（系统工程专业论文）立交枢纽的微观仿真模型和系统的研究.pdf

中文摘要 交通流仿真是当前城市交通仿真研究的热点，在仿真系统中，需要考虑车辆 与系统，车辆与车辆，车辆与道路之间的相互作用，利用跟驰模型、超车与换道 模型等微观数学模型，可以在计算机仿真上模拟出每一辆车在路网上的运行。现 有的交通流模型未考虑道路的几何特性等因素，因此仿真结果与实际会有所偏 差，本文从分析立交枢纽的线形入手，考虑实际驾车行为，得到了适用于弯度与 坡度的交通流仿真模型，并建立了立交枢纽的计算机模型，最后设计完成了立交 枢纽的交通流仿真系统。 立交枢纽的线形多变，直线、圆曲线与缓和曲线为平面线形组成的三个基本 要素，坡度反应纵断面的路线起伏，本文分析了立交枢纽的微观线形组成，将其 分为不同的路段，每条路段具有不同的几何特性，以此建立了立交枢纽的计算机 模型，并设计了计算机方法，可使车辆按照建立的计算机模型在立交枢纽上行驶， 并将立交枢纽用计算机图形描绘显示。 针对已有的交通流模型中，较少或没有考虑道路的几何线形，本文从车辆在 有坡度与弯度的道路上行驶的受力作为出发点，分析得出在道路转弯半径不同时 的安全行驶的条件，在坡道上行驶时汽车牵引力以外的加速度以及习惯性的行驶 行为，并通过这些因素对跟驰模型进行了修正，从而得到了一种适用于道路具有 弯度与坡度上的跟驰模型。 利用仿真技术，根据仿真的目标，重点解决了出入口匝道处的仿真模块，完 成了立交枢纽交通流仿真系统的设计，最后对出入口匝道进行了仿真实验，实验 结果验证了本系统可以进行立交枢纽的交通流仿真，并建立立交枢纽的仿真实 例，给出了仿真结果。 关键字：交通流仿真坡度弯度立交枢纽跟驰模型 a b s t r a c t t r a 伍cf l o ws i m u l a t i o ni st h eh o ti s s u eo fu r b a nt r a f f i cs i m u l a t i o n i nt h es y s t e m ， t h ei m p a c tb e t w e e nv e h i c l e sa n ds y s t e m ，t h ev e h i c l e sa n dv e h i c l e s ，t h ev e h i c l e sa n d t h er o a d ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t 1 h es i m u l a t i o ns y s t e m su t i l i z et h e c a r - f o l l o w i n gm o d e l ，l a n e c h a n g em o d e l ，a n ds oo n ，a n dt h e ns i m u l a t et h ev e h i c l e s r u n n i n gi nt h er o a dn e t t h et r a f f i cf l o wm o d e lp r o p o s e db e f o r ed i d n tt a k et h e g e o m e t r yo f t h em a di n t oa c c o u n t s ot h er e s u l tm a y b en o tc o r r e c t t h i st h e s i sf i r s t l y a n a l y s e st h es h a p eo ft h ec l o v e r l e a fa n dc o n s i d e r st h eh a b i t sd u r i n gt h ed r i v e r sd r i v i n g ， t h e nd e v e l o pt h em o d e lw h i c hc a nb eu s e do ut h er o a dw i t l lc u r v a t u r ea n d l o n g i t u d i n a l g r a d i e n t ，g e tt h ec o m p u t e rm o d e lo f t h ec l o v e r l e a f , a n dl a s t l yc o m p l e t et h et r a f f i cf l o w s i m u l a t i o ns y s t e mo f t h