第七章交通线网运输组织.docx
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第七章交通线网运输组织
第七章交通线网运输组织
第一节交通运输流概述
一、交通运输流的概念
在公路、铁路、航空及水运各种交通方式中连续运行的交通工具，往往表现出某些类似流体的特征，称为交通运输流。
——流体理论
交通运输流的要素一般包括流量、流向、流程、流时、流距。
道路交通流的特性参数包括：
流率、速度和集中度，且均为统计分布值。
1、流量（单位时间通过的车辆数）流率可以由点测量直接获得流率q=N/T
2、速度（单位时间走行距离）表示交通流流动的快慢
3、密集度（Concentration）——表示交通流的疏密程度，即道路单位长度上含有车辆的数量。
密集度包括占用率和密度。
密度指单位距离的车辆数，是空间集中度的量度。
占有率一般指道路上某个地点有车辆占用时间占全部时间的百分比例，是相同车辆流在时间集中度的测量。
二、交通运输流要素间的关系
三个参数之间的关系是：
交通流量为交通流速度和交通流密度的乘积。
（1）道路上车辆很少时，驾驶员可选择较高速度，这时交通流速度较大，但因交通流密度小，所以交通流量也比较小。
（2）随着路上的车辆增多，交通流密度增大，车辆的行驶速度虽受到前后车辆的约束而有所下降，流速降低，但交通流量还是增加，直到某一种条件下，流速和密度的乘积达到最大值，即交通流量为最大时为止。
这时的流速称为最佳速度，密度称为最佳密度。
（3）如果路上车辆再增加，密度继续增大，流速继续下降，尽管密度较大，但因流速较小，所以流量反而下降，直到密度为最大值（这时称之为拥堵密度），造成道路阻塞，车辆无法行驶，流速等于零，交通流量也等于零为止。
速度和密度的关系有人用直线表示，也有人用曲线表示。
因此流量和密度的关系也有不同的表示方式。
研究前提：
要注意用于获取数据的测量方法和获得测量数据的位置对交通流各要素的可能影响。
下面以道路交通流为例，对交通运输流要素间的关系做一说明。
1、速度-流量图
模型存在的问题：
（1）首先，并非利用高速公路的数据进行研究，然而后来不少研究者却直接将其结论应用于高速公路。
（2）其次，其进行数据分析的方法，即采用重叠的车组和预先确定适合曲线的平均值的方法，经研究表明是不合理的。
（3）第三，该模型所作的交通调查是在假期进行的，不具备广泛的代表性。
图中曲线当流量增加时，速度仍然保持平直，达到通过能力值的1/2到2/3之间的某一点时，速度在这些点上稍微有一些减小。
2、速度-密度模型
（1）Greenshieldsde模型（1935年）
直线上任意一点的纵坐标、横坐标与原点所围成的面积即为交通流量。
（2）Greenberg模型（1959）
（3）Edie模型
3、流量-密度模型
早期的高速公路容量研究服从两个基本的途径。
一些研究人员在低密度下检验了速度——流量关系；另一些则在高密度下讨论车间距现象。
在1955年提出可使用流量——密度曲线作为统一这两种途径的方法。
因为这一统一的特性以及流量——密度曲线在交通控制情况下较大的有用价值。
（1）抛物线型的流量-密度模型
（2）流量-占有率曲线
大多数流量-密集度的研究是依据占有率而不是密度数据，根据流量和占有率两个参数可以确定拥挤的发生。
4、三维模型
（1）交通流的三维模型：
以坐标代表交通流的三个参数，其关系可视为三维空间的一条空间曲线。
为研究方便，通常以其二维正交投影来表示两两之间的关系。
（2）基于突变理论的三维图——最新研究方法
当两个变量（可控变量）表现为平滑的变化时，第三个变量（状态变量）的值能够突然的“突变”跳跃。
如当流量和占有率是控制变量时，速度是突变变量。
三、交通运输流理论模型简介
交通流理论是分析研究道路上行人和机动车辆在个别或成列行动中的规律，探讨车流流量、流速和密度之间的关系，以求减少交通时间的延误、事故的发生和提高道路交通设施使用效率的理论。
