基于大车混入率的交通流状态安全性研究.doc

河北工业大学硕士学位论文基于大车混入率的交通流状态安全性研究姓名：刘卫铮申请学位级别：硕士专业：道路与铁道工程指导教师：魏连雨20071101基于大车混入率的交通流状态安全性研究 ii STUDY ON RELATIONSHIP BETWEEN MIX RATE OF LARGE VEHICLE AND TRAFFIC STATE SAFETY ABSTRACT The variety of vehicle structure and performance lead to the difference of macroscopic traffic flow and vehicle individual speed, which is critical to many kinds of traffic accidents. It is reported that the death and injure is 5 to 10 times in our country higher than that of the developed countries as Euro, America and Japan. As the large size of structure and lower dynamical performance, large vehicles, like truck, trailor, freight and so on, run at a low speed, inflexible and in waste of excessive spatiotemporal resource of road. The damping effect by large vehicles makes traffic flow more discrete and unconstant. They reduce the capacity of highway as well as generate bad impact on safe following and overtaking, with a result of high rate of accident. Besides, the big difference between large vehicle and other cars increases the severity of the potential accident. In term of this, this dissertation object to large vehicles, build up a new concept of large vehicle. Do simulation study on the traffic state change with the mix rate of large vehicle. Make use of applicable index system to evaluate the traffic state safety and find out the threshold of mix rate of large vehicle to traffic state safety. The conclusion in this dissertation can be considered as a support to highway planning and designing, vehicle classification control and variable speed limit on highway. Keywords: Large Vehicle, Mix Rate, Speed Difference, Traffic State, Safe, Simulation “目￥月删删洲，”槲洲“，拉、口，。日；，十目“十，“、蜘一一。口哲。一砷。日川十”自喇日￥目晰自惭目镕呲删蝴删￥蝌目十自晰“自自目榔学吐暗卅；卟牙”琦一一沮砷一一，河北工业大学硕士学位论文 1第一章 绪 论 1-1 课题提出 近年来，我国经济社会飞速发展，交通基础设施建设长足进步，各等级道路里程迅速增加，规模配置不断完善，服务水平显著提高，交通供给能力进一步增加。但与此同时，交通运输需求增长的速度却远远超过了交通供给的增长。由于我国经济地区发展不平衡和交通需求的多样化等因素显著，使得对车辆的需求由于价格、用途等因素在车型和动力性能上差别很大，造成了我国交通组成混杂多样的现状。 