八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究

八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 1 八车道高速公路出口匝道减速车道八车道高速公路出口匝道减速车道 合理长度研究合理长度研究 许秀 许秀 21109150 卢力 卢力 07109118 俞睿颖 俞睿颖 21109102 曹屹 曹屹 21010225 东南大学 交通学院 南京 211091 摘要摘要 互通立交减速车道作为高速公路主线与匝道连接的必要路段 起着变速 缓冲 临时过渡 安全观察的作用 随着高速公路交通量的猛增 互通立交减速车道逐 渐成为高速公路运输中的瓶颈地带 减速车道的长度直接影响到高速公路的运行效率及 安全水平 若减速车道设置过短 会导致出口匝道处车辆分流困难 匝道出现交通阻塞 形成排队影响主线交通运行效率及交通安全 若减速车道设置过长 则会造成不必要的 土地资源浪费 经济性降低 为确定八车道高速公路互通立交减速车道的合理长度 论文首先对高速公路出口匝 道进行类型划分 按照减速车道类型和匝道主体段车道数将出口匝道连接处及匝道主体 段分为四种类型 从车流运行的轨迹将匝道连接处分为了换道进入 直接进入和选择性 进入三类 最后根据我国国内高速公路的实际情况 选择了两种较为普遍的减速车道 直接是减速车道和平行式减速车道进行分析研究 其次 论文在总结国内外对匝道连接处通行能力研究方法和结论的基础上 借鉴元 胞自动机模型模拟车辆离散特性的优点 结合国内采用分车道分车型的主线运行管理方 式 建立了出口匝道连接处的元胞自动机模型 规定了主线各车道运行规则 车辆进出 规则 车辆换车道规则等 应用 Microsoft Visual C 2010 编程实现运行模拟 设定不同 减速车道长度 研究直接式减速车道和平行式减速车道两类匝道连接处的运行特性 分 析了减速车道长度对两类匝道连接处的通行能力的影响 特定的驶出条件和慢车比例下 同样长度的减速车道区段 平行式比直接式增加 800 1000 辆 h 通行能力 匝道连接处通 行能力随减速车道长度增加而呈现先增加后降低的趋势 通行能力最大的区段可以决定 最优的减速车道长度 最后 论文综合考虑匝道主体段以及匝道连接处的通行效率和安全性条件 确定出 合理的减速车道长度 关键词关键词 高速公路 通行能力 出口匝道连接处 元胞自动机 减速车道长度 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 2 目录目录 一 研究的背景与意义一 研究的背景与意义 4 二 主要研究内容二 主要研究内容 5 一 高速公路出口匝道类型划分 5 二 互通立交减速车道车辆换车道调查研究 5 三 出口匝道通行效率研究 5 四 基于仿真的减速车道合理长度的研究 5 三 高速公路出口匝道类型划分三 高速公路出口匝道类型划分 6 一 高速公路出口匝道分流区分类 6 二 基于车流轨迹的出口匝道分流区类型划分 7 四 减速车道车辆换车道的研究四 减速车道车辆换车道的研究 9 一 元胞自动机基本原理 9 二 元胞自动机在交通领域中的应用 10 三 仿真图形描述 11 四 运行规则 12 五 仿真过程 14 五 仿真结果分析五 仿真结果分析 15 一 直接式减速车道仿真结果分析 15 1 各路段通行能力分析 15 2 减速车道长度对 D 路段通行效率的影响 16 二 平行式减速车道仿真结果分析 17 1 各路段通行能力分析 17 2 减速车道长度对 D 路段通行效率的影响 19 六 减速车道合理长度的确定六 减速车道合理长度的确定 20 一 安全角度减速车道合理长度的确定 20 二 基于运行效率最优的减速车道合理长度的研究 21 1 直接式减速车道 21 2 平行式减速车道 22 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 3 3 综合效率与安全的减速车道合理长度确定 23 七 结语七 结语 24 一 研究结论 24 二 研究过程中的创新 24 三 展望 24 参考文献参考文献 27 附录附录 28 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 4 一 一 研究的背景与意义研究的背景与意义 高速公路出口匝道减速车道作为高速公路主线与匝道连接的必要路段 起着变速缓 冲 临时过渡 安全观察的作用 随着高速公路交通量的猛增 减速车道逐渐成为高速 公路运输中的瓶颈地带 减速车道的长度直接影响到高速公路的运行效率及安全水平 若减速车道设置过短 会导致出口匝道处车辆分流困难 匝道出现交通阻塞 形成排队 影响主线交通运行效率及交通安全 若减速车道设置过长 则会造成不必要的土地资源 浪费 经济性降低 因此 减速车道合理长度的研究有着其现实意义 随着高速公路交通量的增加 我国大部分高速公路由四车道扩建为八车道 一方面 车道数及交通量的增加打破了原有高速公路中四六车道的运行秩序 在出口匝道分流区 车辆换车道频率增加 运行特征变化显著 对减速车道的设置也提出了相应的要求 另 一方面 八车道高速公路多采用分车道运行 内侧车道为小客车 外侧车道为大货车 不仅导致车辆分流困难 也使得主线不同车道运行车速产生很大的差异 我国现有规范 公路路线设计规范 JTG D20 2006 是以主线的设计速度为依据对减速车道标准进行 规范 对实际运行车速考虑不足 也造成了减速车道设置的不合理 影响交通运行效率 