CN110427671B - 客货分离道路过渡段长度与车道组合方式协同设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了客货分离道路过渡段长度与车道组合方式协同设计方法,包括以下步骤:1、路况建模及确定基础模型参数;2、标定可容忍偏差ε;3、建立设计速度与过渡段长度的双层模型;4、求解既有设计速度V下,过渡段长度、车道组合、通过标定断面的实际车流量的矩阵;5、确定最大通行能力下的过渡段长度及车道组合。本发明的通行能力是在既有设计速度下的最大化,有利于对既成道路客货分离改造时的交通重新设计避免了以往研究中单纯追求通行能力,而使运营速度偏离设计车速过多,导致的不安全问题。这种协同设计的方式避免了以往只针对客货分离式车道单一设计参数进行研究的片面性。
Description
技术领域
本发明涉及客货分离优化方法,尤其涉及一种客货分离式道路过渡段长度与车道组合方式协同优化的设计方法。
背景技术
随着社会经济的飞速发展,由运输需求自发形成的客货混行交通流的混合程度不断增大,道路运输压力持续增长,客运和货运交通的混行也暴露出了越来越多的问题。客运车辆与货运车辆之间存在着性能差异,由客车和货车组成的客运交通流和货运交通流之间也具有不同的交通流特性,这两方面原因导致了客货混行交通在一定的交通条件下存在着交通安全问题和通行效率问题。
客货分离道路***,相对于客货混行交通来说,其最大的区别就是以交通规划和交通管理的手段将客运车流和货运车流分隔开来,形成相对独立的“两股车流”,每股车流具有自身独特的交通流特性,二者之间不会形成相互干扰,以达到保障交通安全、提高通行效率的目的。
二十世纪二十年代初期,美国等发达国家就已经开始进行客货分离措施方面的讨论,并且基于对实际道路上客货混行交通的观察,逐渐提出了客货分离道路的概念。二十世纪八十年代中期,美国的德克萨斯州运输管理部门就已经展开了以量化的手段进行客货分离的可行性研究。九十年代,美国学者提出的以新泽西州的收费道路为典型代表的双组合客货分离车道(dual facilities)的建造在美国的国家“公路上成功运行;同期,学者Battelle提出了基于年均日交通量(AADT)、道路设施服务水平(level of service)、百万车碰撞率、交通延误和起讫点的货车专用设施标准。最近的一项比较新的客货分离研究被称作“管制车道”(managed lanes),这项研究提供的方法可以随时采用交通规划以及交通管理措施对车道进行管理控制来实现即时的交通管理要求。近些年国内学者的相关研究方面也提出了客货分流运行的概念,但发展相对比较缓慢。
总结国内外研究,主要集中在以下几个方面:
1、客货分离的理论、必要性及效益评价;
2、客货分离车道的设置方法,包括车道的长度、车速、平纵横指标等;
现有研究,缺少在既有道路设计车速的前提下,将客货分离车道组合形式与客货分离车道至混行车道过渡段协同设计的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足,提供一种在既有速度条件下通行能力最大化的客货分离式道路过渡段长度与车道组合方式协同设计方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:
本发明的客货分离道路过渡段长度与车道组合方式协同设计方法,包括以下步骤:
步骤一、路况建模及确定基础模型参数:
路况建模:第一段客货混行段客车流量为Q1、货车流量为Q2、单向车道数为n1;然后车流经过长度为L1的第一过渡段驶入客货分离式道路,所述的客货分离式道路单向车道数为m,其中包含客车单向车道数为m1、货车单向车道数为m2;而后,车流经过长度为L2的第二过渡段再驶入单向车道数为n2的第二段客货混行式道路,,Q1和Q2单位为pcu/h;
Q1=η1×Q基本
Q2=η2×Q基本
1=η1+η2
Q基本为第一段客货混行段的基础通行能力,单位为pcu/h;η1为客车流量的比例,η2为货车流量的比例;若道路为正在运营道路则采用实际运营道路中客货比例;若为新建道路,则参考类似道路的实际运营道路中客货比例;
m、m1、m2根据客货分离道路车行道宽度及以下约束条件确定:
约束条件1:m、m1、m2均为整数;
约束条件2:m=m1+m2;
约束条件3:m>1;
约束条件4:m≥min{n1,n2};
约束条件5:m不大于客货分离式道路车行道宽度可划分的最大车道数;
