论文总字数：46330字

摘 要

我国早期建设的高速公路均为双向四车道，交通量的不断发展使原有道路趋于饱和，更多的高速公路改扩建为多车道高速公路。车道数的增加提高了车辆驾驶自由度和复杂性，车道管理策略应运而生，限速和车道功能划分让道路的可能通行能力发生改变，研究车道管理条件下八车道高速公路的通行能力对于合理控制高速公路流量，提高运行效率与安全具有重要意义。

论文以八车道高速公路基本路段为研究对象，以沪宁高速为例，统计分析八车道高速公路道路环境及交通流特性，选取无锡段一个断面不同时间段的视频数据统计分析，绘制流量-密度-速度的三维基本图，得到八车道高速公路各车道的通行能力分别为2600，2500，2400，2100（单位：辆/小时，依次从内侧至外侧车道）。补充八车道高速公路服务水平分级的定性描述，给出沪宁高速各车道在不同服务水平下的服务交通量。

构建车道管理条件下八车道高速公路基本路段的元胞自动机交通流模型，改进车型设置和车辆运行规则，用实测数据标定模型参数并验证其有效性，分析不同参数、大车比例和车道管理策略对通行能力的影响。

关键词：车道管理，八车道高速公路，通行能力，服务水平，元胞自动机

ABSTRACT

The early freeways in China are all two-way four-lane highways. The constant development of traffic volume leads to saturation of original motorways which have been converted into multi-lane freeways. The increase in the number of lanes leads to the raise of freedom and complexity of vehicle driving and frequent passing, lane changing behaviors. Thus lane management strategy is needed, including speed limits and lane function divisions which change the capacity of roads. Studying the traffic capacity of eight-lane freeway under lane management conditions is of great significance for the reasonable control of the freeway flow and the improvement of operational efficiency and safety.

This paper takes the basic section of an eight-lane freeway as the research object. Taking Shanghai-Nanjing Expressway as an example, it analyzes the road environment and traffic flow characteristics. The statistical analysis of video data at different time periods in one section of Wuxi section is taken to draw a three-dimensional basic graph of flow-density-velocity, and the traffic capacity of four lanes is respectively obtained which is 2600, 2500, 2400, 2100(unit: veh/h, from the inside lane to the outside). Simultaneously, the qualitative description of service levels(LOS) for eight-lane motorway is supplemented, and the service volume of each lane of Shanghai-Nanjing Expressway under different service levels is given.

A cellular automaton traffic flow model for the basic section of an eight-lane expressway under the conditions of lane management is established and vehicle type settings and vehicle operation rules are improved. The measured data is used to calibrate the model parameters and verify its validity. Run this simulation model to analyze the impact of different parameters, truck ratios, and lane management strategies on capacity.

KEY WORDS: Lane Management, Eight-lane Freeway, Highway Capacity, Level of Service, Cellular Automat

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 车型划分以及大型车对交通流的影响 1

1.2.2 车道管理策略 3

1.2.3 高速公路通行能力 5

1.2.4 国内外研究综述 6

1.3 研究内容 6

1.4 技术路线 7

第二章 八车道高速公路交通特性分析 9

2.1 八车道高速公路道路环境特性 9

2.1.1 道路设施特性 9

2.1.2 交通管理特性 9

2.2 八车道高速公路交通流特性 10

2.2.1 车型划分 10

2.2.2 交通量时间分布 11

2.2.3 交通量空间分布 12

2.2.4 车型分布 14

2.2.5 速度分布 16

2.2.6 车头时距分布 18

2.2.7 事故特征 19

2.3 本章小结 20

第三章 车道管理策略下八车道高速公路通行能力统计分析方法 21

3.1 沪宁高速基本路段交通流回归模型 21

3.2 沪宁高速公路基本路段交通流三维基本图 24

3.2.1 基本路段车道1流密速三维基本图 24

3.2.2 基本路段车道2流密速三维基本图 26

3.2.3 基本路段车道3流密速三维基本图 27

3.2.4 基本路段车道4流密速三维基本图 29

3.3 八车道高速公路的通行能力分析 31

3.3.1 通行能力与服务水平的内涵 31

3.3.2 八车道高速公路不同服务水平下的通行能力 32

3.4 本章小结 34

第四章 基于元胞自动机的八车道高速公路通行能力研究 35

4.1 元胞自动机模型的选取 35

4.2 高速公路基本路段元胞自动机模型的构建 35

4.2.1 数据准备 35

4.2.2 模型构建 36

4.2.3 模型校验 38

4.3 模型运行 39

4.4 本章小结 41

第五章 八车道高速公路车道管理策略适应性分析 42

5.1 元胞自动机模型敏感性分析 42

5.1.1 不同随机慢化概率的影响 42

5.1.2 不同换道安全距离的影响 42

5.2 八车道高速公路车道管理策略的影响分析 43

5.2.1 不同货车比例对通行能力的影响 43

5.2.2 车道管理策略对通行能力的影响 46

5.2.3 车道管理策略对行车安全的影响 47

5.3 本章小结 47

第六章 结论与展望 49

6.1 主要研究成果 49

6.2 研究创新点 49

6.3 研究展望 50

致 谢 51

参考文献 52

本科期间个人成果 55

绪论

研究背景与意义

截至2017年底，我国高速公路运输线路总长度为13.65万公里，比2016年增长了4.20%，在2017年全国交通运输工作会议中则明确2018年将再新增高速公路通车里程5000公里。根据2017年国家统计年鉴，2016年高速公路年平均日交通量达到24468辆，比2015年增长5.0%，年平均日行驶量为109261万车公里，较2015年上升1.9%。我国早期建设的高速公路均为双向四车道，随着交通量的不断发展，更多的高速公路改扩建为多车道高速公路。至2015年，多车道高速公路占我国高速公路的比例达到18%，其中双向八车道及以上高速公路总里程为4701公里，占4%。随着高速公路网络密度的增大，规模效益日渐显现，社会经济的发展、城镇化的深入以及高速公路网络的完善使得高速公路出行的需求量攀升。多车道高速公路作为区域交通运输中的主动脉，有着非常重要的地位，也承载着越来越多的出行交通流量。例如江苏省高速公路流量以年均15%的增速逐年攀升，其中沪宁高速公路在2017年日均流量达到90603辆，同比增长约8.34%，交通流状态日趋饱和，通行压力不断增大，尤其在节假日、黄金周等客流高峰情况下，八车道高速公路通行能力仍然不足，拥堵和延误时常发生。了解高速公路的通行能力实现供需平衡的基础，对于道路设施的高效利用、促进地区的经济发展以及资源有效配置具有重要作用。

与双向四车道相比，双向八车道高速公路运行状况更加复杂，在道路设施、交通环境以及车辆行为等方面存在不同。车道数的增加让超车、换道行为更加频繁，不同车辆之间的干扰增多，为了保证高速公路的通行效率以及安全性，国内外八车道高速公路较为广泛地应用车道管理策略以减少车辆间的横向干扰，包括HOV车道、HOT车道、专用车道、分离车道、分车型限速、分车道限速等方式。由于道路基础设施的改变以及车道限制策略的加入，八车道高速公路较传统双向四车道高速公路在交通流特征及运营管理中存在许多明显的差异，如多车道高速公路按车型分车道的行驶方式使得交通量和车型在不同车道上的分布及车道内部交通流的组成发生变化，且车辆运行自由度提高，加减速、换道行为更加频繁，道路的可能通行能力也会随之发生相应的改变。所以现有的关于双向四车道高速公路的研究成果不能完全运用于八车道高速公路中，需要对车道管理条件下的八车道高速公路进行深入研究。

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