CN111968373A - 一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法 - Google Patents

Abstract

一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，属于高速公路交通控制区交通特性分析领域。本发明是为了解决目前改扩建高速公路交通控制区车辆随意换道的复杂情况，缺乏对换道特性的理论指导、确定方法以及解决措施，而导致交通控制区存在交通拥堵甚至存在交通安全隐患的问题。本发明所述的换道特性确定方法包括：获取超车道部分被占用交通控制区的交通流运行数据；建立超车道部分被占用交通控制区车辆换道模型；根据交通控制区车辆换道模型的结果进行相应的管控措施。本发明属于交通特性分析领域。

Description

一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法

技术领域

本发明涉及高速公路交通控制区交通特性分析领域，具体涉及一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法。

背景技术

改扩建高速公路工程为缓解交通压力提供了新思路，改扩建期间的高速公路面临车道或路肩被占用的复杂局面，此时，社会车辆的通行安全、施工人员及设备的作业安全以及保通阶段的交通服务水平等问题凸显，而国内在高速公路养护作业时借鉴的相关规范中，所包含的交通控制区种型并不全面，对于改扩建过程中出现的新型交通控制区(例如超车道不是封闭而只是部分宽度被占用的形态)，缺少相应的技术标准来解决这些实际问题。

国外对改扩建高速公路交通控制区的研究主要针对施工区通行能力、交通组织方式及换道特性等方面。Al-Kaisy等对施工区通行能力的影响因素进行了研究。Lu等标定了描述速度-密度关系的五参数通行能力模型，并建立了尺度参数与通行能力之间的线性关系。Edara等建立了多元回归模型来描述施工区车道封闭数量、大型车百分比和通行能力之间的关系。在交通组织方面，Du·S等利用所建立的离散时间非线性施工区模型和离散时间滑模控制方法，提出了一种高速公路可变限速标志(VSL)控制策略，利用该控制策略可以减少车辆17％的平均行程时间。车道变换研究方面，Guo Mingmin等研究了变道率、车头时距、目标车道的选择等，总结了相应具有借鉴意义的结论。Weng等利用施工作业区车辆换道轨迹数据建立的时变逻辑回归模型对车辆换道行为进行了预测。

国内对改扩建高速公路交通控制区的研究相对较晚。曲向进等结合沈大改扩建高速公路工程有针对性地提出了全面细致、安全可靠的技术方案，孟祥海等针对半幅封闭施工区提出了基于格林希尔治速度-流量模型的通行能力确定方法和基于运行速度及道路交通条件修正的通行能力确定方法。吴彪等利用单样本K-S检验方法对施工区运行车辆的车速分布形式进行了检验，定量分析了不同交通控制区段的车速变化规律。陈慧等提出了一种基于驾驶人不满度的换道行为决策方法，王忠宇等建立了二次回归模型刻画车辆换道长度与换道起始点的关系，江欣国等在NS(NaSch)模型和STCA(Symmetric Two-laneCellular Automata)模型的基础上，建立了高速公路瓶颈交通流模型，在模拟条件下得到了瓶颈交通流量和换道频率与车辆到达率的关系。

国内外学者在改扩建高速公路交通控制区的通行能力、车辆速度特性、换道特性等方面的研究多以理论模型的建立和完善为主，由于调查样本不足或地区的差异性，研究成果较缺乏代表性。现有的对改扩建高速公路交通控制区的研究侧重于从安全角度出发，由于数据获取不便，对交通控制区的研究不够深入和全面，尤其对车辆通过交通控制区过程中的换道特征缺少成熟的经验或成果可循。通过对交通控制区车辆换道特性的分析，建立交通控制区车辆换道模型，对保障交通运行安全、提升道路利用率具有指导意义。

国内在高速公路养护、施工等作业时通常借鉴《公路养护安全作业规程》(简称规程)，《规程》中针对四车道高速公路养护作业控制区的布置类型较少，然而新的施工作业区类型不断出现，缺乏针对性的规范成为急需解决的问题，需要对新型施工作业区交通特性开展研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前改扩建高速公路交通控制区车辆随意换道的复杂情况，缺乏对换道特性的理论指导、确定方法以及解决措施，而导致交通控制区存在交通拥堵甚至存在交通安全隐患的问题，现提出一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法。

一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，包括：

步骤一、获取超车道部分被占用交通控制区的交通流运行数据；

步骤二、建立超车道部分被占用交通控制区车辆换道模型：

以上游过渡区起点作为坐标原点，终止区方向为横轴正方向，换道车辆数占总车辆数的比例为纵轴，建立交通控制区内车辆换道分布直方图；

结合换道比例和换道位置，利用曲线拟合的方法建立车辆换道模型，利用Matlab曲线拟合工具对交通控制区换道比例与换道位置关系分别进行曲线拟合，得到指数函数模型：

其中，x表示车辆与上游过渡区起点之间的距离；f(x)表示对应位置处车辆的换道比例，a、b、c为常数，e表示自然常数；

对指数函数模型进行求导，得到：

步骤三、根据交通控制区车辆换道模型的结果进行相应的管控措施。

有益效果

1、揭示了交通控制区车辆的换道比例与换道位置之间的规律，建立了不同交通控制区换道比例与换道位置关系，揭示了超车道被部分占用交通交通控制区内车辆的换道规律，为解决施工区交通安全问题提供了理论参照和支撑，研究成果对高速公路交通安全管理以及建立适用于中国实际高速公路交通环境的换道行为模型具有重要参考意义。

