（交通运输规划与管理专业论文）分合流区与匝道通行能力协调分析.pdf

摘要 互通立交系统的分合流区是高速公路车流运行过程中极易出现的瓶颈地段，匝道与主线 设计不协调。造成上匝道车辆汇不迸主路，主路驶出车辆进不了下匝道，而发生拥堵，甚至 发生交通事故互通立交系统匝道与主线协调设计标准的重要理论基础便是匝道、主线通行 能力的协调。本文运用调查分析、理论分析和计算机仿真模拟分析方法研究了分合流区、匝 道通行能力的协调分析方法 本文首先在对大量的调查数据进行处理与分析的基础上对分合流区与匝道交通流特性进 行分析，其次，分析得到分流区下匝道通行能力、匝道中间段通行能力和建立合流区上匝道 通行能力模型，再运用 i s i s 分析系统内部通行能力的匹配关系，找出相关的影响参数及其 影响程度大小，对其参数进行定量化分析，最后对达到分合流区与匝道通行能力协调时有关 影响参数进行了协调分析，建立了设计参数的计算模型并作为协调分析实例，提出在主路 二级服务水平下三者通行能力协调一致时各种影响参数大小的推荐值 【关键词】 互通立交，分流区，匝道。合流区，通行能力，协调参数，交通仿真 a b s t r a c t d i v e r g i n ga f e aa n dm e r g i n ga r e ai sb o t t l e n e c k so fi n t e r c h a n g es y s t e m s ，r a m pa n d m a i n l i n ea r e d e s i g n e di n c o o r d i n a t e l yi ni n t e r c h a n g es y s t e mw h i c h r e s u l ti no n - r a m pv e h i c l e sc a n tm e r g ei n m e r g i n ga r e a o r o f f - r a m p v e h i c l e s c a n td i v e r g e i n d i v e r g i n ga r e a , t r a 蚯c j a m s a n de v e na c c i d e n t s o f t e nh a p p e n t h ei m p o r t a n ta c a d e m i cf o u n d a t i o no fd e s i g n i n gc o o r d i n a t e l y0 1 1r a m pa n dm a i n l i n e i ni n t e r c h a n g es y s t e mi sc a p a c i t yc o o r d i n a t i o no nt h e m u s e di n v e s t i g a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n , c a p a c i t yc o o r d i n a t i o na n a l y s i sm e t h o d o fd i v e r g i n ga r e a ，r a m pa n dm e r g i n g a r e ai sr e s e a r c h e d f i r s t l y , b a s e d 0 1 1 a l o t o f a m l y s i s a n d d i s p o s a l f o r i n v e s t i g a t i n g d a t a ，t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f 嘣cf l o wa 扯s t u d i e d s e c o n d l y , t h ec a p a c i t yo fo f f - r a m pi nd i v e r g i n ga r e aa n dt a m pc a p a c i t yi s g i v e n a n d t h e i r a t e f l o w m o d e l o f o n - r a m p i n m e r g i n g a m a i s e s t a b l i s h e d t h i r d l y , c a p a c i t y o f t h e i n t e d ms y s t e mi sa n a l y z e dw i t h 岫伍cs i m u l a t i o ns o f t w a r en a m e d t s 塔i no r d e rt of i n do u ts o m e c o n e l a t i v ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dq u a n t i f yt h e m f i n a l l y , t h ef a c t o r s 蛳c o o r d i n a t e d , d e s i g n i n g p a r a m e t e r c a l c u l a t i n g m o d e l sa r e e s t a b l i s h e d , a n dr e c o l n m e n d a t i c m v a l u e s o f e a c h p a r a m e t o r m s i r e n a ts e c o n d l o s o f m a i n l a n e w h e n c a p a c i t y o f t h e t h r e e i s c o o r d i n a t e d k e yw o r d s l i n t e r c h a n g e d i v e r g i n ga r e a ，r a m p ，m e r g i n ga r e a ，c a p a c i t y ，c o o r d i n a t i o n f a c t o l 譬，臼i i 伍c s i m u l a t i o n 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：堑垒整日期：z 型 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：趣垒缸师签名：独日 期： 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 当前我国正经历经济发展高速阶段，交通运输的发展尤为迅速。随着国家对交通基础设 施建设资金投入的增加，高速道路运输迅猛发展，城市快速路迅速发展起来。例如，北京的 二环、三环、四环、五环以及六环已成为城市交通中不可缺少的主要跨区通道，其中四环和 五环的部分路段更是2 0 0 8 年奥运会的交通干线；上海也修建了大规模的高架快速路系统，包 括内环高架、逸仙路高架、延安路高架和沪闽高架等；其他大城市如广州、成都、天津等也 相继建立了城市快速路系统。与此同时，我国的机动车拥有量和道路交通量也在急剧增加 以北京市为例，截至2 0 0 5 年1 2 月中旬，北京市机动车保有量己突破2 5 6 万，平均每天增加 l o o o 辆，9 5 的道路处于饱和或超饱和状态。随着道路交通量日益增大，交通事故隐患逐渐 增加，在高速公路和快速道路上，分合流区及其相连的出入口匝道的交通事率占很大比例 在建设部、公安部实施的城市畅通工程建设过程中，部分大城市互通立交系统常因对个别匝 道设计不尽合理或采用的控制策略不当使得分合流区与匝道通行能力不协调而发生交通阻 塞。比如有些互通立交系统匝道与主路设计不协调，造成上匝道车辆汇不进主路，主路驶出 车辆进不了下匝道，而发生拥堵，甚至发生交通事故p l 。这些都无疑给国民带来严重的负担， 解决这一问题的重要途径便是分合流区与匝道通行能力的协调。 为了满足高速公路中互通立交的设计要求，交通部规范司专门立项研究符合我国实际交 通状况的高速公路互通立交加减速车道长度设计标准1 2 j 。由于互通立交的分合流区是高速公 路车流运行过程中极易出现的瓶颈地段，因此变速车道设置的合理与否对高速公路的交通运 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；设置过长则会造成严重的建设资金浪费。通过研究我们发现制定互通立交系统设计 标准( 包括加减速车道长度标准) 的重要理论基础便是匝道、主线通行能力的协调关系，其 中最重要的一点就是分合流区、匝道通行能力的协调分析。 1 2 研究意义 本论文将依托于国家自然科学基金资助项目 道路互通立交系统通行能力的分析方法 ( 编号：5 0 4 7 8 0 7 1 ) 【3 j 和江苏省交通厅项目 江苏省高速公路车道数适应性研究，分析互通 立交体系中分合流区与匝道通行能力的协调，其意义主要体现在三个方面： ( 1 ) 深化了通行能力研究 之前的研究大多是对单个设施的研究，本论文把分流区、匝道和合流区结合起来，从系 统上考虑，通行能力由局部的优化到系统的最优化 ( 2 ) 提高运输效率 通过分析分流区、匝道和合流区通行能力的协调，找到制约通行能力的参数，采取相应 的措施，可以明显地减少交通事故，改善交通流的拥堵。 ( 3 ) 完善设计规范 对分流区、匝道和合流区通行能力的协调进行分析，对道路线形的设计从系统上考虑， 设计中的各参数取值协调化，更好地完善了设计规范 1 东南大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 国外对道路通行能力的研究始于美国，1 9 5 0 年美国交通工程师协会( a a s h t o ) 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 ) 第一版，随后于1 9 6 5 年修订出版了第二 版h c m ，1 9 8 5 年第三版h c m 问世。与前两版相比，第三版除详细论述了公路与城市道路 的通行能力外，又增加分析了高速公路和无信号交叉口等交通设施通行能力的内容。