（系统工程专业论文）基于元胞自动机的城市快速路交通流建模与仿真.pdf

111 鼍一 、， 睁 _ 丰 j 基于元胞自动机的城市快速路交通流建模与仿真 m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no ft h et r a f f i cf l o wi nu r b a n f r e e w a y b a s e do nc e l la u t o m a t a l 致谢 本论文的工作是在我的导师关伟教授的悉心指导下完成的，关伟教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来关伟 老师对我的关心和指导。 毕军、马继辉、宋丽英、朱广宇老师在学习上和生活上都给予了我很大的关 心和帮助，在此向毕老师、马老师、宋老师和朱老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，何蜀燕师姐，黄阿琼，靳莉师妹对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也衷心感谢我的父母和李焱，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 。 i i i r l。_ - ， 、 中文摘要 摘要：虽然近年来快速路建设得到了迅速的发展，但是其速度远不及交通量增长 的速度，并且目前我国还没有一个统一的快速路建设标准。此外在已建成的快速 路系统中，还存在入口匝道控制手段单一，管理效率低下等诸多问题。因此有必 要对快速路系统进行深入的研究。 本文主要研究重点是影响快速路功能正常发挥的瓶颈之一出入口匝道。 首先，本文以实测数据为基础，深入分析了三车道快速路出入口匝道的交通流特 性和对主路上下游的影响，为模型的建立提供了事实依据。然后，本文基于元胞 自动机模型理论，在l i 人交通流元胞自动机仿真的研究基础上，对换道规则进行 了修正，并分别在不同情形下，建立了更加符合实际的三车道快速路元胞自动机 模型。 在对入口匝道控制技术的研究中，分别在入口匝道无控制，让行控制和 a l i n e a 控制三种情形下，进行了建模仿真。将仿真结果进行比较发现a l i n e a 控制方式较优；之后针对实测数据中观察到的两入口匝道连续时，主路受第一入 口匝道影响大于第二入口匝道这一现象，指出a l l n e a 控制方式的缺陷；最后引 入h m i ，建立连续两入口匝道与主路相交的三车道元胞自动机模型，发现两入口 匝道之间断面三车道交通状态变化不同步，h m i 曲线跃迁，而第二个入口匝道下 游三车道交通状态变化同步，h m i 曲线始终没有跃迁，因此本文认为h m i 曲线是 否跃迁可以作为是否对该入口匝道进行a l i n e a 控制的条件之一，并对这一点进 行了验证。 在对出口匝道区域的研究中，分别在有无减速车道与主路相连的情况下，建 立了元胞自动机模型，并将得到的主路换道次数和车道利用率与实际数据进行了 对比以验证模型的有效性，之后比较了两种情况下的仿真结果，发现有减速车道 情况下，快速路系统的运行效率得到了提高；在对减速车道长度的定量分析中， 又分别考虑了上游有无入口匝道这两种情况，并各自建立模型，结果发现减速车 道的长度并不是越长越好，其合适的长度与流量有关，上游有入口匝道时，其长 度应该稍微大于上游无入口匝道的情况；最后通过一个简单的诱导分析，研究能 否提高减速车道区域快速路运行效率。 关键词：元胞自动机；入口匝道；a l i n e a 控制；h m i ；出口匝道；减速车道；车 道利用率；快速路 l l r r iiiiiiljllllljj a b s t r a c t a b s t r a c t ：a l t h o u g ht h ec o n s t r u c t i o no fu r b a ne x p r e s s w a y sh a se n j o y e dr a p i d d e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ，t h es p e e di ss l o w e rt h a nt r a f f i cg r o w t h ，a n da tp r e s e n tt h e r e i sn ou n i f o r ms t a n d a r df o re x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n a b e s i d e s t h a t ，i nt h e c o