XX快速路分合流区通行能力分析.docx

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XX快速路分合流区通行能力分析

快速路分合流区通行能力分析

Analysisofexpresswaypointsconfluenceareatrafficcapacity

摘要

快速路是城市道路网系统的重要组成部分之一，可以缓解城市中心的交通压力，快速路通行能力直接决定城市道路的运行质量。

分合流区通行能力是影响快速路通行能力的重要因素。

论文分析了不同匝道与主线连接形式的分合流区和不同车道不同位置处的交通特性以及速度流量特性，并给出了通行能力计算公式，然后根据天津市实地交通量调查数据进行通行能力的计算。

最后分析了快速路的服务水平。

关键词：

快速路；分、合流区；通行能力；交通特性；

ABSTRACT

Expresswayisurbanroadnetworksystemisoneoftheimportantcomponentofthecitycenter,caneasethetrafficpressure,expresswaydirectlydeterminetheurbanroadtrafficcapacityofoperationquality.Pointsconfluenceareatransportationcapacityisaffectingtheimportantfactorsexpresswaytrafficcapacity.Thispaperanalyzesthedifferentmainconnectionformoframpdistrictanddifferentlaneconfluentpointsindifferentpositionsinthetrafficflowcharacteristicpropertiesandspeed,andgivesthetransportationcapacitycalculationformula,thenaccordingtothefieldinvestigationdatatrafficflowoftianjintrafficcapacitycalculation.Atlast,analyzedtheexpresswayservicelevels.

Keywords:

expressway；points、riversarea；trafficcharacteristics；trafficcapacity；

目录

第一章绪论1

1.1前言1

1.2课题研究理论与实际意义1

1.3国内外研究综述2

1.4国内外研究存在问题分析3

1.5本章小结3

第二章分合流区交通特性分析4

2.1基本概念4

2.1.1分、合流及分合流影响区4

2.1.2分、合流影响区的结构形式4

2.1.3通行能力10

2.1.3通行能力的影响因素10

2.1.4通行能力分析的目的和作用10

2.1.5通行能力调查11

2.2分合流区车辆运行特性11

2.2.1分流点车流运行特性11

2.2.2合流点车流运行特性11

2.3分合流区交通流流量速度特性11

2.3.1合流区流量速度特性11

2.3.2分流区连接段流量速度特性12

2.4本章小结13

第三章分合流区通行能力分析14

3.1根据车头时距确定通行能力14

3.2主线道路与匝道连接形式16

3.2.1孤立匝道与四车道主线连接的合流道路形式16

3.2.2孤立匝道与四车道主线连接的分流道路形式17

3.2.3驶入和驶出匝道相邻的道路形式17

3.2.4驶入匝道为曲线的道路形式18

3.2.5有两条驶入匝道与四车道主线连接的道路形式19

3.2.6有两条驶入匝道与六车道主线连接的道路19

3.2.7驶入和驶出匝道与六车道主线连接的形式20

3.2.8两条驶出匝道与一条驶入匝道与主线连接的形式20

3.2.9有加速车道的驶入匝道与六车道主线连接的形式21

3.2.10有减速车道和六车道主线连接的形式21

3.3通行能力的计算22

3.4本章小结53

第四章分合流区服务水平分析54

4.1匝道行车道服务水平54

4.1.1服务水平分级指标54

4.1.2服务水平分级标准54

4.2匝道与主线连接点服务水平55

4.2.1分合流点服务水平划分55

4.2.2分、合流点服务水平计算56

4.3本章小结56

第五章结论57

致谢58

参考文献59

英文文翻译原文及译文60

毕业论文任务书

研究进度计划表

第一章绪论

1.1前言

由交通拥挤的原因引起的交通事故频发、环境污染加剧等一系列问题，这对城市来说是一个极其严重的问题，已经很大程度上限制了城市的发展；越来越拥挤的交通，不仅带来了经济损失，还将导致城市功能瘫痪。

