CN110598246A - 一种改进的车道边容量优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的车道边容量优化设计方法，属于交通管控和枢纽体交通设计领域，包括如下步骤：建立车道边容量模型、确定车道边容量模型的车道边设计参数和交通流参数；计算得到车道边设计容量并判断其是否满足预测容量，是则设计方案形成；否则进入下一步骤进行更优化设计；对模型的数学性质进行定性分析；修改车道边容量模型设计参数，重新循环进行设计容量计算。本发明的模型对枢纽体出入口设置所带来的司机的行为选择进行了考虑，真实反应了车道边的利用情况；能够较为准确的计算车道边真实容量；能够直观的反应影响车道边容量的因素并有效指导方案的优化设计；使用本发明设计的车道边，能够满足预测容量，从而保证车道边的通畅。

Description

一种改进的车道边容量优化设计方法

技术领域

本发明属于交通管控和枢纽体交通设计领域，具体而言是一种改进的车道边容量优化设计方法。

背景技术

车道边是指高铁车站、机场航站楼等枢纽体站厅层一侧提供车辆通行、短时停靠及旅客上下车进出站的特殊路段。由于车道边是经由道路交通到达枢纽体的必经之路，人、车流量大且交通状态复杂，极易产生拥堵，给枢纽体本身的服务水平造成极大的制约，严重的可能会波及周边道路交通系统的正常运行以及上下车旅客的安全。因此，对车道边的容量实现精确的评估，并进行安全合理且富有远见的设计是枢纽体交通体系建设成功的关键。

影响车道边容量及运行的因素有：道路条件，包括车道边条数、车道边路幅宽度、车道边有效长度等；交通流特性，包括车辆类型、车辆分布、停靠时间等；管制条件，包括为确保车道边正常运行而采取的分车道、分车型、限速、限时等措施。各个指标间存在相互影响关系，动态制约着车道边的容量，传统计算方法精度难以达到理想要求，在进行优化设计时也无法直观得表征到各物理参数和管制手段的选取上。

本发明基于时空消耗理论，提供了一种改进的车道边容量计算及其优化设计方法，能够较为精确的描述车道边投入运营后的真实容量，并能有效的指导优化设计方案的生成，以实现对车道边科学合理的设计，提高枢纽体道路交通运行效率和服务水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种枢纽体站厅层车道边的容量评估及其优化设计方法，其核心是建立精确易行的车道边容量模型，对车道边容量进行计算后指导其改进方案的生成，达到优化设计的目的。

本发明采用的技术方案如下：依据原有设计方案和规划、工程、管控等条件，建立数学模型对车道边容量进行精确计算，并以此为指导进行优化设计。其中具体包括建立车道边容量模型、确定影响车道边容量的各参数的值、计算车道边设计容量、根据模型数学性质提出理论最优化方案、结合实际条件限制提出优化设计方案。

一、构建车道边容量模型分为三个步骤：

第一步：构建单一车型运行下的车道边容量模型。认为车道边的有效运营面积和有效运营时间为车道边的总体服务资源：

其中，C_s为车道边设计容量(pcu/h)；C_all为车道边每小时的总时空资源；C_r平均每辆车在使用车道边时的时空消耗；L_e为有效车道边长度(m)；B为车道边停车道宽度(m)；T为车道边运营时间；l为停车道车辆平均占用长度(m)；B_v为停车道上车辆平均占用宽度(m)；t_s为车辆平均停车时间；t_d为车辆进出车道边的损失时间。

第二步：扩展到混合车流运行下的单车道边容量模型：

考虑到不同车型的尺寸、上下客量以及对车道边时空资源的占有情况各有不同，因此车道边容量模型应当考虑不同车辆在交通流中的比例p_i，例如考虑私家车、出租车和大型巴士的情况下，三种车型在交通流中的比例为p_a：p_b：p_c，且p_a+p_b+p_c＝1，此时车道边的容量为：

C_M＝p_aC_a+p_bk₁C_b+p_ck₂C_c

其中，k₁、k₂为车型换算系数,C_a，C_b，C_c分别为仅有私家车、出租车和大型巴士情况下的单一车道边容量，且其满足第一步中单一车道边运行下的车道边容量模型。

第三步：扩展到混合车流运行下的多车道边容量模型：

车道边条数的增加会引起额外的横穿车道边的行人数量，从而增加了一种由横穿行人导致的损失时间，降低内侧车道边运行效率，损失时间t_d成为车道边数n的函数t_d(n)，这种影响由最外侧车道边向内侧车道边递增，因此车道边的总体容量为：

其中，n为车道边条数，n≥2；i为从内而外的车道边编号，i∈[1,n]；C_Mi为混合车流运行下的地i条车道边容量，其计算满足第二步中混合车流运行下的单车道边容量模型。

