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

背景技術：
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)。快速路為車輛提供了在城市各區(qū)域間進行快速、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)揮最大功能的關鍵。因此樞紐型互通式立交的規(guī)模和形式的科學合理性與否至關重要。
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，城市內跨區(qū)域、分組團、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，以科學指導城市快速路的規(guī)劃、設計和交通管理，同時，對各大城市交通網(wǎng)絡的規(guī)劃、設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域的空白。
當前，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行過系統(tǒng)研究。迄今為止，大部分研究關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行研究是十分必要的。
2)互通立交的設計階段對通行能力的計算方法缺乏科學依據(jù)，對互通立交遠景預測交通量的適應性尚無科學評定方法。目前，由于在快速路設計中通常采用“各方向進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)通行能力進行驗算，往往導致計算不準的后果。而如果計算結果過大，立交的規(guī)模和造價將大幅提高，不僅占用了城市用地，而且導致建設成本的增加和基礎設施的閑置浪費；如果計算結果過低，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)模及形式的確定應依據(jù)遠期交通量的合理預測值。遠期交通量是在城市發(fā)展到一定時期后的交通預測。城市不斷的變化發(fā)展，導致互通立交周邊的路網(wǎng)和交通需求也在不斷的變化，因此互通立交轉向交通的比例也隨之變化?；ネ⒔坏脑O計規(guī)模和形式對遠期預測的交通量的適應程度有多大？不適應時應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測軟件也是普遍的需求。
綜上所述，改進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)國內快速路及城市道路交叉設計規(guī)程正在編制中，快速路互通立交的設計缺乏規(guī)范指導。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計規(guī)程編制速度遲緩，在快速路互通立交設計中，設計人員大都參照《公路路線設計規(guī)范》、《城市道路設計規(guī)范》等國內外資料及其他技術標準。在使用過程中發(fā)現(xiàn)國內規(guī)范的一些指標并不適用于快速路互通立交設計，主要表現(xiàn)在《公路路線設計規(guī)范》指標過高，城市快速路互通立交由于城市用地限制不能達到它的要求；《城市道路設計規(guī)范》等相關指標又相應過低，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)范和標準顯然不合適。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水平指標體系，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水平指標體系，指導快速路的規(guī)劃設計已成為當務之急。


發(fā)明內容
為了切實解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種城市快速路互通立交仿真設計系統(tǒng)及選型方法，對城市快速路互通立交的通行能力問題進行研究，以評價分析互通立交應對交通擁堵的應急措施，改進互通立交通行能力計算方法，補充和完善城市快速路設計規(guī)程，用于更加客觀、科學地指導城市快速路的規(guī)劃和設計，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)有技術中所存在的幾點技術問題提供以下幾點科學依據(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的確定提供科學、合理的依據(jù)； 2)提出通行能力和服務水平分析標準，用來評價新建和已建互通立交交通流運行質量，評估道路規(guī)劃、設計和管理方案； 3)建立互通立交仿真規(guī)劃設計方法。通過仿真實驗平臺，對擬建、已建互通立交在未來各預測年交通量情況下的運行情況進行預測，及時發(fā)現(xiàn)規(guī)劃、設計中的問題，成為立交規(guī)劃設計的新方法； 4)快速路互通立交通行能力研究將為修訂有關城市快速路設計標準和規(guī)程提供科學的基礎數(shù)據(jù)。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明城市快速路互通立交仿真設計系統(tǒng)予以實現(xiàn)地技術方案是包括數(shù)據(jù)采集模塊、模型標定模塊和數(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)標定預測模型和仿真模型，建立預測模型；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)的基本通行能力進行理論分析根據(jù)采集到的分流區(qū)內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，應用公式(1-1)分別進行分流區(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)分別標定經(jīng)驗模型和仿真模型包括 (1)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)對經(jīng)驗模型進行標定和修正，從而得到下列各區(qū)域的預測模型 互通立交分流區(qū)密度預測模型 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)速度預測模型 互通立交交織區(qū)交織速度預測模型 互通立交交織區(qū)非交織速度預測模型 (2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)進行交通仿真模型的標定； (D)利用評價分析模塊分別判斷上述標定的交通仿真模型及預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％；若判斷結果返回假值，則返回上述步驟(C-2)，重新標定經(jīng)驗模型和仿真模型；若判斷結果返回真值，順序執(zhí)行下一步； (E)根據(jù)上述結果確定通行能力和服務水平，并通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出下列指標確定基本路段、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計系統(tǒng)進行城市快速路互通立交選型的設計方法包括下列步驟 (1)根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預測交通量，對擬建設區(qū)交通量進行轉向流量主次分析； (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，當分流區(qū)外側僅有一條直行車道時，考慮距離效應，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口匝道流量，單位為pcu/h； (4)根據(jù)擬建設區(qū)遠景預測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進行比較，判斷是否匹配，從而確定該擬建設區(qū)的互通立交設計方案。
與現(xiàn)有技術相比，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計系統(tǒng)是在全面調研天津市快速路所有互通立交形式的基礎上，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計指標合理取值范圍內的建議值。
