專利名稱：城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)及選型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種互通立交規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于城市快速路互通立交的仿真設(shè)計系統(tǒng)及立交選型方法。

背景技術(shù)：
城市快速路(urban expressway)是為滿足城市中大容量、長距離、快速交通而修建的，設(shè)置中間連續(xù)分隔帶、采用全封閉、全立交、全部或部分控制出入的道路系統(tǒng)?？焖俾窞檐囕v提供了在城市各區(qū)域間進(jìn)行快速、安全、舒適的交通出行的功能。而樞紐型互通式立交是快速路系統(tǒng)中的重要交通節(jié)點，是決定快速路能否發(fā)揮最大功能的關(guān)鍵。因此樞紐型互通式立交的規(guī)模和形式的科學(xué)合理性與否至關(guān)重要。
目前，由于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城區(qū)外延，人口和用地規(guī)模不斷的擴大，城市內(nèi)跨區(qū)域、分組團(tuán)、長距離的客貨交通大幅度增加，增大了現(xiàn)狀路網(wǎng)的交通壓力。為了緩解急劇增長的交通需求和有限的道路交通設(shè)施之間的矛盾。雖然，近年來快速路在全國大量興建，但對快速路系統(tǒng)的研究，特別是快速路樞紐互通式立交的交通流特性及通行能力的研究尚屬空白。城市迅速發(fā)展，導(dǎo)致城市交通需求迅猛增加，造成供需矛盾加大。尤其在早、晚高峰期間，交通擁堵經(jīng)常發(fā)生在互通立交區(qū)出入口與交織區(qū)，使互通立交區(qū)成為快速路系統(tǒng)的“交通瓶頸”地段。為此，必須開展對快速路互通立交通行能力的研究，以科學(xué)指導(dǎo)城市快速路的規(guī)劃、設(shè)計和交通管理，同時，對各大城市交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計和交通管理將起到十分重要的示范作用，此項研究將彌補我國在該領(lǐng)域的空白。
當(dāng)前，針對快速路互通立交存在的主要問題有以下幾點 1)對快速路互通立交整體交通流特性尚未進(jìn)行過系統(tǒng)研究。迄今為止，大部分研究關(guān)注于非飽和交通條件下的立交局部，如分/合流區(qū)、加減速車道等。這些局部的研究成果并不能解決飽和交通狀態(tài)下整個互通立交出現(xiàn)的擁堵問題。隨著城市交通量的迅猛增長，各大城市，諸如天津市快速路在通車短短一年的時間里，就已經(jīng)出現(xiàn)了大流量的路段(2007年日交通量北-南方向44738輛、南-北方向41000輛，較2006年增長了近25％)。預(yù)測運行多年后，快速路上交通量會逐漸趨于飽和狀態(tài)，因此對飽和狀態(tài)下的城市快速路互通立交的整體交通流特性進(jìn)行研究是十分必要的。
2)互通立交的設(shè)計階段對通行能力的計算方法缺乏科學(xué)依據(jù)，對互通立交遠(yuǎn)景預(yù)測交通量的適應(yīng)性尚無科學(xué)評定方法。目前，由于在快速路設(shè)計中通常采用“各方向進(jìn)口車道的通行能力乘以一定系數(shù)”的方法來計算互通立交通行能力，且未對分/合流區(qū)和交織區(qū)通行能力進(jìn)行驗算，往往導(dǎo)致計算不準(zhǔn)的后果。而如果計算結(jié)果過大，立交的規(guī)模和造價將大幅提高，不僅占用了城市用地，而且導(dǎo)致建設(shè)成本的增加和基礎(chǔ)設(shè)施的閑置浪費；如果計算結(jié)果過低，則不能滿足交通量發(fā)展的需求，同時降低了對交通量變化的適應(yīng)能力，與路段通行能力不匹配，成為快速路上的交通瓶頸，影響城市交通。
城市快速路互通立交的規(guī)模及形式的確定應(yīng)依據(jù)遠(yuǎn)期交通量的合理預(yù)測值。遠(yuǎn)期交通量是在城市發(fā)展到一定時期后的交通預(yù)測。城市不斷的變化發(fā)展，導(dǎo)致互通立交周邊的路網(wǎng)和交通需求也在不斷的變化，因此互通立交轉(zhuǎn)向交通的比例也隨之變化。互通立交的設(shè)計規(guī)模和形式對遠(yuǎn)期預(yù)測的交通量的適應(yīng)程度有多大？不適應(yīng)時應(yīng)采取什么方案和措施？這些問題都需要去研究。另外，目前國內(nèi)外眾多的分析軟件中尚無一個適合分析快速路互通立交通行能力的有力工具，因此通過研究探索一套城市快速路互通立交通行能力分析及預(yù)測軟件也是普遍的需求。
綜上所述，改進(jìn)互通立交通行能力的計算方法、合理確定互通立交的規(guī)模和形式，對提高互通立交的適應(yīng)性、節(jié)約城市用地、減少交通噪音、改善城市環(huán)境等都具有十分重要的意義。
3)國內(nèi)快速路及城市道路交叉設(shè)計規(guī)程正在編制中，快速路互通立交的設(shè)計缺乏規(guī)范指導(dǎo)。我國修建快速路的時間不長，快速路及其組成部分-互通立交的規(guī)劃與設(shè)計，目前尚處于大量實踐、經(jīng)驗積累和理論研究階段?？焖俾芳俺鞘械缆方徊嬖O(shè)計規(guī)程編制速度遲緩，在快速路互通立交設(shè)計中，設(shè)計人員大都參照《公路路線設(shè)計規(guī)范》、《城市道路設(shè)計規(guī)范》等國內(nèi)外資料及其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在使用過程中發(fā)現(xiàn)國內(nèi)規(guī)范的一些指標(biāo)并不適用于快速路互通立交設(shè)計，主要表現(xiàn)在《公路路線設(shè)計規(guī)范》指標(biāo)過高，城市快速路互通立交由于城市用地限制不能達(dá)到它的要求；《城市道路設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)指標(biāo)又相應(yīng)過低，快速路互通立交要滿足車輛的高速分/合流和交織，參照以上規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)顯然不合適。并且規(guī)范中沒有提供互通立交通行能力分析計算方法及服務(wù)水平指標(biāo)體系，國外的參考資料又不符合我國具體國情，因此如何完善互通立交通行能力分析計算方法及服務(wù)水平指標(biāo)體系，指導(dǎo)快速路的規(guī)劃設(shè)計已成為當(dāng)務(wù)之急。


