（系统工程专业论文）北京市立交桥交通流的优化控制研究－－以阜成门立交桥为实例.pdf

论文摘要 y 3 1 3 5 7 8 北京市的交通拥挤问题比较突出 其中道路交叉口是制约城 市交通不便的瓶颈 为了缓解此类城市交通问题的压力 本文以 道路的立体交叉口为重点 把阜成门苜蓿叶式立交桥作为实例进 行剖析 以考虑进口匝道流量约束的动态流入控制手法为基础 提出同时考虑出口匝道的流量控制新手法 通过量化研究 对苜 蓿叶式立交桥如何进行合理的流量配置 如何分析干扰度进行了 研究探讨 论文首先结合北京市立交桥的几何结构特点 通行能力 交 通流特性及其参数 对苜蓿叶式立交桥 阜成门为实例 的交织 区段 干扰等产生交通拥挤的主要方面进行阐述 接着 在我们 对交通流的实际调查基础上 利用样本数据 建立阜成门立交桥 的l p 动态流量控制模型 运用线性规划的扩展型g a y 算法 求 出优化解 在此基础上 对流入控制模型解的基本特征进行分析 比较优化值和实际流入需求水平的差值 并提出了实际控制流量 分配的操作手段 另外 为了使论文研究成果实用化 我们采用面向对象的模 型体系设计 在w i n 3 2 平台上使用v c 5 0 开发交通流的管理 控制软件 主要讨论立交桥管理软件的设计和功能实现等问题 最后 为了提高立交桥的运行效率 我们结合北京市的城市 交通现状 对有关问题提出了合理化的政策和建议 y 总之 本文将通过对以上几个问题的研究 从交通工程学的 角度出发 运用数学规划的方法 研究了道路立交桥合理控制分 配流量的规律 得出优化的控制模型 采用动态的实现手段 在 不同时段上采取不同的策略缓解交通拥挤 并尝试将其设计成软 件系统 这可以类似地把该方法推而广之 适应于北京市其他苜 蓿叶式立交桥 我们可以由此对解决城市交通问题的有效途径作 一尝试性探讨 y 7 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo ft r a f f i cj a m m i n gs t a n d so u ti nb e i j i n g i nw h i c h t h es o l i dr o a dc r o s si st h eb o t t l e n e c kr e s t r i c k i n gt h et r a f f i c i no r d e rt o e a s eu pt h ep r e s so fc i t yt r a f f i c t h i sp a p e rp u tt h ee m p h a s i so nt h e s o l i dr o a dc r o s s a n dt a k e sa p a r tt h ef uc h e n g m e ns o l i di n d e n e b r i d g e a sa ne x a m p l e t h i sp a p e rm a k et h eb a s eo f c o n t r o l l i n g d y n a m i ce n t e r i n gc i r c l er o a df l o w p u tf o r w o r d t h en e wm e t h o r do f c o n s i d e r i n gt h eo u t s i d ec i r c l e r o a df l o wr e s t r i c t i o n s b ys i z e s t i c k r e s e a r c h i n g w ed i s c u s sh o w t oc o l l o c a t e t h ef l o w o ft h ei n d e n e b r i d g ei nr e a s o na n d h o wt oa n a l y z et h ej a m m e r f i r s t c o m b i n e dw i t ht h eg e o m e t r i cc o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r t r a m c a b a l i t v t r a f f i cf l o wa n dp a r a m e t e r sw ee x p a t m t et h em a i na s p e c t w h i c hp r o d u c et h e 讹煎ci a m m i n go ft h ee o m p t e x i n gs e c t i o na n d d i s t u r b u r i n g t h ei n d e n e b r i d g e a s f o l o e v s 0 i l t h eb a s eo f i n v e s t e g a t i n gt h et r a l f f i c f l o w i nf a c t w em o d e lt h el pd y n a m i cf l o w c o n t r o l l i n g f uc h e n g m e ns o l i d b r i d g e u s