高速公路匝道控制系統(tǒng)研究物流管理專業(yè)畢業(yè)論文

1、廣東交通職業(yè)技術學院物流與運輸管理學院物流管理專業(yè)畢業(yè)論文論文題目:高速公路匝道控制系統(tǒng)研究摘 要高速公路的建設通車，有力地推動和促進了沿線經(jīng)濟的發(fā)展，為國民經(jīng)濟和區(qū)域經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展構(gòu)筑了一系列新的經(jīng)濟增長點，顯示了巨大的生命力。由于高速公路在國家經(jīng)濟發(fā)展中扮演著越來越重要的角色，社會效益日益凸現(xiàn)，許多交通學者都投身于高速公路系統(tǒng)的研究中。目前，高速公路匝道控制系統(tǒng)是國內(nèi)外學者研究高速公路的熱點問題，其核心思想是通過控制高速公路入口匝道調(diào)節(jié)率來優(yōu)化、改善高速公路的交通狀況，從而使高速公路的社會經(jīng)濟效益達到最優(yōu)。上世紀八十年代以前，國內(nèi)外交通學專家早已對高速公路單匝道控制系統(tǒng)和定時控制系統(tǒng)做了深

2、入透徹的研究，并得出了許多實用性的結(jié)論。由于高速公路設置了若干入口匝道，這些入口匝道存在相互制約關系，所以用單匝道控制系統(tǒng)（把各匝道看作一個孤立系統(tǒng)）來研究高速公路系統(tǒng)肯定存在較大程度上的局限性。當高速公路車流變化較大時，定時控制系統(tǒng)往往變得蒼白無力。實行入口匝道全局動態(tài)控制,既能保證高速公路的服務水平和總服務流量同時到達最優(yōu)，還能有效地緩和、消除高速公路的擁擠、塞車現(xiàn)象?；谏鲜鲈?，八十年代以后，國內(nèi)外研究的重點逐漸轉(zhuǎn)向了匝道全局動態(tài)控制系統(tǒng)。九十年代以后，我國交通學專家在這方面也開始有了權威性的研究。本文試圖通過使用交通流理論、線性規(guī)劃模型方法，并結(jié)合線性預測理論來研究高速公路匝道控制系

3、統(tǒng)，從中得出一個比較實用的全局動態(tài)控制方法?！娟P鍵詞】 入口匝道控制系統(tǒng)；控制策略；線性規(guī)劃模型目 錄摘 要1目 錄2第一章 緒論11.1 匝道控制研究背景11.1.1 高速公路發(fā)展概況11.1.2 高速公路系統(tǒng)特性11.1.3 高速公路社會效益21.2 匝道控制基本知識41.2.1 匝道控制概念41.2.2 匝道控制歷史41.2.3 匝道控制的必要性51.2.4 匝道控制發(fā)展趨勢51.2.5 匝道控制方式61.3 本章小結(jié)9第二章 交通流理論102.1 交通流特性102.1.1 交通流概述102.1.2 連續(xù)流特征112.2 微觀交通模型142.3 宏觀交通模型162.3.1 宏觀穩(wěn)態(tài)交通模

4、型162.3.2 宏觀動態(tài)交通模型172.4 本章小結(jié)19第一章 緒論1.1 匝道控制研究背景1.1.1 高速公路發(fā)展概況我國高速公路的興建，最早始于臺灣省。其南北高速公路北起高雄，南至基隆，全長373km，于1978年10月建成。高速公路的興建，是對外開放，經(jīng)濟騰飛的客觀需要和必然趨勢。我國大陸高速公路的建設，于70年代著手可行性研究。1988年10月，我國大陸第一條高速公路滬嘉高速公路建成通車，標志著我國高速公路建設實現(xiàn)了零的突破。1999年，我國高速公路總通車里程首次超過加拿大，達到1.1605萬公里，使得我國高速公路通車里程僅次于美國位居世界第二位。正如經(jīng)濟發(fā)展狀況一樣，我國的高速公路

5、通車里程也穩(wěn)步快速增長。1988年，全國高速公路通車里程僅為147公里，但截至2003年底，全國高速公路通車里程已經(jīng)達到29811公里，年增長率為42.50%。無疑，高速公路的快速發(fā)展給社會帶來了極大的經(jīng)濟和社會效益。高速公路里程與全國國內(nèi)生產(chǎn)總值存在高度的相關性，見（圖1-1-1）。圖 1-1-1 高速公路與經(jīng)濟發(fā)展的關系1.1.2 高速公路系統(tǒng)特性高速公路是專供汽車高速行駛的公路。由于高速公路全線采用分隔行駛、立體交叉、限制出入，采用較高的技術標準和完善的交通設施，因此為汽車高速、安全、便捷地大運量行駛創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。高速公路有下列優(yōu)點：（1）高速行車速度是交通運輸?shù)闹饕夹g指標。由于高

