（交通运输规划与管理专业论文）北京市主、次干道基本路段速度—流量关系模型研究.pdf

摘要 摘要 随着北京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，北京交通系统的运行环境发生了很大变化。因而，重新系统的 研究北京交通流特性就显得很有必要。城市干道交通流速度一流量关系方面的研 究是交通流特性的基本研究，它是道路通行能力研究的基础，是划分和确定道路 服务水平的必要条件，并且在交通规划、道路建设、交通管理与控制中有着广泛 的应用。因此根据北京城市交通发展情况，对北京市主、次干道交通流速度与流 量之间的关系进行系统的研究具有巨大的理论和实践意义。 本文依托于北京工业大学与北京市城市规划设计研究院的合作研究项目北 京市路网通行能力及其规划参数标定研究。本文通过摄像法对北京市主、次干 道基本路段交通流数据进行采集，利用a u t o s c p o e 2 0 0 4 对拍摄数据进行数据处理 分析。通过研究发现北京市干道路段交通流呈现出间断流的特点，进而确定了主、 次干道基本路段交通流统计间隔。 本文基于经典的速度一流量模型，采用分段建模的方法建立了g r e e n s h i e l d s 速度一流量关系模型；通过对实测数据的分析发现此模型不符合实际的情况，进 而建立了修正g r e e n s h i e l d s 速度一流量关系模型；另外，通过分析拥挤状态和不 拥挤状态的交通流运行机理，建立了g r e e n s h i e l d s - - - l n 分段关系模型和l i n e l n 分段关系模型。根据对四个模型在通行能力值、阻塞状态最小速度值、流量 最大时的速度值和自由流状态最大速度值四个指标下的偏差值的比较分析，最终 的研究结果表明g r e e n s h i e l d s l n 模型能够更好的描述北京市主、次干道基本路 段速度与流量之间的关系。 本文最后也对模型主要影响主、次干道交通流特性的因素进行了分析。讨论 了公交车运行和停靠站的设置对模型的影响；通过实测数据分析和仿真分析的方 法研究了调查地点与交叉口之间的距离对速度一流量曲线模型的影响。 关键词干道；主、次干道；交通流；速度一流量：g r e e n s h i e l d s - - l n 模型 北京t q k 大学下学硕十学位论文 i i a b s t r a c t w i t ht h e r a p i di n c r e a s eo fv e h i c l e s ，t h ei m p r o v e m e n to ft r a n s p o r ts y s t e m c o n s t r u c t i o n ，a sw e l la st h ea p p l i c a t i o no fi t so fb e i j i n g ，t r a f f i cs y s t e mo p e r a t i n g e n v i r o n m e n th a dc h a n g e d s i g n i f i c a n t l y a sar e s u l t ，s y s t e m a t i cs t u d yo ft r a f f i cf l o wi s n e c e s s a r y s t u d yo ns p e e d f l o wr e l a t i o n s h i pi st h eb a s i co ft r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c s i t st h eb a s i ce l e m e n tt od e t e m i n ec a p a c i t yo fr o a d w a y ，a n di st h en e c e s s a r yc o n d i t i o n t om e a s u r el e v e lo fs e r v i c e i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt r a f f i c p l a n n i n g ， r o a dc o n s t r u c t i o n ，t r a f f i cm a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h e r ei se n o r m o u s t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et od oas y s t e m a t i cr e s e a r c ho ns p e e d 。