CN101246513A - 城市快速路互通立交仿真设计系统及选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市快速路互通立交仿真设计系统，包括：数据采集、模型标定和数据输出模块，分别与模型标定和数据输出模块联接的评价分析模块，在评价分析和模型标定模块之间还联接有数据修正模块。同时还公开了利用上述设计系统建立设计模型的方法，包括：收集典型快速路基本路段，互通立交分/合流区、交织区和各种匝道的交通流特征参数；建立相应的数据库及通行能力理论分析模型；对确定服务水平的速度和密度经验模型加以标定和修正；建立适合该城市快速路互通立交交通流特性的通行能力分析模型。最终，以该设计模型指导城市快速路互通立交选型的设计，包括分析预测交通量、提出初步方案、计算立交通行能力，分析适应性，选定合理方案。

Description

城市快速路互通立交仿真设计系统及选型方法

技术领域

本发明涉及一种互通立交规划设计系统，尤其是涉及一种用于城市快速路互通立交的仿真设计系统及立交选型方法。

背景技术

城市快速路(urban expressway)是为满足城市中大容量、长距离、快速交通而修建的，设置中间连续分隔带、采用全封闭、全立交、全部或部分控制出入的道路系统。快速路为车辆提供了在城市各区域间进行快速、安全、舒适的交通出行的功能。而枢纽型互通式立交是快速路系统中的重要交通节点，是决定快速路能否发挥最大功能的关键。因此枢纽型互通式立交的规模和形式的科学合理性与否至关重要。

目前，由于社会经济的快速发展，城区外延，人口和用地规模不断的扩大，城市内跨区域、分组团、长距离的客货交通大幅度增加，增大了现状路网的交通压力。为了缓解急剧增长的交通需求和有限的道路交通设施之间的矛盾。虽然，近年来快速路在全国大量兴建，但对快速路系统的研究，特别是快速路枢纽互通式立交的交通流特性及通行能力的研究尚属空白。城市迅速发展，导致城市交通需求迅猛增加，造成供需矛盾加大。尤其在早、晚高峰期间，交通拥堵经常发生在互通立交区出入口与交织区，使互通立交区成为快速路系统的“交通瓶颈”地段。为此，必须开展对快速路互通立交通行能力的研究，以科学指导城市快速路的规划、设计和交通管理，同时，对各大城市交通网络的规划、设计和交通管理将起到十分重要的示范作用，此项研究将弥补我国在该领域的空白。

当前，针对快速路互通立交存在的主要问题有以下几点：

1)对快速路互通立交整体交通流特性尚未进行过系统研究。迄今为止，大部分研究关注于非饱和交通条件下的立交局部，如分/合流区、加减速车道等。这些局部的研究成果并不能解决饱和交通状态下整个互通立交出现的拥堵问题。随着城市交通量的迅猛增长，各大城市，诸如：天津市快速路在通车短短一年的时间里，就已经出现了大流量的路段(2007年日交通量：北-南方向44738辆、南-北方向41000辆，较2006年增长了近25％)。预测运行多年后，快速路上交通量会逐渐趋于饱和状态，因此对饱和状态下的城市快速路互通立交的整体交通流特性进行研究是十分必要的。

2)互通立交的设计阶段对通行能力的计算方法缺乏科学依据，对互通立交远景预测交通量的适应性尚无科学评定方法。目前，由于在快速路设计中通常采用“各方向进口车道的通行能力乘以一定系数”的方法来计算互通立交通行能力，且未对分/合流区和交织区通行能力进行验算，往往导致计算不准的后果。而如果计算结果过大，立交的规模和造价将大幅提高，不仅占用了城市用地，而且导致建设成本的增加和基础设施的闲置浪费；如果计算结果过低，则不能满足交通量发展的需求，同时降低了对交通量变化的适应能力，与路段通行能力不匹配，成为快速路上的交通瓶颈，影响城市交通。

城市快速路互通立交的规模及形式的确定应依据远期交通量的合理预测值。远期交通量是在城市发展到一定时期后的交通预测。城市不断的变化发展，导致互通立交周边的路网和交通需求也在不断的变化，因此互通立交转向交通的比例也随之变化。互通立交的设计规模和形式对远期预测的交通量的适应程度有多大？不适应时应采取什么方案和措施？这些问题都需要去研究。另外，目前国内外众多的分析软件中尚无一个适合分析快速路互通立交通行能力的有力工具，因此通过研究探索一套城市快速路互通立交通行能力分析及预测软件也是普遍的需求。