拥挤的交通导致车辆行驶速度降低、延误增大、燃料费用增加、尾气排放量增加，因此而导致环境恶化。

此外，交通拥挤将会导致交通事故倍增，而交通事故的发生使交通阻塞更加严重，从而形成了恶性循环。

作为国民经济基础产业之一的道路交通，它伴随着社会的发展而发展，在某种程度上标志着一个国家的经济发展水平。

对于正处于改革开放、快速发展重要时期的中国，在交通基础设施建设方面我们取得了举世瞩目的成就。

但是在道路交通行业蓬勃发展的今天，我国道路交通行业仍暴露出基础理论不足、依赖国外研究成果等一些问题。

对于我国的通行能力研究，真正适合我国道路交通特色的完整的道路通行能力分析方法还没有找到，尤其是在城市快速路分合流区通行能力的研究方面。

道路基础设施建设主要依据之一是道路通行能力，如果不科学的对道路通行能力进行分析，就会造成决策失误，道路资源分配不均衡会非常明显的出现----建设标准过高的地方造成资源浪费；建设标准过低的地方造成交通拥堵。

这给我国交通运输行业自身发展带来了非常不利的影响，还会影响国民经济的总体提高。

因此，道路交通基础设施建设中的关键是科学合理的确定道路交通基础设施建设的规模和标准，而确定道路交通基础设施建设规模和总体设计方案的重要依据之一是道路通行能力。

实践表明，分合流区域为快速路“瓶颈”所在。

分合流区是制约交通功能发挥的关键部位之一。

目前，高峰时段堵车现象在很多大城市都出现了，而随着交通量的增加，城市快速路分合流区行车、安全问题会愈加严重。

解决城市快速路分合流区交通拥挤问题可以从两个方面着手：

一方面是更科学的规划对未来道路的建设和改造，使它能够满足现代交通的需求；另一方面是更科学的管理与控制城市快速路瓶颈部分，解决交通拥挤问题，优化城市交通结构。

显然，后者效益更高、见效更快。

1.2课题研究理论与实际意义

对于城市快速路分合流区交通流特性的研究，国内研究的对象是对中低交通量，很少有对大流量、高密度的非自由流的研究，特别是对于容易出现交通问题的主线流量较大的分合流区。

国内对城市快速路分合流区通行能力的研究主要根据美国《HCM》的研究，理论研究缓慢、滞后。

论文以快速路分合流区交通流为研究对象，对分、合流影响区的车辆运行特性和通行能力进行研究计算,提高交通安全、保障车辆运行畅通，尽量发挥快速路的功能,是我国城市快速路合理发展和国民经济发展的需要。

1.3国内外研究综述

Daganzo，Cassidy和Bertini等对快速路分合流区交通流运行特征进行了详细系统的研究、分析，研究内容包括出入口车辆排队模式、出入口拥挤问题、车道变换理论以及车辆排队消散特征。

指出能够预测分合流区域因交通拥挤而造成的交通相变，研究结果表明用马尔可夫理论可以解释大部分的观测现象；合流区上下游“瓶颈”路段车辆排队消散特征根据实测交通流数据得出，表明有时候“瓶颈”路段会出现在一个固定地点，大概在合流区下游1千米的地方；由于车辆变换车道将会产生空隙，车辆之间有了空隙，就会降低实际通行交通流量。