和安全 在当前我国高速公路迅速发展的情况下 研究八车道高速公路出口匝道减速车 道合理长度有着十分重要的意义 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 5 二 二 主要研究内容主要研究内容 高速公路出口匝道类型划分高速公路出口匝道类型划分 分析高速公路构成及其特性 对比 公路工程技术标准 公路路线设计规范 等相关国内标准规范及高速公路工程实践案例 借鉴国内外相关文献资料 从车流运行 的角度对高速公路出口匝道类型进行划分 互通立交减速车道车辆换车道调查研究互通立交减速车道车辆换车道调查研究 借鉴元胞自动机模型模拟个体车辆行为的优点 结合我国高速公路出口匝道特性设 定车辆演化规则 加入快慢车 分流比例等影响条件 研究对互通立交减速车道通行能 力的影响 出口匝道通行效率的研究出口匝道通行效率的研究 以实地调查资料为根据 采用仿真分析的方式 研究在特定的条件下 如在一定的 出车比例以及慢车比例的情况下 出口匝道通行效率的变化规律 并定量分析不同类 型出口匝道通行效率的差异 基于仿真的减速车道合理长度的研究基于仿真的减速车道合理长度的研究 结合实地调查车流运行特征 标定相关参数 设置仿真软件的输入条件 应用仿真 软件模拟减速车道车流运行 验证评估减速车道的合理长度 并与国内外相关规范比较 分析说明其差异性所在 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 6 三 三 高速公路出口匝道类型划分高速公路出口匝道类型划分 高速公路出口匝道分流区分类高速公路出口匝道分流区分类 针对高速公路出口匝道而言 其匝道连接处的分类一般是根据分流区减速车道的设 置而定 我国的 公路路线设计规范 JTG D20 2006 同美国的 HCM2000 类似 将减 速车道分为平行式和直接式 平行式减速车道即在出口匝道上游设置一条与行车道相平 行的减速车道与匝道主线段连接 使得车辆有足够的时间将速度减至匝道上行驶的安全 速度 实现车流的顺畅转换 直接式减速车道是车道设置直至分流鼻端的全长范围内采 用与主线相同的线形连接主线与匝道主线段 其减速车道起点没有平行式车道明显 且 车道长度一般较短 两种减速车道设置类型如图 3 1 所示 减速车道 匝道主线段 车行道高速公路 减速车道 匝道主线段 车行道高速公路 平行式减速车道 直接式减速车道 图 3 1 规范中减速车道设置类型 国外对出口匝道的划分与国内的划分相同 除以上分类外 美国根据高速公路出口 匝道的几何特征将其分为四种类型 1 2 如图 3 2 所示 重点考虑出口交通流从高速公路 主车道的分离方式及匝道交通流的合并与分离 其它国家目前大部分参照了美国的分类 结果 国内工程实践中也具有相类似的应用 江苏 浙江 广东等省市的高速公路均有 此类出口匝道的典型 根据国外研究成果 分流影响区在分流鼻端上游 1500ft 约 500m 至下游 1000ft 300m 而国内的则规定此范围在分流鼻端上游 760m 至下游 150m 本文在相关论述中采用国内标准 型 采用平行式减速车道 在匝道与主线连接处拓宽出一条减速车道 高速公路 主线下游与上游车道数保持不变 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 7 型 采用直接式减速车道 高速公路上游车道比下游车道多一条 匝道主线段通 常采用单车道 型 采用直接式减速车道 上游最右侧车道在匝道连接区也被作为减速车道 双 车道出口匝道连接在匝道连接区的两条减速车道上 高速公路主线的下游比上游相减少 了一个车道 型 采用平行式减速车道 上游最右侧车道也作为减速车道 在最右侧车道外拓 宽出一条减速车道 高速公路主线的下游比上游减少一条车道 上游1500ft下游1000ft 车道n 车道3 车道2 车道1 减速车道 匝道主线段 上游1500ft下游1000ft 车道n 车道3 车道2 车道1 减速车道 匝道主线段 型 型 上游1500ft下游1000ft 车道n 车道3 车道2 车道1 减速车道 匝道主线段 减速车道 车道1 车道2 车道3 车道n 上游1500ft下游1000ft 匝道主线段 型 型 图 3 2 国外高速公路出口匝道连接处分类 基于车流轨迹的出口匝道分流区类型划分基于车流轨迹的出口匝道分流区类型划分 车辆离开高速公路时需经过匝道分流区的减速 匝道主线段减速 匀速等几个运行 过程 车辆进入匝道必须首先匝道分流区 由于匝道连接段的不同设置方式会导致不同 的车流运行轨迹 离开高速公路的车辆在看到出口匝道标志时 通常会开始减速并靠右 侧车道行驶 因此 可以以右侧车道的车流运行轨迹对匝道连接处进行划分 右侧车道 行驶车辆进入出口匝道主线段的运行轨迹一般分为换道进入 直接进入和选择性进入 换道进入是指右侧车道行驶的车辆必须先经过换入减速车道减速后汇入匝道的主线 如 型 直接进入是指右侧车道行驶车辆不经过平行式减速车道直接进入匝道主线段 其最右侧车道承担了减速车道的功能 型 型 选择性进入则是指最右侧车道车 辆可以经过平行式减速车道进入匝道主线段 也可以沿着最右侧车道进入匝道的主线段 此类匝道的主线段通常设置双车道 适用于大型车多车流影响较为严重或交通量较大的 情况 型 对于 型匝道提供的可选车道 尽管为车辆进入匝道的选择性运行提供 了便利 但容易导致车辆在外侧车道保持高速运行 到达匝道三角端部再进行汇入 不 利于交通安全 从车流运行轨迹的角度对匝道分流区进行划分分为 A B C 三类 