快速路合流区加速车道长度设置方法研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 3.54MB 61 页 15积分

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快速路合流区加速车道长度

设置方法研究

摘要

城市快速路合流区是快速路的主要瓶颈之一，在高峰小时内车流量较大，且

主线交通流和匝道交通流汇集，尤其是在主线交通流近饱和状态下，极易引发严

重的拥堵现象，继而影响合流区的通行能力，使得合流区内车流的通行能力普遍

低于合流区上游和下游路段，这就使得快速路合流区成为解决目前快速路拥堵问

题的关键点。加速车道作为城市快速路合流区最重要的组成部分之一，其长度值

直接决定主线车辆和匝道车辆完成合流行为所能利用的空间，这对实现快速路车

流衔接和稳定运行具有重要意义，是影响合流区车流运行特性的重要参数。

目前，关于城市快速路合流区加速车道长度的计量方法主要是基于数理统计

手段，近年来随着计算机技术及智能交通技术的快速发展，人们开始研究应用计

算机仿真技术的方法分析城市交通中存在的问题，由于交通仿真方法具有易用性

可重复性、快速真实性等优点，因此本文采用微观交通仿真的方法对加速车道长

度的合理取值进行研究。

本文首先选取上海、广州等地多处高峰时段有明显拥堵状况发生的快速路合

流区作为研究对象，利用视频处理技术得到大量关于合流区车流行驶的数据，在

此基础上利用数理统计方法分析相关交通流特征变量对加速车道长度的影响，并

构建特征变量关系模型，通过 F检验和 T检验对构建的关系模型及参数进行了验

证，并对各特征变量对加速车道长度的影响程度进行了论证；然后基于现场调查

数据，以微观交通仿真系统 TPSS 为仿真平台，通过确定主线车道和加速车道服

务交通量以及相关交通输入参数，构建快速路合流区微观仿真方案，并采用遗传

算法对仿真方案中的跟驰模型和车道变换模型的关键参数进行标定。

最后，通过多次仿真运行获取不同情形下的仿真输出数据，分别从合流区上

游及其本身在不同设计组合下的服务水平分析，由此确定不同设计速度组合下的

加速车道的合理推荐长度，这对于我国改进快速路合流区加速车道长度设计具有

一定的指导意义。

关键词：快速路合流区加速车道长度微观仿真服务水平优化方

法

ABSTRACT

The expressway weaving area is the confluence area between main vehicles and

merging vehicles. There is a lot of lane change behavior often causing the mainline

traffic flow disorder so that the driving speed is reduced, especially in the mainline

traffic flow near saturated state. It is easy to cause severe congestion phenomenon,

which in turn affect the traffic capacity of confluence area, which makes the confluence

segment capacity much lower than the basic road traffic capacity, one of the main

bottleneck of expressway. As an important part of expressway confluence area of

acceleration lane length which directly limits the lane change the time of the import cars

completely. The realization of expressway traffic cohesion and stable operation is

significant, and is one of the important parameters affecting the confluence area traffic

operation characteristics.

Currently, the main calculation method of acceleration lane length is based on the

vehicles in theory. In recent years, with the rapid development of computer technology

and intelligent transportation technology, people begin to study the method of computer

simulation technology used to analyze the problems existing in the urban traffic.

Because the traffic simulation method has the advantages of ease use, repeatability, fast

authenticity, this article adopts the method of microscopic traffic simulation to study the

reasonable value of length of acceleration lane.

Firstly, the typical expressway confluence area was chosen as the research object.

The video processing technology was used to collect a lot of data about the confluence

area of static and dynamic on the basis of using the mathematical statistics methods to

analyze traffic flow characteristic, which variables with the length of acceleration lane,

and to build characteristic variables relational model. Then, based on the field

investigation data, the simulation platform of microscopic traffic simulation system

TPSS was used to determine the main driveway service acceleration lane traffic flow.

Finally, simulation run under different situation each time, for instance the

confluence area upstream and its service level under different design portfolio analysis.

Different design speed under the combination of reasonable recommendations of

acceleration lane length is helpful to the improvement of expressway in our country.