f l o w r e l a t i o n s h i p so ft h eu r b a n a r t r r i a l si nb e i j i n g t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ec o l l a b o r a t i v er e s e a r c hp r o j e c t so fb e i j i n gu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g ya n db e i j i n gu r b a np l a n n i n ga n dd e s i g ni n s t i t u t e t h en a m eo ft h e p r o j e c ti s ”s t u d yo fc a p a c i t ya n dp l a n n i n gp a r a m e t e rc a l i b r a t i o no fb e i j i n g s r o a d i n gn e t w o r k ” u s i n gv i d e oc a m e r am e t h o d ，t r a f f i cd a t ao fm a j o r m i n o rr o a d si sc o l l e c t e da n d p r o c e s s e db ya u t o s c p o e 2 0 0 4 t h et r a f f i cf l o wa tb a s i cs e c t i o n so ft h eu r b a na r t e r i a l h a sd i s c o n t i n u o u sc h a r a e t e r i s t i e s a n dt r a f f i cf l o ws t a t i s t i c si n t e r v a li sd e t e r m i n e d b a s e do nt h ec l a s s i cs p e e d f l o wm o d e la n du s i n gs u b d i v i d e d m o d e l i n gm e t h o d s ， g r e e n s h i e l d ss p e e d f l o wm o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do nt h es u r v yd a t a , i tc a nb e f o u n dt h a tt h i sm o d e ld o e sn o tc o n f o r mt ot h er e a l i t yo ft h es i t u a t i o n s ot h em o d i f i e d g r e e n s h i e l d ss p e e d - f l o wm o d e li se s t a b l i s h e d g r e e n s h i e l d s l nm o d e la n dl n l i n e m o d e la r ee s t a b l i s h e d b ya n a l y z i n gc o n g e s t e da n df r e et r a f f i cf l o wo p e r a t i o n c o n d i t i o n sm e c h a n i s m b a s e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fc a p a c i t y , m i n i m u m s p e e d ，t h es p e e do fm a x m t l mf l o wa n dm a x m u ms p e e d ，g r e e n s h i e l d s - - - l nm o d e li s c o n s i d e r e da st h eb e s to n et od e s c r i b et h es p e e d f l o w r e l a t i o n s h i po ft h eu r b a nr o a d s i nb e i j i n g f i n a l l y ，m a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h em o d e la r ea n a l y z e d t h ei n f l u e n c eo fb u s s t o p si sd i s c u s s e d t h ei m p a c to fs p e e d f l o wm o d e