A 型即图 3 2 中的 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 8 型 B 型对应 型 型 C 型对应 型 上游760m下游150m 车道n 车道3 车道2 车道1 减速车道 匝道主线段 A 型 上游760m下游150m 车道n 车道3 车道2 车道1 减速车道 匝道主线段 B 型 减速车道 车道1 车道2 车道3 车道n 上游760m下游150m 匝道主线段 C 型 图 3 3 本文高速公路出口匝道连接处分类 鉴于国内高速公路规划设计中出口匝道常用的类型 本文在匝道运行特性分析及通 行能力分析建模中只针对主体段为单车道的情形 即分类中的 A B 两种匝道类型 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 9 四 四 减速车道车辆换车道的研究减速车道车辆换车道的研究 元胞自动机基本原理元胞自动机基本原理 1 元胞自动机基本原理 元胞自动机是时间 空间 状态都离散 空间的相互作用及时间上因果关系皆局部的网格动力学模型 特别适合用于空间复杂系统的时空动态模拟研究 不同于一般的动力学模型 元胞自动机不是由严格 定义的物理方程或函数确定 而是用一系列模型构造的规则构成 凡是满足这些规则的模型都可以算 作是元胞自动机模型 元胞自动机最基本的组成单位包括元胞 元胞空间 邻居及演化规则四个部分 1 元胞 元胞 Cell 又称为单元或基元 是元胞自动机的最基本组成部分 分布在离散的一维 二维或多维欧几里得空间的晶格点上 2 元胞空间 元胞空间是指元胞所分布在欧几里得空间上的网格点的集合 目前研究的重点多放在 一维和二维元胞自动机上 三维及三维以上的元胞自动机的研究相对较少 3 邻居 在元胞空间的网格上 每个元胞都是同质的 其大小一样 元胞的邻域规则即确定元胞自 动机邻居的规则通常是以半径 r 为标准 和某个元胞之间的距离小于半径 r 即为此元胞的邻居 4 演化规则 演化规则就是根据元胞当前状态及其邻居状况确定下一时刻该元胞状态的动力学函数 或者可以称为系统状态转移函数 此函数构造了一种简单的离散时空局部物理系统 简记为 1 kkk CN FSF SS 3 1 式中 状态转移函数 也称为元胞自动机的局部映射或局部规则 C F 分别表示元胞当前状态和邻域元胞当前状态 kk N SS 演化规则是元胞自动机模型中最为关键的部分 元胞自动机模型的成功与否很大程度上取决于演 化规则的设计 2 元胞自动机一般特征 标准的元胞自动机模型具有以下特征 1 同质性 在元胞空间内的每个元胞的变化都服从相同的规律 所有元胞都受同样的规则支配 2 并行性 各个元胞在每一时刻的状态都是独立的行为 相互之间不发生作用 并不会产生相互之 间的影响 3 时空局部性 每个元胞下一时刻的状态取决于其周围半径为 r 的邻域 或者其他形式的邻居规则 所定义的邻域 中的元胞的当前时刻 t 的状态 即所谓空间 时间的局部性 从信息传递的角度看 元胞自动机中传输的信息是有限的 除以上特征 元胞自动机还具有空间离散 时间离散 状态离散且有限等特征 其中 质性 并行性 局部性是元胞自动机的核心特征 任何对元胞自动机的扩展都应当尽量保持这些核心特征 尤其是局 部性特征 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 10 元胞自动机在交通领域中的应用元胞自动机在交通领域中的应用 早在 1986 年 元胞自动机被应用于道路交通的研究 3 随后元胞自动机在交通领域 中的应用愈加广泛 目前最具代表性的两个方面分别是 1992 年 Nagel 和 Schreckenberg 提出的一维元胞自动机 Nasch 模型 4 及 Biham Middieton 和 Levine 提出的二维元胞自 动机 BML 模型 5 其中 Nasch 模型是用来研究高速路的 BML 模型是用来研究城市路网的 这两类模型是以 Wolfram 命名的 184 号规则模型为基础发展而来的 本文建构的元胞自 动机模型也是对于 NaSch 模型的改进 从元胞自动机的应用来看 在交通领域其主要有 单车道模型和多车道模型 1 单车道模型 单车道的元胞自动机模型包括确定型和随机型两类 184 号模型即为最简单的确定型 模型 此处介绍具有代表性的随机型模型 NaSch 模型 简称 NS 模型 与 184 号规则相比 NS 模型将车辆的最大速度扩展到了大于 1 的情况 并引入了随 机慢化 该模型有四步并行更新规则 6 加速 max min 1 nn vvv 减速 min nnn vv d 随机慢化 以随机概率 p 令 max 1 0 nn vv 位置更新 nnn xxv 其中 nn vx 分别表示第 n 辆车的位置和速度 1nnn dxxl 表示其和前车之间空的元 胞数 max v 表示元胞的最大速度 p 表示随机慢化概率 l为每辆车所占的元胞 NS 模型中规则 反映了驾驶员倾向于以尽可能大的速度行驶的特点 规则 确保车 辆不会与前车发生碰撞 规则 引入随机慢化来体现驾驶员行为的差异 既可以反映随 机加速行为 又可以反映减速过程中的过度反应行为 除 NS 模型外 单车道元胞自动机模型还有巡航控制模型 慢启动规则模型 VDR 模 型 速度效应模型 舒适驾驶模型等 均是基于 NS 模型进行的改进 2 多车道模型 单车道模型在研究车辆运行时 其重要的不足之处就是不允许超车 难以反映实际 道路运行中的超车现象 目前的多车道元胞自动机模型 一般采用 