n s t r u c t e de x p r e s s w a ys y s t e m ，m a n yp r o b l e m se x i s ts u c ha st h er a m pc o n t r 0 1m e a n s a r ea l o n e ，t h em a n a g e m e n te f f i c i e n c yi sl o wa n ds oo n s of u r t h e rs t u d yi sn e e d e dt ot h e e x p r e s s w a ys y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yp a y sa t t e n t i o no no n eo ft h eb o t t l e n e c k sw h i c hi n f l u e n c et h e n a t u r a le x e r t i o no fe x p r e s s w a y s t h eo n - r a m p sa n do f f - r a m p s f i r s t l y , b a s e do nt h e m e a s u r e dd a t a ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h et r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo n r a m pa n d o f f - r a m pa n dt h ei m p a c to ft h er a m p st ot h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mo ft h em a i nl i n e i nt h et h r e e l a n ee x p r e s s w a y t h i sp r o v i d e st h er e a lb a s i sf o rt h ef o u n d a t i o no ft h e m o d e l t h e n ，at h r e e - l a n ee x p r e s s w a yc e l la u t o m a t am o d e lw h i c hi sm o r ea c c o r d a n tt o p r a c t i c ei sb u i l tu n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e sa f t e rs o m er e v i s i o n st ot h el a n e c h a n g i n g r u l e sb a s e do nt h ec e l la u t o m a t at h e o r ya n dt h ee a r l ys t u d yo nt h et r a f f i cf l o wc e l l a u t o m a t a i nt h es t u d yo ft h eo n - r a m pc o n t r o l ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na r ed o n eu n d e rt h r e e s i t u a t i o n s ：n oc o n t r o li nt h eo n r a m p , s t o pt ol e to t h e r sg o ，a l i n e ac o n t r 0 1 t h r o u g h t h ec o m p a r a t i o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ef i n dt h ee f f e c to ft h ea l i n e ac o n t r o li s b e t t e r ；a f t e rt h a t ，t ot h eo b s e r v e dp h e n o m e n o nt h a tt h ei m p a c to ft h ef i r s to n r a m pt ot h e m a i nl i n ei ss t r o n g e rt h a nt h es e c o n do n - r a m pw h e nt h e r ea r et