大型枢纽立交交织区最佳距离确定方法

专利名称：大型枢纽立交交织区最佳距离确定方法
技术领域：
本发明属于道路设计技术领域，具体讲，涉及大型枢纽立交交织区最佳距离确定方法。
背景技术：
从国内外相关文献阅读可知，交织区对于立交的交通流的组织有着重要的作用。车辆需要通过交织区进入相应车道才能完成相应的左转右转或直行。因此，在交织区内，车辆运行状况复杂，往往成为了整个立交的瓶颈所在。交织区运行的畅通程度直接决定了立交的通行能力。臧晓冬对比分析了国内外现有交织区运行速度分析模型应用在快速路互通立交交织区运行分析中的不足，提出了车道变换次数的预测方法，应用建模技术建立了城市快速路互通立交交织区交织速度和非交织度预测模型。杨宇等引入基于VISSIM仿真软件的SSAM模型对不同的立交间距进行研究，建立城市立交交织区仿真模型，研究了交织区的交通冲突空间和类型分布特性以及不同立交间距下的交织区交通冲突变化规律。周建等应用仿真软件VISSIM，以天津快速路卫昆互通立交为研究对象，在仿真模型标定和验证工作的基础上，通过仿真实验设计，得到了立交桥区各部分及整体的通行能力值。陈小鸿等研究了交织区的交织长度、交织构型、交通流特征以及设计车速等因素对交织区交通特性的影响的，利用微观仿真工具VISS頂对交织区的这些影响因素进行了分析。从已有相关文献阅读分析可知，针对枢纽立交交织区的研究的已有技术具有以下特点:( I)现有研究偏重于将整个立交作为一个整体来研究其对道路的影响，没有对其内部的交通组织及运行状况进行具体的研究，没有对立交的交织区段的特性进行独立的研究。

(2)现有研究大多基于VISSM等中观或者宏观软件对立交进行研究，不能反映出内部各个车辆间的运行状况，不能反映出交织区内车辆运行的非线性及其复杂性特点。因此，现有仿真不能仿真出交织区段内各个决策主体的决策过程，不能得到交织区段内车辆运行的真实状况。(3)现有研究都是针对高速公路或者快速路的立交进行研究的，没有对机场等大型枢纽立交进行过相应的研究。而机场枢纽立交交织区具有交织复杂，交织区段长度有限，连续交织等特点，是现有研究中所没有涉及的。综上，现有国内外关于立交交织区的研究多是将高速公路或快速路的立交视为一个整体，研究其对道路通行能力的影响，未能对立交内部运行状况展开研究，没有对立交的交织区段的特性进行独立的研究，未考虑到机场等大型枢纽交织区的特点。对于立交的现有仿真研究，多是采用了 VISSIM等中观模型，不能仿真交织区中每个车辆的运行状况及决策，不能仿真立交交织区的真实运行状况
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，实现对每个决策主体的微观行为进行具体描述与仿真，能够仿真出交织区内复杂交通环境下驾驶行为(车道变换、车辆跟驰、加减速、行驶轨迹等)和交通冲突行为特征。并且加入机场等大型枢纽交织区的特点作为控制条件进行仿真。通过对某机场大型枢纽立交交织区的分析研究，使得大型枢纽立交交织区内部各个环节交通流的非线性动力学行为如无序现象得到了深入分析，为寻求最佳大型枢纽立交交织区长度提供基础研究支撑。为此，本发明采取的技术方案是，大型枢纽立交交织区最佳距离确定方法，包括下列步骤:1.1道路模型的建立:立交主线设置五个平行车道，行驶在左侧直行车道上的左右转车辆需要通过交织区I换道至道路右侧的左右转车道行驶；行驶在道路右侧左右转车道上的直行车辆同样需要通过交织区I换道至道路左侧的直行车道行驶；进入匝道的左右转车辆需要根据自身左右转需要，通过交织区2换道左转匝道或右转匝道完成左右转功能；1.2道路模型的仿真条件:建立元胞自动机模型，主线总长度为L，交织区I长度为Lcl，左右转车道分离后主线直行道长度为L1,匝道中，交织区2长度为Le2 ;每个元胞长度为Im,每标准车占据5个元胞，仿真步长为Is。