Sparmann 的换道逻辑 区分了换道动机和安全要求 元胞自动机换道规则是对这两种因素的具体表达 换道动 机是指能够决定驾驶员是否产生换道意识的条件 换道安全性是指决定驾驶员是否将换 道意识付诸行动的条件 具体包括本车道和目标车道的前后车距是否满足换道条件 以 Chowdhury 等人提出的一个典型的对称型双车道换道规则 STCA 模型为例 其换道规则为 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 11 max min 1 nn n othern n backsafe gapvv gapgap gapgap 上式中第一 二个条件为动机性条件 第三个条件为安全性条件 多车道元胞自动机模型的研究重点在于换车道规则的制定 Cremer 最早对元胞自动 机换道规则进行了研究 根据前方是否存在慢车和目标车道是否满足换道要求的情况决 定换到规则 7 Nagtani 首先利用一个完全确定性的规则考察了 max 1V 的双车道系统 规定车辆在一个时间步内要么换道行驶要么向前行驶 8 Rickert 等人和 Chowdhury 等 人分别在 1996 年和 1997 年通过引入一套换道规则 将单车道的 NS 模型扩展到双车 道系统中 9 Knospe 通过扩展预期驾驶单车道模型 设计了一种不对称换道规则 指出右 车道优先使用和禁止右侧超车是产生密度反转的必要条件 10 仿真图形描述仿真图形描述 高速公路匝道连接处上下游及其本身运行状态均有较大差别 因此模型建立将出口 匝道连接处分为 A B C D 四个区段 如图 4 1 所示 A 为匝道上游段 B 为匝道主体 段 D 为匝道连接段 C 为匝道下游段 元胞自动机在高速公路仿真中的应用中通常规定 每个元胞长度为 7 5m 本文采用相同规定 A B C A L D L C L O F S F S D 图 4 1 出口匝道连接处元胞自动机仿真模型示意图 按照我国匝道影响范围的规定 其上游为 760m 定位匝道上游影响区为 750m 100 个元胞 则 100 D L 规范中下游影响区为 150m 即 20 个元胞 但为在仿真中需满足车 流运行进入稳定状态 可以将其定为 50 C L 个元胞 375m 路段 A 长度也由上游匝道 与 B 路段的距离决定 公路工程技术标准 中规定立交间距一般为 5km 因此 将路段 A 定为 600 A L 5 25km 在研究匝道连接处通行能力时 出口匝道主体段的假定与路 段 A 具有相同的长度 满足车流进入后能够达到稳态 为模拟我国高速公路分车型运行特征 本文设定车道分为快车道 F 和慢车道 S 不同 车道上车型采用不同的运行规则 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 12 运行规则运行规则 仿真过程描述即规定四个区段相应的运行规则 标定相关参数 设定仿真过程中所 需采取的措施 仿真开始时 车辆从路段 A 进入 因此对于路段 A 来说 其最左边的元胞对应 1x 进入 A 的元胞包括 max v 即车辆可以从元胞 max 1 2 v 进入路段 A 采用开口边界条件 在 1tt 时刻 当道路上的车辆更新完成以后 监测道路上的头车和尾车位置 lead x 和 last x 如果 lastlead xx 则一辆速度为 max v 的车将以概率 进入元胞 maxmax min last xvv 在道路的出口处 如果 leadC xL 则道路上的头车以概率 驶出路段 C 紧跟其后的第二 辆车成为头车 初始时两种车按一定的比例随机混合 且初速度均为 1 仿真运行 15000 步 舍弃前 5000 步以排除非稳态影响 记录在 10000 个时间步内通 过一个虚拟探头的车辆数来确定流量 更新时间步长 0 5s 1 参数说明 设定车道上车型比例 快车比例 f p 慢车比例 s p 驶离高速公路车辆比例 off p 根 据实地调查结果 高速公路车辆最高速度可达 140km h 大型车速度通常在 80km h 以下 因此设定模型最大速度为 max 5 135 vkm h 慢车的最大速度 max 3 81 s vkm h 安全距 离 5 safe d 2 演化规则 本文采用一维基本 NS 演化规则 确定性加速过程 max 1 min 1 nn v tv tv 确定性减速过程 1 min nnn v tv t d 随机减速过程 以随机概率 p 令 1 max 1 0 nn v tv t 位置更新 1 1 nnn x tx tv t 其中 1nnn dxxl 式中 1 nn v t v t 分别表示 t 时刻和 t 1 时刻第 n 辆车的速度 n d 表示前后空元胞 数 其余符号意义同上 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 13 3 换车道规则 道路上车辆换车道规则从变换对象可以分为对称换车道规则和非对称换车道规则 从变换状态可以分为判断性换车道规则和强制性换车道规则 在高速公路运行中 匝道 连接处上游车辆为避免受分流车辆的干扰 通常会选择换入内侧车道 而分流车辆则会 在看到出口提示标志时选择逐步换入外侧车道 而匝道连接处的游下车辆已无分流车辆 干扰 驾驶员可以根据车流运行状态选择在相应的车道行驶 因此在路段 A 和 C 为对称 换车道规则 对于匝道连接处 大部分非分流车辆已完成变换车道过程 不再向右换车 道 而分流车辆则需选择进入减速车道时机 因此采用非对称换车道规则 即仅允许内 