城市高架路-匝道-地面交通的交互作用及交通流特性研究

摘要

汽车工业的迅速发展与道路建设的相对落后，已经成为非常突出的世界性矛盾。为了解决“交通难”问题，国内外许多大中城市兴建了快速通行的高架道路。但高架道路往往在建成之后不久便出现频繁的交通阻塞，究其原因，除了交通需求猛增因素之外，规划设计的缺陷以及建成后的交通管理与控制不当这两个因素也不可忽视。高架路、匝道与地面道路组成了城市的立体交通网络，三者之间息息相关、密不可分。基于实际的交通观测，本文利用交通流理论中的宏观和微观方法(即流体力学模型和元胞自动机模型)对高架路、匝道和地面道路之间的交互作用开展研究，对匝道附近的高架路段和地面交叉口进行了数学建模以及数值模拟，分析了交通流的复杂动力学行为，并且定性地为交通规划设计及交通管理控制提出了一些建议。本文的主要工作如下： (1)选取上海市高架道路系统的局部路段，采用人工测量和摄像技术相结合的手段进行了大量的交通观测，掌握了高架道路交通流的主要特征。对实测获取的大量数据进行处理和分析，得出了分别适用于稀疏交通流和拥挤交通流的两种速度－密度关系式，并据此给出了畅行速度与阻塞密度这两个重要参量的数值。由实测数据得到的基本图揭示了高架路上实际存在的几种不同的交通相。 (2)以上海市内环线高架的武宁路匝道作为典型案例，实际观测并细致分析了下匝道附近交叉口的交通流，直观地确认了地面相交主干道的右转车辆对下匝道直行交通的“挤压”效应。基于一维管道流模型，在连续性方程中引入源项，运动方程中引入弛豫项，对右转车辆干扰效应进行了数值模拟，结果与实测数据基本吻合。从模拟结果来看，“挤压”效应随着右转车辆的数目增多而加剧，是导致某些交叉口出流不畅的重要原因，而设置在繁华路口的高架路下匝道加剧了这种拥塞状况。因此建议：在高架路的设计阶段应正确地选择匝道位置，而在制定此类交叉口的交通管理措施时，设置右转方向的专用交通灯是一种较好的解决方案。 (3)针对上海市高架道路系统存在的交通拥堵问题，论证了在上匝道处采用信号定时调节措施的可行性，并确定了合理的信号配时方案。从本课题组发展的各向异性的流体动力学模型出发，在运动方程中计及匝道交通影响项，对上匝道附近的高架路段进行了数值模拟。模拟结果表明，与无任何控制措施时相比，对上匝道实行定时调节，可以优化高架道路上的交通流参数，改善高架道路的交通状况。对设计的六种信号配时方案进行对比分析，找出了最合理的优选方案。 (4)论证了上海市交通管理部门在高架路上匝道的合流处所实施的交替通行规则的合理性和可行性。以FI元胞自动机交通流模型为基础，对实施交替通行规则前后的上匝道合流处分别建立合理的交通流模型，并对其交通流状况进行了数值模拟和分析，结果表明：当高架路主线和上匝道的来流车辆较多时，实施交替通行规则可以大大改善高架道路交通；当交通流比较稀疏时，实施该规则前后交通流状况基本不发生变化。当车流较为畅通或比较拥堵的状态下，主干线和上匝道两股车流容易实现1：1的交替通行；而当车辆中速行驶时，更容易实现两股车流2：1交替行驶的局面。 (5)高架道路上的交织区经常成为交通瓶颈。本文以NS元胞自动机交通流模型为基础，考虑到换道因素，对高架路主线为单车道时的交织区路段进行了数值模拟和分析。结果表明：当交通流稀疏时，车流的交织行为对系统影响不大，即使加大交织区长度，整个系统的交通流参数也变化不大；当交通流拥挤时，交织行为会对系统产生不良影响，此时加大交织区长度，可以改善整个系统的交通流状况。模拟结果显示，交织区长度并非越大越好，工程设计中应该选取一个适宜的中间值，整个系统就可以获得很好的运行效果。 最后，对我国未来的交通流研究进行了展望，并提出了一些建议。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1上海市高架道路系统的基本情况及运行现状

§1.1.1上海市高架道路系统的基本情况

§1.1.2上海市高架道路系统的运行现状

§1.2交通流理论的研究进展

§1.2.1交通流的宏观模型

§1.2.2交通流的微观模型

§1.2.3不同模型间的比较

§1.3本文的主要工作

第二章高架道路的交通实测和速度-密度关系分析

§2.1交通实测的方法

§2.2高架道路交通行为的实测和分析

§2.2.1交通实测的主要内容

§2.2.2交通相描述及高架道路的运行特征

§2.3高架道路交通流的速度-密度关系分析

§2.3.1速度-密度关系式概览

§2.3.2高架道路交通流的速度-密度关系式

§2.4小结

第三章高架路匝道附近的地面交叉口交通流分析

§3.1修正的一维管流交通流模型

§3.2参数辨识与具体算例

§3.3数值模拟结果分析

§3.4小结

第四章高架路上匝道控制的信号配时方案及分析

§4.1上匝道控制的研究概况与基本方法

§4.2交通流的各向异性流体力学模型

§4.3算例和信号配时方案

§4.4数值模拟结果与分析

§4.5小结

第五章高架路上匝道与主干线合流处交替通行方式的研究

§5.1交替通行法则的制订和实施

§5.2交替通行规则的数值模拟及结果分析

§5.2.1FI元胞自动机模型

§5.2.2实施交替通行规则前的交通流状况模拟

§5.2.3实施交替通行规则后的交通流状况模拟

§5.2.4两种情况下的比较

§5.3小结

第六章高架道路交织区的交通流分析

§6.1高架道路交织区问题的提出和研究现状

§6.2交织区问题的数学建模

§6.2.1NS元胞自动机模型

§6.2.2交织区问题的数学模型和具体规则

§6.3数值模拟结果与讨论

§6.4小结

第七章结论和展望

§7.1本文的工作总结

§7.2交通流研究展望

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