i l i b r i u mt a r g e tc o n s t r a i n t a n da c t u a la p p l i c a t i o nb a s i s ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ek e yi n t e r s e c t i o nc o n t r o l a n dt h e c o o r d i n a t i o nb o t t l e n e c kc o n t r o ls t r a t e g y , a n ds t u d i e st h es p e c i f i ct i m i n gm e t h o d b a s e do n a c c e s sm a n a g e m e n t ，p u t t i n gt h ef a s t r o a d s a c c e s sm a n a g e m e n t a tl a s t ，i tt a k e s c h o n g q i n gr i v e r - c r o s s i n gf a s tc h a n n e l 嬲t h eo b j e c to fs t u d yi nt h i se s s a yp r o v i d e s t h e p r o o ft ot h ea v a i l a b i l i t y , p r a c t i c a b i l i t ya n dr e a s o n a b i l i t yo f t h es y s t e mw h i c hb r i n gar a t h e r g o o de f f e c t t h ep a p e ri m p r o v e sg r o u p - u r b a nf a s t - r o a d sp l a n n i n ga n dc o n t r o lt h e o r y i th a sn o t o n l yt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s os o m ep r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e j a b s t r a ( 卫 k e yw o r d s ：f a s tc h a n n e l ；t h ef l l e o r yo ft r a f f i c e q u i l i b r i u m ：s i g n a lt i m i n g ：a c c e s s m a n a g e m e n t 目录 目录 摘要：1 a b s t i 矾c t 2 目录1 第一章绪论1 1 1研究背景1 1 。2 国内外研究现状。2 1 2 1国外研究现状2 1 2 2国内研究现状5 l1 3研究目的及意义6 1 3 1 研究目的6 1 3 2研究意义6 1 4研究内容。7 1 5研究方法及技术线路8 1 5 1研究方法8 1 5 2技术线路9 第二章城市快速通道的交通拥堵分析1 0 2 1城市快速通道及衔接路网的交通特性1o 2 1 1 快速通道的定义及特点：1 0 2 1 2 快速通道的功能11 2 1 3 快速通道与衔接路网的交通特性。1 1 2 2快速通道与衔接路网的交通问题分析1 3 2 2 1城市道路交通拥堵的涵义1 3 2 2 2 城市道路交通拥堵的属性及分类1 3 2 2 3 城市区域交通拥堵现状1 5 z 2 4快速通道与衔接路网的交通问题分析1 5 2 3缓解通道拥堵的主要对策与措施1 6 2 3 1快速通道交通拥堵解决对策1 6 2 3 2缓解快速通道交通拥堵的方法思路1 7 2 4 小结、l8 第三章快速通道网的虚拟简化与均衡配流技术研究1 9 3 1通道影响区范围分析1 9 目录 3 1 1交通影响范围理论概述1 9 3 1 2快速通道交通影响产生过程分析2 0 3 1 3确定通道交通影响区范围方法。