摘要 高速公路安全高效的運(yùn)作依賴于合理的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和管理，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)實(shí)測法和理論分 析方法能解決一些問題，但由于高速公路系統(tǒng)復(fù)雜的道路和交通條件，兩者都有其巨大的局 限性；交通仿真克服了傳統(tǒng)方法的局限，為高速公路的研究提供了一種新的高效便利的研究 手段。交通仿真能直觀高效地研究高速公路交通狀態(tài)，具有節(jié)省費(fèi)用、安全、快速、研究范 圍廣、可控制、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。 本文的主要研究內(nèi)容是高速公路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)交通流的仿真。文中首先分析了車輛在高速公 路基本路段、匝道、收費(fèi)站的交通流運(yùn)行特性；然后結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的交通仿真研究成果， 對相應(yīng)的車輛生成模型、車輛跟馳模型、換車道模型、收費(fèi)站模型等進(jìn)行了分析、對比、評 述；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)高速公路動(dòng)態(tài)交通流仿真系統(tǒng)；仿真系統(tǒng)由輸入模塊、仿真模塊、 輸出模塊三個(gè)部分構(gòu)成了整體框架，在各模塊中選擇了合適的交通仿真模型，并對各模塊內(nèi) 部的仿真模型進(jìn)行了具體描述；利用v c + + 編程語言編寫高速公路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)交通流仿真程 序，設(shè)計(jì)仿真程序應(yīng)用方案，利用仿真系統(tǒng)對高速公路入口匝道進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 繪制成流量一速度、密度一流量、密度一速度散點(diǎn)圖，探討高速公路合流區(qū)匯入車輛對主線 內(nèi)，外側(cè)交通運(yùn)行的影響。 關(guān)鍵詞：高速公路系統(tǒng)基本路段匝道收費(fèi)站交通仿真 a b s t r a c t t oo p e r a t et h ee x p r e s s w a ys a f e l ya n de f f i c i e n t l yd e p e n d so nr a t i o n a ld e s i g n ，p r o g r a m m i n g a n dm a n a g e m e n t t h et r a d i t i o n a lm e t h o d ss u c ha se x p e r i e n c ef i e l dm e a s u r e m e n ta n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i sc a nd e a lw i t hs o m ei s s u e ，b u tb e c a u s eo f t h ec o m p l e xt r a f f i cc o n d i t i o no f t h ee x p r e s s w a y s y s t e m s ，t h es c o p et h e yc a nm a n a g ei sh i g h l yl i m i t e d t h et r a f f i cs i m u l a t i o ni sa b l et os t u d yt h e c o m p l e xe x p r e s s w a yt r a f f i cs i t u a t i o ni n t u i t i v e l ya n de f f i c i e n t l y i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s s a v i n gc o s t s ，s a f e ，r a p i d , a b l ec o n t r o l ，r e p e a t e da n ds oo n t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st h es i m u l a t i o no ft r a f f i c i ne x p r e s s w a ys y s t e m s t h ep a p e r a n a l y z e st h ec h a r a c t e r so fv e h i c l e sm o v i n go nt h ed i f f e r e n tp a r to fe x p r e s s w a ys y s t e m ss u c h b a s i cs e g m e n t ，r a m pa n dt o l l i n gp l a z a c o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s a b r o a d a n dd o m e s t i c ，t h ec o r r e l a t i v es i m u l m i o nm o d e l ss u c h 鷦v e h i c l ec r e a t i o n ，t r a c k i n g ， c h a n g i n gl a n e s ，t o l l i n gp l a z aa n ds oo n , a a n a l y z e d ，c o m p a r e da n dc o m m e n t e d b a s e do nt h a t , t h ee x p r e s s w a ys i m u l a t i o ns y s t e m sa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h em a i nf r a m eo fs i m u l a t i o n s y s t e m si sc o m p o s e db yi n p u tm o d u l e ，s i m u l a t i o nm o d u l e ，o u t p u tm o d u l e t h et r a f f i cm o d e l st h a t a d o p t e di nt h ef o r m e rt h r e em o d u l e sa md e s c r i b e d a n di m p r o v e d t h ee x p r e s s w a yt r a f f i c s i m u l a t i o np r o g r a mi sc o m p l i e db yv c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e d os o m ee x p r e m e n t so nt h e e x p r e s s w a