e t h ee x t e n d e dj i n e a r p r o g r a m m i n gg a y a r i t h m a t i c t h e ng e tt h eo p t i m i z e dr e s u l t sb a s e do n 也i s w ea n a l y z et h ec h a r a c t e ro ft h ef l o wm o d e lr e s u l t s c o m p a r et h e o p t i m i z e dr e s u l t sa n dt h ed e m a n d i n gl e v e li nf a c t c o m eu pw i t ht h e m e a n s c o n t r o l l i n gt h e f l o w m o r e i no r d e rt op u tt h ef r u i to f t h i sp a p e ri n t ou s e w ea d o p tt h e m o d e l i n gs y s t e md e s i g no fo o d d e v e l o p t h em a n a g es o f i v e a r eo f t r a f f i cf l o ww i 1 1v c 十十50o nw i n 3 2p l a t f o r m m a i n l yd i s c u s st h e d e s i g no f s o l i db r i d g em a n a g es o f t w a r ea n df u n c t i o nc o m p l e t i n g a tl a s t w ec o m b i n ew i t ht h et r a f f i cs t a t u sq u oi nb e i j i n g a n d b r i n g f o r w a r dt h er e a s o n a b l e p o l i c y a n ds u g g e s t i o n a b o u tt h e p r o b l e m t oi m p r o v et i l em a n a g ee 筑c i e n c yo t s o l i db r i d g e l naw o r d f r o mt h ep o i mv i e wo ft h et r a m ce n g e n e r i n g t h i s p a p e ra d o p e st h el i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o r d i n v e s t g a t e st h e r u l eo f c o n t r o l l i n gt h es o l i db r i d g ef l o w a n dg e tt h eo p t i m i z e dm o d e l 晦i i n t r o d u c et h e d y n a m i ci m p l e m e n t i n g m e a n s r e l e a s et h et r a m c i a m m i n gw i t hd i f f e r e n tp o l i c y i nd i f f e r e n tt i m ei n t e r v a l s a n dt r y t o d e v e l o pas o f t w a r es y s t e m t h i sc a nb eg e n e r a l i z e dt oa d a p et oo t h e r i n d e n es o l i d b r i d g ei nb e i j i n g w ec a np r o b ei n t o t h ec i t y t r a 腼c p r o b l e m a n d g e t t h ee f f e c t i v ew a y 第一章绪论 第一章绪论 第一节论文选题背景 我国的城市交通问题比较严重 基础薄弱 缺乏有效的控制和管 理 新中国成立之后 当时的公共交通除了少数发达城市有少数电车 外 其余城市根本无公共交通可言 整个道路建设主要是以普及为主 大最修建了一些城市道路 创建了自己的汽车工业 生产了中吨位的 解放牌货车 已缓解缺车少路的矛盾 使我国交通有了很大的发展 到60 年代来全国汽车保有辆达近百万辆 许多大城市有了公共交通 但到70 年代初 随着我国国民经济的增长和人民生活的水平的提高 在一些干线道路和城市中交通阻塞严重 有的干线道路堵车达几公里 长尤其严重的是城市交通事故日益上升 居世界首列 80 年以来更 为严重 为此 除提高城市道路的面积外 研究采用交通工程技术 提高城市交通的功能和效益 就成为当务之急而被提到议事日程上来 交通部科学院于70 年代便对城市交通的点 线 面控制及交通量调 查等进行研究 大城市交通拥挤问题在中国是一个普遍性的问题 也是城市进程 中带有规律性的问题 