w os e r i e so n r a m p si nt h e e x p r e s s w a y , t h ea l n e ac o n t r o lh a si t so w nd i f i c i e n c y ；a tl a s t ，t h i sp a p e rb u i l d st h e t h r e e l a n e e x p r e s s w a y m o d e lw h i c hh a st w oc o n t i n u o u s o n r a m p st h r o u g ht h e i n t r o d u c t i o no fh m i ，t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h et r a n s i t i o no ft r a f f i cf l o ws t a t e so ft h e t h r e el a n e sa tt h ep o i n tb e t w e e nt h et w or a m p si s n o n h o m o g e n e o u s ，a n dt h eh m i c h a n g e sa b r u p t l y , w h i l et h et r a n s i t i o no ft r a f f i cf l o ws t a t e so ft h et h r e el a n e sa tt h ep o i n t a f t e rt h es e c o n dr a m pi sh o m o g e n e o u sa n dt h eh m id o e sn o tc h a n g ea b r u p t l y , s ot h i s p a p e rg e t sa n dv e r i f i e st h ec o n c l u s i o nt h a tw h e t h e rt h eh m i c h a n g e sa b r u p t l ys h o u l db e o n eo ft h ec o n d i t i o n sw h i c ht od e c i d ew h e t h e rt oi m p l e m e n tt h ea l i n e a c o n t r o lt ot h e o n 。r a m p t h i sp a p e ra l s oc o n s t r u c t st h ec e l la u t o m a t am o d e l sf o ra s e g m e n to ft h em u l t i 1 a n e e x p r e s s w a y n e a r o f f - r a m pr e g i o nw h i c hi n c l u d e st h e d e c e l e r a t i n g l a n eo rn o t l o-l 卜 r e s p e c t i v e l y , t h el a n e - c h a n g i n gt i m e sa n dl a n eu t i l i z a t i o nr a t i oa r ec a l c u l a t e da n d c o m p a r e dw i t ht h ef a c t u a ld a t at ov e r i f yt h em o d e l ，a f t e rt h ef o l l o w i n gc o m p a r a t i o no f t h es i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rt h et w oc i r c u m s t a n c e s ，t h ep a p e rf i n d st h a tw h e nt h e o f f - r a m pi sc o n n e c t e dw i t ht h ee x p r e s s w a yt h r o u g ht h ed e c e r a t i n gl a n e ，t h ee f f f i c i e n c yo f t h ee x p r e s s w a ys y s t e mi se n h a n c e d ；t ot h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h