超车模型在双车道公路仿真系统中的应用研究.pdf

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1、第2 4 卷第1 1 期公路变通科技V 0 lMN 01 12(X 年1 1 月J n u r T l 日l0 fH i 对r w a va r I d1 h*州a|i 加R e 唧m h 田l d 凸e v e k p 啪mN o v 2 0 0 7文章编号：1 0 陀0 2 鹤f 2 0 0 7】1 1 _ 0 1 3 6 埘超车模型在双车道公路仿真系统中的应用研究荣建1，刘世杰“2，邵长桥1，刘江1(1 北京工业大学交通工程北京市重点实验室北京1 0 0 0 2 2；2 内蒙古工业太学能源与动力工程学院内蒙古呼和浩特0 1 0 0 5 1)摘要：借鉴以往的研究成果在分析双车道公路超丰特性

2、的基础上，将超车过程划分为超车意愿、超车蒂件、超车行为、超车中止强制回车4 十步骤，建立了超车模型。选用超卓率、超车次率和压阃平均速度作曲验 正指标来对比仿真结果与实测数据，对比结果符合误差范围，证明了模型的有效性。应用模型进行仿真试验，通过分析得到的超车率一流量关系，发现该关系曲线与实际情况相吻合且呈现出两个阶段，前一阶段随着双车道公路流量的增加，超车率逐渐增大至最大值。后一阶段流量增加而超车率不断下降，当流量达到29 0 0p c u，h 以后，超车率几乎为零。以此作为临界点。推荐我国标准2 级双车道公路的双向通行能力为29 0 0p c“h。关键词：交通工程；超车模型；交通仿真系统；双车

3、道膺路中图分类号：I 岫l文献标识码：AA p p 例i o n0 fO v e 怕k i n gM o d e Ii nh 伊I a n eH i g h w a ys i m u o nS y s l e mR o N GJ i a I l l，u US h q i e l 2，S l A 0c h 8 町q i 帅1，删J i a n g l(1 蹦j 垤K 叫L 丑b0 fT r 出cE 幛r 雌 r I g，B e U 吨u 面v 唧t yo f 愉H 叼，B e i i l l g1 0 0 0 2 2，c i m；2E I l e wa n dP b w e rE 嚼n e e

4、五I-g，c o u e 学，I 衄e rM o。即l i au m v 畸0 fT e c I l r l o l 0 盱，N e iM o r l g 耐H L I l】e 啪l e0 1 0 0 5 l，c h i 啮)A b s f r a d：A l lo v e n a I c i n gT 帅d e lb 髓阻h l i s h db y 蚰d y z i n go v e a l【i t l gc h t d s t i ca n dt I。严训蛐一e lI n 吐屺l o d e l d 他u 硌e0 f0 v 盯出唱i sd i“d E di n t of i L l rg

5、 k p si 眦l u d i r I g0 v e r 幽r gd e s i r e，o v e n“i r I gr 8 q u l r e r r 州，删e 山I l【i I l gk m v i o ra n ds 吣p 画I l go v e n a k i n gt o陀咖l j 比i b 峥T|I e0 v 诎i r g。a I i o，0 v e a k e nr a t i oa n d 刖e r 3 9 es p e E!da 砰l 船吲髓t kv d l d a t 枷p 臼脚m t e r s，“c ha 陀u s e dt 0咖p a 陀d 他6 d d 也hw

6、i t l ld 七s i m u l“0 nr 髓u hf b rv m i d a t i o nT h e 刊协0 f 嗍p a a t l o na 陀i I la l l o w 止k 啊r o 俘e x l e m T I-er I 州e Ib 酬t 0T I l a k e 耐n m l 曲o ne l p e d r l 瑚B y 删删n gr e l 鲥衄0 fm 唧t a k i n gm 6 旷v o l u n 世“诂l d】a tL I l e 雎b d o nc u r v ea c c o r d sw i t l IL I l ef k ta n d 畔r 她h

7、 mp 吡1 nh D mp 砒，t h eo v e n a l(i r I g 枷oi r m r 即s 鼯t 0m a 血m n 埘山七v d I l n Ei r r e a s e；i nl a n e。p a n，t ho v e n a k i r I gI a n od E=c 陀a 9 髑w l mL|l ev o l L mi I l c r e a s e W h 印t I ev d 哪赫e s29 0 0p c t l，h，吐岵o v 耽t a l c i r-gm t i od e c r e a s e st 0 m 铀t|l ec 8 p”时0 ft kt w o

