（交通运输规划与管理专业论文）城市主干路基本路段交通流特性研究.pdf

摘要 摘要 随着城市汽车保有量迅速增长，交通系统建设的不断推进，以及智能交通技 术的逐步应用，城市交通系统的运行环境发生了很大变化。因而，重新系统的研 究城市交通流特性就显得很有必要。 本文首先对国外交通流特性研究进行了总结和评述，然后回顾了我国在交通 流特性研究中取得的一些成果，确定了论文研究方向。 在我国现有的交通条件下，通过摄像法对城市主干路基本路段交通流数据进 行采集，并利用视频检测器对采集数据进行处理分析。 以实测数据为基础，绘制交通状态转变过程中交通流基本参数( 流量、速度、 密度) 的时变图，分析了城市主干路基本路段交通流的各种特征及交通状态转移 过程，并对城市主干路交通流在“三相交通流理论 下的各种特征进行了验证， 将主干路交通流定性划分为三种状态：自由流、同步流和宽移动堵塞。应用分类 与回归树( c a r t ) 算法对实测数据进行分类，定量标定了自由流、同步流和宽 移动堵塞三种状态下的流量、速度、密度关键阈值。 以交通流状态划分和标定结果为基础，在不同的交通状态下建立了符合主干 路交通流特性的交通流参数关系模型，利用实测数据对交通流参数模型进行了标 定，以此计算了主干路通行能力值，并结合主干路通行能力值和交通流状态划分 及标定结果，对主干路的服务水平进行了分级。 关键词城市主干路；三相交通流理论；分类与回归树；通行能力； 北京工业大学工学硕：i = 学位论文 曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼! ! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼量! 曼曼! ! 曼! ! ! ! 曼! ! 曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼ii 曼曼曼曼曼蔓! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! ! 曼曼! 曼! 皇曼曼! ! ! 曼 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fv e h i c l e si nc i t i e s ，t h ei m p r o v e dc o n s t r u c t i o no f t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，a sw e l la st h ea p p l i c a t i o no fi t s ，t h ee n v i r o n m e n to ft r a f f i c o p e r a t i n gh a sc h a n g e ds i g n i f i c a n t l y a sar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h et r a f f i c f l o wc h a r a c t e r i s t i c si nu r b a nr o a d s t h et e x ts u m m a r i z e sa n dc o m m e n t so nt h es t u d ya c t u a l i t yo ft r a f f i cf l o w c h a r a c t e r i s t i c so v e r s e a sf i r s t l y a n dt h e n ，s o m ep r o d u c t i o n so fd o m e s t i cs t u d ya r e s u m m a r i z e d t h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i st e x ti sc o n f i r m e d u n d e rt h ec o u n t r y s t r a f f i cc o n d i t i o np r e s e n t l y ，w i t hv i d e oc a m e r am e t h o d ，g a t h e r i n gt h er e l e v a n td a t ao f a r t e r i a lr o a di nb e i j i n g ，a n dp r o c e s s e db ya u t o s c o p e 2 0 0 4 b a s e do nm e a s u r e dd a t a ，d r a w i n gt h ec h a n g ec h a r to ft r a f f i cb a s i cp a r a m e t e r s ( f l o w ，s p e e da n dd e n s i t y ) i nt h et r a n s i t i o no ft r a f f i cc o n d i t i o n s ，a n a l y z i n gt h et r a f f