综上所述，改进互通立交通行能力的计算方法、合理确定互通立交的规模和形式，对提高互通立交的适应性、节约城市用地、减少交通噪音、改善城市环境等都具有十分重要的意义。

3)国内快速路及城市道路交叉设计规程正在编制中，快速路互通立交的设计缺乏规范指导。我国修建快速路的时间不长，快速路及其组成部分-互通立交的规划与设计，目前尚处于大量实践、经验积累和理论研究阶段。快速路及城市道路交叉设计规程编制速度迟缓，在快速路互通立交设计中，设计人员大都参照《公路路线设计规范》、《城市道路设计规范》等国内外资料及其他技术标准。在使用过程中发现国内规范的一些指标并不适用于快速路互通立交设计，主要表现在：《公路路线设计规范》指标过高，城市快速路互通立交由于城市用地限制不能达到它的要求；《城市道路设计规范》等相关指标又相应过低，快速路互通立交要满足车辆的高速分/合流和交织，参照以上规范和标准显然不合适。并且规范中没有提供互通立交通行能力分析计算方法及服务水平指标体系，国外的参考资料又不符合我国具体国情，因此如何完善互通立交通行能力分析计算方法及服务水平指标体系，指导快速路的规划设计已成为当务之急。

发明内容

为了切实解决上述技术问题，本发明提供一种城市快速路互通立交仿真设计系统及选型方法，对城市快速路互通立交的通行能力问题进行研究，以评价分析互通立交应对交通拥堵的应急措施，改进互通立交通行能力计算方法，补充和完善城市快速路设计规程，用于更加客观、科学地指导城市快速路的规划和设计，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设计水平、填补我国城市快速路互通立交通行能力研究的空白。并同时解决上述现有技术中所存在的几点技术问题提供以下几点科学依据：

1)提出互通立交的通行能力，为新建快速路互通立交的选型及线形指标的确定提供科学、合理的依据；

2)提出通行能力和服务水平分析标准，用来评价新建和已建互通立交交通流运行质量，评估道路规划、设计和管理方案；

3)建立互通立交仿真规划设计方法。通过仿真实验平台，对拟建、已建互通立交在未来各预测年交通量情况下的运行情况进行预测，及时发现规划、设计中的问题，成为立交规划设计的新方法；

4)快速路互通立交通行能力研究将为修订有关城市快速路设计标准和规程提供科学的基础数据。

为了解决上述技术问题，本发明城市快速路互通立交仿真设计系统予以实现地技术方案是：包括数据采集模块、模型标定模块和数据输出模块，其特征在于，还包括分别与模型标定模块和数据输出模块联接的评价分析模块，在评价分析模块和模型标定模块之间还联接有数据修正模块；所述建立交通仿真模型模块包括交通特性理论模型和交通仿真软件。

本发明中的一种建立城市快速路互通立交仿真设计系统模型的方法，包括以下步骤：

(A)利用数据采集模块采集互通立交典型区内基本路段、分/合流区、交织区和匝道的交通特性流数据：

(B)根据上述采集到的数据得出实际交通状况的交通流特性数据；

(C)根据上述采集到的数据标定预测模型和仿真模型，建立预测模型；包括：

(C-1)利用交通流特性理论模型对上述采集到的数据进行理论分析；

对基本路段、分流区、合流区和交织区的基本通行能力进行理论分析：根据采集到的分流区内两条车道上互相成跟弛状态的车队中前后两辆车之间的饱和车头时距，应用公式(1-1)分别进行分流区和合流区基本通行能力的计算：

$C=\frac{3600}{\stackrel{\‾}{t}}---(1-1)$

公式(1-1)中：C——分/合流区通行能力，pcu/h.，

——平均最小车头时距，s；

交织区的基本交通能力：C_i＝3600·λ_i·max·m_i                  (1-2)

$C=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i---(1-3)$

公式(1-2)和公式(1-3)中：

C——交织区总通行能力；

C_i——第i车道的通行能力；

λ_i·max——第i车道理想最大来车率，由公式 ${\mathrm{\λ}}_{1\·\max }=\min \{{\widetilde{\mathrm{\λ}}}_{1\max },C_0\}$ 和公式 ${\mathrm{\λ}}_{2\·\max }=\min \{{\widetilde{\mathrm{\λ}}}_{2\max },C_0\}$ 来确定，其中：C₀——每条车道的基本通行能力；

m_i——第i车道的有效空挡被利用的可能性大小，由公式(1-4)和公式(1-5)确定，

$m_2=1-\frac{Q_2\·r_2-{\tilde{Q}}^1}{Q_2\·r_2}$

$m_1=1-\frac{Q_1\·r_1-{\tilde{Q}}^2}{Q_1\·r_1}---(1-5)$

(C-2)根据上述采集到的数据分别标定经验模型和仿真模型：包括：

(1)根据上述采集到的数据对经验模型进行标定和修正，从而得到下列各区域的预测模型：

互通立交分流区密度预测模型：

K_R＝0.484+0.00013Q_R+0.011Q₁₂-0.0183L_D            (2-1)

互通立交分流区速度预测模型：

V_R＝V_FF-(V_FF-50)(1.15+0.0002Q_R-0.008V_FR)         (2-2)

互通立交合流区密度预测模型：

K_R＝1.1+0.0059Q_R+0.0074Q₁₂-0.01278L_A             (2-3)

互通立交合流区速度预测模型：

$V_R=V_{\mathrm{FF}}-(V_{\mathrm{FF}}-50)(0.78+0.01e^{(Q_{R12}/1000)}-0.004(L_A{V}_{\mathrm{FR}}/1000)---(2-4)$