2 1 3 2快速通道网虚拟简化技术研究2 2 3 2 1虚拟节点简化技术研究2 3 3 2 2虚拟路段简化技术研究2 4 3 3o d 反推技术分析2 5 3 3 1虚拟路网o d 反推模型2 5 3 3 2虚拟路网o d 反推算法2 6 3 。4基于虚拟通道网的均衡配流模型及算法2 8 3 4 1交通分配理论概述2 8 3 4 2交通均衡分配模型分析2 9 3 4 3虚拟通道网交通均衡分配模型31 3 4 4虚拟路网交通均衡分配算法3 2 3 5快速通道网的实际路网均衡流量分配3 4 3 6 小结3 4 第四章基于均衡原理的快速通道网控制技术研究3 5 4 1快速通道网控制技术的约束对象和方法思路3 5 4 1 1 快速通道网实施控制约束的对象选取3 5 4 1 2 快速通道网信号控制技术方法思路3 6 4 2快速通道网关键交叉口控制技术3 8 4 2 1 相关概念介绍3 8 、 4 2 2关键交叉口控制策略3 9 4 2 3关键交叉口信号配时4 0 4 3通道瓶颈协调控制技术4 1 4 3 1通道瓶颈协调控制技术介绍。4 1 4 3 2通道协调控制范围选取依据4 2 4 3 3系统描述4 3 4 3 4通道瓶颈协调控制信号配时方法：4 4 4 4 小结4 7 第五章快速通道出入口管理策略研究4 8 5 1出入口管理技术概述4 8 5 1 1a m 技术基本原理4 8 5 1 2 a m 实施原则4 8 目录 5 1 3a m 技术体系5 0 5 1 4a m 实施意义。51 5 2出入口管理策略相关技术的应用5 1 5 2 1信号灯设置间距5 2 5 2 2衔接点转角净空。5 3 5 2 3匝道落地点至下游交叉口间距5 4 5 2 4交叉口的交通组织及交通控制管理5 7 5 2 5改善通道两端衔接区域建筑物出入口布局5 7 5 2 6地面衔接段的土地利用规划5 8 5 3小结5 8 第六章实例分析5 9 6 1道路基础设施现状5 9 6 1 1道路现状分析一5 9 6 1 2交通基础设施现状分析6 0 6 1 3长江大桥道路现状分析6 0 6 2快速通道网均衡配流分析6 l 6 2 1快速通道交通影响区范围确定6 l 6 2 2快速通道网干道路网现状分析61 6 2 3 快速通道网虚拟路网简化分析_ 6 4 6 2 4快速通道网均衡流量分布情况分析6 7 6 2 5快速通道网实际路网均衡流量分布情况分析6 9 6 3快速通道网非均衡路段识别7 0 6 4快速通道网信号控制方案设计7 2 6 4 1关键交叉口控制方案设计7 2 6 4 2 通道沿线协调控制方案设计7 4 6 5快速通道出入口管理措施制定8 3 6 6小结8 3 第七章结束语8 4 7 1论文特点及创新点8 4 7 2论文不足之处8 4 7 3应用前景展望8 5 致谢8 6 参考文献8 7 在学期间发表的论著及取得的科研成果9 1 目录 附录a 9 2 第一章绪论 1 1研究背景 第一章绪论 近年来，由于国民经济的高速增长，城市的发展规模不断扩大，机动车拥有 量迅速增长，交通供需矛盾日益凸显，交通拥堵愈加严重，城市交通问题已经成 为城市发展的一个制约条件。而路网结构不合理、管理水平较低，控制措施不力 往往导致交通问题更加突出。交通拥挤和交通事故越来越严重地困扰着世界各国 的大城市，大城市内部组团间的快速出行通达问题亟待解决。 随着我国城市化进程骤然加快，大城市及特大城市的出现，要求城市空间布 局结构趋向系统协调。其中，组团式城市结构是目前较受推崇的一种城市空间布 局形式，组团式的城市结构，可以有效避免城市“摊大饼”式的无序蔓延。组团 城市由若干个具有独立职能的城镇组团组成，以城市干道路网为主要骨架联系各 组团。