專利名稱：基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)道路縱坡度設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于港區(qū)道路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種港區(qū)道路縱坡度設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
線形設(shè)計(jì)是港區(qū)道路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，線形設(shè)計(jì)的好壞是港區(qū)道路總體設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì) 質(zhì)量高低的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?？v斷面線形設(shè)計(jì)是港區(qū)道路線形設(shè)計(jì)的重要組成部分，縱斷面 線形的設(shè)計(jì)質(zhì)量很大程度上決定著道路行車的安全性和道路的使用功能。港口的地理位置比較特殊，一股是多條道路的起點(diǎn)或終點(diǎn)，同時(shí)又是大宗貨物和 客流的集散中心，與之關(guān)聯(lián)的港區(qū)內(nèi)外道路的交通特性有別于一股城市道路。港區(qū)道路縱 斷面平面線形設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)港區(qū)道路交通特點(diǎn)對(duì)各種線形比例進(jìn)行優(yōu)化組合，對(duì)各種 線形參數(shù)進(jìn)行合理選擇，最終設(shè)計(jì)出一條適合港區(qū)道路的縱斷面線形。港口由于地理位置 及功能的特殊性，與之關(guān)聯(lián)的港區(qū)道路的交通特性有別于一股城市道路，主要體現(xiàn)在以下 幾個(gè)方面1)港區(qū)交通構(gòu)成大、中型車輛比例高。港內(nèi)道路交通構(gòu)成明顯不同于城市道路， 城市道路交通的人包括行人與駕駛員，而在港區(qū)交通則主要指駕駛員，港區(qū)道路中車輛構(gòu) 成也明顯不同于城市道路，港區(qū)道路車輛主要包括集裝箱卡車、大中型貨車等，其比例常達(dá) 到八成以上，而城市道路車輛則以小型車為主。港區(qū)道路交通構(gòu)成明顯不同于城市道路的 特點(diǎn)，要求在港區(qū)道路縱斷面線形的設(shè)計(jì)中要考慮到港區(qū)道路人、車、路的因素對(duì)各種控制 參數(shù)的影響，通過對(duì)行駛車輛的受力分析，合理調(diào)整曲線半徑、長度等各種線形參數(shù)來滿足 港區(qū)道路車輛對(duì)行車安全及舒適性的要求。2)港區(qū)道路車速較快。港區(qū)內(nèi)的車輛運(yùn)行規(guī)律和特性很大程度由港區(qū)內(nèi)作業(yè)流 程及其運(yùn)輸需要決定的。由于港區(qū)車輛運(yùn)輸貨物具有很強(qiáng)的時(shí)效要求，因此其車輛速度構(gòu) 成和城市道路有明顯不同，以天津港新港四號(hào)路為例，根據(jù)交通調(diào)查數(shù)據(jù)，車輛平均車速 46. 2km/h,比天津市區(qū)平車車速高出約30%。這要求在對(duì)港區(qū)道路縱斷面線形設(shè)計(jì)時(shí)，合理 的調(diào)整各種線形參數(shù)，特別考慮在車輛速度較高高時(shí)對(duì)道路線形安全性的要求。車型和車速是道路彎道線形設(shè)計(jì)中重要影響因素，由于港區(qū)道路在上述兩個(gè)方面 的特殊性，因此實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要著重考慮。與城市道路的縱坡面線形規(guī)劃設(shè)計(jì)的著重 區(qū)點(diǎn)是設(shè)計(jì)沿線縱坡大小及坡段長度；選定滿足行車技術(shù)要求的豎曲線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，結(jié)合港區(qū)交通特點(diǎn)，提出一種港口貨 運(yùn)專用道路縱坡度設(shè)計(jì)方法，為此本發(fā)明采用的方案如下一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)道路縱坡度設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟第一步初步確定所要設(shè)計(jì)縱坡坡度的上限值取值范圍；第二步從車輛的動(dòng)力性能、自然環(huán)境和駕駛員的心理特征出發(fā)，得到港區(qū)車輛的 行駛特性，具體步驟如下