ec l o v e r l e a f t h es h a p eo ft h ec l o v e r l e a fi sv a r i a b l e ，t h eb e e l i n e ，t h er o u n dc u r v ea n dt 1 1 e c o n v o l u t ec u r v ei st h eb a s i ce l e m e n t sf o rt h ep l a n ec l l t v c s ，t h el o n g i t u d i n a lg r a d i e n t r e f l e c t st h ec h a n g eo ft h ev e r t i c a ls e c t i o n t h i st h e s i sa n a l y s e st h ec o n s t i t u e n tp a r t so f t h ec l o v e r l e a f , t h e nd i s a s s e m b l e si tv a r i a b l ep a r t st h a th a v ed i f f e r e n tg e o m e t r y f e a t u r e s t h ev a r i a b l ep a r t sm a k eu pt h ec o m p u t e rm o d e lo ft h ec l o v e r l e a f a n dt h i s t h e s i sd e s i g n sm e t h o d st h a te n a b l et h ev e h i c l e sm o v i n ga c c o r d i n gt h ee s t a b l i s h e d c l o v e r l e a f m o d e l ，a n dd i s p l a y st h ec l o v e r l e a f o nt h es c r e e n l i t t l eo rn og e o m e t r yh a sb e e nc o n s i d e r e di ne x i s t i n gt r a f f i cm o d e l ，t h et h e s i s t a k e st h ev e h i c l e s f o r c ew h i c hm o v eo nt h er o a dw i t hl o n g i t u d i n a lg r a d i e n ta n d c u r v a t u r e ，a sb e g i n n i n g ，a n a l y s e st h es a f e t yc o n d i t i o n so fm o v i n gw h e nt h er a d i u s e s o ft h er o a dc h a n g e ，t h ea c c e l e r a t i o ne x c e p tf o rt r a c t i o na n db e h a v i o rt h a tg o h a b i t u a l l yw h e nt h ev e h i c l e sm o v e o nr o a dw i ml o n g i t u d i n a lg r a d i e n t ac a r - f o l l o w i n g m o d e lt h a ti ss u i t a b l ef o rr o a dw j t hl o n g i t u d i n a lg r a d i e n ta n dc u r v a t u r ei so b t a i n e db y a m e l i o r a t i n gt h ef a c t o r so f t h ec a r - f o l l o w i n gm o d e l t h et h e s i se s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d u l eo ft h ee n t r a n c ea n de x i ta tt h er a m p ， f i n i s h e dt h ed e s i g no fc l o v e r l e