第6章高速公路系統(tǒng)的交通仿真

1、第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 1 -目目 錄錄第六章第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真高速公路系統(tǒng)的交通仿真.16.1 引言.16.1.1 仿真分析特點(diǎn)說明 .16.1.2 交通仿真的適用范圍 .16.2 高速公路系統(tǒng)交通仿真分析方法.26.2.1 總體仿真結(jié)構(gòu) .26.2.2 道路模塊 .26.2.3 人-車單元模塊.86.2.4 仿真模塊 .86.2.5 發(fā)車模型 .96.2.5 仿真單體的初始化 .106.2.6 自由行駛 .116.2.7 跟馳模型 .116.2.6 基本路段的換車道模型 .136.2.9 入口匝道的換車道模型 .156.2.11 出口匝道的換車道模型 .186.2.1

2、2 交織區(qū)的換車道模型 .206.3 高速公路系統(tǒng)交通仿真分析步驟.226.3.1 分析數(shù)據(jù)需求 .226.3.2 分析步驟 .236.4 算例.246.4.1 算例一高速公路基本路段的通行能力值 .24第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 1 -第六章第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真高速公路系統(tǒng)的交通仿真6.1 引言引言6.1.1 仿真分析特點(diǎn)說明仿真分析特點(diǎn)說明本手冊第 3、4、5 章都分別提供了基本路段、交織區(qū)和匝道與匝道主線連接處的統(tǒng)計分析方法，本章主要是利用計算機(jī)仿真手段，為分析高速公路系統(tǒng)及各組成部分的通行能力問題提供了全新的思路和分析工具。本章所提供的高速公路系統(tǒng)的交通仿真模型是基于時

3、間驅(qū)動的微觀交通仿真模型，其仿真對象除了道路、交通條件外，還包括隨著分析時間、空間內(nèi)所有的車輛和駕駛員。同前面第 3、4、5 章提供的通行能力分析方法相比，本章最大的特點(diǎn)是研究對象并不直接指向高速公路系統(tǒng)及其各組成部分的流量、速度和密度參數(shù)，而通過研究最基本的微觀個體特征（包括駕駛員特性以及車輛幾何、動力和運(yùn)動特征） ，利用交通仿真模型，對高速公路系統(tǒng)及其各組成部分的流量、速度和密度以及通行能力分析中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析。與前面提供的通行能力分析方法相比，利用交通仿真模型進(jìn)行通行能力分析具有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 利用交通仿真模型，可以盡量真實(shí)地表現(xiàn)實(shí)際的道路、交通條件，從而最全面地反映出實(shí)際道路、交通

4、條件對通行能力的影響；2） 交通仿真模型提供的用戶界面，使用戶可以非常方便的修改分析路段的道路、交通條件，便于快捷地構(gòu)造道路、交通條件；3） 利用交通仿真模型提供的動畫環(huán)境，可以通過最直觀的方式了解實(shí)際道路、交通條件，同時，還可以得到圖形表示的分析結(jié)果。6.1.2 交通仿真的適用范圍交通仿真的適用范圍本手冊提供的交通仿真模型主要描述了穩(wěn)定狀態(tài)下的交通流特征，盡管也能表現(xiàn)車輛擁堵時的狀態(tài)，但其精度較穩(wěn)定流狀態(tài)已經(jīng)有所下降。值得注意的是：本章所提供的交通仿真模型，與第 3、4、5 章所提供的通行能力分析方法是完全不同的兩種分析方法。第 3、4、5 章所得到的結(jié)果都是統(tǒng)計意義上的結(jié)論，代表了公路通行

5、能力手冊- 2-普遍意義；而微觀交通仿真模盡管也具有總體的特征，但由于隨機(jī)因素的影響，其結(jié)果同時也存在相當(dāng)?shù)碾S機(jī)因素影響。因此，這兩種分析方法得出的結(jié)果往往不一致，而這種小的差別并不會影響到對于基于分析結(jié)果做出的決策。6.2 高速公路系統(tǒng)交通仿真高速公路系統(tǒng)交通仿真分析方法分析方法高速公路系統(tǒng)交通仿真的核心是高速公路系統(tǒng)的交通仿真模型，利用該模型提供的用戶界面，輸入所需要的道路、交通和駕駛員、車輛的特征參數(shù)，選擇描述交通流特征的模型后，交通仿真模型可以自動計算得到該系統(tǒng)的流量、速度和密度等交通流參數(shù)。參見附錄 6-高速公路系統(tǒng)仿真模型用戶使用手冊。下面針對高速公路系統(tǒng)交通仿真模型中涉及到的主要

6、的計算方法和關(guān)鍵的參數(shù)取值分別進(jìn)行說明。6.2.1 總體仿真總體仿真結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)高速公路系統(tǒng)交通仿真模型描述了基本路段、交織區(qū)、匝道與匝道主線連接處等組成部分。該仿真模型的總體結(jié)構(gòu)分為四個模塊以及用戶界面和知識庫等 6 個部分，它們之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖 6-1 所示。用戶界面知識庫人車單元模塊仿真模塊結(jié)果模塊道路模塊圖圖 6-1 高速公路系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖高速公路系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖6.2.2 道路模塊道路模塊道路模塊描述的是高速公路基本路段系統(tǒng)中的靜態(tài)環(huán)境，包括道路的各組成部分和實(shí)驗設(shè)備。其中道路的主要組成部分包括橫斷面、平曲線、豎曲線、縱坡、緊急停車帶、入口匝道、出口匝道以及加減速車道等；