i c f l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r o c e s so ft r a f f i cc o n d i t i o nt r a n s i t i o n ，a n dv e r i f y i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e p h a s et h e o r yi nu r b a na r t e r i a lr o a d n et r a f f i cf l o ww a s d i v i d e di n t ot h r e ec o n d i t i o n s ：f r e ef l o w ，s y n c h r o n i z e df l o wa n dw i d em o v i n gja m b yt h em e t h o do fc a r t ，t h em e a s u r e dd a t aw a sc l a s s i f i e d ，a n dq u a n t i t a t i v e l y c a l i b r a t e dt h et h r e s h o l do ft r a f f i cf l o w ，s p e e da n dd e n s i t yi nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n ( f r e ef l o w ，s y n c h r o n i z e df l o wa n dw i d em o v i n gj a m ) t h et r a f f i cf l o wm o d e ls u i t a b l e f o ra r t e r i a lr o a dw a se s t a b l i s h e di nt h ed i f f e r e n tt r a f j f i cc o n d i t i o n s ，a n dt h e nt h em o d e l w a sc a l i b r a t e db a s e do nm e a s u r e dd a t a a c c o r d i n gt ot h et r a f f i cf l o wm o d e l ，t h e c a p a c i t yo fa r t e r i a lr o a dw a sc a l c u l a t e d ，a n dt h el e v e lo fs e r v i c ew a se l a s s i f i e d k e y w o r d su r b a na r t e r i a l ；t h r e e p h a s et r a f f i ct h e o r y ；c a r t ；c a p a c i t y i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 签名：蔓圣篮日期：2 1 翌：点：寥 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名王查圣导师签名：整日期： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和课题来源 主干道是城市道路网的骨架，是连接城市各主要分区的交通干路，以交通功 能为主，它与快速路共同分担城市的主要客、货车流，形成重要的交通走廊【l 】。 城市道路纵横交错，加上各个交叉口车辆的交互作用，使得城市交通网络非常复 杂，在整个交通网络中，主干道占有重要位置，是城市交通网的主动脉，它承担 着城市中的大量的车辆的交通运行。主干道的畅通与否，直接影响到整个交通网 络的运行效率 2 - 6 。 随着经济的发展，人民生活水平的提高，汽车保有量迅速增加，道路上的交 通量猛增，给交通设施带来了很大的压力，出现了交通拥堵、交通事故频发和交 通环境污染等交通问题。这不仅严重影响着经济建设和运行效率，而且也给人们 的出行带来了许多麻烦。 因此，城市交通的研究工作显得非常的重要，了解城市交通的交通特性，发 现城市交通运行规律，就显得非常有意义。这不仅对于交通工程理论研究的发展， 解决大城市的日益迫切的交通问题，而且，对于关系到城市规划、交通基础设施 建设和交通管理等工作具有非常关键的指导作用。 本文依托国家十一五科技攻关项目城市综合交通系统功能提升与设施建设 关键技术研究，对城市主干路基本路段的交通流特性和通行能力进行了研究。 1 2 研究目的和意义 由于我国城市道路的出行产生、交通组成以及交通量的时间和空间分布、道 路使用者特性等多个方面与国外存在明显的差别。另外，国内车辆性能和驾驶员 驾车习惯与国外也存在显著差异。所有这些都说明国外的分析方法和相关研究成 果，都不能直接用于我国城市道路的规划、设计和运营分析。 另外，随着经济的迅猛发展，城市交通系统建设也迅速推进。经过大量的基 础设施建设，交通系统的总体格局曰趋清晰，再加上大容量快速公共交通等新的 交通形式的引入，使交通系统的特性也变得越来越复杂。