《基于缓堵的主线收费站设计关键参数研究_张楠.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于缓堵的主线收费站设计关键参数研究_张楠.docx（91页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、分类号： _ U491.2 _ 密级： _ U D C ： _ 625.7 _ 编号： 201120166019 河北工业大学硕士学位论文 基于缓堵的主线收费站设计关键参数研究 论文作者： 张楠 学生类别： 全曰制 学科门类： 工学 学科专业： 道路与铁道工程 指导教师： 乔 建 刚 职 称： 教授 Dissertation Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree of Highway And Railway Engineering RESEARCH ON THE KEY DESIGN PARAMETE
2、RS OF MAIN TOLL STATION BASED ON ALLEVIATE CONGESTION By Nan Zhang Supervisor: Prof. Qiao Jiangang December 2014 原创性声明 木人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得 的成果 a除文中己经注明引用的内容外，木学位论文不包含任何他人或集体己经发表 的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料 5对本论文所涉及的研究 工作做出贡献的其他个人或集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声 明的法律责任由本人承担。 关于学位论文版权使用授权的说明
3、木人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有 权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供本学位论文全 文或者部分内容的阅览服务：学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索、交流 ： 学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 a (保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 河北工业大学硕士学位论文 摘 要 高速公路作为最基本的交通运输设施，因其高效廉价的特点成为现代公路运输 的核心。经济的快速发展和全球经济的大融合，以高速公路为主要运输 方式的现代 物流业的发展迅猛。另一方面，随着国民收入的增加和我国汽车工业的发展，而公
4、路出行方便快捷的特点使得它受到自驾一族的青睐。货运与客运两方面的共同推动， 导致了高速公路车流量的成倍增长。 然而，随着我国高速公路的迅猛发展，高速公路收费站的通行能力往往不能很 好的与高速公路的通行能力相匹配，导致在收费站处经常发生交通拥堵，影响了高 速公路的通行能力，严重时甚至造成主路交通中断。与此同时，收费站对交通系统 通行能力的瓶颈作用也体现在环境污染、交通安全等问题上。 我国高速公路交通工程的研宄工作却相对滞后， 既存的收费站设计、建设规范不 完善，国内外研宄也并未形成完整理论。本文以京津冀地区主线收费站作为研宄对象， 侧重于分析提高收费站通行能力的途径，为收费站的规划、设计、管理和
5、建设提供科 学的理论依据。 本文对现有高速公路收费站的平面线性布置、车辆参数、收费服务现状等进行 数据调查，充分分析现有高速公路收费站的运行模式、交通流特性、拥堵原因以及 现有复式收费模式的优缺点，找出改进收费站的突破口。在节约土地资源、减少扩 建成本的前提下，根据相关调查和分析，结合目前的交通工程学、交通工程设施设 计标准规范，提出改进 优化的新型收费站模型，确定其运行过程、线性参数、标志 标线设计、交通控制以及突发情况处理。并利用 VISS頂仿真软件对新型收费站的 关键参数进行了仿真计算，建立新型收费站的详细模型图。 本设计实现了以下三个方面的改进：第一，首次提出了单入双出复式收费的小 客
6、车专用车道模型，确定了全新的交通流分配方案。并通过计算机仿真计算，优化 了收费车道长度，将收费站运行效率最优化。新模型大大提高了收费站的通行能力， 对于缓解交通拥堵有重要意义。第二，优化了收费站的布局，充分利用收费站的纵 向空间。提高收费站的土地利用率，节 约土地面积。有助于缓解交通建设和耕地紧 张之间的矛盾。第三，新模型通过减少拥堵排队时车辆的起制动次数，降低了油耗 和尾气排放。节约资源，保护环境，为低碳交通提供新的思路。 关键字：缓堵收费站设计参数仿真 I 河北工业大学硕士学位论文 ABSTRACT As the m ost basic transportation, the hi ghw
7、ay has becom e the core of m odern transportation with high efficiency and low cost. Fusion of rapid development of economy and the global econom y, as a m ain mode of transportation modern logistics industry, the highway is developing rapidly. On the other hand, with the development of national inc