發(fā)明內(nèi)容
為了切實解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)及選型方法，對城市快速路互通立交的通行能力問題進(jìn)行研究，以評價分析互通立交應(yīng)對交通擁堵的應(yīng)急措施，改進(jìn)互通立交通行能力計算方法，補充和完善城市快速路設(shè)計規(guī)程，用于更加客觀、科學(xué)地指導(dǎo)城市快速路的規(guī)劃和設(shè)計，提高城市快速路互通立交通行能力，提高城市快速路互通立交設(shè)計水平、填補我國城市快速路互通立交通行能力研究的空白。并同時解決上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的幾點技術(shù)問題提供以下幾點科學(xué)依據(jù) 1)提出互通立交的通行能力，為新建快速路互通立交的選型及線形指標(biāo)的確定提供科學(xué)、合理的依據(jù)； 2)提出通行能力和服務(wù)水平分析標(biāo)準(zhǔn)，用來評價新建和已建互通立交交通流運行質(zhì)量，評估道路規(guī)劃、設(shè)計和管理方案； 3)建立互通立交仿真規(guī)劃設(shè)計方法。通過仿真實驗平臺，對擬建、已建互通立交在未來各預(yù)測年交通量情況下的運行情況進(jìn)行預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計中的問題，成為立交規(guī)劃設(shè)計的新方法； 4)快速路互通立交通行能力研究將為修訂有關(guān)城市快速路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)予以實現(xiàn)地技術(shù)方案是包括數(shù)據(jù)采集模塊、模型標(biāo)定模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，其特征在于，還包括分別與模型標(biāo)定模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊聯(lián)接的評價分析模塊，在評價分析模塊和模型標(biāo)定模塊之間還聯(lián)接有數(shù)據(jù)修正模塊；所述建立交通仿真模型模塊包括交通特性理論模型和交通仿真軟件。
本發(fā)明中的一種建立城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)模型的方法，包括以下步驟 (A)利用數(shù)據(jù)采集模塊采集互通立交典型區(qū)內(nèi)基本路段、分/合流區(qū)、交織區(qū)和匝道的交通特性流數(shù)據(jù) (B)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)得出實際交通狀況的交通流特性數(shù)據(jù)； (C)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)標(biāo)定預(yù)測模型和仿真模型，建立預(yù)測模型；包括 (C-1)利用交通流特性理論模型對上述采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析； 對基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)和交織區(qū)的基本通行能力進(jìn)行理論分析根據(jù)采集到的分流區(qū)內(nèi)兩條車道上互相成跟弛狀態(tài)的車隊中前后兩輛車之間的飽和車頭時距，應(yīng)用公式(1-1)分別進(jìn)行分流區(qū)和合流區(qū)基本通行能力的計算 公式(1-1)中C——分/合流區(qū)通行能力，pcu/h.，

——平均最小車頭時距，s； 交織區(qū)的基本交通能力Ci＝3600·λi·max·mi (1-2) 公式(1-2)和公式(1-3)中 C——交織區(qū)總通行能力； Ci——第i車道的通行能力； λi·max——第i車道理想最大來車率，由公式和公式來確定，其中C0——每條車道的基本通行能力； mi——第i車道的有效空擋被利用的可能性大小，由公式(1-4)和公式(1-5)確定，
(C-2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)分別標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ桶? (1)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)對經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行標(biāo)定和修正，從而得到下列各區(qū)域的預(yù)測模型 互通立交分流區(qū)密度預(yù)測模型 KR＝0.484+0.00013QR+0.011Q12-0.0183LD(2-1) 互通立交分流區(qū)速度預(yù)測模型 VR＝VFF-(VFF-50)(1.15+0.0002QR-0.008VFR) (2-2) 互通立交合流區(qū)密度預(yù)測模型 KR＝1.1+0.0059QR+0.0074Q12-0.01278LA (2-3) 互通立交合流區(qū)速度預(yù)測模型 互通立交交織區(qū)交織速度預(yù)測模型 互通立交交織區(qū)非交織速度預(yù)測模型 (2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交通仿真模型的標(biāo)定； (D)利用評價分析模塊分別判斷上述標(biāo)定的交通仿真模型及預(yù)測模型與實際交通狀況的交通流特性相比較，其兩者的誤差為≤10％；若判斷結(jié)果返回假值，則返回上述步驟(C-2)，重新標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ?；若判斷結(jié)果返回真值，順序執(zhí)行下一步； (E)根據(jù)上述結(jié)果確定通行能力和服務(wù)水平，并通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出下列指標(biāo)確定基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力。
