（交通运输规划与管理专业论文）互通立交系统中左转匝道通行能力研究.pdf

摘要 摘要 左转匝道是互通立交重要的组成部分，它直接决定着交通流冲突点数目，左转交通的流 量和速度，互通立交的占地面积，层数以及造价等。所以，研究互通立交左转匝道通行能力， 从而更合理的设置左转匝道，选择匝道形式显得十分的重要 本文在对大量调查数据进行处理和分析的基础上，首先，研究了左转匝道的交通特性和 行为特性；其次，运用数理统计方法和回归技术，得出了互通立交左转匝道的换算系数；再 次，建立了匝道中问路段通行能力模型，给出了左转匝道在不同情况的通行能力推荐值，并 分析了其服务水平；然后，在匝道与分流区的协调上。结合前人的研究成果，运用二次减速 理论和动力学理论，计算了在不同下减速车道长度的推荐值；接着，在匝道和合流区的协调 上，标定了合流区主线外侧车道交通量模型和匝道最大汇入交通量经验模型，并运用模型提 出了与左转匝道通行能力相匹配的加速车道长度推荐值；最后应用仿真软件t s i s ，对互通立 交左转匝道进行了交通仿真研究，并将研究结果仿真结果进行了比较分析 【关键词】 互通立交，匝道，左转，分流区，合流区，加速车道，减速车道，通行能力，交通仿真， 线性规划 目录 a b s t r a c t l e f tt u r nr a m pi st h ei m p o r t a n ts e g m e n to fi n t e r c h a n g es y s t e m i td e c i d e sd i r e c t l yc o n f l i c t p o i n t s o ft r a f f i c f l o w ，c a p a c i t y a n ds p e e do fl e f tt u r nf l o w ，a r e a 、t i e r sa n dc o s to f i n t e r c h a n g e t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n go nc a p a c i t yo fl e f tt u r nr a m pi ni n t e r c h a n g ei se x t r e m e l y i m p o r t a n t ，b e c a u s ei tw i l lh e l pu sm o r er e a s o n a b l yc h o o s et h ei n t e r c h a n g e s f o r m sa n de s t a b l i s h t h e m b a s e do nal o to fa n a l y s i sa n dd i s p o s a lf o ri n v e s t i g a t i n gd a t a ，f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t r a f f i cf l o wa n dd r i v e rb e h a v i o ra r es t u d i e d s e c o n d l y ，l e f tt u r nr a m pp c ei so b t a i n e d ，w i t h s t a t i s t i c a lm e t h o d sa n dr e g r e s s i o nt e c h n i q u e s t h i r d l y ，c a p a c i t ym o d e lo fl e f tt u r nr a m pi ss e tu p ， a n dt h ec a p a c i t yr e c o m m e n d a t i o nv a l u e sa l ec a l c u l a t e di nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s f o u r t h l y ，i no r d e rt o c o o r d i n a t et h ed i v e r g ea r e aa n dt h er a m p ，t h el e n g t hr e c o m m e n d a t i o nv a l u e so fd e c e l e r a t i o nl a n e a r eo b t a i n e dw i t ht h et w i c ed e c e l e r a t i o nt h e o r ya n dt h ek i n e t i ct h e o r y a sw e l la sf o rc o o r d i n a t i n g t h em e r g ea r e aa n dt h er a m p ，t h et r a f f i cf l o wr a t em o d e lf o r t h eo u t s i d el a