（交通运输规划与管理专业论文）经济圈城际高速公路路段阻抗函数研究.pdf

摘要 摘要 路阻函数模型在路网分析中应用广泛，它是进行网络交通分配、网络交通质量评价的基础。目 前，我国在公路网交通分配中普遍采用美国联邦公路局推荐的b p r 函数模型，由于b p r 函数本身的 缺陷及国内外交通状况、国内不同地区不同等级公路交通组成的差异，其应用效果并不理想。基于 此，从我国公路实际情况出发，依据自身的交通流特性建立实用路段路阻函数模型显得尤为必要。 本文以国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划编号：2 0 0 7 a a l l z 2 0 2 ) 为依托，对珠三角地区广佛 高速公路的交通组成、速度一流量模型进行了研究，建立了拥挤流、非拥挤流统一情况下的高速公 路段阻抗函数模型。对于交通流量大、负荷高的高速公路，采用本文所建路阻函数模型，可取得良 好的交通分配效果。 论文首先研究了以速度一流量模型、路段阻抗模型研究为导向的交通调查内容、交通调查方案、 统计间隔、最少样本量的确定问题，对广佛高速公路进行了交通调查，获得了足够的实测数据样本。 通过对大量实测数据的预处理，获取有效数据样本，采用s p s s 软件，分别拟合出了拥挤流、非拥挤 流状态的速度一流量二次曲线模型，并对模型进行了检验。此后，在所建速度一流量二次曲线模型 的基础之上，对路段行驶时间与流量关系式进行了推导，得到路段行驶时间与流量关系的推导式。 利用实测数据重新标定了经典b p r 函数，得到改进的b p r 函数。通过比较分析经典b p r 函数、改进的 b p r 函数、推导式之间的差异及优缺点，对推导式进行了拟合，得到新的路段路阻函数模型，该模 型具有理论支持好、实用性强、适用范围广的特点。 关键词：路阻函数模型；经济圈；高速公路；拥挤流；非拥挤流；速度一流量模型 a b s t r a c t a b s t r a c t r o a di m p e d a n c ef u n c t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nr o a d w a yn e t w o r ka n a l y z i n g ，w h i c hi st h e b a s i co fr o a d w a yn e t w o r kt r a f f i ca s s i g n m e n ta n de v a l u a t i o no fn e t w o r k q u a l i t ya tp r e s e n t ，w e w i d e l yu s eb p rf u n c t i o nm o d e lr e c o m m e n d e db yt h ef e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o nf o r o u ro w nn e t w o r kt r a f f i ca s s i g n m e n t b u tt h er e s u l ti sn o ts a t i s f y i n gi ns o m ec a s e sw i t hi t s d e f a u l ta n dt h ed i f f e r e n tt r a 饿cc o m p o s i t i o nb e t w e e nb o t ha th o m ea n da b r o a d b e s i d e st h e d i s t i n c tt r a f f i cc o n d i t i o no fv a r i o u sg r a d eh i g h w a yi nd i s p a r a t ea r e aa l s oh a v es o m ea d v e r s e e f f e c t si ni t sa p p l i c a t i o n f o rt h i s ，e s t a b l i s h i n gi m p e d a n c ef u n c t i o n sf o ro u rh i g h w a yi sv e r y n e c e s s a r y s u p p o r t e db yn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yf o u n d a t i o np l a n n i n go fe r c h i n a ，t h ep a p e r r e s e a r c h e st h et r a f f i cc o m p o s i t i o na n ds p e e d - f l o wr a t em o d e lo fg u a n g f oh i g h w a yi np e a r l r i v e rd e l t a a f t e rt h i s ，e