德国的Sigrid和WestPhal针对两条限速的快速路合流区，通过实地数据的调查和分析，建立了通行能力模型。

该模型认为合流区只影响路肩车道和紧邻路肩车道的第二车道。

给出了不同车道、不同速度下的流量、速度计算公式；分析了可能通行能力和服务水平。

美国的Roess/Uerio模型认为快速路分合流区的车流包括匝道的车流和路肩车道、第二车道上的车流。

该模型从两个方面定义了分合流区的通行能力：

1在分合流区能够分流的最大总流率

2驶入匝道的最大总流率

Roess/Uerio模型提出了计算合流区通行能力的方法，还给出了单车道匝道分合流区的服务水平的划分和通行能力值。

Hidas对车辆变换车道行为，以自由流和非自由流为条件进行分析并建立了模型，此模型说明了由于合流区通行能力有限而导致的一些问题，但对于实际情况的仿真并不理想。

Hidas分析了自由流和非自由流情况下车辆变换车道行为，该模型说明因为快速路的合流区通行能力有限而存在的问题。

Brilon提出了代替通行能力指标，那就是效率指标。

使效率达到最大化的体现在交通设施能达到最佳效果。

DaihengNi和Leonard研究了分、合流区车辆的分流、合流行为。

Coifman提出了一种新的方法计算交通流密度和流量。

Ngoduy，S.P.Hoogendoorn和J.V.Henk指出还没有哪种模型能准确说明快速路分合流区交通流特性，并并提出了多车道的交通流模型。

裴玉龙、慈玉生。

高晗等人利用实测数据建立了快速路分合流区车头时距模型，该模型表明威布尔分布比其他分布更具有优势，用元胞自动机模型对快速路分合流区进行研究，并分析了匝道的设置方法。

张亚平研究了快速路交通特性和通行能力，提出合流区可以应用间隙接受模型。

冯雨芹开发了快速路交通流特性仿真系统。

此外，随着计算机技术的飞速发展，利用计算机进行快速路分合流区的研究已经成为一个发展方向。

利用计算机进行模拟状况预测，特别是对于复杂交通环境条件下的交通流问题都有着其它方法无可比拟的优势。

此外，国内部分学者研究快速路分合流区的交通波特性，通过对交通流参数的分析，建立了交通流的欧拉方程及运动微分方程。

1.4国内外研究存在问题分析

由于在国外城市快速路的研究具有很长的历史，欧美等国对城市快速路分合流区域等交通流特性进行了广泛的研究，尽管取得了显著的成果，但是研究成果大都集中于交通量、车头时距和速度等方面，且针对性很强，对区域性的交通流特性研究较缺乏。

国内关于快速路分合流区交通流特性研究，大都集中于交通量、车头时距、车道变换等方面，且主要侧重于高速公路分合流区域，而在快速路交通流特性方面的研究还未成体系，有待进一步完善。

欧美等国以美国的《HCM》为基础编制了本国的通行能力手册，都是用其形式以大量的调查数据为基础，通过统计分析，然后建立分合流区通行能力计算模型，或用突变理论及间隙接受理论为基础的理论体系，很难推广运用。

经验回归模型是国内有关分合流区通行能力分析的主要模型，此模型是建立主线第一车道流量与主线流量及匝道流量的回归关系模型，以合流（分流）流量作为匝道连接段通行能力与服务水平分析的基础，它用大量调查数据为依据，大规模的调查数据国内目前还没有；而把快速路合流区当作一个无信号控制交叉口，运用间隙接受理论进行匝道合流区通行能力研究，难以确定其车头时距分布；由于难以确定仿真参数，用交通仿真手段进行通行能力分析时会出现不可靠的现象；一般认为出口匝道对快速路通行能力影响较小，但是当快速路的交通流较大时，出口匝道前会出现排队情况，因此出口匝道也会对快速路的通行能力产生较大影响，然而在此方面的研究相对较少。

1.5本章小结

本章阐述了我国交通现状及存在的问题，列举了国内外研究现状并对其存在问题进行分析。

第二章分合流区交通特性分析

上一章叙述了国内外快速路分合流区存在的交通问题和研究现状，并对研究所存在的问题进行了分析，这一章主要叙述快速路分合流区的一些基本概念、交通特性、速度流量特性等内容。

2.1基本概念

2.1.1分、合流及分合流影响区

分流：

指的是车辆从主线交通流中分离出来驶入其他车道的行为。

合流：

指的是车辆从其他小交通流中汇入主线交通流中的行为。

分合流区通行能力大小决定着快速路的通行能力，而分合流影响区的通行能力又制约着分合流区的通行能力。

分合流影响区包括出口匝道和主线上的一段道路，其中匝道与主线连接处的畅通与否是决定分合流区通行能力大小的关键因素。

因此，如何保证匝道与主线连接处的通畅成为快速路分合流区研究的重中之重。

分合流影响区示意图如下图所示:

图2-1分流影响区示意图

图2-2合流影响区示意图

2.1.2分、合流影响区的结构形式

若匝道与主线的连接形式不同，那么它们通行能力的影响因素也不同，通行能力值也不同，所以要明确匝道与主线连接形式在分析通行能力之前。

经过实地调查，我们总结了匝道与主线连接处的主要形式有九种，如下图中所示。

（1）单车道驶入匝道

这是由右侧单车道驶入匝道和三车道主线道路连接而成的合流区示意图，合流区存在加速车道。

由于加速车道的存在，使得驶入匝道上的车辆更容易并入主线上的路肩车道，而且车速不会降低太多，主线交通流速度变化不太大，自由度变化也不大。

加速车道的存在使得车道运行质量提高，这样的设计更合理。

图2-3单车道驶入匝道

（2）单车道驶出匝道

图2-4单车道驶出匝道

这是一段由右侧单车道和三车道主线道路连接而成的分流区示意图，该分流区有减速车道的存在。

由于有减速车道的存在使得车辆会很容易变换车道至减速车道，车辆进入减速车道后想要驶入匝道就会变得非常容易。

路肩车道上的车辆会因为驶离车辆的影响而降低车速，导致主线上的交通流速度降低，但是影响不大。

主线车辆驶离分流区后交通流速度会快速回升。

减速车道的设置减少了车辆排队等候驶离的可能性。

（3）双车道驶入匝道

图2-5双车道驶入匝道

这是由双车道驶入匝道和三车道主线车道连接而形成的合流区示意图，存在两条加速车道。

由于是该加速车道有两条，最外侧的驶入车辆想要汇入主线必须要跨越两条车道才能完成，这给最外侧车道上的车辆的并道带来了很大困难，最外侧车道上的车辆不仅影响相邻车道上的驶入车辆，还影响主线上的路肩车道和相邻的第二车道。

在该合流区，车辆行驶会比较混乱，当交通量较大时，会车现排队现象，自由度降低，当主线上的车辆驶出合流区后，车速会得到提高，自由度也会随之提高。

该合流区的优点是有加速车道的存在而不会使驶入车辆的速度降低太多，对主线车辆影响也会有所降低，驶入车辆并入主线会比单车道驶入匝道更容易一些。

（4）双车道驶出匝道

图2-6双车道驶出匝道

这是由两车道的驶出匝道和两车道的主线道路连接而成的分流区示意图，由于有减速车道的存在，使得主线上的车辆驶出变得容易，主线上的驶出车辆驶离主线进入减速车道时有两条车道可以选择，大大增加了驶离车辆的通畅性。

分流区上游由于驶离车辆存在向外侧车道并道的行为，而在主线上行驶不想驶离主线的车辆会选择向内测车道并道，对后面的车辆造成影响，从而对主线产生影响，造成主线交通流速度下降，自由度降低；当主线上的车辆驶离分流区，进入下游区域时，主线上的车辆速度会明显提升，自由度也会随之提高，交通流速度增大。

（5）有车道平衡的双车道驶入匝道

图2-7有车道平衡的双车道驶入匝道

这是由两条驶入匝道和两条主线道路连接而成的合流区示意图，由于匝道上有两条驶入车道，所以咋打上的车辆驶入与主线连接处比较容易，而匝道车辆想要并道时会有些困难，特别是最外侧匝道上的车辆，需要跨越两条车道并入路肩车道，要受到内测加速车道上车辆的影响，还要受到从上游驶来的路肩车道上车辆的影响。

主线上的车道有两条，这使得主线上的交通状态显得比较拥挤，这就对匝道上车辆的并入带来了更多的影响。

主线上游的车辆为了避免驶入车辆的影响会选择并入最内侧车道，造成主线上交通流混乱；当车辆完成汇入并驶入合流区下游后，主线上的交通流速度会提高，自由度也会随之提高。

（6）有车道平衡的双车道驶出匝道

这是由一条道匝道和三条车道的主线道路连接而成的分流区示意图，匝道为单车道，当车辆较多时造成驶离车辆的驶出不通畅，主线上游的车辆为免受驶入车辆的干扰会选择并入主线内侧车道，造成主线上游交通混乱，行驶自由度降低，而驶出车辆想要并入路肩车道以方便驶出，造成上游的冲突；当车辆驶离分流区，主线上的交通流速度会提高，车辆行驶的自由度也会提高。

