快速路匝道连接段通行能力与匝道设置研究

论文摘要

城市快速路是我国大、中城市道路网系统的重要组成部分,是缓解城市交通拥挤的重要举措之一。然而,城市快速路建设投资巨大、涵盖范围较广,引导着城市的发展方向,所以快速路的建设必须科学、合理。随着我国城市快速路建设步伐的加快,对快速路的规划、建设及运营管理的要求不断提高,现有体系已无法满足需求,加快快速路规划、建设及运营管理相关研究显得尤为迫切。论文以教育部高等学校博士学科点科研专项基金为依托,以快速路入口、出口匝道连接段为研究对象,在进行大规模交通调查的基础上,运用统计分析理论、元胞自动机理论、交通波理论、模糊控制理论等相关理论与方法,开展快速路匝道连接段交通流运行特性、通行能力计算方法及匝道设置相关研究,建立并确定快速路匝道连接段通行能力及匝道设置指标体系。通过这些方法和模型的研究,以期为我国快速路系统的规划、建设及运营管理提供科学依据,同时也为其它高速道路提供重要借鉴。论文选用磁映像及气压管脉冲等现代交通流检测技术,采用组合检测方法进行调查方案的设计和实施,获取了我国典型大、中城市快速路入口、出口匝道连接段交通流、道路基础设施及交通管理措施等方面的数据。通过对匝道连接段总体交通运行特性分析的基础上,结合调查数据着重分析了匝道连接段交通流流量速度特性、车头时距特性、加减速度特性及宏观交通流三参数特性,从而建立了匝道连接段车头时距分布的威布尔模型及宏观交通流三参数的相互关系模型。为后续匝道连接段通行能力计算模型及匝道设置研究奠定了基础。针对当前匝道连接段通行能力的确定基本沿用美国《HCM》方法存在的不足,论文采用间隙接受理论、交通波理论及元胞自动机理论等分别建立了快速路入口、出口匝道连接段的通行能力的计算模型。在对入口、出口匝道连接段的实测数据分析和处理的基础上,对建立模型的相关参数进行标定,从而确立了城市快速路入口、出口道连接段的通行能力值,并给出了相应的通行能力推荐值。在入口、出口匝道连接段通行能力计算方法研究的基础上,分析了快速路入口匝道控制的类型及控制效果,总结并归纳了三种入口匝道控制策略,即主线优先控制策略、交替通行策略和信号控制策略,分析了各种控制策略的优缺点,研究确定了入口匝道调节条件下的匝道连接段通行能力。针对现有快速路匝道变速车道设置条件不确定性的不足,提出了快速路变速车道的设置条件。在此基础上,利用车辆动力学理论、间隙接受理论建立了快速路变速车道长度计算模型,进一步研究集散车道和匝道间距设置方法问题,给出了城市快速路主线不同设计速度下的变速车道长度及相邻匝道间距的建议值,并给出了集散车道设置原则及集散车道长度计算方法。结合模糊理论和神经网络理论的优点,提出了基于神经模糊系统控制法来实现快速路入口匝道的自适应控制,并给出了控制器的设计步骤和实例,结果表明入口匝道控制能有效提高快速路入口匝道连接段的通行能力。最后,利用VISSIM微观仿真软件构建了入口、出口匝道连接段的仿真模型,并结合实测数据对模型参数进行了标定,给出了仿真结果。同时,利用Matlab相关工具箱开发了快速路入口、出口匝道连接段的元胞自动机仿真模块,并进行了不同变速车道长度的快速路入口、出口匝道连接段交通流仿真,从而有效验证了匝道连接段通行能力计算模型及相关设置的理论研究成果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的学术背景及理论与实际意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究理论与实际意义
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 基本概念
• 1.2.2 关于匝道连接段交通流特性研究
• 1.2.3 关于匝道连接段通行能力研究
• 1.2.4 关于匝道设置研究
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 技术路线
• 第2章 交通调查方案设计与实施
• 2.1 匝道连接段分类
• 2.1.1 出入口类型
• 2.1.2 匝道组合构型
• 2.2 交通调查方案设计
• 2.2.1 交通调查内容
• 2.2.2 调查方案设计