2006年，全国运营客车总量达到163万辆，其中从事班车、包车、旅游客车的大中型客车总量达64万辆，大中型客车中高级客车所占比重达到10%以上，中级客车所占比重达到35%以上； 运营货车达到485万辆，其中特种专用车占15%以上；普通载货汽车中厢式车占10%以上，重型车占10%以上。2010年，运营客车总量达到220万辆，其中大中型客车总量达90万辆，大中型客车中高级客车所占比重达到25%能上能下，中级客车所占比重达到50%以上；运营货车达到550万辆，其中特种专用车占30%以上；普通载货汽车中厢式车占20%以上，重型车占20%以上。从国家统计部门获取的数据显示，2006年，我国汽车保有量达到4985万辆，而且预计到2010年，增长到5500万量。 从以上发展数据可以看出，我国交通流组成将日趋明朗化，在长距离运输上，车辆偏向大型车和超大型车，在区域短距离运输上偏向小型化车辆增加。而且大型车辆将构成我国货物运输的主体。在高等级道路上运行的比例会加大。陷于车辆本身的因素，加之我国车辆安全驾驶的意识有待于进一步提高，所以在我国交通事故日益频繁发生的严峻现实下，与大型车有关的事故占大多数，而且损失及其惨重。 来自公安部2006年数据显示，全国共发生道路交通事故378781起，共造成 89455人死亡，道路交通万车死亡率为6.2，直接财产损失 14.9亿元；超速行驶、疲劳驾驶、酒后驾驶导致死亡人数随有所下降但仍占较大比例，其中事故涉车类型仍然以重型货车和小型客车为主；而且国道，省道，山区道路等交通组成混杂的道路仍是交通事故多发路段。交通事故的数量和伤亡人数是同期美国的3040倍。1 交通事故的发生与交通系统的各个组成有很大关系，车辆结构的多元化和车辆各种性能差异导致车流宏观速度与个体车辆微观速度差异是引发各类交通事故的重要原因之一。有关研究表明，与欧美日等工业国家的小汽车交通相比，我国交通事故导致的死伤率高出510倍1。大型车辆由于较大的车型结构和较低的动力性能，在运行过程中表现出速度小、驾驶不灵活和对道路时空消耗过大的运行特征，因而对交通流造成瓶颈效应，在降低道路通行能力的同时，给安全的跟驰和超车行为产生不良影响，增加了事故发生的概率。同时由于大型车辆与其他小型车辆速度差较大，造成了与大型车相关事故的严重性。 为了能更好的揭示大型车辆在不同混入率的情况下，对交通流速度连续性产生的变化，分析大车队交通流状态安全性影响，进而分析与交通事故的相关性，特进行深入研究。 基于大车混入率的交通流状态安全性研究 2 本论文来源交通工程北京市重点实验室的开放式项目课题大型车混入率引起的速度差与交通事故相关性研究，并对其中一部分深入分析，完成此文。 1-2 研究背景 交通系统由人、车、路和环境四个部分有机组成，所以任何一个部分出现问题，都有可能造成交通事故，事故致因分析也无怪乎从以上四个方面入手。从交通心理学研究交通事故的角度能很好地揭示超速行驶和疲劳驾驶等易导致事故机理中的人为因素；从车型性能和行驶特征上分析交通事故状态下交通流的特征；从道路线形和几何条件能分析出交通事故黑点的不良因素；从天气，气候和道路地域条件能分析不利于交通安全的环境因素。但是无论从那个方面来研究交通事故的发生和程度，大部分研究成果都是基于历史统计资料的。利用回归统计数据来建立交通系统构成与交通事故发生概率和事故程度的关系。而交通事故发生在瞬间状态，即使是最先进的计算机仿真技术也难于实现交通事故发生瞬间，交通系统的状态突变性，以及通过纯粹的仿真条件来实现交通事故发生瞬间状态下，交通系统的特征性和规律性。 既然从交通系统综合研究分析交通事故的发生特征具有较大的困难性，那则可以通过某一介质作为交通系统的综合作用反映来研究其于交通事故的关系。速度是反映交通流状态的最为敏感的参数，也是最容易获得的参数之一，人能主官感受。交通系统各个部分见之于交通流综合作用通过速度能很好的表征出来。所以，以速度作为中间介质来研究交通事故有先天的优势。目前，在交通管理部门，都是根据事故现场车辆的路面划痕，来推算事故车辆的速度参数，其中包括：速度均值、速度方差、加/减速度、速度变化率等。通过速度参数分析，能建立事故率和事故严重性预测模型。 1-2-1 速度交通事故关系原理 车辆速度和事故安全相关，主要表现在两个方面：一方面表现为越来越高的车辆速度与越来越少的反应时间之间的关系，过高的车辆速度降低了驾驶员通过曲线道路和突破障碍物的视距，扩大了制动距离，并且增大了驾驶员对危险情况反应的距离；另一方面表现为车辆质量、运行速度与碰撞能量之间的物理关系，质量越大、速度差越大发生碰撞时冲击力也越大，因此涉及大车的交通事故多是重大交通事故，人身财产损失惨重。 