ym e r g i n g - a r e ab y t h ep r o g r a ma n dt h ee x p r e m e n t sd a t af i r eu s e dt od r a w i n g p o i n t s - f i g u r e d i s c u s s i n gh o w t h ec o n v e r g i n gv e h i c l e si nt h er a m pa f f e c tt h ev e h i c l e si nt h eb a s i c s e g m e n t k e y w o r d s ：e x p r e s s w a ys y s t e m s ；b a s i cs e g m e n t ；r a m p ；t o l l i n gp l a z a ；t r a f f i cs i m u l a t i o n 東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu) 的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：鑒! 壘日期：窶墮7 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位 論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人 電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論 文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包 括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。 研究生簽名：鑒! 簍。導(dǎo)師簽名：睦墊吆日期：巡a 7 第一章緒論 1 1 研究背景 第一章緒論 高速公路的產(chǎn)生是經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的客觀需要，也是交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的迫切需要。由于 其自身的特點(diǎn)，高速公路適合大流量快速客貨運(yùn)輸。它的發(fā)展為推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步、振興國家經(jīng) 濟(jì)、促進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)日臻完善，起了巨大的作用。 高速公路安全高效的運(yùn)作依賴于合理的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和管理，因此這方面的研究是交通工 程領(lǐng)域研究的一個(gè)重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的研究方法有經(jīng)驗(yàn)實(shí)測方法、理論分析方法。經(jīng)驗(yàn)實(shí)測法 的基本數(shù)據(jù)都來源于實(shí)際現(xiàn)場，有很大的可信度，不需要什么假設(shè)條件。但是其弱點(diǎn)是數(shù)據(jù) 采集量大，只能對已有道路構(gòu)型進(jìn)行研究，并且對于個(gè)別因素的影響情況很難確定。理論分 析方法，需要采取一些基本假設(shè)，但這種假設(shè)會(huì)受研究水平的限制，可能不正確，與實(shí)際會(huì) 有偏差。這兩種方法對具體環(huán)境的局部問題可以較好的解決，但對于高速公路整個(gè)系統(tǒng)，各 種道路和交通條件組合情況的研究，難以很好的勝任。 隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟與發(fā)展，交通仿真容以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，正成為廣泛使用 的研究手段。計(jì)算機(jī)模擬模型是從現(xiàn)場實(shí)測的一些基本數(shù)據(jù)中理論推導(dǎo)和抽象出來的，可以 產(chǎn)生大量的與實(shí)測數(shù)據(jù)相似的仿真數(shù)據(jù)。而且可以通過虛擬手段建立、研究各種道路構(gòu)型， 對復(fù)雜系統(tǒng)的整體研究更加有優(yōu)勢。交通仿真克服了傳統(tǒng)方法的局限，為高速公路的研究提 供了一種新的高效便利的研究手段。它具有節(jié)省費(fèi)用、安全、快速、研究范圍廣、可控制、 可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。 交通仿真模型與其他交通分析技術(shù)，如需求分析、通行能力分析、交通流模型、排隊(duì) 論理論等結(jié)合在一起，可以用來對多種因素相互作用的交通設(shè)施或交通系統(tǒng)進(jìn)行分析和評 估。這些交通設(shè)施或交通系統(tǒng)可以是單個(gè)的信號燈控制或無信號控制的交叉口，也可以是居 民區(qū)或城市中心區(qū)的密集道路網(wǎng)、線控或面控的交通信號系統(tǒng)、某條高速公路或高速公路網(wǎng)、 雙車道或多車道縣( 鄉(xiāng)) 公路系統(tǒng)等等。另外，交通系統(tǒng)仿真還可以用來分析和評價(jià)交通集 散地，如停車場、中轉(zhuǎn)站、機(jī)場等的規(guī)劃設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀況。 當(dāng)然，交通系統(tǒng)仿真不僅限于道路運(yùn)輸系統(tǒng)，在其他運(yùn)輸系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用， 如公共交通系統(tǒng)、軌道交通系統(tǒng)，航空運(yùn)輸系統(tǒng)、水運(yùn)系統(tǒng)、行人交通系統(tǒng)、傳送帶運(yùn)輸系 統(tǒng)等。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀 1 9 5 1 年，由英國交通道路研究實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的交叉口微觀仿真是最早的交通仿真研究 項(xiàng)目。1 9 5 3 年，洛衫磯加利福尼亞大學(xué)開發(fā)了交叉口和高速公路的仿真模型是第一個(gè)美 國交通仿真項(xiàng)目“j 。可以說歐洲和美國在這方面發(fā)展的最早。w i h e i ml e u t z b a e h 和r a i n e r w i e d e m a n n1 2 】將交通仿真定義為用數(shù)學(xué)模型復(fù)現(xiàn)交通流時(shí)間和空間變化的技術(shù)。