2、本发明提供了超车道被部分占用交通控制区的交通组织方案。对上游过渡区起点前的车辆进行提前分流，并确定了标志布设的位置和内容。通过该组织方案，极大程度上缓解了控制区内的交通冲突，并保证了施工期间超车道的利用率不受太大影响，减少了车辆运行延误，提高了车辆在控制区内的运行效率。

3、本发明提供的控制方案可以大大提升交通控制区内的通行能力，同时保证了车道利用率不受太大损失，缓解了交通控制区内的交通冲突。

附图说明

图1为超车道部分被占用交通控制区布置形式示意图；

图2为超车道部分被占用交通控制区检测断面图；

图3超车道部分被占用交通控制区换道位置分布图；

图4为超车道部分被占用交通控制区换道比例分布曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种改扩建高速公路交通控制区换道特性确定方法，包括：

步骤一、获取超车道部分被占用的交通控制区的交通流运行数据；

步骤二、建立超车道部分被占用交通控制区车辆换道模型：

以上游过渡区的起点作为坐标原点，终止区方向(图3中向右方向)为横轴正方向，换道车辆数占总车辆数的比例为纵轴，建立交通控制区内车辆换道分布直方图，交通控制区内的车辆在上游过渡区起点前150m左右的位置逐渐开始变道，车辆的换道比例明显呈先上升后下降的趋势，换道频率高峰段集中在距离上游过渡区起点后90～120m范围内(图3直方图阴影部分)；由于在上游过渡区起点附近发生交通冲突的现象较为明显，因此需要对该点附近的重点区段(即从上游过渡区起点附近100m左右区间内)的换道规律进行进一步研究，以制定相应改善方案或措施；

车辆的换道比例与换道位置呈现出一定的规律，进一步对车辆的换道特性进行量化分析；结合获取的换道比例和换道位置，考虑到利用曲线拟合的方法建立车辆换道模型，利用Matlab曲线拟合工具对交通控制区换道比例与换道位置关系分别进行曲线拟合，得到指数函数模型：

其中，x表示车辆与上游过渡区起点之间的距离；f(x)表示对应位置处车辆的换道比例，a、b、c为常数，e表示自然常数，其数值约为2.718281828459；

对指数函数模型进行求导，得到：

其中，f(x)’表示f(x)的一阶导数；

步骤三、根据交通控制区车辆换道模型的结果进行相应的管控措施。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一获取超车道部分被占用的交通控制区交通流运行数据；具体过程为：

如图1所示，改扩建高速公路部分被占用交通控制区，包括：警告区(S)、上游过渡区(LS)、纵向缓冲区(H)、工作区(G)、下游过渡区(LX)以及终止区(Z)；对于施工期间的超车道，从上游过渡区到终止区区段内设置隔离设施(图1中黑色圆点)，使得超车道的部分宽度被占用，导致车辆在该区段内左侧侧向净空受限，车辆经警告区驶入，发现在临近上游过渡区时车辆存在明显的不规则换道行为；

则针对该区段利用无人机高空对交通流进行拍摄，获取交通流运行状态；将交通控制区平均每隔30m的距离标记为一个检测断面，如图2所示；利用视频处理软件提取出每辆车在每一时刻的视频帧数作为原始数据，从而获得超车道部分被占用的交通控制区的交通流运行数据，包括每一断面的换道车辆数以及每一辆车的换道位置。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与集体实施方式一或二不同的是，所述步骤三根据交通控制区车辆换道模型的结果进行相应的管控措施；具体过程为：

当x＝c/b时，f(x)’等于零，即在x＝c/b位置处换道车辆数最多，对于部分被占用的交通控制区，可根据此模型确定换道车辆数量最多的位置；

因此，当x＝c/b时，在此位置换道车辆数最多，进行相应的交通管控，管控措施可以包括：

(1)预警提示：对进入上游过渡区的车辆进行提前分流组织；考虑到大型车占用的横向宽度大于小型车车宽，因此要求大型车在x＝c/b位置前换道至行车道(具体举措：在x＝c/b位置前500m，200m及100m处分别设置“前方车道变窄”和“大型车强制换道”的交通警告标志，强制大型车在x＝c/b位置前完成换道)，同时x＝c/b位置前100m设置“禁止大型车变换车道”标志；这样能够保证在纵向缓冲区、工作区、下游过渡区及终止区区段内的超车道只有小型车行驶，如此极大程度上缓解了控制区内的交通冲突，同时保证了施工期间超车道的利用率基本不受影响，减少了车辆运行延误，提高了车辆在控制区内的运行效率。