互通立交交织区交织速度预测模型：

$V_w=24+\frac{V_{\mathrm{FF}}-16}{1+\frac{0.0192{(1+Q_R)}^{7.21}{\left(\frac{Q}{N}\right)}^{1.133}}{{\left(3.28L\right)}^{0.8}}}---(2-5)$

互通立交交织区非交织速度预测模型：

$V_w=24+\frac{V_{\mathrm{FF}}-16}{1+\frac{0.0178{(1+Q_R)}^{4.19}{\left(\frac{Q}{N}\right)}^{0.997}}{{\left(3.28L\right)}^{0.75}}}---(2-6)$

(2)根据上述采集到的数据进行交通仿真模型的标定；

(D)利用评价分析模块分别判断上述标定的交通仿真模型及预测模型与实际交通状况的交通流特性相比较，其两者的误差为≤10％；若判断结果返回假值，则返回上述步骤(C-2)，重新标定经验模型和仿真模型；若判断结果返回真值，顺序执行下一步；

(E)根据上述结果确定通行能力和服务水平，并通过数据输出模块输出下列指标：确定基本路段、分流区、合流区、交织区和各类型匝道的通行能力。

本发明中利用上述仿真设计系统进行城市快速路互通立交选型的设计方法包括下列步骤：

(1)根据现状交通量或预测交通量，对拟建设区交通量进行转向流量主次分析；

(2)根据通过仿真模型得到基本路段、分流区、合流区、交织区和各类型匝道的通行能力，初步确定互通立交的形式，该互通立交形式是下述几种形式之一或下述几种形式的任意组合：

苜蓿叶、组合型I和组合型II；

所述组合型I为半定向和定向匝道的组合；所述组合型II为定向匝道组合；

(3)利用下列公式得出上述所确定的互通立交形式的立交通行能力数据：

——当某方向的第一分流影响区与直行车道通行能力之和小于下游分流区与直行车道通行能力之和或交织区通行能力时，互通立交i方向的通行能力为第一分流区与直行车道通行能力之和，即：

——当下游有分流区时，若此方向的第一分流区与直行车道通行能力之和大于下游第二分流区与直行车道通行能力之和，互通立交i方向的通行能力为第二分流区通行能力、直行车道通行能力之和：

——当下游有交织区时，若此方向的第一分流影响区与直行车道通行能力之和大于下游进入交织区的主线通行能力之和，互通立交i方向的通行能力为进入交织区的主线通行能力：

C_i＝C_交织-ΔC_匝道                                        (3-3)

——最终分别得出每种互通立交形式整体的通行能力：

$C=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i---(3-4)$

上述公式(3-1)至公式(3-4)中，C_i为互通立交i方向的通行能力，单位为pcu/h；C_分1、C_分2、C_交织分为i方向两个分流区和交织区的通行能力，单位为pcu/h；C_直i为第i直行车道最大通过量，当分流区外侧仅有一条直行车道时，考虑距离效应，其最大通过量按照第二直行车道取值，单位为pcu/h；ΔC_匝道为各交织流量比条件下的进口匝道流量，单位为pcu/h；

(4)根据拟建设区远景预测交通量，与上述各种互通立交形式的通行能力分别进行比较，判断是否匹配，从而确定该拟建设区的互通立交设计方案。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

(1)由于本发明用于城市快速路互通立交的仿真设计系统是在全面调研天津市快速路所有互通立交形式的基础上，以典型立交形式为对象展开的有针对性的系统研究。最终建立了基于实测驾驶行为数据的交通流仿真平台；探索出了互通立交通行能力分析的试验方法；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设计指标合理取值范围内的建议值。

(2)本发明设计系统不仅可以提高城市快速路互通立交的设计水平，为大中型城市中大量待建交通项目的规划、设计与交通管理提供了宝贵的经验与可靠的技术支撑，并为完善城市快速路设计标准、城市快速路设计规程和城市道路交叉口设计规程提供了科学的基础数据。

(3)利用本发明的城市快速路互通立交的仿真设计系统，设计人员可以对不断变化的交通量、驾驶行为、车辆组成等交通条件进行互通立交的适应性分析。本发明丰富和发展了当前的立交设计方法与评价手段。

附图说明

图1是本发明用于城市快速路互通立交的仿真设计系统的结构框图；

图2是利用图1所示设计系统建立仿真模型的主流程图；

图3是利用图1所示设计系统建立理论模型的交织区图示图；

图4是利用图2所示仿真模型进行立交选型设计的流程；

图5是选型设计实施例的路口交通流量图；

图6-1、图6-2和图6-3是图4所示路口的互通立交的三种选型示意图；

图7是图5所示路口立交交通流量图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明城市快速路互通立交仿真设计系统，包括数据采集模块、模型标定模块、评价分析模块和数据输出模块，所述数据采集模块还与评价分析模块相联接在还包括分别与模型标定模块和数据输出模块联接的评价分析模块，在评价分析模块和模型标定模块之间还联接有数据修正模块；所述模型标定模块包括交通流特性理论模型和交通仿真软件；所述交通流特性理论模型采用可穿插间隙理论及服务水平理论，所述交通仿真模型采用VISSIM软件。所述数据采集模块包括车辆磁映像交通分析仪、车辆分型统计系统、全球定位系统、摄像机和计算机；所述车辆磁映像交通分析仪采用NC-97型车辆磁映像交通分析仪，所述车辆分型统计系统采用MetroCount车辆分型统计系统。

