《运输组织学》

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1、第七章 交通线网运输组织,第一节 交通运输流概述 第二节 交通运输流微观分析技术 第三节 交通运输流组织原理 第四节 弱可控的交通运输流组织 第五节 强可控的交通运输流组织,第一节 交通运输流概述,一、交通运输流概述 二、交通运输流要素间的关系 三、交通运输流理论模型简介 四、交通运输流分布原理,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。 交通运输流理论在早期的框架中，借鉴了流体理论的某些思路，主要是试图描述不同交通工具、运营控制环境（如交通运输系统、控制设备、标志、信号等）及管理者的量化联系。,第一节 交通运

2、输流概述,由于不同交通方式自身的差异，道路中大量行驶的车辆相对于铁路列车、航空飞机以及水运船舶而言，通常并不以独立交通工具作为系统的研究对象，更多表现出一种统计的特性，在行为表现中，具有较强连续性特征。 相对而言，强调个体的铁路列车、航空飞机以及水运船舶的离散性特征比较明显，但是应该注意交通运输流的连续与离散性特征实质仅仅是一个相对的概念，为简单区别起见，本章提到的交通流主要指连续化特征比较明显的道路车辆交通流，用运输流特指具有离散化特征的铁路、飞机和轮船流。,第一节 交通运输流概述,交通运输流的要素一般包括流量、流向、流程、流时、流距等，当然对于不同的交通方式，交通运输流要素也具有其独特的内

3、涵，如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，这些特征参数一般也可以借鉴到其它交通方式，下面以道路系统为例对此做一说明：,第一节 交通运输流概述,交通运输流的要素,1、流率（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,第一节 交通运输流概述,流率一般可表示为每小时通过的车辆数，1985年美国高速能力手册（HCM1985）建议使用15分钟测定时间，有时5分钟或者1分钟的数据也被采用。,2、速度（单位时间走行距离） 每一车辆的瞬时速度可表示为：,第一节 交通运输流概述,雷达或微波测速装置可以提供车辆瞬时速度的测量结果，但是象诸如感应线圈提供的是车辆通

4、过短的检测距离如6m的时间，由此获得的速度仅仅是瞬时速度的一种近似。,除了瞬时速度，还有不少办法可以确定车辆的平均速度，比如算术平均值法。 其中 ，是车辆通过距离D的时间。,第一节 交通运输流概述,3、密集度（Concentration） 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。,第一节 交通运输流概述,值得指出的是，交通流测量方法对改进上述交通要素模型精度有很大的影响，交通流测量方法包括点测量、短距离测量（一般不超过10米）、全路段测量（至少0.5公里）、在交通流中移动

5、观察测量、利用ITS技术同时获取大量车辆数样本测量等。,第一节 交通运输流概述,二、交通运输流要素间的关系,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。,第一节 交通运输流概述,1、速度-流量图 速度-流量关系是双变量的关系，这一领域开创性的工作属于Greenshields1935年的一篇论文，文中他在线性速度-密度关系和方程“流量=速度密度”的基础上，推导出抛物线方程,第一节 交通运输流概述,式中: 是自由流速， 是拥挤密度,方程所基于的曲线和数据,注明： 测量时间为1934年劳动节，测量地点为双

6、向双车道道路上一个方向。 图中数字为被观测车组（100辆车为一组）的数量，曲线表示数量-流量关系。 车组不是独立进行观察的。在计算道路上的车辆数时，每隔10辆车开始新的一组（每组100辆），因此相邻两组之间有90%的重叠。 在200车/小时的流量范围内数据被分组，各组的平均值都是事先制定好的。所观测的100个车组中的51组（有重叠）的那个拥挤的点，是在不同横断面和不同铺筑材料的道路上，不同的一天收集的。,第一节 交通运输流概述,Greenshields模型存在的问题 首先，Greenshields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。 其次，其进行数据

7、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。 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。,第一节 交通运输流概述,美国1994年道路通过能力手册（HCM1994） 给出的速度-流量曲线图,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。该曲线没有提出任何理论方程，而是阐述了普遍性的经验结果，很多的新数据研究结果验证了其具有合理性。,第一节 交通运输流概述,2、速度-密度模型 （1）Greenshieldsde模型（1935年） （2）Greenberg模型（1959）

8、 （3）Edie模型,第一节 交通运输流概述,3、流量-密度模型 （1）抛物线型的流量-密度模型 （2）流量-占有率曲线,第一节 交通运输流概述,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,第一节 交通运输流概述,三、交通运输流理论模型简介,交通运输流包括连续化特征比较明显的道路车辆交通流和离散化特征比较明显的铁路、飞机和轮船流。 最早的道路交通流研究起于20世纪30年代，以Adams等为代表将概率论引入道路交通研究中，二战后，特别是20世纪50年代后，