设元胞i或为空或被速度为V的车辆占据，V只能取0，1，2，…，Vmax整数值，其中Vmax是车辆所允许的最大速度；在匝道取限速值为Vmaxl;用x(i，k)与v(i，k)分别表示第i辆车在k时刻的位置和速度，d(i，k)为第i辆车在k时刻与第i+Ι量车之间空的元胞数，I为每辆车占据的元胞数，则有:d (i，k) =x (i+1, k) -x (i, k) -1，d (i, k) other是第i辆车在第k时与旁车道上的前车间的空元胞数；d(i，k)back是第i辆车在第k时与旁车道上的后车之间的空元胞数；dsaft是确保车辆不会发生撞车的安全距离；随机慢化概率P的取值范围为O到I ;1.3演化规则:
I)仿真车辆加速:V(i, k+1) =min(v(i, k) +1, vmax);表明驾驶员期望以最大速度在道路上行驶，在限速时间段内，v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, Vmaxl)，Vmaxl为限速区段被限制最高车速；2)仿真车辆减速:
「 I, O _ i k)(v(i, ν( + I, k) + d(、l, k) - dsafe)^0 ^V(1, k + 1)-〔吨 + 丄.k、的.幻 ^k、+ d k) _ dsafe):即马驶贝为避
免和前车发生碰撞并保持安全车距而采取减速措施；3)仿真车辆以概率P随机慢化:V (i, k+1) =max (v (i, k) -1, O);反映现实中由各种不确定因素造成的车辆减速；4)仿真车辆运动:x(i,k+l)=x(i,k)+v(i,k+l);即车辆按照调整后的速度向前行驶，进入下一仿真
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少；1.4实验换道规则涉及到4套换道机制，如下所示:(I)在正常行驶的主线路段上，采取正常的换道机制，即:
①d(i, k)〈min(v(i, k)+l, vmax); ② d (i, k) other>d (i, k);③d (i, k)back>vother+dsafe d (i, k) other>vmax ；⑤rand () (P1 ；P1为正常路段上的换道概率，Vother旁车道上的后车速度；(2)当主线车辆刚驶入交织区，在左右转车道行驶的需要直行的车辆，开始向左侧的直行车道变道；在直行车道行驶的需要左右转的车辆，开始向右侧的左右转车到变道，此时，换道机制如下所示:①d(i, k)〈min(v(i, k)+l, Vmax); ② d (i, k) other>d (i, k);③d (i, k)back>vother+dsafe d (i, k) other>vmax ；(3)当车辆与旁道前后车辆距离满足最小安全距离时，便进行换道，此时，换道机制如下所示:①d (i, k)back>dsafe !② d (i, k) other>dsafe ；(4)强制换道机制·，如下所示:①d(i，k)back>l ；(g)d(i,k)other>l°出入口条件采取开口边界条件，入口处，采取概率与安全条件控制入口车辆。即:①rand O <pentrance;② xlast>l+dsafe.