组团式城市的出现对城市交通道路网络提出了新的挑战，既要求组团间交 通出行的快速通达，又要求与组团内部路网协调顺畅衔接。 在被江河、山脉等分隔的组团式城市布局的道路交通网络背景下，由桥梁、 隧道等城市主干路组成的组团间快速通道，其交通功能主要是为进出各组团车辆 的快速通行提供一条具备连续通行能力的道路，在提供大运量、高运行速度方面 有着不可替代的作用，是城市组团或区域间快速交通运输的主动脉。但仅仅是快 速通道局部车速快，会诱发通道衔接出入口交通拥堵，可能造成各组团间联系不 畅，导致区域整体交通效率不能得到有效利用，甚至可能导致整个城市的交通混 乱。 可见，快速通道在发挥城市内部交通主动脉作用，满足城市内部组团问交通 需求的同时，也为城市交通带来了新的问题，主要表现在： 随着我国汽车保有量的增长，城市道路网的交通量不断增加，由于拥有快 速集散功能的城市主干道与城市其它道路在建设前期没有合理的衔接规划，因此 快速通道与两端衔接道路上交通分布不均衡、衔接不畅，造成快速通道与城市衔 接道路均无法发挥既有功能。 由于江河山脉等自然条件的限制，组团间快速通道直线段较短，出入v i 间 距小；并且城市道路网密度较大，快速通道与其它各级道路之间衔接复杂、转换 频繁，进出通道车流量大，出入口处交通流交织情况严重，冲突点多。 由于快速通道上行驶车辆速度较高，通行能力大，但与其衔接道路运行车 速较低，通行能力相对较弱，加之车流合流、分流的影响，在快速通道与城市路 网衔接处更易发生交通拥堵。 2 第一章绪论 由此可见，社会发展、城市扩张等各方面因素导致快速通道的交通问题激增， 由快速通道与两侧衔接路网耦合形成的快速通道网络系统( 简称快速通道网) 是 一个由众多出入口构成的复杂系统，加之与衔接处交通流交织情况严重，因此必 须采用系统方法对快速通道与城市道路交通网的衔接问题、快速通道网交通拥堵 问题进行整体深入研究。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外的交通管理者在解决区域性城市交通拥堵问题时主要从两方面 入手：一是加强交通基础设施建设，通过新建道路、桥梁、立交或对现有道路网 进行改造，以提高整个路网的规模和容量；二是应用先进的交通管理手段，通过 对交通流进行科学合理的组织、管理与控制，充分发挥现有交通设施的功能和潜 力。然而交通供需矛盾的长期性，以及城市空间的有限性决定了我们不但要对交 通基础设施进行合理规划和建设，并且还要使现有设施发挥出最大的效益。因此， 在道路建设的基础上，通过加强交通管理以提高道路通行能力，是缓解我国城市 区域性交通问题的一个重要环节。其中，交通信号控制作为一种交通管理手段， 已在国内外城市交通管理中得到了广泛的使用。 1 2 1 国外研究现状 国外学者在交通信号控制方面研究的起步较早，自十九世纪五十年代起，以 英国学者w e b s t e r 为代表的交通专家开始了对信号交叉口最优配时方法的研究。 w e b s t e r 等学者提出了一套完整的信号配时设计理论和方法，奠定了城市交通信号 配时理论的基础【l 】【2 】【3 1 。而快速通道与城市道路网的衔接控制问题，也是伴随着上 世纪七十年代的交通通道控制而产生的【4 】【5 】。为解决有衔接瓶颈区域特色的城市干 道，在饱和、过饱和状态下的交通衔接与信号控制问题，许多学者及工程人员做 了大量的研究，主要研究成果包含以下三方面： 快速路与城市道路交通衔接问题研究 1 9 9 3 年，以h a j s a l e m 为代表的部分学者认为【6 】，快速道路与城市道路的整合 控制优于通过任何方式的局部单一控制，能更好地发挥道路的功能。这一点引起 了交通学者的极大兴趣，陆续展开了对快速道路与城市道路整合控制的研究，也 逐渐成为交通领域的研究热点问题。 m a r o k sp a p a g e o r g i o u ( 1 9 9 5 ) 【_ 7 】最早提出了对快速道路与城市道路进行整合控 制的思想。