研究的主要方法有：
①概率论方法。
假定道路上行驶的车辆互相独立，车辆分布随机，并假定各个车辆行驶是一种概率过程而用概率的理论加以分析的方法；
②流体力学方法。
即交通波动理论，假定交通流是具有特定性质的一种流体，应用气体运动或声波、洪水波理论，宏观地表现这种现象的变化、演进的方法；
③动力学方法。
即跟车理论，就是在交通流中追随前车的后车，假定其向前移动有某种规律性，据此可求得各车辆动力学状态的微分方程式。
后两种方法较有前途，主要应用于道路服务水平与通行能力评价，交通量与交通事故预测，交通信号控制和消除汽车排队和等候等方面。
与其它交通方式相比，道路系统交通流理论已初步形成较为完备的体系。
1、描述交通流变量即速度、流量和集中度间关系的数学模型——无干扰的交通流
2、对车辆-人-机系统中人的因素研究
（1）观察－反应时间、控制运动时间、对交通控制设备的反应、对交通控制设备、其它车辆运行、道路交通事故的反应、不同年龄类别人群驾驶行为差异等；
（2）控制行为，包括加速、制动、速度控制、车辆跟驰、超车、保持车距、车道关闭和信号距离的行为描述。
车辆跟驰模型建立了个体车辆的微观行为和单车道交通流量的宏观特征间对应流量稳定特性间的联系。
3、连续流模型用流体行为来描述交通现象，更多关注的是车辆整体的统计行为特征，一般基于两个基本的假定：
（1）交通流是守恒的，这导致流量守恒方程
（2）速度与密度或流量与密度间是一一对应关系。
4、宏观流模型——考虑的变量包括交通强度、道路密度和权重空间平均速度。
有助于对路网系统的规划与管理，比较不同区域的交通条件以合理分配运输系统资源。
5、交通影响模型——交通安全、燃料消耗模型和空气质量模型等。
6、无信号的交叉口交通流理论——可接受间隔理论，排队论计算能力和交通运营效果。
7、有信号的交叉口交通流理论
（1）统计理论——评估独立的交叉口的延误和排队（交通信号的影响问题，对交通信号所在区域的交通汇聚、分离和协调）；
（2）预置和时变的信号控制理论——基于稳定状态排队论的延误模型，以及自适应信号控制和优化信号控制理论的交通流模型。
8、交通分配模型研究交通流分布、分配的基本原理及交通流管理问题。
四、交通运输流分配原理
（一）交通运输流分配
四阶段交通需求预测方法包括交通产生、交通分布、方式划分、交通流分配。
城市交通网络上形成的交通流量分布是两种机制相互作用直至平衡的结果。
（1）一种机制是：
各种车辆试图通过在网络上选择最佳行驶路线来达到自身出行费用最小目标；
（2）另一种机制是：
路网提供给用户的服务水平与系统被使用的情况密切相关，道路上的车流量越大，用户遇到的阻力即对应的行驶阻抗越高。
两种机制的交互作用使人们不易找到出行的最佳行驶路线和最终形成的流量分布结果。
交通运输流分配就是依据某些原则或原理把交通流分配到运输网络的具体路线上，从而量化考察交通供给与交通需求之间的相互关系。
交通流分配是用一定的模型来描述这两种机制及其相互作用，并求解网络上交通流量在平衡状态下的合理分布。
（二）强可控的组织流与弱可控的自主流区别：
（1）组织严密，可根据运输时间、运输距离、运费等特征，按照系统总体出行时间最省、路线最短或费用最小的原则，决定交通运输流的路径与路线分配，交通运输流分布呈现较强的可控性和组织性；
（2）对于隶属关系复杂、机动性较强的运输系统，尽管道路设计人员和管理人员，可以按照系统总体出行时间最省、路线最短或费用最小的原则进行道路的设计与建设，但出行者选择路径具有很大的自主随机性，导致道路拥堵，使交通运输流分布呈现出不按设计者初衷发展，需要进行管理诱导。
沃氏第一原理（用户最优平衡原理）：
所有被使用的路线的行程时间与费用均相等，且都比没有被使用的路线行程时间或费用要小。
沃氏第二原理（系统最优平衡原理）：
车辆在网络上的分配使得网络上所有车辆的总出行时间最小。