Pentrance为入口进车概率；1为车长；xlast为道路上最后一辆车的车头位置所在；当入口条件满足上述两条件时，入口处进入一辆车；出口处，车辆正常的驶出；1.5实验仿真设计速度为60km/h,对应设计通行能力为1400pcu/(h.In),最大通行能力为1800pcu/(h.In)。在交通的实际运行中，选取道路交通量为道路最大通行能力，即交通量为 1800pcu/ (h.In)；实验中，主线总长度为L取400m，由400个元胞构成；交织区I长度Lel取值范围为80 180m之间；左右转车道分离后主线直行道长度为L1取值为100，由100个元胞构成，匝道中，交织区2长度Le2取值范围为60 140m之间。Vmax取值为17，对应着实际速度为60km/h ;匝道最高限速Vmaxl取值为11，对应为40km/h，主线车辆初始速度v的大小控制在12到Vmax间；运用元胞自动机模型进行仿真；根据仿真结果选取交织区I最佳长度值、交织区2最佳长度值。本发明的技术特点及效果:(I)以往针对交织区的研究大多数是基于城市快速路和高速公路交织区的研究。而机场等大型枢纽立交的交织区具有城市快速路与高速公路所不具备的特点，现有研究还未对此进行研究。本发明对机场枢纽立交交织区的交织复杂性，交织区段长度有限行，以及连续交织性等特点进行了仿真研究，技术创新强。(2)现有关于立交的研究是基于VISSM等中观或者宏观软件对立交进行研究，不能对立交的交织区进行独立的研究。本发明建立立交交织区元胞自动机模型，对交织区内车辆的行为进行仿真，确定了最佳交织区长度。通过改变相应的车道数、设计速度等参数，该模型可计算其他形式最佳交织区长度，技术扩展能力较强。
(3)根据本发明确定的最佳交织长度加以实施运用，不但能保持较好的交织区运行状况，而且能节约建造成本与管理费用，经济实用性较强。


图1仿真实验流程2研究对象不意图。图3车辆加速流程图。图4车辆减速流程图。图5车辆慢化流程图。图6实验车辆换道机制。图7不同Lcl下未能变道车辆数。图8不同Lcl下交织区车辆平均速度。图9不同Lcl下交织区密度。图10Lcl=80m时直行车道交织区时空斑点图。图1lLcl=IlOm时直行车道交织区时空斑点图。图12Lcl=150m时直行车道交织区时空斑点图。图13Lcl=180m 时直行车道交织区时空斑点图。图14Lcl=80m时左右转行车道交织区时空斑点图。图15Lcl=110m时左右转行车道交织区时空斑点图。图16Lcl=150m时左右转行车道交织区时空斑点图。图17Lcl=180m时左右转行车道交织区时空斑点图。图18不同Lc2下未能变道车辆数。图19不同Lc2下交织区车辆平均速度。图20不同Lc2下交织区密度。图21Lc2=60m时交织区时空斑点图。图22Lcl=90m时交织区时空斑点图。图23Lcl=120m时交织区时空斑点图。图24Lcl=140m时交织区时空斑点图。
具体实施例方式本发明具体采用微观元胞自动机模型对立交进行仿真，能够克服其它仿真软件中无法对每个决策主体的微观行为进行具体描述与仿真的弊端，能够仿真出交织区内复杂交通环境下驾驶行为(车道变换、车辆跟驰、加减速、行驶轨迹等)和交通冲突行为特征。并且加入机场等大型枢纽交织区的特点作为控制条件进行仿真。通过对某机场大型枢纽立交交织区的分析研究，使得大型枢纽立交交织区内部各个环节交通流的非线性动力学行为如无序现象得到了深入分析，为寻求最佳大型枢纽立交交织区长度提供基础研究支撑。1.1道路模型的建立本研究选取某机场大型枢纽立交为研究对象，如图1所示。该立交主线设置五个平行车道。行驶在左侧直行车道上的左右转车辆需要通过交织区I换道至道路右侧的左右转车道行驶；行驶在道路右侧左右转车道上的直行车辆同样需要通过交织区I换道至道路左侧的直行车道行驶。进入匝道的左右转车辆需要根据自身左右转需要，通过交织区2换道左转匝道或右转匝道完成左右转功能。1.2道路模型的仿真及实验条件如图1所示，建立元胞自动机模型，主线总长度为L，交织区I长度为Lca，左右转车道分离后主直线行道长度为U。匝道中，交织区2长度为1^2。实验仿真中，每个元胞长度为lm，每标准车占据5个元胞，仿真步长为Is。