图2-8有车道平衡的双车道驶出匝道

（7）大汇合交叉

图2-9大汇合交叉

这是由两条驶入车道合并而成的合流区示意图，也就是大汇合，冲突点在道路交汇处，两条驶入车道上的车流量不同，车流量大的那条车道上的车辆会向车辆少的车道上并入，而影响被侵入车道后方的车辆，就造成交通流速度降低，自由度降低，这条车道的相互影响不是很大，总体交通流速度还是很快，自由度也很大。

（8）大分岔

图2-10大分叉

这是主线上的四条车道分成两条车道的大分叉示意图，上游的车辆会因为为了进入不同的分流车道而相互干扰，到达分流车道后会各行其道，相互之间影响不大。

交通流速度快，自由度高。

（9）左侧驶入

这是由一条左侧单车道驶入车道和三条车道的主线道路连接而成的合流区示意图，这条主线上的最右侧车道速度最快，左侧的匝道驶入车辆为了并入最左侧车道会降低车速观察左侧车道上的车辆行驶状态以便找到合适机会并入，并入的过程中会影响左侧车道的正常行驶，造成其被迫减速。

合流区上游的车辆为了免受驶入车辆的干扰会选择向右侧车道并道，这就对右侧后方的车辆造成影响，导致上游交通的混乱；当车辆驶出合流区后，交通流速度会很快提高，自由度也会提高。

图2-11左侧驶入

下面是一些道路结构形式在现实中的应用：

图2-12大分叉形式

图2-13有减速车道的驶出分流

图12所示道路分成两条的大分叉形式道路，从图中我们可以看出车辆各行其道，行驶轨迹明确，没有混行现象，道路上车辆比较少，车速较快，行驶自由度也较高；当车辆较多时，上游右转车辆和左转车辆会在分流区附近发生冲突，这种冲突会延续到车辆较少时，等到车辆驶入分流匝道后，车速会快速回升，自由度也会随之提高，交通流速度增大。

图13所示是一条减速车道的分流区道路，可以看出驶出车辆有向右侧并道的现象，主线上的车辆很容易并入减速车道并驶出主线，驶入匝道。

当主线上车辆较多时，主线上直行车辆会占据减速车道，形成一列车队，当前方车辆驶入匝道后，直行车辆会突然加速驶入主线路肩车道，这就会与紧邻路肩车道的第二车道上的车辆发生冲突，因为第二车道上的车辆会并入路肩车道以提高车速，而减速车道上的直行车辆也会进入路肩车道。

而主线上的第二、三车道受的影响相对较小些。

图2-14有左侧驶出匝道的分流

图14是有左侧驶出匝道的分流车道，主线上想要驶出的车辆会与直行的车辆发生冲突，主线上右侧车道交通流速度最快，当要驶出车辆在进入分流区后还未并道到减速车道的话，就会对主线上直行的车辆造成最直接的影响，在并道时会迫使直行车辆减速。

等到直行车辆驶离分流区后车速会很快提升，自由度也会提高。

图2-15有左侧驶入匝道的合流

图2-16有加速车道的合流

图16是有加速车道的合流道路，从匝道驶入的车辆会先进入加速车道，然后找到合适汇入主线的机会并入路肩车道，在并入的过程中，路肩车道后方的车辆被迫降低车速等待加速车道上的车辆汇入，如果匝道上的车辆较多，可能造成主线上的车辆停车等候，主线后方的车辆也要停车排队等候，造成主线上的交通流速度降低，自由度降低；当匝道车辆完成汇入后，主线上的车辆开始起步跟随驶入车辆前进。