(1)求解重型拖掛車各個(gè)檔位下的最大爬坡坡度選取一種典型的重型拖掛車，利用公式、ax [(^^^-^eFPVG-/求得該種
車輛在各個(gè)檔位下所能行駛的最大坡度，式中，imax為車輛在第k個(gè)檔位；即變速比為ik時(shí) 能行駛的最大坡度值為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭矩；ik為不同檔位下的變速比；、為主傳動(dòng)器的減 速比；ηΜ為機(jī)械效率；rk為輪胎半徑；K為空氣阻力系數(shù)；F為車輛在縱軸垂直平面上的投 影面積；V為汽車時(shí)速；G為車輛的載重；f為地面的滾動(dòng)摩擦力系數(shù)；(2)求解重型拖掛車各個(gè)檔位下的最大車速利用公式〔ax求得重型拖掛車各個(gè)檔位下的最大車速，式中，
Vo
Vmax為rk為在第k個(gè)檔位；即變速比為ik時(shí)能行駛的最大車速輪胎半徑；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)； I0為主減速比；ik為不同檔位下的變速比；(3)考慮自然環(huán)境對(duì)車速的影響設(shè)ρ為路況對(duì)車速的影響系數(shù)，利用公式V' max = VmaxP得到車輛在路況較差時(shí) 在各個(gè)檔位下所能行駛的最大速度；(4)依據(jù)車輛性能對(duì)車輛的爬坡坡度與最大車速進(jìn)行匹配設(shè)定駕駛員在車輛爬坡時(shí)選取能夠以最大車速行駛并能保證車輛上坡的檔位行 駛，依據(jù)車輛性能對(duì)車輛的爬坡坡度與最大車速進(jìn)行匹配，得到車輛行駛規(guī)則，其中的最大 車速選用車輛在路況較差時(shí)在各個(gè)檔位下所能行駛的最大速度。
(5)基于駕駛員的心理特征確定車輛在縱坡上行駛的加速度 根據(jù)下列公式確定駕駛員在坡路上行駛的跟馳加速度
關(guān)-n
式中l(wèi)、m、γ為經(jīng)驗(yàn)取值，為常數(shù)；i表示坡度值；g為重力加速度；A1為修正系 數(shù);Vn(t)、Vn+1 (t)分別為第η輛與第η+1輛車的速度;Sn(t)、Sn+1 (t)分別為第η輛與第η+1 輛車的位置；λ2為坡度對(duì)跟馳行駛的影響程度，值的選取分為兩種情況1)當(dāng)汽車上坡 時(shí)，且sign (Vn-Vn+1) = 1，λ2為負(fù)的常數(shù)；sign(Vn-Vn+1) = -1時(shí)，λ2為正的常數(shù)，2)汽車 下坡時(shí)，不論何時(shí)，λ 2均為正的常數(shù)；第三步建立元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型將元胞的長度設(shè)計(jì)為lm，加、減速度可為多個(gè) 元胞的長度，確定基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)車輛縱坡行駛仿真模型的跟馳規(guī)則1)力卩速規(guī)貝丨J 如果 V(t) ^ Vmax,則 V(t+1) = min(Vmax, V+a),且2)減速規(guī)則根據(jù)下列公式計(jì)算車輛的安全間距 = A +1.6Γ + f - 0.1Γ - f，式中，V和a_為當(dāng)前車輛的速度和所能達(dá)到的最大
maxmax
加速度，V'和a' _為前導(dǎo)車的速度和所能達(dá)到的最大加速度；3)隨機(jī)規(guī)則在概率 ρ 下，V(t+1) = max (0, V(t+1)-1)，；4)位移規(guī)則:x (t+1) = χ (t) +V (t+1)。
第四步確定基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)車輛縱坡行駛仿真模型的換道規(guī)則1)當(dāng)前車輛與前導(dǎo)車輛的距離(d)小于最大速度(Vmax)，即d < Vfflax ；2)當(dāng)前車輛與前導(dǎo)車輛的距離(d)不足以使車輛再加速，即d < V+a ；3)當(dāng)前車輛與旁邊道路的前方車輛的距離(D。thJ大于d且大于或等于Vmax，即
D0ther〉山 DotJier ^ Vmax ‘4)當(dāng)前車輛與旁邊道路的后方車輛的距離(Dbadt)大于安全距離(Dsafe)，即Dbadt >