n ea n dt h er a m p m a x i m u mm e r g et r a f f i cf l o wr a t em o d e la l ee s t a b l i s h e d ，a n dt h el e n g t ho fa c c e l e r a t i o nl a n ei sa l s o c a l c u l a t e d f i n a l l y ，u s i n gt s i st h el e f tt u r nr a m pi ss i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h em o d e l o n e s k e yw o r d s i n t e r c h a n g e ，r a m p ，l e f tt u r n ，d i v e r g ea r e a ，m e r g ea r e a ，d e c e l e r a t i o nl a n e ，a c c e l e r a t i o nl a n e ， c a p a c i t y ，t r a f f i cs i m u l a t i o n ，l i n e a rp r o g r a m m i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：钐钓日期：万 f 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：鱼纽导师签名： 日期：垫互，、7 第一章绪论 i i 立题的背景及意义 第一章绪论 近年来，随着我国国民经济的迅速增长，带动了交通运输业的高速发展，人们对交通工 具的拥有量也急剧增加，因而使得道路交通的拥挤现象日趋严重，公路等基础设施薄弱成为 经济发展的“瓶颈”。不仅如此，人们对交通运输质量如速度、舒适程度等方面的要求，对高 等级道路网的需求也越来越高。随着高等级道路系统建设的日益增多、逐渐成网，高等级道 路网络在社会经济发展、综合运输中的作用和地位日益突出。同时，路网中互通立交的数量、 式样和运行质量越来越受到人们的重视。 互通立体交叉是高速公路和城市快速道路不可缺少的重要组成部分，是连接各相关道路 的交汇( 分流) 点，是道路行驶的交通枢纽，它是包括高速公路主线、匝道、立交桥、交汇 区、收费站、监控系统等组成的综合体。互通立体交叉的设置，可使车流在不同空间层次上 各行其道，消除交叉车流之间的干扰，空间分割冲突点，从而保证了交叉车流快速、连续和 通畅地行驶，使道路交叉的通行能力大大提高。这对快速疏散交通、解决车辆拥挤堵塞、提 高车辆行驶速度、增加运输效益、减少交通事故起到了积极的作用。 匝道是互通立体交叉重要的组成部分，其作用就是专供跨线构造物上，下相交道路的转 弯车辆行驶。由于在平面交叉中左转车流对交叉口其它流向车流的干扰最大，并且左转匝道 直接决定着交通流冲突点数目，左转交通的流量和速度，互通立交的占地面积、层数以及造 价等，所以在立体交叉中如何合理设置左转匝道，选择匝道形式显得尤为的重要本论文将 依托于国家自然科学基金资助项目道路互通立交系统通行能力的分析方法( 编号： 5 0 4 7 8 0 7 1 ) l l 和江苏省交通厅项目江苏省高速公路车道数适应性研究，分析互通立交体系 中左转匝道的基本形式以及相应的运行特性，在此基础上结合匝道的线形、设计车速、车辆 类型等因素，建立各形式左转匝道通行能力与各参数问的模型关系，并对参数进行定量分析， 建立通行能力计算模型，最终得出各形式左转匝道通行能力的推荐值从而，从通行能力方 面，对今后互通立交左转匝道的规划、设计、建设、管理等工程实践提供参考依据 为了便于后面的研究，首先介绍匝道的基本概念及论文中有关的定义或叫法名称 匝道是互通立体交叉重要的组成部分，其作用就是专供跨线构造物上、下相交道路的转 弯车辆行驶。对于一条匝道来说，一般分为三个部分，即驶出道口部分、匝道中问路段部分 和驶入道口部分。驶出道口是由减速车道、出口和楔形端三部分组成。当不设减速车道时， 出口是指由主线驶出进入匝道的道口；当设减速车道时，出口是指主线与匝道的分岔口匝 道中问路段是匝道的主体，其组成单一，有时是用土方填筑的路堤道路，有时又可能是路堑 或高架桥道路。驶入道口是由入1 2 端、入n 和加速车道三部分组成。当不设加速车道时，入 口是指匝道驶出进入主线的道口，而当设加速车道时，入口特指匝道与主线的汇合口 匝道的形式多种多样，按照匝道的功能及其与相交道路的关系，可分为右转匝道和左转 匝道两大类。右转匝道是从正线右侧驶出后直接右转9 0 度，到相交道路的右侧驶入，一般不 设跨线构造物。左转匝道车辆需转约9 0 - 2 7 0 度过对向车道，除环圈式匝道外在匝道上至少需 要一座跨线构造物吲 左转匝道按匝道与相交道路的关系，又可分为直接式、半直接式和环圈式三种类型。 ( 1 ) 直接式：又称定向式或左出左进式如图1 - 1 所示左转弯车辆直接从行车道左侧 东南大学硕士学位论文 驶出，左转约9 0 度，到相交道路行车道的左侧驶入 二 弋一 。