7、實(shí)驗設(shè)備主要是指車輛檢測器，用于記錄仿真過程中某斷第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 3 -面的車輛運(yùn)行參數(shù)。用戶通過菜單及對話框方式，可自由組合道路各組成部分；經(jīng)過路線設(shè)計規(guī)范的檢驗，可以確定仿真道路各組成部分自身的合理性，以及各組成部分之間的協(xié)調(diào)性；協(xié)調(diào)的仿真道路各組成部分最終構(gòu)成了仿真模型的道路環(huán)境。道路環(huán)境將和人-車單元模塊建立的動態(tài)外部環(huán)境一起構(gòu)成完整的交通仿真環(huán)境。事實(shí)上，這些交通仿真環(huán)境是由一系列對應(yīng)著不同車輛、不同路段的自由流速度構(gòu)成的。具體的道路模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 6-2 所示。 用戶界面 道路組成部分 橫斷面 入口匝道 平曲線 出口匝道 縱坡 加速車道 豎曲線 減速車道 限速標(biāo)志

8、 緊急停車帶 道路環(huán)境協(xié)調(diào)嗎？ 知識庫 路線設(shè)計規(guī)范 自由流速度 影響模型 仿真基本框架 是 否 人-車單 元類型 實(shí)驗 設(shè)施 車輛 檢測器 圖圖 6-2 道路模塊結(jié)構(gòu)示意圖道路模塊結(jié)構(gòu)示意圖在道路模塊中，交通仿真最核心的模型是自由流速度影響模型。本手冊提供的交通仿真模型認(rèn)為：各道路的橫斷面形式以及平、縱線形對車輛運(yùn)行所造成的影響綜合考慮為這些條件對各路段自由流速度的影響。自由流速度影響模型主要包括車道位置影響模型、道路橫斷面影響模型、平曲線影響模型以及速度修正模型等。（1）車道位置影響模型車道位置影響模型在高速公路中，由于車輛所在的車道位置不同，其自由流速度存在比較明顯的差別。特別是在我國大

9、多數(shù)地區(qū)，大中型車由于在速度性能方面于小客車存在顯著的差距，且這些車輛多在外側(cè)車道上行駛，因此，由于車道位置引起的自由流速度的影響相當(dāng)大。各車道中自由流速度影響模型如式（6-1）所示，影響系數(shù)見表 6-1。公路通行能力手冊- 4-式（6-1）lfeffvv其中，各車道中自由流車輛的中位車速，km/h；fv理想條件下自由流車輛的期望速度，km/h；fev車道位置影響系數(shù)。lf表表 6-1 車道位置影響系數(shù)車道位置影響系數(shù)取值表取值表lf4 車道高速公路6 車道高速公路車道位置左側(cè)車道右側(cè)車道左側(cè)車道中間車道右側(cè)車道值lf1.000.831.000.860.71（2）橫斷面影響模型橫斷面影響模型橫

10、斷面影響模型描述的是橫斷面尺寸對自由流速度的影響，由于車道所處的位置不同，橫斷面尺寸的影響因素有所差異，這里分別給出了左側(cè)車道、中間車道和右側(cè)車道的橫斷面尺寸影響自由流速度的計算公式，參見式（6-2）式（6-4） ；而計算公式中采用的各參數(shù)的推薦值表見 6-2。左側(cè)車道：式（6-2）11020211101111cvwwbwwav左其中，受橫斷面影響后，左側(cè)車道自由流車輛的中位車速，km/h；左1v理想條件下，左側(cè)車道內(nèi)自由流車輛的中位車速，km/h；10v、理想條件下，路緣帶寬度和左側(cè)車道寬度，m；10w20w、實(shí)際的路緣帶寬度和左側(cè)車道寬度，m；11w21w、模型的標(biāo)定常數(shù)。1a1b1c中間

11、車道： 式（6-3）2200121cvwwav中其中，受橫斷面影響后，中間車道自由流車輛的中位車速，km/h；中1v理想條件下，中間車道內(nèi)自由流車輛的中位車速，km/h；20v理想條件下，中間車道寬度，m；0w實(shí)際的中間車道寬度，m；1w、模型的標(biāo)定常數(shù)。2a2c右側(cè)道：式（6-4）33040413303131cvwwbwwav右其中，受橫斷面影響后，右側(cè)車道自由流車輛的中位車速，km/h；右1v理想條件下，右側(cè)車道內(nèi)自由流車輛的中位車速，km/h；30v第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 5 -、理想條件下，路肩寬度和右側(cè)車道寬度，m；30w40w、實(shí)際的路肩寬度和右側(cè)車道寬度，m；31w41

12、w、模型的標(biāo)定常數(shù)。3a3b3c表表 6-2 橫斷面影響模型標(biāo)定參數(shù)取值表橫斷面影響模型標(biāo)定參數(shù)取值表4 車道高速公路6 車道高速公路車道位置左側(cè)車道右側(cè)車道左側(cè)車道中間車道右側(cè)車道值ia-0.017-0.166-0.4151.00-0.597值ib-1.154-0.665/值ic1.0071.0181.098/1.142（3）平曲線影響模型平曲線影響模型當(dāng)平曲線半徑小于 1000m 時，駕駛員考慮到行車安全，將降低期望速度；而平曲線半徑大于 1000m 時，自由流車輛的速度沒有明顯的下降。受平曲線半徑影響的自由流速度計算公式見式（6-5） 。 式（6-5）001. 01112122rbvv其