1-2-1-1车流均速与交通事故危险性 交通调查显示，车速越高，发生交通事故的危险性越大，但是危险性与车速并不是成线性关系，Australia的RTA2研究速度与事故危险性的关系如表1.1所示。从表中可以看出，速度每增大5km/h，发生事故的危险性基本上是原来的2倍，因此微小的速度变化将对行车安全带来显著的影响。 河北工业大学硕士学位论文 3表1.1 车流均速与事故危险性关系 Table 1.1 Relationship between speed and traffic unsafety index 车流均速 相对事故危险性 60 1.00（基数） 65 2.00 70 4.16 75 10.60 80 31.81 85 56.55 1-2-1-2速度差与事故率 有关车速差和事故率的关系研究，到目前为止，虽然有不少模型，但基本都是建立在半经验半理论的基础上，而且大都是根据统计学回归得出的。 早在1964年，SOLOMON D在1964年研究发现，车速和平均车速的差值与交通事故率的关系3，得出一条U型曲线，表明车辆的速度无论是高于还是低于平均车速，其车速差值越大，事故率就会越高，具体关系模型为： 23.2006675.0000602.0210+=vvI (1.1) 其中，I为10万车公里事故率，次/10万车公里；v为车速与平均车速之差，km/h。 蒙纳斯大学事故研究中心在1993年也对车速和平均车速的差值与事故率的关系进行了研究4，结果表明，车速与平均车速的差值越大，事故率越高，这与SOLOMON研究结果是一致的。具体的关系模型为： 32014.08.0500vvI+= (1.2) 其中，I为10万车公里事故率，次/10万车公里；v为车速与车流均速的差，km/h。 2001年，英国交通研究实验室的BURUGA A研究的EURO模型5表明，事故率和平均车速与超车行使者的比例有很大关系，平均车速为60km/h时，车速差异每降低1km/h，事故率将降低2.56。具体模型为： vvN=536.1ln (1.3) 其中，N为年平均事故次数，次/年，v为推算平均速度，km/h，v为个体车辆速度与平均车速差，km/h。 2004年，哈尔滨工业大学的裴玉龙教授，对我国北方几条重点的高速公路连续几年的交通事故进行了调查分析，研究得出速度标准差和事故率为指数关系6，具体关系为： 0553.0583.9eAR= (1.4) 基于大车混入率的交通流状态安全性研究 4 其中，AR为事故率，次/亿车公里，为车速标准差，km/h。 1-2-1-3速度与事故严重性 车速与事故严重性的关系是基于物理学的，运动车辆的动量是其质量和速度的乘积关系，速度越大，车辆的机械动量也就越大，如此巨大的机械动量在碰撞的瞬间以强大的冲击力转化转移到碰撞车体上，足以是车体挤压变形，后果严重，造成很大的伤亡。对肇事车辆来说，碰撞过程中受到的冲击力为： tvmf= (1.5) 其中，f为碰撞过程中车辆受到的冲击力，N；m为车辆质量，kg；v车辆碰撞前瞬间速度，m/s2；t为碰撞过程时间。由于碰撞过程发生在瞬间，所以t很小，导致会产生冲击力极大。 由研究表明，交通事故的严重程度决定于碰撞前后车速的变化值，伤害交通事故的变化率是速度平方变化率的两倍，而死亡交通事故的变化率是速度变化率的四次方7。 图1.1车速与事故死亡率关系曲线 Figure1.1 Relationship between the speed variance and death rate 1994年，Bowie和Waltz对碰撞前后速度改变值v与人员受到伤害关系的研究结果表明8，当事故中车速的变化值v小于16km/h时，人员受到中度或重度伤去的可能性不到5%；但是，当v超过48km/h后，人员受到中度或重度伤去的可能性将超过50%。在此意义上，国内外研究学者对限速的研究已经将限制低速与限制高速相同的认识上。 1-2-2 大车阻尼与速度变差原理 1-2-2-1速度趋同原理和均速下降 根据系统动力学和扩散原理，作为开放的组织系统在平衡状态下，交通流中各组成个体相互影响，最终产生速度趋同倾向。 在实际中，速度趋同原理也不难理解：从极端情况来看，假如道路上只有小汽车行驶，则由于个体之间车型，动力性能和运行特征具有极大的相似性，车辆个体的运行速度就会较大，在交通流量不大的情况下，交通流的速度几乎和小汽车的个体速度相同；倘若道路上行驶的全部是大型车辆，则交通流的速度肯定和大车的慢速分布相近；所以在大车不同的混入率情况下，车辆个体本身存在运行差异，这种差异成为交通流系统内动力，存在与个体之间，最终使得个体之间的相互牵制，直到平衡。大车混入将会使交通流整体速度降低，道路通行能力下降。