、 、 、 、 i | 圈1 - 1 直接式左转匝道 ( 2 ) 半直接式：又称半定向式。按车辆由相交道路的进出方式可分为左出右进式、右出 左进式和右出右进式。 0 忒 、 蕊咿 图1 - 2 左出右进式半直接左转匝道 图1 3 右出左进式半直接左转匝道 2 第一章绪论 图1 4 右出右进式半直接左转匝道 ( 3 ) 环圈式：又称间接式或环形式如图1 5 所示，左转车辆驶过正线跨线构造物后向 右回转约2 7 0 度达到左转的目的，在相交道路的右侧驶入 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 1 图1 5 环圈式左转匝道 国外对于通行能力进行了广泛的研究，取得了较为深入的研究成果。其中最具系统性、 代表性的研究机构是美国运输研究委员会( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r d ，简称t p b ) 和美国交 通工程师协会( a a s h t o ) 。美国交通工程师协会( a a s i - r i d ) 在1 9 5 0 年出版了道路通行 能力手册( h i g h w a y c a p a c i t ym a n u a l ，简称h c m ) 第一版。随着研究的深入发展，为了及时 反映交通流特性的变化和最新的研究成果，他们又分别于1 9 6 5 年和1 9 8 5 年先后两次修订再 版了h c m 。与前两版相比，第三版除详细论述了公路与城市道路的通行能力外，又增加分析 3 东南大学硕士学位论文 了高速公路和无信号交叉口等交通设施通行能力的内容1 9 9 4 年又出版了对第三版道路通 行能力手册的最新修订本，它着重对信号交叉口和无信号交叉口通行能力的研究方法进行 了修正，采用了许多新思想、新方法。1 9 9 7 年又出现了名为( h c m 2 0 0 0 ) 的新手册唧。它对 在不同交通条件下现有道路、交叉口的通行能力进行了新的修订，并增加了车辆安全设施、i t s 的内容。许多机动化程度较高的国家，如：加拿大、澳大利亚德国、日本等国也先后开展 了公路通行能力的研究工作。加拿大于1 9 8 4 年在美国运输工程师学会的帮助下，出版了加 拿大信号交叉路口通行能力指南，作为加拿大城市道路通行能力手册第一个版本。日本对分 流区通行能力的研究，其基本原理与美国的通行能力研究相似，其区别在于对减速车道的起 点选取不同。 在互通立交通行能力方面，国外很多专家学者都有研究。a l e x a n d e r 对互通式立交的几何 设计与交通流特性进行了研究 4 1 。s i g r i dw e s t p h a l i a 对限速在8 0 1 a n h 和1 0 0 k m h 的两条公路的 合流影响区进行调查，建立了进口匝道合流影响区通行能力模型i ，j m i c h a e l j c a s s i d y 对高速 公路下匝道进行了研究 6 1 k o u 与m i c h a e l 于1 9 9 7 年对高速公路合流区司机的合流行为进行 了专门研究1 7 1 ，e v a n s 、e l e f t e r i a d o u 、g a u t a m 等于2 0 0 0 年运用m a r k o v 链对合流失败而停车的 概率进行了研究 s l ，b u n k e r 与t r o u t b e c k 对合流区延误进行了研究唧，h a l l 与a g y e m a n g 对合 流区通行能力进行了研究删 从国外的研究成果来看，都是根据实际数据做出的统计模型，具有较为严格的约束条件， 一旦道路、交通等条件发生变化时，就不一定能够适用；并且对于匝道连接部分即分流区， 合流区的运行特性和通行能力研究较多，对于匝道中问路段的通行能力研究很少，对于三者 的协调分析更为少见 1 0 2 国内研究概况 我国对道路通行能力的研究始于舳年代，在混合交通、交叉口、交通流理论等方面进行 了大量的专项研究，但由于试验设备不足等原因，许多参数仍借鉴国外的研究成果，与我国 实际情况有些出入。 交通部公路科研所、公路规划研究院、东南大学、同济大学、北京工业大学等有关科研 单位在学习国外有关通行能力研究方法及内容的同时，对其相应的成果也做了适合国情的引 进对相应问题也作了深入的研究。例如，。九五”期间，。公路通行能力研究”被国家列为 重点攻关课题，主要研究了高速公路基本路段、匝道、交织区的交通运行状况和通行能力标 准，提出适合我国道路交通状况的公路通行能力分析方法、公路通行能力分析指南及其相关 的计算机分析计算软件和仿真软件【l ”。国家“十五”重点科技攻关计划又研究了“快速路系 统通行能力”主要内容包括：快速道路系统统计分析模型、徽观仿真模型研究、服务水平指 标定量化方法研究，通行能力一致性研究、通行能力影响因素研究、交通流数据库研究等 国内在互通立交系统通行能力方面的研究主要是通过借鉴大量国外研究经验和资料，结 合国内的地理和交通实际情况进行分析对比，从而得出了一些研究成果例如：李征硕士论 文研究了高速公路匝道路段、减速车道及分流区的车辆运行特性及通行能力模型【卅吴兵、 杨佩昆建立了高速道路入口匝道通行能力模型”。