el e n g t ho ft h e d e c e l e r a t i n gl a n e ，t h em o d e l sa r e b u i l t c o n s i d e r i n gw h e t h e rt h e r e i st h eo n r a m p c o n n e c t i n gw i t ht h eu p s t r e a mo ft h ee x p r e s s w a y , t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h el e n g t ho ft h e d e c e l e r a t i n gl a n ei sn o tt h el o n g e r , t h eb e t t e r , i nf a c tt h ep r o p e rl e n g t hi sr e l e v a n tw i t h t h et r a f f i cf l o w , w h e nt h e r ei so n - r a m pi nt h eu p s t r e a m ，t h el e n g t ho ft h ed e c e l e r a t i n g l a n es h o u l db el o n g e rt h a nt h eo n ew h e nt h e r ei sn oo n - r a m pi nt h eu p s t r e a m ；a tl a s t ，a s i m p l e t r a f f i cf l o wg u i d a n c ei si n t r o d u c e dt o s t u d yw h e t h e ri tc a ni m p r o v et h e e x p r e s s w a ys y s t e m s e f f i c i e n c yn e a rt h ed e c e l e r a t i n gl a n e k e y w o r d s ：c e l l a u t o m a t a ；o n r a m p ；a l i n e ac o n t r o l ；h m i ；o f f - r a m p ；d e c e l e r a t i n g l a n e ；l a n eu t i l i z i n gr a t i o ；e x p r e s s w a y c l a s s n o ： v l i i 目录 中文摘要v a b s l t r a c t v i i l 引言1 1 1 研究背景及意义1 1 2 研究目标2 1 3 研究对象、内容和方法2 1 3 1 城市快速路交通特点2 1 3 2 北京城市快速路现状2 1 3 3 研究内容和研究方法3 2 研究综述。5 2 1 城市快速路交通流特性研究5 2 1 1 交通流特性三要素及相互关系5 2 1 2 城市快速路交通流特性研究进展5 2 2 交通仿真模型6 2 2 1 交通仿真模型分类6 2 2 2 典型交通仿真模型7 2 2 3 典型交通仿真模型在我国快速路的应用8 2 3 元胞自动机模型9 2 3 1 元胞自动机的发展9 2 3 2 元胞自动机的概念及构成一1 0 2 3 3 元胞自动机模型在交通领域的应用一1 0 2 4 匝道控制1 1 2 4 1 匝道控制算法概述“ 2 4 2 国内外匝道控制研究现状一1 3 2 5 本章小结1 5 3 城市快速路出入口匝道区域交通流运行特性分析1 7 3 1 入口匝道交通流特性分析1 7 3 1 1 入口匝道流量特性分析1 7 3 1 2 入口匝道速度特性分析1 9 3 2 入口匝道主路上下游交通流特性分析1 9 3 2 1 入口匝道主路上下游车道利用率分析一1 9 3 2 2 入口匝道主路上下游密度分析2 l 3 3 出口匝道及其衔接区域交通流特性分析2 3 3 3 1 出口匝道交通流量特性2 3 3 3 2 出口匝道交通流速度特性2 5 3 3 3 出口匝道主路上下游车道利用率分析2 6 3 4 本章小结2 8 4 城市快速路入口匝道控制方法3l 4 1 城市快速路入口匝道控制原理及其特点3 1 4 2 控制方案介绍3 2 4 3 建立模型及参数标定3 2 4 3 1 模型中的跟驰模型3 2 4 3 2 模型中主路间换道模型3 3 4 3 3 模型中的入口匝道控制模型3 3 4 4 仿真结果与分析3 5 4 4 1 城市快速路入口匝道控制评价指标3 5 4 4 2 仿真结果3 6 4 5 对a l i n e a 控制方法的改进3 8 4 5 1 连续两个入口匝道情况下的仿真4 0 4 5 2h m i 的引入4 2 4 6 本章小结。