13、中，平曲線中，自由流車輛的中位車速，km/h；2v平曲線起點(diǎn)處，自由流車輛的中位車速，km/h；1v平曲線半徑值，m；r模型的標(biāo)定常數(shù)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)的標(biāo)定，默認(rèn)值取為 0.021。b（4）速度修正模型速度修正模型值得注意的是以上兩個模型中均是對中位車速進(jìn)行修正，為了得到任意車速的修正速度，可按式（6-6）計算：式（6-6）qiqiqqvvvv2020其中，、自由流車輛的中位車速，km/h；qv0qv2、特定車輛的自由流的車速，km/h；qiv0qiv2修正系數(shù)。通常該修正系數(shù)是橫斷面影響模型和平曲線影響模型的加權(quán)q修正量，其中，為橫斷面影響模型權(quán)重，默212211qqq1q認(rèn)值為 0.2；為平

14、曲線影響模型權(quán)重，默認(rèn)值為 0.4；為橫斷面影2q1公路通行能力手冊- 6-響模型計算的速度變化量，；為平曲線影響模型計算101vv 2的速度變化量，。212vv （5）縱坡影響模型縱坡影響模型除自由流速度影響模型外，道路條件還將影響特定車輛的運(yùn)行速度，其中最重要的是縱坡影響模型。該模型并不作用于所有縱坡路段，而只有當(dāng)車輛運(yùn)行速度大于該車型在特定縱坡上的穩(wěn)定運(yùn)行速度時，才使用縱坡影響模型對車輛運(yùn)行速度進(jìn)行修正。計算公式見式（6-7） ，相關(guān)的慣性阻力系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)、空載重量、滾動阻力系數(shù)以及各類型車輛kfgf通常使用的功率中量比的默認(rèn)值見表 6-3 和表 6-4。p式（6-7）gkfavifg

15、vpgtvv22223131其中，進(jìn)入縱坡后，車輛速度，m/s；3vt之前，車輛速度，m/s；2vt仿真過程中的時間推進(jìn)步長，s；t車輛的功率重量比，w/kg；p、車輛的風(fēng)阻系數(shù)和慣性阻力系數(shù)；kf、 滾動阻力系數(shù)、縱坡坡度；fia 迎風(fēng)面積，m2；重力加速度，m/s2；g車輛空載重量和實(shí)際載重，kg。g表表 6-3 計算計算 p 值的相關(guān)參數(shù)取值值的相關(guān)參數(shù)取值車 型慣性阻力系數(shù)空氣阻力系數(shù)kf迎風(fēng)面積a（m2）空車重量（kg）g小型車0.010.00252.02000大中型車0.010.00356.24000特大型車0.010.00407.06000第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 7 -

16、表表 6-4 滾動阻力系數(shù)滾動阻力系數(shù)f路面種類f水泥混凝土和瀝青混凝土路面表面平整的黑色碎石路面碎石路面干燥平整的土路潮濕不平整的土路0.010.020.020.0250.030.050.040.050.070.15表表 6-5 各車型通常使用的功率重量比推薦值各車型通常使用的功率重量比推薦值功率重量比（p）（w/kg）車 型均值標(biāo)準(zhǔn)差最大值最小值小型車25.05.030.020.0大中型車10.06.015.05.0特大型車8.07.015.05.0（6）自由流速度漸變模型自由流速度漸變模型為了使不同路段中受道路條件影響后的自由流速度不出現(xiàn)突變，仿真模型中提供了自由流速度漸變模型，其方法是

17、在具有不同自由流速度的路段中，于前一個路段的尾部加入一個過渡路段，在過渡路段中假設(shè)車輛采用勻加速運(yùn)動，使路段 k 的自由流速度連續(xù)變到路段k+1 的自由流速度。最后，形成道路沿線的自由流車輛速度分布情況如圖 6-3 所示。v4路段 k+1路段 k+2路段 k85km/h80km/h90km/h道路坐標(biāo)圖圖 6-3 自由流速度漸變模型作用后的沿途分布示意圖自由流速度漸變模型作用后的沿途分布示意圖公路通行能力手冊- 8-6.2.3 人人-車單元模塊車單元模塊人-車單元模塊描述的是駕駛員和車輛的總體特征，這些特征主要也是改變了不同人-車單元的基本期望速度，該速度在整個仿真過程中是車輛行駛速度的上限。

18、在特征參數(shù)中，關(guān)于駕駛員的特征參數(shù)包括性別、年齡和駕駛傾向性；而關(guān)于車輛類型的特征參數(shù)則包括中位運(yùn)行速度和最大加、減速度。這些特征參數(shù)對于人-車單元基本期望速度的影響權(quán)重默認(rèn)值見表 6-6。車輛的其他特征參數(shù)，如幾何尺寸（車長、車寬、迎風(fēng)面積） 、動力性能參數(shù)（最大功率、期望運(yùn)行速度、最小運(yùn)行速度、運(yùn)行速度標(biāo)準(zhǔn)差）以及空車重量則不是影響基本期望速度，而是影響車輛行駛過程中速度、加速度選擇。表表 6-6 各人各人-車單元特征參數(shù)對理想期望速度的權(quán)重車單元特征參數(shù)對理想期望速度的權(quán)重車輛特性參數(shù)權(quán)重駕駛員特性參數(shù)權(quán)重中位運(yùn)行速度最大加、減速度年齡性別駕駛傾向性0.640.220.020.020.1