二、依据枢纽体原始设计方案设计，获取和标定模型中所需参数：

第一步：计算有效车道边长度L。认为车辆总是选择距离进站口距离较近的位置停车，对于多出入口的站厅车道边，车辆总是选择他们发现的第一个距离较接近出入口的位置停车(这会带来车道边服务能力的折损)，因此单位时间内某个停车位的交通分配比近似符合二项分布，即单位时间内某停车为的累计停车次数与车道边总停车次数之比符合二项分布：

其中，f_x为从入口道开始第x个停车位的交通分配比，x为停车序列号，该序列号从最靠近车道边入口的停车为开始，以此向后编排；n为停车到的停车位总数；p为靠近入口处的停车位与总停车位个数的比值，即由于部分枢纽体尤其是新建的高铁枢纽在一个车道边侧仅设置一个入口，所以也可表示为

由此可得到有效车道边长度L_e：

其中，L为车道边全长，f_x为第x个停车位的交通分配比。

第二步：车道边停车道宽度B。获取设计方案中车道边的设计宽度，在设计方案中，该值一般不低于3.5m。

第三步：车道边运营时间T。由于通行能力单位为pcu/h，因此运营时间取1小时为单位时长，为方便计算，高峰小时有效运营时间T即取1h。

第四步：确定车辆平均占用车道边长度L_v。平均占用长度由车辆自身车长和车辆间安全距离两部分组成，在模型中也看做常数，小型车或大型车的平均占用长度约为8～15m。

第五步：确定车辆平均占用车道边宽度B_v。由于车道边宽度及管理要求，禁止车辆并列使用车道边，因此车辆占用车道边宽度默认等同于车道边停车道宽度B。

第六步：确定平均停靠时间t_s。由于车辆尺寸及载客数不同，停靠上下客时间也会有所不同，根据美国TRB统计数据表明，出租车、私家车和巴士的停靠时间分别为2min、3min和5min。

第七步：延误时间t_d。延误由多方面因素导致，其中主要原因来自减速、启动损失时间和外侧车道边行人影响，减速和启动损失时间大致可视为定值，而外侧车道边行人影响则是车道边数量(n)的增函数，考虑单条车道边宽度以及行人步行速度，有着n条车道边的枢纽体，车道边延误时间由内而外分别为：

t_di＝(n-i)t_d,(i＝1,2,3……n-1；n≥2时)

为方便计算，可在交通调查或以往数据经验的基础上，将延误时间t_d取为定值。

三、计算原设计方案车道边容量，判断其是否满足预计容量。如果满足，则该方法为目标优化方案，如果不满足，进入步骤四。

四、对车道边容量提升方案进行理论分析。根据对车道边容量建模的数学表达式，从理论分析各因素对车道边容量的影响，并首先形成定性分析表。

五、结合实际情况限制，提出可行优化方案：修改车道边容量模型设计参数，回到步骤二进行循环。

有益效果：本发明具备以下优点

1.计算所需参数易于获取且较为精确；

2.模型体现了多车道边情形下行人对内侧车道边运行的影响；

3.模型对枢纽体出入口设置所带来的司机的行为选择进行了考虑，真实反应了车道边的利用情况。

4.能够较为准确的计算车道边真实容量；

5.能够直观的反应影响车道边容量的因素并有效指导方案的优化设计。

6.使用本发明设计的车道边，能够满足预测容量，从而保证车道边的通畅。

附图说明：

图1为本发明的技术路线图。

图2为本发明实施例应用于某高铁站车道边设计方案结构示意图。

图3为本发明实施例在n＝15时150m车道边在不同p值下各停车位交通分配比例图。

表1为车道边参数值。

表2为本发明实施例在n＝15，p＝7/30时车道边有效长度系数。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

实施例1

步骤(1)：建立车道边容量模型。

步骤(1.1)建立单一车型运行下的单车道边容量模型：

其中，C_all为车道边每小时的总时空资源；C_r平均每辆车在使用车道边时的时空消耗；L_e为有效车道边长度；B为车道边停车道宽度；T为车道边运营时间；l为停车道车辆平均占用长度；B_v为停车道车辆平均占用宽度；t_s为车辆平均停车时间；t_d为车辆进出车道边的损失时间；

步骤(1.2)建立混合车流运行下的单车道边容量模型；

C_M＝p_aC_a+p_bk₁C_b+p_ck₂C_c

其中，p_i为车道边容量模型不同车辆在交通流中的比例，即三种车型在交通流中的比例为p_a：p_b：p_c，且p_a+p_b+p_c＝1；k₁、k₂为车型换算系数；C_a，C_b，C_c分别为三种车型情况下的单一车道边容量；

步骤(1.3)建立混合车流运行下的多车道边容量模型；

车道边的总体容量为：

其中，n为车道边条数，n≥2；i为从内而外的车道边编号，i∈[1,n]；C_Mi为混合车流运行下的第i条车道边容量。

步骤(2)确定车道边容量模型的车道边设计参数和交通流参数。

参阅图2所示，设定某高铁站厅层规划有两条车道边，内外侧车道边均为150m，宽度均为3.5m，同一时间容纳约15个车位。经预测，建成后车道边高峰小时将承受3000pcu/h的交通量，车道边未来机动车交通组成主要为私家车、出租车和大型巴士，其比例约为74％、24％和2％，车型换算系数私家车、出租车为1，大型巴士为2；车辆平均占有车道边长度私家车、出租车为8m，大型巴士为15m。站厅入口排队区域宽度为35m。关于其他参数，设计方案或计算直接标定，见表1。