李硕、张样提出了以高速公路加速车道合 流等待理论为基础的加速车道长度设计方法和以排队论为基础的入e l 匝道交通控制方法【1 4 】 石小法、李文权等研究了高速公路加速车道长度的设置方法i 明。李铁柱、李文权等分析了在 高速公路加减速车道的合流( 分流) 区车辆的速度、加速度、减速度、合流点分布、汇入问 隙等交通特征l l q 。徐建闽、撒元功研究了高速公路入口匝道实行汇合控制下的通行能力【川 王如一对匝道控制系统的控制形式、必要的技术条件、控制方法和系统构成进行了剖析f 1 8 1 4 第一章绪论 赵春、邓卫等建立了在主路不同交通负荷下的匝道车辆可直接汇入的概率计算模型【1 9 1 。熊列 强，邵春福等给出了出口匝道连接处交通流参数之间关系的理论模型和出口匝道的通行能力 计算模型冽。 1 3 研究内容 1 左转匝道运行数据的调查与分析 左转匝道通行能力研究需要观测一些第一手的数据，数据的准确与否直接关系到分析结 果和参数的标定。主要的调查内容有两个方面： ( 1 ) 几何参数：左转匝道平、纵、横设计标准、车道数，车道宽度；加减速车道车道数、 车道宽度、车道长度、渐变段长度等；匝道的与主路的连接方式、楔形的几何尺寸。 ( 2 ) 交通参数：交通量、车型比例、车头时距、车头间距、车辆速度、车辆加速度以及 视距等 2 左转匝道的基本类型及相应的运行特性分析 左转匝道的基本形式变换多端，按匝道与主路的关系，可分为直接式( 左出左进) 、半直 接式( 左出右迸、右出左进、右出右进) 和环圈式特性分析将主要包括两个方面： ( 1 ) 分析上述三种形式左转匝道在出口和进口段的流量、速度、加( 减) 速度、合( 分) 流行为 ( 2 ) 分析匝道中间路段的各线形和速度、流量问的相互关系 3 不同形式左转匝道的通行能力分析 ( 1 ) 左转匝道中问路段通行能力的确定 分析匝道的线形、设计车速、车辆类型比例和视距等影响匝道中问路段通行能力的因素， 建立匝道通行能力与各参数间的模型关系，并对参数进行定量分析，最终得出不同线形下左 转匝道中间路段的通行能力 ( 2 ) 左转匝道出口、进口处通行能力的分析 分析匝道出、进口通行能力的影响因素。 ( 3 ) 不同组合形式左转匝道通行能力的协调分析 左转匝道的通行能力由匝道出口处通行能力、匝道中问路段通行能力和匝道进口处通行 能力三者中的最小值决定。如果相互间组合不当或是通行能力不协调，都会产生交通“瓶颈”， 导致通行能力的下降，资源的浪费。通过组合，最终给出不同的设计车速条件下，各基本形 式的左转匝道通行能力的推荐值。 4 不同形式的左转匝道通行能力的交通仿真分析 运用t s i s 模拟软件对左转匝道进行微观模拟研究，验证模型的合理性、计算分析的正确 性，分析模型的适用性。 5 左转匝道通行能力研究结果及其应用 总结全文对左转匝道通行能力研究的结果，并说明结果的使用方法 1 4 研究重点、难点及解决方法 本文在对大量的调查数据和资料的分析研究基础上，重点对互通立交系统中左转匝道的 几何特性和车流运行特性进行分析，建立左转匝道通行能力模型；并运用交通仿真软件对左 5 东南大学硕士学位论文 转匝道进行微观模拟研究。研究难点主要有： ( 1 ) 研究所需的左转匝道基础资料的获得 针对互通立交左转匝道的不同形式的几何特点，设计，组织开展实地调查工作。采集所 需的资料数据 ( 2 ) 互通立交系统中左转匝道各部分车流运行特性研究。 将左转匝道分为出口、进口和中间路段三个部分，运用交通流理论重点对出、进1 ：3 处的 流量、流速，分合流行为，中间路段的线形与流速、流量的关系 ( 3 ) 建立左转匝道通行能力模型，确定各类型左转匝道的通行能力 由于左转匝道的通行能力由匝道出口处通行能力、匝道中间路段通行能力和匝道进口处 通行能力三者中的最小值决定。因此，在充分考虑道路几何条件，车辆类型，国内外交通差 异的基础上，运用可插间隙理论和交通流理论建立匝道通行能力模型，并对系数进行回归。 运用系统学对整个左转匝道通行能力进行协调整合，得出不同的设计车速条件下，各基本形 式的左转匝道通行能力的推荐值。 1 5 技术路线和研究方法 1 5 1 技术路线 本论文按照“以系统理论为指导、以观测数据为基础、以计算机模拟为手段”的指导思 想。在对观测数据进行处理与分析的基础上，首先分析互通立交左转匝道的交通流特性，然 后运用交通流理论建立左转匝道的通行能力模型，对左转匝道和其结合部进行协调分析，并 应用髑l s 仿真软件进行左转匝道微观仿真研究，验证通行能力模型，最终给出左转匝道通行 能力的推荐值 图1 - 6 为论文研究技术路线流程图 1 5 2 研究方法 左转匝道通行能力研究涉及到数学模型、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，本文将在系统的分析方法基础上，兼顾到一般与特殊，理论与实践 两个方面，着重采用数理统计、概率论和计算机模拟的方法来进行研究 1 、统计方法 统计方法是研究交通问题最传统，也是最被普遍使用的方法交通规律一般都是隐藏在 大量的、杂乱无章的现场数据里统计方法以大量实测数据为基础，从中找出规律性的东西 进行分析论证，得到交通规律。