本發(fā)明中利用上述仿真設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行城市快速路互通立交選型的設(shè)計方法包括下列步驟 (1)根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預(yù)測交通量，對擬建設(shè)區(qū)交通量進(jìn)行轉(zhuǎn)向流量主次分析； (2)根據(jù)通過仿真模型得到基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力，初步確定互通立交的形式，該互通立交形式是下述幾種形式之一或下述幾種形式的任意組合 苜蓿葉、組合型I和組合型II； 所述組合型I為半定向和定向匝道的組合；所述組合型II為定向匝道組合； (3)利用下列公式得出上述所確定的互通立交形式的立交通行能力數(shù)據(jù) ——當(dāng)某方向的第一分流影響區(qū)與直行車道通行能力之和小于下游分流區(qū)與直行車道通行能力之和或交織區(qū)通行能力時，互通立交i方向的通行能力為第一分流區(qū)與直行車道通行能力之和，即
——當(dāng)下游有分流區(qū)時，若此方向的第一分流區(qū)與直行車道通行能力之和大于下游第二分流區(qū)與直行車道通行能力之和，互通立交i方向的通行能力為第二分流區(qū)通行能力、直行車道通行能力之和
——當(dāng)下游有交織區(qū)時，若此方向的第一分流影響區(qū)與直行車道通行能力之和大于下游進(jìn)入交織區(qū)的主線通行能力之和，互通立交i方向的通行能力為進(jìn)入交織區(qū)的主線通行能力 Ci＝C交織-ΔC匝道(3-3) ——最終分別得出每種互通立交形式整體的通行能力 上述公式(3-1)至公式(3-4)中，Ci為互通立交i方向的通行能力，單位為pcu/h；C分1、C分2、C交織分為i方向兩個分流區(qū)和交織區(qū)的通行能力，單位為pcu/h；C直i為第i直行車道最大通過量，當(dāng)分流區(qū)外側(cè)僅有一條直行車道時，考慮距離效應(yīng)，其最大通過量按照第二直行車道取值，單位為pcu/h；ΔC匝道為各交織流量比條件下的進(jìn)口匝道流量，單位為pcu/h； (4)根據(jù)擬建設(shè)區(qū)遠(yuǎn)景預(yù)測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進(jìn)行比較，判斷是否匹配，從而確定該擬建設(shè)區(qū)的互通立交設(shè)計方案。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是 (1)由于本發(fā)明用于城市快速路互通立交的仿真設(shè)計系統(tǒng)是在全面調(diào)研天津市快速路所有互通立交形式的基礎(chǔ)上，以典型立交形式為對象展開的有針對性的系統(tǒng)研究。最終建立了基于實測駕駛行為數(shù)據(jù)的交通流仿真平臺；探索出了互通立交通行能力分析的試驗方法；量化了不同互通立交方案的通行能力；提出了在城市快速路互通立交設(shè)計指標(biāo)合理取值范圍內(nèi)的建議值。
(2)本發(fā)明設(shè)計系統(tǒng)不僅可以提高城市快速路互通立交的設(shè)計水平，為大中型城市中大量待建交通項目的規(guī)劃、設(shè)計與交通管理提供了寶貴的經(jīng)驗與可靠的技術(shù)支撐，并為完善城市快速路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、城市快速路設(shè)計規(guī)程和城市道路交叉口設(shè)計規(guī)程提供了科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
(3)利用本發(fā)明的城市快速路互通立交的仿真設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計人員可以對不斷變化的交通量、駕駛行為、車輛組成等交通條件進(jìn)行互通立交的適應(yīng)性分析。本發(fā)明豐富和發(fā)展了當(dāng)前的立交設(shè)計方法與評價手段。



圖1是本發(fā)明用于城市快速路互通立交的仿真設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是利用圖1所示設(shè)計系統(tǒng)建立仿真模型的主流程圖； 圖3是利用圖1所示設(shè)計系統(tǒng)建立理論模型的交織區(qū)圖示圖； 圖4是利用圖2所示仿真模型進(jìn)行立交選型設(shè)計的流程； 圖5是選型設(shè)計實施例的路口交通流量圖； 圖6-1、圖6-2和圖6-3是圖4所示路口的互通立交的三種選型示意圖； 圖7是圖5所示路口立交交通流量圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖1所示，本發(fā)明城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、模型標(biāo)定模塊、評價分析模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊還與評價分析模塊相聯(lián)接在還包括分別與模型標(biāo)定模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊聯(lián)接的評價分析模塊，在評價分析模塊和模型標(biāo)定模塊之間還聯(lián)接有數(shù)據(jù)修正模塊；所述模型標(biāo)定模塊包括交通流特性理論模型和交通仿真軟件；所述交通流特性理論模型采用可穿插間隙理論及服務(wù)水平理論，所述交通仿真模型采用VISSIM軟件。所述數(shù)據(jù)采集模塊包括車輛磁映像交通分析儀、車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、攝像機和計算機；所述車輛磁映像交通分析儀采用NC-97型車輛磁映像交通分析儀，所述車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)采用MetroCount車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)。