6、速公路平均車速高達90110km/h，因此行駛時間的縮短帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。德國高速公路每147km平均行駛時間為1.23h，比一般國道節(jié)約時間47%，節(jié)約燃料93%。（2）通行能力大一般雙車道公路的通車能力為0.50.6萬pcu/晝夜，而一條四車道的高速公路則為3.55.0萬pcu/晝夜，六車道和八車道高速公路則達到710萬pcu/晝夜。可見，高速公路的通行能力是一般公路的幾倍至幾十倍。通行能力大，運輸能力必然提高。如美國高速公路里程僅占公路總長的1.1%，而其交通量卻占了總交通量的21.3%。日本高速公路里程占公路總里程的1.9%，卻承擔了20.2%的公路總運量。英國高速公路和

7、干線公路占全公路系統(tǒng)的4.4%，卻承擔了全運輸量的35%和重型貨物量的60%。（3）安全行車由于高速公路全線采用分隔行駛、立體交叉、限制出入等措施，使其行車事故大為減少。據(jù)統(tǒng)計，各國高速公路的交通事故率和死亡率僅為一般公路的1/3或1/2。日本高速公路交通事故死亡率為普通公路的1/40。英國高速公路的事故率只是一般公路的1/10，我國高速公路的事故比一般公路低兩倍以上。（4）運費低廉高速公路車速搞，通行能力，行車安全，使油耗，輪胎損耗和事故損失大大減少，而運輸量卻成倍增加，因此其運輸成本明顯降低，經(jīng)濟效益顯著。我國合寧高速公路通車一年即節(jié)約運輸成本3241萬元。美國資料表明：貨車車速為30哩/

8、時，每次剎車的耗油量相當于行駛0.41km的耗油量，其洲際和國防高速公路總投資為900億美元，由于行駛時間縮短及運費降低，812年就可以收回全部投資。日本資料統(tǒng)計，高速公路可使貨車節(jié)油42%，名神高速公路的運輸成本較一般公路降低17%。1.1.3 高速公路社會效益想致富、先修路，富不富、先看路。在中國老百姓心里，路的好壞是走向富裕的一個象征。高速公路的效益遠遠超出了交通運輸行業(yè)自身，有著廣泛的經(jīng)濟效益與社會效益。高速公路建設對國民經(jīng)濟的拉動作用包含兩個方面的內(nèi)容：一是直接拉動效應：即工程建設直接產(chǎn)生的經(jīng)濟量的增長，同時也包括建材行業(yè)、機械制造業(yè)等相關產(chǎn)業(yè)巨大的衍生經(jīng)濟效益，還包括對社會勞動力就

9、業(yè)的貢獻。二是間接拉動效應：也就是公路交通條件改善產(chǎn)生的國民經(jīng)濟效益和社會效益，其中包括運輸距離和時間縮短帶來的成本節(jié)約效益，交通服務水平的改善帶來的安全、舒適性等效益。高速公路的間接拉動效應（間接經(jīng)濟效益）比直接拉動效益（直接經(jīng)濟效益）的影響還要大。關于高速公路的間接經(jīng)濟效益，我們可以從以下幾個方面分析：（1）促進沿線資源的開發(fā)及市場的擴大如意大利“太陽道”高速公路通車后，沿途地區(qū)工業(yè)企業(yè)迅速發(fā)展，繁榮了地方經(jīng)濟，事17個省的平均國民收入提高了3%，有如法國里昂至巴黎高速公路建成通車后沿線出現(xiàn)許多新集鎮(zhèn)，帶動了就業(yè)和擴大了市場范圍。上海滬嘉高速公路的興建使地屬上海的衛(wèi)星城嘉定縣經(jīng)濟更繁榮，土

10、地增值，投資環(huán)境優(yōu)化，一躍成為1992年全國首富縣城。（2）促進多種運輸方式的優(yōu)化組合高速公路與一般公路構(gòu)成新的路網(wǎng)使公路布局日趨合理，還與運量大的鐵路運輸及廉價的水運有機結(jié)合在一起形成聯(lián)運網(wǎng)，使物資運輸更為直接、便捷、快速、準時，從而最大限度地提高運輸效率，隨著集裝箱汽車的直達運輸，使大噸位、大型牽引車迅速發(fā)展，促進多種運輸方式的優(yōu)化組合。（3）有利于城市人口的分散和衛(wèi)星城鎮(zhèn)的開發(fā)現(xiàn)代大城市人口密集，居住擁擠，交通阻塞，環(huán)境污染等弊端在修建高速公路后，隨著沿線城鎮(zhèn)，工業(yè)的興建，使城市人口向郊外分散，不少城市主要居住地區(qū)也轉(zhuǎn)向周圍衛(wèi)星城，既促進了地區(qū)發(fā)展，又緩和了城市人口的增長。例如日本名神高