也就是 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對所研究交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為以及參與交通控制者一人的思 維過程和行為特征，進(jìn)行比較真實(shí)的重現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對交通問 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 題的深入研究，仿真技術(shù)日益成為研究交通問題的重要手段。許多國家的交通工程師在 這方面作了很多的工作。到現(xiàn)在以美國發(fā)展得最為成熟。 高速公路仿真模型主要分為微觀模型與宏觀模型兩大類。其中微觀模型包括 i n t r a s 、f r e s i m 、c a r s i m 、w e a v s i m 、f r e e s l m ，宏觀模型包括f r e q 、f r e f l o 、 k r o n o s 、c o r q 。 i n t r a s ( i n t e g r a t e dt r a f f i cs i m u l a t i o n ) 3 1 ，該模型是美國最為成功的微觀交通仿 真模型。起先主要應(yīng)用于高速公路事件研究及交通控制，到8 0 年代初該模型已成為能對 城市道路和高速公路進(jìn)行微觀仿真和宏觀分析的綜合交通仿真系統(tǒng)。當(dāng)今流行的綜合微 觀交通仿真軟件t s l s 中采用的就是i n t r a s 的改進(jìn)模型。 f r e s i m 4 1 是按結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對i n t r a s 模型的改進(jìn)，它可以仿真復(fù)雜的高速公路 幾何結(jié)構(gòu)，比如車道的增加減少、輔助車道、變化坡度、曲線的超高和不同的半徑?？?以說是一個(gè)比較完善的高速公路微觀仿真模型。 c a r s i m ”，w e a v s i m t 6 1 都是基于i n t r a s 模型之上的，但強(qiáng)調(diào)特殊用途。c a r s i m 提供額外的模擬功能，如在跟馳邏輯上。表現(xiàn)高速公路上車輛停車再啟動(dòng)的過程；而 w e a v s i m 則專門用來研究交織區(qū)的動(dòng)態(tài)交通流。 f r e e s i m 2 j 是隨機(jī)性模型。用來模擬跟馳和換車道的一系列算法是建立在對信號標(biāo) 志反應(yīng)基礎(chǔ)上的。 f r e q 是美國加利福尼亞大學(xué)自1 9 6 8 年開始連續(xù)開發(fā)的模型。至今已開發(fā)到了第十 代。用來估算特定高速公路上有限進(jìn)口控制和一般進(jìn)口控制。最先是用于高速公路改建 評價(jià)的，以后每一代都有新的功能。 f r e f l o 用流體理論描述高速公路上的交通流。f r e f l o 開始不能很好的模擬擁擠 條件下的交通流，后來通過交通分配平衡模型為它提供流量和路線信息。 k r o n o s 用一些簡單連續(xù)模型表現(xiàn)交通流，并能夠模擬受干擾的交通流，例如，換 車道、合流、分流、交織、阻塞等車流，這些現(xiàn)象往往在其他高速公路宏觀模型中不能 表現(xiàn)。 c o r o ( c o r r i d o rq u e u i n g ) 是一個(gè)高速公路仿真和交通分配的宏觀模型。主要用途 是模擬不同時(shí)間的高峰需求，結(jié)合動(dòng)態(tài)交通分配技術(shù)估算通信能力等。 國外仿真研究發(fā)展較早，也相對成熟。由于經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，這些模型可較好的描述 相應(yīng)的車輛行為。這些模型的建模方式和考慮因素值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。但是國外的仿真模 型大都根據(jù)本國道路、交通狀況開發(fā)，而我國的道路和交通狀況有自己的特點(diǎn)，例如國內(nèi)小 客車普及程度低，道路上貨車比例相對較大，車道寬度與國外不同，駕駛員的特性不同( 比 如反應(yīng)時(shí)間等) ，換車道行為有明顯區(qū)別等。這些不同因素，使得國外的仿真模型在某些程 度上不能很好適應(yīng)我國的情況。針對我國高速公路特點(diǎn)，借鑒國外經(jīng)驗(yàn)改造已有的或開發(fā)自 己的模型是我們的發(fā)展方向。 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國高速公路交通和道路狀況有自己的特點(diǎn)，如車道寬度、駕駛員特性( 反應(yīng)時(shí)間) ， 換車道行為等都有明顯區(qū)別。由此形成的交通構(gòu)成、交通流特性、交通組織管理方法都 與國外有很大不同，這些因素使得國外的仿真模型在某些程度上不能很好的適用中國國 情。因此國內(nèi)的交通仿真軟件必須在國外軟件的基礎(chǔ)上，針對我國高速公路特點(diǎn)。開發(fā) 適應(yīng)中國自己特色的仿真系統(tǒng)。 在我國，用系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)行道路交通的仿真實(shí)驗(yàn)開始于2 0 世紀(jì)8 0 年代，并且主 2 第一章緒論 要集中在高等院校等研究機(jī)構(gòu)。早在1 9 8 4 年，北京工業(yè)大學(xué)就開始了交通仿真的研究工 作，為了解直行汽車車隊(duì)通過信號燈路口的運(yùn)行狀態(tài)，用b a s i c 語言編制了一個(gè)仿真程 序，來求解頭車運(yùn)動(dòng)方程和跟馳方程；1 9 8 5 年，采用以p a s c a l 語言編制的程序并基于 事件掃描方法對信號燈路口交通特性進(jìn)行了仿真研究；2 0 世紀(jì)9 0 年代初，采用以c 語 言編制的程序?qū)Ω咚俟仿范瓮ㄐ心芰M(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真；1 9 9 6 年，在w i n d o w s 環(huán)境下 以面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言v i s u a lc + + 開發(fā)了用于高速公路基本路段行車仿真研究的軟 件b e s s j ，討論了高速公路基本路段理想條件下的通行能力和大中型車的s v e 值。從 交通流統(tǒng)計(jì)分析模型、理論分析模型和仿真模型三個(gè)方面的綜合分析，得出了理想條件 下，我國現(xiàn)階段高速公路基本路段的通行能力值；近兩年來，又開展了高速公路基本路 段通行能力和道路交織區(qū)交通行為的仿真研究。 同濟(jì)大學(xué)在2 0 世紀(jì)9 0 年代初，建立了優(yōu)先控制t 型交叉口車輛運(yùn)行的仿真模型， 并研制了相應(yīng)的仿真軟件，用來分析不同道路和交通條件對優(yōu)先控制的t 型交叉口通行 能力的影響；近年來，利用微觀仿真對高速公路互通式立交的通行能力及延誤進(jìn)行了研 究，運(yùn)用軟件工程思想、對象建模技術(shù)( o m t ) 和真實(shí)化程序設(shè)計(jì)的概念，在需求分析 的基礎(chǔ)上，開發(fā)了以高速公路匝道控制為研究對象的微觀交通仿真軟件m i c r o s i m i ，j 。 