利用上述城市快速路仿真設(shè)計系統(tǒng)確定通行能力和服務(wù)水平的包括以下步驟 (A)利用上述數(shù)據(jù)采集模塊采集互通立交典型區(qū)內(nèi)基本路段、分/合流區(qū)、交織區(qū)和匝道的有關(guān)數(shù)據(jù)。
包括以下數(shù)據(jù) ——交通流量、車速、車體長度，車頭時距和密度； ——車軸經(jīng)過傳感器的時刻的速度、流量、車頭時距、軸距和軸數(shù)； ——車輛的定位信息、行駛速度、時間和行駛軌跡； ——道路條件、轉(zhuǎn)向交通量、交通組成以及主線和匝道交織過程、車輛換車道位置； ——典型車輛的加減速度特性和典型區(qū)內(nèi)各種匝道上車輛速度變化特性； ——利用全球定位系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理程序截取任意時間段的數(shù)據(jù)，剔除無效數(shù)據(jù)后，生成坐標(biāo)和時間數(shù)據(jù)；根據(jù)該坐標(biāo)和時間數(shù)據(jù)作出車輛行駛軌跡的CAD圖； (B)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)得出實際交通狀況的交通流特性數(shù)據(jù)。
所述交通特性數(shù)據(jù)包括諸如車速、流量、車頭時距和密度等； (C)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ?例如該仿真模型采用VISSIM模型)，建立預(yù)測模型；其中 (C-1)利用交通流特性理論模型對上述采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析。
該交通流特性理論模型可以采用現(xiàn)有技術(shù)中成熟的模型，如可以采用可穿插間隙理論及服務(wù)水平理論；所述理論分析通常是對基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)和交織區(qū)的基本通行能力進(jìn)行理論分析包括(1)進(jìn)行分流區(qū)和合流區(qū)基本通行能力的計算；(2)通過交織區(qū)的基本通行能力得出交織區(qū)總通行能力；其過程如下 根據(jù)采集到的分流區(qū)內(nèi)兩條車道上互相成跟弛狀態(tài)的車隊中前后兩輛車之間的飽和車頭時距，應(yīng)用下述公式(1-1)分別進(jìn)行分流區(qū)和合流區(qū)基本通行能力的計算 公式(1-1)中C——分\合流區(qū)通行能力，pcu/h.，

——平均最小車頭時距，s；交織區(qū)的基本交通能力Ci＝3600·λi·max·mi (1-2) 公式(1-2)和公式(1-3)中 C——交織區(qū)總通行能力； Ci——第i車道的通行能力； λi·max——第i車道理想最大來車率，由公式和公式來確定，其中C0——每條車道的基本通行能力； mi——第i車道的有效空擋被利用的可能性大小，由公式(1-4)和公式(1-5)確定，
參照圖3對以上公式(1-4)和公式(1-5)中的參數(shù)說明如下 記AX車道為編號1車道，BY車道編號為2車道； 記Q1為1車道流量，r1為1車道上交織車輛占Q1的比例，

為1車道車流可能接受的相鄰車道上的交織流率；相應(yīng)地，Q2、r2、

分別為2車道的流量、2車道上交織車輛占Q2的比例、2車道車流可能接受的相鄰車道上的交織流率。
(C-2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)分別標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ汀０? (1)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)對經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行標(biāo)定和修正，從而得出下列各區(qū)域的預(yù)測模型； (2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交通仿真模型的標(biāo)定。
其中各區(qū)域預(yù)測模型如下 互通立交分流區(qū)密度預(yù)測模型 KR＝0.484+0.00013QR+0.011Q12-0.0183LD(2-1) 互通立交分流區(qū)速度預(yù)測模型 VR＝VFF-(VFF-50)(1.15+0.0002QR-0.008VFR) (2-2) 互通立交合流區(qū)密度預(yù)測模型 KR＝1.1+0.0059QR+0.0074Q12-0.01278LA (2-3) 互通立交合流區(qū)速度預(yù)測模型 互通立交交織區(qū)交織速度預(yù)測模型 互通立交交織區(qū)非交織速度預(yù)測模型 上述公式(2-1)至公式(2-6)中 KR——分流區(qū)與合流區(qū)密度，pcu/km/ln Q——交織區(qū)總流量，pcu/h QR——匝道流量，pcu/h Q12——主線外側(cè)兩車道流量，pcu/h L——交織區(qū)長度，m LA——加速車道長度，m LD——減速車道長度，m VR——分流區(qū)與合流區(qū)速度，km/h VFF——主線自由流速度，km/h VFR——匝道自由流速度，km/h VW——非交織速度，km/h N——交織區(qū)車道數(shù)； (D)利用評價分析模塊分別判斷上述預(yù)測模型和標(biāo)定的交通仿真模型與實際交通狀況的交通流特性相比較，即以上計算結(jié)果通過實測數(shù)據(jù)驗證，模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的差值均在可接受的范圍內(nèi)，其兩者的誤差應(yīng)≤10％；若兩者的誤差超過10％，則返回上述步驟(C-2)，重新標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ?；若兩者的誤差≤10％，則上述標(biāo)定后的模型可應(yīng)用于該城市快速路互通立交區(qū)的速度和密度預(yù)測； (E)根據(jù)上述結(jié)果確定通行能力和服務(wù)水平，通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出下列指標(biāo)確定基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力。