11、速公路建成后，在14個立體交叉周圍新建工廠900座以上，許多小城鎮(zhèn)已經(jīng)發(fā)展成工業(yè)城市。（4）加速物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)品流通現(xiàn)代化生產(chǎn)對原材料的需要和產(chǎn)品的流通要求直達、快速，以減少貨物轉(zhuǎn)運，加快資金周轉(zhuǎn)，有利于擴大再生產(chǎn)。高速公路的快速、大量、便捷對加速物資生產(chǎn)，促進產(chǎn)品流通方面起著重要作用。（5）拉動經(jīng)濟發(fā)展從宏觀經(jīng)濟發(fā)展的角度，公路交通對經(jīng)濟的拉動作用具有更為深刻的意義。2003年，遼寧、山東在全國率先實現(xiàn)了所有地市通高速，長江三角洲、珠江三角洲、環(huán)渤海等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的高速公路網(wǎng)絡也正在形成。以高速公路網(wǎng)絡為依托，隨著物流產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，新興的經(jīng)濟帶和經(jīng)濟圈正在東部沿海發(fā)達地區(qū)逐步形成。由經(jīng)濟點-

12、經(jīng)濟帶-經(jīng)濟圈的現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展模式在高速公路發(fā)展的支撐下正在變?yōu)楝F(xiàn)實。1.2 匝道控制基本知識1.2.1 匝道控制概念為連接有高度的高速公路上互通式立體交叉的車道而設置的車道稱為匝道，分為入口匝道（on-ramp）和出口匝道（off-ramp）。對匝道而言，其通行能力是由匝道本身和匝道兩端連接段的通行能力所決定的。匝道本身的通行能力基本上可按一般路段的通行能力求出，但是與一般路段相比，匝道的平面和縱截面的線形等均較差，故其通行能力比較低如果沒有什么特別說明，本文所論述的匝道控制主要指入口匝道控制。匝道控制的概念是：對高速公路匝道加速車道進入主線交通流量采用靜態(tài)或動態(tài)、局部或全局的控制方式，以此優(yōu)

13、化高速公路的整體服務水平和提高總服務流量。匝道控制對于減少交叉口的交通瓶頸，減少擁擠，改善交通流，為駕駛員提供更順暢和方便的出行有著極為重要的意義。1.2.2 匝道控制歷史入口匝道控制在西方（特別是在美國）應用非常普遍，美國早在60年代就開始在芝加哥eisenhower快速干道實施人口匝道控制。而在我國還沒有實際應用系統(tǒng)，國內(nèi)對高/快速公路采取交通控制的例子并不多，所謂的交通監(jiān)控系統(tǒng)大多是只監(jiān)不控。目前僅上海、廣州、北京等市已開始應用或?qū)嶒炄肟谠训揽刂品绞?。深圳曾嘗試對南環(huán)快速路（春風路高架段）某人口匝道實施信號燈控制，但由于種種原因未能取得理想的效果。事實上，隨著我國各大城市機動車交通需求的

14、迅猛增長，高/快速路系統(tǒng)的交通擁擠現(xiàn)象也日趨嚴重，對高/快速路實行匝道控制的必要性也正逐步顯現(xiàn)出來。廣州已擬在其即將招標的內(nèi)環(huán)快速路監(jiān)控系統(tǒng)中試點實施入口匝道控制。實行入口匝道控制的方法不一定要很復雜，可以通過調(diào)節(jié)入口收費的多少控制入口匝道流量，也可以使用信號燈。1.2.3 匝道控制的必要性由于高速公路在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要的作用，在社會經(jīng)濟中處于不可或缺的地位，所以有必要對高速公路實行交通監(jiān)控，使高速公路盡可能發(fā)展最大的社會效益和經(jīng)濟效益。高速公路交通需求超過其通行能力時，發(fā)生交通擁擠。過大的交通需求或幾何瓶頸的存在，導致經(jīng)常性擁擠。偶然事件引起某些車道暫時堵塞，通行能力嚴重下降，導致偶發(fā)性