只有运用交通工程学的方法和理论 综合中国 城市交通的特点 有效的分析城市交通流的规律 才能合理的进行优 化和管理 一般来说 交通拥挤是针对地面交通而言的 其产生的危 害众所周知 第一章绪论 1 交通延误增大 行车速度降低 带来时间上的损失和交通费用增 加 2 增加排污量 环境恶化 3 通事故增多 反过来加剧交通堵塞 星辰个性循环等等 交通工程学是 f 发展中的交叉学科 它和运输工程学 道路工 程学 汽车工程学 电子工程学 功效学 心理学和经济学等有着密 切联系 兼有自然科学和社会科学的内容 且其内容不断发展丰富 综合我国学者的观点 认为交通工程学的定义为 交通工程学是研究 交通中 人 路 环境之间的关系 探讨道路交通规律 建立交通规 划 设计 控制和管理的理论和方法以及有关设施 装备和法规等 使道路交通更加安全和快捷 舒适的 i 7 技术科学 交通工程学发展至今内容十分丰富 本文则主要从以下几个方面 进行研究 一 交通特性 1 道路交通设施的集合特性 研究路网形态 机构 规划指标 如何适应交通发展等 2 交通流适用于交通量车速车流密度来表征 只有对交通流进行 定量分析赋予各参数具体数值才便于进行交通设计和交通管理 二 交通流理论 交通流理论研究各种不同车流密度的交通流特性与其表达参数之 间的关系 寻求拟合交通流状态的最佳控制模型 为制定交通治理方 2 第 章绪论 案 增建交通设施 评定交通事故提供依据 目前己采用概率统计方 法 排队论 流体力学理论和跟车理论等研究交通流 自8 0 年代以来 世界上工业发达国家 多数城市的发展已定型 大规模进行交通规划的时代已经过去 交通工程的研究问题多集中于 交通管理方面 就北京市而言 主要是在各种道路设计和通行能力基 本不变的前提条件下 对流量 速度等交通流的参数进行合流配置 进行优化 能够最终建立起交通控制系统作尝试性的研究 本文是在王莉教授主持的国家自然科学基金项目 特大城市混合 交通流的优化研究 和北京市科委项目 北京市交通流的干扰研究 的基础上 结合阜成门互通式立交桥作为实例 利用交通工程学 数 学 计算机科学 系统工程学的有关理论 通过实际调查研究和建模 分析后撰写而成的 第二节目前研究状况 前文已述及 文章的重点在于运用交通工程学中交通流的有关理 论来对城市交通的特征送行量化分析 确定合理的控制方案 综合国 内外有关这方面的研究经验 已经比较成熟的理论大致有四个方面 交通流理论是运用物理学和数学定律来描述交通特性的一门边缘科 学 是交通工程学的基础理论 它以分析的方法阐述交通现象及其机 理 从而使我们更好地认识交通特性及其本质 并把这些知识运用于 3 第一章绪论 交通实践 使城市道路运营管理发挥最大的功效 交通流的统计分布特性有着广泛的用途 在设计新的交通设施或 确定新的交通管理方案时 需要预测交通流的具体特征 例如在信号 灯配时设计时 需要预测一个信号周期内达到的车辆数 在设计行人 交通管制系统时 要求预测大于行人穿越时间的车头时距频率 在对 交通进行计算机模拟时 首先必须建立车辆达到模型 交通流的统计 分布知识为解决这些问题提供了有效的手段 交通流中交通体 车辆 行人等 的到达具有随机性 描述这种 随机性的统计规律有两种方法 一种是以概率论中的离散型分布为工 具 考察在一段给定时间内到达某场所的交通数量的波动性 另 种 是以概率论中的连续型分布为工具 研究上述事件的发生的间隔时间 的的统计特性 如车头时距或可穿越空挡的概率分布等等 1 排队模型 排队论也称随机服务系统理论 是研究服务系统的需求拥挤而 产生的等待行驶 即排队 的现象 以及合理协调需求与服务关系的 一种数学理论 是运筹学中以概率论为基础的一个主要分支 在交通工程中 排队论在研究车辆延误 通行能力 信号灯配时 以及停车场 收费亭等交通设施的设计与管理诸方面得到了广泛的运 用 亚当斯用排队论考虑了未设交通信号的交叉口行人延误问题 唐 纳将其推广到行人问题 伊退在收费亭应用排队模型估计延误 同年 莫斯可维茨将其应用于车辆等候交通流空挡的实验研究 2 车辆跟弛理论 第一章绪论 车辆跟弛理论是运用动力学方法 探究在无法超车的单一车道上 车辆列队行驶时 车辆跟弛状态的理论 鲁契尔及派普斯的研究 建 立了车辆跟弛模型并给出解析结果 此后 赫尔曼和罗瑟瑞等人进行 了实验室研究 将跟弛理论作了进 步的扩充 车辆跟弛理论研究的一个主要目的是试图通过观察各个车辆逐一 跟弛的方式来了解单车道交通流的特性 这种特性的研究可用来描述 交通流的稳定性 加速干扰以及干扰的传播 检验管理技术和通信技 术 以便在稠密交通时使尾撞事故减到最低程度 3 流体动力学模拟理论 由于交通流中包含有流量 密度和速度 因此自然的趋势 试图 用流体状态来描述交通流 最早将交通流的比拟为流体流的是莱特希 尔于1 9 9 5 年和惠特汉的研究 他们对一条很长的公路隧道 研究了 在高车辆密度情况下的交通规律 提出了流体动力学模拟理论 该理 论运用流体动力学的基本原理 模拟流体的连续性方程 建立车流的 连续性方程 把车流密度的变化比拟成水波的起伏而抽象为交通波 当车流因道路或交通状况的改变而引起密度的改变时 在车流中产生 交通波的传播 通过分析交通波的传播速度 以寻求车流流量和密度 速度之闻的关系 并描述车流的拥挤 消散过程 因此 该理论 又可称为交通波理论 在车流中传播的交通波有两种基本类型 一为 