由于经济的不断发展， 交通系统中运行的车辆性能及其组成结构、驾驶员的驾驶行为和居民的出行行为 都已经发生了变化，导致交通系统不论是微观上还是宏观上，都发生了比较显著 的变化，也会使整个城市交通系统的分析基础发生变化。同时，随着计算机和信 息技术日新月异的发展，交通系统中群体交通诱导、车载导航、停车诱导、智能 北京工业大学工学硕上学位论文 皇曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇! ! ! ! 曼曼曼曼! 曼! 曼! ! 曼曼曼曼蔓曼! ! ! i 曼曼曼! ! 曼皇! ! 曼! ! 曼曼! ! 曼曼曼! ! ! ! 曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼曼! ! 曼 交通控制等新技术的应用，使城市交通系统的运行环境也发生了变化。因而，重 新研究城市道路的交通流特性就显得很有必要。 城市主干路为连接城市各主要分区的干路。由于受到各种道路条件、交通条 件的影响，特别是交叉口间隔、信号周期、行人、公交车停靠及出入口的影响， 主干路呈现出一种间断流的交通流形式，这与城市快速路和高速公路连续流的交 通特点有很大的不同。以往研究主要针对城市快速路、高速公路，对城市主干路 的研究很少。通过城市主干路交通流特性研究，建立主干路交通流模型，并得到 相应的通行能力和服务水平值，可为解决以下问题提供依据。 ( 1 ) 利用交通流模型可估算道路通行能力和达到通行能力时的运行条件。 ( 2 ) 交通流模型的建立为估算道路交通流运行参数和确定其服务水平提供 了依据。对新建道路，借助通行能力，确定道路宽度和车道数等道路几何要素； 对现有道路，通过评价其运行特性和服务水平，可对道路存在的问题提出改进方 案或措施。 ( 3 ) 根据实证数据确定道路的交通状态和关键参数，既可以为交通拥堵机 理分析，建立合理的交通流模型提供理论基础，同时也对交通流的短期预测、控 制和诱导的实际应用提供理论指导。 ( 4 ) 交通仿真必须建立在大量实测数据的基础上，而交通流各要素基本关 系的确定则为交通流仿真提供了依据，使交通仿真能较好地反映实际交通状况。 城市主干路交通流特性分析及模型的建立，对掌握主干路的交通运行规律， 更好地规划路网，科学地设计和管理城市主干路具有重要意义。 1 3 研究思路和技术路线 本研究将遵循“实际工程应用出发，依靠高新设备采集交通流数据，依托平 行交通实验系统，运用科学理论和实验方法，结合计算机仿真技术 的方针，展 开对城市主干路交通流特性与通行能力的研究。 交通数据采集需要投入大量的人力、物力和财力，是一项耗时费力的工作。 本研究依托先进实用的数据采集设备，进行大规模的主干路交通流参数实际观 测，如利用视频数据采集分析系统采集城市主干路宏观和微观的交通流特征数 据；利用激光测速仪采集微观交通流特征参数和时间序列数据。 随着计算机技术的不断进步，交通仿真技术得到了飞速的发展，尤其是在上 世纪8 0 年代后，交通仿真技术日益趋于成熟，并已经广泛的用于交通事故、动 态交通分配、出入口控制、道路通行能力、路网运营分析等多个研究领域【7 】。 在研究过程中，一定数量的交通调查与数据采集是必不可少的，这些调查数 据对建立各种模型和模型参数的标定都有着巨大的意义，但是并不能因此而忽略 第1 章绪论 了交通系统仿真技术在交通流特性研究中的重要性。通过对交通系统的仿真研 究，可以得到交通流状态的分布规律、时间和空间变化规律以及与仿真控制变量 之间的关系，从而为研究者对其所研究的问题有着更为深刻的认识。利用仿真技 术分析交通流特性及求解通行能力值具有以下优点： ( 1 ) 交通仿真可以不断地重复特定主干路路段、交通条件下交通流的随机 状态，避免野外采集工作受天气、横向干扰等诸多因素的影响，确保采集数据的 稳定性； ( 2 ) 交通仿真可以简单地控制道路条件、交通条件及信号控制系数等，清 晰地反映特定因素对交通流特性的影响程度，而这些因素的影响在现实条件下很 难量化： ( 3 ) 交通仿真具有可重复性的特点，通过动画演示和统计分析仿真数据， 便于对主干路基本路段的车辆运行特性进行深入分析； ( 4 ) 交通仿真模型可以减少现场调查数据的工作量大的弊端，可以通过较 小的代价取得精度较高的数据。 综上所述，本论文的研究思路是： ( 1 ) 以系统理论分析为指导，借鉴国内外相对的研究成果，分析我国城市 主干路基本路段的车辆运行特性和交通流状态； ( 2 ) 利用现场观察与调查数据，分析城市主干路交通流特性，并对城市主 干路的通行能力和服务水平进行标定； ( 3 ) 利用交通仿真技术对数据进行补充，近而完善城市主干路交通流特性 的研究。 贯穿以上研究思路，整个研究过程按前期调研、试验性研究、数据采集与处 理、分析建模和确定通行能力值5 个阶段进行( 如图1 1 ) 。 1 4 研究内容和结论 本论文主要的研究内容包括以下四个部分： ( 1 ) 国内外研究综述：对国内外交通流特性的研究进行总结和评述，并借 鉴相应的研究方法与研究成果，确定本论文研究的理论基础。 ( 2 ) 数据采集与分析处理：介绍研究中所需各种数据采集设备、采集方案 设计，以及数据分析处理的过程。 ( 3 ) 主干路基本路段交通流特性分析：介绍了“三相交通流理论”的基本 概念，结合“三相交通流理论”理论对主干路交通流特性进行了分析验证，划分 了交通流状态，应用分类与回归树算法确定了交通流状态阈值。 ( 4 ) 主干路通行能力及服务水平分析：结合有关数据和交通流状态划分结 北京工业大学工学硕士学位论文 ! ii ! 曼曼! ! ! 曼曼! 曼! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼! 果，运用统计分析方法建立主干路交通流模型，求解通行能力值，并划分服务水 平。 图1 1 研究技术路线 f i g u r e1 - 1t e c h n i c a lr o u t e 第2 章国内外研究现状 第2 章国内外研究现状 2 1 国外研究现状 行驶在道路上的各种车辆，由于出行目的不同、车型不同、行驶路线各异， 其运行状态随道路条件、交通环境和驾驶员特点而有不同变化。尽管这种变化非 常复杂，但通过大量观测分析，各种运行状态是具有一定规律的。 交通流运行状态的定性定量特征即称为交通流特性。交通量、行车速度、车 流密度是表征交通流特性的三个基本参数。流体模型研究车流的整体运动，把流 量、速度及密度等聚集变量视为时间和空间的连续函数。此三参数之间的基本关 系为： q = 1 i k( 1 - 1 ) 式中： q 一流量( p c u h ) ： y 一空间平均车速( k m h ) ： k 一平均车流密度( p c u k m ) 。 上式称为交通流模型，可用三维图形来表示。为研究方便起见，常用二维的 速度流量模型、速度密度模型及流量密度模型来表示它们两两之间 的关系( 如图2 一l 所示) 。 0 k m k j 二歹? i 一1 i l i i 1 0q 图2 1 交通流三基本参数关系模型 f i g u r e2 一lt h er e l a t i o n s h i pm o d e lo ft h r e eb a s i ct r a f f i cp a r a m e t e r s 一 7 一 一 ， 一 一 ， 一 北京工业大学工学硕士学位论文 由图2 1 可确立反映交通流特性的一些特征值： q 。一最大流量，速度流量曲线图上的峰值； 圪一j 晦界速度，流量达到q 。时的速度； 一最佳密度，流量达到q ，时的密度； k ：一阻塞密度，车流处于阻塞即车辆无法移动时的密度； ”一畅行速度，车流密度趋于零、车辆可以畅行无阻时的速度。 在此基础上，研究者建立了一系列描述交通流参数关系的数学模型。 g r e e n s h i e l d s t 8 1 ( 1 9 3 4 ) 提出了第一个速度密度的单段式线性模型，在车流密 度适中的情况下模型比较符合实际，但当车流密度很大或很小时并不适合。 g r e e n b e r g 9 】( 1 9 5 9 ) 认为非线性模型更适合描述交通流的关系，提出了速度密 度关系的对数模型。该模型对拥挤状态的数据拟合效果较好，但是当交通密度较 小时模型不适用。u n d e r w o o d t l 0 】( 1 9 6 1 ) 关注畅通状态时的交通流，提出了速度 密度关系的指数模型，比较符合交通密度较小时的实际情况，但在速度为零时， 意味着阻塞密度为无穷大，与实际情况明显不符。d r e w t l l 】在g r e e n s h i e l d s 模型的 基础上引入了另外一个参数，得到一个通用模型。p i p e s 和m u n j a l t l 2 ( 1 9 6 7 ) 提 出了与d r e w 类似但更加一般化的通用模型，当模型中的参数以= 1 时，模型便转 化为g r e e n s h i e l d s 模型。 以上模型都是单段式模型，都基于交通流是连续的假设。在相关的研究中， 利用高速公路或城市快速路的交通数据绘制的交通流参数关系( 速度流量 图，时间占有率( 密度) 流量图，速度时间占有率( 密度) 图) ，常常 可以看到通行能力附近的区域中数据很少，甚至没有数据，将这样的交通流数据 不连续的过渡区域称为数据间隙。通常情况下，这些区域是交通流两种状态( 畅 通状态和拥挤状态) 过渡的时候产生的，是两种状态过渡的时候发生了“跳跃 。 传统的交通流理论建立的交通流模型( 如g r e e n s h i e l d s 线性模型，u n d e r w o o d 指数模型，g r e e n b e r g 对数模型) 均是建立在二维平面基础上的连续交通流三参 数关系模型，这些模型无法解释交通流数据出现的不连续的“跳跃 现象。而且 在接近通行能力时，因为数据间隙的存在导致模型的误差很大。这种交通流两种 状态不连续的现象引起了研究者的注意，一些研究者就试图用不同的函数来描述 自由流状态和拥挤状态的交通流，用多段式的速度密度模型来代替单段式的 模型。 d r a k e ，s c h o f e r 和m a y t l 3 】( 19 6 7 ) 收集了c h i c a g oe i s e n h o w e r 快速路中间车 道1 2 2 4 组数据。经过研究，他们发现在流量密度散点图中，数据点分成两 第2 章国内外研究现状 部分：一部分聚集在密度为2 0 - - 4 5 v e h m i l e 之间，另一部分聚集在6 5 - 一8 4 v e h m i l e 之间，而这两部分之间的数据很少。