9、车辆跟驰理论（car following），波动理论(traffic wave theory)及排队论(queuing theory)相继出现，使道路交通流理论逐步完善起来。 其它交通方式交通运输流理论的发展历程与道路系统类似，但比较而言，道路系统交通流理论已初步形成较为完备的体系。,第一节 交通运输流概述,道路交通流理论 1、描述交通流变量即速度、流量和集中度（concentration）间关系的数学模型 这些模型一般涉及无干扰的交通流，比如高速或高等级公路交通流问题，重点在于测量能力与交通流理论间的联系。,第一节 交通运输流概述,2、对车辆-人-机系统中人的因素研究 （1）观察反应时间，控

10、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、速度控制的描述，以及开环、闭环车辆控制系统中对车道保持、车辆跟驰、超车、保持车距、车道关闭和信号距离的行为描述，其中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。,第一节 交通运输流概述,3、连续流模型 用流体行为来描述交通现象，车辆跟驰模型认识到交通是由独立车辆微观行为，及其相互作用形成的，而连续流模型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

11、程 （2）速度与密度或流量与密度间是一一对应关系,第一节 交通运输流概述,4、宏观流模型 从宏观角度研究路网交通，考虑地变量包括交通强度（单位面积行驶距离）、道路密度（城市单位面积中道路的长度或面积）和权重空间平均速度。宏观流模型使交通流理论可以从系统控制策略的高度对道路网的进行评测，有助于对路网系统的规划与管理，网络行为模型也可以用于比较不同区域的交通条件以合理分配运输系统资源。,第一节 交通运输流概述,5、交通影响模型 包括交通安全、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 由司机自己决定何时通过交叉口安全，并在冲突的交通中保持必要的安全间隔，这种驾驶员行为的模型称为“

12、可接受间隔理论gap acceptance”，并导致车辆间距的变动，另外该类模型也涉及两种及其以上交通流的冲突条件下，运用排队论计算能力和交通运营效果的方法。,第一节 交通运输流概述,7、有信号的交叉口交通流理论 交通流的统计理论将用于评估独立的交叉口的延误和排队包括交通信号的影响问题，包括对交通信号所在区域的交通汇聚、分离和协调的讨论，其中预置和时变的信号控制理论也包含其中，进一步涉及到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。,第一节 交通运输流概述,其它交通方式，根据自身离散性的特点

13、，也进一步丰富发展交通运输流理论，比如铁路列车的区间、车站追踪间隔模型及理论，就是这类离散化运输流理论的重要代表。,第一节 交通运输流概述,四、交通运输流分布原理,交通运输流在由起点到终点的运输过程中，可能存在若干的可能选择路径，交通运输流分布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。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。,第一节 交通运输流概述,鉴于交通运输流的不同特性，交通运输流具有强可控的组织流与弱可控的自主流之分。 对于组织严密的运输系统，如国家铁路、航空

14、系统、水运系统而言，运输管理者可以根据运输时间、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方法，使交通运输流的分布呈现较强的可控性和组织性；,第一节 交通运输流概述,对于隶属关系复杂、机动性较强的运输系统，如道路系统的交通流，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，而道路交通量增加导致的道路拥堵等问题，由可能导致原有设计方案的最短时间、费用等发生变化，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。,第一节

15、 交通运输流概述,沃尔乔泊（Wardrop）原理（1952年） 沃氏第一原理（用户最优平衡原理）：网络上的交通以这样一种方式进行分配，就是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。这种稳定状态理论上讲是合理的,第一节 交通运输流概述,交通分配模型：平衡模型和非平衡模型 非平衡分配模型：使用非优化的启发式解法或其他近似解法的分配模型,第一节 交通运输流概述,1、最短路分配法（容量非限制分配法，

16、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。在所有OD点对的OD量全部按上述原则分配到路网上后，可累计得出各路段，各交汇点的交通量。,第一节 交通运输流概述,该法在进行交通分配时，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。,第一节 交通运输流概述,（1）确定路段运行时间，对现状网络，可用实测的路段长度除实测的速度来确定；对规划路网，可用规划路段长度除该路段的设计速度来确定。 （2）确定各OD点之间的最短路径。 （3）按各交通区之间OD量全部在路权最小的路径上通过，其余为零的原则，将各OD对间的OD量分配到交通网络上。 （4）累计出各路段（交汇点）的交通量。,第一节 交通运输流概述,最短路交通分配法的步