快速路交通仿真实验报告

交通流理论与仿真分析》交通仿真实验报告

2014 年8 月15 日

1研究背景

城市快速路系统以其快速、畅通、舒适的优点得到了我国大中城市的青睐，越来越多的城市加入快速路系统建设的行列。然而由于车流量迅猛增加，快速路交通拥堵问题成为制约快速路系统功能发挥的瓶颈。同时由于交通拥堵严重，车辆在怠速、低速、急加速、急减速等非稳态工况运行时间加长，致使机动车污染物排放加重，对人体健康的影响非常之大，甚至严重影响到居民生活质量。亟须对城市快速路交通拥堵问题开展深入研究，以针对性提出解决策略。

城市快速路交通拥堵可分为常发性和偶发性，常发性交通拥堵是由于交通需求超过

设施通行能力所致，经常发生在瓶颈设施处，具有一定形成规律。早期交通流理论研究以基本图论方法为代表，将交通流分为自由流、稳定流、拥堵流3个状态。假设模型的定态解在流量-密度平面上为1条曲线，曲线通过流量-密度图的坐标原点，并且至少具有1个极大值点，即流量和密度存在单值对应的关系，对于认识交通流线形及非线性关系起到重要作用。然而该方法无法解释交通工程设施瓶颈处交通流状态变化。然而这些分析更多的是定性的分析，缺少精细化定量研究。近年来，关于城市快速路瓶颈处交通流速度特性的分析，成为了关于快速路交通流特性分析的一个热点问题，人们试图从中寻找到分析快速路运行状态的突破口。以速度变化特性为依据对快速路交通拥堵形成、消散及变换进行分析，并给出量化的判别方法，以便直接服务于城市快速路交通系统管理与控制。

快速路瓶颈是整个快速路系统中能力较低的部分，而瓶颈处交通流失（Breakdow n）是导致快速路拥堵的重要原因。改善瓶颈处的运行状态则是快速路运行畅通与否的关键。瓶颈包括偶发性瓶颈（如交通事故、道路养护、车队慢车等）以及常发性瓶颈（车道减少、驶入匝道、交织区、坡道段等）。常发性瓶颈失效（Breakdown）是交通需求、驾驶行为及设施设计等多因素交互作用的结果。随着交通需求的增加，我国一些大城市

快速路出现了经常性的交通拥挤现象。在这种拥挤状态下，车辆行驶速度大大降低，以

较低的流率释放使得道路对交通疏导能力严重下降.由于这种交通流状态持续的时间较短（小于15 min）,车流运行状态相对不稳定,在以往的研究中没有引起交通研究人员的重视•随着交通需求增加，车辆排队经常发生。一方面，一旦车辆形成排队，对于出行者

或管理人员关注的间题不再是道路具有的设计通行能力，而是更关注道路对交通的“疏

散”能力，即在排队状态下，车辆的释放流率为多大；另一方面，随着对交通特性研究的深入,越来越

多的研究表明，交通拥堵状态下，对通行能力定义提出了新的挑战；再

有，随着智能交通系统的引入，排队持续时间、事件检测、路段行程时间预测等问题的提出，迫切需要针对瓶颈路段交通特性进行研究。为此，人们想到了利用交通仿真技术来分析瓶颈路段交通特性。

交通仿真是用数学模型复现交通流时间空间变化的技术。是分析交通系统在各种设定条件下的可能行为，以寻求现实交通问题最优解的一种手段，也是评价运输设施各类运用设计方案效果的有效方法。根据交通仿真研究的层次不同，可以分为三个方面：宏观交通仿真(Macroscopic Traffic Simulation)、中观交通仿真(Mesoscopic Traffic simulation) 和微观交通仿真(Microscopic Traffic Simulation)。根据快速路瓶颈的时空特点，它通常是在一个不大的时空尺度内出现的交通现象，故应该采用微观仿真手段进行分析。

2瓶颈交通流分析

2.1实验线路介绍

本报告选择了上海内环高架快速路西北段内圈武宁路至镇坪路路段作为分析对象。其道路线形均为平直路段，车道宽度和限速相同，下游均为单向双车道快速路，但其汇入方式稍有差别。该分析路段包含两个出口匝道，分别连接武宁路和镇坪路，一个武宁路入口匝道。从上游到下游依次为在武宁路下匝道、武宁路上匝道和镇坪路下匝道。其中武宁路上匝道最初有两个车道，武宁路下匝道和镇坪路下匝道各有一个车道。该路段因驶入匝道设置问题而形成了一个常发性的瓶颈点。

该路段在主线和匝道上均埋设有线圈检测器24小时记录车辆的通行情况。本报告

的实测数据来源于2010年7月30日的上海市快速路感应线圈检测数据，检测参数包括

以车道为基础的流量、点速度、占有率，每20s系统上传一次数据。经过处理之后形成快速路每5min 的流量、点速度、占有率。主线线圈布设位置如图1中所示，为简便起

见，以37、38、39、40、41沿行驶方向依次代表为主线上的5个检测器，并以五个检测器的位置为准将该分析路段依次分为I、II、山、IV四个子路段。在三个匝道上也分别布置有检测器，分别以WNO、WNI和ZPO来表示。具体的线路走向和匝道检测器位置

如图1-1和1-2所示。

图2-1分析路段走向图

37 38 39 40 41

J_LU__i__L

1

图2-2路段检测器位置与匝道关系示意图

2.2交通流瓶颈分析

通过对当日检测器的数据的初步分析，绘制出图表反映当日交通流的变化，可以初步判定交通瓶颈产生的时空范围，进一步通过对交通流参数阈值的分析，可以较为准确的划分出独立瓶颈的时空边界，以确定下一步仿真分析的范围。

（1）流量变化

路段单日流量变化图

N NX-33 ------- N NX-39 N NX-40

N 'NX-^1

图2-3路段单日流量变化图（主线检测器）

在主线上，通过对5个检测器的流量数据的分析，绘制出了单日流量变化图 2-3, 从图中我们可以看到，主线路段各个检测器的流量高峰出现在上午 7:30前后，持续时间 均较长直到晚上22时以后才有明显降低。

进一步分析发现，其中40号检测器的流量数据在相同时间内的 5个检测器中始终 处于最高位，而37和41号检测器的流量数据在各个时段均保持基本同步，同样的现象 有出现在38和39号检测器之间。而这三组检测器（40、37和41、38和39）的流量大 小关系在一天时间内较为稳定。

流最变化曲线图

图2-4

子路段流量变化曲线图（考虑匝道流量）

Qoysmz 1=

口A

呂落

ooIHtslEri

ooogT

QoLrlrn

日

000

寸寻L

口0

昂我口 000

召 00LH2T

OOOQU

00

官

2 OOOT6

00

曰必

Q0

白削卜

Q0

苗壘9

呂

oEbn

-------- N NX-3/ 00# 二

8 5 0

00-1

8 0^0000000 00 G 4 2 2

越

68

1 - * *

0 8

8 8 8

ss

0W2 stfEs

合

ofrtE

善寸gi

OUOM-I

昂 T 8

出

啤龙

00063

OOOT

二 oootm

s$