1 9 9 4 年 又出版了对第三版道路通行能力手册的最新修订本，它着重对信号交叉口和无信号交叉 口通行能力的研究方法进行了修正，采用了许多新思想、新方法后来又出现了名为 ( h c m 2 0 0 0 的新手册1 4 j ，它对在不同交通条件下现有道路、交叉口的通行能力进行了新的 修订并增加了车辆安全设施、i t s 的内容。 加拿大于1 9 8 4 年在美国运输工程师学会的帮助下，出版了加拿大信号交叉路口通行能 力指南( c a n a d i a n c a p a c i t y g u i d e d f s i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n s ) ，作为加拿大城市道路通行能 力手册第一个版本。日本对分流区通行能力的研究，其基本原理与美国的通行能力研究相似， 其区别在于对减速车道的起点选取不同。 美国对互遁立交系统的研究起步最早， 行为特征等方面有了较深入的研究。现在， 研究互通立交分合流区通行能力。 通过近五十年的研究，美国对互通立交系统交通 美国仍然在继续进行进一步的研究工作，并重点 s i g r i dw e s t p h a l “对限速在8 0 k m h 和1 0 0 k m h 的两条公路的合流影响区进行调查，通过 对道路上的实际流量、速度的分析处理，建立了进口匝道合流影响区通行能力模型。模型认 为车辆合流只影响主线道路的最外侧车道，最外侧车道的流量决定着合流影响区的流量，从 而决定进口匝道的通行能力 a l e x a n d e r ( 1 9 8 5 ) i ，1 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。 h c m 2 0 0 0 i e s l o l 中r o e s s u e r i o 模型给出了确定合流区的通行能力的方法他们认为：估 计连接处的通行能力的最大困难在于不能完全孤立下游交通条件的影响。r o e s s u e r i o 模型从 两个方面定义合流区和分流区的通行能力：1 ) 在合流区或分流区能够分流的最大总流率；2 ) 能进入匝道影响区的最大总流率。h c m 2 0 0 0 在分析匝道及匝道连接点时，把高速公路和匝 道几何条件及交通量作为通行能力分析的输入，而把服务水平作为输出或分析结果。 k o uc h e n g - c h e n , r a n d ym a c h e m e h l l l l l 建立了在高速公路合流区匝道车辆驾驶员加减速和 间隙接受行为模型的经验性的方法论。从许多入口匝道收集大量的合流数据，包括在平行式 匝道和直接式匝道。通过综合考虑匝道车辆车速、流量水平、速度差异以及车头时距或间距 等交通特性影响因素为建立高速公路合流驾驶员行为特性模型提供更好的依据。 从国外的研究过程来看，他们的研究成果都是根据实际数据做出的统计模型，具有较为 严格的约束条件，一旦道路、交通等条件发生变化时，这些模型的适用性就存在较大的问题， 不一定能够适应不同条件的地区使用。由于我国实际的道路、交通条件与国外不同，因此不 能直接应用国外模型。 2 第一章概述 1 3 2 国内研究概况 改革开放以来，我国经济快速发展，带动了交通运输业发展。由于通行能力的重要性， 国家在“九五”，“十五”期间列为重点攻关课题进行通行能力研究。交通部所属部分科研所 如交通部公路科学研究所、公路规划设计院等和部分高校如东南大学、北京工业大学、同济 大学等对适合我国国情的道路通行能力进行了研究工作。他们一方面引入国外有关道路通行 能力的研究方法与成果，同时又对适合于我国国情的通行能力和服务水平、交通控制和交通 管理等内容开展了研究，这些研究工作为我国目前标准和规范的制定提供了一定的依据。 例如，吴兵、杨佩昆i l q ( 1 9 9 9 8 ) 分析高速道路入口匝道的通行能力主要受3 个因素的 制约，并运用平面优先交叉口通行能力的研究成果。根据高速道路入口匝道与干道结合部的 交通流特性以及我国交通的混合交通流特点，建立了高速道路入口匝道通行能力模型，并对 3 个影响因素进行了讨论；最后对数值计算的结果进行了比较和分析 交通部公路科学研究所呻j ( 2 0 0 0 6 ) 在进行国家重点科技攻关项目的研究中，对高速公 路基本路段通行能力、匝道通行能力、高速公路与匝道连接处通行能力和交织区通行能力进 行了较系统的研究，获得许多科研成果，积累了很多宝贵经验，为进一步的研究奠定了基础。 陈金川等”j ( 2 0 0 0 1 1 ) 通过实地数据，分析了中国交织区运行条件和环境，认为不同车 型在不同地点、不同车道上的车速相差很大，且随着交通流率的增加，车速一般会降低；变 换车道行为会导致交织区的紊乱。 李秀文l 硕士论文以北京和上海的实测数据为基础。针对快速路分合流区的交通流运行 特性、通行能力及通行能力影响因素进行了系统的研究，为分合流区的规划，设计和营运提 供理论支持和分析依据，从而保证快速路的安全、高效和舒适。 郭南”硕士论文在分析快速路菱形立交出口交通特性的基础上，以交通仿真为手段，通 过现场调查，得到大量实测数据，并以这些实测数据为基础，对v i s s i m 微观仿真软件进行 了标定和验证，最后建立了城市快速路菱形立交出口仿真模型。 