a f st r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e m su t i l i z i n gs i m u l a t e d t e c h n o l o g yi na c c o r d a n c ew i t ht h et a r g e t s i m u l a t i o no ft h ee n t r a n c ea n de x i ta tt h e r a m pw a sd o n ea t1 a s t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi nt h et h e s i sc a ns i m u l a t et h e c l o v e r l e a f st r a f f i cf l o w n l et h e s i sa l s og i v e ss o m es i m u l a t i o nc a s e sf o re s t a b l i s h i n g c l o v e r l e a f si r a 伍cf l o wa n dt h er e s u l t so f s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：t r a f f i cf l o ws i m u l a t i o n ，c u r v a t u r e ，l o n g i t u d i n a lg r a d i e n t ，c l o v e r l e a f c a r - f o l l o w i n gm o d e l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎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的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：五侈巷签字日期：纱舢厂年月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：墨洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 哆彪 签字日期：沙厂年t 月弘日 导师签名： 签字日期：矽口厂年p 月驯日 第一章绪论 1 1 交通仿真 第一章绪论 计算机交通仿真包括三个要素：交通系统、交通模型和计算机。联系这三个 要素的有三个基本活动：交通系统模型建立、交通仿真模型建立和仿真实验。图 1 1 描述了计算机仿真三要素及三个基本活动的关系。 趸立仿翼模型 图1 - 1计算机仿真三要素及其关系 从6 0 年代开始起，国外就开始利用计算机对交通现象和交通流进行模拟， 到现在仿真技术与理论的已趋于成熟，并进入商业开发与实用阶段。交通仿真可 以在实时或离线状态下，模拟交通流和各种交通现象，深入分析道路环境、车辆 动行状态、司机行为、控制设施，有效的进行交通规划、交通管理与组织、交通 安全、能源交通等方面的研究【l 】。利用计算机交通仿真，针对不同的目的，可以 得到在一定条件下的交通参数，如对交叉口控制信号的配时优化，提高交叉口的 通行能力，减少交叉口车辆延误，提高路网的通行能力。 立交枢纽的微观仿真是简单来讲就是研究立交枢纽上的交通流的各种特性， 如在某种立交枢纽上的最大通行能力，车流的密度，车流的平均车速等等。不同 的立交枢纽具有不同的交通特性，立交枢纽的仿真就是用计算机对立交枢纽的交 通现象和交通流进行模拟，然后得到立交枢纽的特定参数，作为设计与评价立交 枢纽的数据基础和理论依据。 1 2 立交枢纽仿真研究的背景及意义 1 2 1 研究的背景 道路交叉口是公路网系统的重要组成部分，也是影响路网通达性的关键参 数。由于车辆在交叉口的集聚与疏散，形成了复杂的交通状态，使得交通流在交 叉口车速降低，通行能力下降，事故潜在危险增大，成为公路交通运输的瓶颈。 因此，在公路网系统中采用立体枢纽代替平面交叉，保证车辆的高速、安全、 第一章绪论 和连续行驶。随着城市内交通流量的增大和公路网建设规模的扩大，城市内和城 市问快速道路上立交枢纽的数量和规模也必然会大幅度增加。以天津市为例，到 2 0 2 0 年规划建设高速公路达8 4 0 公里，一级公路9 0 2 公里，其中规划建立互通 式立交桥近3 0 座，将大大提高我市路网的运输能力，这其中各类立交枢纽起着 重要的作用。 