压缩波 即波阵面过后 车流密度变大 车辆获得了一个与波的传播 方向相同的附加速度 压缩波既可以是连续波 也可以是间断波 波 传过后 密度的增加是一个微小量时为连续波 反之为间断波 冲击 波即是一种强压缩波 间断波 二为稀疏波 即波阵面过后 车流 第一章绪论 密度变小 车辆获得了一个与波的传播方向相反的附加速度 稀疏波 都是连续波 根据课题的实际背景和论文中要研究的主要对象是互通式立交桥 的流量控制 可以发现采用上述的几个理论或不完全适合或存在采集 数据的实际困难 因此 应当寻求新的量化方法 今年来 对城市高 速道路进口匝道的超长排队对地面道路交通所造成的障碍影响 以及 出口匝道的车辆排队 而产生的主线交通自然阻塞研究已成为城市高 速道路交通研究中一个不可忽视的方面 此类研究着眼于不同交通状 态时的流入控制问题 运用数学规划方法构筑优化模型 探讨在交通 需求实时变化条件下 进出口匝道的排队约柬对流入控制解的影响 有关这方面的理论研究也颇多 其中代表性的研究有 1 j a w a t f l e w o r t h 和佐佐木明神所提出的以城市高速道路 主线上各区间的流入交通量不超过其通行能力为约束 流入高速道路 交通量最大为目标函数的流入控制理论 由于这一理论采用了线性规 划 l i n e a rp r o g r a m m i n g 方法 所以常称为l p 控制手法 2 考虑进口匝道排队约束的l p 控制手法 3 考虑出口匝道排队约束的准动态l p 控制手法 另外 还有一些改进型的l p 流入控制手法的研究 有关流入控 制的非线性手法也还有一些探讨 但于l p 控制手法相比较 不可避 免的在模型的可靠性方面和实用性以及计算量等方面存在者问题 以往的研究虽从静态到动态 从进口匝道排队约束到出口匝道排队约 束等方面对城市高速道路的流入控制问题加以探讨 但同时考虑进出 6 第一章绪论 口匝道排队约束的流入动态控制手法尚为空白 由于同时考虑出口匝 道排队约束的流入控制的结果 加大了对造成出口匝道排队过长的入 口匝道的流入控制 这样 受控的进口匝道的排队长度将会增加 甚 至对地面交通产生影响 因此有必要开发 同时考虑进出口匝道排队 的流入控制新手法 第三节论文研究的内容和目的 基于阻上分析 本文对于城市交通中互通式立交桥的流量控制研 究 把阜成门苜蓿叶式立交桥作为实例 以考虑进口匝道排队约束的 动态流入控制手法为基础 提出同时考虑出口匝道排队的流入控制新 手法 通过蛩化研究 对所提出的流入控制手法的有效性和基本性质 加以分析 文中的主要内容可分作五个部分 概要如下 1 北京市立交桥的几何结构特点 通行能力 交通流特性及其参数 着重对苜蓿叶式立交桥 阜成门为实例 的交织区段 干扰等存 在的问题迸行阐述 t 一 1 2 建立阜成门立交桥的l p 助鸯控制模型 运用线性规划的扩展型 g a y 算法 求出优化解 3 对流入控制模型解的基本特征进行分析 比较不同的约束和流入 需求水平对流入控制解的影响 第一章绪论 4 在w i n 3 2 平台上使用v c 5 0 开发交通流的管理控制软件 主 要讨论立交桥管理软件的设计和功能实现等问题 5 结合立交桥 对现有的城市交通问题提出有关合理的政策建议 本文的目的在于通过对以上几个问题的研究 从交通工程学的角 度出发 运用运筹学的方法 揭示出道路立交桥合理控制分配流量的 规律 得出优化的控制模型 在不同时段上采取不同的策略缓解交通 拥挤 并尝试将其设计成计算机软件 这可以类似地把该方法推广到 北京市其他立交桥 探索出解决立交桥交通问题的一条有效途径 第二章北京市立交桥概况 第二章北京市立交桥概况 第一节立交桥的概念 特点及分类 一 道路立体交叉 道路与道路相交的部分称为道路交叉口 道路交叉口把各条道路连接起 来 形成网络 由于相交道路上的各种车辆和行人均须汇集于交叉口后 才 自2 转向其他的道路 这时车辆和车辆之间 车辆和横过道路的行人之间相互 干扰 降低行车速度 造成交通阻滞 又容易产生交通事故 道路交叉口规 则设计将在同一平面上不同方向的车流进行时间上的分流 即平面交叉 将 不同方向上的车流进行空间上的分流 即立体交叉 平面交叉不同的交通组 织 又分为无交通信号控制 有交通信号控制与渠化交通 立体交叉是从空间将两条或多条交叉道路上的交通分隔开来的设施 它 能使经过立交处主要方向或全部方向的交通不停顿地连续运行 能提高车流 运行速度 节省运行时间和总的燃料消耗 减少 与平面交叉相比较 交通 造成的空气污染 并提高交叉口的通行能力 但立体交叉口比一般的平面交 叉用地多 造价高 道路立体交叉按功能区分为两类 一类是分离式立体交叉 它是相交道 路上的车辆在交叉处不能转弯到另一条道路上去的交叉 分离式立交由相交 道路在交叉处的路段和跨线构成 分离式立交除用于公路与公路之间的交叉 外 亦用于公路与城市道路 乡村道路 专用道路 铁道以及渠道 管 线 等的交叉 另一类是互通式立交桥 互通式立交桥在相交的道路之间设置连 接道路 匝道 任何一相交道路上的车辆可以通过匝道转向行驶到另相交 道路上去 互通式立交桥由相交道路在交叉范围内的路段 跨线构造物 匝 道等构成 二 互通式的设置特点及分类 由于北京的城市交通中互通式立交桥居多 且交通运行状况比较复杂 因此将北京市阜成门互通式立交作为典型实例进行剖析 具有特别的意义 1 