在临界密度的附近，数据出现明显的不连续 现象，此时单个模型不能够描述交通流，所以他提出了分段模型，用g r e e n b e r g 模型代表高密度状态，用u d e r w o o d 模型代表低密度状态。 接着c e d e r 和m a y 1 4 】( 1 9 7 5 ) 等人在大量数据的基础上对这个现象进行研究。 他们分析了7 个实验室( c a l i f o m i a 、i l l i n o i s 、p c n n s y l v a n i a 、v i r g i n i a 、n e w y o r k 、 德国等不同地方) 3 2 个数据集，后来又增加了s a n t a m o n i c a 高速公路上的1 3 个 数据集。经过研究，他们得出的结论是：在流量较大的交通状况下，交通流一个 最大的特征就是不连续性。他们从3 个方面说明每个位置都需要不同的函数来描 述： ( 1 ) 从直观上看，对数据进行拟合的速度密度曲线在不同地点各不相 同。 ( 2 ) 对于一种状态或者两种状态的交通流模型，在同一地点，模型参数因 所采用的数据不同而存在差异。 ( 3 ) 同一地点的交通流模型结构在不同时间可能会发生变化。 k o s h i ，1 w a s a k i 和o h k u r a 1 5 】( 1 9 8 3 ) 利用东京快速路上2 个位置的数据进行 研究后发现，在瓶颈上游一定距离可以明显的看到交通流两种状态之间的不连续 性，但是在紧挨着瓶颈的上游位置这个界限不明显。他们认为这些速度密度 散点服从的曲线为倒兄形。 m c m a s t e r 大学的h a l l 1 6 】等人( 1 9 8 7 ) 利用t o r o n t o 附近高速公路的数据进一 步证明了数据间隙的存在。他们发现，车道位置不同，调查地点不同，流量一时 间占有率曲线上数据间隙的大小和位置也不同。经过数据处理和分析得到流量一 时间占有率曲线服从的形状为倒v 字形。 在以上不同的交通流基本图模式中，交通流至少存在两个特性明显不同的状 态自由流状态和拥挤状态，分别对应着基本图的左右两枝。对于自由流和拥 挤状态，许多学者又将其继续细分为若干个子状态。 r u h r 大学的n i n gw u 1 7 】( 2 0 0 1 ) 对采集的数据进行分析发现，只有很少的 数据位于畅通状态和非畅通状态( 阻塞状态) 之间的过渡区域，过渡阶段的交通 状态是不稳定的，这种状态的交通流只能出现短暂的时间，并且在交通流处于这 种状态时交通流达到其最大流量。n i n gw u 基于交通基本图将交通流化分为四种 状态，分别是自由流一非车队状态和自由流车队状态，拥挤车队状态和 拥挤一堵塞状态，并提出五个交通参数标定这四种状态，得到一个三阶段速度一 一密度关系模型。 以上模型反映在流量一一密度图上一定经过初始点和至少一个最大值，这样 的曲线叫做交通流的基本图线，这种研究交通流的方法称为f d a 法。 北京工业大学丁学硕士学位论文 k 倒测流量一密度关系示意图 k 反旯型流量一密度关系示意图 q kk 倒理流量一密度关系示意图间断型流量一密度关系示意图 图2 2 流量密度关系模型 f i g u r e2 - 2t h ed i a g r a mo ff l o w d e n s i t ym o d e lc u r v e 经过对交通流状态不连续的现象深入的研究，k e m e r t l 8 】在分析德国高速公路 采集的数据后发现交通拥堵时出现的同步交通，在此基础上引入“同步流 概念， 提出了三相交通流理论，认为交通流包含三种不同的状态：自由流、同步流和宽 幅运动阻塞。三相交通流理论的主要特征就是它否定了传统的f d a 法的基本假 设，引入了在流量密度平面上稳定状态覆盖一个二维区域的同步流。这有利 于克服f d a 法的问题，并且可用来解释经验时空拥挤交通模式特征。 2 2 国内研究现状 从国内来看，北京工业大学的诸葛敬敏【1 9 1 ( 2 0 0 0 ) 研究了快速路基本路段交 通流的主要特征值，通过确定车辆自由行驶的最小车头时距将车辆跟驰行驶状态 与车辆自由行驶状态区分开来，并提出了适合于不同跟车状态下车辆运行的平均 车头时距模型。 北京工业大学的马国旗 2 0 l ( 2 0 0 4 ) 根据交通流运行机理的不同，把对快速路 基本路段交通流状态划分为三种，即畅行流状态、稳定流状态和强制流状态( 不 稳定状态) ，从宏观的角度，通过对交通流三个基本参数关系的分析，利用概率 论及回归分析方法，通过定性分析与定量分析相结合，提出了交通流状态划分的 方式。 吉林大学的董斌【2 1 1 ( 2 0 0 6 ) 以北京市快速路实地交通调查得到的数据为基础， 第2 章国内外研究现状 绘制了交通状态转变过程中交通流基本参数( 流量、速度、时间占有率) 的时变 图，发现交通状态转变过程中速度的变化最为明显；应用调整的交通流参数累计 曲线确定快速路交通状态转变的确切时刻，可以准确区分开拥挤状态与非拥挤状 态。 吉林大学的王英平【2 2 】( 2 0 0 6 ) 以北京市快速路实地交通调查得到的数据为基 础，绘制交通流三参数两两之间的散点图，发现交通流运行经历畅通和拥挤两种 状态时，数据聚集成两个区域，分别对应畅通状态和拥挤状态，两种状态之间存 在数据间隙，证明快速路交通流并不是连续的。