利用上述城市快速路仿真设计系统确定通行能力和服务水平的包括以下步骤：

(A)利用上述数据采集模块采集互通立交典型区内基本路段、分/合流区、交织区和匝道的有关数据。

包括以下数据：

——交通流量、车速、车体长度，车头时距和密度；

——车轴经过传感器的时刻的速度、流量、车头时距、轴距和轴数；

——车辆的定位信息、行驶速度、时间和行驶轨迹；

——道路条件、转向交通量、交通组成以及主线和匝道交织过程、车辆换车道位置；

——典型车辆的加减速度特性和典型区内各种匝道上车辆速度变化特性；

——利用全球定位系统中数据处理程序截取任意时间段的数据，剔除无效数据后，生成坐标和时间数据；根据该坐标和时间数据作出车辆行驶轨迹的CAD图；

(B)根据上述采集到的数据得出实际交通状况的交通流特性数据。

所述交通特性数据包括诸如：车速、流量、车头时距和密度等；

(C)根据上述采集到的数据标定经验模型和仿真模型(例如该仿真模型采用VISSIM模型)，建立预测模型；其中：

(C-1)利用交通流特性理论模型对上述采集到的数据进行理论分析。

该交通流特性理论模型可以采用现有技术中成熟的模型，如可以采用可穿插间隙理论及服务水平理论；所述理论分析通常是对基本路段、分流区、合流区和交织区的基本通行能力进行理论分析：包括(1)进行分流区和合流区基本通行能力的计算；(2)通过交织区的基本通行能力得出交织区总通行能力；其过程如下：

根据采集到的分流区内两条车道上互相成跟弛状态的车队中前后两辆车之间的饱和车头时距，应用下述公式(1-1)分别进行分流区和合流区基本通行能力的计算：

$C=\frac{3600}{\stackrel{\‾}{t}}---(1-1)$

公式(1-1)中：C——分\合流区通行能力，pcu/h.，

——平均最小车头时距，s；交织区的基本交通能力：C_i＝3600·λ_i·max·m_i                       (1-2)

$C=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i---(1-3)$

公式(1-2)和公式(1-3)中：

C——交织区总通行能力；

C_i——第i车道的通行能力；

λ_i·max——第i车道理想最大来车率，由公式 ${\mathrm{\λ}}_{1\·\max }=\min \{{\widetilde{\mathrm{\λ}}}_{1\max },C_0\}$ 和公式 ${\mathrm{\λ}}_{2\·\max }=\min \{{\widetilde{\mathrm{\λ}}}_{2\max },C_0\}$ 来确定，其中：C₀——每条车道的基本通行能力；

m_i——第i车道的有效空挡被利用的可能性大小，由公式(1-4)和公式(1-5)确定，

$m_1=1-\frac{Q_1\·r_1-{\tilde{Q}}^2}{Q_1\·r_1}---(1-5)$

参照图3对以上公式(1-4)和公式(1-5)中的参数说明如下：

记AX车道为编号1车道，BY车道编号为2车道；

记Q₁为1车道流量，r1为1车道上交织车辆占Q₁的比例，

为1车道车流可能接受的相邻车道上的交织流率；相应地，Q₂、r₂、分别为2车道的流量、2车道上交织车辆占Q2的比例、2车道车流可能接受的相邻车道上的交织流率。

(C-2)根据上述采集到的数据分别标定经验模型和仿真模型。包括：

(1)根据上述采集到的数据对经验模型进行标定和修正，从而得出下列各区域的预测模型；

(2)根据上述采集到的数据进行交通仿真模型的标定。

其中：各区域预测模型如下：

互通立交分流区密度预测模型：

K_R＝0.484+0.00013Q_R+0.011Q₁₂-0.0183L_D            (2-1)

互通立交分流区速度预测模型：

V_R＝V_FF-(V_FF-50)(1.15+0.0002Q_R-0.008V_FR)         (2-2)

互通立交合流区密度预测模型：

K_R＝1.1+0.0059Q_R+0.0074Q₁₂-0.01278L_A             (2-3)

互通立交合流区速度预测模型：

$V_R=V_{\mathrm{FF}}-(V_{\mathrm{FF}}-50)(0.78+0.01e^{(Q_{R12}/1000)}-0.004(L_A{V}_{\mathrm{FR}}/1000)---(2-4)$

互通立交交织区交织速度预测模型：

$V_w=24+\frac{V_{\mathrm{FF}}-16}{1+\frac{0.0192{(1+Q_R)}^{7.21}{\left(\frac{Q}{N}\right)}^{1.133}}{{\left(3.28L\right)}^{0.8}}}---(2-5)$

