基于物理属性的城市快速路交通流特征参数模型

摘要

随着大城市交通网络建设的发展，快速路已成为城市交通大动脉，在城市交通系统中发挥着不可替代的作用。对快速路构建动态交通模型并进行动态交通态势评估，是对大城市快速路系统乃至全网的交通管理及优化方案实施的重要基础。作为动态交通模型的路网供给能力的标定参数，路网中每条快速路路段的自由流速度、通行能力、临界速度及阻塞密度四个交通流特征参数的合理设定是准确进行动态交通态势评估的关键。利用常规方法估计交通流特征参数，需要获得快速路路段的24小时交通流数据，并选取适用于快速路交通流特性描述的交通流模型进行曲线拟合。然而，由于快速路网中大部分快速路路段未设检测器，且部分已设检测器路段无法获得各交通状态下的交通流数据样本点，使得依赖于交通流数据的传统交通流特征参数估计方法难以应用。此外，由于出入口及公交设施密集等因素，快速路的交通流特性更为复杂，基于高速公路数据建立的交通流模型对快速路的适用性也有待研究。
　　 在此背景下，本文提出了基于物理属性的城市快速路交通流特征参数模型。在对快速路交通流特性定量分析的基础上，提出利用快速路物理特征因素直接推导交通流特征参数的思路，面向应用建立基于物理属性的快速路交通流特征参数模型。主要研究成果包括：
　　 1、对快速路交通流特性进行定量研究，提出快速路时空平均速度转化公式及占有率-密度转化公式；采用适用于快速路的VanAerde四参数单一结构模型，在对快速路断面交通流特征参数综合分析的基础上，对比分析基本路段、出入口附近路段及公交车站附近路段的确定型交通流特征参数特点；提出利用边界线分析通行能力区域筛选算法进行通行能力分布分析，经实测数据分析表明，快速路通行能力分布服从Gamma及Lognormal分布。
　　 2、提出基于物理属性的快速路交通流特征参数模型建模框架，以系统性实现直接建立快速路物理特征因素和各交通流特征参数的函数关系的基本思路，其中快速路断面特征矩阵聚类分析及快速路断面交通流特征参数模型构建为核心模块。
　　 3、建立快速路断面特征矩阵聚类模型，以实现物理.交通流特征强相关快速路断面样本提取。子成果包括：(1)提出出入口及公交设施等快速路基本物理特征；(2)建立基于模拟退火遗传算法(SAGA)优化聚类数的K-Means聚类算法的快速路断面特征矩阵聚类核心模型；(3)将物理特征数据及交通流特征数据视为二源特征数据，提出快速路断面二源特征数据类型匹配模型。
　　 4、构建快速路断面交通流特征参数模型，子成果包括：(1)基于物理特征基本因素，提出含出入口综合指标及公交综合指标的物理特征因素；(2)基于特征强相关快速路断面样本，建立物理特征因素与各交通流特征参数的多元交通流特征参数模型，并实现参数估计及模型验证。
　　 5、以北京西三环快速路交通走廊动态交通模型为基础平台，对所建立的快速路交通流特征参数模型进行测试。结果表明，在出入口及公交设施密度大且缺乏有效实测交通流数据情况下，较之传统的采用统一交通流特征参数的方法，利用所建立的交通流特征参数模型进行动态交通模型的交通流特征参数标定，能更准确地捕捉快速路交通流特性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

图目录

表目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究目标与内容

1.3 研究方法与技术路线

1.4 论文框架结构

2 国内外研究综述

2.1 概念界定

2.2 交通流模型研究综述

2.2.1 交通流模型基本参数关系及特点

2.2.2 交通流模型研究分类

2.2.3 典交通流模型概述及分析

2.3 交通流特征参数研究综述

2.3.1 自由流速度研究概述及分析

2.3.2 通行能力研究概述及分析

2.3.3 临界速度、阻塞密度研究概述及分析

2.4 本章小结

3 城市快速路交通流特性研究

3.1 城市快速路交通特点

3.2 快速路交通流基本特性分析

3.2.1 时空平均速度关系研究

3.2.2 占有率-密度关系研究

3.3 快速路交通流特征参数分析

3.3.1 基本交通流模型

3.3.2 确定型交通流特征参数分析

3.3.3 随机型交通流特征参数分析

3.4 本章小结

4 基于物理属性的快速路交通流特征参数模型建模框架

4.1 基于物理属性的快速路交通流特征参数模型特性分析

4.2 基于物理属性的快速路交通流特征参数模型建模框架

4.2.1 交通流特征参数模型建模基本思路

4.2.2 快速路交通流特征参数模型建模框架

4.3 基于物理属性的快速路交通流特征参数模型建模关键问题

4.3.1 快速路断面特征矩阵聚类模型研究

4.3.2 快速路断面交通流特征参数模型构建

4.4 本章小结

5 快速路断面特征矩阵聚类模型

5.1 快速路断面特征矩阵聚类模型功能及结构

5.1.1 快速路断面特征矩阵聚类模型功能

5.1.2 快速路断面特征矩阵聚类模型结构

5.2 快速路断面基本物理特征筛选

5.2.1 车道数

5.2.2 平均车道宽度

5.2.3 大车率

5.2.4 出入口相关影响因素

5.2.5 公交相关影响因素

5.3 快速路断面二源特征矩阵建模及无量纲化

5.3.1 物理特征矩阵建模

5.3.2 交通流特征向量建模

5.3.3 特征矩阵无量纲转化

5.4 快速路断面特征矩阵聚类核心模型研究

5.4.1 K-Means聚类算法介绍

5.4.2 模拟退火遗传算法(SAGA)介绍

5.4.3 核心模型：基于SAGA优化K值的K-Means聚类模型

5.5 快速路断面二源特征数据类型匹配模型研究

5.5.1 二源特征类共量矩阵及共量权重矩阵

5.5.2 二源特征类型匹配算法

5.6 基于实测数据的快速路断面特征矩阵聚类模型构建

5.7 本章小结

6 基于物理属性的快速路断面交通流特征参数模型构建

6.1 快速路断面交通流特征参数影响因素提取及模型构建

6.1.1 自由流速度影响因素

6.1.2 通行能力影响因素

6.1.3 临界速度影响因素

6.1.4 阻塞密度影响因素

6.1.5 交通流特征参数模型

6.2 模型参数估计及验证

6.2.1 模型参数估计及检验

6.2.2 模型验证

6.3 本章小结

7 北京西三环交通走廊交通流特征参数标定实例分析

7.1 路网范围、数据基础及方案设计

7.1.1 路网范围

7.1.2 数据基础

7.1.3 方案设计

7.2 交通流特征参数标定

7.3 应用方案对比分析

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要研究结论与创新点

8.2 研究展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集