DSafe 0第五步簡化港區(qū)車輛的車型，并將各種車輛換算為單一車種，再根據(jù)第二步確定 的港區(qū)車輛的行駛特性以及第三步和第四步建立的元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，通過控制縱坡坡 度值參數(shù)，對(duì)港區(qū)的交通進(jìn)行仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，考察設(shè)計(jì)方案是否能到達(dá)通行能 力的要求；第六步若不能達(dá)到要求，則重新選擇縱坡坡度值，返回第二步，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要 求。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)充分考慮了港區(qū)交通的主要參與者_(dá)重型拖掛車的車身長、車型大和爬坡性 能較差的特點(diǎn)，從研究重型拖掛車的動(dòng)力性能出發(fā)設(shè)計(jì)縱坡度，從而使本發(fā)明區(qū)別于城市 縱斷面線形設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的針對(duì)性；(2)自然環(huán)境對(duì)車輛在縱坡路段的行駛有較大的影響，加入環(huán)境對(duì)車輛行駛的影 響因素后，能夠使本發(fā)明成果對(duì)北方港區(qū)城市和南方港區(qū)城市的縱坡度設(shè)計(jì)加以區(qū)別；(3)本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法所依據(jù)的仿真模型，在跟馳、換道規(guī)則的設(shè)計(jì)上考慮了 港區(qū)駕駛員上坡時(shí)的心理特點(diǎn)，具有相當(dāng)?shù)恼鎸?shí)性。


圖1基于元胞自動(dòng)機(jī)仿真的港區(qū)道路縱坡度設(shè)計(jì)框架。圖2各檔車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的關(guān)系。圖3時(shí)空?qǐng)D(縱坡2% )。圖4時(shí)空?qǐng)D(縱坡2.5% )。圖5時(shí)空?qǐng)D(縱坡3% )。圖6時(shí)空?qǐng)D(縱坡3.5%)。圖7時(shí)空?qǐng)D(縱坡4% )。
具體實(shí)施例方式車輛的爬坡能力與車輛的動(dòng)力性能有直接的關(guān)系，因此在對(duì)港區(qū)道路的縱坡坡度 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮港區(qū)車輛的特殊性。此外，自然環(huán)境因素的好惡也能影響車輛爬坡 的車速，從而對(duì)港區(qū)縱坡坡度的最大值進(jìn)行限定時(shí)也要充分考慮港區(qū)所在城市的自然環(huán) 境。本設(shè)計(jì)通過對(duì)車輛性能、自然環(huán)境和駕駛員心理的不同特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出一種基于元 胞自動(dòng)機(jī)的港口貨運(yùn)專用道路縱坡坡度設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，主要步驟有1.分析要設(shè)計(jì)的道路的所在交通環(huán)境、道路等級(jí)要求、主要車輛的類型、性能及比 例；
2.根據(jù)上述信息，初步確定所要設(shè)計(jì)縱坡坡度的上限值取值范圍；3.從車輛的動(dòng)力性能、自然環(huán)境和駕駛員的心理特征出發(fā)，得到港區(qū)車輛的行駛 特性車輛的動(dòng)力性能約束了車輛的最大爬坡坡度與速度，自然環(huán)境進(jìn)一步影響了車輛的 行駛速度，從駕駛員的心理特征出發(fā)研究其跟馳加速度；4.建立元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型由上述分析確定車輛在不同坡度縱坡上的最大車 速，加、減速度，再設(shè)計(jì)車輛的跟馳規(guī)則和換道規(guī)則；5.簡化港區(qū)車輛的車型，并將各種車輛換算為單一車種，再根據(jù)第二步確定的港 區(qū)車輛的行駛特性以及第三步和第四步建立的元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，通過控制縱坡坡度值 參數(shù)，對(duì)港區(qū)的交通進(jìn)行仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，考察設(shè)計(jì)方案是否能到達(dá)通行能力的 要求；6.若不能達(dá)到要求，則返回2，重新選擇縱坡坡度值進(jìn)行仿真，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要 求。下面對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。由于拖掛車的載重較大，與一股汽車相比其爬坡性能較差，而港區(qū)交通的主要參 與者恰為重型拖掛車，因此本發(fā)明選取一種典型的重型拖掛車-J5P6X4平頭柴油半掛牽 引車做詳細(xì)分析。其具體參數(shù)設(shè)置如下表1車輛設(shè)計(jì)參數(shù)