s t a b l i s ht h er o a di m p e d a n c ef u n c t i o nf o rb o t hh e a v ya n dn o n - h e a v y t r a f f i cc o n d i t i o n w h e nu s e df o rt h e s eh i g h w a y sw h i c hh a v el a r g et r a f f i cf l o wa n dh i g hd e g r e e o fs a t u r a t i o n ，t h er o a di m p e d a n c ef u n c t i o nc a ng e tag o o dr e s u l t f i r s t l y , t h ep a p e rr e s e a r c h e st h et r a f f i cs u r v e ys c h e m ea n dt h et e c h n i q u eu s e di n p r o c e s s i n gt h el a r g ev o l u m eo fs u r v e yd a t a 。w h i c ha r ee s s e n t i a lt oe s t a b l i s ho ft h en e e d e d m o d e l a n db a s e do nt h i s ，t h ea u t h o rg o ts u f f i c i e n td a t ab ys u r v e y i n gg u a n g f oh i g h w a y s e c o n d l y , w ed e a lw i t ht h ea c t u a lm e a s u r e m e n td a t aa n do b t a i ne f f e c t i v ed a t a b yu s i n g s o f t w a r eo fs p s st h ep a p e rs e p a r a t e l yf i tt h es p e e d f l o wr a t eq u a d r a t i cc u r v eo fg u a n g f o h i g h w a yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fh e a v ya n dn o n h e a v yt r a f f i ca n dt e s tt h em o d e l t h i r d l y , b a s e do nt h ee s t a b l i s h e ds p e e d f l o wr a t eq u a d r a t i cc u r v em o d e l a c q u i r et h er e l a t i o n a l e x p r e s s i o no fr u n n i n gt i m ea n df l o wr a t e b yr e l a b e l l i n gt h eb p rm o d e l ，t h ea r t i c l eg e t i m p r o v e db p rm o d e l a f t e ra n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c ea n dm e r i t d e m e r i to fb p rm o d e la n d i m p r o v e db p rm o d e la l s ow i t hd e r i v a t i o nf u n c t i o n ，t h ep a p e ra c q u i r ean e wr o a di m p e d a n c e f u n c t i o nw h i c hi sm o r ep r a c t i c a b i l i t ya n dh a sam o r ew i ( 1 e l yf i e l do fa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r o a di m p e d a n c ef u n c t i o n ；e c o n o m i cc i r c l e ；h i g h w a y ；h e a v yt r a f f i cf l o w ； n o n h e a v yt r a f f i cf l o w ；s p e e d f l o wr a t em o d e l 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： 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：主q 垄二里基导师签名： j 讴i冼 期：幽q 目 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 大城市经济圈是指以经济比较发达并具有较强城市功能的中心城市为核心，与其具有紧密经济 联系和地域相邻的若干周边城镇覆盖的区域所组成的，经济吸引力和经济辐射力能够达到并促进相 应地区经济发展的最大地域范围，是一个国家最具创新活力的区域，对整个国家的经济发展具有强 大的带动作用。