高架道路上匝道连接区车辆运行 GPSS 汸真分析模型 3煜1 ,2晏克非1覃(同济大学1 上海 200092) (华中科技大学2 武汉 430074)摘要分析了高架道路系统车流运行的特征 ,建立了高架道路上匝道连接区车流运行嘚排队系统模型 ,提出了其状态参数求解的 GPSS 仿真分析方法 ,用于高架道路匝道定位设计的优 化 关键词上匝道连接区 排队系统GPSS 语言 1车辆运行特征分析通过对部分城市高架道路系统交通运行状态城市高架道路是密集型城市道路扩容的重要通设施 ,它通过匝道与地面道路衔接 ,具有通行 仂大 、 速度快 、 车流连续运行等优点 。由于高架的观测和分析 ,可知高峰时段高架道路主线 、 上匝道及上匝道连接区交通具有以下运行特征1 :1) 甴于大中型车辆爬坡能力与交通管理方式 的限制 ,车流组成以小型车为主 ,中 、 大型车所占 比例较低 ,车流组成比较单一 ;2) 匝道车辆的到达规律受匝道所衔接地面交 叉口交通管理方式的影响较大 ,随信号灯周期及各相有效绿灯时长而符合不同的统计分布规律 ;3) 紧接匝道连接区主线上游路段车辆 ,一般 不会出现转换车道和超车行为 ,但受匝道车流进 入主线的影响 ,主线车辆在匝道连接区内可能会 由外侧车道向内侧车道转移 ,也就是當内侧车道 车流有汇入空隙时 ,相邻外侧车道车辆汇入空隙 进入内侧车道 ;同时由于流量增加 ,超车因而更为 困难 ;4) 主线车流是主要车流 ,匝道车流昰次要车 流 ,匝道连接区主线车流具有优先通行权 ,主线车 流有穿越或汇入空隙时 ,匝道车辆才能进入主线 ; 主线车流没有足够的穿越或汇入空隙時 ,匝道进 入车辆将在匝道上形成排队现象 ;5) 匝道车辆进入主线时与主线车辆主要发生 穿插和强制穿插两种运行行为 ,随着流量的增大 ,路位于市區 ,匝道间距短 ,车辆上下频繁且集散 量大 ,主线交通易受匝道特别是上匝道交通的 响 ,且十分敏感 ,较小的冲击即可导致主线交通 行紊乱 ,甚至拥挤 因此上匝道连接区交通的 行状态在很大程度上决定着高架道路主线的通能力和疏解 、 分流地面交通的能力 ,其运行状态 数 ,也是确定匝道合悝间距与密度 、 进行匝道服 区集散能力与可行性分析 ,以及制定高架道路 理交通管理方式的重要参数 。上匝道连接区交运行状态不仅受本身噵路条件制约 ,而且受匝 及主线车流大小 ,匝道运行状态 ,以及匝道所衔 的地面交叉口交通运行状态的影响 ,对其状态 数的分析 、 求取 ,如采用常规嘚交通分析方法是 以实现的 本文在分析高架道路系统交通运行征的基础上 ,根据交通流统计的随机分布特性 , 立其运行状态描述的排队论模型 ,并利用离散 件系统仿真分析 GPSS 语言建立其状态参数求 的仿真分析方法 ,用于匝道定位设计方案的评收稿日期 :2001 —04 —17 3 国家自然科学基金资助项目 () 主线车流有足够大的穿越或汇入空隙时 ,匝道车辆会出现列队进入主线的现象 。 基于以 上车辆运行特征 ,可建立上匝道连接区车辆运行的排队論模型 车流空隙进入主线 ;反之 ,则在匝道上排队等待穿越或汇入空隙 。2上匝道连接区车辆运行排队论模 型 根据我国部分城市高架道路建设嘚实际情况 ,高架主线单向车道数一般为 2～3 条 ,匝道车道数一般为 1～2 条 根据主线车道数与匝道车 道数的不同组合 ,按照前述车辆运行特征 ,并遵循 匝道左侧车道车辆优先通行原则 ,建立下述四种 类型上匝道连接区车辆运行的排队论模型 ,参见图 1 。(c) 匝道二车道主线单向二车道(a) 匝道单车道主线单向二车道( d) 匝道二车道主线单向三车道 图 1 匝道连接区车辆运行排队论模型双车道上匝道车辆进入主线的主要受控因素是主线靠边第一 、 二条车道车流是否具有可供穿 越或汇入的空隙 若第一 、 二条车道车流同时具 有穿越或汇入空隙时 ,匝道左侧车道车辆穿越第一条车道 ,汇叺第二或第三条车道 ,匝道右侧车道 车辆则汇入第一条车道 ; 若主线第一条车道有穿 越或汇入空隙 ,而第二条车道没有车流空隙时 ,匝 道左侧车道車辆则汇入第一条车道 ,而右侧车道 车辆则不能进入主线 ,在匝道上排队等待车流空隙 ;若主线第一条车道没有车流空隙 ,则所有匝道 车辆均需在匝道上排队等待 。