多车道高速公路运行方式对分流区交通安全影响研究

摘要

我国通道型高速公路多为双向六车道及以上的多车道高速公路，其运行方式较为灵活，可在左侧车道限制货车通行。这种运行方式在降低客货车混合程度的同时，导致货车集中在右侧车道，对换道车辆形成屏障，易产生冲突。在分流区，存在大量强制性换道，货车屏障效应较为明显，研究多车道高速公路运行方式对分流区交通安全的影响，具有重要意义。
　　论文界定了运行方式的基本概念，统计车道限制策略下某高速公路的交通量、车头时距和速度，分析交通流特征。基于数据流分析技术，采用在线聚类和离线聚类双层框架，对货车屏障进行识别。
　　研究了分流区的几何特征、运行特征和性能指标。明确了分流区和分流影响区的范围，将分流区在长度上划分为预告、准备、实施、恢复四个阶段，分析了分流区宽度对交通运行的影响。根据强制性换道的最低次数及换道性质，划分了分流区的四种基本构型，并由此组合形成3种常见的多重分流区。提出以一定分流数量下，直行最大交通量作为分流区通行能力，并基于间隙-接受理论进行计算。同时以密度作为分流区服务水平判别标准，划分了顺畅、抢道、延误、中断四种分流形态。观测了某高速公路上的分流行为，建立并统计了分流强度、分流长度、分流速度等描述分流难易程度的性能指标。
　　从宏观和微观两个层次建立分流区交通流模型。归纳了交通流相变特征，以及交通流的流体力学模型和动力学模型，研究了分流区交通流的动力机制、混沌现象和稳定性。分析了不同运行方式下交通流建模特征。阐述了驾驶行为的动力机制、影响因素和层次结构，把驾驶行为模型分为行为主义、符号主义和联结主式三类模式。以强制性换道作为分流区的主要行为特征，基于有限理性准则和前景理论建立模型，利用元胞自动机对模型进行仿真验证。分析了车道限制策略对小车换道行为的影响。
　　采用交通冲突技术对分流区的交通安全进行评价。分析了分流区交通冲突形成机理及特征。综合交通冲突的潜在性、严重性、持续性、动态性和有限性，提出指标需求，建立基于动量的瞬时冲突、累积冲突、平均冲突和统计冲突等四项指标。为校验模型的准确性，制定交通冲突的观测、统计和修正方法。引入换道阶段模型和Newell跟驰模型，计算换道过程中的交通冲突，标定了模型参数。分别基于回归分析、神经网络和分形理论，集成交通冲突和交通稳定性等其他交通安全评价指标。提出不同运行方式下分流区交通冲突仿真方案。
　　从运行方式选择、上游限速和长度设置等三方面建立分流区交通安全对策体系。构造了运行方式选择流程，参照Wardorp平衡原理，预测交通流在车道上的分布，标定交通流参数。分别基于效用函数和区间概率，建立运行方式选择的决策模型。考虑到交通运行的不确定性，运用模糊推理，制定分流区上游限速策略。运用回旋曲线拟合车辆换道轨迹，进而采用重复博弈理论建立连续多次换道的轨迹模型，计算分流区合理长度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目标和内容