改革开放以来，我国已经初步形成了长江三角洲、珠江三角洲和京津冀等三大代表 性的经济圈，其它一些经济圈也在形成之中。这些经济圈的崛起对中国经济的持续快速发展起到了 至关重要的作用。 经济圈的飞速发展带来了交通需求的快速增长，经济圈内交通系统的配置也从客观上制约了经 济圈空间结构的拓展和客货流的正常移动。由于我国经济圈发展的速度特别快，加之对于经济圈内 交通系统与区域经济发展的规律性认识不足，导致经济圈内交通系统的配置缺少系统优化，交通基 础设施的建设带有一定的盲目性，造成了资源的浪费，尤其是经济圈内交通方式的体系构成和交通 运输设施的空间布局更是缺乏统一的规划协调。 城际高速公路作为城市紧密联系的纽带，是区域一体化发展水平和区域间竞争合作的关键影响 因素。随着区域一体化的发展与经济的持续发展，经济圈内部的交通也将越来越活跃，区域内部各 城市间的交通需求、道路基础设施状况也将随之改变，如道路上交通方式构成的改变、收费政策的 实施，均为出行路径选择的重要影响因素。如何将这种变化反映出来，建立切实的交通模型，以合 理指导区域道路网络系统的规划和建设显得尤为迫切。阻抗函数是路网交通分配的基础模型，准确 的阻抗函数将使得分配结果更为可靠，从而为交通方案评价及交通流管理控制提供更真实、更具指 导意义的数据。再者，阻抗函数作为交通流预测的基础模型，对于评价交通规划设计合理与否也具 有关键性的作用。因此，路阻函数作为交通分配与交通流预测的基础模型，必须保证其准确性与科 学性。基于以上考虑，本论文选择路阻函数作为研究对象，对经济圈城际高速公路路段阻抗函数进 行深入研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 国外许多学者对于路阻函数模型进行了深入的研究，提出了不同的函数模型并对其进行了修正、 发展。这些研究中有的是通过观测数据进行回归分析的，有的是进行理论研究的，其中一些在实际 应用中取得了较好效果，具有代表性的有以下几个模型： ( 1 ) 经典b p r 函数及其修正模型 在路阻函数的研究中，美国联邦公路局( b p r ) 的路阻函数模型b p r 函数是最有代表意义的 一个研究成果，此模型在交通规划界影响最大，使用最广，其数学表达式为： 东南大学硕士学位论文 t ( q ) = t o 1 + a ( q c ) 】 ( 1 1 ) 式中：如卜当流量为q 时路段上的行程时间； t o 一零流量时车辆在路段上的行驶时间； c 一路段的实际通行能力； 口、模型参数， 其中，参数值a = o 1 5 ，1 3 - - 4 的模型被称为经典b p r 模型，此模型是 1 9 6 5 版h c m 的速度- 流量曲 线为基础。它的问题在于：当q c l 时所预测的速度值偏大，而对于q ，c i 0 情况 下的车流速度，限制其在交通规划模型中的应用。1 9 9 7 版h c m 中增加了对拥挤车流和排队释放时 的车速一流量的研究，但是没能得出明确的结论。2 0 0 0 版h c m 与1 9 9 7j 扳h c m 中的速度一流量曲线则 没有变化。 ( 3 ) d a v i d s o n 函数阻抗模型与a k c e l i k 模型 d a v i d s o n ( 1 9 6 6 年) 在应用排队论的基础上提出了具有渐进性的阻抗函数【9 】，克j j 艮- yb p r 模 型当流量接近通行能力不适应实际情况的不足，因此被称为b p r 模型的改进模型。d a v i d s o n 阻抗函 数形式如下： f ( 日) = t o 1 + j ( 口( c 目) ) ( 1 - 3 ) 2 第一章绪论 式中，为模型的曲率参数，其余符号含义同式( 1 - 1 ) 。 d a v i d s o n 函数可以应用于任何一种道路设施，既可以应用于q c l 的情况，也可以应用于q c l 的情况。但是，此模型由于参数意义上的一些矛盾遭遇了激烈的讨论，之后有许多研究者在此基础 上发展出了多个改进模型( g o l d i n 9 1 9 7 7 羽，d a v i d s o n l 9 7 8 嗍，r o s e ，t a y l o ra n dt i s a t o1 9 8 9 埘， a k 9 e l i k l 9 9 1 ) ，其中得到广泛应用的主要是a 吣e l i k 模型1 1 1 ，其出行时间预测公式如下： 。1 + 0 2 5 和咖厕丐 ， 其中：卜单位距离的平均出行时间( 如h k r n ) ； 卜单位距离的自由流出行时间( 如h k m ) ； 卜计算流量的时间段( 通常为l h ) ( h ) ； 卜一交通负荷度q c ； q _ 通行能力( v p h ) ； 一延误参数。 