2 . 2 车辆运行排队系统特征 排队系统一般有输入过程 、 排队规则 、 服务过 程等三个基本组成部分 ,根据车辆运行特征和方式 ,上匝道连接区车辆运行排队系统各组成部分 有如下特征[ 2 ] :1) 输入过程 输入过程即匝道 、 主线车辆到( b) 匝道单车道主线单向三车道2 . 1 车辆运行方式根據车辆运行的特征及图 1 所示的排队论模 型可知上匝道连接区车辆运行方式如下 :1) 主线车辆 。一般情况下 ,主线车辆具有匝 道连接区的优先通行權 ,但是当有匝道车辆插入 主线车道 ,特别是强制穿插运行行为存在时 ,会给 主线上游车流产生冲击 ,使主线车辆在汇入点前 形成排队 ,或者促使主線外侧车道车辆向内侧车 道转移 ;2) 匝道车辆 单车道上匝道车辆进入主线的排队系统间隔时间的分布规律 。上 ,参见图 1 ;(3) 车辆通过穿越点或汇入點的时间 ,即服务 时间是随机的 ,分布是平稳的 ,其分布规律应通过 现场抽样调查 ,并经拟合优良度检验后建立其经 验分布函数 (1) 城市交通流量大苴可循环运行 ,可认为车源 (顾客源) 是无限的 ;(2) 车辆到达具有随机性 。匝道车辆到达间时间受匝道所衔接的地面交叉口交通管理方式信号灯配时嘚影响很大 ,须通过现场抽样调查 ,3GPSS 仿真分析模型由于上匝道连接区车辆运行排队系统模型的经拟合优良度检验 ,建立其经验分布函数 ;主线 辆所受干扰因素较少 ,其到达规律可认为是泊 过程 ,到达间隔时间分布可用移位负指数分布复杂性 ,用数学解析法来求解诸如排队车辆数及排队等待時间 、 单位时间内匝道进入主线的车辆 数等系统状态参数是很困难的 ,而排队系统是一种典型的离散随机系统 ,如采用离散系统的仿真 分析技術来求解其状态参数是极其容易的 离散 系统的仿真分析过程 ,也就是模拟系统中随机变 量的抽样方法和系统的动态运行过程 ,共有事件调度法 、 活动扫描法 、 进程交互法 、 三阶段法等四 种仿真策略[ 3 ] 。GPSS 语 言 是 离 散 系 统 仿 真 语 言 中 推 出 最 早 、 使用最广泛的一种 ,是采用进程交互法建模的 仿真策略 它最大的特点是仿真模型可采用一组标准的程序块 ( block) 来表示其逻辑结构 ,系统中 的临时实体 (如车辆) ,按程序块图中规定的方向 由某一 块 流 向 另 一 块 。一 个 程 序 块 对 应 一 条 GPSS 语句 ,它相当于一个子程序 ,因而具有较强 的建模能力 ,且能够自动输出系统各种状态参数的报表 ,克服叻高级语言实现仿真程序存在着程 序量大的缺点 现以图 1 ( d) 所示的排队系统模 型为例 ,建立其 GPSS 语言的程序块图4 ( 如图 2 所示) ,其余三种情况也可建立楿似的程序块图 。 图中符号含义如下 : F1～ F6 分别为车辆运行的穿越点或汇入点的代号 ; Q1 、Q2 、Q3 分别为主 线车辆队列的代号 ; DQ1 、DQ2 分别为匝道车辆 队列的玳号 ; T 为仿真 分 析 的 持 续 时 间 ( s) ; T 0 为观测车辆排队长度分布规律的间隔时间 ( s) ; Q M A X 为匝道车辆队列的最大排队长度 (pcu) ; CD 、CX 分别为仿真时间内匝道进入主线的車辆合 ;(3) 车辆到达可认为是相互独立的 ,到达过程平稳的 ,到达间隔时间分布及其参数与时间先 无关 2) 车辆排队规则 。车辆排队规则即车辆在匝連接区前参与排队及选择服务台接受服务的规(1) 匝道车辆的排队规律可认为是损失制 ,也是当匝道车辆排队到达一定长度时 ,其后续车 自愿或被迫改走地面道路 ,而不在匝道上排队 待 ;(2) 受匝道车流的影响 ,主线车道车辆也会形排队现象 ,但由于主线上所有车辆无其他线路 供选择行驶 ,因此其排队规律是等待制 ;(3) 车辆一旦参入排队等待 ,很难驶离队列 ,难以在不同队列之间转换 ,但是 ,主线车辆在匝连接区可以向内侧车道转移 ,即外侧车噵车辆以选择内侧车道车流空隙 (服务台) 通过匝道连 区 ;(4) 先到的车辆具有优先通过匝道连接区的利 ,即先到先服务 。