1．4 技术路线

1．5 本章小结

第二章 多车道高速公路运行方式的构建与实施

2．1 高速公路常见的运行方式

2．2 基于车道限制的多车道高速公路运行方式

2．2．1 车道限制策略的意义

2．2．2 车道限制策略在我国的应用

2．3 车道限制策略的构建方法

2．3．1 车道限制策略的基础条件

2．3．2 车道限制策略的实施依据和原则

2．3．3 车道限制策略的推荐方案

2．4 宁沪高速公路的实施效果

2．5 车道限制策略存在的问题

2．6 本章小结

第三章 分流区基本特征与性能指标

3．1 分流区几何特征

3．1．1 分流影响区范围

3．1．2 分流区范围

3．1．3 分流区构型

3．2 分流区通行能力与服务水平

3．2．1 分流区通行能力

3．2．2 分流区服务水平

3．3 分流区交通性能指标

3．3．1 分流强度

3．3．2 分流长度

3．3．3 分流速度

3．4 本章小结

第四章 不同运行方式下分流区交通流特征

4．1 数据采集

4．1．1 采集方法

4．1．2 系统误差的修正

4．2 交通量特征

4．2．1 混合行驶时交通量特征

4．2．2 车道限制时交通量特征

4．3 速度特征

4．3．1 混合行驶时速度特征

4．3．2 车道限制时速度特征

4．3．3 不同运行方式下速度对比

4．4 车头时距特征

4．4．1 混合行驶时车头时距特征

4．4．2 车道限制时车头时距特征

4．4．3 不同运行方式下车头时距对比

4．5 货车屏障效应

4．5．1 货车屏障问题

4．5．2 在线聚类

4．5．3 在线优化

4．5．4 离线聚类

4．6 本章小结

第五章 多车道高速公路分流区交通流模型

5．1 分流区交通流的相变

5．1．1 相变的内涵

5．1．2 交通流的相变

5．2 分流区交通流模型

5．2．1 流体力学模型和动力学模型

5．2．2 交通流元胞自动机模型

5．3 分流区交通流系统稳定性

5．3．1 分流区交通流系统动力机制

5．3．2 分流区交通流的混沌现象

5．3．3 分流区交通流稳定性的判据

5．4 运行方式对交通流建模的影响

5．5 本章小结

第六章 多车道高速公路分流区驾驶行为模型

6．1 驾驶行为形成机制

6．1．1 驾驶行为动力系统

6．1．2 驾驶行为影响因素

6．1．3 驾驶行为层次结构

6．1．4 驾驶行为模式

6．2 分流区驾驶行为特征

6．2．1 路径选择

6．2．2 强制性换道

6．3 有限理性决策模型

6．3．1 有限理性准则

6．3．2 前景理论

6．3．3 驾驶行为的有限理性

6．4 基于前景理论的强制性换道模型

6．4．1 强制性换道的决策过程

6．4．2 参照点

6．4．3 价值函数

6．5 模型验证

6．5．1 换道规则

6．5．2 仿真结果与分析

6．6 货车屏障对换道行为的影响

6．7 本章小结

第七章 多车道高速公路分流区交通冲突评价

7．1 交通冲突技术的适用性

7．2 分流区交通冲突形成机理

7．2．1 道路条件与冲突

7．2．2 交通流与冲突

7．2．3 驾驶行为与冲突

7．2．4 车型与冲突

7．2．5 环境与冲突

7．3 分流区交通冲突特征

7．3．1 分流区交通冲突类型

7．3．2 运行方式对交通冲突的影响

7．4 交通冲突指标需求分析

7．4．1 交通冲突的基本要素

7．4．2 交通冲突的常见指标

7．5 基于动量的交通冲突指标

7．5．1 交通冲突属性

7．5．2 基于动量的四项指标

7．6 交通冲突观测方法

7．6．1 观测要求

7．6．2 观测方法

7．6．3 对观测结果的修正

7．7 换道冲突评价模型

7．7．1 换道行为影响分析

7．7．2 换道影响下的跟驰行为

7．7．3 模型标定

7．8 交通安全评价指标的集成

7．8．1 基于回归的集成分析

7．8．2 基于神经网络的集成分析

7．8．3 基于分形的集成分析

7．9 不同运行方式下交通冲突仿真计算

7．9．1 交通冲突仿真结构

7．9．2 发车模型

7．9．3 仿真方案

7．10 本章小结

第八章 多车道高速公路分流区交通安全对策

8．1 运行方式的选择

8．1．1 交通流分布预测

8．1．2 基于效用函数的运行方式选择

8．1．3 基于区间概率的运行方式选择

8．2 分流区可变限速

8．2．1 分流区可变限速控制参数

8．2．2 基于模糊推理的可变限速决策

8．3 分流区长度设置

8．3．1 车辆换车道轨迹模型

8．3．2 基于重复博弈的连续换车道轨迹模型

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 主要结论

9．2 创新点

9．3 研究展望

致谢

参考文献

作者简介