延误参数厶是由道路条件和交通需求的变化等各方面造成的延误的函数。 假定上式中x = 1 0 0 ，则可以由此解得： j = 2 q ( t 。一t o ) 2 ( 1 - 5 ) 其中，为交通负荷度( q c ) 为l 时的单位距离出行时间( m ! 【m ) 。 此延误函数考虑了排队引起的延误，并且可以用于任何类型的道路。此函数的假设条件是；在 分析时段( t ) 的起始没有排队，并且在分析时段内没有高峰需求。 d o w l i n g t l 2 1 通过对b p r 函数和a 吣e h k 函数的精度和计算机的运行时间进行比较，发现a k 9 e l i k 模 型在进行交通分配时所需的计算时间方面比b p r 函数有很大的改进，并在一定的需求范围内，能比 标准b p r 函数提供更高精度的速度估计。 有研究【5 1 将灿晦e l i k 模型曲线同i v l t c 模型、h c m1 9 9 4 模型、经典b p r 模型等作了比较( 如图1 - 1 和图1 2 ) ，发现：在交通负荷q c 处于【1 0 ，1 5 1 区间时，a k 9 e l i k 模型曲线比m t c 速度一流量函数曲 线更陡峭，而当交通负荷q c 处于【1 0 ，1 5 】区间之外的部分，m t c 速度流量函数曲线都比舢驴珏k 模 型曲线陡；以自由流速度为6 0 m h 的高速公路为例，当q c 达到1 0 时，a k 弘l i k 模型得到的速度值大 约为4 5 m p h ，而m t c 模型的速度值5 0 m p h ：当交通负荷q c 超过1 0 后，a k c l i k 模型的出行时间以 近乎线性的形式增长，而m t c 模型的出行时间以非线性的形式增长，如图1 2 所示。由于出行时间的 非线性增长与排队论理论相反，因此，a k q e l i k 模型比m t c 模型在理论上似乎更具说服力。 3 东南大学硕士学位论文 互 毛 蚺 兰 岂 f 孳 罡 v o l u m e - t o - c 狮c i t yr a t i o 图1 1 b p r 、m t c 、a k 9 e l i k 以及1 9 9 4h c m 模型的速度一流量函数比较 口1u z0 习u q0 0u o0 7口8u 911 11 z1 二，1 q1 o v o l u m e - t o c a p a c i t yr a t i o 图1 2 b p r 、m t c 、a k q e l i k 以及1 9 9 4 h c m 模型的出行时间函数比较 ( 4 ) 英国t r r l 速度流量关系模型 英国运输部以实测数据为基础的建立了适用于其城市道路的速度流量关系模型。该模型是针 对城区、郊区、城际间不同道路分别进行研究的结论，经实践表明是适合英国交通特点和道路条件 函数模型。他们推荐的适用于城市中心区新建道路的交通阻抗模型是： v q = 4 9 9 0 1 6 3 ( q + 4 3 0 ) ( w r ) ，1 6 v q 3 8 k m h ( 1 - 6 ) 适用于其它城市道路或较高车速的道路，模型为： k = 6 7 6 一o 1 2 3 ( q + l o o o ) ( w r ) ，3 2 k 5 6 k m h ( 1 - 7 ) 式中：v q 一交通量为q 时的路段行车速度，k m h ； 嘶车道宽度，m ：只l 行车道宽度的减少值，m 。 ( 5 ) 日本和德国交通部门采用线性函数路段阻抗模型 德国根据各类城市道路功能及其横断面尺寸的划分，编制了一系列的f 4 - 吼曲线用以确定道路实 际通过能力，然后求它们之间的关系勿。模型中参数的标定需要大量的实际调查数据，而对于不同 的国家、不同的城市，其数据的取值也是不同的，因此要使用这些模型，需要有大量观测数据为前 提。 日本道路公团的转移率方法综合考虑了行程时间对驾驶员选择行驶路线的影响、道路收费及车 辆营运费用对驾驶员选择路线的影响，建立了新的路阻函数，能较好的应用于收费道路、道路等级 4 嗡 眈 邮 j 堇 o 第一章绪论 差异较大的路网交通分配【l3 1 。 1 2 2 国内研究概况 国内有关阻抗函数的研究主要集中于城市道路路段这一领域，而对城际高速公路路段阻抗函数 的研究较少，具有代表性的主要有： 对公路路阻函数的研究： 东南大学王炜教授根据中国道路收费制度，建立了道路收费口排队模型，提出了收费口排队车 辆的延误计算方法以及收费过程对道路行程时间影响的分析方法，对收费道路的交通阻抗进行了分 析【1 4 1 ；黄树盛博士对公路路阻函数关系式进行了推导并对非拥挤路网的的b p r 函数参数进行了拟合 1 5 1 0 哈尔滨工业大学的裴玉龙教授、盖英春着重讨论了公路收费对路段行程时间函数的影响，并对 以往的行程时间函数进行了修正，使其更加客观、合型捌。 