19、06.2.4 仿真模塊仿真模塊仿真模塊是仿真模型中核心部分，該模塊是在已知仿真基本條件（包括流率、分布情況）和仿真基本框架（由道路模塊和人-車單元模塊決定）的基礎(chǔ)上，根據(jù)一定的規(guī)則（包括發(fā)車規(guī)則、自由行駛規(guī)則、跟馳規(guī)則和換車道規(guī)則） ，對分析時段內(nèi)的各人-車單元的狀態(tài)進(jìn)行模擬。仿真模塊的計算流程見圖 6-4。第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 9 - 仿真流率、分布情況 知識庫 發(fā)車模型 跟馳模型 換車道模型 初始化人-車單元 仿真時鐘推進(jìn)器 t時刻的人- 車單元狀態(tài) 結(jié)束仿真？ 結(jié)束 是 否 仿真基本框架 自由行駛 圖圖 6-4 仿真模塊計算流程示意圖仿真模塊計算流程示意圖6.2.5 發(fā)車模型

20、發(fā)車模型發(fā)車模型是仿真模塊知識庫的一個重要組成部分，包括兩種方式：其一，利用實(shí)測數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，產(chǎn)生與實(shí)際情況完全相同的交通流，這里不再贅述；其二，根據(jù)用戶設(shè)定的仿真參數(shù)（包括駕駛員類型組成、車輛類型組成、車道分布、仿真流量和時間等） ，及其分布規(guī)律，運(yùn)用蒙特卡洛方法隨機(jī)生成符合特定分布的交通流。在發(fā)車模型中常用的分布形式有均勻分布、厄爾蘭分布和正態(tài)分布。均勻分布模型通常用于描述駕駛員類型、車輛類型和車道分布。而 k 階厄爾蘭分布是較通用的車頭時距分布模型，不同的 k 階取值可以反映暢行車流和擁擠車流之間的各種車流條件。表 6-7 給出了不同小時流率情況下相應(yīng)的 k 階取值。其中，最小車頭時

21、距為 0.5s。公路通行能力手冊- 10-表表 6-7 不同流率下厄爾蘭分布的不同流率下厄爾蘭分布的 k 階取值階取值100 個車頭時距樣本流量區(qū)間k 值均值（s）標(biāo)準(zhǔn)差（s）050017.6407.301500100033.3011.77110001500152.4420.66815002000201.8080.378正態(tài)分布模型則用于描述各車輛類型理想期望速度、運(yùn)行速度以及功率重量比（p）的分布。6.2.6 仿真單體的初始化仿真單體的初始化在仿真單體初始化過程中，主要包括 5 個步驟：1） 按照車頭時距、行駛速度、車輛類型理想期望速度、運(yùn)行速度以及功率重量比（p）的已知參數(shù)，利用各種分布模

22、型，生成服從特定分布的隨機(jī)數(shù)。2） 按照駕駛員的不同年齡、性別、駕駛傾向性、車輛不同運(yùn)行中位速度、最大加、減速度以及不同車道中各車型的相對折算系數(shù)，計算各仿真單體的理想期望速度。3） 根據(jù)自由流速度影響模型和人-車單元以及路段特征的特征參數(shù)計算基本期望速度。4） 為了避免車頭時距與初始行駛速度不匹配的情況，利用式（6-8）驗證各仿真單體的有效性。如果安全性不足，則按照特定的分布規(guī)律，重新計算初始速度。式（6-8）rlrltllttvv安全0其中，仿真單體初始速度，m/s；0v前車初始速度，m/s；lv計算仿真單體的車頭時距，s；t計算仿真單體的最小反應(yīng)時間，s，通常取 2 s；rt停車狀態(tài)時，

23、最小安全間距，m；安全l前車車長，m。ll5） 為保證車輛運(yùn)行速度與其分配的功率重量比匹配，在分配功率重量比后，總是檢驗該 p 值能否維持該仿真單體的初始速度，能維持則認(rèn)為 p 值合適；否則重新分配 p第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 11 -值。6.2.7 自由行駛自由行駛當(dāng)車輛處于頭車位置或與同車道前導(dǎo)車的距離大于跟馳距離界限時（其默認(rèn)值為 150m） ，車輛處于自由行駛狀態(tài)。此刻車輛所采用的加速度由兩個因素決定：（1）道路模塊限制該類車輛基本自由流速度時應(yīng)該采用的加速度；（2）車輛的當(dāng)前速度與期望速度之間的roada差距。本文提出自由行駛車輛在兩個路段銜接處采用的加速度計算公式如式（6-

24、9）所示，而在相同路段當(dāng)中采用的加速度計算公式如式（6-10）所示。 式（6-。，；，vvvvaavvvvaaaroadroadfreeexp2expmaxexp2expmax1min1max9） 式（6-。，；，vvvvavvvvaafreeexp2expmaxexp2expmax1110）其中，自由行駛狀態(tài)下的加速度，m/s2；freea自由流狀態(tài)下，采用基本期望速度時對應(yīng)的加速度，m/s2；roada最大減速度，m/s2；maxa當(dāng)前速度，m/s；v理想期望速度，m/s。expv6.2.8 跟馳模型跟馳模型跟馳模型中，駕駛員通過對自身狀態(tài)的判斷，包括車頭間距、速度、加速度，以及前車狀態(tài)，

25、確定車輛的行駛狀態(tài)（包括跟馳行駛和緊急跟馳兩種狀態(tài)） ，確定下一時刻所采用的加速度。加速度計算流程見圖 6-5。公路通行能力手冊- 12- t 時刻本身狀態(tài) 前車速度 加速度 跟馳行駛 緊急跟馳 減速停車 重新啟動 t+t 時刻的加速度 加速度隨機(jī)項 圖圖 6-5 加速度計算流程示意圖加速度計算流程示意圖當(dāng)車頭間距處于40，150m，或車頭時距處于2，8s 時，車輛跟隨前導(dǎo)車行駛，其計算公式如式（6-11） 。而此刻，車輛還存在換車道的可能性。 式（6-flflffollowvvxxva11）其中，跟馳車輛在加、減速過程中采用的加、減速度，m/s2；followa前車位置，m；lx后車位置，m