• 2.2.3 检测器布设
• 2.3 交通调查实施与数据预处理
• 2.3.1 调查实施
• 2.3.2 数据预处理
• 2.4 本章小结
• 第3章 匝道连接段交通流特性
• 3.1 匝道连接段交通流运行特性
• 3.1.1 入口匝道连接段运行特性
• 3.1.2 出口匝道连接段运行特性
• 3.2 匝道连接段交通流流量速度特性
• 3.2.1 入口匝道连接段流量速度特性
• 3.2.2 出口匝道连接段流量速度特性
• 3.3 匝道连接段车头时距特性
• 3.3.1 车头时距特性
• 3.3.2 实测数据验证
• 3.4 匝道连接段加减速度特性
• 3.4.1 入口匝道连接段加减速度特性
• 3.4.2 出口匝道连接段加减速度特性
• 3.5 匝道连接段交通流三参数关系特性
• 3.5.1 速度-密度关系
• 3.5.2 交通量-速度关系
• 3.5.3 交通量-速度-密度关系
• 3.6 本章小结
• 第4章 入口匝道连接段通行能力计算方法
• 4.1 交通量-速度关系通行能力模型
• 4.1.1 计算模型建立
• 4.1.2 参数标定
• 4.2 交通波通行能力模型
• 4.2.1 等效密度
• 4.2.2 等效交通压力
• 4.2.3 计算模型建立
• 4.2.4 参数标定
• 4.3 间隙接受理论通行能力模型
• 4.3.1 理论基础
• 4.3.2 计算模型建立
• 4.3.3 参数标定
• 4.4 元胞自动机通行能力模型
• 4.4.1 交通流数学简化
• 4.4.2 参数选取
• 4.4.3 运行规则
• 4.4.4 数值模拟
• 4.5 模型对比分析
• 4.5.1 模型检验与修正
• 4.5.2 模型对比分析
• 4.5.3 通行能力取值建议
• 4.6 本章小结
• 第5章 出口匝道连接段通行能力计算方法
• 5.1 交通量-速度关系通行能力模型
• 5.1.1 计算模型建立
• 5.1.2 参数标定
• 5.2 车头时距通行能力模型
• 5.2.1 计算模型建立
• 5.2.2 参数标定
• 5.3 交通波通行能力模型
• 5.3.1 基本假设
• 5.3.2 计算模型建立
• 5.3.3 参数标定
• 5.4 元胞自动机通行能力模型
• 5.4.1 交通流数学简化
• 5.4.2 参数选取
• 5.4.3 运行规则
• 5.4.4 数值模拟
• 5.5 模型对比分析
• 5.5.1 模型检验与修正
• 5.5.2 模型对比分析
• 5.5.3 通行能力取值建议
• 5.6 本章小结
• 第6章 入口匝道控制条件下连接段通行能力
• 6.1 入口匝道控制分类
• 6.1.1 控制类型分类
• 6.1.2 控制策略分类
• 6.2 交替通行策略下入口匝道连接段通行能力
• 6.2.1 交替通行策略
• 6.2.2 通行能力分析
• 6.3 信号控制策略下入口匝道连接段通行能力
• 6.3.1 实施条件
• 6.3.2 定时控制
• 6.3.3 感应控制
• 6.3.4 通行能力分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 匝道设置
• 7.1 变速车道设置
• 7.1.1 变速车道设置条件
• 7.1.2 加速车道长度确定
• 7.1.3 减速车道长度确定
• 7.2 集散车道设置
• 7.2.1 集散车道设置原则
• 7.2.2 集散车道长度的确定
• 7.3 匝道间距确定
• 7.3.1 匝道间距计算模型
• 7.3.2 视认距离的确定
• 7.3.3 匝道间距最小值取值建议
• 7.4 入口匝道控制设置
• 7.4.1 神经模糊控制系统设计步骤
• 7.4.2 神经模糊控制系统设计
• 7.4.3 系统仿真结果
• 7.5 本章小结
• 第8章 匝道连接段交通流仿真
• 8.1 VISSIM仿真
• 8.1.1 仿真模型建立
• 8.1.2 参数标定
• 8.1.3 案例分析
• 8.2 元胞自动机仿真
• 8.2.1 总体框架
• 8.2.2 仿真模块开发
• 8.2.3 仿真实验
• 8.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和科研成果
• 致谢
• 个人简历