4 9 0中国公路学会2 0 0 5 年学术年会论文集主路优先交叉口通行能力仿真研究杨龙海李丽兰陈洪仁( 哈尔滨工业大学交通学院中交第二公路勘察设计研究院，哈尔滨1 5 0 0 9 0 )关键词：交通运输与管理主路优先交叉I ：1通行能力临界间隙仿真模型1 引言交叉口是道路网中的关键环节，在很大程度上，交叉V i 的性能决定了整个路网的运行状态。按交通管制方式的不同，平面交叉口分为信号控制交叉口、无信号交叉口和环形交叉口，无信号交叉口又可分为主路优先交叉口和自由式交叉1 ：7 1 ，本文主要研究城市道路主路优先交叉口通行能力。主路优先交叉口是指主路享有优先通行权，次路车辆只有在主路车辆出现可接受间隙时才能穿越( 或汇人) 主路车流。长期以来，无信号交叉口通行能力计算方法在国际上可分为两大类，一类是理论法，根据假设的目标条件，从理论上推算交叉口通行能力；另一类是经验法，利用实际观测数据，分类分析通行能力与各类因素的关系，建立通行能力模型。理论法条理清晰，易于解析分解，可以精确地进行定量分析，但是过于理想，不太符合实际；经验法是从实践中得出的结论，方便于实际使用，但它适应范围小、精度低、可移植性差。而计算机仿真方法，是在现场实际测试和理论分析基础上，以计算机作为辅助工具，利用其可重复性、可延续性模拟交通状况，研究交通工程学。本文采用计算机仿真方法分析主路优先交叉口通行能力及交通现状。2 随机变量的产生在无信号交叉V I 通行能力的研究中，必然要涉及到一些服从各种分布的随机变量，如车辆的车头时距、速度等。这些变量一般都服从某种分布，计算机模拟过程中需要产生服从相应分布的随机数。随机数：一组随机数序列x ，是( 0 ，1 ) 上的均匀分布的独立采样值，且序列必须满足均匀性和独立性。其概率密度函数为：f10 z 1 0 ，( x ) = ( 1 ) 【0其他伪随机数：真实的随机数只能从客观的真实的随机现象中产生出来。而我们在模拟中采用的随机数是用数学公位位移寄存器的移位操作来产生的，称为伪随机数。为此，必须采用相应方法将计算机产生的服从均匀分布的伪随机数转换为服从相应分布的随机数。常用的变换方法有反变换法、函数变换法、组合法、拒绝法和近似法等。反变换法基本定理：设随机变量* 具有严格单调连续的分布函数F ( * ) ，其密度函数为f ( * ) ，则可确定一个新的随机变量R ( 如式2 ) ，是E o ，1 上均匀分布的随机变量，且具有反变换方法如式( 3 ) ：R = F ( * ) = If ( O de( 2 )J 一”互= F “( r )( 3 )由基本定理可知，只要给出分布函数反函数的解析表达式，就可以很方便地由随机数 r 产生所需要的子样。论文中采用反变换方法。主路优先交叉口通行能力仿真研究4 9 13 仿真模型设计3 1 仿真模型的结构本文以城市道路无信号交叉I ：1 交通流特性为基础，建立了城市道路无信号交叉口的微观交通流仿真模 型，其结构如图1 所示。3 2 仿真模型设计仿真模型设计可分为三个层次进行层次1 ：总控程序；层次2 ：基本模型单元的处理程序；层次3 ：公共子程序。3 2 ，1 总控程序仿真模型的最高层是它的总控程序。总控程序负责安排下一事件的发生时间，并确保在下一事件发生的时候完成正确的操作。在活动扫描法的仿真模型中，总控程序的主要任务是进行时间扫描，以确定仿真时钟的下一时刻。泫方法中，下一时刻是由下一最早发生的确定事件决定的。时间扫描是通过时问元t i m e c e l l 完成的。所谓时问元就是各个实体的地方时钟，而系统模拟时钟是全局时钟。活动扫描法模拟模型总控程序的算法结构如图2 所示，包括：时间扫描；活动扫描。考虑到事件对状态的影响，活动例程扫描要反复进行。图1 系统模型结构图2 活动扫描法仿真模型执行机制3 2 2 基本程序单兀基本程序单元描述了时间与实体状态之间的影响关系及实体间的相互作用关系。本仿真系统的基本程序单元包括发车模型、自由行驶模型、跟驰模型、车辆到达模型、车辆穿越交叉口模型、停车模型和车辆排队一消散模型。3 2 3 公共子程序公共子程序是供任意基本程序单元调用的子程序或函数，用于产生各类随机变量。系统所开发的公共子程序有： a ，b 区间均匀分布随机数函数、正态分布随机数函数、对数正态分布随机数函数、负指数分布随机数醋数、移位负指数分布随机数函数、韦布尔分布随机数函数。