侧车道换车道至右侧车道 对于匝道主体段而言 由于其处于交通运行瓶颈 技术标准 较主线低 因此路段 B 采取禁止换车道 采用单车道 NS 模型的运行规则 此外 不同路段对于换车道的需求不同 因此需设定其换车道方式 对于路段 A C 车流一般采取判断性换车道方式 路段 D 车辆可采取强制性换车道规则 1 路段 A C 满足条件 max min 1 nn n othern n backsafe dvv dd dd 则 车辆从本车道换至目标车道 路段 A C 一般采取判断性换车道规则 2 路段 D 强制性换车道规则 max 02 0 n Rothernn Rother n RbackRback n Rotherdnn Rother n RbackRback danddd dv or dvanddd dv 式中 02 n Rothernn Rother danddd 表示本车道行驶条件与相邻车道相比 并不是 好很多 n RbackRback dv 表示本车与相邻后车距离大于后车速度所占元胞长度 满足最低换车 道条件 maxn Rotherd dv 表示相邻车道上的行驶条件可以满足该车以期望的速度行驶 0 nn Rother dd 表示在下一个时间步内 该车在两车道上都无法向前行驶 当 leado xx 即头车位置超过了 O 点 则车辆驶出主线进入出口匝道主体段 B 车 辆的位置为 leado xx 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 14 仿真过程仿真过程 运用 NS 模型仿真高速公路出口匝道运行状态 进而分析减速车道长度及匝道类型对 通行能力的影响 本研究采用 Microsoft Visual C 2010 编程实现模拟过程 车辆到达服从泊松分布 到达率 在模型中设定 从 0 增加至 0 5 步长为 0 05 同时设定减速车道长度以步长为 2 从 0 增加至 50 根据实地调查结果分析 确定驶离高速公路车辆比例值在 15 附近变化 慢车比例值在 25 附近变化 因此在研究减速车道长度对通行能力影响时 模型设定车比 例以及慢车比例分别为 15 和 25 在各参数设定的基础上 使得减速车道以步长为 2 从 0 增加至 50 研究减速车道长度以及匝道类型对各路段运行的影响 重点分析对匝道连 接处的运行状态的影响 五 五 仿真结果分析仿真结果分析 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 15 直接式减速车道仿真结果分析直接式减速车道仿真结果分析 各路段通行能力分析 为能真实反映道路运行条件 以实地调查结果为参照 同时考虑到程序运行的可行 性 设定驶离高速公路车辆比例为 15 慢车比例为 25 减速车道长度为 50 约为 350m 同样运用 Microsoft Visual C 2010 编程实现模拟过程 待程序运行稳定后 统计分析路段 A B C D 上单位时间内经过的车辆数 观测其随车辆到达率逐渐增大的 变化情况 图 5 1 各路段交通量随车辆到达率变化情况 直接式减速车道 从各路段交通量随着车辆到达率变化情况的曲线可以看出 当车辆到达率逐渐增大 时 各路段的交通量也逐渐增大 车辆到达率在 0 10 0 35 之间增幅最大 在 0 35 0 40 之间增幅逐步减小 大于 0 45 之后 各区段交通量基本趋于稳定 说明各 路段车辆达到饱和 继续增大到达率已经无法使其通过 此时即可得到各区段的容量 对于路段 A 而言 其最大容量的出现取决于上游车辆到达率 对于路段 B D 而言 其最大容量的出现除了上游车辆到达率的制约 还取决于驶离高速公路车辆比例 慢车 比例等情形 路段 C 车辆不仅受上游车辆到达率的影响 更取决于驶离高速公路车辆比 例的影响 若驶离车辆比例较高 则路段 C 不容易出现拥挤现象 较难发现其最大容量 匝道连接处车辆数随着车辆到达率的增大而增大 当车辆到达率增大至 0 45 之后 匝道连接处车辆数基本保持稳定 此时即为匝道连接处的最大容量 即匝道连接处的通 行能力 本文中元胞自动机模型建立选取高速公路为双向八车道 因此 匝道连接处为 单向四车道 图中所得匝道连接处通行能力约为 8650 辆小客车 h 表 5 1 八车道高速公路匝道处各路段通行能力 直接式减速车道 路段A 路段B 路段C 路段D 路段 通行能力 辆 时 88801350 8650 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 16 减速车道长度对 D 路段通行效率的影响 根据上文中车辆到达率对各路段容量的影响可知 在车辆到达率在 0 10 0 35 之间 交通量增加幅度最大 在分析减速车道长度对通行能力影响时 选用此区间作为分析区 间 设定驶离高速公路车辆比例为 15 慢车比例为 25 使减速车道长度以步长 2 从 2 增加至 50 待程序运行稳定后记录 1h 内匝道连接处交通量变化 从图 5 2 中可以看出 不同车辆到达率条件下 匝道连接处交通量变化曲线呈现平 行特性 即在不同到达率条件下匝道连接处交通量随着其长度变化规律一致 对于直接 式减速车道的出口匝道而言 减速车道长度对其通行效率影响并不明显 曲线随着减速 车道长度的增加保持一定的平稳性 图 5 2 直接式减速车道长度对通行效率的影响 针对车辆到达率特定的条件下 减速车道长度会对其通行能力产生一定的影响 一 般而言匝道连接处交通量随着其长度的增加呈现先增加后降低的趋势 原因在于 当减 