lo ft h ed i s t a n c ef r o mt h e i n t e r s e c t i o ni ss t u d i e db ya n a l y z i n gt h es u r v e yd a t aa n ds i m u l a t i o nd a t a k e yw o r d su r b a nr o a d s ；m a j o r m i n o rr o a d s ；t r a f f i cf l o w ；s p e e d f l o w ；g r e e n s h i e l d s l n m o d e l 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：盂丛一e tg q ：脚，叫 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： 一导师签名： 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 交通是社会经济活动的纽带和动脉，是社会繁荣发展的基本条件。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【1 】【2 】【3 】【4 】【5 1 。 目前，北京的交通问题越来越严重【酬，交通拥挤和交通安全问题也越来越突 出，并且受到群众和政府部门的极大重视。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， 对于北京的城市规划工作，交通组织工作具有非常关键的指导作用。由于北京市 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 于北京城市道路的规划、设计和运营分析。 另外我们也可以看到，随着经济的迅猛发展，北京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日趋清晰，再加上大容量 快速公共交通等新的交通形式的引入，使交通系统越来越丰富，同时，其系统的 特性也变得越来越复杂。因此，重新认识交通系统特性的议题变得越来越重要。 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。 由于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、智能交通控制等新技术的应用，使北京交通系统的运行环境也发生了 变化。因而，重新研究北京交通流特性就显得很有必要。 速度一流量关系模型方面的研究是道路交通流特性研究中的重点，速度一流 量模型在路网分析中非常重要，它是预测路段平均车速、路段平均出行时间的基 本模型，是划分和确定道路服务水平的必要条件，是道路通行能力研究的基础， 是进行网络交通分配、网络交通质量评价、网络经济评价的基础；在道路网络交 通规划、道路工程建设项目可行性研究、道路建设项目后评价、道路交通管理与 交通控制中应用广泛。 主、次干道的交通流受到交叉口信号的影响，呈现出一种间断流的交通流形 北京t 业大学t 学硕十学位论文 i 一 _ 一! i i 竺! 皇! 曼曼 式，这与高速公路连续流的交通特点有很大的不同，另外，主、次干道的交通流 还受到行人、自行车、出入口以及公交车辆等多种因素的影响。以往速度一流量 关系的研究主要针对城市快速路、高速公路，对城市主、次干道的研究很少。所 以，建立一套适合北京城市交通特点的主、次干道基本路段交通流关系模型调查、 分析与建模方法，是城市道路规划能否适应城市发展的一个亟待解决的问题。 本文在经典交通流速度一流量模型( g r e e n s h i e l d s 抛物线模型) 基础上，通 过总结与借鉴国内外研究成果，分析影响主、次干道交通流状态的因素，研究主、 次于道基本路段速度一流量数据交通调查原理和方法，对北京市主、次干道进行 调查，并对符合条件的路段进行数据采集：结合主、次干道道路交通流特殊性， 制定与以往不同的数据处理与分析方法；在回归分析的基础上标定参数，建立不 同道路类型和交通流状态下北京市主、次干道速度一流量关系模型，提出推荐通 行能力值；同时，分析各种不同的道路条件、交通条件对模型参数的影响，进一 步对模型和参数进行分析。本文的目标是提出北京市主、次干道基本路段速度一 流量关系模型的调查、分析、建模方法以及研究各种交通参数对模型的影响，为 规划部门进行公路和城市道路的交通规划、交通控制与管理、设计以及工程可行 性研究提供理论依据。 1 ，2 国内外研究现状 1 2 。1 国外研究现状 交通流理论是研究交通流随时间和空间变化规律的模型和方法体系，多年来 被广泛应用于交通运输工程的许多领域。在交通流理论发展的早期阶段，格林希 尔治用概率论和数理统计的方法建立模型，用来描述交通量和速度的关系。