實施例一 利用本發(fā)明設(shè)計系統(tǒng)通過對天津互通立交典型區(qū)內(nèi)通行能力理論分析與對仿真模型的標(biāo)定和修正，得出針對天津快速路基本路段，互通立交分/合流區(qū)、交織區(qū)、各類典型匝道和互通立交整體的通行能力值，可以作為天津互通立交選型、方案確定的決策支持，有關(guān)互通立交形式的通行能力推薦值見表1至表5。表1快速路基本路段通行能力推薦表 表2互通立交分/合流影響區(qū)理論通行能力推薦表
表3互通立交五車道交織區(qū)通行能力推薦表 表4各類型匝道通行能力推薦表
表5互通立交整體通行能力推薦表
由互通立交各組成部分的交通流統(tǒng)計模型，并結(jié)合服務(wù)質(zhì)量衡量指標(biāo)與服務(wù)水平的判定方法，本發(fā)明可以確定快速路基本路段、互通立交分/合流區(qū)和交織區(qū)在標(biāo)準(zhǔn)條件下的服務(wù)水平分級統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而充實、完善現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，本發(fā)明所確定的服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)見表6。 表6基本路段、互通立交分/合流區(qū)和交織區(qū)服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)
綜上所述，利用本發(fā)明設(shè)計系統(tǒng)通過對城市快速路典型互通立交區(qū)觀測，收集到了快速路基本路段，互通立交分/合流區(qū)、交織區(qū)和各種匝道的交通流特征參數(shù)；建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫及通行能力理論分析模型；對確定服務(wù)水平的速度和密度經(jīng)驗?zāi)Ｐ图右詷?biāo)定和修正；建立適合該城市快速路互通立交交通流特性的通行能力分析模型。并以該模型指導(dǎo)城市快速路互通立交選型的設(shè)計。
利用上述的本發(fā)明設(shè)計系統(tǒng)所對應(yīng)的通行能力和服務(wù)水平，指導(dǎo)互通立交選型的方法包括以下步驟 (1)根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預(yù)測交通量，對擬建設(shè)區(qū)交通量進(jìn)行轉(zhuǎn)向流量主次分析； (2)根據(jù)通過仿真模型得到基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力，初步確定互通立交的形式，該互通立交形式是下述幾種形式之一或下述幾種形式的任意組合 苜蓿葉、組合型I和組合型II； 所述組合型I為半定向和定向匝道的組合；所述組合型II為定向匝道組合； (3)利用下列公式得出上述所確定的互通立交形式的立交通行能力數(shù)據(jù) ——當(dāng)某方向的第一分流影響區(qū)與直行車道通行能力之和小于下游分流區(qū)與直行車道通行能力之和或交織區(qū)通行能力時，互通立交i方向的通行能力為第一分流區(qū)與直行車道通行能力之和，即
——當(dāng)下游有分流區(qū)時，若此方向的第一分流區(qū)與直行車道通行能力之和大于下游第二分流區(qū)與直行車道通行能力之和，互通立交i方向的通行能力為第二分流區(qū)通行能力、直行車道通行能力之和
——當(dāng)下游有交織區(qū)時，若此方向的第一分流影響區(qū)與直行車道通行能力之和大于下游進(jìn)入交織區(qū)的主線通行能力之和，互通立交i方向的通行能力為進(jìn)入交織區(qū)的主線通行能力 Ci＝C交織-ΔC匝道 (3-3) ——最終分別得出每種互通立交形式整體的通行能力 上述公式(3-1)至公式(3-4)中，Ci為互通立交i方向的通行能力，單位為pcu/h；C分1、C分2、C交織分為i方向兩個分流區(qū)和交織區(qū)的通行能力，單位為pcu/h；C直i為第i直行車道最大通過量，當(dāng)分流區(qū)外側(cè)僅有一條直行車道時，考慮距離效應(yīng)，其最大通過量按照第二直行車道取值，單位為pcu/h；ΔC匝道為各交織流量比條件下的進(jìn)口匝道流量，單位為pcu/h； (4)根據(jù)擬建設(shè)區(qū)遠(yuǎn)景預(yù)測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進(jìn)行比較，判斷是否匹配，從而確定該擬建設(shè)區(qū)的互通立交設(shè)計方案。
所述初步確定互通立交形式時，包括下述情形 (1)匝道形式的選擇立交選型時應(yīng)依據(jù)預(yù)測交通量對各個轉(zhuǎn)向交通進(jìn)行分析，并結(jié)合城市周邊地形及關(guān)鍵控制點布設(shè)立交。左轉(zhuǎn)匝道形式的選擇決定了立交的形式，應(yīng)根據(jù)匝道預(yù)測交通量的大小和服務(wù)水平的高低，依次選用定向匝道、半定向匝道和環(huán)形匝道，同時匝道的平縱線形指標(biāo)應(yīng)與交通量相適應(yīng)，交通量大、大車混入率高的匝道應(yīng)具有較高的平縱線形指標(biāo)。
(2)交織區(qū)的選用在立交選型時應(yīng)盡量減少交織區(qū)。設(shè)計時，可根據(jù)交通需求對全苜蓿葉型立交進(jìn)行靈活的變化，將環(huán)形匝道呈對角形式布置在兩個象限內(nèi)，另外的象限按照交通量由大到小的次序，宜采用定向和半定向匝道。