Huber在1982年对货车的当量换算系数研究时曾给予定河北工业大学硕士学位论文 5性的说明9，如图1。 图1.2大车混入情况下车流的平均速度与流量形式 Figure1.2 Speed and volume of different traffic flow 1-2-2-2大车阻尼作用与混入率非线性关系 在标准状态下，标准车流以期望速度前进，车流速度趋同接近，多车道的各车道车流相互影响较小；在混合车流条件下，由于车体的差异，车体之间势必会产生相顾干扰：密度较小时，若前后车速度差异，车辆总是处于跟驰超车自由的状态下，车体间距也是在减小拉长保持的状态中不断变化，因而纵向运动造成横向摩擦也较大；在密度较大时，超车机会较小，由于纵向运动引起的横向摩擦减少，但是车道间的横向摩擦仍然存在。根据相似性准则，西南交通大学的罗霞在研究混合交通流时曾建立粘度模型来研究慢车的阻尼作用10： )(minhvdh= (1.6) 其中，为粘性系数，与车型比例和动力性能有关；v为车辆速度差；h为车头间距；mind为最小安全间距。 罗霞的研究从理论上分析了大型车混入带来的粘滞作用。并从理论上分析出交通组成越复杂，即混合率越大，越大，也就是说混合率越大，车辆之间的相互干扰增大，越大，车流对个体车速变化越敏感。 图1. 3理论上粘滞系数随大车混入率变化关系 Figure1.3 Viscidity with large vehicles mix in theory 罗霞的研究能从理论上分析出，慢车对车流的阻尼作用与其混入比例是非线性关系，与实际交通流观测中是相符的，但是定在当大小车各混入50%时，车辆之间的粘性最大，这个结论值得商榷。 基于大车混入率的交通流状态安全性研究 6 1-2-3 其他研究成果 除此之外，同济大学的景天然等人在对俄罗斯学者巴布洛甫道路条件与交通安全进行编译时，指出，道路条件的选择与设计应该尽量的使得交通流的分布连续性，在道路条件复杂多变的路段上，车辆速度突变性加强，离散性导致交通流分布的不均匀性，因而交通事故突发，给交通安全带来极大的威胁。11 河北工业大学的魏连雨教授及其课题组12，在道路几何条件对交通安全的影响上进行了研究指出，道路几何条件能引起车辆速度的稳定性变化，不适应的几何条件往往是事故黑点的显著特征。 1-3 研究目的 由于车型结构、动力性能的不同导致大车在行驶过程中表现出较差行驶特征，大车不仅对道路的时空消耗率低下，在车道中往往造成“移动瓶颈”，降低了道路的通行能力。同时，会对高速行驶的小汽车流造成障碍，使得小汽车流在安全跟驰、超车的难度加大，给交通安全带来隐患，而大车的这一效应，随着大车混入率的增加而发生复杂的变化。为了深入研究大车混入率带给交通流的阻尼效应变化情况，进而揭示大车混入率与道路交通事故的关联性，本文将主要以速度为中间介质，发现在速度变化的同时，其他交通流状态参数的变化情况。 因此，通过对行驶车辆结构的多元化和车辆各种性能差异导致车流宏观速度与个体车辆微观速度差异的研究，在运营管理上提出对不同道路交通状态的安全管理和预警技术，在道路与交通工程设施设计方面，制定适合中国国情的基于车流结构、行驶速度和速度差异的设计方法，具有重要的科学意义和实际应用价值。 具体来说本文主要有以下研究目的： 归纳大车共性，从多角度建立大车概念； 定性分析大车对交通流的阻尼效应，研究大车引起交通流离散性和不均匀性的机理； 对大车在不同混入率的情况下的交通流状态变化进行研究，发现大车混入率对交通流状态得影响规律； 建立交通流状态安全极限情况下，大车混入率的阈值 分析大车混入最不利情况下，车流速度的分布变化，为高等级道路可变限速措施和分车辆限速提供理论支持。 1-4 研究内容与方法 本文主要对大车在不同混入情况下，车辆跟驰和超车状态进行研究，分析在二者状态下车流整体，河北工业大学硕士学位论文 7行为车辆个体及临车的速度特征。具体来说，本文研究内容安排如下： 第一章、绪论：主要介绍国内外相关技术理论研究背景，总结研究成果及存在的相关问题和不足，明确研究目的，概述研究内容，列出研究路线； 第二章、研究概述：界定研究对象大车的概念；针对本文研究的内容，对设计的研究方法理论进行概述，主要分析大车的移动瓶颈效应对安全跟驰和超车换道行为的影响理论，以此作为本论文的理论基础。 第三章、交通事故与安全评价体系：选择合适的交通流参数作为评价指标，对跟驰和超车两个易导致事故的行为的交通流状态参数变化进行评价。并分析大车在不同混入情况下，速度变化的同时，评价指标的变化关系。 第四章、仿真研究与结果分析：介绍交通仿真对交通流仿真的基本原理，模型特点及仿真特点；结合交通调查对仿真模型参数进行修正；建立大车混入率的仿真模型；并对仿真结果进行理论分析，在跟驰行为和超车行为状态下，速度的变化情况，同时考察评价参数的变化情况。 