(2)车道管理：在x＝c/b位置100m范围内设置禁止变道的临时标识，并将x＝c/b位置前后100m范围内原有的虚线车道分界线渠化为实线，禁止车辆在该范围内随意变道。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

实施例

以某改扩建高速公路超车道封闭和部分被占用交通控制区为例。采用无人机视频录制的方法，对两种交通控制区实施了现场调查，利用视频处理软件提取出了每辆车在各个检测断面上所处的车道、视频帧数等原始数据，进而统计得到断面间平均速度及车辆换道位置等交通运行参数；以上游过渡区起点为坐标原点，警告区方向为横轴正方向，换道车辆数占总车辆数的比例为纵轴，建立两种交通控制区内车辆的换道分布直方图(超车道封闭交通控制区在进行换道数统计时每间隔30m为一个检测断面，超车道部分被占用交通控制区每间隔30m为一个检测断面)如图3所示。利用曲线拟合工具对两种交通控制区换道比例与换道位置关系分别进行曲线拟合，得到曲线拟合公式，见式(1)、式(2)。

其中，f(x)表示车辆的换道比例；R₁ ²、R₂ ²表示拟合优度，该值在使用软件拟合时会自动生成，越接近1说明拟合效果越好，是衡量拟合效果的指标；

利用拟合得到的公式绘制交通控制区换道比例分布曲线图，如图4所示。

对于式1，当x＝c/b时，f(x)’等于零，即在x≈-33m位置处换道车辆数最多；

对于式2，当x＝c/b时，f(x)’等于零，即在x≈105m位置处换道车辆数最多；

进行相应的交通管控，管控措施包括：

(1)预警提示：对进入上游过渡区的车辆进行提前分流组织；考虑到大型车占用的横向宽度大于小型车车宽，因此要求大型车在x＝-33m(x＝105)位置前换道至行车道(具体举措：在x＝-33m(x＝105)位置前500m，200m及100m处分别设置“前方车道变窄”和“大型车强制换道”的交通警告标志，强制大型车在x＝-33m(x＝105)位置前完成换道)，同时x＝-33m(x＝105)位置前100m设置“禁止大型车变换车道”标志；保证在纵向缓冲区、工作区、下游过渡区及终止区区段内的超车道只有小型车行驶。

(2)车道管理：在-33m(x＝105)位置100m范围内设置禁止变道的临时标识，并将x＝-33m(x＝105)位置前后100m范围内原有的虚线车道分界线渠化为实线，禁止车辆在该范围内随意变道。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，其特征在于，包括：

步骤一、获取超车道部分被占用交通控制区的交通流运行数据；

步骤二、建立超车道部分被占用交通控制区车辆换道模型：

以上游过渡区起点作为坐标原点，终止区方向为横轴正方向，换道车辆数占总车辆数的比例为纵轴，建立交通控制区内车辆换道分布直方图；

结合换道比例和换道位置，利用曲线拟合的方法建立车辆换道模型，利用Matlab曲线拟合工具对交通控制区换道比例与换道位置关系分别进行曲线拟合，得到指数函数模型：

其中，x表示车辆与上游过渡区起点之间的距离；f(x)表示对应位置处车辆的换道比例，a、b、c为常数，e表示自然常数；

对指数函数模型进行求导，得到：

步骤三、根据交通控制区车辆换道模型的结果进行相应的管控措施。

2.据权利要求1所述一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，其特征在于，所述改扩建高速公路超车道部分被占用交通控制区包括：

警告区S、上游过渡区LS、纵向缓冲区H、工作区G、下游过渡区LX以及终止区Z。

3.根据权利要求1所述一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，其特征在于，步骤一所述获取超超车道部分被占用交通控制区的交通流运行数据；具体过程为：

利用无人机高空对超车道部分被占用交通控制区交通流进行拍摄，获取交通流运行状态；将交通控制区平均每隔30m的距离标记为一个检测断面；利用视频处理软件提取出每辆车在每一时刻的视频帧数作为原始数据，从而获得超车道部分被占用交通控制区的交通流运行数据。

4.根据权利要求4所述一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，其特征在于，所述超车道部分被占用交通控制区的交通流运行数据包括每一断面的换道车辆数以及每一辆车的换道位置。

5.根据权利要求4所述一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，其特征在于，步骤三所述根据交通控制区车辆换道模型的结果进行相应的管控措施；具体为：

当x＝c/b时，f(x)’等于零，即在x＝c/b位置处换道车辆数最多，因此，当x＝c/b时，在此位置换道车辆数最多，进行交通管控。

6.根据权利要求5所述一种改扩建高速公路交通控制区的换道特性确定方法，其特征在于，管控措施包括：

对进入上游过渡区的车辆进行分流；

要求大型车在x＝c/b位置前换道至行车道，超车道只允许小型车行驶；

将x＝c/b位置前后100m范围内原有的虚线车道分界线渠化为实线。

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