对城市道路路阻函数的研究： 同济大学的杨佩昆教授、钱林波等以路段行程时间函数的理论特性为基础，结合城市道路断面 不同路幅形式下的交通运行状态，建立了不同路幅形式道路的路段行程时间函数模型 1 6 1 0 东南大学 陈学武教授通过对实测数据进行线性回归得出不同交通管制条件下的路段行程速度与各影响因素间 的关系模型，考虑的影响因素主要有机动车负荷、非机动车负荷、公交车停靠、横向行人干扰等1 7 1 ； 尹红亮博士以b p r 模型为基础，考虑了影响车辆运行的各种因素，建立了不同道路类型和交通管理 方式下的路阻函数模型1 8 1 ；任刚研究员在其博士论文中对交通管制措施下路段阻抗函数的分类及其 标定、交叉口转向延误函数的建立及应用进行了研究1 9 】；全林花在其硕士论文中重点考虑了机动车 流量、大型车辆、非机动车以及行人干扰等因素的影响，建立了城市道路实用路段路阻函数模型 2 0 】。 吉林大学马莉在其硕士论文中概括总结了城市道路路段、交叉口阻抗函数模型体系并介绍了模型中 参数的标定方法口1 】；葛兴利用排队论、车辆跟驰理论等分别对公交影响路段、非机动车影响路段的 延误和行程时间进行理论推导1 2 2 1 。哈尔滨工业大学的孟祥海以实际调查数据为基础，确定了基于实 时信息的城市快速路以及主干路的路阻函数的形式及计算方法瞄】；中南大学的熊桂林与华东交通大 学的查伟雄等利用带容量限制的排队论模型，分析了一般道路的交通阻抗问题，并给出了具体的函数 表达式【2 4 j ；长安大学的王元庆综合考虑行程时间、交通量、费用和城市节点的影响，建立了适合城 市道路网的综合路阻函数模型，并将时间价值与费用相统一，使模型更能反映实际情况瞄】。 1 2 3 现有研究理论总结 国内外有关路阻函数的研究情况，概括起来有以下两点： ( 1 ) 国外有关阻抗函数理论研究已经比较成熟，模型的实用性较好，主要是由于国外的交通组 成较为简单。 ( 2 ) 国内有关路阻函数的研究主要是对b p r 模型相关参数的修正，近年来有关城市道路路阻函 数的研究也日益完善，模型的研究过程中考虑了各种交通管理方式、横向干扰等因素，模型的实用 性、真实性得到了增加，但对于分等级公路的阻抗函数研究则较少。 1 3 研究目标及意义 高速公路是经济发展的产物，是一个国家现代化水平的重要标志之一。我国自从1 9 8 8 年1 0 月3 l 5 东南大学硕士学位论文 日上海至嘉定1 8 5 公里的第一条高速公路正式建成通车以来，高速公路建设突飞猛进：1 9 9 9 年突破1 万公里，2 0 0 1 年达到1 9 万公里，2 0 0 4 年突破了3 万公里，2 0 0 5 年达到4 1 万公里，2 0 0 6 年我国高速公 路总里程进一步达到4 5 4 万公里，居世界第二，我国横贯东西、直通南北的高速公路网基本形成【2 6 l 。 高速公路的发展，极大地提高了我国公路网的整体技术水平，优化了交通运输结构，缓解了交通运 输对国民经济的“瓶颈”制约作用，有力地促进了我国经济的快速发展和社会进步。介于高速公路 在我国国民经济和社会发展中的重要性，伴随着高速公路在我国的飞速发展，国内有关高速公路通 行能力、交通量预测方面的研究成果颇丰，然而对在交通分配中扮演重要角色的路阻函数模型的研 究却很少涉及。目前我国在公路交通分配中普遍采用美国公路局提出的b p r 函数作为其路阻函数模， 由于b p r 函数本身的缺陷及中国与美国的交通差异性，其分配结果并不理想，尤其是路段分配流量 超过通行能力即交通流溢出现象明显，造成了交通分配的失真，加大了投资的盲目性。 此外路阻函数模型在路网分析中也非常重要，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广泛应用【l j 。 基于路阻函数在交通规划中的重要性，本文将从我国经济圈内城际高速公路的道路交通流特性 入手，建立符合我国实际情况的高速公路路段阻抗函数，以期提高我国高速公路交通分配的准确性， 为交通规划和交通项目评价提供依据。 1 4 研究方法与思路 目前对路阻函数的研究主要有以下三种方法：一是根据大量的车速、流量及其它交通条件、道 路几何条件等实测数据，建立这些变量与行程时间之间的线性或者非线性模型；二是根据交通流三 参数之间的关系模型，推导出交通负荷与速度之间的关系，通过对实际道路条件和交通状况进行修 正得到；三是应用排队论或模拟软件推导除流量之外的其它因素对机动车流的延误。思路一工作量 很大，但因来源于大量的实际数据，因此所建立的模型精度高，实用性强；思路二不需要大量调查， 由于采用的是现有的交通流模型，未必符合实际情况，因而模型的精确性不能保证；思路三所得出 的模型具有一定的理论依据，但模型复杂，所需数据较多，难以广泛应用。 基于上述各思路的不足，为取长补短，在资源耗费最少的条件下获得高精度、实用性强的交通 流数据，本论文在思路二的基础之上，首先利用实测数据拟合出所研究对象的速度一流量模型，然 后利用所建模型对路段行驶时间和路段流量之间的关系式进行推导，最后通过比较分析推导式与 b p r 函数的差异，对模型进行修正，得出符合我国经济圈实际情况的高速公路路段阻抗函数。 1 5 研究内容 1 5 1 主要研究内容 在现有研究成果的基础之上，结合经济圈内的交通需求特性及交通基础设施特性，本文将从经 济圈内城际高速公路的交通流特性研究入手，建立高速公路速度一流量关系模型、高速公路路段阻 抗函数模型： 6 第一章绪论 ( 1 ) 数据的调查与处理方法 现有高速公路交通参数检测技术方法比较分析及高速公路所需调查数据类型、调查路段的选取 原则的确定。