李征【l7 】硕士论文分析了单车道平行式变速车道的分流区最右侧车道的车辆换车道行为， 系统地研究了高速公路匝道路段、减速车道及分流区的车辆运行特性及通行能力模型，对匝 道路段和减速车道通行能力的协调进行优化和评价。 王如一i l q ( 2 0 0 3 4 ) 通过对匝道控制系统的控制形式、必要的技术条件、控制方法和系 统构成的剖析，城市快速公路采用入口匝道控制是较为适用的，文章并结合上海地区的具体 情况，从道路规划和交通管理角度提出了一些建议，可供使用入口匝道控制系统使用时参考。 熊列强，邵春福等i 叫( 2 0 0 5 6 ) 结合出口匝道的特点，给出了出口匝道连接处交通流参 数之间关系的理论模型和出口匝道的通行能力计算模型。然后将连接处交通流参数之间的关 系模型整理成驶出率，上游外侧车道流量和密度之间的关系。最后利用实测数据对关系模型 进行了标定，并于美国道路通行能力手册( h c m 2 0 0 0 ) 的经验公式进行了比较。结果表明： 流量与驶出率呈指数函数关系；在低密度范围，流量与密度呈线性函数关系，并与美国经验 公式一致；在中密度范围，流量与密度无关；在高密度范围，流量与密度呈二次函数关系。 徐建闽、撒元功鲫( 2 0 0 2 7 ) 研究了高速公路入口匝道实行汇合控制下的通行能力。文 中把可接受间隙作为一个概率分布来研究，同时根据主线车流车头时距分布，给出了各级服 务水平下道路通行能力的计算公式并给出了仿真结果。 李硕、张样j ( 2 0 0 0 4 ) 提出了以高速公路加速车道合流等待理论为基础的加速车道长 度设计方法和以捧队论为基础的入口匝道交通控制方法。这些方法克服了传统方法中忽视主 线交通量的情况，特别是在主线较为拥挤的条件下加速车道上排队的情况，对正确地设计加 速车道长度，避免交通拥挤和交通事故，有一定的理论意义。 3 东南大学硕士学位论文 李铁柱、李文权等同( 2 0 0 1 8 ) 根据实际调查，分析在高速公路加减速车道的合流( 分 流) 区车辆的速度、加速度、减速度、合流点分布、汇入间隙等交通特征，为高速公路加减 速车道长度的设置、出入口控制策略的制定，提供分析基础。 石小法、李文权等聊( 2 0 0 0 1 2 ) 利用概率论方法，从理论上研究高速公路加速车道长度 的设置方法，提出了一种设置加速车道长度的算法，为我国高速公路加速车道长度的合理设 置提供了理论依据。 陈泰忠，吴九懿洲( 2 0 0 3 9 ) 结合高速公路勘察设计实践，参考国内外相关资料及现行 路线设计规范，通过对车辆运行的状态分析，就互通式立交减速车道长度的确定进行探讨 裘玉龙，邢恩辉p j ( 2 0 0 4 8 ) 通过对7 条国道交通量数据的统计分析，选出我国高等级 公路上行驶的有代表性的车型作为研究对象，以道路上车辆行驶的路段平均速度为基础，利 用汽车行驶理论推导出坡道上变速车道长度修正系数的计算公式，讨论道路坡度对车辆加速 性能的影响，进而推导出道路坡度与变速车道长度的关系，同时计算出不同道路坡度时的变 速车道长度的修正系数，并与现行道路路线设计规范进行对比分析给出坡道上变速车道长度 的修正系数参考值，供公路设计人员设计山区或丘陵区高等级公路时参考。 赵春、邓卫等刚( 2 0 0 4 8 ) 提出高速公路加速车道的设置长度不仅取决于主路及匝道的 设计速度，还与主路及匝道的交通量有关。该文给出了不同主路服务交通量下的匝道通行能 力，建立了在主路不同交通负荷下的匝道车辆可直接汇入的概率计算模型，最后给出了在一 定的匝道车辆汇入概率和主路服务交通量下的加速车道长度设置方法，以及不同主路、匝道 设计速度和服务交通量下的加速车道长度的推荐值。 国内对道路的通行能力进行了大量的研究工作，并取得了一系列研究成果，但是对互通 立交系统通行能力的研究较少，与国外存在较明显差距。通过借鉴大量国外研究经验和资料， 各专家、学者经过不断努力也取得了许多研究成果。这些研究大多是关于互通立交的主路段、 分合流区、匝道的通行能力，很少有进行它们之间通行能力的协调分析研究。 1 4 研究内容 在总结现有的研究成果基础上，结合互通立交右转匝道及其相连的分合流区的特点，本 论文将对分合流区与匝道通行能力协调分析进行研究，具体研究以下几方面内容： ( 1 ) 调查数据的处理及分析 通过充分调研，采集分析有关数据，对影响分合流区和匝道交通特性的主要因素进行筛 选 ( 2 ) 分合流区与匝道特性分析 特性分析主要包括1 ) 分流区：分流区车辆运行特征、流量的统计、速度和减速度：2 ) 匝道：各种车型流量比例、速度、匝道车辆随车行为；3 ) 合流区：流量统计、速度和加速度、 汇入间隙、合流点分布、合流点与车型的关系；4 ) 三者特性协调分析：转向车辆对三者的影 响、大型车对三者交通流的影响。 ( 3 ) 分流区下匝道结合部、匝道和合流区上匝道结合部通行能力 主要包括：1 ) 分流区减速车道车辆减速模型；2 ) 分流区下匝道结合部通行能力；3 ) 匝 道通行能力；4 ) 合流区车流特性的数学模型；5 ) 合流区上匝道结合部通行能力。 ( 4 ) 三者通行能力仿真模拟及协调分析 应用 i s i s 软件对分合流区与匝道运行情况进行模拟，标定仿真模型参数，分析各种因 素对系统通行能力的影响程度大小，对达到分合流区与匝道通行能力协调时有关影响参数进 4 第一章概述 行了协调分析，建立了协调参数计算模型，并作为协调分析实例，提出在主路二级服务水平 下三者通行能力协调一致时有关协调参数的推荐值。 ( 5 ) 分合流区与匝道通行能力协调分析成果的应用 根据研究的结果，简要说明其应用的方法和步骤，使之在设计后或改善下，分流流量在 不影响主路的服务水平下，能够顺利通过分流区、匝道和合流区，达到三者通行能力的协调 1 5 研究重点与难点 本文在分析大量调查数据的基础上，进行了分合流区和匝道交通流特性与驾驶员的换车 道行为分析，建立分合流区交通流特性数学模型和通行能力模型；并对分合流区与匝道通行 能力协调作影响分析，运用 i s i s 模拟软件对分合流区与匝道运行状态，结合调查数据，对 模型参数进行标定，对影响三者通行能力的各种因素量化分析。 研究重点有： ( 1 ) 进行分合流区和匝道交通流特性与驾驶员的换车道行为分析，建立符合我国交通流 特性的分合流区交通流特性模型。 由于我国交通构成的特殊性和车辆性能的复杂性，因此，在研究过程中要充分考虑道路 条件、车辆类型等情况。分析国内外交通的差异，将理论分析与我国交通特色紧密结合。找 出符合我国交通流特性的交通流特性与行为特征参数；分析参数，建立符合我国交通流特性 的分合流区交通流特性模型 ( 2 ) 建立了合流区上匝道通行能力模型。 根据高速公路合流区的交通流特性，主线间隙的组合情况，分析了匝道车辆进入主线的 运行方式，分别建立了主线双向六车道单匝道、主线双向六车道双匝道、主线双向四车道单 匝道通行能力模型。模型是主路交通量、匝道交通量、匝道车辆辐界间隙、随车时距、最小 车头时距及加速车道长度的函数 研究的难点的有： ( 1 ) 数据的采集 对分流区、匝道和合流区通行能力进行分析需要大量的调查数据，若人工采集调查数据， 调查时可能会影响道路交通的正常运行，同时人工调查的安全性和连续性也难以保证。自动 采集数据就对观测设备的要求比较高，要按照调查的要求采集数据。另外选取的调查点要有 代表性，能够正确反映道路交通流特性，特别是分流区和合流区。这些要求使得数据的采集 工作难度较大。 本论文直接选用苏嘉杭高速公路的监控系统获取视频源，确保了调查数据的连续性和准 确性。 ( 2 ) 对分合流区与匝道通行能力协调作影响分析。 运用 i s i s 模拟软件对分合流区与匝道运行状态进行微观模拟研究，标定仿真模型参数。 分析各种因素对三者通行能力的影响程度大小，得到三者通行能力协调一致时有关影响因素 的大小，建立协调参数计算模型，并提出主路二级服务水平下三者通行能力协调一致时有关 协调参数的推荐值。 5 东南大学硕士学位论文 1 6 研究技术路线 ( 1 ) 通过广泛的调研和互通立交分合流区与匝道通行能力文献资料收集与整理，明确研 究目标、研究内容和拟解决的关键问题； ( 2 ) 确定将采用的研究方法和技术工具，如模拟软件选用等； ( 3 ) 收集大量基础资料，设计、组织开展实地调查工作，进行调查数据的采集和处理； ( 4 ) 通过对分合流区与匝道交通流特性与行为的分析，建立分合流区与交通流特性数学 模型和通行能力模型； ( 5 ) 对分合流区与匝道交通运行情况进行交通模拟。通过对大量调查数据和资料的分析 研究，标定仿真模型参数，找出分合流区和匝道的交通参数和几何参数对分合流区与匝道通 行能力协调一致的影响，建立协调参数计算模型，并提出在主路二级服务水平下三者通行能 力协调一致时有关协调参数的推荐值 1 7 研究方法 分合流区与匝道通行能力协调分析的研究涉及到数学模型、概率论、统计学以及交通规 划与管理等多学科知识。鉴于其诸多特点，本文将在系统的分析方法基础上，兼顾到一般与 特殊，理论与实践两个方面，着重采用数理统计、概率论和计算机模拟的方法来进行研究 ( 1 ) 统计方法 统计方法是研究交通问题的最传统，也是最被普遍使用的方法。交通规律一般都是隐藏 在大量的、杂乱无章的现场数据里。统计方法以大量实测数据为基础。从中找出规律性的东 西进行分析论证，得到交通规律。只有通过统计方法，才能透过事物的表象，把握到事物存 在、运行的深层次的内涵。 ( 2 ) 概率论方法 概率论也是研究交通问题的基本方法。交通现象是纷繁复杂的，表面上看来无任何规律 可寻，但无论是交通现象本身，还是影响交通流特征的各种因素，都近似符合某种特定分布 概率论方法是我们解决交通问题的重要手段。 ( 3 ) 计算机模拟方法 计算机模拟是以系统理论、形式化理论、随机性理论和优化理论为基础，以计算机和模 拟系统软件为工具，对现实系统或未来系统进行动态实验研究的理论和方法。交通流具有随 机性的特点，交通系统在某时刻的状态不是确定的，而是按照一定的概率特征来变化。因此 不可能用解确定性问题的方法来求解交通问题。对于外界影响因素比较少，系统内各组成部 分相互作用规律容易掌握的情况，仅仅用概率论方法就可以对系统做出比较透彻的研究。但 由于研究系统组成复杂，系统内各个部分间相互作用关系也很复杂。