第五章、理论与实践：分析道路交通黑点交通流特性，提取其速度分布与变化特征；研究仿真结果与实际道路交通黑点中事故率与速度差的关系，对二者进行对比分析。 本论文研究工作是在系统工程与方法、交通流理论、流体力学以及交通动力学理论方法的指导下，采用数理统计理论、计算机模拟及仿真技术方法，从道路交通流运行规律入手,确定不同路段条件下车流整体、车流中各结构类型车辆单元的速度变化与车流中大型车混入率的关联性。 1-5 小 结 作为论文的开始，本章概述了论文课题的来源和背景，相关国内外研究成果及存在问题，明确了研究对象、内容、技术路线和研究方法。 基于大车混入率的交通流状态安全性研究 8 第二章 研究综述 2-1 车型分类与大车概念 基于本文的研究内容，本文将得出大车混入对交通流影响的结论，所以首先要对交通组成中车辆的分型进行研究，从而建立本文研究的大车概念模型。 2-1-1 车型分类研究发展 车型分类的特定研究早见之于宏观交通规划设计领域，直观的感觉是不同车型首先在结构上就有很大的差异，对于道路静态空间资源的占用有所不一，所以在道路规划设计之初，必须把非标准车当量换算成标准车，因此也就是车型分类研究的需要。最为典型的车型分类研究与应用体现在美国道路通行能力手册中PCE（Passenger Car Equivalent）的值的研究和持续的通行能力的相关研究13。 与之同步发展的是车型分类在交通管理与控制上的研究应用，不同车型在车辆动力性能、动态特性上有千差万别，大车和小车动力结构上有不同的效率，即使在相同的道路环境下也有不同的动态特性，因此需要对不同车型进行不同的交通管制措施，比如不同的限速标准、爬坡坡长等。 近几年，智能交通系统ITS（Intelligent Transportation System）相关研究的深入和发展，有关人工智能车辆的分类辨识也发展成为一个分支，车辆的智能分类辨识涉及到交通系统的现代化、智能化发展，由于此主要是有关交通信息管理与控制与人工智能的问题，不作深入讨论。 2-1-2 大车研究背景与现状 早在上个世纪20年代初，美国公路研究委员会HRB（Highway Research Board）的一位会员Hamlin在其报告中14曾说：“我们应该认识到慢速车辆是经常引起交通拥堵的原因，并且制约了正常运行条件下而大大降低了公路通行能力”。并在其1924年的报告15中连续指出由于慢车因素造成的道路瓶颈点也是发生交通事故的惯性点之一。自此以后，有关大型车辆对道路通行能力和交通安全的影响便成为专门的研究方向。 2-1-2-1大车概念与大车阻尼作用 有关大车概念，专门研究也是一直较为模糊。不同的研究角度将大车概念界定有所偏重，但是无论是从哪个角度来研究大车运行特征对交通流的影响，在个别区别之外，也存在更多共性之处： 1. 车型结构： 大车车型结构都较大，长度可达一般小汽车的35倍，宽度可达小汽车1.52.5倍，高度可达小汽车的13倍，所以单位静态占路面积可达一般小汽车的410倍。在车辆行驶的动态状态下，加之河北工业大学硕士学位论文 9车辆振动作用的影响，大车行驶对道路空间要求更大。例如，大车对车辆间的车头时距、横向干扰、行车安全视距，曲线半径都会有特殊要求。 在大型车的运行当中，我们经常会注意到车辆转弯时产生的车辆通道圆与外摆值，这不论对道路设计、交通运行还是交通安全都是必须要考虑的一个因素，因为这和小汽车的运行情况差别非常大，并且比较难于控制，因此在交通流中影响比较大，例如占用相邻车道、导致其他车辆停车等待，可能破坏交通流或基础设施，如图2.1： 图2.1车通道圆与外摆值示意图 Figure 2.1 Turning circle tracking and radii of large truck 2. 动力性能： 大车载重一般都远远超过小车的载重能力，（而且随着经济利益的驱使，近几年，大车超载现象更为严重。在此我们将超载视为非研究范围的车辆，只是研究车辆在正常载重的情况下的运行特征。）车辆的载重是指在保证车辆安全正常行驶的情况下，发动机功率载物能力。在额定载重范围内，比功率将会是评价汽车动力性能的一个综合指标。比功率是指汽车发动机最大功率与汽车总质量之比。比功率决定了车辆的最大速度。一般来讲，对于同类车型汽车而言，比功率越大，汽车的动力性越好。根据下表自然车辆分类情况，定义大车比功率415 kW/t。小车比功率定义为20100 kW/kg。普通国产低档车大概范围在0.04-0.07之间；中档车的大概范围从0.06-0.10；高档车则更高，范围也更广，大概范围从0.08-0.13；跑车基本都可以达到0.10有的甚至还多，保时捷911 Carrera Coupe (Tiptronic S)的比功率高达0.16。 