约束条件6:若Q1≥Q2,则m1≥m2;若Q1<Q2,则m1<m2;
所述的L1、L2初始值如下公式所示;
L1=0.625×V×(mBm-n1Bn1)(V>60km/h)
L2=0.625×V×(mBm-n2Bn2)(V>60km/h)
其中,Bm、Bn1、Bn2分别为客货分离式道路单条车道宽度、第一段客货混行段单条车道宽度、第二段客货混行段道路单条车道宽度、V为既有道路设计车速;
步骤二、标定可容忍偏差ε:
Vi为在道路设计条件下,客货分离式道路正常行驶的车辆的平均实际运行速度,n为测量的行驶车辆数;若道路为正在运营的公路,则在道路车流处于自由流的条件下,测量在客货分离式道路正常行驶路段上的车辆的实际速度Vi,若道路为未开通道路,则采用类似道路的车辆运行速度的检测值进行计算;
步骤三、建立设计速度与第一过渡段长度和第二过渡段长度的双层模型求解最优的过渡段长度L1、L2;
第一步,建立上层模型:
(a)输入已知的Q1、Q2、n1、n2,选定的任意一种车道组合矩阵第一过渡段长度L1和第二过渡段长度L2的初始值,通过VISSIM软件进行仿真,得到通过第一个过渡段尾端驶入客货分离段的车辆平均实际运行速度V’,通过第二个过渡段尾端驶入客货混行段的车辆平均实际运行速度V”;
(b))重复步骤(a)仿真j次,每次得到一定数量车辆的实际运行速度并取平均值,得到的平均运行速度分别为Vi’和Vi”,i∈[1,j],i为整数;
第二步,判断第一过渡段长度L1和第二过度段长度L2是否需要修正;判断结果是否小于ε,ε为步骤二中已经标定的值;若/>则继续判断是否小于ε;否则,进入第三步的下层模型,对第一过渡段长度L1进行修正;若 则进入第四步,否则进入第三步的下层模型,对第二过渡段长度L2进行修正;
步骤五,将已知的Q1、Q2、n1、n2和矩阵Y中每组mk、m1 k、m2 k、L1 k、L2 k,重新带入步骤三中的上层模型中,用VISSIM进行仿真模拟,输出第二监测断面中对应的实际车流量Q;从而得到在客货分离车道设计速度V下,第一段客货混行车道上客车和货车流量分别为Q1、Q2,车道数为n1,终止段车道数为n2条件下,过渡段长度、车道组合矩阵及通过第二监测断面实际车流量Q的矩阵Z;
步骤六、确定最大通行能力下的过渡段长度及车道组合:
第一步,将矩阵Z中所有的Q值进行对比,找到最大的Q值Qmax;设定当流量Q处于[(1-a)Qmax,Qmax]之间时,Q与Qmax是无差异的;
第二步,获取处于[(1-a)Qmax,Qmax]之间的所有Q对应的m、m1、m2、L1、L2组合,将其中m值最小的一组对应的客货分离车道组合形式及过渡段长度确定为在既有设计速度V下的最佳客货分离车道组合形式及过渡段长度;若这些组合的m值相同,则认为这些组合均为可接受的最优解。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1.达到在既有速度条件下的通行能力最大化。
2.避免了以往研究中只针对客货分离式车道单一设计参数进行研究的片面性。协同设计更人性化,更加符合工程实际。
3.考虑了设计速度的约束条件,对过渡段长度和客货分离式车道组合形式的影响。使得本发明方法得出的过渡段长度和客货分离车道的组合形式是在既有设计速度条件下的最优解。避免了以往研究中不考虑设计车速、单纯追求通行能力,而使得运营速度偏离设计车速过多,导致的不安全问题。
4.这种协同设计的方式基于原有的设计车速,有利于对既成道路客货分离改造时的交通重新设计。同时,该方法将过渡段长度与客货分离道路组合形式协同起来,有利于最大限度的满足道路通行能力,使过渡段长度最合理化,道路实际通行速度与设计速度最接近。
附图说明
图1为本发明的客货分离道路过渡段长度与车道组合方式协同设计方法仿真模拟车流运行情况图;
图2为本发明的客货分离道路过渡段长度与车道组合方式协同设计方法的双层模型的逻辑图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。
如附图所示的本发明的在既有速度条件下通行能力最大化的客货分离式道路过渡段长度与车道组合方式协同设计的方法,包括以下步骤:
步骤一、路况建模及确定基础模型参数:
路况建模:如图1所示,第一段客货混行段客车流量为Q1、货车流量为Q2、单向车道数为n1。然后车流经过长度为L1的第一过渡段驶入客货分离式道路,所述的客货分离式道路单向车道数为m,其中包含客车单向车道数为m1、货车单向车道数为m2。而后,车流经过长度为L2的第二过渡段再驶入单向车道数为n2的第二段客货混行式道路。