他把哲学体系的存储转发( s t o r e - a n d f o r w a r d ) 模型进行合理拓展，将 复杂的问题简化为多控制措施的线性优化问题。整合控制的目标是实现一般控制 第一章绪论 3 标准的最小化，如总延误最小、研究区域中总行程时间最小。j i f e n gw u ，g a n g - l e n c h a n g 等( 1 9 9 9 ) f 8 】建立了快速道路与城市道路交通状态的演变模型。他们通过对城 市快速道路、衔接匝道、城市路段进行分段处理，假定每段路段上的车辆密度均 匀，并将入e l 匝道处理成一个特殊的交叉口，从而通过分段来表达交通状态的演 变过程。他们采用的控制目标函数是行程时间最短，这个目标体现了对绿信比、 匝道调节率和分流的优化。m v a nd e nb e r gl 等( 2 0 0 4 ) 【9 】认为城市快速道路与 城市道路整合控制的关键在于防止采用交通控制策略后，将快速道路遇到的问题 转移到城市道路上来，或把城市道路存在的问题转移到快速道路。 e i lk w o n 等( 2 0 0 3 ) 1 0 1 研究了一种自适应控制匝道与交叉口的整合控制方法。 他们尝试使用自适应控制规则来“均衡 城市路网中交叉口与快速道路的交通拥 堵程度。其中，匝道限流调节控制模块可以根据匝道衔接交叉口的交通拥堵度情 况，自动调整控制策略；衔接交叉口控制模块则以匝道周围的交通拥堵情况来决 定需采用的信号相位。 饱和、过饱和状态下的交通控制技术研究 l o n g l e y ( 1 9 6 8 ) 0 1 认为交通控制的目标应该是避免或推迟因其它交叉口排队 车辆影响而产生交通拥挤的发生，l o n g l e y 建议根据交叉1 2 进口道排队强度来进行 绿信比优化。g o r d o n ( 1 9 6 9 ) 1 2 】认为交叉口信号控制的优化目标应该是尽可能减 小各个相位车辆的排队长度。i n o s i 和h a m a d a ( 1 9 7 5 ) 【l3 j 提出在过饱和情况下， 信号配时应以交叉口通行能力最大为目标。p i g n a t a r o ( 1 9 7 8 ) 【1 4 】针对上游交叉口 过饱和的情况，提出了利用反向交通波为各竞争方向的交通流提供公平的配时方 案。m i c h a l o p o u l o s 和s t e p h a n o p o u l o s ( 1 9 7 8 ) 【1 5 】在考虑排队约束的条件下提出了 最小化过饱和交叉口延误的控制策略，并建立了信号配时模型，其基本思想是先 让到达率较大的相位运行最大绿灯时间，到达率小的相位运行最小绿灯时间，然 后寻找一个合适的转换点，使到达率大的相位运行最小绿灯时间而到达率小的相 位运行最大绿灯时间。 r a t h i ( 1 9 9 1 ) 【1 6 】将控制策略分为内部控制和外部控制，内部控制包括单个关 键交叉口控制、拥挤干线的控制，以及防止交通拥挤外溢的网络控制；外部控制 是指控制流入拥挤区域的交通流量，从整体上提高拥挤区域的交通流质量。 r o u p h m l 和a k c e l i k ( 1 9 9 1 ) 【1 7 】提出了一种针对两近距离交叉口的排队管理策略， 当交叉口进口道排队长度超过设定的阈值时，通过对饱和流率的调节来实现流入 流出量的控制。g a l t z u r ( 1 9 9 3 ) i s 】针对拥挤路网提出了一种流量控制方法。 m i n t a n gl i 和a l b e r tc g a n ( 1 9 9 9 ) f 1 9 】介绍了t r a n s y t - 7 f 优化过饱和路网的方 法，t r a n s y t - 7 f 为处理过饱和的情况提出了四个新目标函数，其模拟结果显示 采用新目标函数可以降低车辆延误并较少排队上溯现象。