3. 行驶特征： 由于车型及其动力性能的差别，造成大车和小车在行驶过程中表现出较为明显的特征，明显的大、小车在速度分布，加/减速范围，和驾驶行为上有较大的区别： (1) 速度：受汽车结构和动力性能内在因素影响，大车速度一般偏低，平均速度分布范围为5080 km/h，最高速度分布范围为70100 km/h，明显低于其他车型的车速值，尤为表现在高速公路行车道和超车道上。较大的速度差必将导致车流运行失衡，大车对交通流的阻尼作用增加，移动瓶颈出现。同时由于车辆之间基于大车混入率的交通流状态安全性研究 10 的速度差变大，说明车辆运行状态“跟驰超车自由跟驰”相变的频繁发生，增加了事故发生的潜在性。本文将根据研究经验和调查数据界定大车平均速度范围为4080 km/h，最大速度范围为70100 km/h.。 (2) 加/减速度：车辆的加/减速度体现了汽车启动/制动性能。加减速度大小与多种因素有关，主要因素有车辆技术性能、质量、轮胎材料和形状、路面材料和结构等。加减速度与车辆的比功率成正相关关系，即加减速度也是随着发动机的功率变化而变化。通常来说，当车辆以最小比功率实现加减速过程时候，比如启动过程车辆的加减速度很小，但是当车辆以较大功率行驶，车辆的加减速度将较大，可操作性增加。本文根据表2.1同样界定大车最大加速度范围为02.2 m/s2,最大减速度是06.6 m/s2。 不同车辆或者同一辆车在不同情况下最大加速度各不相同，下面对货车的加速度分布情况进行分析。第一种情况为以静止或低速为初始状态的加速度，一般称为低速状态加速度。低速加速度的影响因素包括： 加速区长度； 车长； 货车比功率； 货车齿轮传动系数； 道路几何情况（坡度、弯道弧度等）。 美国学者Gillespie在80年分析了卡车在低速状态下的加速模型16，并且得出如下低速卡车加速公式： 0.3)(682.0+=mgThzcVLLt (2.1) 其中：ct加速所需时间；hzL加速所需长度（ft）；TL货车长度(ft)；mgV货车档位的最大速度（mil/h） 第二种情况为大车在现有比较高的速度下进行加减速的加速度，成为高速状态加速度。此情况下加速性能主要与比功率、大车目前速度以及当地道路坡度有关。一般情况下，认为此加速度与比功率成正比，因此大车的加速度便是大车性能发挥的一个比较大的弱点。 大车的加减速性能的这些弱点，更容易导致大车在许多情况下保持较低的速度，并且不会轻易进行超车换道。 (3) 安全间距和视距：由于大小车的驾驶灵活性有较大区别，加之车型影响，造成了大小车辆在行驶过程中动态空间需求不同，比如小车体积小、载重轻、动力因数和比功率都较大，驾驶灵活所以视距要求低，在自由流状态下速度较高，需要的动态安全间距也较大；在密度较大的状态下，小车行驶状态分散性很大，所以动态安全车间距分散性强。而大车则正好相反。图2.2表明了有关部门统计的动态车头间距17： 河北工业大学硕士学位论文 11 图2. 2不同车型动态车间距 Figure 2.2 Headway of different types of vehicles 表2.1不同车型性能参数分布18 Table 2.1 Perform index of different types of vehicles 车型 车重(t) 直接档动力因数D0最高车速分布(km/h)比功率（kW/t）小型货车 14 0.040.06 70100 7.413 小客车 18 0.030.04 5585 3.78.1 微型轿车 4(L) 0.140.20 140190 52100 2-1-2-2大车研究目的 希望通过理论和实践两个方面的研究，能够对大车在高等级汽车专用道路中的影响机制进行解析，建立大车对汽车专用道路特别是高速公路、城市快速路段中的服务水平以及交通安全的影响模型，进行以大车混入率速度差与交通安全的关联性分析；结合实际高速公路交通调查数据以及微观仿真模型来完善、拓展这些模型。研究成果主要可用于道路交通规划、交通管理、货运通道的规划、物流中心交通影响分析、城市干道交通组织及管理等实践中，为其提供基础理论支持。 2-1-3 大车混入率的概念 大车混入率，顾名思义是指在大车混入交通流中所占的比率。从交通组成的时空分布二维特征上讲，混入率可以包括空间混入率、时间混入率。 基于大车混入率的交通流状态安全性研究 12 2-1-3-1大车空间混入率 大车空间混入率是指，路网空间分布上，大车数量与车辆总数的比率。比如，某一时刻，某一路段范围内，大车数量和交通流中车辆总数的比率，可以看作是大车在该路段范围内混入率。空间的范围可以根据研究路网的结构和容量选择。