设元胞i或为空或被速度为V的车辆占据(V只能取0，1,2,…，Vfflax等整数值，，其中Vmax是车辆所允许的最大速度；在匝道取限速值为Vmaxl)。用x(i，k)与v(i，k)分别表示第i辆车在k时刻的位置和速度，d(i，k)为第i辆车在k时刻与第i+Ι量车之间空的元胞数，I为每辆车占据的元胞数，则有:d(i, k) =x(i+1, k)-x(i, k)_l。d(i, k)other是第i辆车在第k时与旁车道上的前车间的空元胞数；d(i，k)back是第i辆车在第k时与旁车道上的后车之间的空元胞数；dsafe是确保车辆不会发生撞车的安全距离；随机慢化概率P的取值范围为O到I。1.3实验演化规则I)仿真车辆加速:v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, Vfflax);表明驾驶员期望以最大速度在道路上行驶。在限速时间段内，v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, Vmaxl), Vmajd为限速区段被限制最高车速。如图2所示:2)仿真车辆减 速:
「 ^i V(L- k)(v(^ k) ^ + 丄,k) + 叫’ k) - Cisafe).n ^ , α ^ _ν(1, 〕= (ν( I, k)(v(i, k) > v(i + I, k) + d(i, k) -.....dsafe);即马驶贝为避
免和前车发生碰撞并保持安全车距而采取减速措施。如图3所示。3)仿真车辆以概率P随机慢化:V (i, k+1) =max (v (i, k) -1, O);反映现实中由各种不确定因素造成的车辆减速。如图4所示4)仿真车辆运动:x(i,k+l)=x(i,k)+v(i,k+l);即车辆按照调整后的速度向前行驶，进入下一仿真
止/J/ O1.4实验换道规则在实验中，在正常的路段，当司机发现旁边车道行驶状况优于自己所行驶的车道时，会产生变道旁侧车道行驶的意愿。行驶在左侧直行车道上的左右转车辆需要通过交织区I换道至道路右侧的左右转车道行驶；行驶在道路右侧左右转车道上的直行车辆同样需要通过交织区I换道至道路左侧的直行车道行驶。进入匝道的左右转车辆需要根据自身左右转需要，通过交织区2换道左转匝道或右转匝道完成左右转功能。在道路的不同路段，由于司机的换道意愿不同，因此其换道规则也不同。如图5所示，实验中涉及到4套换道机制，如下所示:(I)在正常行驶的主线路段上，采取正常的换道机制。即:
①d(i, k)〈min(v(i, k)+l, vmax); ② d (i, k) other>d (i, k);③d (i, k)back>vother+dsafe d (i, k) other>vmax ；⑤；TancKKp1。P1为正常路段上的换道概率。V()thOT旁车道上的后车速度。(2)当主线车辆刚驶入交织区，在左右转车道行驶的需要直行的车辆，开始向左侧的直行车道变道；在直行车道行驶的需要左右转的车辆，开始向右侧的左右转车到变道。此时，换道机制如下所示:①d(i, k)〈min(v(i, k)+l, Vmax);② d (i, k) other>d (i, k);③d(i, k)back>vother+dsafe ；@ d(i, k)other>vmax ；(3)随着车辆在交织区行驶的距离的增加，没有在自己所希望的车道上行驶的车辆的司机的变道欲望变得强烈，此时，当车辆与旁道前后车辆距离满足最小安全距离时，便进行换道。此时，换道机制如下所示:①d(i, k)back>dsafe ；(2) d(i, k)other>dsafe ；(4)当车辆快要驶出交织段时，还未能在自己所希望的车道上行驶的车辆的司机的变道欲望变得非常强烈。这时候，司机只要看到有空隙，便强行换道。该情况下的换道规则称为强制换道机制，如下所示:①d(i，k)back>l ;d)d(i，k)other>l。

出入口条件本实验采取开口边界条件。入口处，采取概率与安全条件控制入口车辆。即:②rand O <pentr咖e;② xlast>l+dsafe.
