第6章-高速公路系统的交通仿真.docx

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1、第六章高速公路系统的交通仿真16.1引言16o1.1仿真分析特点说明16.1o2交通仿真的适用范围16.2高速公路系统交通仿真分析方法26.2o1总体仿真结构26o2.2道路模块26.2.3人车单元模块86o2.4仿真模块86o2.5发车模型96o2.5仿真单体的初始化106o2o6自由行驶116.2.7跟驰模型116o2.6基本路段的换车道模型136。2。9入口匝道的换车道模型156o2o11出口匝道的换车道模型186o2o12交织区的换车道模型206o3高速公路系统交通仿真分析步骤226.3.1 分析数据需求226.3.2 分析步骤236.4算例24246.4o1算例一-一高速公路基本路段

2、的通行能力值第六章高速公路系统的交通仿真6o1引言6.1.1 仿真分析特点说明本手册第3、4、5章都分别提供了基本路段、交织区和匝道与匝道一一主线连接处的统计分析方法,本章主要是利用计算机仿真手段，为分析高速公路系统及各组成部分的通行能力问题提供了全新的思路和分析工具。本章所提供的高速公路系统的交通仿真模型是基于时间驱动的微观交通仿真模型，其仿真对象除了道路、交通条件外,还包括随着分析时间、空间内所有的车辆和驾驶员.同前面第3、4、5章提供的通行能力分析方法相比,本章最大的特点是研究对象并不直接指向高速公路系统及其各组成部分的流量、速度和密度参数,而通过研究最基本的微观个体特征（包括驾驶员特性

3、以及车辆几何、动力和运动特征），利用交通仿真模型，对高速公路系统及其各组成部分的流量、速度和密度以及通行能力分析中的关键问题进行分析。与前面提供的通行能力分析方法相比，利用交通仿真模型进行通行能力分析具有以下优点：1）利用交通仿真模型，可以尽量真实地表现实际的道路、交通条件，从而最全面地反映出实际道路、交通条件对通行能力的影响；2）交通仿真模型提供的用户界面，使用户可以非常方便的修改分析路段的道路、交通条件，便于快捷地构造道路、交通条件；3）利用交通仿真模型提供的动画环境，可以通过最直观的方式了解实际道路、交通条件，同时,还可以得到图形表示的分析结果。6oIo2交通仿真的适用范围本手册提供的交

4、通仿真模型主要描述了稳定状态下的交通流特征，尽管也能表现车辆拥堵时的状态,但其精度较稳定流状态已经有所下降。值得注意的是：本章所提供的交通仿真模型，与第3、4、5章所提供的通行能力分析方法是完全不同的两种分析方法。第3、4、5章所得到的结果都是统计意义上的结论,代表了普遍意义；而微观交通仿真模尽管也具有总体的特征，但由于随机因素的影响,其结果同时也存在相当的随机因素影响.因此，这两种分析方法得出的结果往往不一致,而这种小的差别并不会影响到对于基于分析结果做出的决策。6o2高速公路系统交通仿真分析方法高速公路系统交通仿真的核心是高速公路系统的交通仿真模型,利用该模型提供的用户界面,输入所需要的道

5、路、交通和驾驶员、车辆的特征参数，选择描述交通流特征的模型后，交通仿真模型可以自动计算得到该系统的流量、速度和密度等交通流参数.参见附录6-1高速公路系统仿真模型用户使用手册.下面针对高速公路系统交通仿真模型中涉及到的主要的计算方法和关键的参数取值分别进行说明。62o1总体仿真结构高速公路系统交通仿真模型描述了基本路段、交织区、匝道与匝道一一主线连接处等组成部分。该仿真模型的总体结构分为四个模块以及用户界面和知识库等6个部分,它们之间的关系结构如图61所示.图61高速公路系统仿真模型结构示意图6o2o2道路模块道路模块描述的是高速公路基本路段系统中的静态环境，包括道路的各组成部分和实验设备。其

6、中道路的主要组成部分包括横断面、平曲线、竖曲线、纵坡、紧急停车带、入口匝道、出口匝道以及加减速车道等;实验设备主要是指车辆检测器，用于记录仿真过程中某断面的车辆运行参数。用户通过菜单及对话框方式，可自由组合道路各组成部分；经过路线设计规范的检验，可以确定仿真道路各组成部分自身的合理性,以及各组成部分之间的协调性；协调的仿真道路各组成部分最终构成了仿真模型的道路环境。道路环境将和人一车单元模块建立的动态外部环境一起构成完整的交通仿真环境.事实上，这些交通仿真环境是由一系列对应着不同车辆、不同路段的自由流速度构成的。具体的道路模块结构图如图62所示。图62道路模块结构示意图在道路模块中,交通仿真最

7、核心的模型是自由流速度影响模型.本手册提供的交通仿真模型认为：各道路的横断面形式以及平、纵线形对车辆运行所造成的影响综合考虑为这些条件对各路段自由流速度的影响.自由流速度影响模型主要包括车道位置影响模型、道路横断面影响模型、平曲线影响模型以及速度修正模型等.(1)车道位置影响模型在高速公路中,由于车辆所在的车道位置不同,其自由流速度存在比较明显的差别。特别是在我国大多数地区，大中型车由于在速度性能方面于小客车存在显著的差距，且这些车辆多在外侧车道上行驶，因此，由于车道位置引起的自由流速度的影响相当大。各车道中自由流速度影响模型如式(61)所示，影响系数见表61。Vf=Vfef式（61）其中，V