4 利用计算机仿真系统研究主路优先交叉口通行能力本文中通行能力研究的理论基础是间隙接受理论，指主路车辆享有优先通行权，次路车辆只有在可穿插间隙出现时才能穿越或汇人主路车流。4 9 2中国公路学会2 0 0 5 年学术年会论文集4 1 计算机仿真有效性的验证图3 为计算机仿真通行能力流程。为了验证计算机仿真的有效性，文中采用多车型混合车流通行能力计算公式计算通行能力，公式如式( 3 ) 所示，车辆类型共分r 种。”絮1 亲P k 掣( 一。“k ) 2( 4 )主路优先交叉口通行能力仿真研究4 9 3式中：q 主要道路交通量( 辆h ) ；p 。型车处于排队队首的概率，m = l ，2 ，：t c k k 型车的临界间隙( 8 ) ；t m 女型车的随车时距( s ) ；A 主要道路车辆到达率( 辆，s ) 。表l 为计算机仿真及用理论方法计算得出的结果对照表，由表1 的数据可以看出，仿真结果与理论公式计算的结果吻合得较好，这说明_ 计算机仿真的有效性。同时，利用仿真系统还可获得非优先车流平均延误和平均排队长度。计算机模拟与公式计算结果的比较表1主路交通量( 辆h )次路模拟通行能力( 辆，h )公式计算结果( 辆h )相对误差( )2 5 0l D9 7 62 ，53 0 09 1 99 2 91l3 5 08 3 48 8 48 0 64 5 07 8 3237 2 87 6 2457 0 17 2 53 36 8 96 9 l0 46 3 l6 5 7416 如6 2 30 55 4 25 9 48 85 3 45 酤584 2 通行能力研究4 ，2 1P C E 计算P C E 全称为P a s s e n g e r c a l fE q u i v a l e n t s ，指在通常的道路、交通条件下，货车和公共汽车等相当于小汽车的数量。本文运用计算机模拟技术，通过对车辆组成的变化，产生一系列的延误、交通流量数据。再根据基于延误的线性回归模型，运用回归技术，得出各种车型在不同车辆组成条件下的P C E 换算值。基于延误的线性回归模型如下：Y = C O N T + c * ，( 5 )式中：1 7 标准车的平均延误；c 0 N 卜回归常数项；c 回归系数项；z 交叉口人口流量中，i 型车的车辆数( v e h ) 。则某车型的回归系数与标准车回归系数相比就是该车型的换算系数。4 2 2 车辆左右转换算系数随着车辆转向比例的不同，其对通行能力的影响不同，换算系数也就明显不同。本研究建立基于通行能力的左、右转换算系数模型如下：p 。= 三亏产( 7 )4 9 4中国公路学会2 0 0 5 年学来年会论文集式中：p 。i 转向换算系数；口，i 转向车辆混入率为P 时的直行交通量；口i i 转向车辆混入率为P 时的i 转向交通量；c 。1 0 0 直行车时的入口通行能力值。然后利用计算机模拟，反复试验，确定p 。，值。另外，利用交通仿真系统，可获得大量的延误和排队长度等交通数据，用以研究通行能力与各类因素的关系，为交通管理中确定提高通行能力的措施及交叉口升级提供理论依据。5 结语应用计算机仿真技术研究无信号交叉口通行能力在我国是近几年才发展的，虽然取得了一些研究成果，但尚未形成体系。其研究工作一方面需要对交通系统建立充分可靠的理论仿真模型另一方面要求开发者具备较好的计算机处理能力。由于时间和条件的限制，本文所开发的无信号交叉口模拟系统在功能上还较单一，其研究有待进一步深入。参考文献1高海龙无信号交叉口通行能力研究东南大学博士论文，1 9 9 9 ，22 王炜，李文权无信号交艾口多车型混合车流的通行能力中国公路学报，2 0 0 0 ，43 饭田恭敬邵福春，杨海译交通工程学北京：人民交通出版社，1 9 9 4 ，1 04 王维平，柬一凡离散事件系统建模与仿真。长沙：国防科技大学出版社，1 9 9 6作者简介杨龙海，男，1 9 7 0 年出生，安徽巢湖人，哈尔滨工业大学讲师，在读博士生，主要从事交通运输与管理方面的研究。电话：1 3 9 3 6 1 3 1 5 8 5e m a i l ：y a n g l o n g h a i h i t e d u c n