互通式立交桥设置依据为 i 凡设计 或规划 成完全控制进入的公路或部分控制进入的公路上 允许车辆进 出的交叉处必须设置互通式立交桥 9 第二章北京市立交桥概况 2 交叉处交通量大 已经超出任何管理方式的平面交叉的设计通行能力 的交叉处应设置互通式立交桥 3 在重大交通事故率高的平面交叉处 这种平面交叉处往往处于交通量 不大而车速较高的道路上 当缺乏较经济的消除危险的措施时 可设置互 通式立交桥 4 为用路者的收益考虑 在交通经常拥挤和阻塞的平面交叉上 由于停 车 变速造成的时间延误 燃料 轮胎 修理 以及交通事故等总费用远远 超过交通可以连续运行 哪怕有些行驶方向的行驶距离需要稍长一些 的总 费用时 应考虑设置互通式立交桥 2 互通式立交桥运行总的要求 互通式立交桥一般交通量较大 车速较高 在立交上有转弯交通 要进 行加速 减速 交织等运行 且在互通式立交桥上构成比较复杂 故容易 产生交通紊乱 拥阻和发生交通事故 因此 要求所建的互通式立交桥能使 其上所有赢行和转弯运行能安全 通畅 连续 匝道与横交道路的平交口及 收费站处除外 及按各部分要求的速度运行 这就是对互通式立交桥交通运 行总的要求 3 城市道路立体交叉设计指标 目前我国城市道路的立体交叉尚无全国的统一标准 其中城市高速道路 的各项技术指标参数应与城间高速道路相一致 进些年来 我国的城市道路 交通也有了很大发展 许多大城市修建了不少立体交叉 现将北京市近些年 来修建的遵路与道路立体交叉所采取的一些技术指标和要求简介如下 1 设计车速 立体交叉范围内的行车速度要求参考如下表 城市立体交叉口的设计车速 部位设计车速 k l i 地 部位设计车 速 路段 8 0 匝道 2 5 通过立 交直行段 6 0 环形立交时的 2 5 3 0 环道 第二章北京市立交桥概况 2 道路宽度按照规划的要求确定 但不得小于下列值 a 干线机动车道 快车道 应不少于四条车行道 每条车行道宽度为 3 7 5 4 0 m b 自行车道 慢车道 根据具体情况而定 自行车交通较多的立交道口 宽度可达6 8 m c 匝道 匝道的曲线半径决定于车辆的行驶速度 合理地确定匝道上的行 车速度对立交桥的技术经济指标关系极大 匝道设计车速高对道路行车影响 小 但交叉占地多 反之 交叉口占地少 但对道路行车影响大 现在看来 中所列设计车速偏低 设计时 可论证地提高提高匝道设计车速或参考表选 用 匝道设计行车速度 k m h 相交道路的计 算速度 k m h 道路的计算 1 2 08 06 05 04 0 行车 速度 k m h 8 06 0 4 05 0 4 0 6 05 0 4 04 5 3 54 0 3 0 5 04 0 一3 0 3 5 2 53 0 2 0 4 0 3 0 2 03 0 2 03 5 2 5 为了减少立交桥的用地 北京市对立交道口进出匝道的缘石最小半径作 如下规定 见下表 第二章北京市立交桥概况 转弯角度 车道性质 9 08 0 缘石半径最小 m 快慢车混行 2 01 5 快慢快车道2 51 8 面e 分行 慢车道 54 a 匝道宽度 快慢车混行时的匝道宽度 当双向行车时 快车道宽度为7 5 m 自行 车每侧宽度为2 5 m 总宽度为1 2 5 m 弯道部分另行加宽 单项行车 快车 道宽度为3 7 5 m 自行车道宽度为2 5 m 考虑因故障停车时仍能通行 采用 宽度为7 o m b 快慢车分行时的匝道宽度 机动车双向行车 宽度为1 0 5 m 机动车单向行车 宽度为7 o m 自行 车道宽度为8 o m 4 纵坡立体交叉口各段纵坡值 一般如表所示 第二章北京市立交桥概况 城市立体交叉的纵坡值 部位跨线桥引道桥下坡道 快慢分行 快慢 行车 快车道慢车道 方式 快车道慢车遭 混行 纵坡 3 5 2 o 2 o 3 5 2 0 匝道回头弯道内侧边缘 快慢分行 快慢 快慢分行的快车道快慢混行 快车道慢车道 混行 4 0 2 o 2 0 2 5 2 5 第二章北京市立交桥概况 5 竖曲线当主干线上相邻两坡段的纵坡度的代数差超过0 5 时 应按表 中所列数值设置曲线 城市立体交叉的最小竖曲线半径 i 快慢混行车道 车道性质快车道 1 慢车道 3 2 竖曲线最小半 凸形 3 0 0 03 0 0 05 0 0 径 凹形 1 0 0 01 0 0 05 0 0 慢车道上相邻两坡段的纵坡度的代数差超过1 时 按表中第三项设置 竖曲线 6 视距直行快车道在立交桥上及桥下的行车视距应满足以下要求 a 合车视距按行车速度为6 0 k m n 计算 停车视距按立交道口各段的停车 速度计算 b 无分隔带的快车道应满足合车视距 c 有分隔带的快车道应满足合车视距 d 视线高度 a桥上引道行车视线高度按小轿车驾驶员的视线设计 其值采用1 1 m b 桥下坡道行车视距高度按大空车或卡车驾驶员的视线高度设计 采用 2 2 m 当桥下的两相邻坡道形成凹形时 跨路桥除横向阻挡视线外 还将在 竖直方向阻碍驾驶员的视线 此时还应该校核桥下净空能否满足行车视距的 要求 7 跨路桥净空 a 桥面净空 a 快慢车混行的跨路桥净空应按规则搜定考虑 但不应少于四条快车道和 慢车道的宽度 b 快慢分行的立交桥面净空亦应按规则考虑 但快车桥面宽度不应少于6 个车道 包括变速车道 慢车桥面宽度 例如北京市二环路规定不少于8 m 每侧人行道宽度为3 5 m b 桥下净空 