15、擁擠。交通擁擠表現(xiàn)為車輛行駛速度低或停停走走，流量降低，延誤增大，因而道路效能下降，車輛運輸成本增大，且事故頻率上升，噪聲及空氣污染惡化，燃料消耗增加。為了避免經(jīng)常性交通擁擠，應設法對高速公路交通需求進行調(diào)節(jié)，使其不超過道路通行能力；另一方面，通過改善道路幾何狀況及完善道路交通設施來提高高速公路的通行能力。對于偶發(fā)性的擁擠，通過檢測器與閉路電視等快速準確地進行事件檢測，由交通控制系統(tǒng)（包括入口匝道控制、駕駛員信息系統(tǒng)等）對事件做出快速有效的響應及采用有效的事件管理（如救援）系統(tǒng)，迅速消除之。 控制車流進入高速公路是對交通需求進行調(diào)節(jié)的管理措施，是預防常發(fā)性擁擠的主要手段。動態(tài)入口交通控制還能有

16、效地消除偶發(fā)性擁擠。進入控制包括入口匝道控制和主線入口控制。目前，匝道控制是高速公路交通流量控制的主要形式。1.2.4 匝道控制發(fā)展趨勢從應用的廣泛性來說，隨著世界經(jīng)濟的向前發(fā)展，交通業(yè)的進一步擴大，匝道控制應用的范圍會越來越廣。從控制時間模式上講，高速公路匝道控制會從靜態(tài)控制方法轉(zhuǎn)向動態(tài)控制方法。因為動態(tài)控制方法更能體現(xiàn)高速公路交通流的變化趨勢。從控制調(diào)節(jié)方法的角度來說，其控制方法也日趨完善和成熟?？刂普{(diào)節(jié)方法從開始的定時控制發(fā)展到現(xiàn)在的自適應控制。大家都知道，交通量的預測是難以用精確的模型表達出來的，現(xiàn)在，匝道控制研究方向已慢慢轉(zhuǎn)向模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及遺傳算法等具有模糊學習功能的控制

17、方法上。從控制的范圍來說，從以前的控制范圍都是單點控制的?，F(xiàn)已經(jīng)向全局控制方向，甚至是區(qū)域控制（全面協(xié)調(diào)控制n條高速公路路網(wǎng)匝道的控制方法）方向發(fā)展。當然，僅僅是匝道進行控制是遠遠不夠的，有必要和其他控制方法（如通道控制方法）結(jié)合起來，使高速公路在我們現(xiàn)實生活中發(fā)揮更大的社會經(jīng)濟效益。1.2.5 匝道控制方式1.2.5.1 入口匝道控制高速公路的主要控制形式是入口匝道控制。入口匝道控制是應用最為廣泛的一種車輛需求管理方法。其基本目標是減少進入高速公路的車輛數(shù)，使高速公路交通流能在交通密度最佳、交通流量最大的狀態(tài)下運行，達到高效、安全的目的。入口匝道控制的實質(zhì)是將入口交通流在時間和空間上重新分配

18、，使其中一部分車輛進入高速公路，另一部分在匝道上等待，伺機進入，還有一部分車輛自行選擇替代路線行駛，或沿平行道路前行，由下游其他匝道進入高速公路。一、入口匝道控制的原理是限制進入高速公路的車輛數(shù)目以保證高速公路自身的交通需求不超過其交通容量，其控制目標為：（1）減少整個高速公路系統(tǒng)內(nèi)所有車輛的行程時間；（2）使交通量均勻平滑；（3）消除或減少匝道車輛與干道車輛在交匯過程中的沖突和事故；（4）實現(xiàn)交通運行暢通，減少不舒適的環(huán)境干擾。二、進入高速公路車輛的選擇權入口匝道控制的原理是限制高速公路的交通流量，從而使高速公路本身的交通需求不會超過它的容量。實施入口匝道控制時，如果高速公路入口出現(xiàn)排隊車輛

19、，那么對于后繼車輛而言有兩種選擇：（1）在入口匝道上排隊等待；（2）可以選擇不走高速公路，或者從另外一個入口進去，或者選擇另外一個時間進入。三、實行入口匝道控制的條件要實現(xiàn)上述匝道控制目標，給高速公路提供一種更高的預測性和更好的服務水平，則入口匝道要滿足以下條件：（1）在臨近匝道的下游存在瓶頸路段在交通高峰時間里該路段，檢測數(shù)據(jù)為：流量超過3000輛兒，每2車道，密度大于50輛/km，每2車道，平均速度低于60km/h。即交通需求超過通行能力，發(fā)生擁擠，產(chǎn)生瓶頸路段。確定瓶頸位置比較容易。它一般出現(xiàn)在幾何瓶頸或需求特別大的路段。用交通檢測器實測各路段交通密度、平均速度及流量，或用航空觀測、航空

