城市快速路交通流特性分析.pdf

第 3 8 卷 第 6期 2 0 1 3年 1 2月 公 路 工 程 Hig h wa y En g in e e r in g Vo 1 3 8 No 6 城市快速路交通流特性分析 李悦 陆化普 蔚欣欣 1 清华大学 交通研究所 北京 1 0 0 0 8 4 2 交 通运输部规划研究院 北京1 0 0 0 2 8 摘要 城市快速路是城市道路网的主骨架 对交 通状态进行状态划分及稳定性分析 结合城市快 速路交通 信息采集系统的交通流检测数据 对速度一 流量关系模型进行分析 建立了城市快速路快速交通流流量 速度 占有 率关系模型 并进行交通 流基本 参数 时变特性 和空间特性 分析 首先 利用基 本图理论 对 3种城市快 速路交 通流 状 态进行稳 定性分析 随后 结合北京市典型路段实测 数据散点图 对各种速度 一 流量关 系模 型的适 用范围和适 用 程度进行对 比分析 从而得 出 G r e e n s h i e ld s 模型的拟合效果 最好 最后 分析交 通状态转 换过 程中 的交 通流参数 时 变特性 和空 间特性 对实际交通疏导有指导意义 关键词 城市交通 城市快速路 交通状态判 别 交通流特性 交通波理论 中图分 类号 u 4 9 1 1 2 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 4 0 6 1 0 2 0 1 3 0 6 0 0 8 7 0 5 Re s e a r c h o n Tr a ffi c Flo w Ch a r a c t e r is t ic s o f Ur b a n Ex pr e s s wa y LI Yue LU Huapu YU Xin xin 1 T s in g h u a u n iv e r s it y B e i j in g 1 0 0 0 8 4 C h in a 2 T r a n s p o r t P la n n in g a n d R e s e a r c h I n s t it u t e B e i j in g 1 0 0 0 2 8 C h in a Ab s t r a c t U r b a n E x p r e s s w a y i s t h e s k e l e t o n o f c it y r o a d n e t w o r k T h i s p a p e r u t iliz e s t r a f fic flo w d a t a t h r o u g h u r b a n e x p r e s s wa y t r a ffi c in f o r ma t io n s y s t e m a nd a n a ly z e s t h e d y n a mi c f e a t u r e s o v e r u r b a n e x pr e s s wa y t r a ffi c fl o w Th e p a p e r e s t a b lis he s t h e c o r r e la t io n mo d e l a mo n g t r a ffic f lo w r a t e s p e e d a n d o c c u p a t i o n in u r b a n e x p r e s s wa y a n d a na ly z e s t i me v a r y i n g c h a r a c t e r i s t ic s o n f u n d a me n t a l p a r a me t e r s Th e r e s e a r c h wil l p r o v i de s c ie n t ifi c a c c o r d a n c e a n d d a t a s u p p o r t f o r f u r t he r u r ba n e x p r e s s wa y pl a n o r g a n iz e a n d e v a lu a t io n Ke y w o r d s U r b a n t r a ff ic U r b a n e x p r e s s w a y T r a ffi c s t a t u s i d e n t if ic a t i o n t r a f f ic flo w f e a t u r e s t r a f f i c wa v e t h e o r y 0 引言 在交通流合理分配 中 流密速 3参数之间关 系 的建立有非常重要 的作用 它是预测路段平均车 速 路段平均出行时间的基本模型 同时是划分和确 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 对流量 速度 密度关 系的研究起始 于 1 9 3 5年 G r e e n s h ie ld s 