在分析现有各种调查方法特点的基础上，结合研究对象的基本特点确定调查方法，形 成调查方案。 ( 2 ) 经济圈城际高速公路交通流特性分析 交通运输水平同区域经济、人口、城市空间布局存在很大联系。经济圈紧密的经济联系、高密 度的人口分布及特殊的空间结构，尤其是“小时交通圈”概念的提出必将导致其交通流较普通地区 发生改变，显著的改变之一就是交通流量的增加。交通流作为路阻函数的重要影响因素，关系到路 阻函数的精确度高低与否。本部分将通过所获取数据对经济圈高速公路的交通流特性进行分析。 ( 3 ) 高速公路速度一流量模型的建立 已有速度一流量模型及其研究思路的优缺点分析：相关学科知识在建模中的应用；模型形式的 选取及模型参数的标定。 ( 4 ) 高速公路路段阻抗函数模型的建立、标定及比较分析 经典b p r 函数模型标定过程的推导及算法研究，利用实测数据对经典b p r 函数模型进行标定， 得出改进的b p r 函数模型。基于速度一流量模型的路段行驶时间与流量关系式推导。推导式与b p r 函数模型、改进的b p r 函数模型的差异及优缺点分析。理论支持更好、适应性更强、适用范围更广 的路阻函数模型的建立。 1 5 2 论文章节安排 论文的章节关系如图1 3 所示： 7 东南大学硕士学位论文 绪论( 第一章： 0 高速公路交通流模型研究 车 数辆 据 分 调 菱查 享 与 速度一流量模型( 第四章： 处 理 方 法 ，、 路阻函数模型( 第五章： 第 二 童 、， 上 结论与展望( 第六章： 图1 3 本论文的章节关系 8 第二章数据调查与处理方法 第二章数据调查与处理方法 交通基础数据的合理性、典型性直接关系到所建交通模型的精确性、实用性，因而选取合适的 调查方法、设计合理的交通调查方案、采用可靠的数据处理方法在交通建模的前期准备工作中尤其 重要。本章主要对高速公路交通参数的调查方法进行回顾分析，通过分析选取合适的调查方法，得 到实测数据并对其进行处理，以便获得更具代表性的交通数据源，为后续模型的建立奠定基础。 2 1 调查内容的确定 2 1 1 阻抗函数的定义 路段阻抗是用来表述车辆沿路段行驶过程中遇到阻力大小的物理量，反映车辆通过路段的通达 程度及顺畅程度。路段阻抗函数是用来计算路段阻抗随影响因素变化而取不同值的式子。路段阻抗 有多种表达形式，一般用距离、时间、速度、费用或者它们的某种加权平均结合来定义，简述如下 【2 7 】： 1 、用“运行距离”来表示，即以机动车运行路径的长度来表示； 2 、用“行程时间”来表示，即以机动车在路段上的行程时间来表示； 3 、用“行程车速”来表示，即以机动车在路段上的空间平均车速来表示； 4 、用“广义时间”来表示，其中包括车辆在路段上的运行时问和将费用按一定标准折算成的时 间； 5 、用“广义费用”来表示，其中包括有形费用和无形费用( 即路段上的运行时间按照一定的标 准折算成费用，以货币形式来表示) 。 2 1 2 阻抗函数的影响因素 在城市道路中，断面形式为一块板的道路是最典型的混合交通，所有的通行者( 机动车、非机 动车和行人) 都混杂在一起，它们相互之间没有物理分隔设施，对于机动车而言，影响因素最多， 因此我们首先以一块板的双向通行道路为例，定性分析影响交通阻抗的各个因素。而其他道路形式 的影响因素则可以与其进行类比分析，具体地说就是将对其它断面形式不产生影响的因素从一块板 道路的影响因素中删减出去18 1 。将影响路段阻抗的因素分为两大类勰】：交通运行影响因素和非交通 运行影响因素。 交通运行影响因素主要有以下5 个： l 、本向机动车：其影响主要表现为以下两方面：一是交通量，当本向机动车流量增大时，机 动车之间的相互干扰增强，其受到的交通阻抗随之增大；二是车种构成( 即大、中型车所占的比例) ， 一般交通阻抗随着大、中型车比例的增加而增大，因为大、中型车的行驶性能较差，其数量的增加 导致车辆间的相互干扰程度增大，从而使交通阻抗增大； 2 、本向非机动车：当未设置机非物理隔离设施时，干扰的程度体现在非机动车流量上，当非机 动车的流量逐渐增大时，非机动车会侵占机动车的行驶空间，影响本向机动车的运行，从而使机动 9 东南大学硕士学位论文 车的交通阻抗增大： 3 、对向机动车：当未设置中央分隔带时，干扰的程度体现在对向机动车流量大小方面，当对向 机动车流量增大到一定程度，双向车流会车时，车辆会减速慢行，交通阻抗增大； 4 、行人：当行人走在车道上或穿越车道时，机动车驾驶员为了防止事故的发生，必然减速慢行， 所以行人流量越大，机动车受到的干扰就越大，其交通阻抗就越大； 5 、调头车辆的干扰：不论是本向还是对向的机动车调头都会增加本向机动车的交通阻抗，因为 车辆调头时横穿车道会对本向车流的正常行驶状态产生影响，所以其交通阻抗增大。 非交通运行影响因素：道路几何条件和交通条件，如道路宽度、道路的空间( 平、纵、横) 线形、 天气状况等。