交通网络平衡意味着交通网络上的交通需求和交通条件（供应）达到某种稳定状态。
（三）常用的分配方法
常用的方法包括最短路交通分配法、容量限制－增量加载分配法、多路径概率分配法以及容量限制－多路径概率组合分配法等。
1、最短路分配法——容量非限制分配法或全有全无分配法
最短路分配是一种静态的交通运输流分配方法。
用该分配方法，取路权（两节点间的运行时间）为常数，亦即假定交通工具的运行速度按自由交通流时的情形取路段的设计速度。
每一OD点对的OD量被全部分配在连接该OD点对的最短路径上，其余路径不分配交通量。
最短路分配优缺点：
计算简单，概念清晰；但分配结果不尽合理，交通在路网上分配不均匀，与实际情形误差较大（交通饱和时）。
——不考虑路段通行能力的限制，或不考虑过多交通量将影响速度而有可能选择其他路径的交通重分配现象。
2、容量限制分配法
容量限制分配法实质是考虑到路网能力的限制，对应道路系统而言，容量限制意味着必须考虑行驶速度与交通量之间的关系，从而确定行驶费用与交通量之间的关系。
容量限制分配法——强控制交通流（速度基本不受交通量影响）
（1）若交通运输流具有可分性，可采用容量限制－增量加载分配模型将交通运输流分配到最短、次短路、K短路上。
（2）若交通运输流不可分，可根据路段容量限制直接将交通运输流分配到最短、次短路、K短路上，均无需根据分配交通运输量重新计算路网路权及K短路径。
3、多路径概率分配法
最短路因素——根据交通运输流的路径选择特性，出行者总是希望选择最合适（最短、最快，最方便）的路径出行；
随机因素——由于交通网络的复杂性及交通状况的随机性，出行者在选择出行路线时由于判断误差而选择的路线不一定是最短路，往往带有不确定性。
两种因素存在于出行者的整个出行过程中，两因素所处的主次地位取决于可供选择的出行路线的路权差（行驶时间差或费用差等）。
多概率分配模型能较好地反映路径选择过程中地最短路因素及随机因素。
（1）若各出行路线路权相同，则本模型为随机分配模型，各路线被选用的概率相同；
（2）若某一路线的路权远远小于其他各路线，则模型成为最短路分配模型。
第二节交通运输流微观分析技术
一、微观分析意义及原理
交通运输流的微观分析就是通过对个体的交通工具在特定环境下的运行行为进行分析，从个体交通工具的行为特征分析出发，来准确把握交通运输流的基本性质的，实现组织管理的目标。
二、道路车辆跟驰模型跟驰理论
跟驰理论是运用动力学方法研究在限制超车的单车道上，行驶车队中前车速度的变化引起的后车反应。
单车道交通车辆尾随模型假定车辆间距，即从0到大约100至125米范围内的车辆之间存在关联性，并为这种组合提供一种明确的形式。
跟驰车辆驾驶员的反应，可将反应过程归结为以下三个阶段：
（1）感知阶段：
前车的速度及加速度、车间距离、相对速度等；
（2）决策阶段：
驾驶员对所获信息进行分析，决定驾驶策略；
（3）控制阶段：
驾驶员根据自己的决策和头车及道路的状况，对车辆进行操纵控制。
跟驰模型实际上是关于反应一刺激的关系式，式中λ为驾驶员对刺激的反应系数，刺激函数由许多因素构成：
速度、相对速度、车间距、加速度、车辆性能、司机受刺激的临界点等。
这些因素中是最显著的因素都对时间有影响。
驾驶员接受的刺激是指其前面引导车的加速或减速行为以及随之产生的两车之间的速度差或车间距离的变化；
驾驶员对刺激的反应是指根据前车所做的加速或减速运动而对后车进行的相应操纵及其效果。
三、列车追踪间隔模型
（一）追踪列车间隔时间的含义
追踪运行——在自动闭塞区段，一个站间区间内同方向可有两列或两列以上列车，以闭塞分区间隔运行。
闭塞分区长度根据列车运行速度、线路状况及列车制动距离综合确定。
追踪列车间隔时间——由保障追踪运行列车之间的最小间隔时间。
追踪列车间隔时间，决定于同方向列车间隔距离、列车运行速度及信联闭设备类型。
（二）三显示自动闭塞区段追踪列车间隔时间