(2)本發(fā)明設計系統(tǒng)不僅可以提高城市快速路互通立交的設計水平，為大中型城市中大量待建交通項目的規(guī)劃、設計與交通管理提供了寶貴的經(jīng)驗與可靠的技術支撐，并為完善城市快速路設計標準、城市快速路設計規(guī)程和城市道路交叉口設計規(guī)程提供了科學的基礎數(shù)據(jù)。
(3)利用本發(fā)明的城市快速路互通立交的仿真設計系統(tǒng)，設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行互通立交的適應性分析。本發(fā)明豐富和發(fā)展了當前的立交設計方法與評價手段。



圖1是本發(fā)明用于城市快速路互通立交的仿真設計系統(tǒng)的結構框圖； 圖2是利用圖1所示設計系統(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所示仿真模型進行立交選型設計的流程； 圖5是選型設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 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
如圖1所示，本發(fā)明城市快速路互通立交仿真設計系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、模型標定模塊、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定模塊之間還聯(lián)接有數(shù)據(jù)修正模塊；所述模型標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計系統(tǒng)確定通行能力和服務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)內基本路段、分/合流區(qū)、交織區(qū)和匝道的有關數(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，生成坐標和時間數(shù)據(jù)；根據(jù)該坐標和時間數(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)標定經(jīng)驗模型和仿真模型(例如該仿真模型采用VISSIM模型)，建立預測模型；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)進行理論分析。
該交通流特性理論模型可以采用現(xiàn)有技術中成熟的模型，如可以采用可穿插間隙理論及服務水平理論；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)的基本通行能力進行理論分析包括(1)進行分流區(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，應用下述公式(1-1)分別進行分流區(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)分別標定經(jīng)驗模型和仿真模型。包括 (1)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)對經(jīng)驗模型進行標定和修正，從而得出下列各區(qū)域的預測模型； (2)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)進行交通仿真模型的標定。
其中各區(qū)域預測模型如下 互通立交分流區(qū)密度預測模型 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)速度預測模型 互通立交交織區(qū)交織速度預測模型 互通立交交織區(qū)非交織速度預測模型 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測模型和標定的交通仿真模型與實際交通狀況的交通流特性相比較，即以上計算結果通過實測數(shù)據(jù)驗證，模型計算結果與實測數(shù)據(jù)的差值均在可接受的范圍內，其兩者的誤差應≤10％；若兩者的誤差超過10％，則返回上述步驟(C-2)，重新標定經(jīng)驗模型和仿真模型；若兩者的誤差≤10％，則上述標定后的模型可應用于該城市快速路互通立交區(qū)的速度和密度預測； (E)根據(jù)上述結果確定通行能力和服務水平，通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出下列指標確定基本路段、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)明設計系統(tǒng)通過對天津互通立交典型區(qū)內通行能力理論分析與對仿真模型的標定和修正，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，并結合服務質量衡量指標與服務水平的判定方法，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)在標準條件下的服務水平分級統(tǒng)一標準，從而充實、完善現(xiàn)行標準規(guī)范體系，本發(fā)明所確定的服務水平劃分標準見表6。 表6基本路段、互通立交分/合流區(qū)和交織區(qū)服務水平劃分標準
綜上所述，利用本發(fā)明設計系統(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)；建立相應的數(shù)據(jù)庫及通行能力理論分析模型；對確定服務水平的速度和密度經(jīng)驗模型加以標定和修正；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。并以該模型指導城市快速路互通立交選型的設計。
利用上述的本發(fā)明設計系統(tǒng)所對應的通行能力和服務水平，指導互通立交選型的方法包括以下步驟 (1)根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預測交通量，對擬建設區(qū)交通量進行轉向流量主次分析； (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，當分流區(qū)外側僅有一條直行車道時，考慮距離效應，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口匝道流量，單位為pcu/h； (4)根據(jù)擬建設區(qū)遠景預測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進行比較，判斷是否匹配，從而確定該擬建設區(qū)的互通立交設計方案。
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依據(jù)預測交通量對各個轉向交通進行分析，并結合城市周邊地形及關鍵控制點布設立交。左轉匝道形式的選擇決定了立交的形式，應根據(jù)匝道預測交通量的大小和服務水平的高低，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應與交通量相適應，交通量大、大車混入率高的匝道應具有較高的平縱線形指標。
(2)交織區(qū)的選用在立交選型時應盡量減少交織區(qū)。設計時，可根據(jù)交通需求對全苜蓿葉型立交進行靈活的變化，將環(huán)形匝道呈對角形式布置在兩個象限內，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交織區(qū)時，應保證交織區(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，應保證轉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，采用單一進出口，通過分/合流的形式進出主線，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，匝道設計指標如下 (1)左轉(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、高標高的匝道應設置成雙車道。設置條件為長度超過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，匝道匯流處劃線設置為單車道入口。