m i c r o s i m 建立了車輛生成模型和基于駕駛員心理反應(yīng)p i e v 模式的車輛形式模型，評價(jià) 了影響道路入口匝道范圍內(nèi)交通流運(yùn)行狀況各因素的作用。 東南大學(xué)在交通系統(tǒng)仿真研究方面也取得了一系列研究成果，例如2 0 世紀(jì)9 0 年代 中后期進(jìn)行的城市交通網(wǎng)絡(luò)研究、城市交通實(shí)時(shí)模糊控制研究，提出了單路口交通實(shí)時(shí) 模糊控制方法；另外，還采用動(dòng)態(tài)微觀仿真方法研究了路段通行能力，考慮駕駛員、車 輛、道路、環(huán)境和交通規(guī)則的相互關(guān)系及對通行能力的影響，從微觀的角度出發(fā)建立了 仿真模型。 清華大學(xué)交通研究所于2 0 世紀(jì)9 0 年代末期，在w i n d o w s 平臺以面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思 路開發(fā)了名為t r a s i m u l 的仿真軟件，用以模擬城市平面交叉口的擁擠特性，為緩解城市 平交路口的交通擁擠提供了有力的工具。 其他的還有西南交通大學(xué)進(jìn)行了初步的交通系統(tǒng)仿真及在交通控制中的應(yīng)用研究， 利用仿真技術(shù)進(jìn)行了高速公路車頭分布間隙分布規(guī)律及其應(yīng)用研究；華南理工大學(xué)利用 交通仿真分析了信號交叉口的通行能力和服務(wù)水平；上海交通大學(xué)建立了宏觀交通流分 配仿真模型，實(shí)現(xiàn)了路網(wǎng)中的流量分配；北京理工大學(xué)開發(fā)了城市交通誘導(dǎo)仿真系統(tǒng)； 天津大學(xué)利用仿真進(jìn)行了交通流自組織管理控制研究，以交通流元細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬和仿 真結(jié)果說明交通流中自組織現(xiàn)象并進(jìn)行了理論分析與數(shù)學(xué)描述；中國科技大學(xué)進(jìn)行了基 于微觀躍動(dòng)模型的趁勢交通仿真研究。吉林大學(xué)在交通系統(tǒng)仿真方面也開展了一系列的 研究，主要是用g p s s 仿真語言對交叉口的交通狀況進(jìn)行仿真研究。此外，長安大學(xué)， 西安交通大學(xué)、交通部公路科學(xué)研究所等單位也開展了交通仿真方面的研究工作。 交通系統(tǒng)仿真技術(shù)在我國的應(yīng)用只有十幾年的歷史，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被廣泛接受。并且從已 經(jīng)做過的工作來看，基本上都是探索性的，迄今為止還沒有開發(fā)出一個(gè)被普遍認(rèn)可的或能用 來解決實(shí)際問題的系統(tǒng)仿真軟件。雖然也有人試圖用國外的軟件來對我國的交通進(jìn)行仿真實(shí) 驗(yàn)，但由于國情的不同，也沒能得到滿意的結(jié)果。 國內(nèi)仿真模型發(fā)展越來越受到重視，雖然還有許多不足，但它們是根據(jù)我國的交通特點(diǎn) 開發(fā)的，在這方面要好于國外模型。我們也可看出，國內(nèi)仿真模型大部分是對特定交通設(shè)施 進(jìn)行描述，許多是單獨(dú)的模型，能夠較好的解決單一的、局部的問題。但是對于復(fù)雜、綜合 的問題，例如高速公路系統(tǒng)的研究缺乏有效的整合模型。 本文通過吸取國內(nèi)外仿真研究的經(jīng)驗(yàn)，將已有的單獨(dú)的仿真模型系統(tǒng)地整合起來。 3 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 根據(jù)我國道路和交通的特點(diǎn)對整體進(jìn)行有效性驗(yàn)證和重新標(biāo)定。改造某些模型不適用方 面，這將是一項(xiàng)有意義的工作。 整合模型系統(tǒng)對于研究高速公路上不同道路環(huán)境和交通環(huán)境組合問題將更加有效。 1 3 本文研究的主要內(nèi)容 1 分析研究我國高速公路系統(tǒng)交通流特性，分析基本路段、匝道口、收費(fèi)站這三個(gè) 地段車輛運(yùn)行的特點(diǎn)； 2 結(jié)合國內(nèi)外高速公路交通流仿真模型的研究成果，分析對比其合理性、適用性， 選擇建立適合我國高速公路的動(dòng)態(tài)交通流的計(jì)算機(jī)仿真模型； 3 設(shè)計(jì)開發(fā)高速公路系統(tǒng)仿真整體框架及各模塊內(nèi)容，編寫高速公路動(dòng)態(tài)交通流仿 真程序，通過計(jì)算機(jī)仿真動(dòng)畫演示，直觀的、模擬的顯示車輛在高速公路基本路段、匝 道口、收費(fèi)站行駛中的一些交通行為； 4 設(shè)計(jì)仿真程序應(yīng)用方案，通過所開發(fā)的仿真程序，對高速公路某一部分進(jìn)行模擬， 并分析研究仿真結(jié)果。 4 第二章高速公路交通流特性分析 第二章高速公路交通流特性分析 2 1 高速公路系統(tǒng)交通流特性理論 2 1 1 高速公路車輛特征 司機(jī)根據(jù)自己的技能水平、車輛性能與道路條件，綜合決定自由行駛時(shí)的期望車速。具 體對于某輛車在道路上的運(yùn)行狀況可分為以下三種情況i l l j ： 1 勻速行駛：當(dāng)前導(dǎo)車車速高于跟蹤車車速或前導(dǎo)車與跟蹤車車頭間距遠(yuǎn)大于最小車 頭時(shí)距時(shí)，車輛處于勻速行駛狀態(tài)； 2 跟蹤：當(dāng)前后兩車車頭間距處于最小車頭間距附近、跟蹤車期望以高于前導(dǎo)車車速 行駛而又不能夠超車時(shí)，跟蹤車處于跟蹤狀態(tài)； 3 超車：當(dāng)跟蹤車期望超車而又有足夠的超車間距時(shí)，跟蹤車進(jìn)行超車 2 1 2 高速公路交通流運(yùn)行特征 高速公路及其組成部分是在非間斷交通流的形式下運(yùn)行的，不僅對交通流沒有固定間 斷，而且車輛進(jìn)出高速公路也受匝道位置的限制與管制。 任何己知交通流的運(yùn)行狀態(tài)都是由速度、交通量或者流率以及密度這三種主要度量指標(biāo) 來確定的。他們之間的基本關(guān)系可以表示為： q = k y( 2 1 ) 式中，q 一流量，輛，j 、時(shí)； v - - 速度，公里，j 、時(shí)； k 一密度，輛，j 、時(shí)。 從式中可以看出，流量為零值時(shí)會(huì)在以下兩種截然不同的條件下出現(xiàn)：一是當(dāng)?shù)缆飞蠜] 有車輛時(shí)，密度為零，流量也為零。在這一條件下速度是純理論的，是第一個(gè)駕駛者可能選 擇的任何高速度。二是當(dāng)密度高達(dá)所有車輛停駛的程度時(shí)( 速度為零) ，流量也是零。因?yàn)?沒有活動(dòng)，車輛不能通過道路上任何一點(diǎn)。在這兩個(gè)極端之間，交通流的動(dòng)態(tài)特性才產(chǎn)生最 大的影響。當(dāng)密度由零增加時(shí)，因?yàn)榈缆飞闲旭偟能囕v增多了，所以流率也在增加。此時(shí)， 由于車輛之問的干擾，速度開始下降( 由于車輛的相互作用) 在低密度和低流率時(shí)，這種 下降實(shí)際上可以不計(jì)。然而，當(dāng)密度持續(xù)增加，達(dá)到某一值時(shí)，會(huì)使速度急劇下降。