只有通过统计方法，才能透过事物的表象，把握到事物存在、 运行的深层次的内核 2 、概率论方法 概率论也是研究交通问题的基本方法。交通现象是纷繁复杂的，表面上看来无任何规律 可寻，但无论是交通现象本身，还是影响交通流特征的各种因素，都近似符合某种特定分布。 概率论方法是我们解决交通问题的重要手段 3 、计算机模拟方法 计算机模拟是以系统理论、形式化理论、随机性理论和优化理论为基础，以计算机和模 拟系统软件为工具，对现实系统或未来系统进行动态实验研究的理论和方法交通流具有随 6 第一章绪论 机性的特点。交通系统在某时刻的状态不是确定的，而是按照一定的概率特征来变化。因此 不可能用解确定性问题的方法来求解交通问题。对于外界影响因素比较少，系统内各组成部 分相互作用规律容易掌握的情况，仅仅用概率论方法就可以对系统做出比较透彻的研究。但 由于研究系统组成复杂，系统内各个部分间相互作用关系也很复杂，用概率论方法很难将各 种影响因素考虑完全。因此，应用系统模拟方法来模拟系统的状态变化，进而详细观察系统 在各个时刻的状态，满足研究的需要。 1 6 主要研究结论 圈1 6 研究技术路线流程图 本论文依托于国家自然科学基金资助项目道路互通立交系统通行能力的分析方法( 编 号：5 0 4 7 8 0 7 1 ) 和江苏省交通厅项目江苏省高速公路车道数适应性研究 ，在2 0 0 6 年4 月 1 2 日和1 3 日对苏嘉杭高速公路进行了调查，并应用美国a u t a s a ) p c2 0 0 4 视频处理软件和人工 方法对调查数据进行了处理与分析。本文研究了左转匝道中问路段，驶出道口和驶入道口的 7 东南大学硕士学位论文 流量、车速、车头时距、合流点的分布特性、汇入间隙分布特性等。运用数理统计方法和回 归技术得出了互通立交左转匝道大型车和中型车的换算系数。标定了半直接式左转匝道、环 圈式左转匝道的g r e e n s h i e l d s 模型和u n d e r w o o d 模型，为建立匝道中间路段通行能力模型提供 了前提条件。提出了匝道中问路段通行能力的两大折减系数：累计转角折减系数和圆曲线半 径折减系数，建立了匝道中间路段通行能力模型，给出了各种形式左转匝道在不同圆曲线半 径下的通行能力推荐值，并分析了其服务水平从主线速度与匝道速度的衔接方面，运用二 次减速理论和动力学理论，计算了不同的主线和匝道设计速度情况下减速车道的长度。运用 数理统计方法和回归技术，首先标定了合流区主线外侧车道交通量随主路交通量、匝道交通 量及离鼻端距离变化而变化的线性经验模型。然后运用间隙接受理论分析了匝道车辆在高速 公路合流区的汇入特性，并运用匝道车辆的最大汇入交通量模型，计算了各种形式左转匝道 在不同圆曲线半径下与其匝道中问路段通行能力相匹配的加速车道长度。最后应用仿真软件 t s i s ，对互通立交左转匝道进行了交通仿真研究。 8 第二章左转匝道车辆运行数据的调查和处理 第二章左转匝道车辆运行数据的调查和处理 交通调查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是一项十分平凡，工作量大而又非 常重要的基础工作 交通调查必须依据一定的调查方案合理有效地进行，调查的方案的设计直接关系到调查 数据的准确性，而调查数据的准确与否又宣接关系到分析结果的偏差程度。因此，正确的数 据采集与处理方法将给后面的研究工作在质量上提供可靠的保证 2 1 调查目的 调查取得的数据要实现以下目的： ( 1 ) 描述左转匝道中间路段以及分、合流区上交通量的时问变化特性； ( 2 ) 描述分、合流区上交通量的空间变化特性，主要是车辆在各车道上的分布特性等； ( 3 ) 描述左转匝道中间路段以及分、合流区上车辆运行的速度的特性； ( 4 ) 确定分、合流区主路外侧车道的车头时距分布模型； ( 5 ) 建立左转匝道中间路段以及分，合流区上交通流的速度琉量关系统计分析模型，根 据统计分析模型分析左转匝道中间路段上的通行能力值及各种影响因素对通行能力的影响程 度 2 2 调查内容 主要的调查内容有两个方面： ( 1 ) 几何参数；道路设计等级、主路平、纵、横设计标准、车道数、车道宽度、路缘带 宽度等；加减速车道车道数、车道宽度、车道长度、渐变段长度等； ( 2 ) 交通参数：交通量、车型比例、车头时距、车头间距，车辆速度、车辆在车道中的 分布、车辆加减速度等。 匝道交通调查参数主要分为两种：几何参数和交通参数。参数列表如下： ( 1 ) 几何参数：匝道平、纵，横设计标准、车道致、车道宽度、匝道转弯半径、纵坡坡 度，匝道路段等级、汇合和分离角度、出入口匝道类型。 ( 2 ) 交通参数：交通量、速度、车辆到达形式、车辆组成、随车行为 2 3 观测设备的选用 通过实验采集数据有两大类方法可供选择，即自动采集与人工采集，它们各自的优点和 缺点都非常明显：前者能够以较少的人力花费获得大量的资料。