速车道长度在一定范围内增加时 车辆减速 换车道 驶离高速公路的过程逐渐变得顺 畅 因此在匝道连接处内造成的车辆干扰较小 车流运行稳定 故使得匝道连接处通过 车辆数增加 而当继续增大减速车道长度时 车辆极易进行提前减速 频繁换车道等行 为 导致车流运行紊乱 从而降低匝道连接处的通行效率 以车辆达到率为 0 15 图 5 3 和 0 30 图 5 4 为例 高速公路主线速度为 5 135km h 匝道主体段外侧车道的最大速度为 3 81km h 车辆到达率为 0 15 时 交通量最大平稳值出现在减速车道长度为 26 30 处 即当减速车道长度约为 195 225m 时 其通行效率最大 车辆到达率为 0 30 时 交通量最大值出现在 32 38 处 即当减速车道 长度约为 240 285m 时 其通行效率达到最大 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 17 图 5 3 特定到达率条件下减速车道长度对通行效率影响 lamda 0 15 图 5 4 特定到达率条件下减速车道长度对通行效率影响 lamda 0 30 平行式减速车道仿真结果分析平行式减速车道仿真结果分析 各路段通行能力分析 为能真实反映道路运行条件 以实地调查结果为参照 同时考虑到程序运行的可行 性 设定驶离高速公路车辆比例为 15 慢车比例为 25 减速车道长度为 50 约为 350m 同样运用 Microsoft Visual C 2010 编程实现模拟过程 待程序运行稳定后 统计分析路段 A B C D 上单位时间内经过的车辆数 观测其随车辆到达率逐渐增大的 变化情况 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 18 图 5 5 各路段交通量随车辆到达率变化情况 平行式减速车道 从各路段交通量随着车辆到达率变化情况的曲线可以看出 具有平行式减速车道的 出口匝道运行与直接式减速车道的匝道运行具有类似的情形 各路段的交通量也逐渐增 大 车辆到达率在 0 10 0 30 之间增幅较大 相比直接式减速车道的出口匝道而言 其 增幅空间较小 在区间 0 30 0 40 各路段交通量随到达率的增加其增幅逐步减小 当 到达率超过 0 40 之后 各区段交通量趋于稳定 说明各路段交通量达到饱和 继续增大 到达率已经无法使其通过 此时即可得到各区段的容量 同直接式减速车道的出口匝道相比 平行式减速车道上路段 A D 的通行能力相对有 所增大 而路段 B 则有所减小 主要是由于匝道连接处的运行规则改变 对上下游产生 的影响 同时可以看出 在具有平行式减速车道的出口匝道上 各路段达到饱和状态的 时刻更早 即车辆到达率在约为 0 40 的时刻已能够使各路段趋于饱和 路段 B 的饱和现 象更为明显 说明平行式减速车道的利用率相比直接式减速车道较好 表 5 2 八车道高速公路匝道处各路段通行能力 平行式减速车道 路段A 路段B 路段C 路段D 路段 通行能力 辆 时 90001300 8850 减速车道长度对 D 路段通行效率的影响 具有平行式减速车道的出口匝道容量分析中 车辆到达率在 0 10 0 30 之间交通量 增加幅度最大 因此在分析减速车道长度对通行效率的影响时 选择此区段作为分析区 间 同直接式减速车道类似 设定驶离高速公路车辆比例为 15 慢车比例为 25 使减 速车道长度以步长 2 从 2 增加至 50 待程序运行稳定后记录 1h 内匝道连接处交通量变化 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 19 图 5 6 平行式减速车道长度对通行效率的影响 汇总不同到达率条件下匝道连接处交通量随减速车道长度变化曲线 如图 5 6 所示 其大体趋势与直接式减速车道运行结果类似 整体呈现平行特性 在不同到达率条件下 匝道连接处交通量随长度变化规律一致 对于平行式减速车道而言 从图 5 6 中看出 减速车道长度对其通行效率的影响并不是很明显 曲线随着路段长度的增加保持一定的 平稳性 由于整体曲线空间跨度较大 交通量相差 6000 辆 因此在同一图上表示不易看出减 速车道长度对路段通行能力的影响 因此 针对特定到达率条件下 分析其影响更具有 实际意义 一般而言 当减速路段较短时 大部分车辆会选择尽早减速 以避免超出匝 道端部或在减速车道上速度过高导致安全事故 而当减速路段较长时 快慢车会选择不 同的减速地点 从而导致通行能力的变化 在平行式减速车道上 随着减速车道长度的 变化 车辆运行特性也会呈现与直接式减速车道类似的现象 通过匝道连接处的交通量 会随着减速车道长度的变化而呈现先上升后下降趋势 以车辆达到率为 0 15 图 5 7 和 0 30 图 5 8 为例 高速公路主线速度为 5 135km h 匝道 B 的最大速度为 3 81km h 车辆到达率为 0 15 时 交通量最大 值出现在减速车道长度为 30 36 处 即当减速车道长度约为 225 270m 时 其通过交通量 最大 车辆到达率为 0 30 时 交通量最大值出现在 38 42 处 即当减速车道长度约为 285 315m 时 其通行效率达到最大 可以看出车辆到达率较小时 车流运行较为顺畅 车辆自由选择的空间较大 相应 能够达到最大通过量的减速车道长度范围较宽 车辆到达率增大时 能够达到通过交通 量最大的减速车道空间范围缩小 说明较小的减速车道长度有利于组织车流 起到警示 约束车辆行为的效果 从而提高匝道连接处通行能力 与直接式减速车道相比 