大型车辆对多车道高速公路交通运行影响研究

摘要

我国高速公路交通中大型车辆的比例平均可达到25％。随着大型车辆大型化、重载化的发展及混入率的不断提高，大型车辆对高速公路交通运行的影响逐渐加剧。多车道高速公路作为区域公路交通的主动脉，规模逐年增长，在高速公路网中的比例已达到18％以上。多车道高速公路由于基础设施的改变及车道管理的加入，大型车辆在运行中产生的影响较双向四车道高速公路发生了一定的变化。研究大型车辆对多车道高速公路交通运行的影响，可以发现大型车辆对其他车辆驾驶行为的干扰作用、大型车辆对多车道高速公路交通运行状态参数的影响规律，为交通管理者制定交通管理策略提供理论依据与技术支撑，对提高多车道高速公路交通安全与运行效率，降低大型车辆的不利影响具有重要的现实意义。
　　论文首先分析了多车道高速公路的交通特性。阐述了多车道高速公路相对双向四车道高速公路的运行特性变化，包括道路设施特性、交通管理特性、交通环境特性以及车辆行为特性等方面。对多车道高速公路交通流特征进行了研究，分析多车道高速公路在有无车道管理下交通量、速度、车头时距的变化特征，发现了大型车辆在多车道高速公路中的运行特征及受车道管理策略影响的变化。这些分析为后续的大型车辆对交通流影响的研究提供了基础。
　　分析了大型车辆对驾驶员影响的基本特征并构建了大型车辆对驾驶员影响的量化分析方法。对SP调查获得的数据进行统计分析，发现了大型车辆对驾驶员影响的基本特征，包括影响的普遍性、影响的范围、产生的原因、影响的效果及程度。建立了大型车辆对驾驶员影响的量化分析方法，包括构建了大型车辆影响与个人属性因素及驾驶环境因素的二项Logistic模型以及基于模糊逻辑的大型车辆对驾驶员影响的量化计算模型。前者可以筛选出对大型车辆影响有显著作用的因素并用于分析大型车辆对驾驶员影响的作用机理，后者可以根据不同的个人属性及驾驶环境定量计算出驾驶员在行驶中感受到的大型车辆影响值。这些分析为后续车辆驾驶行为模型的构建提供了思路。
　　提出了基于跟车对组合的元胞自动机跟驰模型的构建方法。运用Kruskal-Wallis检验、Mann-WhitneyU检验及t检验等数理统计方法从车头时距、车头间距、车辆速度、车辆加速度等方面验证了不同跟车对组合跟驰行为的差异性。以四类跟车对组合为建模对象进行跟驰建模，建模中结合方差分析及效应量确定了各跟车对组合的主要影响因素，构建了驾驶行为、防碰撞及随机慢化规则。运用误差检验等方法对构建的模型进行了效果评价，并与已有的元胞自动机跟驰模型进行比较验证模型的有效性。结果表明基于跟车对组合的元胞自动机跟驰模型考虑了小型车辆与大型车辆跟驰行为的差别及大型车辆对其他车辆跟驰行为的影响，具有更好的仿真效果。
　　提出了考虑车型差异性的元胞自动机换道模型的构建方法。基于车辆在换道中的空间位置关系提取出有效的车辆换道数据，通过统计分析发现了小型车辆和大型车辆的换道特征差异并确定了大型车辆对车辆换道选择的影响作用。分别以小型车辆和大型车辆为建模对象进行换道建模，建模中基于不同车型的换道特征差异性，建立了小型车辆和大型车辆的换道决策和换道实施规则，并加入大型车辆对换道选择的影响。对构建的模型进行效果评价，并与已有的元胞自动机换道模型进行比较验证模型的有效性。结果表明考虑车型差异性的元胞自动机换道模型由于包含了小型车辆与大型车辆在换道决策与实施中的差别以及大型车辆对换道概率的影响，改善了对车辆换道的模拟效果。
　　综合所构建的元胞自动机跟驰模型与换道模型，对多车道高速公路进行仿真模拟，分析了大型车辆对多车道高速公路基本路段与入口匝道区段交通流特征的影响规律。基本路段的研究包括大型车辆比例、跟车对组合、大型车辆最大速度、大型车辆长度、大型车辆影响强度、车道管理策略对多车道高速公路流量、速度、拥挤率、换道率及稳定性等交通流状态参数的影响规律。入口匝道区段的研究包括大型车辆比例对多车道高速公路入口匝道系统、主路交通、入口匝道交通的影响规律，着重研究了大型车辆屏障效应，发现不同因素对大型车辆屏障效应的影响效果，给出了大型车辆屏障效应的判别条件。最后根据分析结果提出了一些关于大型车辆影响的改善对策。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状概述