互通立交交织区非交织速度预测模型：

$V_w=24+\frac{V_{\mathrm{FF}}-16}{1+\frac{0.0178{(1+Q_R)}^{4.19}{\left(\frac{Q}{N}\right)}^{0.997}}{{\left(3.28L\right)}^{0.75}}}---(2-6)$

上述公式(2-1)至公式(2-6)中：

K_R——分流区与合流区密度，pcu/km/ln

Q——交织区总流量，pcu/h

Q_R——匝道流量，pcu/h

Q₁₂——主线外侧两车道流量，pcu/h

L——交织区长度，m

L_A——加速车道长度，m

L_D——减速车道长度，m

V_R——分流区与合流区速度，km/h

V_FF——主线自由流速度，km/h

V_FR——匝道自由流速度，km/h

V_W——非交织速度，km/h

N——交织区车道数；

(D)利用评价分析模块分别判断上述预测模型和标定的交通仿真模型与实际交通状况的交通流特性相比较，即：以上计算结果通过实测数据验证，模型计算结果与实测数据的差值均在可接受的范围内，其两者的误差应≤10％；若两者的误差超过10％，则返回上述步骤(C-2)，重新标定经验模型和仿真模型；若两者的误差≤10％，则上述标定后的模型可应用于该城市快速路互通立交区的速度和密度预测；

(E)根据上述结果确定通行能力和服务水平，通过数据输出模块输出下列指标：确定基本路段、分流区、合流区、交织区和各类型匝道的通行能力。

实施例一：

利用本发明设计系统通过对天津互通立交典型区内通行能力理论分析与对仿真模型的标定和修正，得出针对天津快速路基本路段，互通立交分/合流区、交织区、各类典型匝道和互通立交整体的通行能力值，可以作为天津互通立交选型、方案确定的决策支持，有关互通立交形式的通行能力推荐值见表1至表5。

                     表1快速路基本路段通行能力推荐表

设计速度(km/h)	单车道通行能力(pcu/h)	断面四车道通行能力(pcu/h)
			80	2050	8200

           表2互通立交分/合流影响区理论通行能力推荐表

             表3互通立交五车道交织区通行能力推荐表

交织流量比	0.1	0.2	0.3	0.4
					通行能力(pcu/h)	9300	8200	7200	6400

                表4各类型匝道通行能力推荐表

               表5互通立交整体通行能力推荐表

由互通立交各组成部分的交通流统计模型，并结合服务质量衡量指标与服务水平的判定方法，本发明可以确定快速路基本路段、互通立交分/合流区和交织区在标准条件下的服务水平分级统一标准，从而充实、完善现行标准规范体系，本发明所确定的服务水平划分标准见表6。

          表6基本路段、互通立交分/合流区和交织区服务水平划分标准

综上所述，利用本发明设计系统通过对城市快速路典型互通立交区观测，收集到了快速路基本路段，互通立交分/合流区、交织区和各种匝道的交通流特征参数；建立相应的数据库及通行能力理论分析模型；对确定服务水平的速度和密度经验模型加以标定和修正；建立适合该城市快速路互通立交交通流特性的通行能力分析模型。并以该模型指导城市快速路互通立交选型的设计。

利用上述的本发明设计系统所对应的通行能力和服务水平，指导互通立交选型的方法包括以下步骤：

(1)根据现状交通量或预测交通量，对拟建设区交通量进行转向流量主次分析；

(2)根据通过仿真模型得到基本路段、分流区、合流区、交织区和各类型匝道的通行能力，初步确定互通立交的形式，该互通立交形式是下述几种形式之一或下述几种形式的任意组合：

苜蓿叶、组合型I和组合型II；

所述组合型I为半定向和定向匝道的组合；所述组合型II为定向匝道组合；

(3)利用下列公式得出上述所确定的互通立交形式的立交通行能力数据：

——当某方向的第一分流影响区与直行车道通行能力之和小于下游分流区与直行车道通行能力之和或交织区通行能力时，互通立交i方向的通行能力为第一分流区与直行车道通行能力之和，即：

——当下游有分流区时，若此方向的第一分流区与直行车道通行能力之和大于下游第二分流区与直行车道通行能力之和，互通立交i方向的通行能力为第二分流区通行能力、直行车道通行能力之和：

——当下游有交织区时，若此方向的第一分流影响区与直行车道通行能力之和大于下游进入交织区的主线通行能力之和，互通立交i方向的通行能力为进入交织区的主线通行能力：

C_i＝C_交织-ΔC_匝道                                           (3-3)

——最终分别得出每种互通立交形式整体的通行能力：

$C=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i---(3-4)$

上述公式(3-1)至公式(3-4)中，C_i为互通立交i方向的通行能力，单位为pcu/h；C_分1、C_分2、C_交织分为i方向两个分流区和交织区的通行能力，单位为pcu/h；C_直i为第i直行车道最大通过量，当分流区外侧仅有一条直行车道时，考虑距离效应，其最大通过量按照第二直行车道取值，单位为pcu/h；ΔC_匝道为各交织流量比条件下的进口匝道流量，单位为pcu/h；