但是对于复杂交通状况( 比 如机非混行、横向干扰严重，车流频繁更换车道的情况) 的适应性不太理想；后者人力花费 比较大，而且难以胜任长时间的连续观测，但是可以处理比较复杂的交通状况 鉴于高速公路是机动车专行，横向干扰小交通状况比较简单，所以本次调查采用自动 9 东南大学硕士学位论文 采集外业主要采集视频数据，设备为摄像机；内业对视频进行分析处理，选用了比较先进 的广域交通流视频检测系统( 晰d ea l c av i d e ov e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e m ) - - - a u t os c o p e2 0 0 4 ，由 美国的i m a g es e n s i n gs y s t e m s , k 研制。 该系统对交通运行状况的视频图像( 实时的视频信号或者资料录像带等) 进行处理，以 设置“虚拟检测器”的方法，可同时获取交通量、车型、速度、密度、车头时距、服务水平 等资料。该系统的硬件部分由以下5 个部分组成1 2 l j ： ( 1 ) 图像传感器或视频源； ( 2 ) 照相机接触面板； ( 3 ) a u t os c o p e 视频处理器； ( 4 ) 视频卡： ( 5 ) p c 机 2 4 样本量的确定 由于交通流中关键的速度、流量参数都是随机变量，为了保证这些参数能够有足够的精 度，必需保证一定的实测样本量。 如果以实测速度作为必需保证精度的参数，理想条件下的最小观测样本量可以按照公式 2 - 1 计算： f 坚丫( 2 - 1 ) iej 其中：n - - 样本量； $ - - 样本标准差，假设速度标准差为5 - - 1 0 k m h ； j 卜常数，当置信度为蛄时，k - - - - 1 9 6 ； e 一容许误差，假设速度容许误差= 2 - - 5 k m h 根据公式2 - 1 ，本次调查设当$ = t k m h ，e = 2 k m l h ，取得最佳样本量为4 8 ；当$ = 1 0 k m h ， k m h ，取得最小样本量为1 6 2 5 调查点的选择 2 5 1 调查点的选点原则 正确选择观测点的主要目的在于能够得到正确反映公路交通流特性的数据观测点的选 择必须以数据后期分析要求为依据，选点应具有代表性 调查点的选择主要有以下几个原则： ( 1 ) 一般情况下，应选择有较好视野，有利于观测，并适合于架设摄像机； ( 2 ) 选点应有较少的外界干扰，即保证不受意外事件影响； ( 3 ) 交通量应足够大 2 5 2 确定调查点 近年来，东南大学交通运输规划与管理项目组对高速公路车辆运行特性等进行了大量的 第二章左转匝道车辆运行数据的调查和处理 研究，取得了较为深入的研究成果。项目组于2 0 0 0 年7 月在京津塘、首都机场及北京东四环 高速公路进行了大规模的调查研究。本文以此数据为基础，并结合个别调查内容于2 0 0 6 年4 月1 2 日( 星期三) 和4 月1 3 日( 星期四) ，运用苏嘉杭高速公路的监控系统获取了大量视频 数据，对原有数据进行了补充。 表2 - 1 为调查点列表 表2 - 1 苏嘉杭高速公路调查点列表 序号 调查地点调查对象 1 苏嘉杭高速公路吴江互通立交半直接式左转匝道 2苏嘉杭高速公路吴江互通立交环圈式左转匝道 3苏嘉杭高速公路吴江互通立交分流区 4 苏嘉杭高速公路黎里互通立交 合流区 2 6 调查数据的处理 a u t o s c o p e2 0 0 4 视频处理系统，能分析处理视频交通画面，自动判别车辆的车型、车速、 车头时距等。检测器布设位置。车型长度划分，统计问隔三个方面直接影响视频的处理结果 2 6 1 检测器的布置 a n t o s c o p e2 0 0 4 视频处理系统，需要在固定的视频画面上设置不同类型的检测器，从而达 到数据采集的目的检测器设置的位置和组合方式的不同直接决定了交通流数据的采集效果。 常用的检测器为计数检测器、速度检测器和站检测器。设置计数检测器时不要画得太长， 否则会重复计入相邻车道车辆。速度检测器是与计数检测器有关联的。设置时需要一定的检 测器长度。所有检测器的数据都是通过站检测器输出的。站检测器只需与计数检测器相连， 就能输出该计数检测器以及与之关联的速度检测器的数据。 2 6 l 1 匝道中间路段检测器设置 由于本次调查的左转匝道中间路段都只有一个车道，其车辆运行状况比较简单，故拍摄 酎选取了匝道的最小圆曲线段。而进行检测器设置时，沿用了高速公路基本路段的检测器设 置方法，只设置了单个的计数检测器和速度检测器 注：图中黑色为计数检测嚣，红色为速度检测器，黑线为路沿，绿线为中央分隅带 图2 1 匝道中问路段检测嚣设置图 1 l 东南大学硕士学位论文 2 6 1 2 匝道出入口检测器设置 匝道出入口的车辆运行状况与整个高速公路分、合流区的车辆运行状况密切相关，在进 行调查拍摄和数据处理时都对整个分、合流区为对象。 1 、分流区检测器设置 在设置分流区检测器时，对于匝道连接形式是平行式时，在分流区始端的主路按车道设 置了两套检测器，分流区末端的主路也按车道设置了两套检测器。