1 9 3 3 年，格林希尔治【7 】【8 1 1 9 1 1 1 0 1 根据观测数据的分析结果，提出了y k 线性关系模型 v = a 一玩，并推导出了如下关系式： v = 【1 一k k ，) ( 1 1 ) q = k j 杪一矿2 0 ) ( 1 2 ) q = v ，( k - k 2 巧) ( 1 3 ) 其中，经典的速度一流量关系模型是g r e e n s h i e l d s 的抛物线模型，如图1 - 1 ， 它是由线性的速度一密度关系推导得出的，它在v ，2 处有最大流量q 懈 2 第1 章绪论 v w 2 o q m 缸 q 图卜1g r e e n s h i e l d s 速度一流量关系 f i g u r e l 1g r e e n s h i e l d ss p e e d - f l o wr e l a t i o n s h i p 2 0 0 0 年版的h i g h w a yc a p a c i t ym a l l u a l ( h c m ) 就采用了此曲纠1 1 】【1 2 】，其表达 式为： q = k - ，妒一v 2 ) ( 1 - 4 ) 其中k 一车流密度； y 行车速度； q 一交通流量； k i 一阻塞密度，车流密集到车辆无法移动时的密度； ， y ，一畅行车速，车流密度趋于零，车辆畅行无阻时的空间平均车速。 从目前的研究来看，g r e e n s h i e l d s 速度流量的抛物线模型存在着一些问 题。首先，该模型并非利用高速公路的数据来进行研究的，然而，后来的不少学 者却直接将其应用于高速公路的研究中：其次，该模型将观测的数据组相互重叠 和分类，经研究证明，这是不合理的；第三，该模型所做的交通调查是在假期进 行的，不具有代表性。尽管如此，该模型还是具有开创意义的。它提出的速度一 流量抛物线关系基本上反映了这两个参数之间的变化关系，多年来一直被广泛的 应用。美国公路局采用的模型( 见图1 2 ) 是w a l k e rwp f 9 】等人提出的，他们 假设流量在到达最大流量之前，流量和速度之间为直线关系，在最大流量与坐标 原点之间则为曲线段。而英国道路研究实验室提出的模型( 见图1 3 ) 是在流量 的相当范围内取速度作为常数，最后随着流量增加，速度变成线性下降。h b j a m e s 、f l h a l l 和h c c h i n 9 对速度流量关系研究时得出：在相当大的 流量范围内，速度的变化比较小，这种趋向会持续到通行能力的1 2 2 3 处；当 流率达到通行能力时，临界速度大于1 1 2 的自由流速度；最大流率可以达到 2 2 0 0v e h m a n e 以上。同时，其他一些研究也得到了与此相近的结果。1 9 9 4 年 版h c m 总结了近几年国外诸多研究成果，得出的高速公路的速度流量曲 北京工q k 大学丁学硕j 二学位论文 线，如图1 - 4 所示。德引州进行的经验性研究( 见图1 5 ) 也支持图1 4 中的曲 线形式，并且研究发现，曲线的上部是分段的多边形，而不是连续的曲线。英国 新近得出的流量速度曲线也与此相类似，不过英国学者分析了不同车道数下 的曲线，三车道要比双车道的曲线位置靠上一些，也就是说，相同的交通流量下， 三车道上的车辆的平均车速要比双车道上的车辆的平均车速高一些2 0 世纪8 0 年 代以后，许多文献将注意力集中到对交通流到达或者接近通行能力时交通流状况 的研究。h o u n s e l l i9 】1 1 3 】认为，自由流速度几乎可以保持到当流量接近通行能力时； h a l l l 9 9 2 年指出，对应于高速公路的不同区段，速度一流量曲线应分为3 部分： 第一段为非饱和状态，第二段为排队状态，第三段为过饱和状态( 见图1 - 6 ) 。 v o 图卜2 美国公路局速度一流量模型图 f i g u r ei - 2s p e e d - f l o wm o d e lo ft h et r a f f i c b u r e a ui nt h eu s a 董 i 重 量 曼 墨 图卜4 美国道路通行能力手册中采用的 速度一流量曲线 f i g u r e1 - 4s p e e d f l o wm o d e lo fh c m m a n u a l i n t h eu s a 4 图卜3 英国道路研究室实验室速度一流量模 型图 f i g u r el 3s p e e d f l o wm o d e l o fb r i t i s hr o a d r e s e a r c hl a b o r a t o r y u o 图1 - 5 德国研究得出的流量速度曲线 f i g u r e1 - 5s p e e d f l o wm o d e ld e d u c e db y g e r m a n y lo口。由|da墨v 第1 章绪论 = mm l i i 一l mi n i 曼曼曼! ! ! 