Pentrance为入口进车概率；1为车长；xlast为道路上最后一辆车的车头位置所在。当入口条件满足上述两条件时，入口处进入一辆车；出口处，车辆正常的驶出。1.5实验仿真本发明意在确定如图1所示的机场大型枢纽立交的最佳交织区长度。该仿真实验中，设计速度为60km/h,对应设计通行能力为1400pcu/(h.In),最大通行能力为1800pcu/(h.1η)。在交通的实际运行中，道路交通量越大，道路的交通运行状况越复杂，交织区段运行状况越紊乱，车辆的交织运行就越困难。因此，本实验选取道路交通量为道路最大通行能力(即交通量为1800pcu/(h.In))来研究该立交的交织区段长度，以满足其他任何情况下交织区段长度的需要。实验中，主线总长度为L取400m，由400个元胞构成；交织区I长度Lel取值范围为80 180m之间；交织区I后主直行道长度为L1取值为100，由100个元胞构成。匝道中，交织区2长度Le2取值范围为60 140m之间。Vmax取值为17，对应着实际速度为60km/h ；匝道最高限速Vmaxl取值为11，对应为40km/h。考虑到道路上车辆行驶的连续性，主线车辆初始速度V的大小控制在12到Vniax间。运用元胞自动机模型进行仿真，仿真实验流程图如图1所示。I)交织区I (Lel)最佳长度的确定在道路交通量为1800pcu/(h.1η)下，直行:左转:右转=4:3:3的情况下，选取不同的Lca进行实验。如图6所示，在交织区处，取不同的交织区段长度，车辆的道路运行状况各不相同。通过未能变道的车辆数可以看出，当交织区段长度小于150m时，随着交织区段的增长，未能变道的车辆数急剧减少。这说明随着交织区段长度的增加，车辆能更好的完成交织。当交织区段长度大于150m时，未能变道的车辆数基本保持不变。这说明当交织区长度大于150m时，增加交织区长度已经不能更好改变道路的交织状况。因此，由上图可以看出，适当的增大交织区长度，能够更好的使车辆完成交织。该图说明本实验的该交织区段长度的最佳值为150m。当交织区段大于该值时，并不能通过增加交织区段长度提高道路的交织状况。由图7可以看出，随着交织区段长度的增加，交织区车辆的平均速度有着明显的增加。当交织区段长度小于150m时，增加趋势明显。当交织区长度大于150m时，基本维持不变。这也说明，适当的增大交织区长度，能够更好的使车辆完成交织。该图说明本实验的该交织区段长度的最佳值宜150m。当交织区段大于该值时，并不能通过增加交织区段长度提闻道路的交织状况。由图8可以看出，随着交织区段长度的增加，交织区车辆的密度有着明显的降低，说明交织区的运行状况有着明显的改善。当交织区段长度小于150m时，改善趋势明显。当交织区长度大于150m时，道路状况维持不变。该图同样说明，适当的增大交织区长度，能够更好的使车辆完成交织。即交织区段长度的最佳值宜150m。当交织区段大于该值时，并不能通过增加交织区段长度提高道路的交织状况。由图9-图12的时空斑点图可以看出，当交织区段长度取不同时，道路的拥挤状况不同，当交织区长度小于150m时，随着交织区长度的增加，道路的拥挤状况得到了很好的缓解。当交织区长度继续增大时，道路拥挤状况的改善不是很明显。这说明了，随着交织区长度的增加，能够很好的改善交通运行状况，但是有个限度，即150m，当超过该值时，再增加交织区长度效果不明显。同理，图13-图16亦说明了当交织区最佳长度为150m。当交织区长度小于150m是，随着交织区长度的增加，道路拥堵状况得到了明显的改善。当交织区长度大于150m时，增大交织区长度对改善道路通行状况不明显。

综上所述，为了使交织区I保持一个较好的运行环境，该类型立交交织区段I长度取值应不小于150m ;当交织区距离大于150m时，效果不是那么显著，没必要继续增加。因此，结合交织区运行状况，交通管理的便捷性，建造成本等因素综合考虑，交织区I最佳值应取150m。2)交织区2 (Lc2)最佳长度的确定当左右转车辆通过交织区I换道至主线右侧左右转车到后，进入匝道行驶。在匝道中，通过交织区2，进行左右分离，最终左转车辆进入左转匝道，右转车辆进入右转匝道。随着Le2的变化，道路状况的变化如下所示:如图17所示，在交织区处，取不同的交织区段长度，车辆的道路运行状况各不相同。通过未能变道的车辆数可以看出，随着交织区长度的增大，未能变道的车辆数逐渐减小。因此，由上图可以看出，增大交织区长度，能够更好的使车辆完成交织。当交织区长度达到120m时，未能变道车辆数为5，已接近最小值。