(4)根据拟建设区远景预测交通量，与上述各种互通立交形式的通行能力分别进行比较，判断是否匹配，从而确定该拟建设区的互通立交设计方案。

所述初步确定互通立交形式时，包括下述情形：

(1)匝道形式的选择：立交选型时应依据预测交通量对各个转向交通进行分析，并结合城市周边地形及关键控制点布设立交。左转匝道形式的选择决定了立交的形式，应根据匝道预测交通量的大小和服务水平的高低，依次选用定向匝道、半定向匝道和环形匝道，同时匝道的平纵线形指标应与交通量相适应，交通量大、大车混入率高的匝道应具有较高的平纵线形指标。

(2)交织区的选用：在立交选型时应尽量减少交织区。设计时，可根据交通需求对全苜蓿叶型立交进行灵活的变化，将环形匝道呈对角形式布置在两个象限内，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。

如受地形限制必须布设交织区时，应保证交织区交织流量比不高于0.2。若将交织区与主线采用硬分隔，应保证转向交通量和交织流量比均较小，同时注重与快速路连接部的处理，采用单一进出口，通过分/合流的形式进出主线，提高该路段的主线通行能力。

所述初步确定互通立交形式时，匝道设计指标如下：

(1)左转(半)定向匝道：考虑允许超车，防止部分低速车辆在匝道上压车对匝道的通行能力产生影响，对于长距离、大纵坡、高标高的匝道应设置成双车道。设置条件为长度超过300m的(半)定向匝道，交通量大于600pcu/h，且大中型车混入率不低于20％。同时考虑安全问题，匝道汇流处划线设置为单车道入口。

(2)环形匝道：环形匝道的布设对立交的占地影响较大，应在满足车辆安全高效通行的前提下减少立交对城市用地的影响，因此建议环形匝道平曲线半径取低值，R＝50m，环形匝道设计车速取40km/h。

(3)右转匝道：S型右转匝道速度高于设计速度，同时和标准型右转匝道相比，其通行能力相差不多，在用地限制时推荐采用。

(4)匝道合流：两条匝道汇流成一条匝道时，车道减少导致车辆抢道行驶，易造成匝道拥堵。建议匝道合流后车道数不变，同时注重下游匝道与主线连接处的处理，保证车道平衡。

实施例二：一城市快速路互通立交选型设计

根据现状交通量或预测交通量，对拟建设区内两条双向8车道城市快速路相交处交通量进行转向流量主次分析：拟建立互通立交的该处路口2026年规划预测远景交通量所图5所示。

根据通过仿真模型得到基本路段、分流区、合流区、交织区和各类型匝道的通行能力，初步确定互通立交的形式，该互通立交形式有下述几种方案备选：

方案一：组合型I，如图6-1所示，该方案将环形匝道呈对角形式布置在两个象限内，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区，没有交织区。该方案造价估算为36000万元。

方案二：为苜蓿叶型立交，如图6-2所示，该方案中的四个象限均为环形匝道。立交有四处交织区。该方案造价估算为23000万元。

方案三：为组合型I立交，如图6-3所示，该方案将两个环形匝道布置在一个方向，同时将两个主要流向做成半定向匝道。该方案造价估算为32000万元。

利用前述的公式(3-1)至公式(3-5)分别计算上述三个初选方案的立交总通行能力：

上述方案一的立交总通行能力为25620pcu/h；上述方案二的立交总通行能力为23905pcu/h；上述方案三的立交总通行能力为30790pcu/h。

按照预测拟建立交处2026年路口总的交通量为17843pcu/h，如图7所示：该处总的交通流量＝(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。

根据该预测交通量，与上述各种互通立交形式的通行能力分别进行比较，判断是否匹配，从而确定一套切实可行的互通立交的设计方案。经验算，三个方案立交总交通量均大于拟建立交处2026年路口预测交通量。其中，方案二最为接近。考虑预测交通量的不确定性，将预测拟建立交处的交通总量上浮20％后为21412pcu/h，该值小于方案二立交总通行能力23905pcu/h，而且方案二中立交各部分均可满足转向交通的需求。因此将方案二作为该处路口的推荐方案。另外，方案二造价分别较方案一减少13000万元，较方案三减少9000万元。因此，认为方案二为相对较理想的选型设计方案。

利用本发明设计系统，根据互通立交区现场观测数据，已对天津市快速路互通立交进行了仿真模型参数标定。其标定内容包括车辆分车道分车型期望速度、合流区加速车道车辆换车道模型、交织区集散车道车辆换车道模型、典型车辆加减速特性等。经过实测值与仿真值的误差分析结果显示，仿真模型不仅具有很好的稳定性，而且与实际的交通流状态吻合较好，完全可以作为互通立交区的交通分析平台，直接用于天津市快速路系统的交通分析。交通流仿真实验平台的建立，可对拟建互通立交的服务水平进行分析，直观再现未来的交通运行状况，以发现潜在的设计缺陷，便于针对问题提出改进措施。这对于节约公路建设投资、提高设施使用效能和挖掘现有交通设施的潜力，无疑具有十分重要的现实意义。当然，在本发明的基础上经过调整修正系数，可以广泛应用于城市快速路的设计中。