Key Words: Expressway weaving area ，Acceleration lane length ，

Microscopic simulation，Service levels，Optimization method

目  录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..................................................................................................................1
1 论文研究背景与意义.........................................................................................1
2 国内外研究现状.................................................................................................3
2.1 国外研究现状..............................................................................................3
2.2 国内研究现状..............................................................................................8
2.3 研究现状总结............................................................................................12
3 研究内容及技术路线.......................................................................................12
3.1 研究内容....................................................................................................12
3.2 技术路线....................................................................................................13
第二章 快速路合流区数据调查分析........................................................................15
1 合流区概念.......................................................................................................15
1.1 合流区基本概念........................................................................................15
1.2 合流区分类................................................................................................16
2 数据调查与处理...............................................................................................17
2.1 数据调查....................................................................................................17
2.2 数据处理....................................................................................................17
3 合流区交通流特征分析...................................................................................19
3.1 加速车道长度影响因素............................................................................19
3.2 合流区交通流特征关系模型....................................................................21
4 本章小结...........................................................................................................23
第三章 合流区仿真模型构建及参数选取................................................................24
1TPSS 仿真软件介绍..........................................................................................24
1.1 仿真系统基本概括....................................................................................24
1.2 仿真系统结构与功能................................................................................25
1.3 仿真系统主要模型....................................................................................27
2 服务交通量确定...............................................................................................29
2.1 主线交通量确定........................................................................................29
2.2 匝道交通量确定........................................................................................30
3 仿真实验构建...................................................................................................31
4 本章小结...........................................................................................................34

第四章 仿真方案中驾驶员行为参数标定................................................................35
1 驾驶员行为参数标定流程框架.......................................................................35
2 驾驶员行为标定参数选取...............................................................................36
2.1 默认参数评估............................................................................................36
2.2 标定参数选取............................................................................................38
3 驾驶员行为参数标定模型构建.......................................................................38
3.1 性能评价指标选取....................................................................................38
3.2 目标函数构建............................................................................................38
3.3 基于遗传算法的参数标定........................................................................39
4 驾驶员行为参数标定结果验证.......................................................................41
4.1 验证指标选取............................................................................................41
4.2 主线车道仿真结果验证............................................................................42
4.3 加速车道仿真结果验证............................................................................43
5 本章小结...........................................................................................................45
第五章 快速路合流区加速车道长度确定................................................................46
1 服务水平评价...................................................................................................46
1.1 加速车道长度对合流区上游的影响........................................................46
1.2 加速车道长度对合流区的影响................................................................46
2 加速车道长度的确定.......................................................................................48
3 本章小结...........................................................................................................48
第六章 结论和展望....................................................................................................50
1 研究总结...........................................................................................................50
2 研究展望...........................................................................................................50
参考文献.....................................................................................................................52
在读期间公开发表的学术论文及所参与的科研项目.............................................57

