互通立交出入口匝道混合车流交通特征与通行能力研究

摘要

随着人类社会的不断进步，现代社会的发展对交通运输提出了更高的要求。高速公路运转可靠、效率高、辐射能力强，成为当今社会汽车化、城镇化及现代物流业快速发展的必要条件。设施完善、运转高效的高速公路有利于改变我国交通发展的落后面貌，提高我国经济发展的国际竞争力。大规模建设高速公路等交通基础设施对于促进社会经济发展具有重要作用，也是解决交通拥堵的必要手段。但日趋严重的道路交通拥挤问题仅仅依靠修建道路并不能完全解决，必须在加强基础设施建设的同时，大力提高交通管理水平，加强交通信息化和智能化研究，充分优化、利用有限的道路时空资源，提高道路通行能力。互通立体交叉是高速公路的重要组成部分，是车辆进出高速公路的门户，对进出高速公路的车辆起着梳理及控制作用。出口匝道和入口匝道是高速公路互通立交的重要组成部分，是车辆进出主线的必需通道，其作用是给进出高速公路的车辆提供一个安全而舒适的出入机会，实现主线车速与匝道车速之间的平稳过渡，维持立交的服务水平与主线一致。
　　 在高速公路基本路段上，交通流比较稳定，通行能力与服务水平一般能达到设计水平，而在互通立交分流区、合流区的出口匝道和入口匝道附近，由于车辆间的分流、合流行为，往往会引起主线交通流紊乱，行车速度降低，延误增大，匝道车辆的强行汇入和主线车辆的强行驶出也往往容易引发交通事故，形成高速公路的“瓶颈”路段。因此，对互通立交分流、合流区的交通特征及通行能力进行研究，对消除立交区的瓶颈路段、保证高速公路的通行能力和服务水平具有深远的理论意义和广泛的应用价值。
　　 论文分析探讨了国内外高速公路互通立交的交通特征和通行能力研究的发展现状以及发展趋势，以高速公路互通立交的出口匝道和入口匝道为研究对象，研究了车辆在出入口匝道附近的交通量特征、变换车道特征、跟驰特征、加速减速特征等，研究了不同条件下出口匝道和入口匝道的通行能力。
　　 论文首先针对高速公路立交分、合流区的车辆行车特点，制订了较为完善和行之有效的数据采集方案，确定了调查地点和调查参数。通过大规模实地调查，得到了论文需要的基础数据，并将先进的图象识别技术应用于野外调查与室内数据处理，对调查数据进行了处理分析。
　　 其次，在对大量调查数据进行处理分析的基础上，研究了出口匝道分流区内的交通流特性和行为特性；分析了互通立交分流区内交通量、车辆行驶速度、车流密度、车头时距等交通特性的分布规律；详细分析了前车间隙和后车间隙的影响因素，建立了分流部分上游车辆强制性车道变换的间隙接受模型和类正态分布的距离模型，同时对分流部分及分流部分下游的车辆运行状态进行了理论分析。
　　 接着，对入口匝道合流区内的交通运行特征进行了研究。研究了合流区内主线和加速车道上的流量、车头时距随离合流始端距离的变化情况、合流点的分布特性、汇入间隙分布特性等。提出主路在低流量、中等流量和高流量时下车头时距分别服从移位负指数分布、2阶Erlang分布和3阶Erlang分布。建立了合流区加速车道上匝道车辆的最大汇入交通量模型，模型是主路交通量、匝道交通量、匝道车辆临界间隙、随车时距及加速车道长度的函数。
　　 再次，分析了互通立交分流区的驾驶特性，研究了分流区减速车道上的车辆第一次减速过程和第二次减速过程，根据各个减速过程中的行驶行为特性，研究了分流区减速车道合理长度的设置方法。通过对减速车道长度的分析研究，并结合汽车长度、制动距离、车速与驾驶员反应时间及车头间距等综合因素，推导出互通立交分流区的通行能力模型。
　　 最后，建立了合流区通行能力模型。以单位时间内匝道车辆汇入并通过合流区主路的交通量与主路通过合流区交通量之和达到最大为目标函数，以高速公路基本路段通行能力、匝道车辆汇入合流区主路可能通行能力、合流区主路1车道可能通行能力为约束条件，考虑不同类型车辆汇入的临界间隙和跟车时距，建立了主路不同流量条件下的入口匝道通行能力模型。