如受地形限制必須布設(shè)交織區(qū)時，應(yīng)保證交織區(qū)交織流量比不高于0.2。若將交織區(qū)與主線采用硬分隔，應(yīng)保證轉(zhuǎn)向交通量和交織流量比均較小，同時注重與快速路連接部的處理，采用單一進(jìn)出口，通過分/合流的形式進(jìn)出主線，提高該路段的主線通行能力。
所述初步確定互通立交形式時，匝道設(shè)計指標(biāo)如下 (1)左轉(zhuǎn)(半)定向匝道考慮允許超車，防止部分低速車輛在匝道上壓車對匝道的通行能力產(chǎn)生影響，對于長距離、大縱坡、高標(biāo)高的匝道應(yīng)設(shè)置成雙車道。設(shè)置條件為長度超過300m的(半)定向匝道，交通量大于600pcu/h，且大中型車混入率不低于20％。同時考慮安全問題，匝道匯流處劃線設(shè)置為單車道入口。
(2)環(huán)形匝道環(huán)形匝道的布設(shè)對立交的占地影響較大，應(yīng)在滿足車輛安全高效通行的前提下減少立交對城市用地的影響，因此建議環(huán)形匝道平曲線半徑取低值，R＝50m，環(huán)形匝道設(shè)計車速取40km/h。
(3)右轉(zhuǎn)匝道S型右轉(zhuǎn)匝道速度高于設(shè)計速度，同時和標(biāo)準(zhǔn)型右轉(zhuǎn)匝道相比，其通行能力相差不多，在用地限制時推薦采用。
(4)匝道合流兩條匝道匯流成一條匝道時，車道減少導(dǎo)致車輛搶道行駛，易造成匝道擁堵。建議匝道合流后車道數(shù)不變，同時注重下游匝道與主線連接處的處理，保證車道平衡。
實施例二一城市快速路互通立交選型設(shè)計 根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預(yù)測交通量，對擬建設(shè)區(qū)內(nèi)兩條雙向8車道城市快速路相交處交通量進(jìn)行轉(zhuǎn)向流量主次分析擬建立互通立交的該處路口2026年規(guī)劃預(yù)測遠(yuǎn)景交通量所圖5所示。
根據(jù)通過仿真模型得到基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力，初步確定互通立交的形式，該互通立交形式有下述幾種方案備選 方案一組合型I，如圖6-1所示，該方案將環(huán)形匝道呈對角形式布置在兩個象限內(nèi)，另外的象限按照交通量由大到小的次序，宜采用定向和半定向匝道。立交只有分流和合流區(qū)，沒有交織區(qū)。該方案造價估算為36000萬元。
方案二為苜蓿葉型立交，如圖6-2所示，該方案中的四個象限均為環(huán)形匝道。立交有四處交織區(qū)。該方案造價估算為23000萬元。
方案三為組合型I立交，如圖6-3所示，該方案將兩個環(huán)形匝道布置在一個方向，同時將兩個主要流向做成半定向匝道。該方案造價估算為32000萬元。
利用前述的公式(3-1)至公式(3-5)分別計算上述三個初選方案的立交總通行能力 上述方案一的立交總通行能力為25620pcu/h；上述方案二的立交總通行能力為23905pcu/h；上述方案三的立交總通行能力為30790pcu/h。
按照預(yù)測擬建立交處2026年路口總的交通量為17843pcu/h，如圖7所示該處總的交通流量＝(B+C+E+H)Pcu/h或(A+D+F+G)Pcu/h；其中A＝M1+M2+M3；B＝M4+M5+M9；C＝M2+M7+M11；D＝M8+M9+M10；E＝M1+M6+M10；F＝M4+M12+M11；G＝M5+M6+M7；H＝M3+M8+M12。
根據(jù)該預(yù)測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進(jìn)行比較，判斷是否匹配，從而確定一套切實可行的互通立交的設(shè)計方案。經(jīng)驗算，三個方案立交總交通量均大于擬建立交處2026年路口預(yù)測交通量。其中，方案二最為接近?？紤]預(yù)測交通量的不確定性，將預(yù)測擬建立交處的交通總量上浮20％后為21412pcu/h，該值小于方案二立交總通行能力23905pcu/h，而且方案二中立交各部分均可滿足轉(zhuǎn)向交通的需求。因此將方案二作為該處路口的推薦方案。另外，方案二造價分別較方案一減少13000萬元，較方案三減少9000萬元。因此，認(rèn)為方案二為相對較理想的選型設(shè)計方案。
利用本發(fā)明設(shè)計系統(tǒng)，根據(jù)互通立交區(qū)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，已對天津市快速路互通立交進(jìn)行了仿真模型參數(shù)標(biāo)定。其標(biāo)定內(nèi)容包括車輛分車道分車型期望速度、合流區(qū)加速車道車輛換車道模型、交織區(qū)集散車道車輛換車道模型、典型車輛加減速特性等。經(jīng)過實測值與仿真值的誤差分析結(jié)果顯示，仿真模型不僅具有很好的穩(wěn)定性，而且與實際的交通流狀態(tài)吻合較好，完全可以作為互通立交區(qū)的交通分析平臺，直接用于天津市快速路系統(tǒng)的交通分析。交通流仿真實驗平臺的建立，可對擬建互通立交的服務(wù)水平進(jìn)行分析，直觀再現(xiàn)未來的交通運行狀況，以發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計缺陷，便于針對問題提出改進(jìn)措施。這對于節(jié)約公路建設(shè)投資、提高設(shè)施使用效能和挖掘現(xiàn)有交通設(shè)施的潛力，無疑具有十分重要的現(xiàn)實意義。當(dāng)然，在本發(fā)明的基礎(chǔ)上經(jīng)過調(diào)整修正系數(shù)，可以廣泛應(yīng)用于城市快速路的設(shè)計中。
另外，值得關(guān)注的是大車的速度主要受縱坡影響，而且大車運行將對其他車輛造成延誤。因此在立交設(shè)計中應(yīng)重視對大車混入率的分析，對于大車混入率過高的方向適當(dāng)提高平縱標(biāo)準(zhǔn)，以提高該處通行能力。還有，互通立交的出口應(yīng)設(shè)置在容易識別處，同一方向的左、右轉(zhuǎn)宜設(shè)置統(tǒng)一出口，即立交同一方向的出入口應(yīng)唯一。如同一方向的左、右轉(zhuǎn)出入口受地形、工程量的影響不能一同出入時，應(yīng)保證第一出口為右轉(zhuǎn)，第二出口為左轉(zhuǎn)，并設(shè)置合理的交通標(biāo)志及時提示。
