第9章双车道公路的交通仿真文档格式.docx
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60.3
56.8
可以看到,在双车道公路中,平均车速接近一个常数。
因此,在仿真模型中,将58.0km/h作为基本期望车速。
(2)路面宽度影响模型
通过实际观测的标定和验证,双车道仿真模型中采用式(9-1)计算路面宽度对自由流中位速度的影响。
表9-2列出了不同路面宽度下自由流速度的中位值以及速度均方差。
式(9-1)
其中,
——自由流速度的中位速度,m/s;
——路宽12m时自由流速度的中位值,m/s;
——路面宽度,m。
表9-2不同路面宽度下的自由流车辆中位速度和均方差
速度
(km/h)
均方差S(km/h)
15
58.0
16.5
12
51.5
15.0
46.5
15.5
44.0
14.0
7
40.8
6
36.7
14.5
(3)平曲线影响模型
双车道公路中经常会出现半径比较小的平曲线,它们对车辆运行速度和通行能力都存在显著的影响。
在仿真模型中,当平曲线半径r>1000m时,该平曲线对自由流速度
不存在影响;
当r≤1000m时,如式(9-2)的模型对
进行修正。
式(9-2)
——曲线范围内的自由流速度,m/s;
——进入曲线时的速度,m/s;
——平曲线半径,m。
(4)综合影响模型
同高速公路系统中的速度修正模型(参见6.2.2节)一样,由于路面宽度和平曲线影响模型均是对中位车速进行修正,为了得到任意车速的修正速度,可按式(9-3)计算:
式(9-3)
其中,
——自由流车辆的基本中位速度,m/s;
——经式(9-1)和式(9-2)修正的自由流车辆的中位车速,m/s;
、
——特定车辆的在自由流车速,m/s;
——修正系数。
通常该修正系数是路面宽度影响模型和平曲线影响模型的加权修正量,
,其中,
为路面宽度影响模型权重,通常为0.25~0.7,默认值为0.45;
为平曲线影响模型权重,默认值为-0.9;
为横断面影响模型计算的速度变化量,
;
为平曲线影响模型计算的速度变化量,
。
不同路面宽度对应的自由流速度中位值见表9-2,表中还列出了相应的均方差,它将影响
和
的取值。
(5)纵坡影响模型
1)上坡影响速度模型:
式(9-4)
——扫描时间间隔,0.1s或0.5s;
——离开上坡段的速度,m/s;
——进入上坡段前的速度,m/s;
P——车辆功率重量比,w/kg;
——车辆的风阻系数,具体取值参见表6-3;
A——车辆迎风面积,具体取值参见表6-3;
——车辆滚动阻力系数,具体取值参见表6-4;
——扫描间隔内车辆爬升的高度。
2)下坡影响速度模型:
当下坡坡度小于等于3%时,认为该坡度对自由流速度没有影响,因此,在仿真模型中不予考虑;
当下坡坡度大于3%时,仿真模型中采用式(9-5)计算下坡的影响。
式(9-5)
其中,
——下坡时车辆的速度,m/s;
——下坡车辆的自由流车速,m/s;
——坡度的绝对值。
(6)横向干扰影响模型
双车道公路仿真模型中,横向干扰影响因素包括支路,非机动车和沿街活动影响等。
在仿真模型中,横向干扰分为四个等级。
表9-3列出了各级横向干扰的定性描述以及受干扰的车辆百分比和减速比例。
表9-3横向干扰影响模型
干扰程度等级
干扰情况描述
受影响比例
减速比例
1
交通管理和交通秩序良好,对车辆运行没有不适当的限制。
0%
2
(1)路段虽穿过小村镇,但所受影响不大;
(2)路段虽未穿过小村镇,但纵横向行人多;
(3)支路有很小的交通量。
20%
30%
3
沿线有较大村庄或较多的单位;
交通管理不好,秩序乱;