8、-l a n el l i 曲w a y si sc o r r I n*n d e d 鹪29 0 0p 吼汕u r 山rB 山山I d r d i l i 帆s K e yw o r d s：t r a 蚯ce l 西r 蒯I g；倒e n a k i r I g“k l；叫；cs-蚰山6 帅咿把m；n 盯l 田世1 1 i 曲w a y0 引言双车道公路有一个非常独特的现象：超车车辆在超车过程中必须占用对向车道，车辆只能在对向车道有足够的超车视距时才有变换车道进行超车的可能，否则保持跟驰行驶状态。超车需求随着交通量的增加而增加，而进人对向车道伺机超车的能力却在降低。这与其他交通设施的超车

9、行为是不尽相同的。交通仿真系统是研究交通问题的一种非常重要的手段，可以较为方便、快捷地构建道路条件、交通条件以及各种与交通有关的环境。它可以较为真实地模拟交通设施的运行状态，为深入、系统地研究交通问收稿日期：2 0 0 6 忻一1 9基金项目：交通部西部交通建设科技资助项目(2 0 0”1 8 2 2 3 呻)；北京市属市管高等学校学术创新团队计划资助项目作者简介：荣建(1 9 7 2 一)，男，四川乐山人教授研究方向为道路通行能力、交通仿真和智能交通(j“啦 崎u t 幽衄)万方数据第1 1 期荣建，等：超车模型在双车道公路仿真系统中的应用研究题提供了重要的途径。双车道公路仿真系统可以为深入

10、研究双车道公路通行能力、服务水平和交通安全等问题提供强大的仿真平台。由于双车道公路的独特之处在于其超车过程因此超车模型是构建仿真系统的关键环节。1 国内外研究综述对超车模型的研究开始于2 0 世纪3 0 年代末。1 9 3 8 年，通过对超车开始条件和结束条件的分析，M a t s o n 和F o r b e s oo 提出了快速超车、加速超车、强制超车和主动超车的概念。1 9 3 9 年，N 0 m l a n n【2o 基于整个超车过程又提出了单个超车。随后蹦s k“将超车行为划分为以下4 类：超车延迟开始；车辆加速回车；延迟开始且加速回车；自由超车。2 0 世纪7 0 年代末到8 0

11、年代初，随着计算机仿真技术的发展双车道公路仿真软件得到了快速发展。比较著名的双车道公路仿真软件有：美国中西部研究所的T W O P A S(T 一L a n eP a s s 嚷)；澳大利亚道路研究委员会的豫A R R(T m m c0 nR u dR 0 a d)；瑞典国家道路研究所的v 1 1 s i m。它们的成功使用极大地促进了对超车模型的应用研究。最近的研究，还出现了采用驾驶模拟舱结合微观仿真软件来分析超车的新方法。国内对双车道公路超车模型的研究起步较晚，但也取得了一些比较显著的成果。“九五”期间，交通部公路科学研究所联合东南大学，北京工业大学等单位完成了公路通行能力研究课题的研究，

12、在双车道公路路段仿真中对超车行为进行了计算机模拟”。哈尔滨工业大学陈洪仁等将双车道公路超车过程分为是否需要超车和是否有可能进入对向车道这两个阶段“。武汉测绘大学沈建武和长安大学严宝杰运用概率论建立了双车道公路超车可能性的数学模型“。长安大学王元庆等提出了超车完成合流与超车未完成合流的概念“。吉林大学张枭雄利用计算机模拟分析了双车道公路换车道次数和路段流量的关系”。面对近年来国内双车道公路道路交通条件发生巨大变化这一情况，交通部公路科学研究所和北京工业大学再次联合组成“山区双车道公路通行能力研究”课题组。利用2 年的时间对我国双车道公路交通特性进行了深入地调查和研究，并且建立了1 w o s m

13、(1 w 睁l a T l eh i 小w a vs I M u l a l i o n)仿真系统。2 超车的产生及形式车辆在双车道公路上行驶，当不受周围干扰影响或干扰影响解除后，在驾驶员有超车意愿而且有足够超车间距的情况下，开始超车。由于超车条件的不同和驾驶员行为的多样性，超车过程是复杂的，受道路环境、道路线形、视距、车辆类型、速度和驾驶员等多种因素影响。从建模的角度出发，可以将超车简化分为等速超车和加速超车两种形式，其他超车行为是这两种形式的组合”J。等速超车是指超车车辆以恒定或者近乎恒定的速度直接超越前方慢车完成超车过程；加速超车是指超车车辆跟驰前方慢车，在合适的条件下加速超越慢车完成超