4 6 5 城市快速路出口匝道区域建模仿真4 9 5 1 基于元胞自动机理论的城市快速路出口匝道模型4 9 5 1 1 有减速车道与主路相连情况4 9 5 1 2 无减速车道与主路相连情况5 2 5 1 3 模型参数的确定5 3 5 2 出口匝道对于城市快速路车道利用率的影响5 3 5 2 1 有减速车道与主路相连情况5 3 5 2 2 无减速车道与主路相连情况5 6 5 3 减速车道长度的定量分析5 8 5 3 1 上游无入口匝道情形下5 9 5 3 2 上游有入口匝道情形下6 4 5 4 减速车道区域车辆的诱导作用分析6 7 5 5 本章小结6 8 6 结论与展望7 1 l ， f j 图目录 图1 1 北京快速路路网结构图3 图3 1 北京二环路段检测断面示意图1 7 图3 2 单一入口匝道情况下流量时变图1 8 图3 3 两个相连入口匝道情形下的流量时变图18 图3 4 入口匝道车辆速度分布图1 9 图3 5 入口匝道主路上游车道利用率时变图2 0 图3 - 6 入口匝道主路下游车道利用率时变图2 l 图3 7 入口匝道主路上游密度变化时变图2 1 图3 8 入口匝道主路下游密度变化时变图2 2 图3 - 9 连续两个入口匝道情形下主路上游，匝道之间，主路下游密度时变图 ：! ：； 图3 1 0 无减速车道出口匝道交通流量时变图一2 4 图3 1 1 有减速车道时出口匝道交通流量时变图2 4 图3 1 2 无减速车道出口匝道速度分布2 5 图3 1 3 有减速车道出口匝道速度分布2 5 图3 1 4 无减速车道出口匝道主路上游车道利用率时变图一2 6 图3 1 5 有减速车道出口匝道主路上游车道利用率时变图2 7 图3 1 6 无减速车道出口匝道主路下游车道利用率时变图2 8 图4 1 单一入口匝道城市快速路路段示意图3 2 图4 2 单一入口匝道下游( 6 0 元胞) 流密图3 6 图4 3 主路下游( 6 0 元胞) 三条车道流速图3 7 图4 4 两连续入口匝道城市快速路路段示意图4 0 图4 5 第5 0 和9 0 元胞处三条车道密度时变图4 l 图4 6 第5 0 和9 0 元胞处三条车道流量时变图4 l 图4 7 对第二入口匝道进行a l i n e a 控制后第5 0 和9 0 元胞处三条车道流量时 变图4 2 图4 8 第5 0 元胞断面处交通参数和h m i 时变图4 4 图4 - 9 第9 0 元胞断面处交通参数和h m i 时变图4 5 图4 1 0 对第一个入口匝道进行a l i n e a 控制后第5 0 元胞断面处交通参数时变 图一4 6 图5 1 有减速车道出口匝道仿真路段示意图4 9 图5 2 无减速车道出口匝道仿真路段示意图5 2 图5 3 第3 0 个元胞之前( 左) 和第3 0 至第8 0 元胞之间的流量换道次数图 ( 有减速车道) 5 3 图5 4 第3 0 个元胞与实际断面的流量一车道利用率关系对比图( 有减速车道) 5 z i 图5 5 第8 0 个元胞与实际断面的流量一车道利用率关系对比图( 有减速车道) ! ；! ； 图5 - 6 第3 0 个元胞之前( 左) 和第3 0 至第8 0 元胞之间的流量一换道次数图 ( 无减速车道) 5 6 图5 7 第3 0 个元胞与实际断面的流量一车道利用率关系对比图( 无减速车道) ! ；6 图5 8 第8 0 个元胞与实际断面的流量一车道利用率关系对比图( 无减速车道) 5 7 图5 - 9 流量为1 0 8 0 v e h h 时交通系统参数随减速车道长度的变化曲线6 l 图5 1 0 流量为3 2 4 0 v e h h 时交通系统参数随减速车道长度的变化曲线6 l 图5 1 1 流量为5 4 0 0 v e h h 时系统交通流参数随减速车道长度的变化曲线6 3 图5 1 2 不同流量条件下主路平均速度随减速车道长度的变化曲线图6 3 ( 从上到下主路流量条件分别为1 0 8 0 v e h h ，3 2 4 0 v e h h ，5 4 0 0 v e h h ) 6 3 图5 。