本发明通过建立模型并仿真模拟车流运行情况,将m、m1、m2、L1、L2协同设计,以达到在既有道路设计车速V的条件下,通过第二过渡段尾端驶入第二段客货混行式道路处(如图为第二监测断面)的通行能力Q最大化。
基础模型参数:
所述的n1、n2为道路已知信息。
Q1=η1×Q基本
Q2=η2×Q基本
1=η1+η2
Q基本为第一段客货混行段的基础通行能力(单位为pcu/h);η1为客车流量的比例,η2为货车流量的比例;若道路为正在运营道路则采用实际运营道路中设定采样时间段内客货比例;若为新建道路,则参考类似道路的实际运营道路中客货比例。
m、m1、m2根据客货分离道路车行道宽度,车行道宽度可参照《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)和《道路交通标志和标线·第三部分》(GB 5768.3-2009)及以下约束条件确定,m、m1、m2的组合矩阵
约束条件1:m、m1、m2均为整数。
约束条件2:m=m1+m2。
约束条件3:m>1。(当m≤1时,无法进行客货分离)
约束条件4:m≥min{n1,n2}。
约束条件5:m不大于客货分离式道路车行道宽度可划分的最大车道数。
约束条件6:若Q1≥Q2,则m1≥m2;Q1<Q2,则m1<m2。
所述的L1、L2初始值如下公式所示。
L1=0.625×V×(mBm-n1Bn1)(V>60km/h)
L2=0.625×V×(mBm-n2Bn2)(V>60km/h)
其中,Bm、Bn1、Bn2分别为客货分离式道路单条车道宽度、第一段客货混行段单条车道宽度、第二段客货混行段道路单条车道宽度、V为既有道路设计车速;
步骤二、标定可容忍偏差ε:
ε为在自由车流的条件下,正常行驶路段上车辆运行平均速度与道路设计速度之间可容忍偏差。采用测速检测器实际测量车辆运行速度,并求车辆实际运行速度与设计速度方差的方式确定,公式如下。
Vi为在道路设计条件下,道路上正常行驶的车辆的实际运行速度,n为测量的行驶车辆数。若道路为正在运营的公路,则在道路车流处于自由流的条件下,测量在客货分离式道路正常行驶路段上的车辆的实际速度Vi,若道路为未开通道路,则采用类似道路的车辆运行速度的检测值进行计算。
道路设计速度是指与道路设计指标相协调的设计基准速度。道路运行速度是指在路面平整、潮湿、自由流的条件下,行驶速度累计分布曲线上对应于85%分位值的速度。由于驾驶员操作熟练度、反映速度、车辆性能等不同,道路的设计速度与运行速度之间一定存在一定偏差。因此,本发明引入速度可容忍偏差这一指标,用于描述在自由车流的条件下,正常行驶路段上车辆运行速度与道路设计速度可接受的偏差大小。
步骤三、建立设计速度与第一过渡段长度和第二过渡段长度的双层模型求解最优的过渡段长度L1、L2,如附图2所示。
建立以速度平衡为基准的双层模型,以确定与设计速度对应的最优过渡段长度L1和L2。
第一步,建立上层模型。(a)输入已知的Q1、Q2、n1、n2,选定的任意一种车道组合矩阵第一过渡段长度L1和第二过渡段长度L2的初始值(数值为步骤一中得到的数值),通过VISSIM软件进行仿真,得到通过第一个过渡段尾端驶入客货分离段(即图1中的第一监测断面)的车辆平均实际运行速度V’,通过第二个过渡段尾端驶入客货混行段(即图1中的第二监测断面)的车辆平均实际运行速度V”(V’和V”可通过实际测量设定数量的)。(b)重复步骤(a)仿真j次,每次得到一定数量车辆的实际运行速度并取平均值(数量可根据实际情况自行决定),得到的平均运行速度分别为Vi’和Vi”,i∈[1,j],i为整数。
第二步,判断第一过渡段长度L1和第二过度段长度L2是否需要修正。判断结果是否小于ε,ε为步骤二中已经标定的值。若/>则继续判断是否小于ε;否则,进入第三步的下层模型,对第一过渡段长度L1进行修正。若 则进入第四步,否则进入第三步的下层模型,对第二过渡段长度L2进行修正。
第三步,建立下层模型。采用公式计算修正的第一过度段长度,采用公式计算修正的第二过度段长度。返回第一步,用L1′替换L1的初始值,用L2′替换L2的初始值。(/>为Vi′的平均值,/>为Vi″的平均值)
步骤四,求解在既有客货分离车道设计速度V条件下,过渡段长度、车道组合矩阵及通过第二监测断面实际车流量Q的矩阵Z。