分别采集主路各车道的交 通流数据。在匝道口设置一套检测器，检测车辆进入匝道时的交通流数据。为采集驶入整个 分流区的交通流数据，并得到车辆的减速度情况，在分流区内每隔一段距离按车道设置三套 检测器。 在匝道连接为直接式时，即没有减速车道时，应在分流区末端及匝道口分别设置两套和 一套检测器，然后向上游方向按定的间距在主路上设置两套检测器，直至距分流区末端1 5 0 m 左右的位置 注；圈中黑色为计数检测器，红色为速度检测器 圈2 - 2 分流区检测器设置图( 平行式) 2 、合流区检测器设置 在设置合流区检测器时，对于匝道连接形式是平行式时，在合流区始端的主路按车道设 置了两套检测器，合流区末端的主路也按车道设置了两套检测器，分别采集主路各车道的交 通流数据。在匝道口设置一套检测器，检测匝道车辆进入合流区时的交通流数据为采集驶 入合流区的交通流数据，并得到车辆的加速度情况，在合流区内每隔一段距离按车道设置三 套检测器。 在匝道连接为直接式时，即没有加速车道时，应在合流区始端及匝道口分别设置两套和 一套检测器，然后向下游方向按一定的间距在主路上设置两套检测器，直至距合流区始端2 0 0 m 左右的位置。 注：圈中黑色为计数检测器，红色为速度检测器 圈2 - 3 合流区检测罂设置圈( 平行式) 2 6 2 车型长度划分 a u t o s c o p e2 0 0 4 视频处理系统是通过检测车辆长度来判别车型的，车型最多划分为三种 鉴于高速公路交通流组成中存在铰链车和集装箱车，两极分化较大，并且考虑到大型货车、 铰链车和集装箱车对交通流的影响较为严重，所以我们参考汽车库建筑设计规范 ( j g j l 0 0 - 9 8 ) 阎中汽车设计车型外廓尺寸和公路路线设计规范 ( y i b d 2 0 - 2 0 0 6 ) 咧中设 计车辆外廓尺寸后，对车型按长度划分了三类，见表2 - 4 第二章左转匝道车辆运行数据的调查和处理 表2 - 2 汽车设计车型外廓尺寸 外廓尺寸( m ) 车型 总长总宽总高 微型车3 5 01 舯1 小型车4 8 01 2 轻型车7 j d 02 1 02 中型车 9 j d 0瑚3 2 0 ( 4 0 0 ) 大型客车1 加o 2 j o3 加 铰接客车1 8 肿瑚3 2 0 大型货车 1 0 j d o2 5 04 铰接货车 1 6 5 02 j o4 肿 注：括号内尺寸用于中型货车 表2 - 3 设计车辆外廓尺寸单位( m ) 车辆类型总长总宽总高前惫轴距后悬 小客车61 820 工3 81 4 载重汽车 1 2”41 56 54 鞍式列车1 6 2 541 24 + 8 82 表2 - 4 苏嘉杭高速公路车型划分 l车型 小型车中型车大型车 i总长( m ) 5 加 ( 1 1 1 1 舯 2 6 3 统计间隔 a u l 稍2 0 0 4 视频处理系统输出的数据分为间隔数据和事件数据。问隔数据与统计间隔 有关，它是统计统计问隔内所有车辆的平均车头时距、时间平均车速和空间平均车速( 由于路 段距离较短，二者差异不大，车型组成、密度等。事件数据与统计间隔无关。有一车辆通过 检测器即视为一事件事件数据主要包括车辆到达时刻、车速、车长的全部信息，当然由此 也可推出相应的分车型流量阿补充问隔数据中只有三种车型的不足) 但是从实际检测效果上 看，有些车长数据明显不合理，建议在使用事件数据时应结合具体情况对不合理事件进行剔 除 在建立流量、速度、密度关系等交通流统计模型或标定模型参数时，首先需要确定统计 间隔。统计间隔的确定非常重要，它直接影响道交通流模型曲线的形状，特别是在接近通行 能力和拥挤区附近曲线的形状冽 根据一般的经验，当统计问隔增加时，观测点分布的离散性将降低，此时能较好地确定 一个适合于这些数据的平顺而连续的曲线统计间隔越短，个别特殊车辆及交通流的随机因 素的影响就越明显。 早期的国内外学者在研究交通流通及模型时，经常把1 5 分钟作为分析交通流统计模型的 统计间隔。在近年的关于交通流流量、速度、密度的关系研究中，有些学者认为1 5 分钟的统 计间隔可能会使不同状态下的交通流数据混合，不便于研究接近通行能力时的交通流运行状 况。许多研究成果表明，当流率接近通行能力时，交通流处于极度不稳定状态，交通流从一 种状态向另一种状态的转化仅发生在一分钟之内，因而大流量的状态不可能持续到1 5 分钟。 东南大学硕士学位论文 考虑到在交通流达到通行能力以上，交通流呈现不稳定性和非连续性，采用1 5 分钟的统 计间隔往往得不到某一交通状态附近的稳定值，这会给统计分析交通流的整个变化状态，建 立交通流统计分析模型造成困难。因此，我们希望在保证反映交通特性的前提下缩小统计间 隔，以5 分钟为统计间隔。 