20、攝影均可準確地確定高峰時間內(nèi)瓶頸路段的位置。 路段通行能力可用流量統(tǒng)計的方法來確定。至高峰時間到來之前至少30min開始統(tǒng)計，每隔5min記錄一次主線流量。在擁擠現(xiàn)象出現(xiàn)之前測得的最大流量即為該路段通行能力。 交通需求量，在瓶頸路段上游進行高峰時間流量統(tǒng)計即可確定。城市高速公路運行經(jīng)驗表明：一個路段在高峰時間的交通需求約等于該路段年平均日交通量的10%11%。若高峰時間較長，此比率下降。（2）匝道具有容納排隊車輛的足夠的存貯能力，否則在實施匝道控制時車輛排隊會影響平行道路的交通。每輛小客車需用存貯 空間約7m，依此可核算匝道存貯容量。實際排隊車輛數(shù)等于匝道上需求量（考慮到部分需求量可能取替代路

21、線行駛而不在此排隊等待）與入口流量之差。 （3）入口匝道的等待服務區(qū)域存在可供車輛選用的、有足夠通行能力的替代路線時，不能立刻由匝道進入高速公路的車輛，可沿此路線行駛。轉(zhuǎn)移車輛數(shù)等于無控制和實施控制兩種不同情況下入口流量之差，由此可校核替代路線交通量。（4）實行入口匝道控制后使用高速公路的全部車輛的總消耗時間（包括行駛和等待時間）比無控制時明顯減少，且收到效益與花費投資相比是合算的。1.2.5.2 出口匝道控制這種控制方法是緩解出口匝道銜接的平面交叉口的交通阻塞和防止出口排隊過長而導致高速干道上交通阻塞為目的的控制方法，出口匝道控制的目的是減少高速公路臨近出口匝道處嚴重的車輛交織和出口車輛排隊

22、，使高峰時間內(nèi)交通更為順暢，是一種保持駛出路段通行能力的措施。 另外，對位于瓶頸路段的出口匝道實行交通控制，可迫使部分車輛在上游適當匝道提前駛出（必須有提供信息的標志），也有調(diào)節(jié)交通需求的功能。出口匝道控制付出了可能會增加主線交通密度的代價，而且控制出口后車輛從其他出口駛出能否方便地到達目的地也是必須考慮的問題，所以這種控制目前尚未普遍應用。出口匝道控制有匝道關閉和匝道調(diào)節(jié)兩種方式。 一、 出口匝道關閉這種方式能有效地減少由于車輛嚴重交織行駛及出口排隊引起的擁擠和危險。適用于距別的匝道很近的瓶頸路段出口匝道。這里尤其需要順暢行駛，減少交織，減少出口干擾；關閉該匝道，尚有鄰近匝道可用。也適用于某

23、些車道數(shù)減少的路段內(nèi)的出口匝道，鼓勵更多車輛在車道減少之前經(jīng)上游出口匝道駛出，降低了車道減少路段的交通需求。出口匝道關閉可以在高峰時間里定時實行，也可以隨著交通狀況變化而實時地進行。局部實時控制系統(tǒng)包括安裝在出口匝道上的車輛排隊檢測器、設置在該匝道上游道路上空的預告（可變信息）標志、控制器以及自動柵。當檢測器測出存在排隊時，控制器通知標志發(fā)出預告，提示車輛“小心尾撞”，考慮是否去別的出口匝道。檢測到嚴重排隊（延至主線車道）時，關閉匝道并用標志發(fā)出相應信息。關閉匝道是個很實用的解決方法，但是關閉匝道存在諸多缺點：（1）可能大大增加每個駕駛員的行車時間和距離；（2）由于限制了出口，可能會引起公眾的

24、強烈反對；（3）如果是使用人工控制的柵欄或某種形式的自動門，那么高峰時間關閉匝道的費用是相當高的；（4）在關閉匝道附近的地區(qū)，尾部撞擊事故的可能性會增加。匝道關閉有“永久性關閉”和“高峰期間短時關閉”兩類。匝道關閉是將入口交通需求重新分配到高速公路可容納這一需求的其他路段。永久性關閉適用于某些建成已久、不適應當前交通需求的入口匝道，例如上游路段交通已趨飽和，或該匝道缺乏應有存貯能力，或開放時對附近街道交通影響太大等情況。短時關閉主要用于當匝道或臨近路段出現(xiàn)事故時；匝道排隊過長，引起相鄰道路交通延誤明顯增大時；高峰期上游交通接近飽和，本匝道允許進入流量十分微小的時候。二、出口匝道調(diào)節(jié)匝道調(diào)節(jié)主要