8、ome, the increase of automobile industry in our country and the c onvenient features of highway travel, it becam e a favor for car owners. Pr omote by two aspects, freight and passenger transport, the highway traffic growing exponentially. However, with the rapid development of Chinas expressway, th
9、e capacity of toll station highway traffic can often not very good to match with the cap acity of highway to match, it leading to a frequent traffic jams in the station, which will cause the impact of the highway traffic capacity, and even made into a main road traffic disruption in serious way. At
10、the same time, the bottleneck effect of the toll s tation traffic to the capacity of system is also reflected in the environmental pollution, traffic safety and other issues. The research work of expressway traf fic engineering in China is relatively backward, the design and construction specificati
11、on of existing of toll s tation is not perfect, and the dom estic and foreign research has not formed a complete theory. In this paper, we make them ain line toll station in Beijing Tianjin Hebei region as the research object, focus on the analysis of the ways to improve the traffic capacity of the
12、toll station, and to provide a scientific basis for the management, construction planning and design of the toll station. This paper carries on the data survey of plane linear layout, vehicle parameters, the service charges of the status quo to the ex isting highway toll sta tion, to fully analysis
13、the existing expressway traffic mode of operation, the flow characteristic of toll station, the congestion reasons and the advantages and di sadvantages of double charge mode, and to find out the breakthrough improvement of toll station. In the prem ise of conservation of land resources, and reduce
14、the cost of the expansion, according to the related investigation I 基于缓堵的主线收费站设计关键参数研究 and analysis, we will combined the current traffic engineering with the traffic engineering facility design standards, to puts forward new charges to improve the optim ization of the station model, and to determin
15、e the operation process, the linear parameter, the sign and the design, traffic control and emergency treatment. We will use the VIS SIM simulation software to make the simulation calculation for the new toll station and establish the map with new model of toll station. This design realizes the impr
16、ovement for the following three aspects: first, proposed firstly the lane model of Double Export multi-point toll collection for the small bus, establish the new schem e of traf fic flow assignment. Through computer simulation, we make an optim ization to the toll lane length, on the purpose of incr