z a h e rk k h a t i b 和 4 第一章绪论 g e o f f r e y a j u d d ( 2 0 0 1 ) 1 2 0 为降低路网的拥挤程度，提出以通行能力作为目标函数， 并在进行绿信比优化时考虑了进口道长度的影响。l i nz h a n g 等人( 2 0 0 5 ) 2 1 】采用 模糊控制思想设计了一个模糊控制器来处理过饱和时的拥挤问题。 城市交通控制系统开发 为了解决实际的交通问题，随着交通控制相关理论研究的成熟，国外研究人 员开发了不同的交通控制系统和策略。与理论研究相比，控制系统和策略的开发 较为系统，注重解决实际问题的可行性和有效性。目前比较有代表性并且在实践 中取得了较好应用效果的城市交通控制系统有t r a n s y t 系统、s c o o t 系统、 s c a t s 系统等。下面简单这几种系统的控制思想。 t r a n s y t ( t r a 伍cn e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) 系统是当今世界上最负盛名的信号配 时优化设计程序【2 引，由英国道路运输研究所( t r r l ) 于1 9 6 8 年研制成功，是一种脱 机优化网络信号配时的一套程序。 t 砒蝌s y t 系统主要由仿真模型和优化计算两部分组成。仿真模型用来模拟在 信号灯控制下交通路网上的车辆行驶状况，以便计算在一组给定的信号配时方案 下网络的运行指标；优化计算通过改变信号配时方案并确定指标是否减小，这样 经过反复计算求得最佳配时方案【2 3 1 。t r a n s y t 早期的版本是采用“瞎子爬山法 ， 对相位差和绿信比进行优化，但不能对周期进行优化，只能在一组周期中计算最 小的性能指标，得到相对优化的周期时长。 t r a n s y t 是最成功的静态系统，它被世界上4 0 0 多个城市所采用。但它也存 在明显不足t 2 4 不能及时地对实时的交通状况及突发事件进行响应和调整；若要 重新进行信号配时，需要重新进行交通调查，费用较高；信号周期不进行优化， 其信号配时不能保证是全局最优的。 s c o o t ( s p l i t ，c y c l ea n do f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ：绿信比、周期和相位 差优化技术) 是一种对交通信号网络进行实时协调控制的自适应控制系统，由英国 运输研究所( t r l ) 在t r a n s y t 基础上研制，其模型及优化原理均与t r a n s y t 相 似，主要由交通量检测数据的采集和分析；交通模型；交通信号配时参数的优化 及调整及信号系统的控制四部分组成。该系统于1 9 7 3 年开始研究开发，1 9 7 5 年研 制成功，1 9 7 9 年正式投入使用，并取得了较好的效果。s c o o t 系统己经安装在伦 敦、北京、多伦多、圣地亚哥等1 7 0 多个城市，其最大的应用规模是在英国伦敦， 控制约2 0 0 0 个路口。 与t r a n s t y t 相比，s c o o t 是一种方案自动产生式控制系统，即通过安装 于各交叉口每条进口道上游的车辆检测器所采集的车辆到达信息联机处理，形成 控制方案，连续地实时调整绿信比、周期长及绿灯起步时距3 个控制参数，以适 应不断变化的交通状况。s c o o t 优化采用小步长渐近寻优方法，无需太大的计算 第一章绪论 5 量。此外，对交通网络上可能出现的交通拥挤和阻塞情况，s c o o t 有专门的监视 和应付措施。它不仅可随时监视系统各部分的工作状态，对故障发出自动报警， 而且可以随时向操作人员提供每一个交叉口正在执行的信号配时方案的细节情 况，每一周期的车辆排队情况( 包括排队队尾的实际位置) 以及车流到达图式等信 息，也可以在输出终端设备上自动显示这些信息【2 5 1 。 由于采用实时控制，s c o o t 的控制效果明显优于t r a n s y t 系统，也被很多 国家采用。