支路有较小的交通量
40%
50%
4
路段经过较短的繁忙街道;
交通管理很差,秩序很乱;
支路有较大的交通量。
80%
70%
此外,对于在双车道公路上行驶的摩托车,由于缺乏较为详细的驾驶员特性与车辆特性的资料,在模型中,只作了偏于定性的分析,根据摩托车交通量的大小,给在双车道公路上运行的其它车辆的速度以一定的折减。
9.2.3车辆描述子模型
对于有复杂车型组成的双车道公路而言,如何描述车辆的影响是仿真模型好坏的关键。
本手册提供的仿真模型中,主要考虑了不同车型在基本期望速度、使用的功率重量比以及车队中车头时距3方面的特性差异。
(1)不同车型的基本期望车速
仿真模型中,由于拖拉机和摩托车在性能和外形上同其他车型存在较大差异,仿真过程中单独处理外,其他车型所占的百分比默认值见表9-4,各车型相应的自由流速度中位值以及均方差见表9-5。
表9-4仿真模型中交通组成默认值
微型车
小客车
中型车
大型车
拖挂车
河北
24.0
31.3
18.8
12.6
13.3
河南
11.4
29.1
27.6
22.8
9.1
平均
18
30
23
11
表9-5不同车型的自由流速度及其均方差
车型
速度V(km/h)
40.0
75.0
19.0
57.3
12.8
60.1
10.0
53.6
11.3
通常情况下,大型车和拖挂车具有类似的运行特性和外形尺寸,因此,仿真过程中将这两类车型合并到一起考虑,这样,车型合并后的自由流速度相关取值见表9-6。
表9-6常用的仿真车型自由流速度及其均方差
组成比例(%)
平均速度V(km/h)
大型车+拖挂车
29
(2)车辆使用的功率重量比
在双车道公路的纵坡路段中,不同车型的动力特性差异表现得最为明显。
仿真模型中,利用功率重量比P来反映车辆的爬坡能力。
通过实测数据的分析,得到了不同车型在实际使用过程中采用的功率重量比,具体数值见表9-7。
表9-7不同车辆类型的P值分布
P值范围(W/kg)
中位值(W/kg)
1.7~11.4
5.2
1.5~17.4
8.8
1.2~12.5
3.9
1.6~10.5
4.3
1.5~5.8
2.6
(3)车队中的车头时距
车队中的车头时距表达了车队中车辆的跟车行为特性。
表9-8给出了不同车型的车辆在跟车过程中通常采用的车头时距均值和均方差,而此刻的车头时距服从复合负指数分布。
表9-8不同车辆类型车队中的车头时距值
车头时距(s)
均方差
1.8
0.9
2.2
1.0
2.3
9.2.4仿真子模型
仿真子模型中主要是描述车辆在行进过程中遵循的规则,主要包括自由行车模型、跟车模型、超车模型和慢车模型。
(1)自由行车模型
车辆在路段上不受限制,以驾驶员的期望速度自由行驶,其行车状态满足一般的动力学关系。
在t时刻,车辆具有的位置、速度、加速度如下式(9-6)所示。
式(9-6)
其中,△T——模拟扫描步长,s;
——分别为加速度,m/s2;
速度,m/s;
位置,m。
(2)跟车模型
跟车模型描述在无超车的单一车道上车辆列队行驶时后车跟随前车的行驶状态。
在路段上行驶的一组车队,间距不大,每一辆车的行驶速度都受到其前面相邻车辆行驶速度的制约,驾驶员只能按前车所提供的信息来决定自己的车速。
后车速度总是在前车速度附近波动,不会长时间超过前车速度,否则,会由于车辆间距小于安全距离,紧急情况下来不及刹车,导致追尾。
安全距离不是恒值,当速度提高时,安全距离须增大,另一方面,后车速度也不会长时间低于前车,否则延误增大。
后车的速度不仅具有跟随性,而且具有滞后性。
这是因为驾驶员从感觉到前车运行状态改变,经大脑作出相应的操作并且车辆速度实现相应的调整,有一个过程,需要一定时间,这个滞后时间称为反应时间。