（1）相隔三个闭塞分区——保证后行列车经常能看到绿灯，保持高速运行。
（2）前后列车间隔两个闭塞分区——当列车在长大上坡道上运行时，运行速度较低。
根据列车在区间内追踪运行的上述条件计算出追踪列车间隔时间后，还应分别按列车到站停车、从车站出发和两列车不停车通过车站的条件进行验算。
（3）按到站停车条件确定追踪列车间隔时间时，应确保后行的追踪列车不因站内未准备好接车进路而减低速度。
车站准备好进路和开放好进站信号的时刻，应不迟于第二列车首部接近站外第二通过色灯信号机的时刻。
（4）按列车从车站出发条件确定追踪列车间隔时间时，应确保后行列车在出站信号机显示绿灯的条件下出发。
只有在第一列车腾空两个闭塞分区后，出站信号机才能显示绿灯。
（5）按前后两列车不停车通过车站条件确定追踪列车间隔时间时，必须在第一列车通过出站道岔，并为后行列车开放进站信号后，后行列车才能处在与第一列车相隔三个闭塞分区距离的位置。
（6）货物列车与旅客列车（货物列车的技术速度比客运列车的技术速度要低）
①确定货物列车与旅客列车之间的追踪间隔时间时，应按到站条件计算；
②确定旅客列车与货物列车的追踪间隔时间时，则应按从车站出发的条件计算。
因为旅客列车和货物列车的运行速度不同，所以在确定货物列车与旅客列车之间的追踪间隔时间时，应按到站条件计算，而确定旅客列车与货物列车的追踪间隔时间时，则应按从车站出发的条件计算。
对各区间求出普通货物列车之间的上述几种追踪间隔时间之后，取其中最大的数值作为计算平行运行图通过能力时的追踪间隔时间。
（四）四显示自动闭塞区间追踪列车间隔时间计算原理
①四显示自动闭塞的概念一般称通过色灯信号机能显示诸如红（H）、黄（U）、绿黄（LU）和绿（L）四种灯光信号的自动闭塞为四显示自动闭塞。
②四显示自动闭塞与三显示自动闭塞的区别
四显示自动闭塞的轨道电路根据前行列车位置，发出不同的码序，表示一定的限制速度。
当装设有超速防护装置时，列车超速运行，将迫使列车发生紧急制动。
所以，四显示信号是具有预告功能的速差式信号。
③追踪列车间隔时间在四显示自动闭塞区间，列车追踪运行至少应保证有五个闭塞分区的间隔。
其中防护区用于保护区间，要求列车停车；提醒区用于提醒司机，列车将进入减速地段。
（4）移动自动闭塞追踪列车间隔时间计算原理
移动自动闭塞是在确保行车安全前提下，以使追踪列车间的间隔达到最小为目标，以车站控制装置和机车控制装置为中心的一个闭塞控制系统。
列车准确定位是关键性技术。
原理：
①列车均与前方站的中心控制装置周期性地保持高可靠度的通讯联系；②车站中心控制装置接到列车信息后，根据列车牵引特性曲线及区间相关参数，解算出每一追踪列车的允许最大运行速度发送给列车；③对于接近进站的列车，根据调度命令发出该列车进站及进入股道等信号。
采用移动自动闭塞系统可以有效地压缩追踪列车间隔时间，提高区间通过能力。
第三节交通运输流组织原理
交通运输流的组织就是根据交通运输流的不同特性，通过合理的组织管理，使运输对象能按照设计与管理者的预期目标进行输送的方法和过程。
一、交通运输流组织的目标和原则
交通流组织的目标和原则包括安全、效益、效率、秩序、环境，侧重点随着时代社会背景而有所变化，需从交通运输系统内部运行的协调和社会系统运行的协调两方面把握。
20世纪50年代以前——运输安全与效益；60年代——通流的效率、秩序及畅通；70年代以后——通流组织与交通环境。
交通运输流组织的目标可以概括为：
保障运输安全、增加运输效益、力求交通畅通、保证自然环境和生活环境、满足可持续发展等。
交通运输流组织的原则：
（1）安全性原则
（2）效益最大化原则（3）畅通原则（4）优质原则（5）有序化原则（6）可持续发展原则
二、交通运输流组织管理和控制系统
包括实施交通运输流组织管理的机构、工种、流程、规章、管理办法及有关设施设备等，以完成对交通运输流行为的限定、引导、组织和控制。
（1）机构——运输主管部门、区域管理部门、线路及场站管理部门等多级。