的研究 此后 针对交 通流三参 数关 系的研究相继 出现了 G r e e n b e r g 1 9 5 9 速度 一密 度关系对数模型 U n d e r w o o d 1 9 6 1 速度一密度关 系指 数 模 型 E d ie 1 9 6 1 分 段 指 数 模 型 D r e w 1 9 6 5 模型 曲线族 P ip e 1 9 6 7 模 型曲线族 等 等 1 9 9 2年 Ha ll 对此进行了全面的综述 并指 出 速度 一 流量 关 系曲线 的一 般形 式 美 国 H C M1 9 6 5版 1 9 8 5版 1 9 9 4修订版 2 0 0 0 版也分 别对 速 度 一流量 关 系 曲线 进行 了大量 研 究 但是 国外进行 的交通流模型的研究主要是针 对高速公路而言 而针对城市快速路开展的研究 尤 其在我 国实际道路条件下开展的交通流三参数研究 还较少 本文试图通过对北京市城市交通流实 测数据进行分析研究 建立符合中国交通条件和交 通特性的快速路流密速关系模型 收稿 日期 2 O l3 0 3 0 7 基金项 目 国家高技术研究 发展计划 8 6 3 j 1 划 2 0 0 7 AA I 1 Z 2 0 2和 2 0 0 7 A AllZ 2 3 3 中国博士后科 学基金 资助 2 0 1 2 M 5 1 0 4 5 5 作者简介 李悦 1 6 8 6 一 女 山东人 博士生 主要研究方向交通流理论 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 8 8 公路工程 3 8卷 1 数 据 来 源 要 言 呈 墨 在道路交通 流特征研究 中 我们选取城市快速 交叉 H 除交织 区外 研究对象 区域快速路主线为 路典型路段进行研究 本论文选取北京市北 四环万 4车道 见图 1 数据来源为北京市交通管理局在 泉河桥和健翔桥之间从东 向西的路段作为研究对象 北京市快速路 二环 三环 四环 五环和放射线 埋 区域 该快速路路段长约 5 8 k m 含一个立交连接 设的感应线圈 万泉河桥立交 万泉河快速路 J L I l I I 2交通流基本图 街 大 街 几 几几厂 砉 厂 l 喜 鑫 街 二 二 二 二 二 二 二二 二 群 二 二 二 二 健 翔 桥 立 交 一一 三 二 一 一 斡 一 一 一 嚣 霹 蒿 鑫 一 I 一 一 丁 了一 丁 一 人口匝道 出口匝道 1 1 r 一 l 茎 I厂 厂 i厂一 I 矗I 路 图 1 万泉河立 交道 路特征示意图 F i g u r e l C h a r a c t e r i s t ic o f t h e Wa n Q u a n h e g r a d e s e p a r a t io n 2 1 交通状 态划分 城市快速路交通 流运行状 态表征为连续流特 性 连续流是指没有外部固定因素 如交通信 号 影响的不间断交通流 交通流特性可用交通流状态 描述 交通 流 在 不 同状 态 下 呈 现 出不 同 的特 征 城 市快速路交通流流量一 速度一占有率关系如图 2所 示 其中图 2 a 为流量一占有率关 系图 图 2 b 为 速度一占有率关系图 图 2 C 为流量一 速度关系图 基于交通流运行特性 结合基本图理论 按照交 通流时空模式的不 同 可将城市快速路交通流状态 9 0 8 0 7 0 6 O 5 0 4 0 3 0 2 O lO 图 2交通流基本参数关系图 F ig u r e 2 R e l a t i o n s h ip o f f u n d a m e n t a l p a r a m e t e r s i n t r a f f i c f l0 w 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6期 李 悦 等 城市快速路交通流特性分析 8 9 划分为 自由流状态 拥挤流状态和阻塞流状态 见图 3 交通流在不 同状 态下 其稳定性是不 同的 图 4 显示了在不 同状态下速度 的稳定性 3种状态下 的 交通流特点如下 自由流状态 低 占有率 高速度 行驶车辆基 本不受或者很少受到其 他车辆 的干扰 是一种稳定 的状态 不会发生速度迁跃 拥挤流状态 交通流稳定性随着 占有率的增 加先降低后增加 表现为车道减速度 的同步性逐渐 降低和速度迁跃概率逐渐升高 最终导致车道间速 度差一件小 也就是形成阻塞流状态的过 程 此时 交通流处于亚稳定状态 交通 流率和 占有率之间不 存在明显的函数关系 阻塞流状态 此时交通流速度很低 各 车道 速度趋于一致 交通流率产生较大幅度下降 在该状 态下的交通流出现了或长或短的停顿现象 阻塞流 状态下 交通流率大幅下降 占有率急剧增加 但是 交通流率和 占有率之间存在较为明显的函数关系 9 O 8 0 7 0 6 0 50 40 3 0 2 O 1 O 图 3交通 状态划分 F igu r e 3 Tr a f f ic s t a t u s p a r t it ion 图 4速度一 