26、；fx前車速度，m/s；lv后車速度，m/s；fv、加、減速度過程的標(biāo)定參數(shù)，參見表 6-8。a表表 6-8 跟馳行駛狀態(tài)下的加減速模型參數(shù)跟馳行駛狀態(tài)下的加減速模型參數(shù)加速過程2.15-1.67-0.89減速過程1.551.081.65這里的加、減速度在仿真過程中會受到各車輛類型的最大加、減速度和期望速度的限制，避免出現(xiàn)純粹與實(shí)際情況不符的極端狀況。當(dāng)車頭間距小于緊急跟馳的界限時（默認(rèn)值為 2s） ，車輛狀態(tài)處于緊急跟馳狀態(tài)，駕駛第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 13 -員將采取減速措施，直到車輛恢復(fù)到一般的跟馳狀態(tài)。緊急跟馳狀態(tài)中駕駛員采用的減速度計算公式如式（6-12） 。 式（6-ma

27、x2rurgentrff2rlrllurgentat)ltvxta5 . 0tvx( 2maxa，12）其中，緊急跟車間距，m；urgentl其它符號的含義同式（6-8）和式（6-11） 。當(dāng)交通需求大于通行能力時，車輛為保持一般的跟馳狀態(tài)，會不斷減速。當(dāng)速度減小至車輛的最小運(yùn)行速度時，車輛進(jìn)入減速停車狀態(tài)。此狀態(tài)中的車輛，其減速度都采用該類車輛的最大減速度，直到車輛速度為 0 時，減速度也為 0。當(dāng)車隊疏散時，停止車輛與前車的距離逐漸增大，當(dāng)車頭間距大于重新啟動的界限（默認(rèn)值為 15m）時，車輛則以該類車型最大加速度的一半開始啟動，直到其速度大于該類車型的最小運(yùn)行速度。6.2.9 基本路段的

28、換車道模型基本路段的換車道模型在高速公路基本路段中，由于車道功能明確劃分為超車道和行車道，所以超車行為已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為換車道行為。在換車道模型中，以利益驅(qū)使為基礎(chǔ)，只有為了獲得更有利的駕駛狀態(tài)，駕駛員才會換車道，否則不會換車道。駕駛員在換車道過程中的判斷流程如圖 6-6 所示。如圖 6-6 所示，換車道判斷過程分為 4 個階段：1） 是否需要更換車道？當(dāng)車輛的加速度小于 0.3m/s2時，駕駛員不滿意該行駛狀態(tài)，開始考慮能否換車道。由于仿真模型采用時間驅(qū)動的微觀仿真，而駕駛員不可能在每個掃描時刻都判斷自身狀態(tài)，所以利用滿意隨機(jī)數(shù)限制 40%考慮換車道的駕駛員真正進(jìn)入換車道判斷過程。公路通行能力手冊

29、- 14-當(dāng)前狀態(tài)是否滿意？是否存在更有利的行駛空間？選擇換車道的方向？是否允許換車道？滿意隨機(jī)項執(zhí)行換車道取消換車道否是否不選擇是否是選擇是選擇隨機(jī)項圖圖 6-6 換車道判斷過程示意圖換車道判斷過程示意圖2） 在毗鄰車道上行駛是否會改善行車狀況？駕駛員換車道是為了獲得更好的行駛空間，當(dāng)車輛在毗鄰車道中的滿意行駛時間比本車道中滿意行駛時間大 13s 以上時，車輛繼續(xù)執(zhí)行換車道判斷過程。其中，滿意行駛時間是指車輛以當(dāng)前速度、當(dāng)前加速度或 0.3m/s2加速度行駛的時間，按運(yùn)動學(xué)公式進(jìn)行計算。3） 選擇換車道的方向。在多車道高速公路中，駕駛員選擇換車道方向時，一方面是選擇具有最大滿意行駛時間的車道

30、，另一方面則偏向于從右側(cè)車道向左側(cè)車道換。當(dāng)右側(cè)車道中的利益為左側(cè)車道利益的 5 倍時，才向右側(cè)更換車道。向左、右側(cè)更換車道的概率分別按式（6-13）和式（6-14）所示。如果選擇隨機(jī)數(shù)大于換車道方向的選擇概率，則取消換車道。 式（6-4 . 01373. 0minlocalleftleftttp13） 式（6-4 . 01315. 0minlocalrightrightttp14）其中，向左側(cè)換車道的概率；leftp向右側(cè)換車道的概率；rightp在左側(cè)車道中無礙行駛的時間，s；leftt第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 15 -在右側(cè)車道中無礙行駛的時間，s；rightt在當(dāng)前車道中無礙行

31、駛的時間，s。localt4） 是否有可能進(jìn)入毗鄰車道？換車道行為必須有足夠的可插間隙作保證，如果由于換車道車輛的插入，使毗鄰車道中后隨車輛在最小反應(yīng)時間內(nèi)，不能保證與插入車輛保持一般的跟馳狀態(tài)，即車頭間距緊急跟馳間距，則不執(zhí)行換車道行為。6.2.10 入口匝道的換車道模型入口匝道的換車道模型入口匝道的合流車輛要進(jìn)入高速公路，其換車道行為可分為直接式、調(diào)節(jié)式和擠入式三種。（1）直接式換車道直接式換車道直接式換車道發(fā)生在沒有加速車道的入口匝道處，匯入車輛只能在入口處等待主線交通流中出現(xiàn)可插入間隙，然后進(jìn)入主線。相對于基本路段中的換車道模型，由于車輛已經(jīng)確定了換車道行為，所以在換車道過程中，只執(zhí)行