（2）工种——调度员有计划调度、客运调度、货运调度、行车调度、机车调度。
（3）运输流程及规章、管理办法——《道路交通管理条例》和《道路法》
（4）设施设备——各种交通信号控制
各种交通信号控制和各种交通条规属于交通运输流组织管理的主体。
信号控制是适应时时刻刻变动着的交通状态的动态控制，交通运输规则是对交通运输流通行管理的静态对策。
三、交通运输流组织和控制的主要策略和方法
交通运输流组织和控制不是改变交通运输系统基本构造或进行大规模的基础设施建设，而是通过有效地利用现有的交通系统，制定各种交通组织的一系列解决方法和策略的总称。
从技术方面，交通运输流组织和控制的策略分为：
（1）交通运输规则控制——通过制定或修改交通规章、规则，来限定、引导、组织和控制交通运输流的行为；
（2）交通信息控制与诱导——通过提供道路交通信息，路线引导、辅助驾驶等手段，来限定、引导、组织和控制交通运输流的行为；
（3）交通费用控制与诱导——通过运输费用的调整，来调整、引导、组织和控制交通运输流的行为；
（4）系统最优计划控制——通过编制系统最优的运输计划或方案，实现交通运输流组织的优化。
交通运输流组织和控制的方法：
（1）强可控的交通运输流：
确定运行径路、制定运行时间、制定具体运行办法等；
（2）弱可控的交通运输流：
禁止、限制通行；限制通行方向和时间；规定通行方向；停车限制等事宜。
第四节弱可控交通运输流组织原理
弱可控的交通运输流是指隶属关系复杂、机动性较强的运输系统，如道路系统的交通流，其出行者选择路径具有很大的自主随机性，使交通运输流的分布呈现出不按设计者初衷发展，需要进行管理诱导的弱可控特征。
一、道路交通流组织与控制
（一）概述
矛盾：
用户平衡最优可视为用户自主选择的结果，而系统平衡最优可看作路网设计者或管理者追求的目标。
交通管理不是改变城市基本构造或进行大规模的道路建设，而是通过有效地利用现有的交通系统，制定各种交通问题的一系列解决方法和策略的总称。
交通管理的方法分为交通系统的变化、交通规则及交通控制、提供交通信息、交通设施通行费征稽等4类。
交通管理大体上包括禁止、限制通行；限制通行方向；规定通行方向；停车限制等事宜。
（二）道路交通流管理
道路交通流管理是通过一系列的交通规划或硬件管制来调整、均衡交通流时空分布，提高交通网络运输效率的管理模式。
主要的交通管理方法：
交叉口交通管理、干线交通行车管理、停车管理、区域交通管理。
节点交通管理是道路交通系统管理中最基本形式，也是干线交通管理、区域交通管理的基础。
1、交叉口交通管理——交通网络的瓶颈口
交叉口交通管理是指以交通节点（交叉点）为管理范围，通过采取一系列的管理规则及硬件设备控制来优化利用交通节点时空资源，提高交通节点通过能力的交通管理措施。
（1）常采用的交叉口控制方式有信号控制交叉口、无控制交叉口、环形交叉口、立体交叉口等形式。
（2）交叉口管理方式
a.进口拓宽b.进口渠化c.信号配时优化d.交叉口转向限制
（3）平面交叉口管理是交叉口管理中最基本、最简单的形式。
主要目的是减少冲突点，提高安全性，控制车辆行驶的相对速度，并为公共交通提供优先通行权。
平面交叉口按有无信号灯控制分成信号控制交叉口及无信号控制交叉口两类。
①无信号控制交叉口的交通管理
（a）全无控制交叉口交通管理——交通地位相同，具有同等通行权，流量较小。
通行规则（依次让行规则）：
支、干路不分的，非机动车让机动车先行，非公交车让公交车先行。
若相交道路有主次之分，则支路车让干路车先行。
（b）优先控制交叉口——过渡控制形式，解决安全性问题，且延误增加不多。
停车标志控制：
规定主路车辆通过交叉口有优先通行权，次路车辆必须停车让主路车辆先行。
（单向和多向停车控制）——停车有强制性
让路标志控制（减速让行控制）：
次路车辆不一定停车等待，可寻找“空当”通过。
②信号控制交叉口的交通管理——点控制
