车道滥用对城市道路通行能力的影响分析

车道滥用对城市道路通行能力的影响分析

城市交通具有交通密度大、连续性强等特点。由于交通事故的发生可能导致一条甚至多条车道被占用,降低路段所有车道的通行能力,即使时间短,也可能引起车辆排队,出现交通阻塞。如处理不当,甚至出现区域性拥堵。以下基于所给数据和相关文献,对车道被占用对城市道路通行能力的影响程度等问题进行探讨(相关数据见2013年全国大学生建模竞赛A题)。1道路占用对道路交通能力的影响模型1.1事故车辆概况①只考虑四轮及以上机动车、电瓶车;②假设视频中车道属于三级道路;③假设假设视频时间是连续的;④视频1、2中事故车辆处于同一路段的同一横截面,且完全占用两条车道;⑤对视频数据的采集所存在的误差在合理范围内。1.2道路通行能力模型1.2.1标准车辆学习角考虑到上游路口信号灯的影响,取30s为一个时间周期,将车辆分成三种类型,分别为小型车、中型车和大型车,将车辆换算成标准车辆,其中小型车的折算系数为0.5,中型车折算系数为1.0,大型车折算系数为2.0。统计期间各时间段通过事故所处横断面处车流量大小,算出每段时间的道路的实际通行能力并计算出每次视频停顿点的交通流密度,以此作为指标来描述视频中交通事故发生至撤离期间,事故所处横断面实际通行能力的变化过程。1.2.2fqv的计算从视频中可以看出该路段属于城市商业道路,道路设计速度为40km/h。利用采集到的不同时间段汽车通过车祸发生横截面的速度以及道路实际通行能力的计算模型C=C0×fw×fhv×fe×fp,式中:C0为基本通行能力,由上可知为2266pcu/h;fw一般当道路宽度为3.25米时取0.86;fp通常取1;fe当道路宽度为3.25米时通常取0.85;fhv的计算公式为:式中pi表示一种类型的车所占标准车当量数的比例,Ei表示一种类型车的转化系数。求解得视频中交通事故发生至撤离期间,事故所处横断面实际通行能力大小,如图1所示。由于车道被占用,在该横截面处道路通行能力下降,车祸横截面处车源稳定,道路实际通行能力随着红绿灯周期做微小波动,最后,因为堵塞情况严重,车辆速度减得更低,道路通行能力逐步下降,在发生车祸车辆开走时达到最低。1.3道路价值模型1.3.1道路通行能力和交通流密度用模型一的求解方法对视频2中的数据进行处理得到每个时间段交通流量、道路通行能力和每个暂停点的交通流密度的变化;然后对视频1、2中的道路通行能力和交通流密度分别进行对比分析。根据不同道路所承载车流量的比例变化,对视频1、2中车道的负载量进行比较分析,得出同一横断面交通事故所占车道不同对该横断面实际通行能力影响的差异。1.3.2道路负载量定义1道路价值度:衡量道路价值的大小的指标,指每条车道的通行能力大小来度量。道路的通行能力越大则价值度越大,反之越小。道路负载量为道路能承载的最大车流量。首先根据问题一建立的道路通行能力模型求解得到视频2中道路交通流,道路车辆密度,车祸发生横截面处的道路实际通行能力。1.3.3道路通行能力与交通流量的关系由于车道一的左转流量比例为35%,车道二的直行流量比例为44%,车道三的右转流量比为21%。即车道二的负载率最大,车道一的负载率最小。当视频1、2中车道被占用导致道路被堵时各车道车流量比例转移如表1所示。道路流量增加的倍数越大则驶入该段公路后需要换道的车辆数目越多,相应的道路堵塞状况会加剧;同时,转移车辆会使道路上车辆速度普遍下降,进而会影响道路通行能力。转换道路的车辆越多,对道路通行能力的影响越大。为此,可利用视频1、视频2中道路交通流、道路车辆密度、车祸发生横截面处的道路实际通行能力3个指标比较,以反映同一横断面交通事故所占车道不同对该横断面实际通行能力影响的差异,如图2所示。由图2可见:从图线的大致走势来看视频1的曲线大致在视频2的曲线上,这说明视频1的道路通行能力大于视频2的道路通行能力。车道占用在视频1中对道路通行能力影响更大,当堵塞了原始负载率大的车道时对道路交通能力的影响大于堵塞堵塞了原始负载率小的车道。由此可见,交通事故发生使得各条道路的负载率发生转移,负载量转移的越多,对道路通行能力的影响就越大,即交通事故所占车道的原始负载率越大,则交通事故、堵塞对道路的实际通行能力的影响越大。1.4相关分析的模型1.4.1车辆从交通面和线路上模块的角度分析,主要分为将“线路”或未排线路根据车辆在道路上行驶时,流入道路上游和流出道路下游之间的车辆数是相同的以及二流理论等固定规律推倒出交通事故所影响的路段车辆排队长度与事故横断面实际通行能力、事故持续时间、路段上游车流量间的关系。1.4.2各变量之间的关系定性分析,交通事故中事故持续时间越长,路段上游车流量间,下游路口的实际通行能力越小,则交通越易堵塞,会引发道路车辆排队。故可利用与车辆排队长度、事故持续时间等有关的原理,推导这些变量之间是否存在关系。采用流量守恒定理和二流理论方法推导出其相关关建立模型。1.4.3单车道路段分量排放系数的确定定义2(流量守恒原理):指在一条近距离且没有支流的道路上,根据物质守恒定律,上游流入和下游流出的车辆数相等。