由图18可以看出，随着交织区段长度的增加，交织区车辆的平均速度有着明显的增加。当交织区段长度小于150m时，增加趋势明显。当交织区长度大于120m时，基本维持不变。这也说明，适当的增大交织区长度，能够更好的使车辆完成交织。该图说明本实验的该交织区段长度的最佳值宜120m。当交织区段大于该值时，并不能通过增加交织区段长度提闻道路的交织状况。由图19可以看出，随着交织区段长度的增加，交织区车辆的密度有着明显的降低，说明交织区的运行状况有着明显的改善。当交织区段长度小于120m时，随着交织区段的增长，交织区密度急剧减少。这说明随着交织区段长度的增加，车辆能更加的进行交织行驶。当交织区段长度大于120m时，交织区密度基本保持不变。这说明当交织区长度大于120m时，增加交织区长度已经不能更好改变道路的交织状况。因此，从交织区密度考虑，最佳交织区长度应取120m。由述图20-图23的时空斑点图可以看出，当交织区段长度取不同时，道路的拥挤状况不同，当交织区长度小于120m时，随着交织区长度的增加，道路的拥挤状况得到了一定程度的缓解。当交织区长度继续增大时，道路拥挤状况的改善不是很明显。这说明了，随着交织区长度的增加，能够很好的改善交通运行状况，但是有个限度，即120m，当超过该值时，再增加交织区长度效果不明显。综上所述，为了使交织区2保持一个较好的运行环境，该类型立交交织区段2长度取值应不小于120m ;当交织区距离大于120m时，虽然依旧有效果，但不再那么显著，没必要继续增加。因此，结合交织区运行状况，交通管理的便捷性，建造成本等因素综合考虑，交织区2最佳值应取12 0m。
权利要求
1.一种大型枢纽立交交织区最佳距离确定方法，其特征是，包括如下步骤: 1.1道路模型的建立: 立交主线设置五个平行车道，行驶在左侧直行车道上的左右转车辆需要通过交织区I换道至道路右侧的左右转车道行驶；行驶在道路右侧左右转车道上的直行车辆同样需要通过交织区I换道至道路左侧的直行车道行驶；进入匝道的左右转车辆需要根据自身左右转需要，通过交织区2换道左转匝道或右转匝道完成左右转功能； 1.2道路模型的仿真条件: 建立元胞自动机模型，主线总长度为L，交织区I长度为Lca，左右转车道分离后主线直行道长度为L1,匝道中，交织区2长度为Le2 ;每个元胞长度为Im,每标准车占据5个元胞,仿真步长为Is。设元胞i或为空或被速度为V的车辆占据，V只能取O，1，2，…，Vmax整数值，其中是车辆所允许的最大速度；在匝道取限速值为vmaxl;fflx(i，k)与v(i，k)分别表示第i辆车在k时刻的位置和速度，d(i，k)为第i辆车在k时刻与第i+Ι量车之间空的元胞数，I为每辆车占据的元胞数，则有:d (i，k) =x (i+1, k) -x (i, k) -1，d (i, k) other是第i辆车在第k时与旁车道上的前车间的空元胞数；d(i，k)back是第i辆车在第k时与旁车道上的后车之间的空元胞数；dsaft是确保车辆不会发生撞车的安全距离；随机慢化概率P的取值范围为O到I ; 1.3演化规则: 1)仿真车辆加速: v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, vmax);表明驾驶员期望以最大速度在道路上行驶， 在限速时间段内，v(i, k+l)=min(v(i, k)+l, vmaxl), Vmaxl为限速区段被限制最高车速； 2)仿真车辆减速:
全文摘要
本发明属于道路设计技术领域，为实现对每个决策主体的微观行为进行具体描述与仿真，能够仿真出交织区内复杂交通环境下驾驶行为和交通冲突行为特征，使得大型枢纽立交交织区内部各个环节交通流的非线性动力学行为如无序现象得到了深入分析，为寻求最佳大型枢纽立交交织区长度提供基础研究支撑。为此，本发明采取的技术方案是，大型枢纽立交交织区最佳距离确定方法，包括下列步骤1.1道路模型的建立1.2道路模型的仿真条件1.3演化规则1.4实验换道规则出入口条件1.5实验仿真运用元胞自动机模型进行仿真；根据仿真结果选取交织区1最佳长度值、交织区2最佳长度值。本发明主要应用于道路设计。
文档编号E01C1/04GK103225246SQ201310172529
公开日2013年7月31日 申请日期2013年5月10日 优先权日2013年5月10日
发明者王海燕, 白子建, 刘治国, 王晓华, 柯水平, 赵巍, 郑利, 马红伟 申请人:天津市市政工程设计研究院