用概率论方法很难将各 种影响因素考虑完全。因此，应用系统模拟方法来模拟系统的状态变化，进而详细观察系统 在各个时刻的状态，满足研究的需要。 6 第一章概述 1 8 主要结论 本文着力研究分流区、匝道和合流区三者通行能力怎样协调一致。通过对分合流区与匝 道交通流特性的分析，分别得到分流区下匝道通行能力、匝道中间段通行能力和建立合流区 上匝道通行能力模型，再运用 i s i s ，分析系统内部通行能力的匹配关系，找出相关的影响参 数及其影响程度大小，对其参数进行定量化分析，最后对达到分合流区与匝道通行能力协调 时有关影响参数进行了协调分析，建立了设计参数的计算模型，并作为协调分析实例，提出 在主路二级服务水平下三者通行能力协调一致时各种影响参数大小的推荐值。 7 东南大学硕士学位论文 第二章数据调查与处理 通行能力的协调分析主要是通过现场调查，收集交通流的基础数据，分析并找出交通流 运行的一般规律进而推算出其通行能力，再分析通行能力的影响因素进而进行通行能力的协 调分析。交通流特性研究是通过大量的现场观测，来分析交通流运行的基本规律，所以具有 大量的能够反映实际交通流运行状况的数据是这- - t 作的前提和保证。现场调查数据的好坏 关系到后续工作是否能顺利进行以及研究成果是否能反映交通流的实际规律，而调查地点的 选择、调查方法的运用以及调查仪器的选用则是影响调查数据质量的重要因素。值得一提的 是，虽然互通立交分合流区的影响因素很多，但由于交通事故和旌工养护等非正常原因，往 往会使交通发生骤然的变化，对于这些情况不在调查之内，以免观测的交通流数据不能反映 道路上实际的交通状况 2 1 调查目的 道路通行能力研究中，现场观测数据是后期分析工作的第一手资料，数据的准确与否直 接关系到分析结果的偏差程度。因此，正确的数据采集与处理方法将给后面的分析建模工作 在质量上提供可靠的保证。 通过现场调查收集到的分合流区及匝道车流运行数据，可以研究分合流区内主线和加 ( 减) 速车道上的流量变化情况、主线车流的车头时距在不同服务水平下的分布规律、合流 点的分布特性、匝道车辆的随车行为、驾驶员行为特征分析、车型对交通流的影响等。将调 查数据组成一个系统内分合流区与匝道车辆运行的数据库。数据库为高速公路分合流区与匝 道这个系统的协调研究提供一个很好的数据平台，也为其它各方面研究提供一个数据共享的 机会通过大量统计，分析交通流特性背后的深层次原因，为进一步研究交通行为打下基础， 为建立相应的数学模型以及模型标定与验证提供依据。 2 2 调查内容 高速公路分合流区与匝道的交通调查属于抽样调查。内容是调查分合流区和匝道的交通 量、行车速度、车种类型、不同车辆间车头时距，临界间隙等。 分合流区交通调查参数主要分为两种：几何参数和交通参数。参数如下； ( 1 ) 几何参数：道路设计等级、横断面形式，如：主路车道数、车道宽度、路缘带宽度、 平面线形等；匝道车道数、车道宽度，平面线形、出入口匝道类型等；加减速车道车道数， 车道宽度、车道长度、渐变段长度等。 ( 2 ) 交通参数：交通量、车型比例、车头时距、车头间距、车辆速度、车辆在车道中的 分布、车辆加减速度等。 匝道路段交通调查参数主要分为两种：几何参数和交通参数。参数如下： ( 1 ) 几何参数：匝道转弯半径、纵坡坡度、匝道车道数、车道宽度。 ( 2 ) 交通参数：交通量、速度、车辆到达形式、车辆组成、随车行为 8 第二章数据调查与处理 2 3 调查方案设计 2 3 1 调查点的选择 2 3 1 1 调查点的选点原则 正确选择观测点的主要目的在于能够得到正确反映公路交通流特性的数据。观涮点的选 择必须以数据后期分析要求为依据，选点应具有代表性 调查点的选择主要有以下几个原则： ( 1 ) 一般情况下，应选择常见立交形式，有较好视野，有利于观测，并适合于架设摄像 机： ( 2 ) 选点应有较少的外界干扰，即保证不受意外事件影响； ( 3 ) 交通量应足够大，保证能观测到加( 减) 速车道上的合( 分) 流行为： ( 4 ) 各调查地点变速车道形式、长度应尽可能不同 2 3 1 2 确定调查点 经过充分准备，我们于2 0 0 6 年4 月1 2 日和1 3 日两天在苏嘉杭高速公路段实施了现场调 查。下图2 - 1 一图2 - 3 是苏嘉杭高速公路苏州至吴江段黎里互通立交吴江一杭州方向分合流区 与匝道调查点，因为受光线的影响，摄像头的拍摄从每天早6 点到下午6 点进行 表2 1 苏嘉杭高速公路黎里互通立交吴缸杭州方向分合流区与匝道调查点列表 序号 调查时问调查点类型 l4 月1 2 日6 - o o - 1 2 o o分流区 4 月1 2 日9 ：0 0 - 1 4 0 0 2右转匝道 4 月1 3 日9 ：0 0 - 1 2 ：o o 34 月1 2 日6 ：0 0 - 1 8 ：0 0合流区 图2 - 1 黎里互通立交吴江杭州方向分漉区调查点 9 东南大学硕士学位论文 2 3 , 2 观测设备的选用 图2 - 2 黎里互通立交吴江杭州方向右转匝道调查点 圈2 - 3 黎里互通立交吴江杭州方向合流区调查点 通过实验采集数据有两大类方法可供选择，即自动采集与人工采集，它们各自的优点和 缺点都非常明显：前者能够以较少的人力花费获得大量的资料，但是对于复杂交通状况( 比 如机非混行、横向干扰严重、车流频繁更换车道的情况) 的适应性不太理想；后者人力花费 比较大，而且难以胜任长时间的连续观测，但是可以处理比较复杂的交通状况。 