然而，该系统的不足也是很明显的：相位不能自动增减，相序不能自 动改变：需要大量的检测器，单个检测器的实效又可能导致系统的崩溃；饱和流率 的校核未自动化，使现场调试安装非常繁琐。 s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ：悉尼协调自适应交通系统) 是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局( r t a ) 于上世纪7 0 年代末研制成功的，从 1 9 8 0 年起陆续在悉尼等城市安装使用。目前，世界上大约有5 0 个城市正在运行 s c a t s 系统。在我国，s c a t s 系统已在上海、天津、宁波、杭州等几个城市投入 运行，并且取得了一定的实施经验。 s c a t s 系统由三级结构组成：控制中心完成管理系统的任务；区域控制机完 成“战略 控制任务；交通信号控制器分担战术控制任务，各级之间的有机结合， 大大提高了系统本身的控制效率。此外，s c a t s 更是一种用感应控制对配时方案 作局部调整的选择系统。 在系统参数的优化方面，s c a t s 把信号周期、绿信比及相位差作为各自独立 的参数分别进行优化，优化过程所使用的算法以综合流量及类饱和度为主要依据。 s c a t s 使用的类饱和度是指车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比，综合 流量是指一次绿灯期间通过停车线的车辆折算当量，它由直接测定的类饱和度及 绿灯期间实际出现过的饱和流量来确定f 2 6 j 。 s c a t s 采用地区级联机控制，中央级联机与脱机同时进行的控制模式，以类 饱和度综合流量最大为目标；无实时交通模型，控制参数为绿信比、相位差和周 期。该系统是一种先进的交通控制系统，但它也存在下面的缺点：没有实时交通 模型；选择相位差方案时，无车流实时反馈信息，可靠性低；无法检测到排队长 度，无法消除拥堵。 1 2 2 国内研究现状 随着道路系统在我国城市的逐步发展，关于城市干道间衔接瓶颈区域的管理 与控制技术的研究，也逐步引起了我国学者与工程技术人员的重视。 在快速道路与城市道路交通衔接问题方面，邓亚娟( 2 0 0 4 ) 【2 7 1 从点、线、面 不同的层次上系统地对城市快速道路与普通道路在结构上的衔接问题作了系统分 6 第一章绪论 析研究，提出了快速道路与城市道路联合交通分配的时间模型与距离模型，在此 基础上应用大型建设项目交通影响范围确定方法对快速道路的交通影响范围进行 确定。陈德望、吴建平、蔡伯根( 2 0 0 5 ) 【2 8 】利用理论推导和系统仿真等方法分析 了有关城市快速道路交通控制的一些基本问题。度巍、黄崇超、王先甲( 2 0 0 8 ) 2 9 】 利用信号配时优化模型和随机用户均衡分配模型，构造了干道交叉口的随机用户 分配与信号控制组合模型，并提出了相应算法。 在饱和、过饱和状态下的交通控制方面，王殿海等( 2 0 0 2 ) 1 3 0 1 以交通波理论 为基础，研究了交叉口排队消散过程及其对上下游交叉口的影响，认为选择适当 的相位差可以在一定程度上避免“多米诺”现象的发生。裴玉龙等( 2 0 0 5 ) 3 t 】借 鉴调度优先权思想进行饱和状态下交叉口的绿信比优化，保证优先消散最拥挤方 向的交通流。金治富等人( 2 0 0 6 ) 3 2 】研究了过饱和交叉口的动态最优控制策略， 指出在交叉口严重拥挤的状态下应对交叉口上游的交通需求进行控制。樊宏哲 ( 2 0 0 7 ) 3 3 】分析了信号交叉口的排队过程，对排队长度约束下的信号交叉口控制 方法进行了研究，根据不同的交通条件提出了交通供需控制策略。 1 3 研究目的及意义 1 3 1 研究目的 本论文研究的目标是建立城市组团间快速通道网的均衡配置模式，快速通道 沿线协调控制方法，以及快速通道出入口管理策略。