25、適用于兩條高速公路的互通式立體交叉。第一條高速公路實行出口匝道調(diào)節(jié)，等于第二條高速公路的入口匝道調(diào)節(jié)。入口匝道調(diào)節(jié)，就是在入口匝道上使用交通信號燈，以限制進入高速公路的交通流量，保證高速公路按較高服務水平運行。1.3 本章小結(jié)本章主要介紹了我國高速公路發(fā)展現(xiàn)狀，列舉了高速公路系統(tǒng)的常見優(yōu)點。本章還分析了高速公路對國民經(jīng)濟貢獻，并由此提出高速公路系統(tǒng)控制的必要性。匝道控制是高速公路系統(tǒng)交通控制的主要方式，其中又以入口匝道控制最為常見和實用。第二章 交通流理論2.1 交通流特性2.1.1 交通流概述交通流由單個駕駛員與車輛組成，以獨特的方式在車輛間、公路要素以及總體環(huán)境之間產(chǎn)生影響。由于駕駛員的判

26、斷能力及駕駛技術的影響，交通流中的車輛行為不可能一致。更進一步的講，即使在完全相同的環(huán)境中，由于駕駛員的行為受當?shù)靥卣骷榜{駛習慣的影響，也就不會存在兩個表現(xiàn)完全相同的交通流。研究交通問題與研究純物理問題是很不相同的，根據(jù)水力學的原理，通過給定特性的涵管的既定水流會呈現(xiàn)一種完全可以預知的狀態(tài)。而通過既定道路和公路的既定交通流則會隨著地點和時間的不同而不同。這就是對交通工程的一種挑戰(zhàn)：在規(guī)劃和設計時，雖然確切知道某一事件所受到的特定物理條件和復雜的人類行為的約束，卻仍然難以事先預知其發(fā)展情況。然而，總是存在一個合理、比較一致的駕駛員行為范圍，因而也就存在著一個合理一致的交通流表現(xiàn)范圍。定量描述交通

27、流，一方面是為了理解交通流特性的內(nèi)在變化關系，另一方面也是為了限定交通流特征的合理范圍?；谝陨显颍覀儽仨毝x和測量一些重要參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)來確定交通流發(fā)生的合理范圍。本章將重點討論這類參數(shù)的定義，同時也對交通流的重要特征進行討論。交通流可大致分為連續(xù)流和間斷流兩種：（1） 連續(xù)流連續(xù)流指的是交通流在連續(xù)流設施作用下形成的車流。連續(xù)流主要存在于設置了連續(xù)流設施的高速公路及一些限制出入口的路段。在這些路上，沒有停車或讓路一類的交通標志，也不會由于平交而中斷車流。在鄉(xiāng)村公路重要交叉口之間的路段也可能屬于該類設施，這些路段的設施特性接近于限制出入口路段的設施。在連續(xù)流設施作用下，交通流是由單個

28、車輛之間及車輛與公路幾何特征和總體環(huán)境之間相互影響、作用的結(jié)果。在這類設施下的車流模式僅僅由土地的使用特性而衍生的車輛行程所控制。甚至當極端擁擠時，那也只是由于交通流內(nèi)部的而非外部的干擾導致了車流停滯。因此，即使司機在公路上遇到了交通堵塞，這種情況也被劃分為“連續(xù)流”的范疇。（2） 間斷流間斷流指的是交通流在間斷流設施作用下形成的車流。間斷流特征是交通流受到外部設備的作用而導致其本身周期性中斷。交通信號燈是產(chǎn)生間斷流的主要裝置。其他裝置，如停車或讓路標志，也會產(chǎn)生間斷流。同樣，在一些有重要用途卻沒有任何控制的路段上，車流也會受到中斷。在間斷設施作用下，車流不僅受車輛與道路環(huán)境的相互影響，也受著

29、周期性信號的影響。比方說，交通信號只在部分時間內(nèi)允許車流運動。在這類設施下，由于車流受到周期性的干擾，車流就表現(xiàn)為成隊行進的車群。車群是指一隊車輛沿同一方向運動，在一隊與另一隊之間存在著明顯的間隔。在信號設施下，車群由連續(xù)的交叉口內(nèi)綠燈時段的模式而形成的。從本質(zhì)上講，間斷流設施不可能連續(xù)使用。交通信號分隔出車群，因而車群由分散的趨勢。當信號離得足夠遠時，車輛分散得趨向就比較明顯，一致在某些路段形成了連續(xù)流。信號標志之間距離多大時才會產(chǎn)生連續(xù)流尚未有一個確切的標準。因為有許多因素影響著車群的分散，包括信號安裝的合適程度，從未設信號標志的交叉口進入的交通流大小和模式及其行駛方式。一般認為信號裝置之