第一章绪论

1.1 论文研究背景与意义

目前我国经济正飞速发展，各种相应设施也在日趋完善。其中公共交通作为

城市发展的重要一环，得到了很高程度的重视。作为大、中型城市的主要交通平台，

城市快速路的建设速度与日俱增。其中，作为“一带一路”排头兵的上海在过去

二十年间建成了包括延安高架路、南北高架路、逸仙高架路、沪闵高架路、沪嘉快速

路、罗山路快速路、林海公路等在内的大规模快速路网。城市快速路在当今各大城

市公共交通拥堵严重的大背景下，为广大以公共交通为主要出行手段的城市居民

提供了一个相对便利的交通通道。从实际运营情况来看，上海中心城内的快速路

以6%的里程，承担了45%的实际交通量[1]，北京、南宁、广州等大城市的快速路也

相应承担了很大比重的公共出行任务，可见城市快速路系统对各大城市的道路交

通是否畅通起到了决定性的作用。

城市快速路作为城市道路交通中至关重要的一环，承担着居民主要的出行需

要。尤其在早、晚高峰时段，由于巨大的交通出行需求，许多大、中型城市的快速

路一般维持在三级甚至四级服务水平[2]。快速路合流区的主要作用是给主干道车辆

和匝道车辆的交汇提供空间，但在实际建设中由于空间有限，在快速路合流区段

往往会出现交通混乱以及行车速度下降等现象，尤其是在高峰小时内，交通量过

大，使合流区的负担直线上升，更容易成为交通拥堵、交通事故的频发地点，因

此快速路合流区也称之为快速路瓶颈区。在以往的解决快速路合流区拥堵问题的

实例与研究中我们发现，在当前国内各大城市交通量日益庞大的背景下，单纯的

对其交通流特性和通行能力进行优化已经不能从根本上改变当前高峰期拥堵问题

严重的现状。结合以往的一些论述及国内外快速路通行能力的对比我们发现，车

辆由匝道经加速车道并入主线车道时，加速车道不仅起到一个速度变化的作用，

而且为车辆并入主线车流提供了间隙和时机，因此加速车道长度的合理设计就为

了有效解决合流区拥堵问题的方法之一。

众所周知，在实际施工建设中，为了节省建设成本，提高土地利用率，在快

速路建设中，考虑成本和线形需要，在满足使用条件的情况下，加速车道的长度

要设计的恰到好处。但与国外一些快速路系统相对较发达的国家相比，我国的快

速路在设计时，没有充分考虑到我国交通量的大幅增长趋势，设计建成的快速路

上海理工大学硕士学位论文

加速车道，不仅无法满足现阶段车辆汇入的需要，导致快速路合流区拥堵严重，

而且也在很大程度上成为未来城市发展的瓶颈。快速路加速车道的长度在设计上

是和快速路流量及实际车流速度密切相关的，现有的对快速路加速车道长度进行

模拟所使用的软件，一般是沿用国外软件的参数，其相关参数设定和我国实际情

况相差较大，仿真出的结果无法切实的为我国交通建设服务。所以结合我国城市

快速路实际情况，对所用模型的相关参数重新进行标定迫在眉睫。

本文将在学习国内外相关领域研究的前提下，集理论分析、模型构建、参数标

定等相关方法于一体，在对快速路合流区交通流特征进行调查，尤其是对各汇入

点调查研究的基础上，建立一个可以准确表示合流区交通流特性的仿真模型，结

合采集的数据，利用遗传算法求解对模型参数进行标定，为交管部门提供合理的

快速路加速车道长度值。同时本文也是计算机仿真技术在交通运输领域应用的一

个典型例证。望本研究能在未来的快速路建设中，为我国快速路系统更为流畅的

运行，尽绵薄之力。

表 1-1、1-2、1-3 为中、美、加三国快速路合流区加速车道设计参考值。

表1-1 我国城市快速路加速车道长度设计参考值[3]

主线设计车速（km/h）100 80 60

加速车道长度（m）单车道 180 160 120

双车道 260 220 160

渐变段长度（m）单车道 60 50 45

表1-2 美国城市快速路加速车道长度设计参考值[4]

匝道车速

（km/h）

主线设计车速（km/h）

100 80

40 335（m）180（m）

30 360（m）200（m）

25 370（m）205（m）

表1-3 加拿大城市快速路加速车道长度参考值[5]

匝道设计车速（km/h）

主线设计车速（km/h）

120 100 80

渐变段长度（m）

95 85 70

第一章绪论

40 500 330 175

30 525 350 205

20 540 365 220

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

由于目前大部分发达国家的道路硬件设施较好，快速路系统通行能力一般能

够满足交通流需求，所以近年来国外大多数国家对城市快速路加速车道方面的研

究较少。已有的对于城市快速路加速车道长度取值的研究，一般为上世纪八、九十

年代。

其中比较有代表性的是 1971 年G.H.Weiss 和Blumenfeld D.E.在论文中提出的

延误理论[6]。该理论研究了合流区加速车道和主线车辆之间的可插入间隙，以此构

建一个理论模型，该模型用以描述匝道和主线车辆间的时间差。用这个时间差可

以找出当匝道车辆在加速车道上行至尽头时不能汇入主线的几率与其长度之间的

关系，以此控制加速车道的长度。

此模型假设匝道车流以速度 V匀速行驶并不断进入合流区加速车道，加速车

道上的车辆待主线车流有适当间隙出现便完成汇入，如果车辆行驶到加速车道尽

头还没有汇入主线，则此车便在加速车道尽头停止行驶。用停止车辆的概率来表

征加速车道的服务能力，选取满足服务水平的加速车道长度做为设计值。

由公式表示为：D=（1-Va/Vf）t=β·t （1-1）

其中：Va — 主线外侧车速

Vf — 加速车道车速

该模型以时间上的延误为研究对象，对车辆在加速车道上的时间延误进行了

划分，包括停车延误和汇合延误。利用延误时间，找出上述概率来划定加速车道

长度。

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摘要：

快速路合流区加速车道长度设置方法研究摘要城市快速路合流区是快速路的主要瓶颈之一，在高峰小时内车流量较大，且主线交通流和匝道交通流汇集，尤其是在主线交通流近饱和状态下，极易引发严重的拥堵现象，继而影响合流区的通行能力，使得合流区内车流的通行能力普遍低于合流区上游和下游路段，这就使得快速路合流区成为解决目前快速路拥堵问题的关键点。加速车道作为城市快速路合流区最重要的组成部分之一，其长度值直接决定主线车辆和匝道车辆完成合流行为所能利用的空间，这对实现快速路车流衔接和稳定运行具有重要意义，是影响合流区车流运行特性的重要参数。目前，关于城市快速路合流区加速车道长度的计量方法主要是基于数理统计手段，近年来...

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