跟车模型是刺激-反应方程的一种形式。
刺激体现为反映车辆运动状态的参数的变化,反应表现为驾驶员对直接在他前面运行的车辆的反作用。
刺激-反应模型的基本方程如式(9-7)所示。
反应(t+T)=灵敏度×
刺激(t)式(9-7)
其中,T——反应时间,s。
目前,在上述方程的基础上,在前导车紧急刹车时跟踪车维持不致发生追尾的最小安全间距为前提下,提出了多种模型,如线性模型、UTCS-1模型、Aerospace模型、PITT模型和GM模型。
这些不同的模型考虑了不同因素,如认为灵敏度是常量或是变量,刺激的内涵为速度、距离或速度与距离,推导过程中采用不同的反应时间内行驶距离与减速行驶距离的计算方法。
这些模型从研究内容考虑,主要探讨了跟车状态时,车辆之间如何相互影响与作用,相互作用的总体——交通流的特性如何;
从影响因素考虑,主要考虑了司机这一因素(以平均反应时间来反映)在跟车行驶过程中的作用。
而没有反映道路因素、车辆性能对车辆跟驰的影响。
因此,本手册提供的仿真模型采用了下述改进跟车模型。
式(9-8)
——
当车辆匀速行驶时:
——道路滑动摩擦系数;
——坡度;
——重力加速度,m/s2;
——停车时,第n辆车车尾与第n+1辆车车头之间距离,m;
其余符号同式(9-6)。
(3)超车模型
在双车道公路上,超车是在对向车道上进行的。
能否超车,需根据对向交通流中是否满足超车的最小间距,同时视道路条件是否允许超车而定。
超车可以在各种不同的情况和条件下进行,因而超车的行为方式多种多样。
本手册的仿真模型将超车模式简化为等速度超车和加速超车两种模式。
1)等速度超车模式
等速度超车是超车中最简单的一种情况。
两辆汽车(超越车与被超越车)及对向来车的行驶速度是不变的。
如图9-2所示,在t时刻,车(i-1)为超越车,以速度
行驶;
车i是被超越车,以速度
车j是对向来车,以
行驶。
0-0断面为超越车开始超车的起点断面,1-1断面为车(i-1)在完全进入对向车道上时的断面,此时车(i-1)行驶了距离S1,2-2断面为车(i-1)完成超车后回到原车道时的断面,此时车(i-1)又行驶了距离S2,3-3断面为车(i-1)开始超车时,对向来车j所在位置。
设t超为车(i-1)从0-0断面至2-2断面完成超车所需的时间,则超车车辆行驶距离为
,对向车辆行驶距离为
,考虑超越车与对向来车安全距离S4,超车距离S应该满足式(9-9)。
=
式(9-9)
S3
S1
i-1
i
图9-2超车过程示意图
2)加速超车模型
处于跟驰状态约束行驶的车辆,一旦条件满足立即超车,但此时必须是加速超车。
如图9-2所示,具体过程分为四个部分来分析。
A)加速过程:
在t时刻,当跟随车(i-1)发现可超车时,跟随车加速移到对向车道,即从0-0断面至1-1断面,设加速时间为
,加速度为
,距离S1如式(9-10)。
式(9-10)
加速过程末跟踪车车速
如式(9-11)。
式(9-11)
其中,加速度一般取0.60~0.66m/s2,
≤4.5s。
如果
,
=4.5s;
否则,
B)匀速行驶过程:
设车辆(i-1)匀速行驶t匀秒后完成超车,即从1-1断面至2-2断面,则车辆(i-1)均速行驶距离S2如式(9-12)所示。
式(9-12)
C)超车过程对向车行驶距离:
设车辆(i-1)超车过程中,对向车j匀速行驶,其速度为
,则S3为按式(9-13)计算。
式(9-13)
D)安全间隔:
设车辆(i-1)超车完成后与对向车辆有一安全间隔S4,S4=30~100m,通常取S4=70m。
综上所述,在加速超车模式下,超车距离S应该满足式(9-14)。