等到驶出合流区后，交通流速度开始提高，自由度也随之提高。

2.1.3通行能力

通行能力是指在正常的交通条件下，在一段时间内（通常为1小时）道路能通过的车辆数。

它是反映道路疏导交通的能力。

通行能力包括设计通行能力、可能通行能力、基本通行能力三种。

通行能力一般以veh/h（辆/小时）、pcu/h（当量标准小客车/小时）表示，基本单位是pcu/h（当量小客车/小时/车道）。

通行能力的约束条件有交通、道路、管理水平、分析人员和道路断面等，其中任何一个发生变化都会导致通行能力的变化。

一般情况下，测得的小时交通量都会小于道路的设计通行能力。

这样的话，车辆行驶的自由度就会增大，车辆会比较容易变换车道以达到想要的行驶方式，同时由于车辆自由度大也容易造成道路上的车辆行驶混乱。

当交通量接近设计通行能力时，车辆的行驶自由度就会降低，车辆只能跟随前车行驶，如果出现意外情况很可能导致交通堵塞。

2.1.3通行能力的影响因素

通行能力的影响因素包括交通、道路、管理方式、规定、天气等条件。

（1）道路条件是指车道数量及宽度、有无车附加车道、设计车速、标志标线、视距、道路基本条件等；

（2）交通条件是指车辆组成、车道划分情况等因素；

（3）管制条件是指交通法规、管理措施等；信号相位配时、绿信比、周期长、进口车道数及车道划分等因素；

（4）环境条件是指商业化程度、非交通占道、公交车站和停车位置等因素；

（5）气候条件是指天气情况对通行能力的影响；

（6）规定运行条件主要是指限制条件，这些限制条件通常考虑速度、驾驶自由度、交通间断、舒适和方便性以及安全等因素。

另外，道路周围的地形、景观、地物、驾驶员技术等也对道路通行能力有一定的影响。

2.1.4通行能力分析的目的和作用

通行能力分析的目的：

确定某条道路在一定条件下所能通过的最大车辆数，通过研究确定真正影响同行能力的因素有哪些，为以后此条道路的改建与修整做准备工作，也为以后新建道路提供帮助。

道路通行能力的作用：

通过对道路通行能力的研究分析，可以用来为新建道路提供一些技术指标，对以后交通规划有很大的帮助，也可以为其它运输方式提供对比，为其它建筑物提供参考的依据，对现有道路上存在的一些问题提供分析解决的办法，为交通管理部门提供可靠的依据。

通行能力的研究在现在和未来都有极其重要的意义，是一项重要的工作。

要通过实地数据调查和观测完成才能保证其准确性，也为以后的规划建设打下坚实的基础。

2.1.5通行能力调查

道路通行能力包括路段通行能力、信号交叉口通行能力、匝道通行能力（分流、合流）、交织路段的通行能力。

通行能力的调查应根据不同的交通形式、地貌、时间段、道路等级在不同的地点采用不同的方法进行调查。

由于分合流区的情况复杂，在调查分合流区通行能力时需要从全方面考虑该区域的情况并进行大量的交通调查与分析，实施起来比较困难。

我们可以采用摄像机拍摄的方法，在合适的位置安装好摄像机，拍下分合流区的真实运行情况，以便于以后的分析处理。

2.2分合流区车辆运行特性

2.2.1分流点车流运行特性

主线上想要驶入匝道的车辆先要从内测车道并入路肩车道，因此就是车辆在主线上变换车道的行为，同时也改变了主线车道上车辆的分布情况。

车辆变换车道会影响主线上的其它车道，这种影响表现出从内到外的现象。

即内测车道最先受到影响，随后外侧车道也会受到影响。

分流区上游的车辆运行能保持一定的状态，到分流区后开始改变。

2.2.2合流点车流运行特性

从匝道驶入的车辆想要在主线路肩车道上找到合适的空隙以便插入。

插入时会对后方驶来的车辆造成影响，使其被迫降低车速，而紧跟其后的车辆由于受到前方车辆减速的影响而降速，造成主线交通流速度降低。

对于匝道上驶入主线的车辆，想要并入主线上内侧车道来提高车速，这样的并道行为对合流区上游车辆有较大的