当车流到达率较小时 达到最大交通量的减速车道长度比 平行式减速车道长度较短 随着车流到达率的增加 其达到最大交通量的减速车道长度 趋于接近 说明在交通量较大的条件下 直接式减速车道和平行式减速车道对匝道连接 处的影响效果相近 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 20 图 5 7 特定到达率条件下减速车道长度对通行效率影响 lamda 0 15 图 5 8 特定到达率条件下减速车道长度对通行效率影响 lamda 0 30 六 六 减速车道合理长度的确定减速车道合理长度的确定 安全角度减速车道合理长度的确定安全角度减速车道合理长度的确定 传统的减速车道长度设计均是从安全角度出发 考虑主线设计速度与匝道设计速度 的差异 减速车道设计的长度满足车辆减速过程的要求 能够使车辆在较为舒适的条件 下将速度降至匝道的限速 从而保证车辆运行的安全 从安全角度的减速车道长度计算主要考虑车辆从主线分流时的减速过程 国外有许 多不尽相同的假设 以美国 AASHTO 和日本为典型 美国 AASHTO 认为车辆先按主线的平 均行车速度从减速车道的渐变段或三角段进入减速车道 然后减速进入匝道主体段 其 减速过程分为两次 第一次是采用发动机减速 第二次是利用制动器减速 到达匝道端 部时速度达到匝道的限速 日本的假设是车辆以该公路平均速度通过减速车道前段 在 渐变段时利用发动机开始减速 后利用制动器减速 到达匝道端部时 车辆运行速度满 足匝道的限速要求 美国和日本的车辆减速过程不同之处在于其减速始端的位置 而相 同之处是均肯定了采用二次减速的假设 首先利用发动机减速 然后利用制动器减速 根据这两种不同的假设 美国和日本对出口匝道减速车道的设计标准也存在一定的差异 文献 11 12 13 14 均给出了平行式和直接式减速车道长度的计算公式 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 21 平行式减速车道长度 222 0 12112 2 11 3 6225 92 v t LLLatvv a 6 1 直接式减速车道长度 222 0 121012 2 11 3 6 3 6225 92 v t LLLatvatv a 6 2 式中 L 全部减速车道长度 m 12 L L 渐变段长度和减速车道长度 m 012 v v v 分别代表车辆进入减速车道的初速度 渐变段末端的速度和匝道端 部的速度 m s t 发动机减速持续时间 s 12 a a 分别表示发动机减速和制动器减速的减速度 m s2 表 6 1 美国规范中减速车道最小长度 匝道设计速度 km h 25304050607080 主线设计速 度 km h 减速车道长度 m 50605646 6080766648 7010298867054 80122118106928060 901421381281181068460 10016015614813812610482 110176172164154140120100 表 6 2 日本规范减速车道最低长度 主线设计速度 减速车道类型 120100806050 单车道10090807050 双车单车道三角段7060504540 我国 公路路线设计规范 JTG D20 2006 15 也给出了减速车道长度的参考值 相 比美国和日本规范而言 减速车道的值存在一些差异 主要是根据减速车道类别和主线 的设计车速来确定减速车道的长度 对于匝道设计速度和匝道连接处等待时间的影响并 未明确指出 在交通量较小时 我国目前的规范标准能够满足车流的运行要求 但随着高速公路 交通量的增加 车流密度增大 当匝道设计标准较低时可能会出现减速车道长度不足 影响运行安全和效率 表 6 3 我国公路路线设计规范关于减速车道长度参考值 减速车道类型主线设计速度 km h 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 22 12010080 减速车道145125110 单车道 渐变段1009080 减速车道225190170 双车道 渐变段908070 基于运行效率最优的减速车道合理长度的研究基于运行效率最优的减速车道合理长度的研究 从国内外对高速公路出口匝道上减速车道的研究来看 已有的成果重点关注匝道车 流的运行安全 减速车道长度计算结果是通过假设车辆从主线至匝道端部安全的将速度 降至匝道限速 从而保证车流运行的安全 因此在各标准规范中给出的参考值均是减速 车道的最低值 明显的 减速车道设计标准的确定是以单个车辆的减速过程为基础的 因此确定其最低长度的时候对车流整体运行的特征缺乏关注 当交通量较小时 驶离高 速公路的车辆之间几乎不存在相互干扰 在减速车道上的减速过程符合标准规范计算中 的假设过程 当交通量增大 驶离高速公路车辆的运动过程不仅仅取决于匝道本身设施 的条件 由于车辆间相互干扰而不能够符合标准规范中的假设过程 因此 减速车道长 度的确定 应在满足单个车辆减速运行中的安全要求基础上 考虑整体车流的运行效率 本文中确定减速车道合理长度步骤略去匝道连接处通行能力与匝道主体段通行能力 的对比 直接求得使得匝道连接处通行能力最大的减速车道合理长度 与安全性条件相 比求得合理的减速车道长度 元胞自动机模型中 主线最高速度为 5 135km h 匝道设计速度为 80km h 本文 模拟实际运行中所需的减速车道长度 直接式减速车道 从运行效率角度分析直接式减速车道合理长度 充分利用和深入延续第五章节研究 成果 