32、第四個步驟：判斷目標(biāo)車道中是否存在足夠的空間用于換車道。如果匯入車輛與目標(biāo)車道中的前車之間的車頭時距大于 2.0s，且匯入車ah輛與后車之間的車頭時距大于 3.0s，則實(shí)施換車道行為，參見圖 6-7；否則不執(zhí)行換車道bh行為。其中，小型車在舒適的狀態(tài)下執(zhí)行換車道過程中采用的加、減速度值見表 6-9。 r vr a(t0) hb(t) ha(t) 1 2 h(t) 圖圖 6-7 直接式換車道行為的間隙關(guān)系直接式換車道行為的間隙關(guān)系表表 6-9 小客車加速度取值表小客車加速度取值表速度變化（km/h）加速度（m/s2）減速度（m/s2）0-184.84-7.7724-484.84-6.7448-6

33、44.84-4.8464-803.81-4.84公路通行能力手冊- 16-80-962.93-4.84961.91-4.84（2）調(diào)節(jié)式換車道調(diào)節(jié)式換車道調(diào)節(jié)式換車道發(fā)生在具有加速車道的入口匝道。匯入車輛進(jìn)入加速車道后，尋找高速公路最外側(cè)車流中最安全的可插入間隙，調(diào)整加速度大小，實(shí)施合流換車道操作，具體判斷過程見圖 6-8。 周圍存在可插入間隙？ 尋找最安全的可插入間隙 是否允許換車道？ 執(zhí)行換車道 取消換車道 是 否 否 是 調(diào)節(jié)加速度大小 圖圖 6-8 調(diào)節(jié)式合流換車道判斷過程示意圖調(diào)節(jié)式合流換車道判斷過程示意圖1） 駕駛員首先判斷在、和中（參見圖 6-8），是 01th 02th 03t

34、h 04th 05th否存在大于臨界可插入間隙 5.0s 的車頭時距，如果存在，則進(jìn)入下一步；否則取消換車道行為； 1 r h1(t0) vr r：合流車輛 t=t0 a(t0) sb(t0) sa(t0) 2 3 4 5 h2(t0) h3(t0) h4(t0) h5(t0) 圖圖 6-9 判斷可插入間隙判斷可插入間隙示意圖示意圖2） 當(dāng)有多個可插入間隙同時存在時，利用匯入車輛與目標(biāo)車道中前、后車輛之間間距第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 17 -的相對變化率，從駕駛員考慮的 5 個車頭間距中選擇最安全的可插入間隙（即對應(yīng)的車頭間距）實(shí)施換車道行為。其中定義如下：maxii 式（6-tttb

35、iaiimax15）其中，；dttsdtstytytvtvtaaririai1；dttsdtstytytvtvtbbirirbi111在 t 時刻匯入車輛 r 與主線車輛 i 的車速，km/h；tvtvri、在 t 時刻匯入車輛 r 與主線車輛 i 的坐標(biāo)，m；tytyri、第 個間隙。ii3） 針對最安全的可插入間隙，按照基本路段中的跟馳模型進(jìn)行加速度調(diào)整，參見式（6-11），其調(diào)整過程的位置示意圖見圖 6-10。 i 加速車道 最外側(cè)車道 i-1 r i-2 maxi圖圖 6-10 車道變換過程中車輛之間的影響關(guān)系車道變換過程中車輛之間的影響關(guān)系4） 如果匯入車輛與目標(biāo)車道中的前車之間的車

36、頭時距大于其臨界值，且匯入車ahach輛與后車之間的車頭時距也大于其臨界值時，則實(shí)施換車道行為。否則取消bhbch換車道行為。其中，和的計算如式（6-16）和式（6-17）所示。achbch 式（6-tfthclac216） 式（6-tfthclbc0 . 417）公路通行能力手冊- 18-其中，t 時刻匯入車輛與目標(biāo)車道中的前車之間的臨界車頭時距，s；thact 時刻匯入車輛與目標(biāo)車道中的后車之間的臨界車頭時距，s；thbc換車道期望指數(shù)tfcl 0 . 2 ,minltxcletf其中，t 時刻剩余的加速車道長度，m；tx 加速車道長度，m。l（3）擠入式換車道擠入式換車道擠入式換車道發(fā)生

37、在加速車道結(jié)束區(qū)間，由于匯入車輛在加速車道中沒有找到合適的可插入間隙進(jìn)行換車道，在加速車道的最后 1/4 路段中，匯入車輛僅判斷目標(biāo)車道中是否存在足夠的空間用于換車道。如果匯入車輛與目標(biāo)車道中的前車之間的車頭時距大于最小的臨ah界可插間隙 1.0s，且匯入車輛與后車之間的車頭時距大于最小的臨界可插間隙 2.0s 時，則bh實(shí)施換車道行為；否則執(zhí)行減速停車行為，參見 6.2.8 中的跟馳模型。6.2.11 出口匝道的換車道模型出口匝道的換車道模型出口匝道的分流車輛要離開高速公路，由于駛出車輛與出口匝道的距離不同，其換車道模式也存在較大的差別。在圖 6-11 所示的三個關(guān)鍵斷面處，斷面 1 的換車