1 3 上游有入口匝道情形下有减速车道出口匝道仿真路段示意图6 4 图5 1 4 流量为1 0 8 0 v e h h 时交通系统参数随减速车道长度的变化曲线6 5 ( 上游有入口匝道) 6 5 图5 1 5 流量为3 2 4 0 v e h h 时交通系统参数随减速车道长度的变化曲线6 6 ( 上游有入口匝道) 6 6 图5 1 6 流量为5 4 0 0 v e h h 时交通系统参数随减速车道长度的变化曲线6 7 ( 上游有入口匝道) 6 7 表目录 表2 1 交通仿真软件介绍8 表4 1 城市快速路与高速公路入口匝道控制区别3 1 表4 2 主路下游( 第6 0 元胞) 平均速度对比图( k m h ) 3 6 表4 3 主路下游( 6 0 元胞) 平均流量( v e h h ) 3 6 表4 4 不同情形下匝道对主路汇入量对比3 8 表5 1 减速车道区域换道次数和加减速度统计表5 9 表5 2 诱导后减速车道区域换道次数和加减速度统计表6 8 表5 3 诱导后减速车道区域主路及其下游的交通系统参数6 8 x 、 一 1 引言 1 1 研究背景及意义 随着国民经济的发展，城市化进程的加快，城市人口变得越来越密集，由此 也引发了愈来愈大的交通需求。为了解决这一问题，缓解交通压力，不少城市开 始规划并修建了快速路。根据北京城市总体规划，北京市快速路系统由二、三、 四环路和1 7 条放射线及2 条环路联络线组成，然而快速道路的建成并没有从根本 上解决北京市的交通拥堵状况，城市道路的发展远远不能满足机动车的飞速发展 的需要。据统计数据显示：2 0 0 6 年机动车数量为1 9 9 6 年的3 3 9 倍，私人小汽车 则是5 9 倍，后者的年均增长速度达到约2 l 【2 】。虽然近几年，尤其是为了迎接2 0 0 8 年奥运会，北京市政府加快了以轨道交通系统为主路的城市公共交通系统的建设， 但是北京市道路运行状况仍然不容乐观，快速路变得不再“快速”。 从交通拥挤的发生过程看，交通瓶颈是引起快速路系统交通拥堵的直接原因。 所谓交通瓶颈，是指道路上的某一局部( 如快速路的交织段) 由于通行能力不足 或突发事件而导致的车流速度下降、车流密度增加的排队现象【3 】o 而出入口匝道区 域正是城市快速路上的瓶颈之一。目前，国内学者的研究主要着重于控制方法和 策略的改进，通过编程或仿真手段进行验证，很少涉及快速路交通流运行规律的 研究，一些规范往往采用国外的相关指标，不能符合我国道路的实际情况【4 1 。而实 际上，对运行规律的准确把握是合理的控制和管理措施的基础，缺乏对运行规律 的解析容易导致提出的控制和管理策略方法缺乏针对性和实际可操作性【5 1 ，因此本 文将首先通过分析历史数据，对城市快速路出入口匝道区域的交通运行规律进行 研究，之后在此基础上建立交通流模型，并可以为解决以下问题提供依据。 首先，快速路的交通控制是其完善程度的重要标志，主要包括入口匝道控制、 出口匝道控制、主路交通控制。入口匝道控制是目前应用最为广泛，也是最为有 效的控制措施，但是目前我国相当部分的城市快速路入口匝道没有任何控制措施， 或者仅实行简单的开关控制1 5 】。因此本文通过对入口匝道控制进行建模仿真，对于 是否采取入口匝道控制以及何时采取具有一定的意义。 其次，在我国许多城市，快速道路的建设正在展开，城市快速道路特别是快 速环路的建设投资巨大，如果在建设标准和总体设计上失误，将会造成巨大的经 济损失。目前我国对快速路的建设标准还处在探讨之中【4 1 ，因此如果我们能够通过 现有的快速路交通流数据，对快速路的交通流特性进行深入地了解，建立城市快 速路交通流模型，从而得出一些经验教训，对于今后更加科学地设计和建设快速 路将大有裨益。 1 2 研究目标 本文基于历史数据，分析北京三车道快速路的交通流特性，得到快速路交通 流运行的规律，研究交通拥堵的形成，对由于入口匝道引起的最外侧车道拥堵， 进而导致整条快速路拥堵进行实际数据验证；之后基于元胞自动机理论对北京市 三车道快速路建立模型，对入口匝道系统的三种控制方式进行仿真，对仿真结果 进行比较以便于得知何种控制方式较优，还将进一步验证能否对该入口匝道控制 方式进行改进及改进是否合理；最后本文将分析出口匝道系统有无减速车道以及 减速车道长度对于交通系统参数的影响，此外本文还将分析不同情形下减速车道 的合理长度。 1 3 研究对象、内容和方法 在介绍研究内容和方法之前，首先要对研究对象城市快速路有一个初步 的了解。 1 3 1 城市快速路交通特点 城市快速路的功能是为城市中大运量、长距离快速交通服务。为了保证车辆 快速、安全行驶，快速路的对向车行道之问设有分隔带，其进出口之间采用完全 控制或部分控制。另外，城市内快速道路与城市干道网交织在一起，与城市道路 频繁相交，因此尽管以交通功能为主，仍避免不了必要的服务功能，至少要有交 通的集疏功能。为了兼顾这些功能，需要在快速路的两侧修一段平行的道路，作 为车辆进出快速路的跳板。这种道路叫快速路的辅道系统，或称为集散道路( 6 1 。 城市快速路交通特点，直观地来看包括以下几方面：首先，车流量极不均匀， 早晚易形成高峰；其次，车辆类型和车速差异很大，例如：小汽车与大货车；最 后，车流的交织点和冲突点多，城市快速路往往拥有较多的出入口匝道，在这些 地方容易产生拥堵，是城市快速路的瓶颈之一。 