在立交枢纽的设计中，不同的立交形式，如互通还是非互通，特别是不同的 立交设计线形( 立交枢纽的层数、连接方式、匝道的坡度和曲率) 对车辆行驶的 影响差异很大，进而决定了立交枢纽的实际容量和通行能力，影响交通流在立交 桥上的运动过程和整个路网的通行能力。因此，研究多层立交的连接方式及匝道 线形与立交容量和通行能力之间的相互关系是立交枢纽设计中关键的问题。 由于立交枢纽的形式灵活多变，不同类型的立交枢纽具有不同的交通特性， 又因为它的造价较高，而且立交枢纽一旦建成，若设计的立交枢纽不能满足交通 需求，改建、扩建将极其困难，所以立交枢纽的设计与规划就显得尤为重要。 目前在设计中通常采用的方法是通过经验的车辆系数折算的方法对设计的 立交的各项参数进行计算。从方法论的角度，这种方法属于宏观的方法即通过对 大量观测数据进行回归分析后得到的，从统计的观点上具有普适性，但是在应用 这些参数到某个特定条件下的立交设计时往往存在较大的个体差异，造成设计与 实际情况之间误差，影响立交作用的充分发挥。 为了克服上述的不足，必须结合具体的立交环境和设计方案对交通流的影响 进行研究。而交通流计算机仿真方法，为这一问题的解决创造了条件。国外的交 通仿真系统，4 ，5 】的研究始于上世纪7 0 年代，主要分为基于流速密模型的宏观 仿真系统和基于跟驰模型【6 1 的微观仿真系统，前者主要应用道路网络的规划和交 通管理如英国的t r a n s y t 和美国的m i n u t p 等，后者主要用于道路和交叉口 的设计，收费、停车场站的选址和感应式信号的优化，如美国的c o r s i m 、德国 的v i s s i m 。9 0 年代以来，国内开始了交通仿真系统的应用，主要以引进国外仿 真系统为主，虽然一些单位也结合具体交通项目开发了一些仿真系统，但是规模 较小，缺乏通用性。上述仿真系统般以对平面道路的仿真为主，对立交枢纽的 仿真则采用在套用平面路面的交通流模型的基础上，再加上出、入口匝道仿真的 办法来处理。这无疑是这类系统根本的缺欠。因为车辆在有弯曲或坡度的道路上 的行驶与在平面道路的行驶过程是不向的，描述二者动力学特征的交通流模型存 在较大差异，仿真中用前者直接替代后者，必然使仿真结果偏离现实。本文的研 究目的就是为了找出适用于在立交枢纽上的交通流模型并以该模型为基础，开发 出立交枢纽的微观交通流仿真系统。 2 第一章绪论 1 2 2 研究的意义 针对上述研究立交枢纽交通性能以及对立交枢纽的系统规划中面临的问题， 我们对立交枢纽的交通流进行了研究，以此从定量的角度给交通工程人员提供决 策的数据依据。 因此，本文的研究意义主要有以下几个方面： r 1 1 本文修正后的适用于有坡度与弯度的车辆跟驰模型能够更加准确的反 应车辆在立交枢纽上的行驶行为。现有的交通流模型【6 ，7 j 由于没有或较 少考虑立交枢纽的弯度与坡度，不适用于立交枢纽的交通研究。 r 2 1 该仿真系统的设计，弥补了以前用经验的车辆系数折算的方法对设计的 立交各项参数进行计算的方法的不足之处，可以利用该仿真系统得到不 同条件下的立交枢纽的交通性能，这些数据是通过系数折算所不能达到 的。 ( 3 ) 弥补立交枢纽交通流研究领域方面的空白，由于立交枢纽交通特征复 杂，对立交枢纽上的交通流研究积累较少，没有专门面向于立交枢纽的 交通流仿真，而立交枢纽在现在交通中的地位越来越重要，有必要对引 进行研究，分析不同立交枢纽对交通流的影响，这样可以更好的为交通 规划与建设服务。 1 3 国内外交通仿真的研究现状 国内外交通仿真研究始于6 0 年代，其中t r a n s y t 交通软件是当时最具代 表性的成果，t r a n s y t 模型是由英国的d l 罗泊逊于1 9 6 8 年提出，以后又经 历了8 次修改，它是一种宏观模型，用以确定定时交通信号参数的最优值。当时 还有其他几个典型的研究成果包括t r a n s ，v t s ，s i g o p 等，这一时期交通仿 真系统的主要特点是以优化城市道路的信号设置为应用的，模型多采用宏观模 型，模型的灵活性和描述能力较为有限，仿真结果的表达也不够理想。 七十至八十年代以来，由于计算机的迅速发展，交通仿真也迅速提高，功能 也更加多样。这期间出现了以n e t s i m 、f r e s i m 、f l e x s y t - - 2 、a i m s u m 2 ( 早 期版本) 等为代表的一批仿真软件。