当对向车与超越车间距不小于S时,则司机认为可以安全超车,否则不能超车。
式(9-14)
(4)慢车模型
由于后备驱动力小,慢车车速对坡度的变化和坡长很敏感。
道路纵坡大于3%时,随坡度和坡长的增加,慢车车速急剧降低,导致后车跟驰,引起车队延误,降低通行能力。
因此,双车道仿真模型中特别制定了慢车的行为模型。
根据实际调查和慢车行车特点,慢车模型反映了纵坡坡度、路面宽度D1、单侧路肩宽度D2、路肩状况系数j以及弯道半径的影响。
车速变化与纵坡、道路宽度和平曲线半径有关;
避让规则与道路宽度、单侧路肩宽度和路肩状况有关。
具体讲,慢车模型中的车速变化规则如下:
A)大拖拉机在二、三级双车道公路的基本期望车速为35km/h,最高期望车速45km/h,最低期望车速为15km/h。
小拖拉机在二、三级双车道公路的基本期望车速为25km/h,最高期望车速35km/h,最低期望车速为10km/h。
B)因道路宽度和弯道半径变化,降低车速10%~30%;
C)坡度3%<
i<
5%,车速降低30%~50%,坡度i>
5%,车速降低50%~80%;
D)道路宽度小于7m,无路肩,慢车无法避让;
道路宽度D1在7m到9m之间,单侧路肩D2大于0.75m,拖拉机避让时间为10~15s(路肩状况好,取高值);
道路宽度D1在9m到12m之间,拖拉机避让时间为5~10s;
道路宽度D1大于12m,拖拉机沿路侧行驶。
慢车模型中的避让规则如下:
A)当路面宽度在7m到9m之间时,如果无路肩,避让概率0.5;
如果路肩>
0.75,避让概率0.8;
B)当路面宽度在9m到12m之间时,避让概率0.9;
C)货车和拖挂车超慢车需要慢车避让完成后,可以超车;
D)微型车和小型车超慢车只需慢车避让一半时间后,即可以超车;
E)弯道上,微型车和小型车超慢车的概率为0.6;
货车和拖挂车超慢车的概率为0.4;
因地区不同,驾驶员总体特征存在差异,以上避让概率都会发生变化。
可以通过跟车调查对它们进行标定,以确切反映慢车的影响。
9.3双车道公路仿真分析步骤
双车道公路仿真分析是通过仿真模型实验,对双车道公路路段的通行能力进行分析,从而得到其交通流的速度、密度和流量随时间的变化规律,以及道路条件、交通条件变化对双车道公路交通流的影响。
由此,可以分析双车道公路的服务水平等级,粗略分析设计、规划条件下交通运行状况。
9.3.1数据需求
交通仿真分析所需要的分析数据主要包括道路条件和交通条件的相关参数。
其中,道路条件主要包括路面宽度、路肩宽度、道路平纵线形参数等;
交通条件主要包括车辆类型和横向干扰等级等。
详细的参数说明参见附录I。
值得注意的是,本手册提供的模型参数默认值只能较好地反映全国的平均水平,当没有当地详细的特征参数时,可采用默认值进行仿真实验。
如果有当地的部分参数,则应该在专家的指导下对模型参数进行适当修正,这样才能更确切地反映当地的交通流特性。
9.3.2分析步骤
利用仿真模型分析双车道公路的通行能力,通常按照如图9-3所示的分析流程来进行。
图9-3双车道公路仿真分析流程图
1)首先确定已知的道路、交通条件,以及需要解决的问题;
2)根据已知条件,结合考虑仿真实验可能得到的结果,设计相应的交通仿真实验;
3)按照已知条件,从仿真实验的需要出发,构造仿真所需要的道路、交通环境;
4)利用仿真模型对特定道路、交通条件下的交通流进行仿真;
5)统计仿真模型得到的速度、密度和流量。
需要重复实验时,则统计多次的仿真模型计算结果;
6)按照仿真实验计划,分析仿真数据,以得出结论。
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