1 3 2 北京城市快速路现状 2 、 北京市快速路系统由二、三、四、五环路和1 7 条放射线及两条环路联络线组 成【刀，其中，二环路主要功能是阻截车辆穿越旧城、减少旧城交通压力，基本沿旧 城城廓建设；三、四环位于老城和中心城外围地区之间，是联系中心城居住、商 务、科教、文化等新型功能组团的重要交通集散通道；五环路是公路放射线的起 点，主要是疏导外围过境交通和中心城边缘集团之间的联系通道，也是中心城货 运交通的重要通道；快速环路之间的快速联络线和放射线主要用于平衡各环路的 交通流量和引导中心城的进出城交通【3 】。目前快速道路系统中四条环线已全部建成 通车，由于各种因素的影响，在快速道路系统的建设中，放射线的建设明显滞后 于环路建设【8 1 。下图为北京市目前的快速路路网结构图。 图l - 1 北京快速路路网结构图 f i g1 - 1t h es 仃u c n i r ed i a g r a mo ft h eb e i j i n ge x p r e s s w a yn e t w o r k 1 3 3 研究内容和研究方法 论文一共分为六章，第一章为概述，从研究背景入手，对论文的研究目标， 研究方法做了相应的介绍。 第二章将分别就城市快速路交通流特性、交通系统仿真，元胞自动机理论， 匝道控制等几方面对国内外的研究情况进行综述，为研究的开展提供理论基础。 3 第三章主要是通过对历史实际数据的分析，得到快速路及出入口匝道区域的 车流运行规律，为接下来的建模仿真做准备。 第四章和第五章在m a t l a b 环境下，基于元胞自动机理论，建立模型进行仿真。 m a t l a b 的基本数据单位是矩阵，它具有编程效率高、运算高效、绘图方便等特点， 在科研领域有越来越广泛的前景。此外，由于交通系统的复杂性和数据的庞大性， 一般的离散方法和微分方法都不适宜进行交通计算和仿真，而元胞自动机的规则 简单和快速的计算能力可以在交通仿真中发挥重要作用 9 1 。 第四章是对城市快速路入口匝道区域分别在入口匝道无控制，主路优先和 a l i n e a 控制三种情形下建立了元胞自动机模型，在简要介绍城市快速路入口匝道评 价指标后，比较了这三种情形下的仿真结果；之后针对连续两个入口匝道的情形 建立了元胞自动机模型，并通过对实际数据的观察，指出在这种情形下，a l i n e a 控制方式的缺陷性，最后引入了h m i 指数( h o m o g e n o u sm e a s u r ei n d e x ) ，对a l i n e a 控制方式做了改进，h m i 指数可以判断三条车道的交通流状态变化是否同步，其 计算过程将在下文详述。 第五章对城市快速路出口匝道区域进行了建模，首先考察了在出口匝道有无 减速车道与主路相连这两种情况下不同流量条件下，主路出口匝道区域的换道次 数和车道利用率变化曲线，并与实际数据进行了对比；之后又分别研究了上游有 无入口匝道情况下不同流量条件下减速车道长度的选择；最后研究了对驾驶员进 行诱导能否提高减速车道区域快速路的运行效率。 第六章是结论与展望，总结了论文的缺陷和不足，提出了未来的研究方向。 4 ljliillilill，illlllliij-_ 2 研究综述 本章将对论文中用到的一些理论和方法进行回顾，通过阅读毕设所涉及到的 中外文献，对前人的结论进行了简要的概括，总结了这些理论方法的产生和发展， 描述了它们的现状。 2 1 城市快速路交通流特性研究 2 1 1 交通流特性三要素及相互关系 1 0 】【l l 】【1 2 】 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。通常描述交通流特性有三大要素：流量、 速度和密度。 流量是指单位时间内通过快速路某一断面的车辆数。速度是指车辆行驶路程 与相应时间之比，它是交通管理与控制中的一个重要指标，它对道路规划、道路 设计、车辆运行效率、交通管理与控制等均具有重要意义。密度就是在单位长度 的路段上瞬间存在的车辆数，通常每公里车辆数或每车道每公里车辆数表示。交 通密度是衡量道路交通拥挤程度的指标，根据定义，密度不仅随时间的变化而变 动，也随区问长度而变化，因此测量比较难，但可以通过速度和交通量计算出来。 交通密度的表达式如下： p = q k ( 2 1 ) 式中，p 表示密度( v e h k m ) ，q 表示交通流量( v e h h ) ，v 。表示车辆在路段 内的平均速度( k m h ) 。 需要注意的是，只用一种参数表示交通流的特征是不完善的。例如，当流量 为零时，可能有两种情况，一种是车道上没有车，另外一种是车道上的车辆处于 极度拥堵状态，车流处于停滞状态，因此这种情况下，不能单单用流量来描述交 通流特性，而应该采用交通密度来描述。