8、f各车道中自由流车辆的中位车速，km/h；V於-理想条件下自由流车辆的期望速度,km/h；力-一车道位置影响系数。表61车道位置影响系数力取值表车道位置4车道高速公路6车道高速公路左侧车道右侧车道左侧车道中间车道右侧车道力值1.00Oo83Io00Oo86Oo71（2）横断面影响模型横断面影响模型描述的是横断面尺寸对自由流速度的影响，由于车道所处的位置不同,横断面尺寸的影响因素有所差异，这里分别给出了左侧车道、中间车道和右侧车道的横断面尺寸影响自由流速度的计算公式，参见式（62）式（64）；而计算公式中采用的各参数的推荐值表见6-2.左侧车道：匕左=%（_/0）+句（叫1_叫0）匕。+g式（6

9、-2）其中，匕左一一受横断面影响后，左侧车道自由流车辆的中位车速，km/h;V10理想条件下，左侧车道内自由流车辆的中位车速，km/h;%。、M-理想条件下，路缘带宽度和左侧车道宽度,m；W11W21实际的路缘带宽度和左侧车道宽度，m；/、b1,C1模型的标定常数。中间车道：匕中=2（吗一吗），匕0+02式（63）其中，匕中一-受横断面影响后，中间车道自由流车辆的中位车速，km/h；V2。一-理想条件下，中间车道内自由流车辆的中位车速，km/h；W0理想条件下，中间车道宽度，m；明-实际的中间车道宽度，m；Q2、Q-一模型的标定常数。右侧道：匕右=（w31-w30）+Z73（w41-w40）V

10、30+c3式（6-4）其中，匕右一一受横断面影响后，右侧车道自由流车辆的中位车速,km/h；V30理想条件下，右侧车道内自由流车辆的中位车速，km/h；W30、叫-理想条件下，路肩宽度和右侧车道宽度，m;W31、W4I实际的路肩宽度和右侧车道宽度,m；Q3、名、Q-模型的标定常数。表62横断面影响模型标定参数取值表车道位置4车道高速公路6车道高速公路左侧车道右侧车道左侧车道中间车道右侧车道/值0.017-Oo166-Oo415Io000.597，值1.154Oo665/%值Io007Io018Io098/Io142(3)平曲线影响模型当平曲线半径小于IOOOm时，驾驶员考虑到行车安全，将降低期

11、望速度;而平曲线半径大于IO(X)m时，自由流车辆的速度没有明显的下降.受平曲线半径影响的自由流速度计算公式见式(6-5).式(6一5)f+i-o,oo1其中，-平曲线中，自由流车辆的中位车速，km/h；匕-平曲线起点处，自由流车辆的中位车速,km/h；/一-平曲线半径值，m;b模型的标定常数,通过实测数据的标定，默认值取为0。021.(4)速度修正模型值得注意的是以上两个模型中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(66)计算：匕。式(6-6)其中，Vr0、匕。-自由流车辆的中位车速，km/h；V0?匕一特定车辆的自由流的车速，km/h;Q修正系数。通常该修正系数是横断面

12、影响模型和平曲线影响模型的加权修正量，Q=/办1+,2-2其中,为横断面影响模型权重,默认值1+2为0。2；%为平曲线影响模型权重，默认值为04;A1为横断面影响模型计算的速度变化量，A1=VO-匕;42为平曲线影响模型计算的速度变化2=-V20(5)纵坡影响模型匕=V2+At13KFAVGJ除自由流速度影响模型外，道路条件还将影响特定车辆的运行速度，其中最重要的是纵坡影响模型。该模型并不作用于所有纵坡路段，而只有当车辆运行速度大于该车型在特定纵坡上的稳定运行速度时，才使用纵坡影响模型对车辆运行速度进行修正.计算公式见式(67),相关的惯性阻力系数5、风阻系数灯、空载重量G、滚动阻力系数/以及

13、各类型车辆通常使用的功率中量比尸的默认值见表63和表6-4o式(67)其中，V3进入纵坡加后,车辆速度，m/s;匕-之前，车辆速度，m/s;At仿真过程中的时间推进步长,s；P车辆的功率重量比，W/Kg；KF、5-车辆的风阻系数和惯性阻力系数;i滚动阻力系数、纵坡坡度；A迎风面积,n?；g重力加速度,Vs2;G-车辆空载重量和实际载重，Kg0表63计算P值的相关参数取值车型惯性阻力系数S空气阻力系数Kb迎风面积A(m2)空车重量G(Kg)小型车OoO10.00252.02000大中型车OoO10.00356o24000特大型车OoO1Oo00407.06000表64滚动阻力系数/路面种类f水泥

14、混凝土和沥青混凝土路面0.01-0。02表面平整的黑色碎石路面Oo02-Oo025碎石路面Oo030.05干燥平整的土路O004-Oo05潮湿不平整的土路0.07-0.15表65各车型通常使用的功率重量比推荐值车型功率重量比QP)(W/Kg)均值标准差最大值最小值小型车25o05o030.020o0大中型车10.06o015o05.0特大型车8o07o015.05o0(6)自由流速度渐变模型为了使不同路段中受道路条件影响后的自由流速度不出现突变，仿真模型中提供了自由流速度渐变模型，其方法是在具有不同自由流速度的路段中,于前一个路段的尾部加入一个过渡路段，在过渡路段中假设车辆采用匀加速运动,使路段K的自由流速度连续变到路段K+1的自由流速度.最后，形成道路沿线的自由流车辆速度分布情况如图6-3所示。图6-3自由流速度渐变模型作用后的沿途分布示意图6o2.3人.车单元模块人一车单元模块描述的是驾驶员和车辆的总体特征,这些特征主要也是改变了不同人一车单元的基本期望速度,该速度在整个仿真过程中是车辆行驶速度的上限.在特征参数中，关于驾驶员的特征参数包括性别、年龄和驾驶倾向性;而关于车辆类型的特征参数则包括中位运行速度和最大加、减速度。这些特征参数对于人一车单元基本期望速