定义3(二流理论):是由Herman和Prigog-ine1979年提出来的,是用来描述路网的宏观交通流理论模型,它已经成功地应用于城市道路网服务质量的评价中。“二流”来自交通流中的两类车辆一类是运动车辆,一辆是停止车辆。停止车辆是指在交通流中停顿下来的车辆。该模型通过大量实测数据和微观仿真的办法承认以下两条基本假定:1)车辆在路网中的评价行驶速度与车辆所占的比重呈比例。2)路网中循环试验车(即交通观测车)的停车时间比例与路网中同期运行车辆的停车时间比例相等。t时刻通过上游断面的车辆累计数NU(t)与路段上游车流量Q、事故持续时间ti之间的函数关系为NU(t)=Q×ti。t时刻通过下游断面即车祸发生处的车辆累计数ND(t)与事故横断面实际通行能力C、事故持续时间ti之间的函数关系为ND(t)=∑Ci。由此推得单车道路段当量排队长度表达式,即交通事故所影响的路段车辆排队长度与事故横断面实际通行能力、事故持续时间、路段上游车流量间的关系:由上式可以看出:交通事故所影响的路段车辆排队长度与事故持续时间ti,路段上游车流量Q呈正相关,即事故持续时间越长,上游车流量Q越大,车辆排队长度越长;车辆排队长度与事故横断面实际通行能力Ci和事故发生点与上有路口的距离负相关,Ci和L越大,车队越短。1.5事故工况初始排斥针对交通事故所处横断面距离上游路口变为140米,路段下游方向需求不变,路段上游车流量为1500pcu/h,事故发生时车辆初始排队长度为零,且事故持续不撤离。首先根据排队论统计出初始时刻(即t=0)上游断面与事故所处横断面之间的车辆数,以及每个30秒时间间隔内上游断面、事故所处横断面处通过的车辆数。建立单车道路段当量排队长度模型(OEQL)模型求解出车辆排队长度与路段上游车流量、事故持续时间的关系式,最后代入数据求解。1.5.2车道距离根据实际情况,驶入道路2、3的车辆发现前方道路的交通事故后需要逐步移到道路1上,原来状况下的改道距离为240米,现在减至140米,相应的时间也减短,为此道路的堵塞状况变差,车辆排队达到上游路口的时间会减少;在相关性分析模型中,车辆排队长度与时间呈正相关,且相关变量在同一道路上不变,所以可根据最大排队长度模型转换,得到不同道路长度下,事故持续时间与车辆排队长度之间的关系式。1.5.3车辆设备响应面n0由交通事故所影响的路段车辆排队长度与事故横断面实际通行能力、事故持续时间、路段上游车流量间的关系式:变形得到事故持续时间与相应的车辆排队长度之间的关系模型为:其中,同一条道路上km上、下游断面之间的交通流最佳密度;kj上、下游断面之间的交通流阻塞密度Ci,会因交通事故所处横断面距离上游路口变短而作微小改变(变化微小,在估计时忽略不计);N0不变化;。即影响车辆排队长度达到一定所需时间的变量为:道路长度L′、车辆排队长度L′D(t)、不同时刻道路交通事故横断面实际通行能力Ci以及上游路口车流量。依据题目假设:事故发生时车辆初始排队长度为零,且事故持续不撤离。从事故发生开始,车辆排队长度与所用时间之间应为一一对应。根据模型公式,代入视频1中统计的不同时刻道路交通事故所处横断面实际通行能力Ci,以及其余各量,运用MATLAB软件求解事故持续时间与车辆排队长度之间的对应关系如表2所示。即从事故发生开始经过6.15分钟后车辆排队长度将达到上游路口(排队长度为140米),且在一定限度内随着时间的延长,排队长度逐渐增长。1.5.4不同路段堵塞长度的缺陷有利于反比例原理的应用在上述模型中将设为一个定值1500pcu/h,但在实际生活中,路段上游车流量与时间的有关,如在上下班高峰时期,路段上游车流量会比平时明显增大。所以的取值并不固定。当道路堵塞长度为140米时,针对的不同取值我们运用Matlab软件进行灵敏度分析,如图3所示。由图7可知随着路段上游车流量的增加,堵塞长度达到140所需要的时间越来越短,总体呈现反比例函数趋势减少。即说明,当路段上游车流量开始增加时,对达到140米所需时间t开始减少。当路段上游车流量增加到一定程度之后,堵塞长度达到140米素需要的时间基本相同。比较符合实际情况。2道路价值度模型主要运用在道路养以上各模型在建模中通过了相应软件的检验,具有一定的合理性。对于道路评价模型,创新性的定义道路价值度,使得对交通事故所占车道不同对该横断面实际通行能力影响的评价更加完善合理。关于相关性分析模型,根据二流理论、流量守恒推导的车辆排队长度与相关指标之间的关系具有稳定型。排队长度模型与实际紧密联系,充分考虑现实情况的不同阶段,从而使模型更贴近实际,通用性强。但由于模型中为使计算简便,使所得结果更理想化,忽略了一些次要影响因素。研究结果可应用于道路通行能力的评价,以及道路设计时的参照方案。道路价值度模型可以推广到道路被占用时最佳疏通方案设计;最大排队长度模型可应用于道路设计时对限制速度、上下游路口间距的距离方案。这也将为交通管理部门正确引导车辆行驶、审批占道施工、设计道路渠化方案、设置路边停车位和设置非港湾式公交车站等提供理论依据。由此假定可得到ΔN(t)=kjLD(t)+km[L-LD(t)],式