在路段阻抗函数模型中，自由流车速和道路的通行能力可以很好地反映道路宽度和道 路的空间线形两个影响因素，而一般对交通流的研究又都是以正常的晴朗天气为主，所以天气条件 因素可以不予考虑。 2 1 3 高速公路道路交通特性 高速公路是专供汽车行驶的专用公路。在高速公路上严格控制出入，往返车辆在分隔的车道上 快速行驶，全部交叉口采用立体交叉，并采用较高的技术标准，设置完善的交通设施，从而为汽车 的快速、安全、舒适、连续地运行提供了条件和保证。与一般公路相比，高速公路在功能上具有如 下特点2 9 1 ： 1 、实行交通限制，规定汽车专用 交通限制主要指对车辆和车速的限制，凡非机动车辆和由于车速限制可能构成危险和妨碍交通 的车辆均不得使用高速公路。车速限制主要是对最高和最低车速的限制，以使高速公路上的车速差 减小，超车次数减少，确保行车安全。 2 、严格控制出入，实行全“封闭”管理 对进出高速公路的车辆加以严格控制，禁止非机动车和行人上路。车辆出入的控制方法是在交 叉口处设置立体交叉，使相交车流在空间上实现分离，通过立交设施的进出口来控制车辆出入。高 速公路沿线还通过设置高路堤、高架桥、护栏、分隔网等“封闭”措施，使汽车与非机动车和行人 分离。通过控制出入和全“封闭”管理，减少行车的侧向干扰，以保证快速行驶车辆的安全。 3 、实行分隔行驶 分隔行驶包括两方面的内容：一是对向行驶车流用中间带分离，以避免对向车辆之间行车相互 干扰；二是每一行车方向设置两个或两个以上用划线办法分隔的行车道，将同向行驶的快车道、慢 车道和超车道分离，以减少同向行车间的干扰。 由于本文是以高速公路路段阻抗函数为研究对象，结合高速公路道路交通条件、前述影响因素 及本文研究内容，可以确定本次调查所需数据为：路段自由流行驶时间、路段行驶车速、机动车流 量、机动车车型、调查路段长度、车道数、车道宽。 2 2 动态交通参数采集技术比较分析 2 2 1 概述【加1 目前通过实验采集动态交通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 1 0 第二章数据调查与处理方法 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。 动态交通数据自动采集技术可根据交通检测器的工作地点不同划分为固定型采集技术和移动型 采集技术两大类。其中固定型采集技术可提供地点交通参数数据，移动型采集技术可提供路段交通 参数数据。本文主要对自动型采集技术中固定型采集技术进行比较分析。 2 2 2 固定型采集技术 所谓固定型采集技术是指运用安装在固定地点的交通检测设备对移动的车辆进行监视，从而实 现采集交通参数数据的方法总称，目前主要包括磁频、波频和视频三种类型。 ( 1 ) 磁频采集技术。当有机动车辆通过检测区域时，在电磁感应的作用下交通检测器内的电流 会跳跃式上升。当电流超过指定阀值时会触发记录仪，实现对车辆数及通过时间的检测。使用磁频 技术采集动态交通数据的设备主要有环形感应线圈检测器、磁力检测器等。 ( 2 ) 波频采集技术。波频采集技术有两种工作方式，其一是交通检测器向检测区域发射具有一 定波长的能量波束，当有机动车辆穿过检测区域时，该波束经车辆反射后被检测器接收，然后经过 处理分析获得所需的交通参数。这种类型的设备主要有微波检测器、超声波检测器等；其二是检测 器对通过检测区域的机动车辆本身发射的具有一定波长的能量束进行接收，经过分析处理后获得所 需的交通参数。该种类型的设备主要有被动红外线检测器、被动声学检测器等。 ( 3 ) 视频采集技术。这是一种将视频图像和电脑化模式判别技术相结合并应用于交通领域的新 型采集技术。他通过视频摄像机和计算机模范人眼的功能，将连续的模拟图像转换成离散的数字图 像后，在成熟的物理模型和数字模型的基础上编制软件进行分析处理。这种视频采集技术可提供交 通流量、平均车速、车头时距、车辆分类和车道占有率等。 在不同道路、交通和天气条件下，各种固定型动态交通数据采集技术在检测精度、成本费用及 检测器的安装方面存在较大差异。表2 1 给出了典型固定型交通参数数据采集技术性能比较。0 给出 了典型固定型交通参数数据采集技术所能提供的交通参数。 表2 1 典型的固定型交通检测器特点比较 东南大学硕士学位论文 表2 2 典型的固定型交通检测器提供的交通参数 从上述表格可以看出，环形感应线圈检测器的检测精度较高，但是容易损坏，在进行维护和安 装过程中需要封闭道路，对已建成的交通流量较大的道路应用起来比较困难；视频检测器可以同时 完成多条车道的交通参数采集，还具备采集视频图像的功能，安装调试设置灵活，检测区域面积大， 维护简单，但是其检测精度受到周围环境的影响较大；微波检测器具有检测精度高、可检测多条车 道信息以及不受天气影响等优点，但是在道路上存在金属分隔带或者周围存在较高建筑物遮挡时检 测精度会受到一定影响；超声波检测器采用悬挂式安装，不需破坏路面，也不受路面变形的影响， 具有使用寿命长，可以移动等优点，但其检测精度易受环境影响；红外检测器同超声波检测器一样， 检测精度易受风、雪、雨等自然环境的影响。 通过上述分析可发现，典型固定性交通参数采集技术各有特点，本文根据所需数据类型及高速 公路交通条件采用视屏检测技术来获取实验数据。