14、车过程。如图1 所示。8cD0 j L 旦b k j!_。+毫蚕薹妻。+d 歹篙篓萋詈#三三P!口Ic；D：卜叫图l 超车过程示意图F 龟1s c h e【0 fo v e r I a k i 唱2 1 等速超车模型等速超车是超车中最简单的一种情况即超越车、被超越车和对向来车的行驶速度是不变的。车n+l 为超越车，车n 是被超越车，车m 是对向来车。A A 位置超越车变换车道开始超车，日一B 位置超越车完全进入对向车道并追上被超车，c c 位置超越车完成超车后回到原车道，D D 位置为超越车开始超车时，对向来车所在位置。在f 时刻，车n+1 以速度；。(f)匀速行驶；车n以速度；。(f)匀速行

15、驶；车m 以速度；。(f)匀速行驶。设“为超越车完成超车的总时间，即车n+1 从A A 位置到c C 位置所需的时间。此时间段内车n+1 行驶距离为s+s 2，车m 行使距离为s，车n+l完成超车后与车m 的安全间隔为s。则超车距离为：s=s l+s 2+s 3+S 4=王+I()+王。()c+s 4。(1)2 2 加速超车模型处于跟驰行驶状态的车辆，一旦超车条件满足就会立即进行超车，但此时必须是加速超车。如图l 所示，具体过程分为以下4 个步骤：(1)加速过程在f 时刻，当超车条件满足时，车n+1 移到对向车道加速行驶追上车n，即从A A 位置到占-B 位置，万方数据公路交通科技第2 4 卷

16、设加速度为n，加速时间为，距离s 为：s l=；。+l(f)f。+告越：，(2)加速过程末车n+l 速度；(+k)为：立。+l(f+t。)=王+，()+m。，(3)其中，口的取值与；。(z)有关。这里根据实际测得的数据，对n 进行标定，确定为0，6 6 I，s 2。实际使用时，也需要根据不同条件下的；。()对n 进行标定。由公式(3)可知屯=盘生生与掣；若；。(+。)；。(I a x)(车n+I 的最大车速)，则。；。(r r 一)一；。()5 丁一。(2)匀速行驶过程在+。时刻，车n+1 开始匀速行驶，秒后完成超车返回原车道，即从B 一曰位置至c-c 位置，则距离s 2 为：s 2=；(+f

17、。)f，。(4)(3)对向来车匀速行驶过程在超车过程中，车m 匀速行驶，其速度为；。(1)，则距离5，为：s】=；。(t)(。+l，)。(5)(4)安全间隔超车完成后车n+1 与车m 的安全间隔为5。，s。=3 0 7 0 m，通常取s。=加m。则超车距离s 为：S=S【+S 2+S +s 4=王。+I(t)屯+告时；+；。J(+f。)o+；。(t)(f。+，)+s 4。(6)3 超车过程的计算机流程双车道公路上的超车过程可划分为以下几个步骤：超车意愿；超车条件；超车行为；超车中止，强制回车。3 1 超车意愿当车辆处于跟驰状态或者自由行驶的车辆驶近前车，且前车的速度小于后车的期望速度时，车辆试

18、图超车以改变其行驶状态。此时车辆就存在超车意愿。有超车意愿的车辆将检查是否满足超车条件，然后决定是否超车。3 2 超车条件具有超车意愿的车辆是否有可能进行超车，应该判断以下3 个不同的条件：1)考虑超车是否存在限制，比如车道线的存在、禁止超车区域的存在等。2)车辆是否能完成超车过程，超车视距对向来车间距某一常数(一般为1 2)。3)考虑周围的环境是否允许超车，即是否存在超车可用的空间。33 超车行为在快车超越慢车时，当视距和对向交通流满足超车条件时，要借用对向车道超车。为了安全的实现超车，超车车辆在对向车道运行时，必须确保与对向来车有足够安全的间距。当原车道有足够的可穿插间隙时。超车车辆驶回原

19、车道，完成超车过程。3 4 超车中止强制回车如果超车过程中对向车道出现车辆，且超越车与对向来车间距无法继续满足超车条件时，超越车停止超车，急减速返回本车道，并以最小安全车头时距跟随前车。这发生于对超车距离估计不足或超车视距不足的情况下。计算机仿真流程见图2。陌万丽彗i 矿鲢囊9 围阿翻匝圃-HJ 圜l 匝囹由下匝鲴图2 超车过程的计算机仿真流程示意图n g 2n o wc h a r l0 f0 v m a k i I l g n p u s 讪i o n4 仿真验证及仿直应用为了提高仿真模型的适用性，必须对其进行验证。在仿真环境中输入实际的道路和交通条件，把仿真结果与实测数据进行对比。如果两