研究了描述数据间隙的指标，认 为车辆平均占有时间能够描述数据间隙，并利用该指标标定了交通流状态变化的 确切时刻。 东南大学的王剥2 3 】( 2 0 0 7 ) 在n i n gw h 的四相交通流基本图基础上研究了 车速离散性的分布特征，发现车速离散性与交通流的基本特征参数速度、密度、 流量之间存在一定的关系，从理论分析的角度对车速离散度在w u 的四相交通流 基本图上的分布机理给出解释。随后，基于k e r n e r 的三相交通流基本图模型， 提出了考虑车速离散度的新的交通流基本图模型。 北京交通大学的关伟【2 4 】( 2 0 0 7 ) 对城市快速路交通流速度高概率分布特性进 行了研究，分析了不同密度条件下的速度概率分布特性，在流量密度平面上 将交通流化分为自由流、谐动流、同步流和堵塞4 个稳态相位并讨论了各个相位 的性质，定量标定了每个相位的区域范围。 2 3 本章小结 对于传统的交通流特性的研究是在国外的道路条件与驾驶条件下得出的，对 城市道路交通流的描述比较简单，没有考虑到我国城市道路交通的特殊性和复杂 性。 国外城市交通流构成相对简单，主要为小汽车，而且车辆性能、道路条件均 比较理想，所以在上述模型中，国外的模型仅使用机动车流量这个交通特征作为 变量。但是对于我国的多数城市交通组成复杂，车辆性能、道路条件差异大，横 向干扰大。加上我国不同的文化背景和习俗，单个驾驶员的驾驶行为是与国外又 有所不同，这些直接影响了整个交通流的特性。 国内外的研究主要集中在对公路、快速路和高速公路的研究，对于城市主干 路这种间断流设施的研究较少。城市道路由于受交叉口信号的影响，路段上的车 辆到达并不是连续的，与连续流的交通特征存在明显差别。因此，对城市主干路 交通流特性研究是很具有实际意义的。 北京工业大学r t 学硕士学位论文 第3 章数据采集与处理 交通流特性的研究更离不开对实际道路上的交通数据的采集，必须通过大量 的现场观测，来寻求交通流运行的基本规律，所以大量的能够反映实际交通流运 行状况的数据是这一工作的前提和保证。 本研究的各种资料都要通过现场调查获得。根据需要，本次观测取得了大量 的城市主干路的交通流数据，为分析城市主干路基本路段的交通流特性，建立交 通流模型奠定了基础。 3 1 交通调查综述 交通调查【2 5 】是交通工程学科中的一个重要组成部分，交通工程学的发展在一 定程度上依靠交通调查工作的开展和数据资料的积累与利用。 交通调查就是通过对多种交通现象进行调查，提供准确的数据信息，为交通 规划、交通设施建设、交通控制与管理、交通安全、交通环境保护和交通流理论 研究等各个方面服务。因此我们必须重视交通调查作用，熟悉和了解交通调查的 内容和方法，以便更好的发挥交通调查的作用。 交通流特性的研究离不开对实际道路上的交通数据的采集，必须通过大量的 现场观测，来寻求交通流运行的基本规律，所以大量的能够反映实际交通流运行 状况的数据是这一工作的前提和保证。现场调查的好坏也直接关系到后续工作是 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。 3 1 1 调查目的 根据调查目的的不同，可以制定内容和实施过程都不同的调查方案。本次交 通调查的目的是：现场调查收集城市主干路基本路段的交通数据，作为分析城市 主干路交通流特性和模型建立时进行参数标定以及模型检验的基础数据，并为交 通仿真提供基础数据。 3 1 2 调查内容 此次交通调查的内容是：道路情况、道路信息、交通状况以及交通流有关数 据，包括： ( 1 ) 道路基本信息：调查地点、道路类型、车道数、车道宽度、与交叉口 第3 章数据采集与处理 距离、中央隔离带情况、进出入口、有无天桥及其位置等； ( 2 ) 交通流的基本状况：车型比例、车头时距、车流速度、流量及变化； ( 3 ) 交通环境信息：交叉口及信号影响、非机动车及行人影响、有无公交 专用线等； ( 4 ) 观测期间发生的可能影响速度的异常情况如交通事故、交通拥堵等导 致交通状况的明显变化事件。 3 i 3 调查仪器 不同的调查设备有不同的工作原理、基本功能和使用条件口q 。一般来说，交 通数据采集设各必须有高效、快捷、方便的特点，以减少野外数据采集和市内数 据处理的人力和时间。如果数据采集设备出了问题，要有能挽救所需信息的备用 手段和方法。一般还要求能够储存各车辆事件信息，一旦事后需要，能够检查并 重新得出结果。 本研究结合自身的研究条件，选取视频检测设备a u t o s c o p e 2 0 0 4 进行分析， 如图3 - 1 所示。 图3 - 1a u m s e o p e 视频采集仪 f i g u r e3 - 1a u t o s c o p ev i d e o c a p m r 。 a u t o s c o p e 2 0 0 4 ” 2 8 1 利用摄像机、视频检测仪采集视频信号，用检测算法和 网络通讯协议检测和传输交通流数据，用配套软件进行车辆速度、车头时距、车 流密度等数据分析。这种仪器可以在计算机里实现视频信息的实时观看、处理和 存储，用计算机、摄像机自动进行交通流的流量、速度、占有率等指标进行实时 分析，与交通控制系统相结合对交通流实施控制。