權(quán)利要求
一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)道路縱坡度設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟第一步初步確定所要設(shè)計(jì)縱坡坡度的上限值取值范圍；第二步從車輛的動(dòng)力性能、自然環(huán)境和駕駛員的心理特征出發(fā)，得到港區(qū)車輛的行駛特性，具體步驟如下(1)求解重型拖掛車各個(gè)檔位下的最大爬坡坡度選取一種典型的重型拖掛車，利用公式求得該種車輛在各個(gè)檔位下所能行駛的最大坡度，式中，imax為車輛在第k個(gè)檔位；即變速比為ik時(shí)能行駛的最大坡度值；Me為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭矩；ik為不同檔位下的變速比；i0為主傳動(dòng)器的減速比；ηM為機(jī)械效率；rk為輪胎半徑；K為空氣阻力系數(shù)；F為車輛在縱軸垂直平面上的投影面積；V為汽車時(shí)速；G為車輛的載重；f為地面的滾動(dòng)摩擦力系數(shù)；(2)求解重型拖掛車各個(gè)檔位下的最大車速利用公式求得重型拖掛車各個(gè)檔位下的最大車速，式中，Vmax為rk為在第k個(gè)檔位；即變速比為ik時(shí)能行駛的最大車速輪胎半徑；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；i0為主減速比；ik為不同檔位下的變速比；(3)考慮自然環(huán)境對(duì)車速的影響設(shè)ρ為路況對(duì)車速的影響系數(shù)，利用公式V′max＝Vmaxρ得到車輛在路況較差時(shí)在各個(gè)檔位下所能行駛的最大速度；(4)依據(jù)車輛性能對(duì)車輛的爬坡坡度與最大車速進(jìn)行匹配設(shè)定駕駛員在車輛爬坡時(shí)選取能夠以最大車速行駛并能保證車輛上坡的檔位行駛，依據(jù)車輛性能對(duì)車輛的爬坡坡度與最大車速進(jìn)行匹配，得到車輛行駛規(guī)則，其中的最大車速選用車輛在路況較差時(shí)在各個(gè)檔位下所能行駛的最大速度；(5)基于駕駛員的心理特征確定車輛在縱坡上行駛的加速度根據(jù)下列公式確定駕駛員在坡路上行駛的跟馳加速度 <mrow><mi>a</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>1</mn></msub><msubsup> <mi>V</mi> <mi>n</mi> <mi>l</mi></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><msup> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>n</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>V</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>)</mo> </mrow> <mi>m</mi></msup> </mrow> <msup><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>S</mi><mi>n</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>S</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mi>p</mi> </msup></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msub><mi>sign</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mi>n</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>V</mi><mrow> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>&CenterDot;</mo><mi>g</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>i</mi> </mrow>式中l(wèi)、m、γ為經(jīng)驗(yàn)取值，為常數(shù)；i表示坡度值；g為重力加速度；λ1為修正系數(shù)；Vn(t)、Vn+1(t)分別為第n輛與第n+1輛車的速度；Sn(t)、Sn+1(t)分別為第n輛與第n+1輛車的位置；λ2為坡度對(duì)跟馳行駛的影響程度，值的選取分為兩種情況1)當(dāng)汽車上坡時(shí)，且sign(Vn