4 第二章北京市立交桥概况 桥下净空宽度应与路段各部分宽度相同 不应缩小宽度 桥下净空最小 高度可按表取用 最小净高 行车运行种类机动车非机动车 其他 各种汽自行车非 行驶车辆种类 嘲r 无轨电车有轨电车 行人机动 车 最小净高 m 4 55 o5 52 53 5 4 互通式立交的型式 我国车辆靠右行驶 主线右转弯匝道一般均为直接向右转弯的定向型连 接 互通式立交中匝道的变化主要是左转弯匝道型式的变化 因此 互通式 立交的型式主要是由左转弯匝道型式的组成所确定 按照互通式立交各个方向的行车道的设计交通量 相交公路的计算行车 速度 场地地形 地物等等情况 互通式立交的匝道可以有很多种型式组合 亦即互通式立交可以有很多种型式 但归纳起来 互通式立交有几种基本型 式 其他型式是基本型式的变型式或是若干种基本形式的组合形式 互通式立交的基本型式如下 三路连接的互通式立交有三种基本型式 四路连接的有六种基本型式 1 喇叭型 2 三路连接的半定向型 3 三路连接的定向型 4 菱形互通式立交 5 全苜蓿叶型互通式立交 由于本文中以阜成门立交桥为实例 阜成门立交桥是全苜蓿叶式互通式 第二章北京市立交桥概况 立交桥 其型式着重介绍 如图示 已o 此型是四个左转弯匝道均为环形 其优点是 此型所有右转弯均是用定 向型的外连接来完成 所有左转弯交通与横路交通没有任何冲突点 转弯交 通和横路上的交通亦可以不中断地连续运行 交通事故可减少 其缺点有 所有左转弯均是以2 7 0 度的右转弯代替 内环半径小且是反定向 故行驶不 变且对匝道进一步提高通行能力有所限制 主线上每一行驶方向有两个进 1 3 两个出口 转弯交通对过境交通的干扰较大 主线上有出口在入口前面 的排列 主线行车道上有交织运行 增加了出入交通对过境交通的干扰 用 地多 改进措施 在立交内主线两侧设集散道路 以有利于驶出主线的交通 第二章北京市立交桥概况 安全运行 并可大大减少转弯交通对直行交通的干扰 全苜蓿叶互通式立交 适应于两相交公路均有较大的直行及转弯交通量的交叉 第二节北京市互遥式立交口的结构功亩啭点及车流概况 在城市中为了节约使用土地 常采用压缩型的苜蓿叶式立交 阜成门立 交桥便是这种压缩型的全苜蓿叶式立交的形式 一 阜成门立交桥的工程设计 阜成门立交位于阜成门大街与西二环路交叉口 结合二期地铁工程的建 设 修建本立交工程 阜成f 7 交工程为二层长条苜蓿叶型互通式立交 阜 成门大街上跨二环路 桥型为三孔箱型断面预应力连续梁 整个立体交叉口在南北方向上有两条主线 东西方向上两条主线 共四 条匝道 南北主线上分别由四条快车道 一条辅道和一条自行车道组成 东 西方向上各有一条机动车道和一条非机动车道组成 每个匝道分别有上行的 机动车 非机动车道和下行的非机动车道组成 二 设计时的交通规翘i 和通行能力 阜成门大街是沟通东西城区交通主要干道 阜内大街道路宽1 9 米 阜 外大街现状道路宽1 5 米 道路行驶条件较差 机动车离峰小时交通量 机 动车为1 5 0 0 w h 非机动车4 7 0 v h 二环路高峰小时 机动车1 6 5 0 v h 非 机动车3 4 0 0 v h 立交路口高峰小时交通量 机动车3 1 5 0 v m 非机动车 8 1 0 0 v h 按立交通行能力计算 在阜成门大街实现规划后 道路展宽至2 8 米 这样与二环道路各进口道路 车道线均按三车道设计 则四个方向的 路口总通行能力可达1 2 0 0 v h 立交路口可以满足日益增长的交通量需要 三 立交选型 阜成门立交型式属于长条首蓿叶型 主要是根据地铁拆迂范围和对本地 区交通量方析而定 长条苜蓿叶式立交有交通行驶方向明确 保证直行畅通 并兼顾左右转弯的特点 且本立交在同类型立交工程中也是造价较低的 四 主要设计技术指标 第二章北京市立交桥概况 1 计算车速 立交中主路计算车速 6 0 k m h 匝道计算车速为2 5 k m h 2 立交道路纵坡 机动车道最大纵坡3 5 非机动车道和混行车道纵 坡 1 7 1 3 匝道转弯半径 1 8 0 度转弯的缘石半径采用二心园 直径为1 7 2 米 与1 2 米 主要考虑增大机动车行驶轨迹半径 4 桥梁净高 机动车道4 4 5 米 非机动车道3 3 5 米 5 桥梁设计荷载 汽一2 0挂一1 0 0 履一5 0 人群荷载3 5 k n m 2 五 横断面设计 立交范围内二环路横断面设计内为三副路 中间机动车道宽2 8 4 米水 泥混凝土路面 横坡1 两侧非机动车道宽7 米沥青路面 分隔带宽1 6 米 非机动车道外侧铺装水泥方砖人行道宽3 m 为使立交范围内二环路视 野开阔 并便于在人行道外侧设置6 0 c m 矮挡土墙与斜坡 匝道为双向机动 车与非机动车混行车道 路面宽1 5 m 阜成门大街横断面设计 阜内大街规划车道宽为2 8 米 每侧人行道及 绿化用地宽为1 6 米 规划红线宽6 0 米 立交范围东西长4 8 2 米 路宽2 8 米 与两端现状道路接顺 六 阜成门立交桥的车流概况 通过对阜成门立交口的实际调查 我们发现其车流分布存在着早晚两个 高峰 在高峰期间 虽然立交口无信号灯控制 没有严格地类似于平交口的 排队等候绿灯周期内通过的情况 但是由于道路是不问断流 负荷度增大 道路尤其是匝道上的通行能力小于交通量的需求 再加上非机动车对机动车 的干扰 以及立体交叉范围内多次产生交织 