盡管結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了上述描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之列。
權(quán)利要求
1.一種城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、模型標(biāo)定模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，其特征在于，還包括分別與模型標(biāo)定模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊聯(lián)接的評價分析模塊，在評價分析模塊和模型標(biāo)定模塊之間還聯(lián)接有數(shù)據(jù)修正模塊；所述建立交通仿真模型模塊包括交通流特性理論模型和交通仿真軟件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集模塊包括車輛磁映像交通分析儀、車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、攝像機和計算機；所述車輛磁映像交通分析儀采用NC-97型車輛磁映像交通分析儀，所述車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)采用MetroCount車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)。
3.一種建立城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)模型的方法，其特征在于，利用如權(quán)利要求3所述的仿真設(shè)計系統(tǒng)建立模型的方法包括以下步驟
(A)利用數(shù)據(jù)采集模塊采集典型區(qū)內(nèi)互通立交基本路段、分/合流區(qū)、交織區(qū)和匝道的如下數(shù)據(jù)
——交通流量、車速、車體長度，車頭時距和密度；
——車軸經(jīng)過傳感器的時刻的速度、流量、車頭時距、軸距和軸數(shù)；
——車輛的定位信息、行駛速度、時間和行駛軌跡；
——道路條件、轉(zhuǎn)向交通量、交通組成以及主線和匝道交織過程、車輛換車道位置；
——典型車輛的加減速度特性和擬建設(shè)區(qū)內(nèi)各種匝道上車輛速度變化特性；
——利用全球定位系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理程序截取任意時間段的數(shù)據(jù)，剔除無效數(shù)據(jù)后，生成坐標(biāo)和時間數(shù)據(jù)；根據(jù)該坐標(biāo)和時間數(shù)據(jù)作出車輛行駛軌跡的CAD(B)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)得出實際交通狀況的交通流特性數(shù)據(jù)；
(C)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ?，建立預(yù)測模型，包括
(C-1)利用交通流特性理論模型對上述采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析；
——對基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)和交織區(qū)的基本通行能力進(jìn)行理論分析
根據(jù)采集到的分流區(qū)內(nèi)兩條車道上互相成跟弛狀態(tài)的車隊中前后兩輛車之間的飽和車頭時距，應(yīng)用公式(1-1)分別進(jìn)行分流區(qū)和合流區(qū)基本通行能力的計算
公式(1-1)中C——分/合流區(qū)通行能力，pcu/h.，
——平均最小車頭時距，s；
交織區(qū)(一型)的基本通行能力Ci＝3600·λi·max·mi(1-2)
公式(1-2)和公式(1-3)中
C——交織區(qū)總通行能力；
Ci——第i車道的通行能力；
λi·max——第i車道理想最大來車率，由公式和公式來確定，其中C0——每條車道的基本通行能力；
mi——第i車道的有效空擋被利用的可能性大小，由公式(1-4)和公式(1-5)確定，
(C-2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)分別標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ桶?br> (1)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)對經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行標(biāo)定和修正，從而得出下列各區(qū)域的預(yù)測模型
互通立交分流區(qū)密度預(yù)測模型
KR＝0.484+0.00013QR+0.011Q12-0.0183LD(2-1)
互通立交分流區(qū)速度預(yù)測模型
VR＝VFF-(VFF-50)(1.15+0.0002QR-0.008VFR) (2-2)
互通立交合流區(qū)密度預(yù)測模型
KR＝1.1+0.0059QR+0.0074Q12-0.01278LA (2-3)
互通立交合流區(qū)速度預(yù)測模型
互通立交交織區(qū)交織速度預(yù)測模型
互通立交交織區(qū)非交織速度預(yù)測模型
上述公式(2-1)至公式(2-6)中
KR——分流區(qū)與合流區(qū)密度，pcu/km/ln
Q——交織區(qū)總流量，pcu/h
QR——匝道流量，pcu/h
Q12——主線外側(cè)兩車道流量，pcu/h
L——交織區(qū)長度，m
LA——加速車道長度，m
LD——減速車道長度，m
VR——分流區(qū)與合流區(qū)速度，km/h
VFF——主線自由流速度，km/h
VFR——匝道自由流速度，km/h
VW——非交織速度，km/h
N——交織區(qū)車道數(shù)；
(2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交通仿真模型的標(biāo)定；