曼曼 v f o q 瑚x 图卜6h a l l l 9 9 2 速度一流量关系图 f i g u r e1 - 6s p e e d - f l o wm o d e li nh a l l 19 9 2 1 2 2 国内研究现状 郭继孚等人对北京市二环、三环快速路进行了调查与分析，从结果中可以 看出，北京市快速路的交通流特性与国外高速公路存在较大差异，国外高速公路 的速度一流量曲线在流量较低时，曲线平坦，速度随流量的增加变化不大：而北 京的城市快速路的速度一流量曲线更符合g r e e n s h i e l d s 提出的二次曲线关系( 如 图1 7 所示) ，车流速度随流量增加迅速降低，并不像高速公路那样可以保持在 较高的水平。 图卜7 北京市西三环速度一流量关系 f i g u r e1 7t h es p e e d - f l o wr e l a t i o n s h i po f t h r e er i n gr o a di nb e i j i n g 北京工业大学的马国旗【1 9 j 根据交通流行驶自由度的不同，把交通流状态划分 为三种状态，即畅行流状态、稳定流状态和强制流状态( 不稳定状态) 。他认为， 当道路上的车辆很少时，车辆间不存在着干扰，驾驶员可以自由地以他所期望的 畅行车速行驶；当车辆增多时，驾驶员驾驶速度要受到前面车辆的制约，但车辆 尚能以稳定的速度行驶；道路上的车辆增多到接近通行能力时，车辆行驶的稳定 性也到达了_ 个边缘；随着车流增多车辆的干扰会使交通流状态就处于不稳定状 态。通过对于各密度范围的速度一流量关系的分析，得出了分段速度一流量关系 模型，如图1 8 所示。 北京工业大学1 二学硕一卜学位论文 曼曼蔓! 曼皇曼! 皇! 曼皇曼! 舅! ! 曼! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼! 鼍皇i ；i | ! ! ! 曼! 曼曼曼曼鼍! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼皇 啪 翻 枷 2 琶 苎 嫠 馏 盈 o j 。；? ：_ 一：! - ，! 它j ：”二；一 。s ， 粥”：o ? 厂“_ 2 蔓 v 嫠 嗣 q日q_q 诡辕( 酬h )漉凝( 叫h j ( a )( b ) 图卜8 快速路速度一流量关系分段图 f i g u r e1 - 8s u b p a r a g r a p hs p e e d - f l o wr e l a t i o n s h i po ft h eh i g h w a yi nb e i j i n g 北京工业大学的诸葛敬敏1 2 0 对北京市西三环航天桥路段交通数据进行了采 集，通过车辆折算等数据的处理与分析过程，建立快速路交通流关系模型，如图 1 - 9 所示，并对通行能力进行了估计。 灏文“ 秽孽翟鞠卿嘲鞫呶 了一“ 0 翻4 0 0 o8 0 0 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 藏量( 辆h 】 图卜9 北京市快速路速度一流量关系模型 f i g u r e1 - 9s p e e d f l o wr e l a t i o n s h i po f t h eh i g h w a yi nb e i j i n g 东南大学的陈盛2 1 1 通过对城市道路交通流数据采集，处理与分析，建立了反 s 曲线形式的交通流模型如图1 1 0 所示；确定了模型的影响因素，对模型的稳 定性进行了分析；并对模型的误差进行了分析。 嚣毫量( p c 讲- n ，h 图1 - 1 0 城市道路速度一流量反s 曲线模型 f i g u r el - 10s - c u r v es p e e d - f l o wm o d e li nu r b a n r o a d s 6 阳 阻 佃 皇喾姆锻 第1 苹绪论 ili i i i ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼鼍曼! 皇! 曼! 曼! 曼曼! ! 曼 北京工业大学的邵长桥【2 2 】主要研究了快速路交通速度一流量关系。在分析了 车流运行状态的基础上，结合速度一流量曲线和幂指函数的特点，对传统的幂指 函数作了修改，得到了新的速度一流量曲线模型。采用秩相关分析方法给出了自 由流速度估计值。实测数据分析结果表明，速度一流量模型拟合的结果较好，见 图卜1 1 。 y ：v o e x p ( _ 6 0 ，( g 。吼) 口) g ( 1 5 ) 【圪 g q o i 咐嚼哥冉曲l 伪nl ? 