當(dāng)密度 增加和速度下降而引起流量減少時(shí)，流率達(dá)到最大值。 5 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 任何已知交通設(shè)施的最大流率就是他的通行能力【l 習(xí)。此時(shí)出現(xiàn)的交通密度稱為臨界密 度，這是出現(xiàn)的速度被稱為臨界速度。當(dāng)接近通行能力時(shí)流量變得更不穩(wěn)定，因?yàn)榻煌髦?有效間隙更少。達(dá)到通行能力時(shí)。交通流中不再有可利用的間隙，并且車輛進(jìn)出設(shè)施，或在 車道內(nèi)部改變行駛所帶來的任何干擾，都會(huì)產(chǎn)生難以抑制或消除的障礙。因此。達(dá)到或者接 近通行能力的運(yùn)行，很難長時(shí)間維持不致形成上游排隊(duì)，從而強(qiáng)制流或阻塞流變得幾乎不可 避免。由于這一點(diǎn)原因，大多數(shù)設(shè)施的設(shè)計(jì)交通量小于其通行能力。如圖2 1 所示除通行能 力外，任何流率能在兩種不同的條件下出現(xiàn)：一種是高速度和低密度，另一種是高密度和低 速度。曲線的握個(gè)高密度、低速度的半邊被認(rèn)為是不穩(wěn)定的，他代表強(qiáng)制或阻塞流。曲線的 低密度、高速度的半邊是穩(wěn)定流范圍。 2 1 3 交通量、密度、速度之間的基本關(guān)系 除了q = 足n 還有以下一些關(guān)系。 1 速度一密度的關(guān)系 關(guān)于速度和密度的關(guān)系，用公式可表示為 v = _ ( 1 一k 巧) ”( 2 - 2 ) 式中，一當(dāng)車流密度很小時(shí)，車流在自由狀態(tài)下最大速度； 置。一當(dāng)交通發(fā)生阻塞時(shí)，車速趨近于0 時(shí)的最大車流密度； 2 流量一密度的關(guān)系 將式( 2 2 ) 代入式( 2 - 1 ) ，得到 q = 巧( k k 2 k ，) ” ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 為拋物線方程，根據(jù)v - k 關(guān)系式的不同，可得到不同的表達(dá)式。 3 流量一速度的關(guān)系 同樣通過速度一密度關(guān)系，可以求出流量一速度關(guān)系為 q = ( 1 一礦吩) + 【巧一( 1 一礦吩) 】 ( 2 4 ) 由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 關(guān)系式可繪制v - k ，o - v ，q - k 關(guān)系曲線圖，如圖2 - 2 所示。 由圖2 2 可知： 1 當(dāng)車流密度小于最佳車流密度時(shí)。車流處于自由行駛狀態(tài)。平均車速高，交通量沒 有達(dá)到最大值，密度增大，交通量也增大； 2 當(dāng)車流密度接近或等于最佳車流密度時(shí)。車流出現(xiàn)車隊(duì)跟馳現(xiàn)象，車速受限制，各 種車輛接近某一車速等速行駛，交通量將要達(dá)到最大值； 3 當(dāng)車流密度大于最佳車流密度時(shí)，車流處于擁擠狀態(tài)，由于車流密度逐漸增大，車 速和交通量同時(shí)降低，交通發(fā)生阻塞，甚至將發(fā)生停車現(xiàn)象。 根據(jù)理論推導(dǎo)可得：最佳車流密度( j b ) 為道路完全阻塞最大車流密度( 局) 的一半值： k ，= k ，2 ( 2 5 ) 道路上交通量達(dá)到最大值時(shí)行車速度( ) 為自由行駛狀態(tài)的最大車速( 圩) 的一半值： =巧2(2-6) 6 第二章高速公路交通流特性分析 道路上的最大交通量為： 0 0 2 k m = ( + 巧) 4 、 ， 、 、 ， 足 _ 蓋 ， 、 ， 、 、 、 砼- k 10 q 。 圖2 - 2 交通量一速度一密度關(guān)系圖 2 1 4 影響高速公路車流運(yùn)行的因素 ( 2 7 ) 經(jīng)過對全國高速公路運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響我國高速公路車流運(yùn)行的主要因素是混合 交通的車輛組成情況 1 6 1 。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是大、重車比小客車體積大，因而比小 客車占用更多的道路空間；二是這類車輛的行駛性能( 如加速、減速和保持速度的能力等) 要遠(yuǎn)低于小客車。這些不同行駛性能的車輛會(huì)導(dǎo)致在交通流中形成間隙，但又不能立即為超 越車輛所利用。特別是對于長距離持續(xù)上坡路段，影響有位顯著。在這種情況下，貨車不得 不明顯的降低車速，在交通流中出現(xiàn)非常大的間隙，道路通行能力降低。 2 2 高速公路基本路段交通流運(yùn)行特性 由于基本路段是不受匝道附加合流、分流及交織流影響的路段，所以基本路段上的車輛 從縱向來看主要是加速、減速、或勻速行駛；從橫向來看主要是不換車道或換車道行為。從 車輛之間行駛關(guān)系來看，車輛的運(yùn)行又可分為跟馳、自由行駛、停車、換車道( 超車) 三種 狀態(tài)。這幾種狀態(tài)之間的關(guān)系見圖2 - 3 。 在車流量較小的高速公路基本路段上行駛的車輛速度主要受道路橫斷面、平曲線、縱斷 面線性的影響。由于沒有匝道影響，因此基本路段中的換車道現(xiàn)象主要發(fā)生在快速車輛跟隨 慢車行駛時(shí)，快速車輛為使自己車速不致于下降很多而采取變換車道或者超車情況下。這種 換車道行為是在當(dāng)前車道行駛狀態(tài)不能滿足司機(jī)的要求，而且相鄰車道行駛條件比當(dāng)前車道 優(yōu)越情況下發(fā)生的，具有換車道需求產(chǎn)生過程，是一種判斷型( d i s c r e t i o n a r y ) 換車道行為。 基本路段上的車輛在幾條車道上的分布也不同。這種不同體現(xiàn)在車型、車速、車流密度。 7 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 高速公路交通管理辦法【i 硼中明確規(guī)定了各車道的性質(zhì)：高速公路以沿機(jī)動(dòng)車行駛方 向左側(cè)算起，第一條車道為超車道，第二、第三條和其他車道為行車道。并對不同車速的車 行駛的車道作了相應(yīng)規(guī)定。小型車車速高，常集中在內(nèi)側(cè)車道，但超車道上不允許長時(shí)間占 用。大型車車速較低，一般行駛在外側(cè)車道。在坡度較大的上坡路段。還專門為重型車設(shè)置 爬坡車道。這就造成各車道車型密度不同。同時(shí)內(nèi)側(cè)車道車流速度高速外側(cè)車流。 ： j 調(diào)整過程；穩(wěn)定狀態(tài) 調(diào)整過程 ；i 條件滿足 圖2 - 3 車輛行駛狀態(tài) 2 3 高速公路匝道口交通流運(yùn)行特性 2 3 1 入口匝道車輛運(yùn)行特性 完成 入口匝道的合流車輛要進(jìn)入高速公路，先要進(jìn)入加速車道行駛，同時(shí)尋找高速公路最外 側(cè)車道中車流可插入間隙，并調(diào)整加速度大小。當(dāng)出現(xiàn)可插入間隙合流車實(shí)施換車道操作， 進(jìn)入高速公路最外側(cè)車道。