38、道行為為直接式，斷面 1 與斷面 2 之間的換車道模式為調(diào)節(jié)式，斷面 2 與斷面 3 之間的換車道模式為擠入式。 行車方向 斷面 1 斷面 2 斷面 3 圖圖 6-11 出口匝道換車道模式示意圖出口匝道換車道模式示意圖（1）直接式換車道直接式換車道直接式換車道發(fā)生在減速車道的最開始處或者是沒有減速車道的出口匝道處，駛出車輛只要判斷目標(biāo)車道中是否存在足夠的空間用于換車道就可以執(zhí)行換車道行為。如果駛出車輛與目標(biāo)車道中的前車之間的車頭時距大于 2.0s，則實(shí)施換車道行為，參見圖 6-12；否則th不執(zhí)行換車道行為。其中，小客車在舒適的狀態(tài)下執(zhí)行換車道過程中采用的加、減速度值見第六章 高速公路系統(tǒng)的交

39、通仿真- 19 -表 6-9。 1 行車方向 2 h(t) 圖圖 6-12 直接式換車道判斷條件示意圖直接式換車道判斷條件示意圖（2）調(diào)節(jié)式換車道調(diào)節(jié)式換車道調(diào)節(jié)式換車道發(fā)生在減速車道中間路段，參見圖 6-11 中斷面 1 與斷面 2 之間的部分。駛出車輛在此行進(jìn)過程中，尋找減速車道中最安全的可插入間隙，調(diào)整自身加速度，以實(shí)施分流換車道操作，具體判斷過程見圖 6-13。 減速車道有可插入間隙？ 尋找最安全的可插入間隙 是否允許換車道？ 執(zhí)行換車道 取消換車道 是 否 否 是 調(diào)節(jié)加速度大小 圖圖 6-13 調(diào)節(jié)式分流換車道判斷過程示意圖調(diào)節(jié)式分流換車道判斷過程示意圖1） 駕駛員首先判斷減速車道

40、中連續(xù)的 5 個車頭時距、和 01th 02th 03th 04th中（參見圖 6-14），是否存在大于臨界可插入間隙 5.0s 的車頭時距，如果存 05th在，則進(jìn)入下一步；否則取消換車道行為；公路通行能力手冊- 20- 1 d h1(t0) vd d：合流車輛 t時時刻刻 a(t0) sb(t0) sa(t0) 2 3 4 5 h2(t0) h3(t0) h4(t0) h5(t0) 圖圖 6-14 判斷可插入間隙示意圖判斷可插入間隙示意圖2） 同調(diào)節(jié)式合流換車道模式一樣，駕駛員從這 5 個車頭間距中選擇最安全的可插入間隙（即對應(yīng)的車頭間距）實(shí)施換車道行為。其中定義如下式（6-15）。max

41、ii3） 針對最安全的可插入間隙，按照 6.2.7 中的跟馳模型進(jìn)行加速度調(diào)整，參見式（6-11）。4） 如果駛出車輛與目標(biāo)車道中的前車之間的車頭時距大于其臨界值，且駛出車ahach輛與后車之間的車頭時距也大于其臨界值時，則實(shí)施換車道行為。否則取消bhbch換車道行為。其中，和的計算如式（6-16）和式（6-17）所示。achbch（3）擠入式換車道擠入式換車道擠入式換車道發(fā)生在減速車道結(jié)束區(qū)間，由于駛出車輛在減速車道對應(yīng)的路段中沒有找到合適的可插入間隙進(jìn)行換車道，在減速車道的最后 1/3 路段中，駛出車輛僅判斷減速車道中是否存在足夠的空間用于換車道，就執(zhí)行換車道行為。如果駛出車輛與目標(biāo)車道中

42、的前車之間的車頭時距大于最小的臨界可插間隙 1.0s，且匯入車輛與后車之間的車頭時距大ahbh于最小的臨界可插間隙 2.0s 時，則實(shí)施換車道行為；否則執(zhí)行減速停車行為，參見 6.2.7 中的跟馳模型，并在下一時刻繼續(xù)尋找臨界可插入間隙。6.2.12 交織區(qū)的換車道模型交織區(qū)的換車道模型在交織區(qū)中換車道的車輛包括兩部分，一部分是為了避開交織車輛干擾的直行車輛，另一部分是有固定目標(biāo)車道的交織車輛。這兩部分車輛的換車道模式存在根本的差別，下面分別進(jìn)行描述。（1）直行車輛的換車道模型直行車輛的換車道模型交織區(qū)中直行車輛的換車道行為與基本路段中的換車道行為基本類似，參見圖 6-6，只是由于交織區(qū)存在交

43、織車輛的影響，為了避開交織車輛，執(zhí)行車輛的換車道頻率會高于基本第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 21 -路段的換車道行為。因此，在換車道判斷過程中，駕駛員往往選擇更敏感的參數(shù)來決定是否換車道，具體的參數(shù)取值見表 6-10。表表 6-10 交織區(qū)直行車輛換車道過程關(guān)鍵參數(shù)取值表交織區(qū)直行車輛換車道過程關(guān)鍵參數(shù)取值表步驟序號參數(shù)說明參數(shù)值參考公式1）不滿意狀態(tài)臨界加速度0.3m/s2/1）選擇換車道的駕駛員比例60%/2）狀態(tài)改善臨界值11s式（6-13）3）向左側(cè)車道換車道的概率6 . 01173. 0minlocalleftleftttp式（6-13）3）向右側(cè)車道換車道的概率6 . 0111