30、間相隔3.2km以上時足以產(chǎn)生連續(xù)流。2.1.2 連續(xù)流特征2.1.2.1 總體特征交通量q、行車速度、車流密度k是表征交通流特性的三個基本參數(shù)。此三參數(shù)之間的關系為：q=*k式中：q平均流量（輛/h）；空間平均車速（km/h）；k平均車流密度（輛/km）。流量、密度、速度三者之間的關系式可以用三維空間的圖像來表示。由圖我們可以找出反映交通流特性的一些特征變量：（1） 極大流量qm ，就是qv曲線上的峰值；（2） 臨界速度vm ，即流量達到極大時的速度；（3） 最佳密度km ，即流量達到極大時的密度；（4） 阻塞密度kj ，車流密集到車輛無法移動（v=0）時的密度；（5） 暢行密度vf ，車輛

31、可以暢行無阻（k）時的平均速度。圖2-1-2-1大致闡明了這些變量之間的關系，這些關系不僅適用于連續(xù)流，而且也適用于固定干擾點之間的間斷流，這些關系會隨不同地點或同一地點不同時間而有很大的變化。圖 2-1-2-1 q、k三參數(shù)的關系2.1.2.2 數(shù)學模型（1）速度與密度關系1963年，格林希爾茨（greenshields）在研究穩(wěn)態(tài)交通流的基礎上提出了速度密度線性關系模型。如圖2-1-2-2(a)所示：式中符號意義如前。圖 2-1-2-2 (a) 速度密度關系圖這一模型簡單直觀，研究表明，模型與實測數(shù)據(jù)擬和良好。由圖2-1-2-2(a)可知：當k=0時，v=vf，即在交通量很小的情況下，車輛

32、可以自由速度行駛。當k=kj時，v=0，即在交通密度很大的時候，車輛速度就趨于零。流量變化也可以用圖2-1-2-2(a)說明。例如：已知某點c的速度為vm和密度為km ，因為q= *k，故流量等于圖中的矩形面積（qm= vm*km ）。當密度很大時，可以采用格林柏（grenberg）提出的對數(shù)模型：式中：vm對應最大交通量時的速度，其余符號同前。當密度很小時，可采用安德五德（underwood）提出的指數(shù)模型：式中：km對應最大交通量時的密度，其余符號同前。（2）流量與密度的關系交通流的流量密度關系是交通流的基本關系。根據(jù)格林希爾茨公式及基本關系式，得：q=k*vf（1）=上式表示一種二次函數(shù)

33、關系，用解析式表示就是一條拋物線，如圖2-1-2-2(b)所示，圖上點c代表通行能力或最大流量qm，從這點起，流量隨著密度增加減少，直至達到阻塞密度kj，此時，流量q等于零。以原點a、曲線上的b、c和d點的箭頭為矢徑，這些矢徑的斜率表示速度。通過點a的矢徑與曲線相切，其斜率為自由速度vf。在流量密度曲線上，密度比km小的點表示不擁擠的情況，而密度比km的點表示表示擁擠的情況。圖 2-1-2-2(b) 流量密度關系圖同理，根據(jù)格林柏公式可得到基于該公式的流量密度關系：q= vm*k*ln根據(jù)安德五德公式可可得到基于該公式的流量密度關系：q= vf*k*2.2 微觀交通模型在對交通研究的過程中，對

34、車輛行為，對車輛行為的研究是十分重要的，單個車輛的行為是整個交通流行為的基礎，在對單個車輛的行為研究時，主要研究其如何根據(jù)前面的車輛的行為變化，調(diào)整自身的速度和狀態(tài)。跟馳模型是運用動力學方法，描述在無超車的單一車道上車輛列隊行駛時后車跟隨前車的行駛狀態(tài)。其用途是表示單車道交通流特性。在道路上行駛的一隊高密度車流，間距不大，每一輛車的行駛速度都受到其前面相鄰車輛行駛速度的制約，駕駛員只能按前車所提供的信息來決定自己的車速。后車速度總是在前車速度附件波動，不會長時間超過前車速度，否則，會由于車輛間距小于安全距離，緊急情況下來不及剎車，導致尾撞。安全距離不是恒定值，當車速提高時，安全距離須相應增大。

35、另一方面，后車速度也不會長時間低于前車，否則延誤增大。后車的速度不僅有上述的跟隨性，而且具有滯后性。這是因為駕駛員從感覺到前車運行狀態(tài)改變，經(jīng)大腦做出判斷，決定采取相應的加速或減速措施，知道手腳做出相應的操作并且車輛速度實現(xiàn)相應的調(diào)整，這需要有一個過程，一定的時間。這個滯后時間稱為反應時間。設前后兩車在時t的位置分別為,則速度分別為，兩車間距為。設前導車n在t時刻實行剎車，滑行一個距離dn后停止；后車n+1滯后一個反應時間i之后，亦實行剎車，且滑行一個距離dn+1后停止，停止時兩車距離為l。注意到后車在剎車前（反應時間t內(nèi)）行駛距離為，有如下等式： （式 2-2-1）假定兩車滑行距離相等，即d