合流車輛與高速公路主線車輛在匝道連接點(diǎn)附近爭奪交通需求空 間，造成這個(gè)區(qū)域交通流特征非常復(fù)雜。 由于高速公路運(yùn)行規(guī)則的存在，合流車輛與高速公路主線上的車輛在爭奪行駛空間上不 平等。這也就是說，在出現(xiàn)爭奪行駛空間情況下，主線車輛優(yōu)先行駛，匯入車流只有在高速 公路主線車流中出現(xiàn)足夠大的空隙時(shí)，才能進(jìn)入；否則，加速車道上的車輛只有等待下一個(gè) 空隙，重復(fù)同樣的判斷，一直到出現(xiàn)可接受插入間隙，完成匯入行為。若主線車流量太大， 合流車輛在變速車道上始終無法找到合適的間隙，合流車輛將在加速車道末端減速并停車， 直到主線上出現(xiàn)合適間隙才重新啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)合流。 加速車道長短，匝道入口類型、入口角度等因素都會(huì)對匯入車輛的行為產(chǎn)生很大的影響。 例如，加速車道較長，駕駛員會(huì)有更多的時(shí)間來尋找可插入間隙，在未匯入前，駕駛員改變 速度的幅度較小，舒適程度和安全性提高，降低合流車輛的延誤。 由于主線車流與匝道內(nèi)車流在這個(gè)區(qū)域合流，必然會(huì)造成改區(qū)域車流量增加，當(dāng)車流量 很大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生擁擠甚至阻塞，因此合流區(qū)可能會(huì)是高速公路的瓶頸區(qū)域。合流車輛直接匯 入最外側(cè)車道，對最外側(cè)車道車流影響最大，但這種影響會(huì)涉及到整個(gè)路段所有車道的車流 分布。其特征表現(xiàn)為靠近外側(cè)車道上的車輛為避免與合流車輛產(chǎn)生空間沖突，會(huì)盡量向內(nèi)側(cè) 車道換位，同時(shí)造成與內(nèi)側(cè)車流爭奪空間。這將使內(nèi)側(cè)車道的車流量增加，導(dǎo)致車速降低， 8 第二章高速公路交通流特性分析 內(nèi)側(cè)車輛駕駛的舒適程度和安全性也會(huì)降低。改善合流區(qū)的車流情況可以提高高速公路主線 的通行能力 圖2 4a n 匝道車輛從不同位置進(jìn)入外側(cè)車道的百分比【1 4 】 匝道控制是高速公路上常用的控制方式之一，入口匝道控制的目的是通過把高速公路上 的延誤因素轉(zhuǎn)移到入口匝道，從而在高速公路上維持一個(gè)既不間斷也不擁擠的交通流，也就 是把超量的車輛轉(zhuǎn)移到其他可替代道路上，或者轉(zhuǎn)移到需求較低的其他時(shí)間，或者采用其他 運(yùn)輸方式。 2 3 2 出口匝道車輛運(yùn)行特性 從減速車道道口上游一段距離起，分流車輛就開始向外側(cè)車道換車道，為進(jìn)入減速車道 做準(zhǔn)備。當(dāng)行駛到減速車道起點(diǎn)附件時(shí)，開始尋找可換入間隙，并調(diào)整加速度，當(dāng)出現(xiàn)合適 間隙后，換入減速車道，并跟隨減速車道上的其他車輛從出口匝道駛出高速公路。分流車為 分流準(zhǔn)備及分流時(shí)左的換車道行為對外側(cè)車道的車流影響最大，但同時(shí)波及到其他車道。所 以在分流區(qū)的車流也與基本路段不同。 由于駕駛員特性不同，從上游來的分流車輛在到達(dá)減速車道起點(diǎn)后可能會(huì)有兩種情況， 1 ) 分流車已經(jīng)在最外側(cè)車道；2 ) 分流車還沒有換到最外側(cè)車道。如果車流量不是非常大， 大部分車輛會(huì)出現(xiàn)第一種情況。在第一種情況下，一部分駕駛員從減速車道起點(diǎn)處就開始換 入：另一部分則并不急于減速換入，而是繼續(xù)在最外側(cè)車道上行駛一段時(shí)間后，才開始換入 減速車道。據(jù)觀測資料處理結(jié)果表明，大約9 0 的車輛在減速車道開始2 3 的位置時(shí)已經(jīng)完 成了車道變換操作，同時(shí)也有一小部分車輛在出口附近才進(jìn)行車道變換。第二種情況往往因 為分流交通量太大，部分分流車在到達(dá)減速車道時(shí)未來得及換到最外側(cè)。這時(shí)分流車為在到 分流點(diǎn)之前駛?cè)霚p速車道必然要強(qiáng)行擠入外側(cè)車道和減速車道。如果在到達(dá)分流點(diǎn)附近還沒 有換到減速車道，則只能停車等待。圖2 5 是駛出匝道車輛在在外側(cè)車道距離出口匝道的百 分比。可以看出，9 5 的駛出車在距出口匝道3 0 0 米的上游路段已經(jīng)進(jìn)入最外側(cè)車道，完成 換車道的準(zhǔn)備工作。 圖2 - 5 駛出匝道車輛不同距離在外側(cè)車道內(nèi)百分比【1 4 】 出口匝道發(fā)生擁擠實(shí)際上并不在于減速車輛本身，而在于與匝道相銜接的道路交通狀 況。若匝道下游交通順暢，則分流車輛可以順利實(shí)施換車道和減速行為，完成分流過程。反 之，分流出來的車輛不能駛?cè)朐训?，就?huì)滯留在減速車道上，影響分流車輛正常運(yùn)行，嚴(yán)重 時(shí)導(dǎo)致交通堵塞。 9 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 3 交織區(qū)內(nèi)交織車輛與非交織車輛運(yùn)行特性 交織區(qū)內(nèi)交織車輛必須在一定的交織長度內(nèi)完成換車道行為，它與匝道的車輛匯入特性 有類似之處，即使在不適宜換車道的情況下也會(huì)強(qiáng)制匯入，但比之更為復(fù)雜，因?yàn)榻豢椳囕v 的換車道行為是兩條車道車輛交互進(jìn)行。 從入1 2 1 匝道進(jìn)入的車輛在匯入主線時(shí)不但要考慮主線外側(cè)車道車流的可插間隙。還要考 慮主線分流車的影響，而主線分流車同樣要考慮輔助車道上合流車的影響，這一點(diǎn)與合流、 分流匝道不同。如果合流車與分流車同時(shí)爭奪空間，則主線分流車要有優(yōu)先權(quán)，合流車要等 待分流車讓出相應(yīng)位置之后再進(jìn)行合流。 交織區(qū)內(nèi)交織車輛的車速受交織區(qū)長度影響很大。美國通行能力手冊認(rèn)為，交織區(qū)長度 應(yīng)該在7 5 0 m 以下，否則進(jìn)出口之間的路段不再視為交織區(qū)，因?yàn)榇藭r(shí)進(jìn)出口之間的車輛運(yùn) 行中換車道的緊迫性不明顯，交通運(yùn)行特征是合流點(diǎn)和分流點(diǎn)特征。交織區(qū)長度過短，所有 交織車需要在很短時(shí)間內(nèi)完成換車道，分流車流和匯入車流互相影響，嚴(yán)重的紊流使交織車 輛車速下降，整個(gè)路段通行能力降低。 式2 8 反映了交織或非交織車輛的平均速度與交織區(qū)長度成正比【l “。 甌黜。觀4 j + 而麗兩卷麗) 式中，a , b ，c ，d 一常數(shù)5 一交織車輛的平均行駛速度，k m h ； 晶。一非交織車輛的平均行駛速度，k l l l h l k 一交通量比值； p 一交織區(qū)的總流率，輛m ； 一交織區(qū)內(nèi)車道總數(shù)； 工一交織區(qū)長度，k m ； 交織區(qū)寬度對交織運(yùn)行也有影響，交織車比非交織車占用更多的有效車行道空間，它取 決于使用交織段的交通量和必須的車道變換次數(shù)。