论文总字数：48072字

摘 要

国家高速公路主通道建设及拥挤路段扩容改造是交通运输部的重点工作之一，更多的高速公路正在逐步改建及扩容为八车道高速公路，以适应不断增长的交通需求。自适应巡航控制系统（ACC）的逐渐普及，也引发人们对其可能带来的交通影响的关注。探索ACC车辆与传统人工车辆所组成的异质交通流状态下，八车道高速公路通行能力的变化规律，能够了解ACC车辆对八车道高速公路通行能力的作用机理，并为未来一段时间内仍属常态的异质交通流的管理与控制提供依据。

论文主要利用沪宁高速公路无锡段某基本路段的断面视频数据，定性分析八车道高速公路人、车、路及环境等要素的特征，通过描述性统计分析的方法定性分析其交通流特性。绘制密度-流量基本图，得到八车道高速公路每条车道最大服务交通量（通行能力）的实测值为2571、2593、2394及1969（单位：辆/小时，车道位置由内依次向外）。建立异质交通流基本图模型与元胞自动机模型，得到ACC车辆渗漏率分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8及1.0时，八车道高速公路通行能力的理论值和仿真值。

针对异质交通流基本图模型与元胞自动机模型，对ACC车辆期望车间时距、大型车辆比例及安全距离等参数进行敏感性分析，并考虑针对ACC车辆设置ACC车辆专用车道等策略，得到通行能力随着上述参数的变化规律，并提出相关管理控制建议。

关键词：自适应巡航控制；八车道高速公路；异质交通流；通行能力；元胞自动机

Abstract

Along with the reconstruction of some early built two-way four-lane expressways into two-way eight-lane expressways in China, as well as the increasing popularity of adaptive cruise control (ACC) systems, investigating the changing trend of the capacity of two-way eight-lane expressways under the heterogeneous flow forming by ACC vehicles and conventional vehicles can help to understand how ACC vehicles affect the capacity of two-way eight-lane expressways and provide theoretical support on managing and controlling the heterogeneous flow.

Based on the video data of Shanghai-Nanjing Expressway, the traffic flow characteristics has been analyzed via statistical method. The statistical capacities of each lane are 2571, 2593, 2394 and 1969 (unit: veh/h, from inside lane to the outside), which is gained by drawing density-flow diagram. The fundamental diagram model and cellular automation model of the heterogeneous flow has been built. The theoretical and simulation value of the capacity when the penetration rates are 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0 is obtained respectively.

Sensitivity analysis has been conducted on the three parameters—expected net time gap of ACC vehicles, the large vehicle ratio and the safe distance. Effect of Lane managing strategy like setting ACC dedicated lane has been evaluated. How the capacity of two-way eight-lane expressway varies with fore-mentioned parameters has been presented and some advice on how to manage and control the heterogeneous flow has been proposed.

KEY WORDS: Adaptive Cruise Control, Eight-lane Expressway, Heterogeneous Flow, Traffic Capacity, Cellular Automation

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 2

1.2.1 ACC车辆影响研究 2

1.2.2 ACC车辆仿真与建模 4

1.2.3八车道高速公路通行能力研究 5

1.2.4既有研究总结 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环境特性 9

2.1.1道路设施特性 9

2.1.2交通管理特性 10

2.1.3驾驶员行为特性 11

2.2八车道高速公路交通流特性 11

2.2.1车型划分 11

2.2.2交通量分布 13

2.2.3车型分布 13

2.2.4速度分布 15

2.2.5车头时距分布 17

2.2.6各车道密度-流量基本图 17

2.3本章小结 19

第三章 混有ACC车辆的异质交通流基本图模型 20

3.1跟驰模型 20

3.1.1传统人工车辆跟驰模型 20

3.1.2 ACC车辆跟驰模型 21

3.2混有ACC车辆的异质交通流基本图模型 21

3.2.1基本图解析 21

3.2.2各车道异质交通流基本图解析曲线 22

3.3模型检验与结论 28

3.4本章小结 29

第四章 混有ACC车辆的八车道高速公路通行能力仿真 30

4.1模型假设及基本设置 30

4.1.1模型假设 30

4.1.2模型基本设置 30

4.2模型演化规则 31

4.2.1边界条件 31

4.2.2模型演化规则 31

4.2.3换道规则 33

4.3模型参数与有效性验证 34

4.3.1车型参数设置 35

4.3.2车辆到达率 35

4.3.3车型比例 35

4.3.4随机慢化概率和换道参数 35

4.3.5仿真步长 36

4.3.6模型有效性验证 36

4.4混有ACC车辆的八车道高速公路通行能力 37

4.5本章小结 38

第五章 模型敏感性分析 39

5.1异质交通流基本图模型敏感性分析 39

5.1.1 ACC车辆期望车间时距的影响 39

5.1.2大型车辆比例的影响 40

5.2元胞自动机模型敏感性分析 41

5.2.1 安全距离的影响 41

5.2.2 车道管理策略的影响 42

5.3本章小结 43

第六章 总结与展望 45

6.1主要研究成果与结论 45

6.2主要创新点 46

6.3研究展望 46

参考文献 48

致 谢 52

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

到2018年末，全国高速公路总里程14.26万公里，私人汽车拥有量已突破2亿。由于我国早期建设的高速公路均为双向四车道，随着交通量的不断增长，供需之间的不平衡日益严峻，更多的高速公路改扩建为八车道高速公路，如沈大高速、沪杭甬高速、西潼高速、西宝高速等。在2018年全国交通运输工作会议中，交通运输部将“推进国家高速公路主通道建设及拥挤路段扩容改造”确定为12项重点工作之一。根据《江苏省高速公路网规划（2017-2030年）》，到2030年，江苏省高速公路总里程将达到6500公里，其中，八车道高速公路将达到1200公里，所占比例将大幅提升。八车道高速公路是区域交通运输中的主要干线通道，地位和作用不言而喻，2018年沪宁高速公路日均流量达到97411辆，同比增长约6.9%。交通压力日趋严峻，拥堵、延误等现象仍时有发生。在重要的节假日等客流高峰时段，八车道高速公路的通行能力往往还是不能满足需求。如何提升八车道高速公路的通行能力，使其更好地服务于地区经济社会发展，实现应有的价值，是亟待探究的问题。

随着驾驶辅助系统和自动驾驶技术等的发展，车辆的控制方式也产生了相应的变化。其中发展较为成熟的有自适应巡航控制技术（Adaptive Cruise Control, ACC）。作为一种纵向跟驰控制技术，其通过车载设备获取前方车辆的实时行驶状态等信息，并利用相关算法控制车辆的油门、刹车和发动机系统，使其与前方车辆保持稳定的期望车头时距行驶。汽车制造商发明该项技术的初衷是为了提升驾驶过程中的舒适性和便捷性，进而提升车辆的销量。而另一方面，随着该项技术的发展及其应用的日趋广泛，相关学者开始关注该项技术对人、交通以及社会可能产生的影响。截至2019年，尚无大规模进行ACC真车试验的先例，关于ACC车辆与传统人工车辆异质交通流的解析研究也还缺乏相对系统性的方法。考虑到ACC车辆开始出现到完全普及需要一段过程，其与传统人工车辆组成的异质交通流在未来一段时间内仍是常态，对于二者异质交通流特征及影响的研究还有待进一步的深入。

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