痧1 4 堋帕f 躲舻舶n 攘爨t 蟒，n ( a ) | | f 】 ，0 * ， 一棚 f 能 _ 抑 i 麓麓，i 辑- h ( b ) 图i - i i 快速路速度一流量曲线 f i g u r e1 - 11s p e e d - f l o wm o d e lo fh i g h w a y 长沙理工大学的张亚平团1 从数理统计学原理出发，以交通流实测数据统计分 析为主，辅以国内外有关研究成果，划分自由流、稳定流和拥挤流，建立符合中国公 路交通实际工况下的高速公路速度一流量模型，示意图见图1 1 2 。 1 2 0 1 0 0 ? 8 0 耋： o 、三耋囊| | 灞赛鬻 ：一- 一，争 , 1 1 篙a * o 。- 冀高端鲍o 1 7 3 6 泷1 漉】 o，10 0 01 ，z 0 0 02姗03 0 0l0 0 0l5 0 02 0 0 0 魄哥辆r 漉豇辆矿 ( a )( b ) 图1 - 1 2 广佛高速速度流量散点拟合图 f i g u r e1 12s p e e d - f l o wm o d e lo fg u a n g - f oh i g h w a y 1 2 3 研究现状小结 传统经典的速度一流量关系模型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【2 7 1 。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 7 0 11i口逞型锻 北京工业大学工学硕二 ：学位论文 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、次 干道这种间断流的研究较少。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。此外，城市道路还会受对向车、路边停车、车辆换道、行人 过街等因素的影响，与公路上的交通流特征存在明显差别。因此，对城市主、次干 道的速度一流量特性研究是很具有实际意义的。 1 3 研究目标与研究内容 1 - 3 1 研究目标 本研究的主要目标是在经典交通流速度一流量模型( g r e e n s h i e l d s 抛物线模 型) 基础上，通过借鉴国内外交通流方面相关的研究成果，结合北京城市主、次 干道道路交通实际情况；通过实施交通预调查和数据采集获得有效样本；研究主、 次干道间断流这种特殊的交通流状况下的交通流特点，建立速度一流量关系模 型，分析各种影响因素，进行参数标定。并为规划部门进行公路和城市道路的交 通规划、交通控制与管理、设计以及工程可行性研究提供理论依据。 1 3 2 研究内容 本文研究的主要内容有以下几个方面： 1 ) 交通调查方案的制定和实施 交通流调查数据( 速度、流量等) 是十分重要的，因此，交通调查方案的制 定和实施是本论文的关键。主、次干道交通流由于受到交叉口信号控制的影 响，表现出一种间断流的形式，这种交通流也受到行人、进出口匝道以及公 交车辆等多种因素的影响。本文将主要研究为获得这种间断流状况下的速度 一流量数据而进行的交通调查的原理和方法，包括调查时间、地点、方法、 道路类型、出入口间距、样本量、数据结构、精度要求、统计间隔研究等。 2 ) 研究符合主、次干道交通流特性的数据处理分析方法 传统的数据处理方法是以5 m i n 、1 5 m i n 为一个统计间隔对数据进行处理，一 般情况认为，较大的统计间隔将有利于缩小数据的离散性。主、次干道交通 流由于受到交叉口信号控制的影响，表现出一种间断流的形式，这就需要一 种新的统计方法。本文将采用先进的数据处理仪器a u t o s c o p e ，以2 0 s 、l m i n 、 2 m i n 、3 m i n 、4 m i n 和5 m i n 为基本统计间隔对数据进行处理，然后通过分析 不同统计间隔下交通数据，研究主、次干道合理的统计间隔。 8 第1 罩绪论 鼍! ! ! 曼! 曼曼曼苎! ! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼! ! ! 曼! 皇曼曼! ! 皇曼鼍曼曼! ! 鼍| 1 i 一一i i ：i 一| 1 1 基 3 ) 速度一流量模型分析研究 利用实测数据，通过一定的处理、分析和回归，得出不同城市道路类型下主、 次干道速度一流量关系曲线，建立模型，确立参数以及标定各个参数。 4 ) 交通流状况对模型参数的影响研究 分析各种影响因素对模型参数的影响，例如交叉口信号、交叉口间隔、进出 口、公交车停靠、公交专用道对道路交通状况的影响等。 1 4 研究思路、技术路线或研究方法 1 4 1 研究思路 本研究的思路为总结和借鉴以往的研究思路和方法，从中吸取成功的经验； 结合主、次干道道路交通流特性，研究针对这种间断流状况的数据采集、处理、 分析及建模的方法。 1 4 2 技术路线 研究查阅国内外有关交通流理论的资料，学习其成功的经验，确定本文实践 为主、数据分析和理论分析并重的研究思路。针对主、次干道基本路段交通流为 间断流的这种交通流特性，确定具体调查方案，进行预调查和正式调查，在研究 中不断改进实验方法，以获得最好的效果。