通过上述分析可以看出， a u t o s c o p e 2 0 0 4 是将视频信号转换成交通数据进行统计，使用时只需要将摄像机 架设到天桥上采集视频数据，然后用a u t o s c o p e 2 0 0 4 进行数据的处理就可蚍了， 这种方法能够保证人员的安全，易于数据的保存。 其他调查设备有摄像机、磁带、三角架、雷达测速仪、秒表和卷尺等。 北京丁业大学工学硕士学位论文 3 1 4 调查地点和时间选择 调查地点的选择是十分重要的，这直接关系到采集到数据的有效性。考虑到 观测点的选择必须以满足后期数据分析要求为依据，这样既可以减少观测时间， 又可以降低由于调查点选择不当而导致分析失败的可能性。本研究考虑的调查地 点主要因素有以下几点： ( 1 ) 理想条件的路段：选择城市主干路的基本路段，道路、交通条件与理 想条件类似的路段进行观测。 所谓基本路段，曾有研究对其定义为断面流量保持不变的一段单向道【2 9 1 。对 此可以借鉴高速公路基本路段的定义方法来定义主干路基本路段。但是根据城市 道路的实际情况，相邻两个交叉口之间的距离一般不会超过1 0 0 0 米，交通流在 一定程度上受到上、下游交叉口的影响，所以将主干路基本路段定义为，较少受 到交叉口、行人或者进出口影响的路段。本研究在考虑交叉口最大排队长度的情 况下将主干道基本路段定义为，距相邻交叉口中心线2 0 0 米以外的路段，如图 3 2 所示。 交 叉 口喜l 图3 - 2 主干路基本路段示意图 f i g u r e3 - 2s k e t c ho fb a s i cs e c t i o n so fm a j o rr o a d s ( 2 ) 影响因素修正路段：影响城市道路基本路段通行能力的因素很多，研 究主要考虑的影响因素包括交叉口影响、横向干扰影响和交通组成影响等，需要 考虑各种因素对理想条件下的模型分别进行修正。 ( 3 ) 调查道路设有天桥，便于摄像机的架设，天桥的位置尽量远离交叉口， 并且尽量排除道路进出口及公交车辆影响。 在进行调查地点的选择过程中，我们先通过地图查找出备选的主干路：然后 从北京市航拍图中找到有天桥的主干路，记录下天桥的位置；然后实地踏点，观 察备选调查地点周边的道路、交通情况、设备架设的可行性，最终确定调查地点。 调查时间的选取对于数据获取具有重要的意义，调查时间一般选在周一至周 五工作日，避开星期六及星期日。原因在于周末大部分居民不上班，车流量较小， 车速也比平时高。另外也要避免交通异常的日子，如节假日或者大型活动日。调 查要选在良好的天气情况下进行，避开有风、雨、雪的天气。为了让所调查的数 据覆盖所有的交通状况，调查时间段应该包括交通平峰段和高峰段。 第3 章数据采集与处理 本次调查从2 0 0 7 年7 月持续到2 0 0 8 年1 1 月，为了保证调查数据的可靠性、 真实性和有效性，将调查日期选在天气晴朗的工作日，每次调查的时段包括平峰 时段两小时和高峰时段两小时。 3 1 5 调查方法 城市主干路基本路段交通调查过程是一个复杂的过程。本研究借鉴已有的主 干路调查方案，先选取了调查地点，然后根据调查数据的要求筛选调查地点，并 在调查过程中对调查的方案进行修正和改进。具体调查步骤如图3 3 所示： 图3 - 3 交通调查步骤示意图 f i g u r e3 - 3t h es t e p so ft r a f f i cs u r v e y 对于道路路段交通状况调查，往往可以采用摄像法。一般将摄像头安装在天 桥上，对准道路路段连续拍摄；或者在采集地点，将录像机设置在视野良好的高 处，防止树木及其他设施的遮挡，将录像机镜头瞄准观测地段，进行录像。 录像法的主要优点是对测定地点有形象记录，不但能录到车辆移动位置，而 且也能拍摄到车型及实地交通情况，大量交通数据能提供令人信服的证据，并且 资料可以长期保存。但录像的方法成本较高致使其广泛使用受到限制。 具体的数据采集方法为将摄像机架在主干路路段上的天桥上，镜头对准所要 采集数据的车道进行摄像( 见图3 4 ) ，保证拍摄范围覆盖调查区域，摄像机架设 的方位、角度要符合要求。有些需要现场观测的调查数据，如交通流状况、各种 干扰等，要在拍摄同时完成，并用照相机拍摄道路的交通状况和路况信息。另外， 用雷达枪正对道路上的车辆，测定车辆的类型、颜色、实际速度和车辆通过的时 刻。将车速与视频车辆车速对照标定车流车速。 北京工业大学工学硕十学位论文 实地采集完成后，用摄像机和w i nt v 软件，在计算机里实时观看道路状况； 在计算机里对视频信息进行实时处理和存储；利用配套软件自动完成交通流主要 指标的采集与分析。 、 一一3 、 、 一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一i 一一一一7 一 ， ， 过 街 天 桥 摄像机 豕 一 1 _ 一一 一 1 一一 一 1 一一 图3 _ 4 摄像法示意图 f i g u r e3 - 4s k e t c ho f v i d e oc a m e r am e t h o d 3 1 6 调查注意事项 调查数据之前，制定缜密的方案，使调研可以事半功倍，获取有用数据，可 以节省时间和避免重复工作。 