20、者之间的误差在可以接受的范围内，说明仿真模型是适用的4J。选用超车率和超车次率作为验证指标。超车率和超车次率可以直接反映处于超车行驶状态车辆的比例，同时间接说明车辆的受阻情况。超车率指单位长 万方数据第1 1 期荣建，等：超车模型在双车道公路仿真系统中的应用研究度内超车车辆数与观测车辆数的比值。超车次率指单位长度内超车的总次数与观测车辆数的比值”】。表l 和表2 分别是北京郊区顺义一密云路和机场辅路上某区间超车率、超车次率的实测值与仿真值的对比结果。表中两者的相对误差在可以接受的范围内。该模型可以仿真我国双车道公路上的超车情况。表l 顺义一密云路验证表1 曲1V a l i d m i o r

21、 t a b ko ft l l es l l 岫一一M i y 岫r 怕d验证指标实测值仿真值相对误差，超车率，3 123 2 43 8超车次率，5 044 6 08 7垦!旦垄星!虹：!：2兰!竺：!：!表2 机场辅路验证表T 曲2V 丑l i t l a t i o n 诅b k0 ft h eB e U l r I g j 唧na 删呻I n a d超车率可以反映双车道公路上车辆行驶的自由程度，因此可以用来分析双车道公路的通行能力。由于双车道公路上交通量小，同时通过实地观测计算得到通行能力的值比较困难，所以考虑使用仿真模型来研究通行能力。仿真标准的2 级双车道公路：行车道宽度7 5m

22、硬路肩宽度1 5m，侧向净空1m，平直路段：交通组成为1 0 0 小客车，方向分布为0 5 0 5；仿真流量从双向l o ov e l h 开始，以1 0 0v e l l，h 为步长，增大至32 0 0v e l l h，仿真时长1h。图3、图4 是运用双车道公路仿真系统T o w s I M 得到的速度一流量、超车率一流量关系散点图。从图3 上找不到交通流状态的临界点，但是如图4 所示：超车率一流量曲线明显呈现出两个阶段，前一阶段随着双车道公路上流量的增加，超车率逐渐增大至最大值。后一阶段超车率不断下降，当流量达到29 0 0v e l h 以后，超车率几乎为零。以此临界点的仿真流量作为双

23、车道公路双方向的通行能力。三器|嚣蔷篓05 0 0】O【)0l5 0 020 0 025 0 03 035 0 0流星，(v e h-)图3 速度流量关系图n g 3R e h b o no f5 p e 廿o w超车率一流量关系图的规律与实际情况也相吻合05 加10 0 0l5 0 02 0 0 025 1 1 030 0 035 0 0流量(v e h h 1)图4 超车率一流量关系图n g 4R e l“0 fo v e 蹦n gm d i o-n o w前一阶段，由于流量较小，车辆间的相互影响小，行驶的自由度较高，可超车间隙充足，可以提供较多的超车机会。后面的阶段，流量的继续增大，导致

24、道路越来越拥挤，可提供的超车间隙也越来越少，因此超车率就不断下降，直至不能超车，此时交通量达到通行能力。5 结束语准确描述超车过程，构建超车模型是建立双车道公路仿真系统的关键环节。由于超车行为的复杂性和多样性，超车模型也有多种形式。下一步研究中需要继续深入分析双车道公路上的超车行为，完善模型，为分析我国双车道公路交通特性提供依据。参考文献：1 任福田刘小明，荣建，变通工程学 M 北京，人民变通出版社2 0 0 3 2 J E N N sJ M，R 工【皿TL Rc 娜雌P a s 她h 妇啪：B e h 州i o 耐 p p a c I Il c，h IT r 卸印t a 帆R 髑e 们hR

25、o l d：J 汕T 山d缸T 珀呷q l a I i 舯R 删吐B 衄一，N 0l 枷W 岫l l l 舯1 D c：T 衄N 商叨dR e s 蛐c l lC 咀m c i I 2 0 0 5 3 交通部公路科学研究所一般公路通行能力研究分报告 R 北京：交通部公路科学研究所2 0 0 0 4 陈洪仁，杨龙海，赵国锋寒冷地区二级公路路段交通微观仿真研究 J 中国公路学报，2 0 0 1，1 4(3)：9 0 9 2 5 沈建武，严宝杰双车道公路上的超车问题 J 武汉城市建设学院学报，1 嘶，1 2(2)：1 7 2 1 6 王元庆，朱海滨李继锐等双向双车道公路路段仿真研究中车辆行为设计 J