其中开发最为成功且得到广泛应用的是由美 国联邦公路局提出的n e t s i m 系统。该模型是一个描述单个车辆运行的、时间 扫描的网络微观交通仿真系统，其对城市道路交通现象的描述精度达到了一个新 的高度。大部分常见的交通现象如跟驰行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、 行人冲突等，以及常见的交通控制管理措施如固定信号控制、感应式控制、主 次优先控制、车道关闭等均可通过仿真软件进行模拟。 第一章绪论 随着八十年代末和九十年代初国内外i t s 研究的快速发展，老一代软件已无 法适应i t s 应用的需要，因此，世界各国都展开了以i t s 为背景的交通仿真软件 的研究，出现了一大批仿真软件系统，比较典型的有c o r s i m 、m i t s i m 、 t r a n s i m s 等。 表1 1 介绍了几种应用较多的微观交通仿真软件。 表卜l 典型微观交通仿真软件及应用简介 典型软件主要特点描述应用领域 c o r s i m 由两个仿真器集成：城 n e t s i m 评价城市道路交通改善方案( 包 市道路仿真器n e t s i m 括交通控制系统、运输系统管理策略、 和高速道路仿真 道路交通设计等改善方案) ；f r e si m 用 f r e s i m ；采用时间扫 于高速道路线形设计方案、匝道控制方 描。 案、高速道路管理方案的评价。 f l e x s y t 交通控制的仿真利用用来评价分析动态交通管理的策略，包 i i 了专门的仿真编程语括网络交通信号、匝道控制、收费站、 言f l e x c o l - 7 6 ：采用事 专用车道( 公交专用道、货车专用道、 件扫描方法。h o v 车道) 等各种交通控制和管理策略。 t e x a s 采用时间扫描法。 用高度逼真的计算机仿真及动画效果来 评价平面交叉口以及菱形立交的设计和 运行管理策略。 t r a f f i c q采用时间扫描法，无图 用来模拟在相对较小范围内车辆行驶和 形输出。 行人行进情况，评价在该研究范围内较 为复杂的管理策略。 v i s s i m其跟驰模型为德国 用来优化感应式信号控制策略、测试复 k a r l s r u h e 大学杂交叉口的交通设计方案、公交停靠站 w i e d e m a n n 提出的生理 的位置、站场的选址、收费站的可行性 一心理跟驰模型，采用论证、确定高速路交织区车道的布置等。 时间扫描法。 1 4 立交枢纽仿真系统的特点 立交枢纽仿真不同于一般的道路、路口、路网的仿真，其特点如下： ( 1 ) 线形多变。一般的仿真系统中，道路均为直线、或圆曲线，而在立交枢 纽的设计中，道路的线形会较复杂，如果没有严格按照道路的设计要求 来进行设计，其在仿真的过程中，必然会出现误差。在立交枢纽的设计 中，线形考虑了行车的安全，司机的舒适程度等，这些均在要仿真系统 中体现出来。 ( 2 ) 坡度变化比较急。立交枢纽中，坡度变化比较多，对于普通的道路仿真 4 第一章绪论 中，由于道路没有坡度或坡度变化较少，因此忽略了坡度对仿真结果的 影响。但在立交枢纽中，由于坡度的频繁出现，坡度对车速，跟驰的安 全距离均会产生影响，最终影响立交枢纽的交通量，通行能力等立交枢 纽的交通流参数。因此道路的建立过程中要考虑到坡度的影响。 f 3 ) 道路的连接特殊。在两条或多条道路的连接处，如出口匝道、入口匝道， 均有特殊的要求，如要求在驶出匝道处一般要有减速车道，在驶入车道 要有加速车道；出口处只能有两条路，即一条直行，一条右转；对不同 形式的立交枢纽也有所不同，如互通式立交枢纽与非互通式的，互通式 几乎没有冲突点，非互通式的存在多个冲突点，处理相当麻烦。 ( 4 ) 交通规则不同。立交枢纽中，因为冲突点较少，与普通的交叉口的冲突 点处理不同，普通的交叉口设立红绿灯来实现对车辆的控制。由于立交 枢纽的目的是为了提高交叉口的通行能力，或减少车辆延误等，若设立 了红绿灯，会降低立交枢纽的通行能力，增加车辆延误。因此，立交枢 纽的交通规则不同于一般，表现在出口与入口处。 ( 5 ) 司机的驾车行为方式不同。由于受到立交枢纽的线形、坡度等的因素限 制，同在普通道路上相比，司机在行驶时： 速度会低于相同道路条件下的速度； 跟驰时保持的安全距离根据不同情况，会大于或小于一般道路上的 安全距离； 选择哪个车道可能会不同，相对于一般道路，在立交枢纽上，车速 相对较低且超车的情况不多，因此，车辆在道路的分配比较均匀。 