1．2．1 高速公路交通运行

1．2．2 大型车辆特征

1．2．3 车辆跟驰行为建模

1．2．4 车辆换道行为建模

1．2．5 大型车辆影响

1．2．6 既有研究总结

1．3 主要研究内容

1．4 技术路线

1．5 本章小结

第2章 多车道高速公路交通特性分析

2．1 多车道高速公路运行特性分析

2．1．1 道路设施特性

2．1．2 交通管理特性

2．1．3 交通环境特性

2．1．4 车辆行为特性

2．2．1 国内外车型分类

2．2．2 交通流中车辆运行特性的决定因素

2．2．3 大型车辆车型的确定及交通特征

2．3 多车道高速公路交通流特征分析

2．3．1 数据采集

2．3．2 交通量特征分析

2．3．3 速度特征分析

2．3．4 车头时距特征分析

2．4 本章小结

第3章 大型车辆对驾驶员影响作用的研究

3．1 数据获取

3．2 大型车辆对驾驶员影响的基本特征分析

3．2．1 高速公路上大型车辆影响的普遍性

3．2．2 大型车辆影响的范围

3．2．3 大型车辆对驾驶员行为的影响

3．2．4 引起大型车辆影响的原因

3．2．5 大型车辆的影响程度

3．3 大型车辆对驾驶员影响的机理分析

3．3．1 分析目的及方法

3．3．2 大型车辆对驾驶员影响的二项Logistic回归模型的设定

3．3．3 大型车辆对驾驶员影响的二项Logistic模型的估计和分析

3．4 大型车辆对驾驶员影响的量化计算研究

3．4．1 量化计算方法的确定

3．4．2 大型车辆对驾驶员影响的量化计算模型

3．5 本章小结

第4章 基于跟车对组合的车辆跟驰行为建模研究

4．1 考虑大型车辆影响的车辆跟驰行为特征分析

4．1．1 基于沪宁高速公路数据的不同跟车对组合车头时距特征分析

4．1．2 基于NGSIM数据的不同跟车对组合微观车辆跟驰特征分析

4．2 元胞自动机模型对混合交通仿真的不足

4．3 基于跟车对组合的元胞自动机跟驰模型构建方法

4．3．1 数据准备

4．3．2 不同跟车对组合的影响因素选择

4．3．3 模型构建

4．4 基于跟车对组合的元胞自动机跟驰模型的验证

4．4．1 误差检验指标

4．4．2 模型参数标定

4．4．3 微观验证

4．4．4 宏观验证

4．5 本章小结

第5章 考虑车型差异性的车辆换道行为建模研究

5．1 车辆换道行为数据处理

5．1．1 数据平滑处理

5．1．2 数据筛选

5．1．3 换道过程界定

5．1．4 换道数据提取

5．2 小型车辆与大型车辆换道行为特征的比较分析

5．2．1 当前车道车辆的速度特征

5．2．2 当前车道车辆与目标车道车辆的速度特征

5．2．3 可选车道车辆与目标车道车辆的速度特征

5．2．4 当前车道与目标车道的车辆间距特征

5．2．5 车辆换道持续时间

5．2．6 车辆换道时的驾驶行为

5．2．7 大型车辆对车辆换道选择的影响

5．3 元胞自动机模型对换道行为仿真的不足

5．4 考虑车型差异性的元胞自动机换道模型构建方法

5．4．1 小型车辆与大型车辆换道行为主要特征

5．4．2 模型构建

5．5 考虑车型差异性的元胞自动机换道模型的验证

5．6 本章小结

第6章 大型车辆对多车道高速公路基本路段交通流特征的影响分析

6．1 元胞自动机仿真模型有效性

6．2 大型车辆特征对交通流的影响分析

6．2．1 大型车辆比例

6．2．2 跟车对组合

6．2．3 大型车辆最大速度

6．2．4 大型车辆长度

6．2．5 大型车辆影响强度

6．3 多车道高速公路车道管理的影响分析

6．3．1 流量与速度

6．3．2 拥挤率

6．3．3 换道率

6．3．4 稳定性

6．4 大型车辆影响的交通改善对策

6．5 本章小结

第7章 大型车辆对多车道高速公路入口匝道区段交通运行的影响分析

7．1 仿真设置

7．2 大型车辆对交通运行的影响

7．2．1 交通运行状态

7．2．2 交通流量变化特征

7．2．3 时空图

7．3 入口匝道的大型车辆对主路交通运行的影响

7．3．1 流量变化特征

7．3．2 稳定性特征

7．3．3 密度和速度特征

7．4 主路的大型车辆对入口匝道交通运行的影响

7．4．1 主路大型车辆比例对流量的影响

7．4．2 车道管理对流量的影响

7．4．3 大型车辆屏障效应

7．5 大型车辆影响的交通改善对策

7．6 本章小结

8．1 主要研究成果与结论

8．2 主要创新点

8．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文与科研情况