设定驶离高速公路车辆比例为 15 慢车比例为 25 使减速车道长度以步长 2 从 2 增加至 50 记录减速车道长度与匝道连接处通过交通量变化 从图 6 1 中可以看出 不同的车辆到达率条件下 减速车道长度对匝道连接处通过 的交通量存在不同的影响 在到达率较小的情形下 曲线基本与横轴保持平行 说明减 速车道长度能够满足较少车辆的运行要求 当车辆到达率增大 驶离高速公路车辆数增 加 匝道连接处车辆运行相互干扰 不同的减速车道长度影响通过的最大交通量 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 23 图 6 1 直接式减速车道长度对通行效率的影响 模型设定了一定的到达率 驶离高速公路车辆比例以及快慢车比例 得出了通过匝 道连接处的最大交通量 进而确定不同驶离高速公路交通量条件下最优的减速车道长度 表 6 4 直接式减速车道合理长度 到达率0 100 150 200 250 300 35 通过最大交通量 辆小客车 h 280041005200660078807930 减速车道长度 元胞 26 2826 3030 3630 3632 3838 40 减速车道长度 m 195 210195 225225 270225 270240 285285 300 由程序运行显示 当车辆到达率 lambda 0 35 时 D 路段达到 50 个元胞长度时 仍 然发生严重的排队拥挤现象 然而考虑到安全问题 减速车道长度设置不宜过长 因此 当车辆到达率 lambda 0 35 时 减速车道长度可设置在 300 375m 平行式减速车道 与直接式减速车道类似 延续和深入本文第五章研究成果 设定驶离高速公路车辆 比例为 15 慢车比例为 25 令车辆到达率从 0 至 0 5 以 0 05 步长逐步增大 待运行 稳定后记录减速车道长度与匝道连接处通过的最大交通量关系 根据图 6 2 可知 减速车道长度与匝道连接处通过的最大交通量关系曲线与直接式 减速车道存在类似的现象 在交通量较小时 曲线基本与横轴保持平行 与直接式减速 车道相比 其容纳的交通量更大 在到达率为 0 20 时开始有较大的波动 而影响直接式 减速车道的车辆到达率为 0 15 对比较高的车辆到达率条件下 平行式减速车道通过的 最大交通量要比直接式减速车道通过交通量要高 其适应的减速车道长度也存在一定的 差异 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 24 图 6 2 平行式减速车道长度对通行能力的影响 同理 模型设定了一定的到达率和驶离高速公路车辆比例 得出了通过匝道连接处 的最大交通量 进而确定不同驶离高速公路交通量条件下最优的减速车道长度 表 6 5 平行式减速车道合理长度 到达率0 100 150 200 250 300 35 通过最大交通量 辆小客车 h 282041105400657078208270 减速车道长度 元胞 24 2830 3632 3436 4038 4240 46 减速车道长度 m 180 210225 270240 255270 300285 315300 345 由程序运行显示 当车辆到达率 lambda 0 35 时 D 路段达到 50 个元胞长度时 仍 然发生严重的排队拥挤现象 然而考虑到安全问题 减速车道长度设置不宜过长 因此 当车辆到达率 lambda 0 35 时 减速车道长度可设置在 300 375m 从另一个角度讲 减速车道长度影响匝道连接处通过的最大交通量 由于匝道连接 处与匝道主体段相互衔接 因此 减速车道的长度也会对匝道主体段通过的最大交通量 形成波及效应 同理 数据拟合减速车道长度与匝道主体段通过交通量关系曲线 发现 曲线存在类似的关系 在到达率较小的情况下 通过匝道主体段交通量较小 曲线基本 保持与横轴平行 当车辆到达率较大时 通过匝道主体段交通量随着减速车道长度的变 化出现一定的波动 波动的趋势 幅度与匝道连接处通过交通量的曲线接近一致 综合效率与安全的减速车道合理长度确定 合理的减速车道长度不仅要满足车辆运行的安全条件 同时也要考虑减速车道对车 流运行效率的影响 安全性的协调注重单个车辆 而运行的协调更注重车流整体的运行 效率 对比我国的 公路路线设计规范 JTG D20 2006 和相关学者的研究成果 综合 考虑匝道运行的安全和效率 比较两种条件下减速车道长度 以满足安全要求为基础 效率最优为进一步目标 确定最优的减速车道长度 本文仅针对模型设定的主线速度为 135km h 匝道设计速度为 80km h 条件下的减速车道长度 表 5 6 减速车道合理长度最低值 含渐变段 到达率0 150 200 250 300 350 400 50 直接式减速车道长度 m 255255255285285300345 平行式减速车道长度255255255255300285285 八车道高速公路互通立交减速车道合理长度研究 25 m 七 七 结语结语 研究结论研究结论 1 应用元胞自动机研究了出口匝道连接处通行能力 发现具有直接式减速车道和 平行式减速车道的两种不同减速车道构型的匝道连接处 根据匝道类型的划分 本文系 统的研究了出车比例及慢车比例一定的前提下 减速车道长度对匝道连接处通行效率的 影响 直接式减速车道上车辆到达率在 0 35 时 驶离车辆比例 15 慢车比例 25 减 速车道长度 50 各路段交通量达到最大 而平行式减速车道在车辆到达率为 0 30 时即 可达到这一效果 说明平行式减速车道更有利于匝道连