當(dāng)交織車輛為完成均衡運(yùn)行所必須使用的 最大車道數(shù)小于可能的最大車道數(shù)時(shí)，交織車要求所占用的車道數(shù)得到滿足，此時(shí)的交織運(yùn) 行狀態(tài)稱為非約束型運(yùn)行；反之，要求占用的車道數(shù)受到限制，引起非交織車輛的速度平均 值高于交織車速度平均值，成為約束型運(yùn)行。 交織區(qū)內(nèi)的非交織車輛與基本路段上的車輛相比較，不可避免的要受交織車輛的干擾， 因此進(jìn)行換車道行為的頻率也很高。這是基于司機(jī)對交織車道運(yùn)行條件的惡化做出的必然選 擇。因此，宏觀上交織區(qū)不僅交織車道交通紊亂，非交織車輛運(yùn)行同樣產(chǎn)生波動(dòng)。只有交織 車輛與非交織車輛的換車道行為綜合在一起，才能形成交織區(qū)宏觀上獨(dú)特的流量、密度、速 度分布特性。 交織車輛集中在外側(cè)車道和輔助車道上，因此外側(cè)車流受影響最大。外側(cè)非交織車輛為 避免與交織車輛爭奪空間，傾向于向內(nèi)側(cè)換車道，內(nèi)側(cè)車流也會(huì)受到影響。內(nèi)側(cè)車往往不再 換到外側(cè)，同時(shí)受到外側(cè)換入車輛的影響車速也會(huì)下降。 2 4 高速公路收費(fèi)站交通流運(yùn)行特性 收費(fèi)站是指為收取車輛的通行費(fèi)用而設(shè)立的交通設(shè)施，通常包括：收費(fèi)門( 包括：收費(fèi) 1 0 第二章高速公路交通流特性分析 島、收費(fèi)亭、收費(fèi)車道、收費(fèi)機(jī)械) 、收費(fèi)廣場、收費(fèi)所。收費(fèi)站的通行能力是指在單位時(shí) 間內(nèi)在一定服務(wù)水平下能夠通過收費(fèi)站最大車輛數(shù)。其中收費(fèi)車道的通行能力決定收費(fèi)站的 通行能力。 車流在公路收費(fèi)站的運(yùn)行有其獨(dú)特之處。公路收費(fèi)站交通流特性分析是收費(fèi)站延誤分析 和通行能力分析的基礎(chǔ)，也是對交通流進(jìn)行微觀模擬和描述的基礎(chǔ)。一般情況下，當(dāng)車輛進(jìn) 入和離開收費(fèi)站時(shí)，車輛從主線或匝道接近收費(fèi)站，進(jìn)入收費(fèi)廣場時(shí)車輛減速。尋找排隊(duì)長 收費(fèi)島 圖2 - 6 高速公路收費(fèi)站示意圖 度較短或沒有排隊(duì)的收費(fèi)車道交款或領(lǐng)票，如果所選擇的收費(fèi)車道上有排隊(duì)等候的車輛，那 么就在隊(duì)尾排隊(duì)等候服務(wù)，接受完服務(wù)后，加速離開收費(fèi)廣場進(jìn)入主線或匝道。如果所選擇 的收費(fèi)車道沒有排隊(duì)等候的車輛，那么就直接進(jìn)入收費(fèi)車道接受服務(wù)，然后加速離開收費(fèi)廣 場進(jìn)入主線或匝道?？傮w來說，可以將車輛通過收費(fèi)站的過程描述為：減速進(jìn)入收費(fèi)廣場一 排隊(duì)等候( 如果形成排隊(duì)的話卜接受服務(wù)( 交款或領(lǐng)票卜一加速離開收費(fèi)廣場。 一般情況下減速進(jìn)入收費(fèi)廣場和加速離開收費(fèi)廣場僅與車輛的加減速性能和司機(jī)的駕 駛行為有關(guān)，與收費(fèi)站提供的服務(wù)關(guān)系不大。排隊(duì)等候過程和接受服務(wù)過程與收費(fèi)站提供的 服務(wù)密切相關(guān)。它們是進(jìn)行延誤分析和通行能力分析的關(guān)鍵。排隊(duì)等候的過程相對比較固定， 經(jīng)典排隊(duì)理論模型將在第三章中詳細(xì)地描述，這里不再贅述。這里詳細(xì)分析了接受服務(wù)的過 程。按照服務(wù)時(shí)間完成任務(wù)的不同，可將接受服務(wù)的時(shí)間劃分成兩個(gè)部分，純粹服務(wù)時(shí)間和 離去時(shí)間。純粹服務(wù)時(shí)間是指從車輛進(jìn)入收費(fèi)地點(diǎn)停下，到車輛接受服務(wù)( 交款或領(lǐng)票) 完成 后啟動(dòng)車輛準(zhǔn)備離開收費(fèi)地點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，簡稱服務(wù)時(shí)間。車輛離開服務(wù)地點(diǎn)到后車進(jìn) 入收費(fèi)地點(diǎn)停下之間的時(shí)間間隔為離去時(shí)間。另外，無論收費(fèi)系統(tǒng)中是否存在排隊(duì)，任一車 輛在接受服務(wù)后的離開過程中，都還會(huì)占用收費(fèi)地點(diǎn)一定的時(shí)間和空間，因此，該車輛在通 過收費(fèi)站的過程中仍然包含有離去時(shí)間這一部分。 收費(fèi)站的服務(wù)水平是衡量收費(fèi)站內(nèi)部交通流提供給司機(jī)與乘客服務(wù)質(zhì)量的一種標(biāo)準(zhǔn)。一 般評價(jià)收費(fèi)站服務(wù)水平的指標(biāo)有收費(fèi)時(shí)間，排隊(duì)長度，車輛在收費(fèi)站的延誤時(shí)間。 收費(fèi)時(shí)間的長短與收費(fèi)制式、收費(fèi)設(shè)備以及收費(fèi)人員的素質(zhì)有關(guān)。對于特定的收費(fèi)制式 下的收費(fèi)站，其收費(fèi)時(shí)間變化不大，不能反映出收費(fèi)站內(nèi)交通流運(yùn)行狀態(tài)的變化。收費(fèi)時(shí)間 的長短可用于不同類型收費(fèi)站服務(wù)質(zhì)量的比較，而對于特定收費(fèi)站內(nèi)的交通條件質(zhì)量的評 價(jià)，收費(fèi)時(shí)間則不是一個(gè)合適的參數(shù)。 車輛在收費(fèi)站延誤時(shí)間的長短描述了由于收費(fèi)站的存在造成車輛在經(jīng)過產(chǎn)生延誤，延誤 時(shí)間的長短直接反映車輛在經(jīng)過收費(fèi)站時(shí)其交通條件質(zhì)量的好壞。從這方面來說，延誤時(shí)間 的長短能夠較好的評價(jià)收費(fèi)站內(nèi)交通條件質(zhì)量。但是，延誤數(shù)據(jù)的獲得相對比較困難，使延 乏 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 誤數(shù)據(jù)的精確度相對較低。 收費(fèi)站的平均排隊(duì)長度是指收費(fèi)站內(nèi)各收費(fèi)車道等待服務(wù)的平均車輛數(shù)。排隊(duì)車輛數(shù)的 多少能夠被司機(jī)和乘客直觀感受到，直接影響司機(jī)和乘客對交通條件的感受，排隊(duì)車輛多司 機(jī)和乘客認(rèn)為將要等待的時(shí)間長，排隊(duì)車輛少司機(jī)和乘客認(rèn)為將要等待的時(shí)間短。通過人工 計(jì)數(shù)的方法，可簡單、準(zhǔn)確的獲取收費(fèi)站排隊(duì)長度的實(shí)測數(shù)據(jù)。 第三章高速公路交通流仿真模型分析 第三章高速公路交通流仿真模型分析 3 1 交通仿真概述 3 1 1 交通仿真的定義 仿真是指對真實(shí)事物的模仿?！胺抡妗币辉~另外一個(gè)常見的提法是“模擬”。