Vn+1)＝1，λ2為負(fù)的常數(shù)；sign(Vn Vn+1)＝ 1時(shí)，λ2為正的常數(shù)，2)汽車下坡時(shí)，不論何時(shí)，λ2均為正的常數(shù)；第三步建立元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型將元胞的長度設(shè)計(jì)為1m，加、減速度可為多個(gè)元胞的長度，確定基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)車輛縱坡行駛仿真模型的跟馳規(guī)則1)加速規(guī)則如果V(t)≤Vmax，則V(t+1)＝min(Vmax，V+a)，且2)減速規(guī)則根據(jù)下列公式計(jì)算車輛的安全間距式中，V和amax為當(dāng)前車輛的速度和所能達(dá)到的最大加速度，V′和a′max為前導(dǎo)車的速度和所能達(dá)到的最大加速度；3)隨機(jī)規(guī)則在概率p下，V(t+1)＝max(0，V(t+1) 1)，；4)位移規(guī)則x(t+1)＝x(t)+V(t+1)；第四步確定基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)車輛縱坡行駛仿真模型的換道規(guī)則1)當(dāng)前車輛與前導(dǎo)車輛的距離(d)小于最大速度(Vmax)，即d＜Vmax；2)當(dāng)前車輛與前導(dǎo)車輛的距離(d)不足以使車輛再加速，即d＜V+a；3)當(dāng)前車輛與旁邊道路的前方車輛的距離(Dother)大于d且大于或等于Vmax，即Dother＞d，Dother≥Vmax；4)當(dāng)前車輛與旁邊道路的后方車輛的距離(Dback)大于安全距離(Dsafe)，即Dback＞Dsafe；第五步簡化港區(qū)車輛的車型，并將各種車輛換算為單一車種，再根據(jù)第二步確定的港區(qū)車輛的行駛特性以及第三步和第四步建立的元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，通過控制縱坡坡度值參數(shù)，對(duì)港區(qū)的交通進(jìn)行仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，考察設(shè)計(jì)方案是否能到達(dá)通行能力的要求；第六步若不能達(dá)到要求，則重新選擇縱坡坡度值，返回第二步，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。FDA0000026070070000011.tif,FDA0000026070070000012.tif,FDA0000026070070000021.tif,FDA0000026070070000022.tif
全文摘要
本發(fā)明屬于港區(qū)道路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)道路縱坡度設(shè)計(jì)方法，包括下列步驟初步確定所要設(shè)計(jì)縱坡坡度的上限值取值范圍；從車輛的動(dòng)力性能、自然環(huán)境和駕駛員的心理特征出發(fā)，得到港區(qū)車輛的行駛特性；建立元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，確定基于元胞自動(dòng)機(jī)的港區(qū)車輛縱坡行駛仿真模型的跟馳規(guī)則簡化港區(qū)車輛的車型，并將各種車輛換算為單一車種，建立元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，通過控制縱坡坡度值參數(shù)，對(duì)港區(qū)的交通進(jìn)行仿真，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，考察設(shè)計(jì)方案是否能到達(dá)通行能力的要求。與傳統(tǒng)方法相比，采用本發(fā)明法人設(shè)計(jì)方法得到的港區(qū)彎道線形設(shè)計(jì)方案更為符合港區(qū)交通特性。
文檔編號(hào)E01C1/00GK101935969SQ20101027859
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者付曉敦, 馮煒, 劉潤有, 劉超, 周驪巍, 張國梁, 張洋, 曹凌峰, 曾偉, 李明劍, 杜鵬, 楊軍, 楊進(jìn)際, 段緒斌, 狄升貫, 王志華, 王新岐, 王曉華, 申嬋, 白子建, 程海波, 練象平, 苑紅凱, 賀海, 靳燦章, 龔鳳剛 申請(qǐng)人:天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院