综合运用交通和统计学知识，分析实 测交通流特点，确定合理的交通流数据统计间隔，进而提出北京市主、次干道基 本路段速度一流量关系模型的形式并标定相关参数。分析各种道路及交通因素对 模型产生的影响，对模型形式和参数进行检验与修正。( 见图1 1 3 ) 文 献 参 考 确 定 调 查 方 案 路 段 视 频 数 据 采 集 利用 a u t o s c o p e 进行数据转 换 上 雷达 枪测 速 建 业 模 型 图1 - 1 3 论文的研究技术路线 f i g u r e1 1 3t e c h n i c a lr o u t eo f t h er e s e a r c h 9 通 行 能 力 推 荐 值 影 响 因 素 分 析 北京t 业大学丁学硕：l 学位论文 要苎窟曼曼! 鼍曼曼! 曼曼i 一一一= 一一= 一一一= 一! i 曼蔓鼍! 曼 1 4 3 研究方法 城市道路交通流模型研究设计到数学模型、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，本研究采用系统的分析方法，兼顾到一般 与特殊，理论与实践两个方面，既进行基础理论模型的研究，结合模型对数据进 行微观分析研究工作；同时，又深入到具体实践中，利用数据对模型进行检验和 修正。在理论研究方面，借鉴国内外有关科研成果的合理和科学成分，分析国内 城市道路交通流的具体特征，进行必要的抽象、推理和归纳，建立合理的模型。 1 5 论文的主要内容 第一章介绍了课题的研究背景、研究现状、研究目标、内容及思路。 第二章对交通调查所涉及到的问题进行分析，确定了调查方案与数据采集方 法，进行预调查并且采集到交通数据，通过分析交叉口及信号对主、次干道交通 流的影响，确定合理的统计间隔。 第三章建立了不同理论支持下的交通流模型，通过对模型各种评价指标的对 比，确定模型适合的样式。 第四章对模型的影响因素进行了分析。 第五章给出本文的研究成果以及对后续研究提出建议。 1 0 第2 章交通调查与数据采集 i i iii i_ i i 鼍寰曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼 第2 章交通调查与数据采集 本文的研究中，数据的采集是必不可少的一部分，过去对城市主、次干道这 种间断流的研究很少，所以本次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交通流数据，为分析速度一流量之间的关系，建立模 型奠定了基础。 2 1交通调查 2 1 1 交通调查概述 交通调查【3 l 】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。 交通调查只能在有限的地点和有限的时间内，客观的探求与具体对策有关的 那部分最必需的资料。因此，在作交通调查计划时，明确想了解交通现象中的哪 一部分情况就显得十分重要。对于在记录交通现象时，确定交通流参数的单位及 精度，选择评价对策适当方法等也成为重要的问题。 速度与流量之间关系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。 2 1 1 1 流量调查 交通量是指在单位时间内，通过道路某一地点、某一断面或某一车道的交通 实体数，又称为交通流量或流量。它是交通流三大基本交通参数之一，是描述交 通流特性的最重要的参数之一。 交通量统计是公路发展必不可少的基本依据，也是交通工程学的一个组成部 分。交通量调查工作是在一定时间内，对通过公路某一断面各种类型车量、数量 的观测记录工作；而观测记录之后的大量数据必须进行统计分析，以揭示社会经 济现象的本质和规律性。 通过交通观测，搜集交通资料，了解交通量在空间、时间上的分布规律，将 为交通规划、建设、交通控制与管理、工程经济与分析等提供必要的数据。研究 北京i , i k 大学t 学硕上学位论文 交通基本参数如交通量、车速和密度之间的关系，对于推算通行能力以及定义服 务水平，开展交通流理论的分析也是十分重要的。 2 1 1 2 车速调查 行车速度是车辆运营效率的一项重要评价指标，又是道路规划设计中的一项 重要控制指标，对于运输经济、安全、迅速的发展具有重要意义。了解和掌握每 条道路上的行车速度及其变化规律是正确进行道路网规划、设计、运营、管理的 基础。行车速度与交通量一样，是一个随机变量。由于道路设计、交通规划、交 通控制与管理、交通设计及道路质量评价，均以车速作为最基本的资料，因此车 速调查成为道路交通工程中最重要的调查项目之一。 车速调查的方法可分为人工量测法和自动量测法【3 2 1 。人工量测法是选择测速 地点，量取一定距离，然后用秒表测定车辆行使于该距离内所需时间，从而计算 得到的车速；自动量测法往往是同时测得距离和时间，通过仪器内部计算，得到 该路段的车速。随着调查目的的不同，测速方法也各不相同，具体方法应看场合 而定。 