另外，值得关注的是：大车的速度主要受纵坡影响，而且大车运行将对其他车辆造成延误。因此在立交设计中应重视对大车混入率的分析，对于大车混入率过高的方向适当提高平纵标准，以提高该处通行能力。还有，互通立交的出口应设置在容易识别处，同一方向的左、右转宜设置统一出口，即立交同一方向的出入口应唯一。如同一方向的左、右转出入口受地形、工程量的影响不能一同出入时，应保证第一出口为右转，第二出口为左转，并设置合理的交通标志及时提示。

尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。

Claims (6)

1.一种城市快速路互通立交仿真设计系统，包括数据采集模块、模型标定模块和数据输出模块，其特征在于，还包括分别与模型标定模块和数据输出模块联接的评价分析模块，在评价分析模块和模型标定模块之间还联接有数据修正模块；所述建立交通仿真模型模块包括交通流特性理论模型和交通仿真软件。

2.根据权利要求1所述的城市快速路互通立交仿真设计系统，其特征在于：所述数据采集模块包括车辆磁映像交通分析仪、车辆分型统计系统、全球定位系统、摄像机和计算机；所述车辆磁映像交通分析仪采用NC-97型车辆磁映像交通分析仪，所述车辆分型统计系统采用MetroCount车辆分型统计系统。

3.一种建立城市快速路互通立交仿真设计系统模型的方法，其特征在于，利用如权利要求3所述的仿真设计系统建立模型的方法包括以下步骤：

(A)利用数据采集模块采集典型区内互通立交基本路段、分/合流区、交织区和匝道的如下数据：

——交通流量、车速、车体长度，车头时距和密度；

——车轴经过传感器的时刻的速度、流量、车头时距、轴距和轴数；

——车辆的定位信息、行驶速度、时间和行驶轨迹；

——道路条件、转向交通量、交通组成以及主线和匝道交织过程、车辆换车道位置；

——典型车辆的加减速度特性和拟建设区内各种匝道上车辆速度变化特性；

——利用全球定位系统中数据处理程序截取任意时间段的数据，剔除无效数据后，生成坐标和时间数据；根据该坐标和时间数据作出车辆行驶轨迹的CAD图；

(B)根据上述采集到的数据得出实际交通状况的交通流特性数据；

(C)根据上述采集到的数据标定经验模型和仿真模型，建立预测模型，包括：

(C-1)利用交通流特性理论模型对上述采集到的数据进行理论分析；

——对基本路段、分流区、合流区和交织区的基本通行能力进行理论分析：

根据采集到的分流区内两条车道上互相成跟弛状态的车队中前后两辆车之间的饱和车头时距，应用公式(1-1)分别进行分流区和合流区基本通行能力的计算：

$C=\frac{3600}{\stackrel{\‾}{t}}---(1-1)$

公式(1-1)中：C——分/合流区通行能力，pcu/h.，

——平均最小车头时距，s；

交织区(一型)的基本通行能力：C_i＝3600·λ_i·max·m_i            (1-2)

$C=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i---(1-3)$

公式(1-2)和公式(1-3)中：

C——交织区总通行能力；

C_i——第i车道的通行能力；

λ_i·max——第i车道理想最大来车率，由公式 ${\mathrm{\λ}}_{1\·\max }=\min \{{\widetilde{\mathrm{\λ}}}_{1\max },C_0\}$ 和公式 ${\mathrm{\λ}}_{2\·\max }=\min \{{\widetilde{\mathrm{\λ}}}_{2\max },C_0\}$ 来确定，其中：C₀——每条车道的基本通行能力；

m_i——第i车道的有效空挡被利用的可能性大小，由公式(1-4)和公式(1-5)确定，

$m_2=1-\frac{Q_2\·r_2-{\tilde{Q}}^1}{Q_2\·r_2}$

$m_1=1-\frac{Q_1\·r_1-{\tilde{Q}}^2}{Q_1\·r_1}---(1-5)$

(C-2)根据上述采集到的数据分别标定经验模型和仿真模型：包括：

(1)根据上述采集到的数据对经验模型进行标定和修正，从而得出下列各区域的预测模型：

互通立交分流区密度预测模型：

K_R＝0.484+0.00013Q_R+0.011Q₁₂-0.0183L_D            (2-1)

互通立交分流区速度预测模型：

V_R＝V_FF-(V_FF-50)(1.15+0.0002Q_R-0.008V_FR)         (2-2)

互通立交合流区密度预测模型：

K_R＝1.1+0.0059Q_R+0.0074Q₁₂-0.01278L_A             (2-3)