2 7 数据处理结果 2 7 1 几何特性参数 2 7 1 1 匝道中问路段断面参数 表2 5 左转匝道基本路段参数单位( m ) 断面左侧车道右侧左、右圆曲线 匝道类型车道数 宽度硬路肩宽度硬路肩土路肩半径 半直接式式左转匝道8 51 3 50 7 516 7 5 环圈式左转匝道8 51 o o3 52 50 7 516 5 2 7 i 2 匝道出，入口几何参数 表2 - 6 左转匝道分、合流区几何参敦 主路 加( 减) 速车道 调查对象 单向 车遭宽度( m ) 车道 车道教 车道宽度车道长度 车道教型式 ( m ) ( m ) 分流区2 3 7 5 直接式l3 j1 舵 合流区23 7 5平行式13 52 1 8 2 7 2 交通流特性参数 2 7 工l 匝道中间路段交通流参致 表2 - 7 半直接式左转匝道车流量统计表 流量 车型数t ( v c h ) 车型比例( ) 时间段 ( v e h h )小型车中型车大型车小型车中型车大型车 1 2 ；0 0 一1 3 l 3 8 18 41 1 1 4拗4 8 02 9 9 1 3 ：0 0 一1 4 ；4 7 61 1 91 如1 6 72 5 且 3 9 93 5 1 1 4 ：0 0 - 1 5 ：0 05 1 41 6 01 6 61 黯3 1 13 2 33 6 6 1 5 ：0 0 - , 1 6 ：4 2 01 0 91 8 11 3 0拍d4 3 13 1 m 1 6 ：0 0 一1 7 ：3 9 68 61 6 61 4 42 1 74 1 93 6 4 1 7 ：鼽1 8 ：0 03 8 16 52 1 1 61 7 1 5 2 j4 平均 4 2 9 1 舛1 8 11 4 42 4 24 2 23 3 6 1 4 表2 - 8 环圈式左转匝道车流量统计表 流量 车型数量( v e h ) 车型比倒( 时问段 ( v c h m ) 小型车 中型车大型车小型车中型车大型车 1 2 ：o o 一1 3 ：5 81 53 672 5 96 2 1 1 2 1 1 3 ：0 0 一1 4 ：0 07 41 3 5 0 l l 1 7 66 7 石1 4 9 1 4 ：0 d 一1 5 ；3 1 81 4 91 2 24 74 6 93 8 41 4 8 1 5 ：0 0 - 1 6 ：0 06 985 11 01 1 石7 3 j 1 4 5 1 6 ：0 睢1 7 ；9 8 2 4 5 51 92 4 55 6 11 9 1 7 ：o o l8 0 09 33 94 41 04 1 94 7 3 1 0 8 平均1 2 04 26 01 83 5 o 卯m1 5 0 表2 - 9 半环圈式左转匝道车流量统计表 车头时距 匝道类型 速度均值( k m h ) 均值方差k 半直接式左转匝道1 2 1 4 1 9 5o 75 5 1 环圈式左转匝道4 52 6 ”砷0 4 95 4 5 ”j 垃匝道出、入口交通流参数 由于匝道出、入1 2 1 在分、合流区内部，其交通特性及通行能力受整个分、合流区的 影响很大，所以要分析匝道到出、入口的交通特性和通行能力就必须对整个分、合流区 进行交通调查。 分流区 表2 1 0 分流区车流量统计表 车型比例( 断面 车道 流量岫) 小中大 外侧车道1 52 0舒3 5 8 分漉区末靖 内侧车道 1 82 2 3 9 3 外侧车道1 21 8 7 0 3 5 2 分流区末端前3 0 米 内翻车道1 22 5 6 3 4 9 4 外翻车道1 31 96 83 4 7 分流区末端前1 2 0 米 内侧车道1 32 46 35 0 l 减速车道1 31 37 4 1 2 0 表2 - 1 1 分流区车头时距和车速统计表 车头时距 断面车道 速度均值f k n v h ) 均值方差k 外俺车道 1 5 s b3 5 6 6 7o 7 l 6 5 朋 分流末端 内侧车道 8 9 91 1 7 帕 o 7 4 7 6 外侧车道1 6 酪2 粥6 30 9 37 9 1 2 分流区末端前加米 内侧车道9 5 51 4 3 9 10 6 3 8 7 3 2 外侧车道1 7 “4 6 7 0 0o 6 7 印8 6 分流区末端前1 2 0 米 内侧车道 1 3 3 5 3 伽l 3 5嘶8 7 减速车道 4 9 3 7 7 7 2 4 5 5n 3 2 5 7 3 2 东南大学硕士学位论文 表2 - 1 2 合流区车流量统计表 车型比例( )流量 断面车道 小 中大( v c h h ) 加速车道鼻端加速车道 7 0 1 31 78 2 加速车道鼻端后砷米加速车道5 52 22 34 0 加速车道鼻端后1 2 0 米加速车道 4 03 3 2 83 0 内侧车道2 24 92 93 9 3 合流区始端 外侧车道 2 14 93 0 7 6 内侧车道2 1 4 8 3 13 3 4 合流区始端后米 外侧车道一2 44 33 32 0 4 内侧车道1 94 83 33 5 4 合流区始靖后1 2 0 米 外侧车道 2 25 02 8 2 0 b 内侧车道 2 0 4 33 73 7 1 合流区末端 外侧车道1 95 03 21 9 4 表2 - 1 3 合流区车头时距和车速统计表 车头时距 断面车道 速度均值o a 舯 均值 方差 x 加速车道鼻端加速车道 6 9 3 2 1 0 9 2 9 9 0 0 4 46 4 j 6 加速车遵鼻端后米 加速车道1 10 粥4 6 4 5 5 印0 2 65 9 5 4 加速车道鼻端后1 2 0 米加速车道2