表1

步骤(3)由于高铁站进站口普遍采用单出入口形式，因此考虑采用靠近入口(行人排队区域)位置的车道边长度与车道边全长的比值作为计算有些车道边长度的p值，的计算结果见表2。

表2

内外两条车道边的有效长度均为：

由车道边规划设计条件，可计算得到内外两条车道边的总体时空资源均为

(L_e×B)×T＝(147×3.5)×3600＝1852200m²/s

带入模型可得：

步骤(4)计算结果未能满足设计高峰小时通行能力(3000pcu/h)。则需要更优化设计。

步骤(5)根据对车道边容量建模的数学表达式，计算得到如表2所示的定性分析表。

步骤(6)首先考虑增大旅客进站口排队范围，出入口个数，将入口宽度由35m提高至45m、50m时，车道边容量分别为2791pcu/h和2797pcu/h，改善效果不显著。考虑增加车道边长度至170m时，车道边容量提高到3077pcu/h，满足设计高峰小时车道边通行能力要求。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种改进的车道边容量优化设计方法，其特征在于：

包括如下步骤：

(1)建立车道边容量模型；

(2)确定车道边容量模型的车道边设计参数和交通流参数；

(3)计算得到车道边设计容量；

(4)判断设计容量是否满足预测容量，是则设计方案形成；否则进入步骤(5)进行更优化设计；

(5)根据步骤(1)中车道边容量模型，根据其数学性质进行定性分析；

(6)修改车道边容量模型的设计参数；进入步骤(2)循环。

2.根据权利要求1所述的改进车道边容量优化设计方法，其特征在于：

所述步骤(1)建立车道边容量模型包括如下步骤

步骤(1.1)建立单一车型运行下的单车道边容量模型：

其中，C_all为车道边每小时的总时空资源；C_r平均每辆车在使用车道边时的时空消耗；L_e为有效车道边长度；B为车道边停车道宽度；T为车道边运营时间；l为停车道车辆平均占用长度；B_v为停车道车辆平均占用宽度；t_s为车辆平均停车时间；t_d为车辆进出车道边的损失时间；

步骤(1.2)建立混合车流运行下的单车道边容量模型；

C_M＝p_aC_a+p_bk₁C_b+p_ck₂C_c

其中，p_i为车道边容量模型不同车辆在交通流中的比例，即三种车型在交通流中的比例为p_a：p_b：p_c，且p_a+p_b+p_c＝1；k₁、k₂为车型换算系数；C_a，C_b，C_c分别为三种车型情况下的单一车道边容量；

步骤(1.3)建立混合车流运行下的多车道边容量模型；

车道边的总体容量为：

其中，n为车道边条数，n≥2；i为从内而外的车道边编号，i∈[1，n]；C_Mi为混合车流运行下的第i条车道边容量。

3.根据权利要求2所述的改进的车道边容量优化设计方法，其特征在于：

所述步骤(2)确定车道边容量模型的车道边设计参数和交通流参数包括：

步骤(2.1)计算有效车道边长度L_e：

步骤(2.2)获取车道边停车道容度B；

步骤(2.3)确定车道边运行时间T；

步骤(2.4)确定车辆平均占用车道边长度L_v；

步骤(2.5)确定车辆平均占用车道边宽度B_v；

步骤(2.6)确定平均停靠时间t_s；

步骤(2.7)确定延误时间t_d。

4.根据权利要求3所述的改进的车道边容量优化设计方法，其特征在于：

所述有效车道边长

其中，L为车道边全长，f_x为第x个停车位的交通分配比；

其中，x为停车序列号；n为停车道的停车位总数；p为靠近入口处的停车位与总停车位个数的比值，即或者当高铁枢纽在一个车道边侧仅设置一个入口时，则

所述车道边停车道容度B为常数，其值不低于3.5m；

所述车道边运行时间T为常数，取值为1；

所述车辆平均占用车道边长度L_v为常数，其范围为8＜L_v＜15；

所述车辆平均占用车道边宽度B_v等同于车道边停车道宽度B；

所述平均停靠时间t_s包括三种车型的平均停靠时间，即出租车、私家车和巴士的平均停靠时间分别为2min、3min和5min；

所述延误时间t_d：n条车道边的枢纽体，车道边延误时间由内而外分别为：

t_di＝(n-i)t_d，(i＝1，2，3……n-1；n≥2时)；t_di为第i个车道边延误时间；延误时间t_d取为定值。

5.根据权利要求1所述的改进的车道边容量优化设计方法，其特征在于：所述步骤(5)为根据对车道边容量建模的数学表达式，从理论分析各因素对车道边容量的影响，并形成定性分析表。