使得高峰期间车流常常出现拥 挤 堵塞现象 为了解决堵塞问题 我们首先对交通流的分布情况作一分行 1 南北主线上 在每个方向上 如由北到南 都有四次分流和合流 有八次机动车与机动车的干扰 有四次机动车和机动车的干扰冲突 非机动 车有两次合流 2 东西主线上 在每个方向上 如东到西 机动车有两次分流和两次 合流 非机动车有二次分流和两次合流 机动车和非机动车的交叉冲突点有 4 个 3 整个立交口分成分成四个交织区 为多重交织区 由南向北主线上 称为交织区a 1 由北向南主线上有交织区a 2 由东相西主线上有交织区b 1 由西到东主线上有交织区b 2 a 交织运行的含义 两个或两个以上的交通流延公路相当长路段运行 的总方向相同且在没有交通控制设施的情况下 相交而过的运行称作交织运 第二章北京市立交桥概况 行 b 交织区的分类 交织区分简单交织区和多重交织区两类 简单交织 区由一单个汇合点接着有单个分离点形成 多重交织区由一个汇合点接着有 两个分离点 或由两个汇合点接着有一分离点形成 c 交织区段参数 是用于交织区段通行能力和服务水平的分析计算指 标 影响交织区段交织运行的参数表如下所示 参 定义 参定义 数数 l 两交织流中较小的交通量 交织区段长度 v w 2 p c v h v n w 交织区段中的总非交织交通量 n 交织区段车道总数 p c v h 交织车辆所用车道 交通量比v w v n wv r 数 n n 非交织区段车辆所 r 交织比v w 2 v w w 用的车道数 参数定义参数定义 交织区段中的 v 交织区段中的总交通交织车辆的平 量 p c v h s w 均速度 k i n h 交织区段中的 交织区段中的总交织 s n w 非交织车辆的 v w 交通量 p c v h 平均速度 k m h 两交织流中较大的交 v w l 织交通蠡 p c v h 第二章北京市立交桥概况 1 课题组在对阜成门立交口交通流的调查中 共分为6 个时段进行 7 3 0 一一8 0 0 8 3 0 一9 0 0 9 3 0 一1 0 0 0 3 0 0 一3 3 0 4 0 0 一一4 3 0 5 0 0 一一5 3 0 其中每个时间段 3 0 分钟 内 以5 分钟为间隔进行 a 在直行车道上 东西和南北四个进口 上的机动车流量情况如下表所 不 进口方向 由南到北由北到南由东到西由西到东 护 喇 时间 屯 7 3 03 3 1 7 厂6 2 9 6 8 钞8 5 6 1 1 0 3 6 l 8 3 03 0 3 4 0 63 0 2 4 7 56 5 89 0 1 8 9 3 03 1 2 72 4 5 5 7 57 1 4 68 0 4 9 3 0 02 9 6 92 9 9 25 5 0 88 6 4 6 4 o o3 2 1 0 62 9 1 9 7 57 4 1 68 3 6 4 5 0 02 9 2 9 22 7 7 4 7 58 1 4 29 0 5 6 b 四个内侧匝道上的车流量情况如下表所示 2 0 第二章北京市立交桥概况 时间 第一够 第二内侧匝道第三内侧匝道第四内侧匝道 5 1 7 44 1 3 82 4 6 42 6 9 8 7 3 0 5 1 6 25 0 5 42 3 7 62 7 4 8 8 3 0 5 7 5 44 6 9 22 4 8 62 4 0 4 9 3 0 5 5 6 85 1 1 22 1 8 63 1 4 8 3 0 0 4 o o 5 8 4 65 1 7 82 5 7 82 2 5 6 5 0 0 5 6 7 25 1 6 82 3 12 5 9 6 c 四个外侧匝道上的车流量情况如下表所示 时间第一外侧匝道第 b 傻 j 匝道第三外侧匝遭第四外侧匝道 1 7 41 3 2 84 4 0 24 9 3 7 3 0 2 0 5 41 2 l4 2 7 84 6 3 8 8 3 0 2 1 51 2 3 24 2 2 24 8 5 4 9 3 0 1 8 9 81 4 2 44 0 7 24 7 8 8 3 0 0 4 0 0 2 2 3 81 4 0 43 9 75 5 0 8 2 1 第二章j e 京市立交桥概况 i 5 0 0 1 7 7 81 6 6 84 5 8 45 6 7 8 第三章交通流的动态控制模型 第三章交通流的动态控制模型 第一节动态流量控制手法 一 建立动态流量控 4 模型的必要性 通过对阜成门立体交叉口功能特点及交通流特性的分析 可以看 出 为了提高城市高速道路的运营效率 充分利用好道路资源 在硬 件设施既定的条件下 加强管理是十分重要的 我们可以从流量控制 兼顾速度约束的角度来确定出整个立交口的管理策略 一般说来 立交口的高速道路适用于汽车高速和快速通行 具备 如下基本特征 1 车流不间断 在正常情况下 整个立交口的车流处于连续行 驶状态 从而区别于平交路口的信号灯控制 取消了停车 等待延时现 象 2 全线无交叉口 以互通式立体交叉或进出口匝道与其他道 路相连接 且匝道间距比高速道路的短 因此 高速道路的主要功能 是分担城市内长距离交通需求和进出境交通 随着城市交通设施功能 化的推进 城市高速道路的重要作用不仅在工业化国家广被重视 而 且在包括中国在内的发展中国家也方兴未艾 高速道路构造上的特点 决定了高速道路的交通受限于进出口匝 道 几乎在所有修建高速道路的城市都不例外地 不同程度地存在 