因此，交通密度、交通流量和车速一样， 都是交通调查中的重要内容。 2 1 2 城市快速路交通流特性研究进展 f r e dl h a l l 1 3 】总结了描述交通流三要素之间关系的模型，并且在文中强调了 实际测量能力对于理论发展的重要性，讨论了不同的测量方式。 a r a s a n ，vt h a m i z h 和k r i s h n a m u r t h y , k 【1 4 】研究了当车流是由不同类型车辆组 成，如一种速度较快，另外一种速度较慢时，流量条件不同对于标准车当量数 p c u ( p a s s e n g e rc a ru n i t ) 的影响，通过微观仿真得到结果，发现流量条件不同时， 对于单独一种车辆类型而言，p c u 是一个变化而非固定的值。 w e ig u a n t s 】从定性角度对交通流特性提出了一个初步建模方法，基于定性状 态和交通参数的定性关系，通过北京三环这一实例阐明了建模过程，特别地采用 小波分析来决定交通参数的界值。 郝嫒，徐天东【l6 】等人利用实时交通检测数据，分析了城市快速路交通流的动 态特性，对比了多车道交通流量，速度，密度的横向分布差异，最后比选了适用 于城市快速路的稳态交通流模型。 钟连德，荣健【1 7 j 等人基于实测数据，比较了交通流量在不同车道分布以及速 度、密度和流量两两之间关系与国外高速公路交通流特性的异同，结论表明我国 城市快速路的交通流特性与国外高速公路交通流特性存在不同之处。 董斌，王殿海【1 8 】以北京快速路实地交通调查得到的数据为基础，得到了流量、 速度、密度随时间的变化曲线，发现速度变化较为明显，之后通过交通流参数累 计曲线确定快速路交通状态转变的确切时刻，通过快速傅早叶变换得出同一交通 状态下交通流参数的确存在波动。 2 2 交通仿真模型 交通系统仿真技术是研究运用现代计算机技术建立一个能够代替现实的交通 系统的计算机模型的过程。该模型能够再现实际交通系统的特性、分析交通系统 在各种设定条件下的可能行为。通过模型仿真试验的结果，以寻找现实交通问题 的最优解、评价运输设施各类设计方案的效果。同时，它还可以为各种交通产品 的设计开发和性能优化提供直接的技术支持，为说服交通管理决策层采纳新的交 通理念提供帮助【l9 1 。 建立交通系统仿真模型需要很多参数，这些参数有赖于大量的观测数据和基 础理论研究【2 0 】。近年来，随着交通流检测设备的增加，得到了越来越多的检测数 据，这就为建立了交通仿真模型提供了条件。 2 2 1 交通仿真模型分类 6 交通仿真模型是交通仿真研究中的一项重要内容，它按照不同的分类标准， 可以得到不同的分类内容，根据交通仿真模型对交通系统描述的细节程度不同， 可以将交通仿真模型分为宏观、中观、微观( 三种) 2 1 l ： ( 1 ) 宏观交通仿真模型 宏观交通仿真模型对交通系统的要素、实体、行为及其相互作用的细节只是 进行非常粗糙的描述，例如可能根本不理会车道变换之类的细节行为，而仅仅通 过流密速等关系来描述交通流的一些集聚性的宏观模型。车辆速度、密度和流量 是宏观模型的重要参数。因为宏观交通仿真模型对计算机资源要求较低，仿真速 度很快，所以在早期宏观交通仿真模型的发展很快，宏观交通仿真模型主要用于 研究交通基础设施的新建与扩建及宏观管理措施等。在目前计算机技术高速发展 的情况下，可以在更大规模的路网范围内进行交通宏观仿真。典型的宏观模型有 l w r 模型、p a y n e 模型和p h i l l i p s 模型等。 ( 2 ) 中观交通仿真模型 相对于宏观模型来说，中观模型对交通系统要素、实体运动和相互作用的细 节描述程度要比宏观模型更高。中观模型采用中等详细级别来表述交通，即不区 分车辆和驾驶员的行为，也不单独描述，而是运用一种更聚合的方式来描述两者， 如概率分布函数。但是行为规则的描述还是建立在独立级别上【2 2 1 ，例如，中观交 通仿真模型对交通流的描述往往以若干辆车构成的队列为单元，能够描述队列在 路段和节点的流入和流出行为，就每辆车而言，却没有细致地描述车辆间的相互 作用，而是将车道变换描述成建立在相关车道的实体基础上的瞬时决策事件。典 型的中观模型有车头距分布模型、车辆团模型、气体动理论模型等。 ( 3 ) 微观交通仿真模型 微观交通仿真模型既融合了宏观和中观模型的某些方面，又非常细致地描述 交通系统中每一时刻、每一辆车的行为及其相互作用关系，因而毫无疑问，它对 交通系统的要素及行为等的细节描述程度是3 种模型中最高的。它的仿真对象是 单个车辆，仿真模型相对简单但真实，它可以用来模拟车辆在不同道路和交通条 件下