大车空间混入率反映交通流组成在路网分布的不同范围内变化时，交通流状态分布的不均匀性，交通流安全状态潜在较大的事故因素。大车空间混入率能反映出由于大车造成的服务水平的变化在路网空间上的分布特征。对于大车混入空间比较特殊的路段，往往需要采取特殊的交通管理措施。 2-1-3-2大车时间混入率 大车时间混入率是指，对于某一道路空间，在一段时间内，大车流量和交通流的比率。大车时间混入率强调的是流量比例，能反映出路网空间在时间周期内，大车混入的变化产生交通流状态变化的时间特性，因而对于动态交通系统有重要参考价值。 2-1-3-3交通流分布模型与大车混入率的选择 在现有的交通流模型中，车辆的分布模型包括：泊松模型，埃尔朗分布，均匀分布等，现有仿真软件的开发也基本是基于以上三种，但是应用最多的是泊松模型。仿真软件中车辆发生器，利用泊松分布的特点随机发生车辆。所以在一般的仿真软件中，对于路网模型比较简单的情况，可以选择不同的大车混入率模型来研究交通流状态变化情况。 在本文中，由于本文对在建立仿真模型中路网的空间分布对交通流的约束作用忽略不计，采用大车时间混入率的概念作为研究的对象。 2-2 移动瓶颈理论 2-2-1 移动瓶颈的概念 在交通设施组成系统中，某部分结构，比如交叉口、收费站、匝道和某些特殊的限速设施等由于特殊的设计、特殊的交通组织方式或者交通管理措施经常会对车辆在通过时有一定的要求，致使车辆在经过时速度降低，通行能力下降，甚至造成局部阻塞。后来人们，根据对瓶颈处交通流状态的特征提取：1降低交通流速度、2减小通行能力、3局部阻塞，具备上述特点的都成为道路瓶颈。由于大车在道路空间作用对交通流产生的影响具备上述特点，所以把大车在道路空间上的位移成为移动瓶颈。 2-2-2 国内外研究背景 1992年，美国的Gazis和Herman19注意到在快速道路上，有些重型慢车引发几辆甚至大量车辆减速跟行，形成“成簇”慢行车队，针对该类现象首次正式提出“移动瓶颈（Moving Bottleneck）”的概念，依据Lighthill和Whitham (1955)理论20，假定流量与密度之间存在函数关系，以此建立了模型进行分析。 河北工业大学硕士学位论文 13其基本假定为： 1) 双车道上一辆慢车以1v速度行驶，后面交通流以0v速度行驶，且10vv； 2) 后续车辆接近慢车等待超车而排队后，所有车辆速度相近，接近1v，且两个车道排队一样，超车机会一样。 Gazis-Herman模型对一辆慢车引起的排队特殊点进行了研究，对移动瓶颈理论的应用有相当大的意义，但是也存在相当大的不足，因为这种模型建立在一辆慢车引起排队的个案基础上。 在Gazis-Herman之后，Newell和Lebacque21分别独立以LWR模型22为基础建立了更完整的理论。他们提出的模型提供了关于移动瓶颈理论的完整框架，并且对慢车周围交通流的运行情况进行了分析。Newell在1998年提出了在数学模型上将单个移动瓶颈简化为固定瓶颈处理的简单移动瓶颈数学模型，移动瓶颈和固定瓶颈的“流量密度图”的转换可以通过简单的坐标转换而完成，如图2.3所示。2003年，美国加里佛尼亚大学的Laval于对这种模型提出了考虑离散化轨迹的数学解决方法23。 图2.3移动瓶颈和固定瓶颈流量密度关系曲线 Figure 2.3 Relationship of traffic flow and density at fixed and moving bottleneck 2005年，美国的Munoz-Daganzo24对高速公路情况进行了控制试验，并通过实际检测首次对单个移动瓶颈的特征进行了描述，同时得出LWR模型在城市中较为适用，但是在高速公路上却有较大差异。据此，他提出了自己的新模型建立在以下假定上：1在移动瓶颈的上游和下游，可以用LWR模型进行描述；2在消散流量于移动瓶颈速度之间存在现象联系。在调查数据的基础上，他提出了当移动瓶颈发生作用时，下游消散流量随移动瓶颈速度的变化公式。最终建立了基于LWR模型的统一的移动瓶颈模型。此外，国外还有部分学者在LWR模型的思想出发，建立自己的仿真模型来研究慢车在移动瓶颈效应中对交通流密度的时空分布影响。 国内对于移动瓶颈的研究起步较晚，2001年，江苏交规院的黄晓敏等人对排队法和冲击波法在解决固定瓶颈的问题上进行初步分析25；在2005年，我国学者徐循初以流体力学阐述对路段“瓶颈”的认识26，即：路段“瓶颈”处的车流紊乱，排队回波；常见的交通阻滞处；2006年，广西师范大学的刘慕仁等人利用元胞自动机对道路变窄造成的瓶颈效应进行了仿真分析27。 