17、ease the operating efficiency optimization of th e toll station. The new model significantly improves traffic capacity of the toll stations, which has a great significance for alleviating traffic congestion. Second, optimize the toll station layout, to make full use the space in longitudinal of the
18、station. To improve the rate of land use fees of the station, and save the land area. It can help to alleviate the contradiction between the intense traffic construction and the cultivated la nd. Third, by reducing congestion, queuing vehicle starting and the frequency of braking , reducing fuel con
19、sumption and em issions, the new model save resources, protect the environment, and provide a new idea for low carbon transportation. KEYWORDS: Alleviate congestion ,Toll Station ,Design parameters, Simulation II 河北工业大学硕士学位论文 目录 第 一 章 绪 论 . 1 1.1研宄背景 . 1 1.2研宄目的意义 . 5 1.3主要研宄内容 . 7 1.4技术路线 . 7 1.5主要
20、结论 . 8 第二章国内外研究现状 . 11 2.1国外研宄现状 . 11 2.2国内研宄现状 . 12 2.3发展综述 . 15 第三章数据采集与初步分析 . 17 3.1数据采集 . 17 3.1.1采集地点及时间 . 17 3.1.2采集任务及内容 . 18 3.1.3采集方式、方案 . 18 3.1.4注意事项 . 19 3.1.5数据采集结果 . 19 3.2数据初步分析 . 24 3.2.1车长、车宽的分析 . 24 3.2.2停车间距的分析 . 25 3.2.3服务时间的分析 . 26 3.2.4驶出时间的分析 . 27 3.2.5现行收费站平面布置参数 . 27 3.2.6行车
21、轨迹的分析 . 28 3.3小结 . 29 第四章高速公路主线收费站特性分析 . 31 4.1现有高速公路收费站运行模式 . 31 4.1.1收费制式 . 31 I 基于缓堵的主线收费站设计关键参数研宄 4.1.2收费站类型 . 32 4.1.3收费方式 . 33 4.1.4收费模式 . 33 4.2收费站交通流特性 . 34 4.2.1车辆通过收费站的过程 . 35 4.2.2车辆行为选择特征 . 35 4.3拥堵原因分析 . 36 4.4小结 . 38 第五章单入双出复式收费站模型的建立 . 39 5.1基于木桶理论的模型设计理念 . 39 5.2模型的运行模式 . 41 5.3横断面参数
22、的确定 . 42 5.3.1收费岛及收费亭的尺寸的确定 . 42 5.3.2收费车道宽度的确定 . 42 5.3.3曲线半径的确定 . 44 5.4交通管理设计 . 44 5.4.1标志标线布设 . 44 5.4.2信号控制 . 47 5.4.3交通组织 . 50 5.5应 .急预案设计 . 51 5.5.1人机控制双重模式 . 51 5.5.2车辆故障应对模式 . 51 5.5.3供电系统 . 52 5.5.4报警系统 . 52 5.6小结 . 52 第六章基于 VISSIM的收费站纵向参数设计 . 53 6.1 VISSIM 简介 . 53 6.2模型的建立 . 54 6.2.1路段的建立
23、 . 55 6.2.2车辆参数输入 . 57 6.2.3信号灯的设置及信号配时方案 . 58 6.2.4评价指标的选择与设置 . 61 6.3仿真结果数据分析 . 62 6.4通行能力计算 . 65 河北工业大学硕士学位论文 6.5小结 . 69 第 七 章 效 益 分 析 . 71 7.1通行能力分析 . 71 7.2节地面积分析 . 72 7.3能耗分析比较 . 72 7.3.1启制动次数计算 . 72 7.3.2节能分析比较 . 73 7.3.3减排分析比较 . 75 7.4可靠度分析比较 . 75 7.5小结 . 76 第 八 章 结 论 及 展 望 . 77 8.1主 要结论 . 7
24、7 8.2创新点 . 77 8.3展望 . 78 参考文献 . 79 攻读学位期间所取得的相关科研成果 . 79 翻寸 . 81 III 河北工业大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 1.1研究背景 高速公路作为现代化的公路运输基础设施，其产生和发展是社会进步和经济发展 的必然结果。汽车数量的不断增加使得混合交通流的弊端日益凸显，极大地影响了交 通运输效率。因此，早在 20世纪 20年代，西方发达国家就提出了建设汽车专用的高 速公路的设想 1。 1919年，德国修建了世界上第一条往返分离的高速公路 P。 是世界上最早修建高 速公路的国家，德国高速公路里程己达 11400公里，构成了欧洲大陆最庞
25、大的高速公 路网，并有 9条高速公路与邻国相通，承担着欧洲大陆交通的职能，促进了整个欧洲 大陆的经济开发。 美国是目前高速公路最多、路网最发达的国家。到 1992年底，美国高速公路网 己完成修建 了 99.7%，各大城市之间都有高速公路相通，通车总里程已达 72448km， 占本国公路总里程 (622万 km)的 1%多，其高速公路系统承担了全国公路运输任务的 21%以上。 在 20世纪 50年代后，高速公路在其它发达国家和部分发展中国家也得到了迅 速发展。法国在 1957年修建了高速公路 92km， 1981年则达到 5715km;英国于 1949 年在特殊公路法中确定了发展高速公路的战略，