(2)環(huán)形匝道環(huán)形匝道的布設對立交的占地影響較大，應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)形匝道設計車速取40km/h。
(3)右轉匝道S型右轉匝道速度高于設計速度，同時和標準型右轉匝道相比，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計 根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預測交通量，對擬建設區(qū)內兩條雙向8車道城市快速路相交處交通量進行轉向流量主次分析擬建立互通立交的該處路口2026年規(guī)劃預測遠景交通量所圖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，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)該預測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進行比較，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年路口預測交通量。其中，方案二最為接近?？紤]預測交通量的不確定性，將預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，認為方案二為相對較理想的選型設計方案。
利用本發(fā)明設計系統(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行了仿真模型參數(shù)標定。其標定內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水平進行分析，直觀再現(xiàn)未來的交通運行狀況，以發(fā)現(xiàn)潛在的設計缺陷，便于針對問題提出改進措施。這對于節(jié)約公路建設投資、提高設施使用效能和挖掘現(xiàn)有交通設施的潛力，無疑具有十分重要的現(xiàn)實意義。當然，在本發(fā)明的基礎上經(jīng)過調整修正系數(shù)，可以廣泛應用于城市快速路的設計中。
另外，值得關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。因此在立交設計中應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提高平縱標準，以提高該處通行能力。還有，互通立交的出口應設置在容易識別處，同一方向的左、右轉宜設置統(tǒng)一出口，即立交同一方向的出入口應唯一。如同一方向的左、右轉出入口受地形、工程量的影響不能一同出入時，應保證第一出口為右轉，第二出口為左轉，并設置合理的交通標志及時提示。
盡管結合附圖對本發(fā)明進行了上述描述，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，本領域的普通技術人員在本發(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)明的保護之列。
權利要求
1.一種城市快速路互通立交仿真設計系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、模型標定模塊和數(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)權利要求1所述的城市快速路互通立交仿真設計系統(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計系統(tǒng)模型的方法，其特征在于，利用如權利要求3所述的仿真設計系統(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區(qū)內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，生成坐標和時間數(shù)據(jù)；根據(jù)該坐標和時間數(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)標定經(jīng)驗模型和仿真模型，建立預測模型，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)的基本通行能力進行理論分析
根據(jù)采集到的分流區(qū)內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，應用公式(1-1)分別進行分流區(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)分別標定經(jīng)驗模型和仿真模型包括
(1)根據(jù)上述采集到的數(shù)據(jù)對經(jīng)驗模型進行標定和修正，從而得出下列各區(qū)域的預測模型
互通立交分流區(qū)密度預測模型
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)速度預測模型
互通立交交織區(qū)交織速度預測模型
互通立交交織區(qū)非交織速度預測模型
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)進行交通仿真模型的標定；
(D)利用評價分析模塊分別判斷上述預測模型和標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％；
若判斷結果返回假值，則返回上述步驟(C-2)，重新標定經(jīng)驗模型和仿真模型；
若判斷結果返回真值，順序執(zhí)行下一步；
(E)根據(jù)上述結果確定通行能力和服務水平，并通過數(shù)據(jù)輸出模塊輸出下列指標確定基本路段、分流區(qū)、合流區(qū)、交織區(qū)和各類型匝道的通行能力。
4.一種利用如權利要求3所述的仿真設計系統(tǒng)進行城市快速路互通立交選型的設計方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)根據(jù)現(xiàn)狀交通量或預測交通量，對擬建設區(qū)交通量進行轉向流量主次分析；
(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，當分流區(qū)外側僅有一條直行車道時，考慮距離效應，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口匝道流量，單位為pcu/h；
(4)根據(jù)擬建設區(qū)遠景預測交通量，與上述各種互通立交形式的通行能力分別進行比較，判斷是否匹配，從而確定該擬建設區(qū)的互通立交設計方案。
5.根據(jù)權利要求4所述的互通立交選型的設計方法，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與交通量相適應；
(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，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)權利要求4所述的互通立交選型的設計方法，其特征在于所述初步確定互通立交形式時，匝道設計指標如下
1)左轉半定向匝道對于長距離、大縱坡、高標高的匝道應設置成雙車道；設置條件為長度超過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)形匝道設計車速取40km/h；
3)右轉匝道用地限制時，選擇S型右轉匝道；
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計系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集、模型標定和數(shù)據(jù)輸出模塊，分別與模型標定和數(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計系統(tǒng)建立設計模型的方法，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)；建立相應的數(shù)據(jù)庫及通行能力理論分析模型；對確定服務水平的速度和密度經(jīng)驗模型加以標定和修正；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，以該設計模型指導城市快速路互通立交選型的設計，包括分析預測交通量、提出初步方案、計算立交通行能力，分析適應性，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:天津市市政工程設計研究院