根據(jù)“國 際標(biāo)準(zhǔn)化組織( i s o ) 標(biāo)準(zhǔn)”中數(shù)據(jù)處理詞匯部分名詞解釋，“模擬( s i m u l a t i o n ) ”與 “仿真( e m u h t i o n ) ”兩詞的含義分別為：“模擬”即選取一個(gè)物理的或抽象的系統(tǒng)的某 些行為特征，用另一系統(tǒng)來表示它們的過程；“仿真”即用另一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要是用硬 件來全部或部分地模擬某一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以致于模仿的系統(tǒng)能像被模仿的系統(tǒng)一樣接受同 樣的數(shù)據(jù)，執(zhí)行同樣的程序，獲得同樣的結(jié)果。 仿真界專家和學(xué)者對仿真下過不少定義，其中比較通俗的描述性定義是；仿真是通過 系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)i l j 。不管是物理仿真還是利用計(jì)算機(jī)仿 真，都不是用數(shù)學(xué)解析方法或者物理實(shí)驗(yàn)方法，而是利用模擬模型產(chǎn)生一個(gè)認(rèn)為的系統(tǒng)的運(yùn) 行過程，虛擬的表現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。對于簡單的系統(tǒng)，我們可以通過微積分、概率 論、代數(shù)方程等解析方法求解；對于復(fù)雜的系統(tǒng)。解析方程難以建立或未知量過于復(fù)雜難以 求解，此時(shí)通常借助仿真求解。 交通系統(tǒng)仿真是指用系統(tǒng)仿真技術(shù)來研究交通行為，它是一門對交通運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間和空 間的變化進(jìn)行跟蹤掃描的技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)對所研究交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為以及參 與交通控制者人的思維過程和行為特征進(jìn)行比較真實(shí)的重現(xiàn)口j 。從交通系統(tǒng)仿真所采用 的技術(shù)手段以及所具有的本質(zhì)特征來看，交通系統(tǒng)仿真是一門在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行交通實(shí)驗(yàn) 的技術(shù)，它含有隨機(jī)特性，可以是微觀的，也可以是宏觀的，并且涉及到描述交通運(yùn)輸系統(tǒng) 在一定期間實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。通過對交通系統(tǒng)的仿真研究，可以得到交通流狀態(tài)變量隨 時(shí)間與空間的變化、分布規(guī)律及其與交通控制變量的關(guān)系。因此，交通系統(tǒng)仿真在道路運(yùn)輸 系統(tǒng)及其各組成部分的分析和評價(jià)中發(fā)揮著重要作用。 3 1 2 交通仿真的分類 1 按模型描述細(xì)節(jié)程度分類 根據(jù)模型描述細(xì)節(jié)程度的不同，交通仿真可以分為微觀仿真( m i c r o s c o p i cs i m u l a t t o n ) 、 中觀仿真( m e c r o s c o p l cs i l n u h u o n ) 和宏觀仿真( m a c s o s c o p l cs n u l a t i o n ) l l s l 。微觀模型對交通系統(tǒng) 的要素及行為的細(xì)節(jié)描述程度最高，并試圖通過真實(shí)反映系統(tǒng)中的所有個(gè)體的特性來反映系 統(tǒng)的總體特征；宏觀模型對交通系統(tǒng)的要素及行為的細(xì)節(jié)描述處于一個(gè)較低的程度，適用于 描述系統(tǒng)的總體特征；中觀模型對交通系統(tǒng)的要素及細(xì)節(jié)的描述程度位于微觀模型和宏觀模 型之間。 微觀模型、中觀模型與宏觀模型的主要區(qū)別是從不同的角度和方法來描述交通流： 微觀交通仿真把每輛車作為一個(gè)研究對象，對所有個(gè)體車輛都進(jìn)行標(biāo)識和定位。在每一 掃描時(shí)段，車輛的速度、加速度及其車輛特性被更新。微觀交通仿真能模擬出短時(shí)間內(nèi)交通 流的波動(dòng)情況。跟馳模型、超車模型及變換車道模型是微觀仿真的基本模型。一般來講，微 】3 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 觀交通仿真對計(jì)算機(jī)資源要求高，它的仿真速度慢，用于研究交通流與局部的道路設(shè)施的相 互影響( 如車道劃分、道路寬度、彎道、坡度及公交站的設(shè)置等) ，也用于交通控制仿真( 如 交通信號燈控制、讓路停車等) 。微觀仿真模型的重要參數(shù)是每輛車的速度和位置。微觀仿 真在仿真方法上與宏觀仿真完全不同，它要對所有個(gè)體特性行為及具體過程進(jìn)行描述。微觀 仿真對交通系統(tǒng)的要素及行為的細(xì)節(jié)描述程度最高。微觀交通仿真模型對交通流的描述是以 單個(gè)車輛為基本單元的，車輛在道路上的跟馳、超車及車道變換等微觀行為都能得到較真實(shí) 的反映。微觀仿真車輛進(jìn)入路網(wǎng)的時(shí)間、車型、車速的設(shè)定及路口的轉(zhuǎn)向都是隨機(jī)確定的。 宏觀模型著重從全局角度來研究系統(tǒng)特征。宏觀仿真模型中的交通流被視為一個(gè)可壓縮 的媒體或流體交通流的運(yùn)動(dòng)按照流體機(jī)制來處理。宏觀仿真通過流量一密度關(guān)系來控制交 通流的運(yùn)行，模型中不追蹤單個(gè)車輛的移動(dòng)。宏觀交通仿真對計(jì)算機(jī)資源要求較低，它的仿 真速度很快，用于研究基礎(chǔ)設(shè)施的新建、擴(kuò)建及宏觀管理措施等。根據(jù)目前計(jì)算機(jī)硬件的發(fā) 展水平，可以在大規(guī)模的路網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行交通宏觀仿真。宏觀仿真不對某具體車輛的運(yùn)動(dòng)過 程進(jìn)行描述，即不考慮個(gè)別車輛的運(yùn)動(dòng)，而是從統(tǒng)計(jì)意義上成批地考慮車輛地運(yùn)動(dòng)。同微觀 仿真相比，其精度低，應(yīng)用范圍也小。宏觀交通仿真模型對交通系統(tǒng)的要素及行為的細(xì)節(jié)描 述程度較低。例如，交通流可以通過流量、密度、速度關(guān)系等一些集聚性的宏觀模型來描述， 而像車輛的車道變化之類的細(xì)節(jié)行為可能根本就不予以描述。宏觀仿真模型適用于描述系統(tǒng) 的總體特性，并試圖通過真實(shí)反映系統(tǒng)中的所有個(gè)體特性來反映系統(tǒng)的總體特性。宏觀仿真 模型的重要參數(shù)是速度，密度和流量。 中觀模型在宏觀交通網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，將個(gè)體車輛放入