鉴于高速公路是机动车专行，横向干扰小，交通状况比较简单，本次调查采用自动采集。 根据调查内容，最终选用了由美国的i m a g e s e n s i n g s y s t e m s , m c 研制的比较先进的广域交通 流视频检测系统( w i d e a r e av i d e ov e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e m k a u t os c o p e2 0 0 4 。 该系统对交通运行状况的视频图像( 实时的视频信号或者资料录像带等) 进行处理，以 1 0 第二章数据调查与处理 设置“虚拟检测器”的方法，可同时获取交通量、车型、速度、密度、车头时距、服务水平 等资料。该系统的硬件部分由以下5 个部分组成： ( 1 ) 图像传感器或视频源( i m a g e s e n s o r ( s ) o r v i d e o s o u r c e ) ： ( 2 ) 照相机接触面板( c a m e r ai n t e r f a c ep a n e l ) ： ( 3 ) a u t os c o p e 视频处理器( a u t os c o p em a c h i n ev i s i o np r o c e s s o r ) ： ( 4 ) 视频卡( w l m r r 、，p r i s mo rc i n e m ap r ob o a r d ) ： ( 5 ) p c 机( i b m - c o m p a t i b l ep c ) 。 2 3 3 样本量的确定 由于交通流中关键的速度、流量参数都是随机变量，为了保证这些参数能够有足够的精 度，必需保证一定的实测样本量。 如果以实测速度作为必需保证精度的参数，理想条件下的最小观测样本量可以按照下式 计算： 土f 坚丫( 2 - 1 ) iej 其中：n 一样本量o s 一样本标准差，假设速度标准差为5 - 1 0 k m h ； k 一常数，当置信度为9 5 时，k - - - - 1 9 6 ： e 一容许误差，假设速度容许误差为2 - 5 k m h 。 根据上述公式本次调查设当s = 7 k m h ，e - - 2 k m h ，k = 1 9 6 ，取得最佳样本量为档i 当s = 1 0 k m h ，e = 5 k m h ，k = i 9 6 ，取得最小样本量为1 “ 2 a 调查数据的处理 2 4 1 数据处理方法 2 a 1 1 软件处理 运用美国a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频处理系统分析处理摄像机在野外拍摄的交通画面，自动判 别车辆的车型、车速、车头时距等，获得所需的交通参数 2 4 1 2 调查点虚拟检测器的布设 a u t o s c o p e2 0 0 4 视频处理系统，需要在固定的视频画面上设置不同类型的检测器。从而 达到数据采集的目的。检测器设置的位置和组合方式的不同直接决定了交通流数据的采集效 果。 常用的检测器有计数检测器、速度检测器和站检测器。设置计数检测器时不要画得太长， 否则会重复计入相邻车道车辆。速度检测器是与计数检测器有关联的，设置时需要一定的检 测器长度。所有检测器的数据都是通过站检测器输出的，站检测器只需与计数检测器相连。 就能输出该计数检测器以及与之关联的速度检测器的数据。 下面图2 _ 和图2 - 8 为运用a u t o s c o p e 设置的虚拟检测器示意图，其中与车道线平行的红 色长方形是速度检测器，与车道线垂直的灰色长方形是计数( 流量) 检测器。 1 1 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 分流区 在设置分流区检测器时，对于匝道连接形式是平行式时，在分流区始端的主路按车道设 置了两套检测器，分流区末端的主路也按车道设置了两套检测器，分别采集主路各车道的交 通流数据。在匝道口设置一套检测器，检测车辆进入匝道时的交通流数据。为采集驶入整个 分流区的交通流数据，并得到车辆的减速度情况，在分流区内每隔一段距离按车道设置三套 检测器。如图2 - 4 。 注：图中黑色为计数检测器，红色为速度检测嚣 图2 - 4 减速车道为平行式的分漉区检铡器设置示意圈 在匝道连接为直接式时，即没有减速车道时，应在分流区末端及匝道口分别设置两套和 一套检测器，然后向上游方向按一定的间距在主路上设置两套检测器，直至距分流区末端 1 5 0 m 左右的位置。 图2 - 5 为苏嘉杭高速公路黎里互通立交吴江杭州方向分流区检测器设置图。 圈2 - 5 分流区检测嚣设置图 ( 2 ) 匝道 在匝道上设置检测器时，在匝道中间段沿着车道线按一定间距设置三套检测器。