国外对交通移动瓶颈应对措施方面的研究，主要集中在重型车爬坡及弯道转弯上，通过专设重型车基于大车混入率的交通流状态安全性研究 14 爬坡车道问题已得到基本解决。但总体而言，目前国际上对交通移动瓶颈理论的研究还刚刚开始，其不成熟主要存在两方面原因：一是交通移动瓶颈本身是一个复杂的交通现象，对其研究时间也不长，是交通研究领域的前沿学术问题；二是国外特别是美国等发达国家车辆性能差异不大，速度差不明显，交通移动瓶颈问题不是特别突出。因此，国内在这方面尚未怎么起步之时，本论文希望通过分析货车对于城市道路路段交通的影响来引出这一思路，特别是针对于国内复杂的混合车流将会有很好的研究帮助。 2-2-3 移动瓶颈影响效应模型 根据移动瓶颈处典型的特征，可以看出在大车造成的移动瓶颈处排队消散的现象是唯一现象。根据交通流波动理论，假设路段上的某辆货车引起“移动瓶颈”，机动车队的密度由1K向2K逐渐递增，交通量降为2Q，形成压缩波，该压缩波的波速为1（其数值为图中虚线OB）的斜率。根据交通动力学理论用如下公式可以求出压缩波的波速1： 12121KKQQ= (2.11) 图2.4车辆时空位移示意图 Figure 2.4 Traffic flow shift spatially and temporally 基于以上假设，建立移动瓶颈处的影响效应模型： 图2.5大车的移动瓶颈影响效应时空图 Figure 2.5 Spatio-temporal impact of moving bottleneck by large vehicle 交通流正常行驶在状态3，当大车以速度V1进入路段后，导致所在交通流进入状态1，即以速度河北工业大学硕士学位论文 15V1前进，后续车辆进入减速排队状态2，速度在一定范围波动；在排队后面的车辆由于排队波反射效应，以状态0的效果移动；当后续车辆进行观望超车成功后，车流进入了状态3，此时，由状态03形成了一个消散波。如果路段足够长，而且大车之间距离足够长，波20及消散波03便会合并为一个波23，车流的速度就是大车速度V1。 为了反映这个“移动瓶颈”的影响，我们对车流的平均速度进行分析，由于大车形成瓶颈处主要是状态2和状态3两种运行状况，根据流量密度速度关系，上述车流的时空运行图进行定义，包括状态2的面积2A、流量2q、密度2k，以及状态3的面积3A、流量3q、3k密度，即有大车所在部分交通流的： 由以上可知，在单个大车引起的“移动瓶颈”效应中，平均速度还是取决于初始流量q以及大车的平均速度V1，也就是说在大车混入率很小时，“移动瓶颈”效应与大车混入率无关，但是当大车混入率很大时，大车引起的车流排队和消散会相互影响，对交通流的影响也将更为复杂。 2-2-4 大车的瓶颈效应与服务水平 2-2-4-1横向效应 在不同的交通设施服务水平下，道路的驾驶自由环境是不同的，大车行驶特征也有较大差别。根据我国道路服务水平等级划分原则28，如表2.3示， A级服务水平下，密度小，各个车辆完全自由行驶，离散分布。由于车距较大，大车效应足以在道路空间上独立分布，小车即使在超越大车前后过程中，状态变化不显著。因此，可以认为大车在此服务水平下阻尼作用极小。 B级服务水平下，路段负荷系数达到0.300.50，属于稳定流范围，车辆相对自由行驶，但是交通流内各车辆要相互注意到，而大车由于其外型特征易引起驾驶员的注意，并且在一些情况下影响其他车辆的驾驶。此服务水平下，大车由于速度及动力性能差异易引起移动瓶颈，但是相对较大的车间距不会给小汽车超车过程产生影响，当排在货车后面的小汽车超车成功后，“瓶颈”形成的排队波将慢慢消散。大车阻尼作用尚未带来明显的效应。 C级服务水平下，路段负荷系数达到0.500.75，虽然仍属于稳定范围内，但是各个使用者的运行显著地受到交通流内其他使用者的相互影响。车辆之间的牵制作用开始显著，这种服务水平下，驾驶员处于比较警惕的状态，而大车在此服务水平下比较明显的影响其他车辆的行驶，交通流中的“移动瓶颈”效应也比较明显。 D级服务水平的路段负荷系数达到0.750.90，交通流在此阶段仍是稳定的，但是车辆速度和驾驶自由度受到严格限制，从交通流的运行来看，大车的某些影响因素很容易导致局部路段的排队，此时瓶颈空间范围扩大并且导致整个交通流的各种车辆速度趋同，形成慢速前进车流。， 223323AqAqqAA+=+223323AkAkkAA+=+22332233AqAqVAkAk+=+基于大车混入率的交通流状态安全性研究 16 E级服务水平表示运行条件已经非常接近或者达到通行能力值，此时交通流处于不稳定状态，交通流中稍有波动，都会引起交通中断，移动瓶颈范围扩大至整个路段，交通流表现出大车的行驶特征。 表2.2我国道路服务水平等级及特征 Table 2.2 Level of service fo