26、 西安公路交通大学学报，2 0 0 l，2 l(1)：醴一7 4 7 张枭雄，隽志才，贾洪飞不同流量条件下车道利用率的仿真研究 J 公路交通科技2 啷2 2(6)：1 1 7 1 2。8 刘运通，石建军，熊辉交通系统仿真技术 M 北京：人民交通出版杜2 0 0 2：_ 7 0 7 2 9 刘江，周建荣建，等基于超车率的双车道公路服务水平量化研究 J 北京工业大学学报2 0 0 6，3 2(3)：2 陀一研 万方数据超车模型在双车道公路仿真系统中的应用研究超车模型在双车道公路仿真系统中的应用研究作者：荣建，刘世杰，邵长桥，刘江，RONG Jian，LIU Shi-jie，SHAO Chang-q

27、iao，LIUJiang作者单位：荣建,邵长桥,刘江,RONG Jian,SHAO Chang-qiao,LIU Jiang(北京工业大学,交通工程北京市重点实验室,北京,100022)，刘世杰,LIU Shi-jie(北京工业大学,交通工程北京市重点实验室,北京,100022;内蒙古工业大学,能源与动力工程学院,内蒙古,呼和浩特,010051)刊名：公路交通科技英文刊名：JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTATION RESEARCH AND DEVELOPMENT年，卷(期)：2007,24(11)被引用次数：1次 参考文献(9条)参考文献(9条)1.任福田.刘

28、小明.荣建 交通工程学 20032.JENKINS J M.RILETT L R Classifying Passing Maneuvers:A Behavioral Approach 20053.交通部公路科学研究所 一般公路通行能力研究分报告 20004.陈洪仁.杨龙海.赵国锋 寒冷地区二级公路路段交通微观仿真研究期刊论文-中国公路学报 2001(03)5.沈建武.严宝杰 双车道公路上的超车问题期刊论文-武汉城市建设学院学报 1995(02)6.王元庆.朱海滨.李继锐 双向双车道公路路段仿真研究中车辆行为设计期刊论文-西安公路交通大学学报2001(01)7.张枭雄.隽志才.贾洪飞 不同流量

29、条件下车道利用率的仿真研究期刊论文-公路交通科技 2005(06)8.刘运通.石建军.熊辉 交通系统仿真技术 20029.刘江.周建.荣建 基于超车率的双车道公路服务水平量化研究期刊论文-北京工业大学学报 2006(03)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.唐铁桥.黄海军.梅超群.TANG Tie-qiao.HUANG Hai-jun.MEI Chao-qun 一种改进的超车模型期刊论文-交通运输系统工程与信息2005,5(4)2.王小宁.康凤举.杨虎.王丽.WANG Xiao-ning.KANG Feng-ju.YANG Hu.WANG Li 含水声对抗模型的鱼雷武器作战仿真

30、系统期刊论文-火力与指挥控制2008,33(4)3.薛国新.XUE Guo-Xin 高速公路基本超车过程的推广固支梁挠度曲线模型期刊论文-江苏工业学院学报2005,17(2)4.徐淼 丘陵区双车道公路运行速度预测及线形安全评价的研究学位论文20105.微观交通仿真系统碰撞检测模块设计方法期刊论文-计算机工程与应用2009,45(28)6.刘志强.王运霞.钱卫东.倪捷.LIU Zhi-qiang.WANG Yun-xia.QIAN Wei-dong.NI Jie 双车道公路线形连续性分析与评价期刊论文-公路交通科技2008,25(12)7.刘江 山区双车道公路通行能力研究学位论文20068.张建

31、龙.李硕.贺寒辉.Zhang Jianlong.Li Shuo.He Hanhui 交通仿真技术在高速公路改扩建保通中的应用期刊论文-交通科技2006(6)9.张铁军.唐(王争)(王争).罗洵.吴玲涛.米晓艺.ZHANG Tiejun.TANG Chengcheng.LUO Xun.WU Lingtao.MIXiaoyi 平原区等级公路接入口安全影响分析研究期刊论文-公路交通科技2009,26(6)10.高海龙.阚伟生.李长城.庞昌乐.GAO Hai-long.KAN Wei-sheng.LI Chang-cheng.PANG Chang-le 双车道等级公路路侧事故预测模型研究期刊论文-公路交通科技2007,24(7)引证文献(1条)引证文献(1条)1.许颖.岳大军.赵洋.张广志 汽车超车安全辅助判断系统的研究期刊论文-农业装备与车辆工程 2010(3)本文链接：http:/