从系统的角度出发，合理调 整路网功能结构布局，均衡路网流量，从总体上对快速通道主路路段、出入口匝 道、通道影响区内的城市道路及关键交叉口加以控制，对交通流加以诱导，实现 城市道路总体的动态协调控制。改变目前组团间通道饱和度过高，交通拥挤，出 行效率低下的局面，打通城市内部骨干路网，保证各组团间交通的快速通达，促 进区域间信息、资源、文化的交流沟通，提高城市道路总体的运行效益。 1 3 2 研究意义 城市快速通道与城市道路网的合理衔接，直接关系到城市组团间快速通道及 其它道路整体功能水平的发挥，对于从总体上提高整个城市道路交通的通行能力 有着举足轻重的作用。通过本论文的研究，在快速通道与城市其它道路的功能衔 接、交通影响范围、交通分配、系统控制和通道出入口管理等问题深入分析的基 础上，重点建立城市快速通道网的交通均衡分配模型，确定快速通道网内道路的 流量均衡目标值，建立针对快速通道出入口衔接瓶颈节点的协调控制模型和通道 出入口的交通管理策略。处理好城市内部快速通道与城市道路网的合理衔接问题， 第一章绪论 7 为组团式布局结构的城市，在城市内部组团间联系通道的规划设计方面提供参考。 1 4 研究内容 本论文是以组团式城市内部过江快速通道的道路条件为基础所展开的，基于 交通均衡理论，从系统角度分析通道两侧出入口衔接路网，通过确定快速通道上 下游的交通影响区范围，建立影响区内快速通道网的虚拟路网，重点研究快速通 道网的交通流均衡分配，建立针对快速通道出入口衔接瓶颈节点的协调控制模型， 提出快速通道与其它城市道路的衔接管理策略。具体研究内容如下： 快速通道上下游交通影响范围分析 把快速通道假设为大型建设项目，定性与定量相结合的方法分析快速通道对 上下游道路网络产生的交通影响，确定影响范围，以交通影响范围为边界，确定 两侧衔接路网的范围，从而构建快速通道网。 快速通道网的虚拟简化技术研究 与快速通道衔接的城市路网是一个庞大的有机系统，为更好地从系统上把握， 需对原路网进行抽象简化，构建宏观的虚拟路网。虚拟路网可以充分反映快速通 道汇入道路瓶颈点、段的交通特性，同时不改变原路网宏观交通流特性及其需求 行为。 组团间快速通道网系统均衡配流技术研究 在快速通道网内，建立了衔接路网的虚拟路网基础上，采用虚拟路网o d 反 推模型和虚拟路网交通均衡分配模型，对虚拟路网进行均衡流量分配。结合实际 道路条件，为快速通道沿线的协调控制及快速通道网关键交叉口的控制技术研究 奠定基础。 快速通道协调控制技术分析 针对城市快速通道的构造特点，充分考虑和分析了现有的城市干线和城市快 速路交通衔接的控制方案与技术。结合实际城市过江快速通道衔接路网的交通压 力大，网络化程度高，出入口交通负荷重、集散能力弱，系统不平衡等特点对其 控制特点、控制模型及算法进行了研究。 7 快速通道出入口管理策略 快速通道出入口管理策略，是一种对通道出入h 衔接道路的位置、间距、设 计和运行的系统控制。以组团式城市内部快速通道的道路条件为基础，从规划、 管理、设计层面系统的提出快速通道出入口管理策略，为组团间出行的交通流提 供高效的通道出入1 3 ，确保快速通道网的安全性和有效性，实现通道功能等级的 系统化。 结合重庆市道路条件和交通现状，以重庆主城区过江快速通道衔接路网为 8第一章绪论 实例进行仿真，运用提出的快速通道网的均衡控制模型、快速通道沿线协调控制 及通道出入口管理策略对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，对管理策略的可靠性和控制效果做出评价。 1 5 研究方法及技术线路 1 5 1 研究方法 本文在对城市快速通道出入口衔接路网的规划和控制技术进行研究时，具体 采用的技术方法如下： 系统分析。系统分析是为了使系统的目标能最好的实现而对系统应如何构 成进行的分析，是一种立足整体，统筹全局的科学方法。城市快速通道以及与其 衔接的城市道路网络是多要素、多层次的系统结构，导致出入口衔接部分交通拥 堵进