3) 服务规则 匝道连接区车辆運行排队论模认为 ,匝道连接区是排队系统的服务机构 ,匝道 接区内主线车流所能提供的穿越点或汇入点是 车辆提供服务的服务台 。服务规则即匝道连接 内车辆运行的穿越点或汇入点的排列组合情,以及车辆通过穿越点或汇入点的先后顺序与 过时间的分布规律 数和通过匝道连接區的车辆数 (pcu) ; X T 1 、X T 2 、(1) 主线车辆具有优先通过匝道连接区内穿X T 3 分别为主线车辆排队等待时间的频率分布及累计频率分布表 ; D T 1 、D T 2 分别为匝道车辆 排 队 等 待 时 间 的 频 率 分 布 及 累 计 频 率 分 布 表 ; XL 1 、XL 2 、XL 3 分别为主线车辆排队长度的频率分布及累计频率分布表 ; DL 1 、DL 2 分别为匝 道车辆排队长度的频率分布忣累计频率分布表 ; ZD G 、Z X G 分别为匝道与主线车辆到达的间隔时点或汇入点的权力 ;(2) 单车道匝道排队系统具有并联的多个服台 ,车辆运行的穿越点或彙入点成单排并列分在不同的车道上 ; 双车道匝道排队系统既有串 也有并联 ,即混合排列的多个服务台 ,车辆运行 穿越点或汇入点分两排并列分咘在不同的车道面道路上形成较长的排队 ,有时直至地面交叉口的出口处 ,从而引起地面交叉口的交通阻塞 ,因此 如何确定匝道端部与交叉口的距离 L 是匝道定位设计的一个主要内容 。由图 3 可知匝道端部与 交叉口的距离 L ( m) 可由下式计算 :4仿真分析结果在匝道定位设计中 的应用 上述仿真分析模型不仅能够得到车辆在排队系统中的排队等待时间及其累计频率分布规律 ,以及单位时间内匝道进入主线的车辆数和匝道连 接区所能通過的车辆数 ,而且能够得到匝道与主 线在某一累计频率下的排队车辆数 ,其中匝道排队车辆数是高架道路平行式上匝道定位设计的重 要参数 圖 3 是平行式上匝道定位设计示意图 ,受上 匝道连接区交通阻塞的影响 ,车辆会在匝道及地L a + L w + M a 可由上述仿真分析模型求取 ; h d 为排队车辆的平车头间距 ( m) 。案 ,即车辆运行的各种特征参数 ,为方案的评估与优化提供科学依据 ,所建模型已在上海高架道路 系统功能完善研究中用于工程措施方案的分析与 优化 结语对高架道路上匝道连接区车辆运行状态的仿,能完整 、 全面地预测出各种匝道定位设计方图 3 高架道路平行式上匝道定位设计礻意图23钱松迪主编 . 运筹学 . 北京 :清华大学出版社 ,1990 肖田元 ,张燕云等编著 . 系统仿真导论 . 北京 : 清华大 学出版社 ,2000 贾兰香 ,陈宝谦等编. 管理系统仿真 ( GPSS 语言) . 忝 津 :天津大学出版社 ,1997参 考 文 献覃煜 ,晏克非. 高架道路上匝道通行能力理论模型研 究 . 武汉交通科技大学学报 ,I TS 涵盖领域及其子系统1 .智能化交通信息服务系统 。即面向公众5 .智能应急管理系统 即紧急情况处理系 智能交通信息服务系统 。统2 .智能化车辆控制系统 包括车载通讯设6 .智能公 囲 交 通 运 营 系 统 。包 括 高 速 公、 电子地图 、GPS 全球定位系统 、 紧急制动 、 危路 、 城市轨道交通 ,铁路 、 航运 、 空运的中央管理控制 、 指挥调度 、 信号信息系统 防护警告系统 、 防盗报警系统等 。3 .智能交通管理系统 包括智能交通管制7 .智能商用车辆运营系统 。货运及车队的 统 、 动態路径引导系统 、 智能信号系统 、 公共交调度 、 管理 优先系统 、 智能车辆管理等 。(摘自 《3 S 世界》 总第 2 期 ,作者 :李德仁)4 .智能收费系统 自动識别 、 不停车自动费 。