44、5. 0minlocalrightrightttp式（6-14）4）與目標(biāo)車道中前車臨界車頭時距2.0s/4）與目標(biāo)車道中后車臨界車頭時距1.0s/（2）交織車輛的換車道模型交織車輛的換車道模型交織區(qū)中的交織車輛由于其換車道行為必須發(fā)生，且目標(biāo)車道已經(jīng)確定，因此，其行為非常類似與入口匝道和出口匝道中的換車道行為。同樣，根據(jù)交織車輛換車道位置不同，可以分為調(diào)節(jié)式和擠入式。交織區(qū)中的調(diào)節(jié)式換車道行為與入口匝道和出口匝道中的調(diào)節(jié)式換車道判斷過程類似，參見圖 6-8 和圖 6-13。其中，在步驟 1）和步驟 4）中有兩個地方存在明顯差別。1）在入口匝道和出口匝道中的調(diào)節(jié)式換車道判斷過程中，駕駛員是對加

45、速車道或減速車道中的間隙進(jìn)行選擇，而在交織區(qū)中，交織車輛的駕駛員是對目標(biāo)車道的間隙進(jìn)行選擇；2）在判斷是否存在換車道空間時，需要換車道的車輛與目標(biāo)車道中的前車之間的臨界車頭時距和與后車之間的臨界車頭時距的計算公式中換車道期望指achbch數(shù)的計算公式如式（6-18）式（6-20）。tfcl， 式（6-0 . 1clf0 . 0x18）公路通行能力手冊- 22-， 式（6-wwclqqf11lx 19）， 式（6-lxqqlnclwwef11lx 020）其中：交織區(qū)長度，m；l離開交織區(qū)起點(diǎn)的距離，pcu/h；x當(dāng)前車道的交織流量，pcu/h；1wq交織區(qū)的交織總流量，pcu/h。wq交織區(qū)中

46、的擠入式換車道行為發(fā)生在后 2/5 的交織區(qū)中，其行為與入口匝道和出口匝道中的擠入式換車道判斷過程完全一致，這里不再贅述。圖 6-15 給出了 a 型交織區(qū)中換車道行為發(fā)生位置的概率分布圖。 0 縱 2 吳 % % % % 錵 1 % % 圖圖 6-15 a 型交織區(qū)換車道行為發(fā)生位置的概率分布圖型交織區(qū)換車道行為發(fā)生位置的概率分布圖6.3 高速公路系統(tǒng)交通仿真分析步驟高速公路系統(tǒng)交通仿真分析步驟高速公路系統(tǒng)交通仿真分析是通過仿真模型實(shí)驗，對高速公路基本路段、交織區(qū)、出入口匝道以及高速公路系統(tǒng)的通行能力進(jìn)行分析，從而得到高速公路各組成部分及其系統(tǒng)的速度、密度和流量隨時間的變化規(guī)律，以及道路條件

47、、交通條件變化對高速公路系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，還可以借助仿真模型輔助研究公路通行能力的一些基本問題。第六章 高速公路系統(tǒng)的交通仿真- 23 -6.3.1 分析數(shù)據(jù)需求分析數(shù)據(jù)需求交通仿真分析所需要的分析數(shù)據(jù)主要包括道路條件和交通條件的相關(guān)參數(shù)。其中，道路條件主要包括橫斷面形式及其尺寸、道路平縱線形參數(shù)、出入口位置和形式、交織區(qū)位置和形式等；交通條件主要包括車輛外形尺寸、車輛動力參數(shù)、駕駛員類型及其特征參數(shù)。詳細(xì)的參數(shù)說明參見附錄 6-i。值得注意的是，隨本手冊提供的仿真程序提供了符合我國國情的模型參數(shù)默認(rèn)值，這些參數(shù)能夠較好地反映全國的平均水平，當(dāng)沒有當(dāng)?shù)卦敿?xì)的特征參數(shù)時，均可采用這些默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行仿

48、真實(shí)驗。如果有當(dāng)?shù)氐牟糠謪?shù)，也應(yīng)該在專家的指導(dǎo)下對模型參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正，才能得到滿意的仿真模型。6.3.2 分析步驟分析步驟利用仿真模型分析高速公路各組成部分及其系統(tǒng)的通行能力，通常按照如圖 6-16 所示的分析流程來進(jìn)行。詳細(xì)的說明可參見附錄 6-i。 確定已知條件 設(shè)計仿真實(shí)驗 構(gòu)造仿真環(huán)境 數(shù)字仿真 動態(tài)仿真 統(tǒng)計結(jié)果分析 圖圖 6-16 高速公路系統(tǒng)交通仿真分析流程圖高速公路系統(tǒng)交通仿真分析流程圖1） 首先確定已知的道路、交通條件，以及需要解決的問題；2） 根據(jù)已知條件，結(jié)合考慮仿真實(shí)驗可能得到的結(jié)果，設(shè)計相應(yīng)的交通仿真實(shí)驗，增設(shè)仿真環(huán)境中的“實(shí)驗設(shè)備”，通過多次實(shí)驗以得到相應(yīng)的結(jié)果；3） 按照已知條件，從仿真實(shí)驗的需要出發(fā)，構(gòu)造仿真所需要的道路、交通環(huán)境，參見附錄 6-i；公路通行能力手冊- 24-4） 利用“仿真環(huán)境”建立的道路、交通條件，進(jìn)行“數(shù)字仿真”；5） 利用“仿真環(huán)境”建立的道路、交通條件和“數(shù)字仿真”的結(jié)果，進(jìn)行“動態(tài)仿真”，以得到速度、密度和流量的統(tǒng)計結(jié)果；6） 按照仿真實(shí)驗計劃，分析仿真數(shù)據(jù)，以得出結(jié)