第二步,将已知的Q1、Q2、n1、n2和矩阵Y中每组mk、m1 k、m2 k、L1 k、L2 k,重新带入步骤三中的上层模型中,用VISSIM进行仿真模拟,输出图1中第二监测断面中对应的实际车流量Q。从而得到在客货分离车道设计速度V下,第一段客货混行车道上客车和货车流量分别为Q1、Q2,车道数为n1,终止段车道数为n2条件下,过渡段长度、车道组合矩阵及通过第二监测断面实际车流量Q的矩阵Z。
步骤五、确定最大通行能力下的过渡段长度及车道组合:
第一步,将矩阵Z中所有的Q值进行对比,找到最大的Q值(即Qmax)。设定当流量Q处于[(1-a)Qmax,Qmax]之间时,Q与Qmax是无差异的。根据可接受的流量变化不同,a取不同的数值,本发明推荐a取5%。
第二步,获取处于[(1-a)Qmax,Qmax]之间的所有Q对应的m、m1、m2、L1、L2组合,将其中m值最小的一组对应的客货分离车道组合形式及过渡段长度确定为在既有设计速度V下的最佳客货分离车道组合形式及过渡段长度。若这些组合的m值相同,则认为这些组合均为可接受的最优解。
实施例1
某公路设计车速80km/h,第一段客货混行路段单向4车道,第二段客货混行路段单向3车道。第一段客货混行路段基本通行能力为8000pcu/h,货车比例35%,客车比例65%。根据客货分离段道路宽度,最大单向可划分5车道。客货混行式道路车道宽度3.75m。客货分离式道路客车车道宽度3.5m,货车车道宽度3.75m。
步骤一、确定基础模型参数:
1)n1、n2
n1=4,n2=3
2)Q1、Q2
Q1=η1×Q基本=65%×8000=5200pcu/h
Q2=η2×Q基本=35%×8000=2800pcu/h
3)m、m1、m2可能的组合矩阵如下
4)L1、L2
L1=0.625×V×(mBm-n1Bn1)=0.625×80×[(3×3.5+2×3.75)-(4×3.75)]
=150m
L2=0.625×V×(mBm-n2Bn2)=0.625×80×[(3×3.5+2×3.75)-(3×3.75)]
=337.5≈338m
步骤二、标定可容忍偏差ε:
由于道路为新建道路,采用类似道路的车辆运行速度的检测值进行计算,共采集车辆数为200。
步骤三、建立设计速度与第一过渡段长度和第二过渡段长度的双层模型求解最优的过渡段长度L1、L2,如附图2所示。
第一步,建立上层模型。
上层模型输入的初始参数如下表所示。
n1 | n2 | Q1 | Q2 | m | m1 | m2 | V | L1 | L2 |
4 | 3 | 5200pcu/h | 2800pcu/h | 5 | 3 | 2 | 80km/h | 150m | 338m |
运行j次(j=5),得到5次通过第一监测断面和第二监测断面的实际运行速度平均值Vi′和Vi″,如下表所示
第一次 | 第二次 | 第三次 | 第四次 | 第五次 | |
Vi′ | 81 | 83 | 79 | 80 | 81 |
Vi″ | 70 | 75 | 73 | 72 | 74 |
第二步,判断第一过渡段长度L1和第二过度段长度L2是否需要修正。
因此L1不需要修正,L2需要修正。
第三步,建立下层模型,修正L1和L2。
第四步,在上层模型和下层模型间不停的循环,最终形成平衡状态。平衡状态下的L1为150m,L2为357m。
步骤四,求解在既有客货分离车道设计速度V条件下,过渡段长度、车道组合矩阵及通过第二监测断面实际车流量Q的矩阵Z。
第一步,将不同的车道组合矩阵参数分别带入第三步的上下层模型进行计算,得到过渡段长度及车道组合综合矩阵如下:
第二步,将已知的Q1、Q2、n1、n2和矩阵Y中每列数重新带入步骤三中的上层模型中,用VISSIM进行仿真模拟,输出图1中第二监测断面中对应的实际车流量Q。
步骤五、确定最大通行能力下的过渡段长度及车道组合:
第二步,考虑第二种组合下车道数量较第一种组合少一条车道,在设计上可以将该车道作为避险车道等其他用途车道,更为合理化。所以采用第二种组合作为本发明方法的最优解。即,客货分离式车道数量m=4,其中客车车道m1与货车车道数量m2均为2,过渡段长度L1=85m、L2=164m。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.客货分离道路过渡段长度与车道组合方式协同设计方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、路况建模及确定基础模型参数:
路况建模:第一段客货混行段客车流量为Q1、货车流量为Q2、单向车道数为n1;然后车流经过长度为L1的第一过渡段驶入客货分离式道路,所述的客货分离式道路单向车道数为m,其中包含客车单向车道数为m1、货车单向车道数为m2;而后,车流经过长度为L2的第二过渡段再驶入单向车道数为n2的第二段客货混行式道路,Q1和Q2单位为pcu/h;
Q1=η1×Q基本
Q2=η2×Q基本
1=η1+η2
Q基本为第一段客货混行段的基础通行能力,单位为pcu/h;η1为客车流量的比例,η2为货车流量的比例;若道路为正在运营道路则采用实际运营道路中客货比例;若为新建道路,则参考类似道路的实际运营道路中客货比例;
m、m1、m2根据客货分离道路车行道宽度及以下约束条件确定:
约束条件1:m、m1、m2均为整数;
约束条件2:m=m1+m2;
约束条件3:m>1;
约束条件4:m≥min{n1,n2};
约束条件5:m不大于客货分离式道路车行道宽度可划分的最大车道数;
约束条件6:若Q1≥Q2,则m1≥m2;若Q1<Q2,则m1<m2;
所述的L1、L2初始值如下公式所示;
L1=0.625×V×(mBm-n1Bn1),V>60km/h;
L2=0.625×V×(mBm-n2Bn2),V>60km/h;
其中,Bm、Bn1、Bn2分别为客货分离式道路单条车道宽度、第一段客货混行段单条车道宽度、第二段客货混行段道路单条车道宽度、V为既有道路设计车速;
步骤二、标定可容忍偏差ε:
Vi为在道路设计条件下,客货分离式道路正常行驶的车辆的平均实际运行速度,n为测量的行驶车辆数;若道路为正在运营的公路,则在道路车流处于自由流的条件下,测量在客货分离式道路正常行驶路段上的车辆的实际速度Vi,若道路为未开通道路,则采用类似道路的车辆运行速度的检测值进行计算;
步骤三、建立设计速度与第一过渡段长度和第二过渡段长度的双层模型求解最优的过渡段长度L1、L2;
第一步,建立上层模型:
(a)输入已知的Q1、Q2、n1、n2,选定的任意一种车道组合矩阵第一过渡段长度L1和第二过渡段长度L2的初始值,通过VISSIM软件进行仿真,得到通过第一个过渡段尾端驶入客货分离段的车辆平均实际运行速度V’,通过第二个过渡段尾端驶入客货混行段的车辆平均实际运行速度V”;
(b))重复步骤(a)仿真j次,每次得到一定数量车辆的实际运行速度并取平均值,得到的平均运行速度分别为Vi’和Vi”,i∈[1,j],i为整数;
第二步,判断第一过渡段长度L1和第二过度段长度L2是否需要修正;判断结果是否小于ε,ε为步骤二中已经标定的值;若/>则继续判断/>是否小于ε;否则,进入第三步的下层模型,对第一过渡段长度L1进行修正;若/> 则进入第四步,否则进入第三步的下层模型,对第二过渡段长度L2进行修正;
步骤五,将已知的Q1、Q2、n1、n2和矩阵Y中每组mk、m1 k、m2 k、L1 k、L2 k,重新带入步骤三中的上层模型中,用VISSIM进行仿真模拟,输出第二监测断面中对应的实际车流量Q;从而得到在客货分离车道设计速度V下,第一段客货混行车道上客车和货车流量分别为Q1、Q2,车道数为n1,终止段车道数为n2条件下,过渡段长度、车道组合矩阵及通过第二监测断面实际车流量Q的矩阵Z;
步骤六、确定最大通行能力下的过渡段长度及车道组合:
第一步,将矩阵Z中所有的Q值进行对比,找到最大的Q值Qmax;设定当流量Q处于[(1-a)Qmax,Qmax]之间时,Q与Qmax是无差异的;
第二步,获取处于[(1-a)Qmax,Qmax]之间的所有Q对应的m、m1、m2、L1、L2组合,将其中m值最小的一组对应的客货分离车道组合形式及过渡段长度确定为在既有设计速度V下的最佳客货分离车道组合形式及过渡段长度;若这些组合的m值相同,则认为这些组合均为可接受的最优解。
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2019
- 2019-07-21 CN CN201910658383.4A patent/CN110427671B/zh active Active
Patent Citations (3)
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白子建 ; .客货分离道路横断面设计优化方法研究.城市道桥与防洪.2013,(第11期),全文. * |
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