着 1 进口匝道处的超长排队影响着地面道路的正常交通 2 因出口匝道的通行能力受限于与之衔接的平面道路所能接受 的服务能力 当流出需求大于此通行能力时 出口匝道内将出现排队 和甚至延伸到主线上 造成高速道路交通阻塞等问题 因此效率化地 使用好投资修建的城市高速道路 是值得深入研究的重要课题 在以往人们研究的流量控制模型中 虽然是从静态到动态 从进 口匝道的流量约束等方面对城市高速道路的流入控制问题加以探讨 但同时考虑进口和出口匝道流量约束的流入控制手法 再兼顾交织区 行车速度的控制手法尚为空白 由于考虑出口匝道流量约束的流入控 制结果加大了对造成出口匝道排队过长的入口匝道的流入控制 这 第三章交通流的动态控制模型 样 受控的进口匝道的排队长度将会增加 甚至对地面交通产生影 响 因此有必要开发同时考虑进口和出口流量的流入控制新手法 本章将以同时考虑进口 出口匝道和直行道流量约束的流入控制 手法为基础 提出连带动态考虑交织区速度的流入控制新手法 通过 算例模型 对所提出的流入控制手法的有效性和其他基本性质加以分 析 二 动态流量控制手法及其基本假定 由于控制手法具有理论上的明快性和便于实用的优点 所以本研究 将以此为基础 另外 针对进出城市高速道路交通需求和路网上行速 状态的实时变化性 本研究中采用了把整个的流入交通控制时间划分 为若干个单位控制时间集合的办法 于每个单位时间带 我们划为3 0 分钟 内运用l p 手法 求出各个车道的最佳流量 为了实时反映变化 的流入交通需求对路网上交通状态的影响 在流入控制问题中 将某 时间带内流入高速道路的车辆 对其后时间带内位于其下游各区间交 通状态的影响加以描述 一并在流量控制模型中予以考虑 按照系统工程学的观点 控制 一词的含义是 为了有限地发 挥某系统的机能 根据实时检测的系统状态的变化量 动态而合理地 决定系统状态的决定变量的过程 进一步考察城市高速道路的流入交 通控制问题 系统的状态变量是流入需求量和路网上的交通状态 决 定变量是各车道可能流入的交通置 因此 按照其 控制 的含义 有必要同时考虑流入交通需求和路网上交通状态的实时变化性 最佳 地确定交通量 但是本文尚为探讨此类流入交通控制问题的第一步 为了排除问题的过度复杂性 根据第二章的交织区速度实测表和高速 道路上的实际情况 主线上的交通流速基本变化不大 因此假定 交 通流接近于饱和状态 在此条件下探讨流入交通需求和反映流入交通 o d 属性的目的地选择率 流入交通选择出口匝道的比例 的实时变化 对流入控制解的影响 基于上述的动态流入控制手法的含义 本研究将在下列的基本假 定条件下加以展开 1 各单位控制时间内 城市高速道路各进口匝道的流入交通需求和 路网上的交通状态变化不大 2 交通高峰时对应于流入控制结果的路网上的行驶车速 接近于最 佳车速且为定值 3 单位时间内各出口匝道的到达车辆为均匀分布 第三章交通流的动态控制模型 第二节动态交通优化控制手法的模型化 建立数学规划模型 一 模型的基本构成 本文提出的流入交通优化控制手法 指在预防平常的城 市立体交叉口的紧张阻塞问题 避免匝道的车辆排队对地面关联交通 的防碍 以便利于城市立体交叉口设施能够最佳地使用为目的 在我 们进行数学规划的过程中 需要一定的约束条件 而道路负荷度是评 价道路运行状况 反映城市交通紧张程度的一项重要指标 在规划设 计阶段 负荷度的大小是确定道路8 规模 车道线数量 道路负荷的 主要参数 在道路运行阶段则是衡量道路服务质量的重要指标 道路 负荷度一般定义为实际承受的交通负荷和可能的通行能力之比 也可 以简单理解为交通量和通行能力之比 按照国外一些国家的规定 负 荷度超过o 7 5 时 必须进行改建 按照实际情况 负荷度达n 0 9 时 通常已出现严重阻塞现象 根据我国特大城市的交通实践证明 负荷 度的适用极限值定在0 8 o 9 之间 交叉口就可以获得较好的运行条 件 所以笔者认为分配合理交通量时 应使交通负荷度接近于0 8 左 右 2 由此得出优化控制模型的构成为 1 目标函数 整个立交口的总流入量为最大 2 约束条件 a 南北主线上的负荷度约束 b 东西主线上的负荷度约束 c 匝道上的负荷度约束 d 交通量的最大和非负约束 二 建立流量控制的l p 棱羹 1 以各个车道上的交通量作为决策变量 模型中的决策变量个数为 3 2 如下表所示 第三章交通流的动态控制模型 由南到北方向 快车道1快车道2快车道3快车道4辅道非机动车道 x 1x 1 2x 1 3x 1 4x 1 5x 1 6 由北到南方向 快车道1快车道2快车道3快车道4辅道非机动车道 x 2 2x 2 2x 2 3x 2 4x 2 5x 2 6 由东到西方向 直行车道第二内侧匝道第二内侧匝道 机动车非机动车机动车非机动车机动车非机动车 x 4 1 2x 4 4x 4 4x 4 5x 4 6 第三章交通流的动态控制模型 匝道 第三呋 侧匝道第三内侧匝道 机动车非机动车机动车非机动车 x 5 1x 5 2x 5 3x 5 4 匝道 第四内侧匝道第四内侧匝道 机动车非机动车机动车非机动车 x 6 1x 6 2x 6 3x 6 4 2 其实际通行能力变量为 如下表所示 由南到北方向 快车道1快车道2快车道3快车道4辅道非机动车道 q 1q 2q 3q 4q 5q 6 由北到南方向 快车道1快车道2快车道3快车