互通立交合流区速度预测模型：

$V_R=V_{\mathrm{FF}}-(V_{\mathrm{FF}}-50)(0.78+0.01e^{(Q_{R12}/1000)}-0.004(L_A{V}_{\mathrm{FR}}/1000)---(2-4)$

互通立交交织区交织速度预测模型：

$V_w=24+\frac{V_{\mathrm{FF}}-16}{1+\frac{0.0192{(1+Q_R)}^{7.21}{\left(\frac{Q}{N}\right)}^{1.133}}{{\left(3.28L\right)}^{0.8}}}---(2-5)$

互通立交交织区非交织速度预测模型：

$V_w=24+\frac{V_{\mathrm{FF}}-16}{1+\frac{0.0178{(1+Q_R)}^{4.19}{\left(\frac{Q}{N}\right)}^{0.997}}{{\left(3.28L\right)}^{0.75}}}---(2-6)$

上述公式(2-1)至公式(2-6)中：

K_R——分流区与合流区密度，pcu/km/ln

Q——交织区总流量，pcu/h

Q_R——匝道流量，pcu/h

Q₁₂——主线外侧两车道流量，pcu/h

L——交织区长度，m

L_A——加速车道长度，m

L_D——减速车道长度，m

V_R——分流区与合流区速度，km/h

V_FF——主线自由流速度，km/h

V_FR——匝道自由流速度，km/h

V_W——非交织速度，km/h

N——交织区车道数；

(2)根据上述采集到的数据进行交通仿真模型的标定；

(D)利用评价分析模块分别判断上述预测模型和标定的交通仿真模型与实际交通状况的交通流特性相比较，其两者的误差为≤10％；

若判断结果返回假值，则返回上述步骤(C-2)，重新标定经验模型和仿真模型；

若判断结果返回真值，顺序执行下一步；

(E)根据上述结果确定通行能力和服务水平，并通过数据输出模块输出下列指标：确定基本路段、分流区、合流区、交织区和各类型匝道的通行能力。

4.一种利用如权利要求3所述的仿真设计系统进行城市快速路互通立交选型的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)根据现状交通量或预测交通量，对拟建设区交通量进行转向流量主次分析；

(2)根据通过仿真模型得到基本路段、分流区、合流区、交织区和各类型匝道的通行能力，初步确定互通立交的形式，该互通立交形式是下述几种形式之一或下述几种形式的任意组合：

苜蓿叶、组合型I和组合型II；

所述组合型I为半定向和定向匝道的组合；所述组合型II为定向匝道组合；

(3)利用下列公式得出上述所确定的互通立交形式的立交通行能力数据：

——当某方向的第一分流影响区与直行车道通行能力之和小于下游分流区与直行车道通行能力之和或交织区通行能力时，互通立交i方向的通行能力为第一分流区与直行车道通行能力之和，即：

——当下游有分流区时，若此方向的第一分流区与直行车道通行能力之和大于下游第二分流区与直行车道通行能力之和，互通立交i方向的通行能力为第二分流区通行能力、直行车道通行能力之和：

——当下游有交织区时，若此方向的第一分流影响区与直行车道通行能力之和大于下游进入交织区的主线通行能力之和，互通立交i方向的通行能力为进入交织区的主线通行能力：

C_i＝C_交织-ΔC_匝道                                    (3-3)

——最终分别得出每种互通立交形式整体的通行能力：

$C=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i---(3-4)$

上述公式(3-1)至公式(3-4)中，C_i为互通立交i方向的通行能力，单位为pcu/h；C_分1、C_分2、C_交织分为i方向两个分流区和交织区的通行能力，单位为pcu/h；C_直i为第i直行车道最大通过量，当分流区外侧仅有一条直行车道时，考虑距离效应，其最大通过量按照第二直行车道取值，单位为pcu/h；ΔC_匝道为各交织流量比条件下的进口匝道流量，单位为pcu/h；

(4)根据拟建设区远景预测交通量，与上述各种互通立交形式的通行能力分别进行比较，判断是否匹配，从而确定该拟建设区的互通立交设计方案。

5.根据权利要求4所述的互通立交选型的设计方法，其特征在于：所述初步确定互通立交形式时，包括下述情形：

(1)匝道形式的选择：依次选用定向匝道、半定向匝道和环形匝道，同时匝道的平纵线形指标与交通量相适应；

(2)交织区的选用：根据交通需求对全苜蓿叶型立交中的环形匝道呈对角形式布置在两个象限内，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.根据权利要求4所述的互通立交选型的设计方法，其特征在于：所述初步确定互通立交形式时，匝道设计指标如下：

1)左转半定向匝道：对于长距离、大纵坡、高标高的匝道应设置成双车道；设置条件为长度超过300m的半定向匝道，交通量大于600pcu/h，且大中型车混入率不低于20％；匝道汇流处划线设置为单车道入口；

2)环形匝道：环形匝道平曲线半径R＝50m，环形匝道设计车速取40km/h；

3)右转匝道：用地限制时，选择S型右转匝道；

4)匝道合流：两条匝道汇流成一条匝道时，匝道合流后车道数不变。

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