2 1 2 交通调查方案 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，无 需浪费时间和重复工作。交通流调查数据( 速度、流量等) 数据是十分重要的， 是后续理论模型建立的基础，因此交通调查方案的制定和实施是本论文的关键。 主、次干道交通流由于受到交叉口信号控制的影响，表现出一种间断流的形式， 这种交通流也受到行人、进出口匝道以及公交车辆等多种因素的影响。本文将主 要研究为获得这种间断流状况下的速度一流量数据而进行的交通调查的原理和 方法，包括调查时间、地点、道路类型、道路环境、样本量、统计间隔研究等。 2 1 2 1 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、 车辆转向设置等。 3 ) 交通流的基本状况：车流速度、流量及变化。 2 1 2 2 调查步骤 主、次干道基本路段交通调查过程是一个复杂的过程。由于以前对这方面的 研究比较少，没有适合的相关经验可借鉴，因此本研究先选取了调查地点，然后 1 2 第2 章交通调查与数据采集 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。具体调查步骤如下： 1 ) 选取调查地点：在翻阅各种资料之后，根据调查目的、对象等确定初选调查 地点，然后进行踏点调查，确定最终数据采集地点。 2 ) 确定需要调查的数据：从课题本身出发，确定在调查地点需要获得的数据， 同时，制定出数据记录表格。 3 ) 准备所用仪器：了解并掌握各仪器的使用方法和特性。 一 4 ) 安排行程：由于调查地点较多，需要分几天完成，提前安排好行程、时间和 使用的交通工具，提高调查效率。 5 ) 仪器布设：摄像机架在主、次干道道路上面天桥上，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。 6 ) 现场观测：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。 7 ) 调查结束之后，整理并清算仪器设备。 8 ) 回放录像，观察画面，为下一步数据处理做准备。 2 1 2 3 设备要求 图2 - 1 交通调查步骤示意图 f i g u r e2 - 1 t h es t e p st r a f f i cs u r v e y 不同的调查设备由不同的工作原理、基本功能和使用条件【蚓【3 5 】【3 6 1 。一般来 说，交通数据采集设备必须有高效、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 北京工业大学工学硕上学位论文 检查并重新得出结果。本研究结合自身的研究条件，选取两种仪器 m e t r o c o u n t 5 6 0 0 和a u t o s c o p e 2 0 0 4 进行分析。 m e t r o c o u n t 5 6 0 0 将两根橡胶管横向设置在道路上，当车辆通过时，管中气压 将随之变化，传感器将检测到的信号传递给交通量检测器，从而记录下车辆驶过 的时间信息，算出车辆的速度轴距。这种仪器能够根据不同类型车辆的轴距和车 轴数分布规律辨别车型和流向，并且通过记录车辆车轴经过传感器的时刻来后期 自动计算行驶速度、轴距、车头时距、轴数等；可以后期处理分方向、分车型的 流量、密度等。 a u t o s c o p e 2 0 0 4 3 9 1 1 4 0 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。 通过以上两种仪器的分析可以看出，m e t r o c o u n t 5 6 0 0 是将气压信号转换成 交通数据进行记录，a u t o s c o p e 2 0 0 4 则是将视频信号转换成交通数据进行统计。 m e t r o c o u n t 5 6 0 0 需要将橡胶管铺设在道路上，这需要保证铺设过程中的人身安 全，另外仪器的铺设需要与相关部门的合作才能够实现。a u t o s c o p e 2 0 0 4 的使用 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 处理就可以了，并且这种方法能够保证人员的安全，易于数据的保存。综合以上 分析，本研究最后选择了a u t o s c o p e 2 0 0 4 为交通数据采集和分析的主要设备。其 他调查设备有摄像机、磁带、三角架、照相机、雷达枪、激光测距仪等。 2 1 2 4 注意事项 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。 2 1 2 5 调查时间 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。 1 4 第2 章交通调查与数据采集 本次调查从2 0