1 5 本文主要研究的内容 本文在研究已有的交通模型的基础上，对其中的跟驰模型进行了修正，使之 适合于立交枢纽的车辆跟驰行为，并研究了立交枢纽的各种特性以及立交枢纽的 交通流仿真系统，并进行了仿真实验研究。本文的各章主要研究内容安排如下： 第二章首先分析几种基本的互通式立交枢纽的几何特征，然后根据立交枢纽 的几何特征，用计算机的形式实现对立交枢纽的建立。并给出了车辆如何在立交 枢纽上运行及显示的方法。 第三章首先对已有的跟驰模型进行了分析研究，指出了其存在的问题：未考 虑道路的几何特性对车辆的行驶的影响。本章根据车辆在道路上行驶的受力及经 验行驶行为，得出了适用于道路有弯度与坡度上的车辆自由行驶与跟驰行驶模 型，并进行了仿真实验，证明了修正后的模型比原模型更符合实际的车辆行驶行 为。 第一章绪论 第四章分析了交通流仿真系统中需要的其他模型，如：仿真系统中的不确定 件事件，包括车辆的类型，入网的速度、时间等；车辆超车与换道的仿真模型， 采用了基于模糊逻辑推理的决策方法；车辆通过冲突点的仿真模型等。 第五章根据系统设计的目标，分别对系统的结构进行了说明分析。本系统主 要包括三个模块：输入模块、运行控制仿真模块、输出模块。其中重点说明建立 立交枢纽路段时的约束条件，出入口匝道处建立时需要注意的事项以及系统对出 入口匝道的车辆是如何进行处理的。 第六章根据建立的仿真系统进行了仿真实验，重点对影响立交枢纽运行的出 入口匝道进行了仿真，通过对仿真结果数据分析证明了该系统能够实现对立交枢 纽的交通流进行模拟，最后利用本系统建立了实际立交枢纽的实例，给出了仿真 数据并进行了说明，这些仿真数据可以直接作为交通研究员进行相应的数据分 析。 第七章总结了本文的研究成果，并对交通流仿真系统的以后的研究方向提出 了一些建议。 6 第二章互通式立交枢纽的特征分析及计算机描述 第二章互通式立交枢纽的特征分析及计算机描述 对于互通式立交枢纽而言，立交匝道，特别是左转匝道的形式决定了立交枢 纽的整体结构形式，而立交枢纽的整体性能也主要取决于各条匝道的形式及其间 距。如何将立交枢纽的这些特性用计算机仿真的形式表示出来，并且能够为后面 章节中的交通流仿真模型提供影响车辆运行的参数，得到不同形式立交枢纽的交 通流特性，是本章的研究内容。 本文首先分析几种基本的互通式立交枢纽的几何特征，然后根据立交枢纽的 几何特征，用计算机的形式实现对立交枢纽的建立。 2 1 立交枢纽的组成 立交枢纽由主体部分与附属部分组成，通常包括跨线构造物、正线、匝道、 出入口、辅助车道以及三角区等组成部分1 0 1 。 2 1 1 立交枢纽的主体部分 立交枢纽的主体部分是指直接为车辆的直行、转向行驶使用的组成部分。包 括： 跨线构造物：它是立交枢纽实现车流空间分离的主体构造物，指设于地 面以上的跨线桥( 上跨式) 或设于地面以下的地道( 下穿式) 。 正线：它是组成立交枢纽的主体，指相交道路( 含被交道路) 直行车道， 主要包括连接跨线构造物两端到地坪标高的引道和立交枢纽范围内引道 以外的直行路段。根据相交道路的等级，正线可分为主要道路( 简称主 线) ，一般道路或次要道路( 简称次线) 。 匝道：它是立交枢纽的重要组成部分，是指供上、下相交道路的转弯车 辆行驶的连接道，有时也包括匝道与正线或匝道之间的跨线桥( 或地道) 。 按其作用可分为右转匝道和左转匝道两类。 2 1 2 立交枢纽的附属部分 立交枢纽的附属部分是指各立交的连接部分，包括： 出口和入口：由正线驶出主线、进入匝道的道口为出口，由匝道驶入正 第二章互通式立交枢纽的特征分析及计算机描述 线的道口为入口。 辅助车道：在交叉口的分流处，用作停车、减速、转弯、转弯储备、交 织、车道数平衡等所有车道的总称。 三角区：匝道与主线之间或匝道之间的空地。 立交范围指交叉口的交点到各方向相交道路出入v i 处变速车道斜带的顶点 间所包围的主线和匝道以及三角区的全部范围。立交范围线是划分路段与立交、 立交与周围其他用地界限，也是立交征用土地的依据。 2 2 立交枢纽的主要形式及几何特征 2 2 1 立交左转匝道形式 立交枢纽的匝道包括左转匝道和右转匝道。通常来说右转匝道是从右侧驶 出，直接右转9 0 度到相交道路右侧驶入，车辆运行方便快捷，一般无需建桥。 而左转匝道要通过9 0 2 7 0 度越过对向车道与相邻的左车道，有时要通过跨线桥 来解决。常见的左转匝道由三种形式，见表2 1 ： 表2 - 1 常见的左转匝道形式 名称图形说明 定 1 匝道长度最短，无反向迂回，占地少； 向 二! 