如图2 - 6 所示 图2 - 6 右转匝道检测器设置图 第二章数据调查与处理 ( 3 ) 合流区 在设置合流区检测器时，对于匝道连接形式是平行式时，在合流区始端的主路按车道设 置了两套检测器。合流区末端的主路也按车道设置了两套检测器，分别采集主路各车道的交 通流数据。在匝道口设置一套检测器，检测匝道车辆进入合流区时的交通流数据。为采集驶 入合流区的交通流数据，并得到车辆的加速度情况，在合流区内每隔一段距离按车道设置三 套检测器。如图2 - 7 。 注：图中黑色为计教检测嚣t 红色为速度检测嚣 图2 - 7 加速车道为平行式的合流区检测器设置示意图 在匝道连接为直接式时，即没有加速车道时，应在合流区始端及匝道口分别设置两套和 一套检测器，然后向下游方向按一定的间距在主路上设置两套检测器，直至距合流区始端 2 0 0 m 左右的位置。 图2 - 8 为苏嘉杭高速公路黎里互通立交吴江杭州方向合流区检测器设置图 图2 - 8 合流区检测器设置图 2 a 1 3 人工处理 由于分流区分流车流的驶离过程和合流区匝道车辆的汇入过程中，不同的车流分流点和 汇入点位置也不尽相同，无法采用a u t o s c o p e 等交通视频软件获得，因此采用人工方法观测 分合流驾驶行为，得到分合流点位置分布数据、合流接受间隙等数据参数。 录像带存储的视频数据通过人工汇总得到，主要的数据参数有交通量、交通量的车道分 布比例及各时段的车流运行状态等 东南大学硕士学位论文 2 4 2 车型长度的划分 a u t o s c o p e2 0 0 4 视频处理系统是通过检测车辆长度来判别车型的，车型划分为三种。鉴 于高速公路交通流组成中存在铰链车和集装箱车，两极分化较大，并且考虑到大型货车、铰 链车和集装箱车对交通流的影响较为严重，所以我们参考汽车库建筑设计规范) ( j g j l 0 0 - 9 8 ) 鲫中汽车设计车型外廓尺寸和公路路线设计规范( j t gd 2 0 - 2 0 0 6 ) 闭中设计车辆外廓尺 寸后，对车型按长度划分了三类，见表2 4 表2 2 汽车设计车型外廓尺寸 外廓尺寸( m ) 车型 总长总宽总高 微型车 3 5 01 6 01 小型车4 1 _ 舳2 轻型车7 肿2 1 02 砷 中型车9 m2 5 03 2 0 ( 4 舯) 大型客车 1 2 舯2 5 03 2 0 铰接客车 1 8 肿2 5 03 2 0 大型货车1 0 j d 02 5 0 4 铰接货车1 6 j o2 5 04 注t 括号内尺寸用于中型货车 表2 3 设计车辆外廓尺寸 单位( m ) 车辆类型总长总宽总高前悬 轴距后悬 小客车 6 1 8 2明3 8l 载重汽车 1 2 2 5 4 1 5 6 54 鞍式列车1 641 24 + 8 _ 82 表2 4 论文数据处理车型划分 2 4 3 数据处理结果 2 3 1 几何特性参数 苏嘉杭高速公路苏州至吴江段黎里互通立交吴江杭州方向分合流区与匝道的几何特性 如表2 5 ，分流区包括主线和减速车道，合流区包括主线和加速车道 表2 5 几何特性参数 分 主线( 单向)减速车道 流 车道数 车道宽度( m )型式车道教 车道宽度( m ) 车道长度( m ) 区 23 7 s 直接式l3 5 1 0 1 s 9 8 右转匝道 匝 车道数 车道宽度( m ) 圆曲线半径( m ) 匝道长度( m ) 道 13 5 1 6 0 2 3 4 1 4 第二章数据调查与处理 l 鑫 主线( 单向)加速车道 车道数 车道宽度( m ) 型式车道数 车道宽度车道长度( m ) 23 7 5 平行式 13 52 1 6 2 4 3 2 交通流特性参敦 ( 1 ) 分流区 分流区的交通流特性主要包括流量统计，车型比例。不同跟车情况的车头时距，见表2 “ 表2 8 表2 6 分流区车流量统计表 车塑比例( ) 断面车道 流量( v e h n ) 小 中 大 外侧车道1 5 2 0 6 53 5 8 分流区末稿 内侧车道 1 82 26 03 9 3 外侧车道1 21 87 03 5 2 分漉区末端前加米 内侧车道1 22 56 34 9 4 外侧车道 1 31 96 83 4 7 分流区末端前1 2 0 米 内侧车道1 3 2 4 6 35 0 1 减速车道 1 31 37 41 2 0 表2 7 分流区车型比例表 车型比例( ) 匝道地点 大型车中型车小型车 距分流末端1 2 0 米处外车道6 5 2 0 11 4 5 距分流末端1 2 0 米处内车道 22 2 31 7 _ 5 臣分流末端3 0 米处外车遒 6 6 91 8 31 l 鼻 距分流末端3 0 米处内车道 6 3 42 5 - 41 1 2 分流末端外车道6 8 31 9 91 1 8 分流末端内车道6 3 82 4 81 1 4 黼车道 7 3 上1 3 81 3 表2 8 分流区车头时距 车头时距( s ) 匝道地点 大大 大中大小中大 中中中小 小大小中小小 距分流末端1 2 0 米处外车道 311 522 l 221 距分流末端1 2 0 米处内车道3l 61 9222 2 2l 距分流末端3 0 米处外车道3 5ll211321 距分流末端3 0 米处内车道3ll2 51 5