(D)利用評價分析模塊分別判斷上述預(yù)測模型和標(biāo)定的交通仿真模型與實際交通狀況的交通流特性相比較，其兩者的誤差為≤10％；
若判斷結(jié)果返回假值，則返回上述步驟(C-2)，重新標(biāo)定經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ停?br> 若判斷結(jié)果返回真值，順序執(zhí)行下一步；
(E)根據(jù)上述結(jié)果確定通行能力和服務(wù)水平，并通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出下列指標(biāo)確定基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力。
4.一種利用如權(quán)利要求3所述的仿真設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行城市快速路互通立交選型的設(shè)計方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預(yù)測交通量，對擬建設(shè)區(qū)交通量進(jìn)行轉(zhuǎn)向流量主次分析；
(2)根據(jù)通過仿真模型得到基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力，初步確定互通立交的形式，該互通立交形式是下述幾種形式之一或下述幾種形式的任意組合
苜蓿葉、組合型I和組合型II；
所述組合型I為半定向和定向匝道的組合；所述組合型II為定向匝道組合；
(3)利用下列公式得出上述所確定的互通立交形式的立交通行能力數(shù)據(jù)
——當(dāng)某方向的第一分流影響區(qū)與直行車道通行能力之和小于下游分流區(qū)與直行車道通行能力之和或交織區(qū)通行能力時，互通立交i方向的通行能力為第一分流區(qū)與直行車道通行能力之和，即
——當(dāng)下游有分流區(qū)時，若此方向的第一分流區(qū)與直行車道通行能力之和大于下游第二分流區(qū)與直行車道通行能力之和，互通立交i方向的通行能力為第二分流區(qū)通行能力、直行車道通行能力之和
——當(dāng)下游有交織區(qū)時，若此方向的第一分流影響區(qū)與直行車道通行能力之和大于下游進(jìn)入交織區(qū)的主線通行能力之和，互通立交i方向的通行能力為進(jìn)入交織區(qū)的主線通行能力
Ci＝C交織-ΔC匝道(3-3)
——最終分別得出每種互通立交形式整體的通行能力
上述公式(3-1)至公式(3-4)中，Ci為互通立交i方向的通行能力，單位為pcu/h；C分1、C分2、C交織分為i方向兩個分流區(qū)和交織區(qū)的通行能力，單位為pcu/h；C直i為第i直行車道最大通過量，當(dāng)分流區(qū)外側(cè)僅有一條直行車道時，考慮距離效應(yīng)，其最大通過量按照第二直行車道取值，單位為pcu/h；ΔC匝道為各交織流量比條件下的進(jìn)口匝道流量，單位為pcu/h；
(4)根據(jù)擬建設(shè)區(qū)遠(yuǎn)景預(yù)測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進(jìn)行比較，判斷是否匹配，從而確定該擬建設(shè)區(qū)的互通立交設(shè)計方案。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的互通立交選型的設(shè)計方法，其特征在于所述初步確定互通立交形式時，包括下述情形
(1)匝道形式的選擇依次選用定向匝道、半定向匝道和環(huán)形匝道，同時匝道的平縱線形指標(biāo)與交通量相適應(yīng)；
(2)交織區(qū)的選用根據(jù)交通需求對全苜蓿葉型立交中的環(huán)形匝道呈對角形式布置在兩個象限內(nèi)，另外的象限按照交通量由大到小的次序，采用定向和半定向匝道。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的互通立交選型的設(shè)計方法，其特征在于所述初步確定互通立交形式時，匝道設(shè)計指標(biāo)如下
1)左轉(zhuǎn)半定向匝道對于長距離、大縱坡、高標(biāo)高的匝道應(yīng)設(shè)置成雙車道；設(shè)置條件為長度超過300m的半定向匝道，交通量大于600pcu/h，且大中型車混入率不低于20％；匝道匯流處劃線設(shè)置為單車道入口；
2)環(huán)形匝道環(huán)形匝道平曲線半徑R＝50m，環(huán)形匝道設(shè)計車速取40km/h；
3)右轉(zhuǎn)匝道用地限制時，選擇S型右轉(zhuǎn)匝道；
4)匝道合流兩條匝道匯流成一條匝道時，匝道合流后車道數(shù)不變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種城市快速路互通立交仿真設(shè)計系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、模型標(biāo)定和數(shù)據(jù)輸出模塊，分別與模型標(biāo)定和數(shù)據(jù)輸出模塊聯(lián)接的評價分析模塊，在評價分析和模型標(biāo)定模塊之間還聯(lián)接有數(shù)據(jù)修正模塊。同時還公開了利用上述設(shè)計系統(tǒng)建立設(shè)計模型的方法，包括收集典型快速路基本路段，互通立交分/合流區(qū)、交織區(qū)和各種匝道的交通流特征參數(shù)；建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫及通行能力理論分析模型；對確定服務(wù)水平的速度和密度經(jīng)驗?zāi)Ｐ图右詷?biāo)定和修正；建立適合該城市快速路互通立交交通流特性的通行能力分析模型。最終，以該設(shè)計模型指導(dǎo)城市快速路互通立交選型的設(shè)計，包括分析預(yù)測交通量、提出初步方案、計算立交通行能力，分析適應(yīng)性，選定合理方案。
文檔編號G06F17/50GK101246513SQ20081005247
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者王曉華, 朱兆芳, 偉 曾, 邱志明, 周榮貴, 靖 方, 建 周, 剛 董, 趙建偉, 王新歧 申請人:天津市市政工程設(shè)計研究院