兰 2 车速较高，行驶方向明确； 式 3 跨线桥梁较多； 1 4 能适应相当的左转交通量。 坐 j 土 1 匝道略绕行，占地较多； 定 t 厂z 2 需建桥： 向 3 能适应较多的左转交通量 式 间 1 右出，行车安全； 【一 2 不需设构造物，造价低； 接 3 匝道线形指标差，左转绕行较长： 式 t f 广 4 多方向设置时会产生交织 5 能适应较少的左转交通量。 表2 1 所列的是左转匝道的几种形式，实际上左转匝道的位置、形状可灵活 变动，但都是由上述三种组合得到。根据相交道路的情况以及所采用不同的左转 匝道形式，可以将立交划分为几种基本形式。 2 2 2 互通式立交的特征分析 互通式立交的基本形式分为t 形、y 形和十字形三种，而根据左转匝道的不 同，它们各自又分为几种不同的形式，如图2 2 ： 第二章三望茎兰茎垄堡竺竺笙坌堑丝生墨塑塑堕 t 交叉：包括喇叭形( a 形和b 形) 、半定向形。 y 形交叉：包括半定向y 形和定向y 形。 十字形交叉：包括菱形、苜蓿叶形、半苜蓿叶形，环形和定向形。 护” 铲滓 ，。三：n ( ，一 吃：二，。 d 卑曹_ 叶弗 一f ，。 l 、一一 ? 少 。 、 ，一一，7 r , 叭修 1 _ ，器，当 耵疋时州= f 1 蔫篙。 对上述公式说明： ( 1 ) 完整回旋线的计算。上述公式是依据部分回旋线推导出来的，应用时 只要将起点或终点的曲率半径r 。或r 。取为足够大时即可满足要求，例如取为 1 0 0 0 0 或更大即可； ( 2 ) 关于误差。上述计算公式，如何划分区间其结果才能满足要求? 根据 n e w t o n - c o t e s 法的误差估计式可知，最大误差为： 已3 赢( i 广( x ) i ( 2 - 1 4 ) 当设计人员给定容许误差r n 时，即有： 砣l 岳( m 圳厂y 圳) j 仍 根据前述算法表达式可推算出： m a x l 一( j ) 1 = 【1 ，r 刊4 2 ) 4 - 3 4 4 】+ 6 a t 0 r m ) 2 2 f 2 1 1 6 、 因此，要使误差控制在r n 范围内，则至少应将区间 o ，s 】等分成n 的偶数区 间，才能满足精度要求。n 的计算公式如下： 力s s ( 1 8 0 r ) 1 r 6 + s a 2 ) 4 3 a 4 】2 + 6 a 2 ( 1 r b + s a 2 ) 2 】2 ) 1 ”( 2 - 1 7 ) 所以，在本系统中，建立的车辆类中位置p o s i t i o n 结构体中有三个变量：距 该路段起点的曲线长度l 以及该车辆的x 坐标与y 坐标。因此可以根据公式 ( 2 1 1 ) ，( 2 - 1 2 ) ，( 2 1 3 ) 推导出距起点中心线处的位置坐标( x ，y ，) ，而所求的点为 1 7 第一二章互通式立交枢纽的特征分析及计算机描述 ( x ，y ) ，如下图2 - 5 所示 图2 5 车辆的定位 妒为( x ，y ) 点处的切线方向，对于直线，与起点处的方向相同；对于圆 ， 曲线可以根据的公式妒= + 睾得出，其中，纯为中线起点的方向，已知，l 为 距中线起点的曲线开度，r 为圆的曲率半径；对于回旋线，可以根据公式公式 ( 2 - 1 3 ) 计算得出。 因此可以根据以下公式得出车辆的位置坐标： r = x + l w c o s ( 妒+ p u 2 ) y 2 】，+ l w s i n ( o + p i 2 ) r 2 1 8 ) 其中，l w 为路段的车道宽，其值根据路段的车道数的不同而改变，p i 为n ， 可取为3 1 4 1 5 。 这样就可以确定出车辆在立交枢纽上的位置。 利用上述结构就可以将立交枢纽用计算机的形式描述，并且携带了仿真系统 中车辆行驶实际需要立交枢纽道路几何特性的所有信息。由于立交枢纽的计算机 显示只是为了在仿真过程中可以直观的观察到立交枢纽的大致图形，不需要很高 的精确度，因此利用m f c 中的c d c 类中的方法，将每条路段按照一定的比例 关系缩小，划分为由长度为n ( 如n = l c m ) 的直线组成，最终将立交枢纽描绘出 来0 2 , 1 3 ，1 4 ，l5 l 。 1 8 第三章适用于弯度与坡度的交通流仿真模型 第三章适用于弯度与坡度的交通流仿真模型 跟驰模型是交通流模型是最重要的，用来描述司机在交通流中跟随前面的车 辆行驶过程的交通流模型，自从p i p e s 1 6 1 1 9 5 3 年开始研究以来，已经有半个世纪 的时间了。