36、n= dn+1，則：（式 2-2-2）兩邊對t求導，得：（式 2-2-3）或（式 2-2-4）此式表明，后隨車在t+t時刻施行的加速度（反應）正比于t時刻前后兩車速度差（激勵）。式2-2-4是在假定前導車剎車、兩車滑行距離相等及以后隨車反應時間內(nèi)速度不變這樣三個條件下導出的。實際的跟車過程常常比上述情況更復雜。為此把式2-2-4的系數(shù)以反應強度系數(shù)替代之，得到如式2-2-5所示的線性跟馳模型：（式 2-2-5）系數(shù)a的量綱為s-1，表示駕駛員對于刺激所做出的反應的強弱。進一步研究發(fā)現(xiàn)，后隨車的跟駛反應不僅決定于它同前導車的速度差，還與二車以及后隨車本身速度有關。間距愈近，尾撞的潛在危險愈大，且

37、后隨車對前導車速度變化亦更為敏感，因而做出的反應會愈加迅速和強烈。后隨車本身車速越高，一旦發(fā)生尾撞時后果會越嚴重，要求做出的反應愈加迅速有效。于是有如下最一般形式的非線性跟馳模型：（式 2-2-6）其中指數(shù)一般在0-3的范圍內(nèi)取值，m取值為0或1。當取=m=0時，即成為線性跟馳模型。跟馳模型描述的是前后相鄰二車的行駛規(guī)律，所以屬于微觀交通模型。它能表明單車道上交通流特性，而且在其基礎上可導出穩(wěn)態(tài)交通流的宏觀基本特性（對上式進行分離變量積分并且忽略反應時間）。2.3 宏觀交通模型 宏觀交通模型包括宏觀穩(wěn)態(tài)交通模型和宏觀動態(tài)交通模型兩種。2.3.1 宏觀穩(wěn)態(tài)交通模型當宏觀交通流變量：交通流量q(x

38、,t)、交通密度 (x,t)、空間平均車速v(x,t)與時間t無關時，我們稱之為宏觀穩(wěn)態(tài)交通流。嚴格理論意義上的穩(wěn)態(tài)交通流是不存在的，但若在某個特定時段內(nèi)，交通的變化較小、較慢，我們就可以用穩(wěn)態(tài)模型來描述。由于高速公路宏觀穩(wěn)態(tài)交通模型是線性模型，用該模型進行控制，具有簡單易行的特點，可有效預防常發(fā)性擁擠，與無控制相比具有明顯的效果。本節(jié)介紹高速公路宏觀穩(wěn)態(tài)模型的方法。宏觀穩(wěn)態(tài)交通模型是描述q(x)、(x)、v(x)隨道路位置坐標x分布規(guī)律變化的模型。由于穩(wěn)態(tài)時q-、v-關系都是固定的，故我們只需找到流量v隨x變化的分布規(guī)律，就可以推算密度的特性，從而由v-關系，又可以推算出v的分布。進一步，我

39、們將q隨道路坐標x連續(xù)變化規(guī)律離散化，即把一條道路按照其實際幾何情形和交通狀況劃分為若干段，使得在每一段內(nèi)交通狀態(tài)可近似看成是均一的，即q(x)、(x)、v(x)在每一段內(nèi)均取常數(shù)值，而且每一段內(nèi)車道數(shù)不變，至多只有一個入口和一個出口，如圖2-3-1所示。在此基本上，可以分別給出起始到達模型、起始終點模型和遞推模型。本節(jié)主要介紹起始到達模型。圖 2-3-1-1 高速公路分段示意圖起始到達模型如下所述：設從路段i的入口匝道進入的車輛（流量為rj）中有aj100%到達路段j，則 j=1,2,n(0ai,nai,n-1ai,i+1ai,i1)（式 2-3-1-1）這里我們已將進入流量記入r1。引入n*n階起始到達矩陣：記，,分別稱其為流量流向、入口流量流向，則式2-3-1寫成矩陣形式為：q=r*a（式 2-3-1-2）我們可以在估計出矩陣a的條件下，由各入口流量ri，可算出各段流量qi(i=1,2,，n)。我們稱式2-3-2為起始到達模型。2.3.2 宏觀動態(tài)交通模型高速公路的狀態(tài)空間模型描述高速公路各路段交通流狀態(tài)變量隨時間變化的規(guī)律。高速公路某個位置在某個時刻的交通狀態(tài)與該位置在該時刻之前的交通狀態(tài)以及該位置上下游相鄰處的交通狀態(tài)有關。即交通流過程是交通狀態(tài)