调查过程中必须保证人员和仪器的安全，这是整个调查过程的首要因素。为 保证交通数据的全面性，数据采集的时间为平峰与高峰时段，特别是要保证高峰 时段的数据采集。观测仪器和录像机都应该有时钟计时，并应能保证连续工作三 小时以上的工作能力，并应准备仪器故障后的替换设备。认真填写调查表，如实 记录正常和特殊情况，保证调查的真实性，对于个别极特殊且不符合要求的数据 可剔除，但需要进行记录和说明。 3 2 数据整理与分析 3 2 1 实测样本量的确定 速度、流量等交通流参数都是随机变量，在进行宏观统计分析时，要保证这 些参数能够有足够的精度，必须要保证足够的实测样本量。为了保证主干路路段 交通流统计分析时所用的速度值达到其本身的样本量的要求，在一定的精度要求 下，样本量的确定为： 第3 章数据采集与处理 ，、2 刀f t o 1 ( 3 1 ) le 式中： 刀一满足需求的最小样本量： f 一定置信水平下的，分布统计量，当置信度为9 5 时，t = 1 9 6 ； 盯一标准离差，主干路速度标准离差可用10 k m h ； e 一允许偏差，这里本文可取2 k m h 。 基于上面的精度要求，计算得出的最小样本量9 7 。本文在数据采集时，共 采集了9 个地点的数据，这个样本量远远大于精度所要求的最小样本量，所以本 文所用数据量足够，且能达到更高的精度要求。 3 2 2 数据处理 参考交通工程手册【3 0 】车型分类，将车辆分为小型车、中型车和大型车 三类，见表3 1 。 表3 - i 城市主干路基本路段车型分类 t ，l b l e 3 1v e h i c l ec l a s s i f i c a t i o na tu r b a na r t e r i a l 车型 小型中型大型 总重量( 吨) 2 02 o 6 o6 o 1 4 o 货车 载重量( 吨) 0 80 8 3 53 5 8 0 总长( 米) 6 06 0 9 09 0 1 2 o 客车 总重量( 吨) 4 0 4 0 1 1 01 1 0 1 6 0 对于其它手段采集的数据，如秒表采集的数据和卷尺采集的数据等，也输入 到计算机当中，形成电子文件，便于以后数据的分析与研究。 本研究应用a u t o s c o p e 2 0 0 4 系统的“事件”模式对交通流中个体车辆到达设 定位置的时间、速度以及车长等信息进行检测，并编制程序对事件记录进行统计 分析，计算连续统计时间间隔内的交通流流量、速度、密度和时间占有率等参数。 通过a u t o s c o p e 2 0 0 4 视频采集仪对交通流视频文件进行分析，计算得到的速度测 量精度较低，经过修正后可达到研究所需的精度水平。 本文对由a u t o s c o p e 2 0 0 4 处理得到车辆速度值和雷达测速仪实测速度值对比 后发现，a u t o s c o p e 2 0 0 4 检测获得的个体车速值略高于真实值。文献1 3 1 指出在这 种情况下应对检测值进行修正，并提供了以下的修正公式： = 圪一 ( 3 - 2 ) 式中，为实际车辆速度，圪一为a u t o s c o p e 2 0 0 4 处理得到的速度， 为修正系数，由下式计算： 北京丁业大学- t 学硕士学位论文 = h 。( h o4 - - h ，) ( 3 3 ) 其中，玩为视频检测头( 摄像机) 距离地面的高度，h 为被检测车辆的高v 度。可见修正系数的取值并不固定，而与被检测车辆的高度有关。 在本研究中，调查时记录视频检测头( 摄像机) 的高度，并统计观测时间段 内的各类车辆的平均车高。根据统计分析，发现观测时间段内的小、中、大三类 车辆的平均车高分别为i 5 m 、2 m 和3 m 。由此可以根据公式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 对 检测获得的车速数据进行校准。 另外，在每一观测地点，用雷达测速仪测取部分车辆速度，同时记录该车的 车型、颜色和时间等特征参数，用其与校准数据进行对比分析，并以此为依据， 对所有数据进行二次校准。 3 2 3 统计间隔的确定 城市干道由于受上、下游交叉口及信号影响。交通流呈现间断流的形式，这 直接影响到了交通流统计间隔的确定，统计间隔过小，模型的偏差比较大，而选 用较大的统计间隔可以缩小模型拟合偏差。但是选用较大的统计间隔不能很好的 描述主干路间断流的交通流特点和运行状况，且容易导致数据流量有效区域变 小，这会在很大程度上增大数据拟合的误差。所以统计间隔的确定应该尽量的小， 应小于上下游交叉口的信号周期【3 2 1 。 综合考虑以上因素后，借鉴前人研究结果，本研究选取l m i n 的统计间隔对 城市主干路基本路段数据进行处理。 3 3 本章小结 本章对论文中所需数据的调查内容、调查设备、调查地点和时间和调查时应 该注意的事项作了相应的介绍，对交通调查所涉及到的问题进行分析，在现有的 条件，确定了调查方法，并制定了相应的调查方案。为了更好的得到有效数据， 本研究根据调查地点的要求先进行了预调查，筛选了一部分调查地点，然后利用 摄像法采集到主干路分车道的视频交通数据，并利用a u t o s c o p e 2 0 0 4 对数据进行 了处理。通过对a u t o s c o p e 2 0 0 4 处理数据的分析，对数据