然而，由于跟驰模型中各种参数的选取以及所选参数之间的关系通常 是模糊而且很难精确的理解和证明，因此，至今没有能够用一个精确的模型表示 跟驰行为。本章在回顾前人对跟驰模型研究的基础上，总结了现有模型的不足之 处，并提出了自己对跟驰模型的看法：现有跟驰模型中，只是考虑了司机的反应、 汽车的性能与状态，对跟驰行为产生的影响，并且只是在一条笔直的道路上行驶， 而在实际的行驶过程中，道路的行驶条件、路面的线形、纵坡等，对汽车的行驶 也有很大的影响，若没有将这些因素在模型是反应出来，那么仿真结果必定与实 际情况有误差，因此，本文对跟驰模型进行了回顾，针对上述模型存在的缺点， 分别从分析道路的平面线形、纵坡等方面对车辆运行的影响入手，对跟驰模型进 行了修正，最后得到了带弯度与坡度的自由行驶模型与跟驰模型。 3 1 跟驰模型的研究回顾 3 1 1 g m ( g e n e r a lm o t o r ) 模型 该模型是“刺激一反应”方程的一种形式。刺激体现为反映车辆运动状态的 参数的变化，反应表现为驾驶员对直接在他前面运行的车辆的反作用口7 】： 反应( t + 1 ) = 灵敏度x 刺激( t ) 其中t 为反应延迟时间。 该模型的原理如图3 - i 所示： v 。d t v 。 1 ) 跟糙车 ! ! ! 卜s ( t j 二! 一饷导阜 弋丽厂丽广 图3 - 1 跟驰行驶 设前、后两车在t 时刻的位置分别为x 。( r ) 、x n * l ( f ) ，速度分别为v n 0 ) 、v n + l ( f ) ， 两车的间距为s ( t ) = x 。( r ) 一x n + l ( f ) 。设前导车n 在t 时刻实行刹车，滑行一个距离 d 。后停止；随后n + l 滞后一个反应时间t 之后亦实行刹车，且滑行一个距离d 。 后停止，停止时两车相距为l 。 在跟驰车刹车前( 反应时间t 内) 行驶距离为t v 。( r ) ，有如下等式： s o ) 一l = t v 。+ l ( t + r ) + 以+ l 一矾( 3 1 ) 1 9 第三章适用于弯度与坡度的交通流仿真模型 假定两车滑行距离相等，即：d 。= 巩，则： s ( t ) = x 。( t ) 一x n + 1 0 ) = t v 。+ l o + 7 1 ) + 三( 3 2 ) 两边对t 求导，得： x o + r ) 2 亭旺。( f ) - - x n * l ( r ) 】_ 亭【v 。( f ) 一k + l ( f ) 】 ( 3 _ 3 ) 此式表明，跟驰车在什t 时刻实行的速度( 反应) 正比于t 时刻前后两车的速 度差( 刺激) 。 目前，许多跟驰模型都是以上述方程为基础，在前导车刹车时，跟驰车辆维 持不致发生尾撞的最小安全间距为前提推导而得的。然而，由于对灵敏度的考虑 不同认为是常量或是变量，刺激的内含不同表现为速度、距离或速度与 距离，推导过程的假设不同反应时间内行驶距离与减速行驶距离计算方法不 同从而产生了多种多样的跟驰模型。 最为著名的就是由r e u s c h e l 1 引( 1 9 5 3 ) 和p i p e s 1 6 1 ( 1 9 5 3 ) 利用运筹学技术首次 成功解析的跟驰模型，基公式为： “m ) = c 1 7 m n + l ( m ) 会 ( 3 _ 4 ) 其中， a n + ，( 1 + r ) 一t + t 时刻第n + l 辆车的加速度； v ”( t + r ) 一t + t 时刻第n + 1 辆车的速度； t一反应时间； a v ( t ) - - t 时刻第1 1 辆车与第n + 1 辆车之间的速度差 a x ( t )- - t 时刻第1 1 辆车与第n + 1 辆车之间的距离； c ，m ，1 一为常数。 3 1 2 线性跟驰模型 尽管c h a n d l e r , h e r m a n 和m o n t r o l l 1 9 】所提出的g m 模型在研究的阶段是线性 的，但是h e l l y 2 0 ( 1 9 5 9 ) 对线性跟驰模型发展的贡献却是不容忽视的。他所提出 的线性跟驰模型考虑了前方两辆车是否制动，减速对后车加速度的影响项。模型 如下所示： 署黑2 c1vo一2：0缸。一d一见)(3-5)20 i 见( f ) =+ v ( t 一0 5 ) 其中， d ( t ) 期望跟驰距离； 第三章适用于弯度与坡度的交通流仿真模型 c - - h e l l y 借用先前的研究成果，即能过对1 4 个司机的跟车行为调查，在 相关系数大于0 8 时，t 的取值范围为o 5 2 2s ，c i 的取