流量折 线图 Fig u r e 4 Po l y g r a m o f s p e e d fl ow 2 2交通流模 型 对于流量一 速度一占有率关系的研究 已经有 7 0 多 a的历 史 了 期 间 出现 了很 多模 型 如表 1 所 示 一 般认为 速度一占有率 的关 系是研 究交通流 流密速关系的基础 因为从驾驶员角度考虑 直接感 知到的路况信息是速度和 占有率 的信息 他们会通 过这一信息来调整行驶状 态 从而直接影响到交通 流状态 车速和 占有率之间存在着 很强 的反 比关 系 因为速度越高时 驾驶员为 了确保安 全性 就会 有 拉 大车辆 问距 的倾 向 因此平 均 速度越 大 占有 率 越小 表 1 流量 一 速度 一 占有 率模 型综述 Ta b l e l Re v ie ws o f flo w s p e e d de n s it y Re l a t io n s h ip 建模方法 模型名称 适用道路类型 统 计 分 析萋 塞 胀 Gr e e n s h i e l d s 抛物线模型 高速公路 豪 麓 D r e w模型曲线族 高速公路 P i p e 模 型曲线族 高速公路 模 型 推 导 萋 型 推 导 薹 薯 基 于 仿 真 誓 型 模 拟 注 密度大的路段 密度小的路段 对于 K 关系的研究 出现了很多不同的模 l 型 分别选取 G r e e n s h i e l d s G r e e n b e r g U n d e r w o o d和 E d ie 提 出的速度一占有率关 系模型 加之流密速的 基本 关 系式 Q K V 得 到 了基 于 G r e e n s h ie l d s G r e e n b e r g U n d e rwo o d和 E d i e模型 的流量 一速度关 系模型 Gr e e n s h ie l d s q 一 t v s 6 0 一 8 5 Gr e e n b e r g U m In k k 4 7 1 n 1 O 0 k Und e rw o o d k k u e m 1 1 0 e 4 7 Ed ie 七 七 k m 时 V V e k m 1 1 0 e 4 7 k m时 V V m I n k J k 4 7 1 n 1 0 0 k 基于以上拟合结果 可 以绘制速度 一流量关 系 曲线 结合北京市典型路段实测数据散点图 可以更 为直观的对各种模型的适用范围和使用程度进行对 比分析 如图 5和表 2所示 图 5速度 一 流量关 系曲线拟合 Fig ur e 5 Fit t in g c u r v e o f s p e e d flo w r e l a t io ns h ip 加 如 加 如 加 m 0 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 9 0 公路工程 3 8卷 由图 5和表 2可知 G r e e n s h i e l d s 模型的拟合效 果最好 在此基础上 建立流量一占有率和速度一占有率 关系模型 见图 6 图 8 20 0 0 l 8 0 0 l 6 0 0 l 4 0 0 l 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 400 2 0 0 0 图 6 快速路流量一占有率关 系图 Fig ur e 6 Fit t in g cu r v e o f s pe e d o ccup a n cy r e l a t io n s h ip 图 7 快速路速度一占有率关系图 Fig u r e 7 Fit t in g cu r v e o f s p e e d o ccu pa ncy r el a t io n s hip 图 8快速路速度一 流量关 系图 Fig u r e 8 Fit t ing cu r v e o f s p e e d flo w r e l a t io n s h ip 利用 m a t l a b进行流量一速度 一占有率函数关 系 拟合 模型拟合结果见表 3 表 3 流量一 速度一占有率关系模型拟合 T ab l e 3 Mo d e l o f flo w s p e ed d e ns it y Re l a t io n s hip 参数 关系 公式 速度一占有率 流量一占有率 流量一 速 度 j 1一 P 8 5 1一 p 6 5 Q 1 2 0 p p 2 5 8 Q 一v v f 9 0 一口 8 5 流量一 速度一占有率关系模型的建立有非常重 要的意义 关系模型中的参数有着各 自实际的物理 意义 例如 流量 一占有率曲线中存在一个关键的临 界点 即处于通行能力时转折点 这一点所对应的车 速和占有率分别成为临界 车速 和临界 占有率 或最 佳车速和最佳 占有率 它们是评价交通流是否进人 拥挤状态的重要指标 从本文所采用的数据来看 这 一 值大小为 3 0 当 占有率大 于 3 0 时 将进入拥 挤状态 在