（a）固定周期信号控制（最基本）——设备简单、投资省，维护方便，可升级。
（b）感应式信号控制——没有固定周期长度，预设时间间隔。
2、干线交通行车管理——干线交通运输效率最大
干线交通行车管理是指以某条交通干线为管理范围而采取一系列管理措施，优化利用交通干线时空资源，提高交通干线运行效率的交通管理方法。
道路交通行车管理有以下几种形式：
（1）单向交通管理（单行线）——经济、有效措施，能力增加30%～50%，安全。
应用单向通行时，应满足以下技术条件：
a.具有相同程度的通行能力、且功能类似的平行道路；
b.在单向通行路段道路的两端，交通上容易管理；
c.容易改变公共汽车、路面电车等公共交通工具的行驶路线；
（2）变向交通管理——不同时间内变换某些车道行车方向或行车种类的交通。
方向性变向交通——缓和车流量方向分布不均匀，提高道路的利用率。
非方向性变向交通（车种）——缓和各类型交通时间分布上不均匀性；可分为车辆与行人、机动车与非机动车。
（3）变更中央线——因时间不同交通量大小顺序相反道路上，增大交通量大的方向道路的通行能力。
方法：
路栅、交通柱和以车道为单位用中央车线指示灯。
（4）专用车道管理——公共交通车辆道和自行车专用车道，与单向交通联合使用。
按车辆通行方向和位置不同，可分顺行、逆行（单向通行道路中，易辨识，转弯交错）、中间通行专用车道。
（5）限制车速——防止超速行驶肇事、减少事故损害程度，给驾驶员提供行驶参考速度，以保证交通流的安全畅通。
车速限制有2种方法（法定车速和指定车速）。
法定车速——适应车辆和道路种类而规定的最高或最低车速。
一般公路：
60km/h。
高速公路：
100-120km/h。
指定车速——与交通实态不相适应的交通状态出现时，设定的限制车速，该车速根据道路的种类和路段情况适当设定，有道路标志。
（6）禁行交通管理——减轻交通负荷或均分交通流量。
有时段、错日、车种、转弯及重量（高度、超速等）禁行等形式。
3、停车管理
危害：
路上停车减小通行能力、导致交通的延迟，招致交通事故。
4、区域交通管理——最高形式
区域交通管理是一种现代的交通管理模式，它需要以道路交通信息系统作为基础，以通讯技术、控制技术、计算机技术支撑。
它以全区域所有车辆的运输效率最大（总诞误最小、停车次数最少、总体出行时间最短等）为管理目标。
（1）区域信号控制系统。
——有定时脱机式区域信号控制系统、响应式联机信号控制系统两种控制模式。
（2）智能化区域控制系统——智能化交通系统主体部分，处于开发阶段，利用交通实时信息进行合理的交通组织和维持自组织。
二、城市公共交通流组织
城市公共交通流组织包括公共交通线网组织和公共交通车辆日常交通组织。
出租汽车营运组织方式主要有定线定站、定线不定站和不定线不定站等三种组织方式。
其中，后者是出租汽车运输广泛采用的主要营运组织方式。
（1）定线出租汽车——辅助客运形式，中、小型面包车
应用：
高峰时刻公交路线上，因客流量较少或道路原因无公共汽车的路线。
有固定营运路线和固定乘车站，但也可在沿线非站点处招呼上（下）车。
（2）不定线出租汽车——主要营运方式，最方便、迅速、舒适
无固定行驶路线和固定服务对象，组织和管理工作复杂。
应做好下列各项工作：
a.合理地设置出租汽车停车场和营业站。
b.加强出租汽车调度室与营业站之间的调度联系和路线工作车辆的运行管理。
c.正确地制定出租汽车运行作业计划，使在线路上工作的出租汽车数量与客流需要相适应。
2、出租汽车行驶路线的选择
满足乘客以最少运费支出和时间消耗迅速到达目的地的要求。
要求出租汽车驾驶员必须熟悉所服务区域的交通路线。
预先编制出租车服务区域内所有各主要站点间的最短路线网络图表。
第五节强可控交通运输流组织原理
强可控的交通运输流组织，
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