本文将应用比较先进的广域交通流视频检测系统 ( w i d ea r e 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 。该系统由美国的i m a g es e n s i n gs y s t e m s ， i n c 研制，通过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。 2 2 3 移动型采集技术 所谓移动型采集技术是指运用安装有特定设备的移动车辆检测道路上的固定物采集交通参数数 据的方法总称，目前主要有基于g p s 的动态交通数据采集技术、基于电子标签的动态交通采集技术 和基于汽车牌照自动判别技术的动态交通数据采集技术。 基于g p s 的动态交通数据采集技术。该法是在车辆上配备g p s 接受装置，以一定的采样问隔记录 车辆的三维坐标和时间数据，这些数据传入计算机后与地理信息系统的电子地图相结合，经过重叠 分析计算出车辆的瞬时车速及通过特定路段的行程时间等。 基于电子标签的动态交通采集技术。电子标签的基本功能是通过预收费站的路边信标交换信息， 完成自动收费。若在每个路段的特定位置设置信标，通过比较同一个电子标签通过相邻两个信标的 1 2 第二章数据调查与处理方法 时间，即可确定车辆在该路段上的行程时间与行程速度。 基于汽车牌照自动判别技术。汽车牌照自动判别技术是计算机模式判别技术在1 t s 中的应用，它 使计算机能像人一样认识汽车牌照，包括汽车牌照的数字、英文字母、中文汉字及颜色。基于汽车 牌照自动判别技术的动态交通数据采集系统通过在两个相邻检测点对同一辆车的车牌进行判别分 析，可获得车辆的行程时间、速度等参数。 2 3 调查方法的选取与调查的实施 2 3 1 调查方法的选取 根据数据采集点布设方法的不同，还可以将调查方法进行分类：断面观测法和区间观测法。 ( 1 ) 断面观测法 断面观测法应用于线性平直、横向干扰程度低的情况下，可以获得除了超车率以外的其它各交 通特性数据，是城市快速道路数据采集的首选方法3 5 1 。通过交通量自动采集仪器可以连续收集速度、 交通量、车头时距等交通流数据，设备布局方法如图2 1 所示： 中央分隔带 羹垒羹奎奎 车道1 专 车道2 图2 1 断面观测法现场布置示意图 ( 2 ) 区间观测法 区间观测法的布置如图2 - 2 所示，可用于较长的、非平直道路，如山区和城市道路中视距不足地 点。这种观测法可以同时获得车速、流量、密度等各种资料。 摄像机摄像机 _ 寻卜 车道l 一 专 车道2 断而l断而2 数据采集仪1 l 数据采集仪2 l 图2 2 区间观测法现场布置示意图 在本论文中，由于观测对象为高速公路路段，其道路交通条件较好且交通运行简单，故采用视 1 3 东南大学硕士学位论文 频检测法和断面观测法调查机动车的速度、流量、车型数据，人工记录车道数、车道宽等参数。 2 3 2 调查的实施 ( 1 ) 调查对象及地点的选取 为了使后文的分析及所建模型具有全面性，笔者在确定调查对象时主要遵循以下两原则： 一 调查对象具有典型代表性，是紧密的经济联系、高密度的人口分布及特殊的空间结构经济 圈地区的联系纽带。 一 调查对象具有较为完整的交通流特征，能实测到完整的非拥挤流数据及部分拥挤流数据。 结合笔者所参与的项目广州市中心城区交通改善方案及上述原则，选取珠三角经济圈的广 佛高速公路作为调查对象。广佛高速公路为双向六车道、全线里程短，仅为1 7 公里，交通流大，交 通拥堵时有发生，具有较完整的交通流状态。根据项目资料，珠三角地区现有高速公路基本为双向 六车道。在广州市的对外通道中，佛山方向、东莞方向与广州市的交通联系最为紧密，两方交通量 分别占整个市域进出口总量的4 8 8 和2 9 7 ，而广佛高速公路又是“广佛都市圈”城际运输通道的 主力军，承担着广州一佛山市快速运输的重任。由以上分析可知，选取广佛高速公路作为调查对象 能较好的满足上述两原则。 由于本论文涉及的是高速公路基本路段路阻函数的研究，选择的观测地点应位于高速公路的基 本路段上。美国通行能力手册0 - i c m ) 中对高速公路基本路段的定义为不受匝道附近的合流、分流以 及交织流影响的高速公路路段。具体位置为进口匝道的上游1 5 0 米，下游7 5 0 米，出口匝道的上游7 5 0 米，下游1 5 0 米以外的路段【3 ，如图2 3 所示。 车道l 车道2 ，一一、 7 i r 吖，、 一、 段 图2 3 美国通行能力手册中规定的基本路段示意图 具体的调查地点依据上述原则确定，所选取观测点处于平直路段，如图2 4 所示。 1 4 第= 数镕月查与处g 方注 气1 萤 卜谴 寻 图2 4 观测点附近道路线形 ( 2 ) 谓查时间的选取 调查时问应与调查目的相对应具有典型性和代表性。珠三角地区经济发达，有高密度的区域 高速公路网络，地区居民联系紧密。调查时间晟好是星期二到星期五上午，避开周末及星期日前后。 因为在玮三角区域，以广州市为中，f i , 的“一核、多组团”模式现爨十分明显，随着“小时经济圈” 的进一步推进，周边其它巾小城市越来越