26、到 1981年己有高速公路 2657km; 意大利的高速公路可以连接全国各大主要城市，并且较密集地覆盖北方工业发达地区。 日本颁发 高速公路干道法后，于 1963年建成了第一条全长 71km的高速公路，到 21世纪初已经达到 10000km， 成为名副其实的 一日交通国 。 我国地大物博人口众多，交通运输业是我国社会经济发展的基础产业，是推动 我国经济发展和社会进步的强大动力。公路运输是目前五大运输方式中应用最为广 泛的一种运输方式，鉴于其成本低，路网覆盖广，运输耗时短的优点，它在货运与 客运行业当中均处于主导地位，其运营情况直接影响着国家经济发展的整体水平。 高速公路是专门为汽车交通流服务的
27、基础设施。高速公路不仅是交通运输现代 化的重要标 志，也是一个国家工业化、现代化水平的重要标志。高速公路是现代公 路运输的核心，不仅在运输能力、运输速度和安全性方面具有绝对突出的优势，而 1 基于缓堵的主线收费站设计关键参数研究 且在提高现代化运输效率、缩小地区间区域差别、建立一体化经济体系和促进国家 经济均衡发展等方面具有重要作用，虽然高速公路的建造成本较高、占用土地资源 较多，但因其通行能力大、行车速度高、交通事故率低，因此高速公路运输是公路 运输中的首选方式 3。 由于政治经济发展不平衡等原因，我国高速公路的建设直至改革开放后的 20世 纪 80年代中期才正式起步。 1988年竣工的沪嘉
28、高速公路是我国的第一条高速公路， 结束了建国以来我国没有高速公路的历史。我国的高速公路建设虽起步较晚，但是却 以迅速的发展态势风靡运输领域。特别是 1998年以来，高速公路建设进入了快速发 展期，年均通车里程超过4000km。 至 2007年底，全国已建成高速公路的总里程数 突破了 5万公里，稳居世界第二位 4。国家高速公路网将在整合 五纵七横 国道主 干线及 8条西部大通道等国家干线路网的基础上 ，形成 首都连接省会、省会彼此相 通、连接主要地市、覆盖主要县市 的全国性公路主骨架网络。高速公路的快速发展， 极大提高了我国公路网的整体技术水平，优化了交通运输结构，对缓解交通运输的瓶 颈制约发挥
29、了重要作用，有力地促进了我国经济发展和社会进步。 随着高速公路网的逐渐形成，高速公路对经济的发展必将发挥越来越大的作用。 大规模的基础设施建设大大改善了国内的运输通行状况，形成了优质的国家资产。 如图 1.1所示为我国高速公路网布局方案。 2 图 1.1国家高速公路网布局方案 河北工业大学硕士学位论文 据相关部门预测，未来几年内我国高速公路运输量将以 15%左右的增长速率持 续递增。随着经济发展水平的不断提高，使人们对生活质量的改善有了越来越 高的 要求。一方面，人们所需商品的种类在不断增加，质量在不断提高，对获取商品时 的时效性与便捷性的要求也在不断加强；另一方面，人们精神层面的需求也在日益
30、 多元化，旅游业的蓬勃发展带动了高速公路上客运人数的增加；同时，随着国民收 入的增加和我国汽车工业的发展，私人汽车开始走进百姓家中，自驾出行逐步在普 通家庭中普及，而公路出行方便快捷的特点使得它受到自驾一族的青睐。货运与客 运两方面的共同推动，导致了高速公路车流量的成倍增长。 3 基于缓堵的主线收费站设计关键参数研究 由图 1.2 图 1.3中可以看到各种运输方式在客运与货运中所占比例情况。在货 运中，公路运输所占比例为 72.93%，几乎是其他几种运输方式总和的 3倍，而在 客运中，公路运输所占比例更是高达 91.96%，远远超出其他各种运输方式。可见， 公路运输在客运与货运行业中均占据着主
31、导地位，在高速增长的经济形势的带动下， 货运与客运量的不断增加给高速公路的通行服务能力造成了巨大压力。 然而，与此不相适应的是，我国高速公路交通工程的研宄工作却相对滞后。随 着我国高速公路的迅猛发展，作为高速公路重要组成部分的交通管理服务设施一高 速公路收费站的设计，越来越引起建设部门的高度重视。伴随着社会经济的持续发 展，公路交通量不断增长，部分路段出现实际交通量增长率远大于预测值的情况， 高速公路收费站的通行能力往往不能很好的与高速公路的通行能力相匹配，导致在 收费站处经常发生交通拥堵，高速公路收费站成为了影响高速公路物流流通量、车 辆通行时间及通行成本的关键环节。如图 1.4所示为拥堵的
32、收费站。 图 1.4拥堵的收费站 与此同时，收费站对交通系统通行能力的瓶颈作用也体现在环境污染、交通安全 等问题上。英国石油公司 BP2013年 1月发布了 BP2030世界能源展望，研宄报告 指出，石油仍将是交通运输业的主导性燃 料，尽管其比重将从 2011年的 94%降至 2030 年的 89%，到 2030年的液体燃料需求增长主要来自非经合组织的交通运输业 (近 1400 万桶 /日）。相关研究表明，超过 20%的原油消耗和空气污染是由于交通拥堵和 时走 时停 交通引起的 5，车辆排出的S02、 NOx、 CO、 C02等有害物质甚至超过工业污 染，严重危害人类的身体健康 6，车辆速度由
33、 40km/h减小到 10km/h， 燃料消耗将增 加 2 4倍 7。另外，高速公路事故率虽然只有其他公路的 1/3 1/4,可一旦发生事故， 河北工业大学硕士学位论文 多为重大、恶性事故，其交通事故的死亡率是其他公路的 2至 10倍 8。 我国的高速公路投入使用以后通过征收通行费用的方式，来回收建设成本以及 作为公路营运维修经费。我国目前的收费方式多为停车式的人工收费系统 (Manual Toll Collection,简称 MTC)， 收费站附近易形成排队等待的交通瓶颈，产生大量延 误。电子不停车收费系统 (Electronic Toll Collection， 简称 ETC)是提高收费站
34、通行能 力的有效途径，但是 ETC的应用需要一个比较成熟的环境，受到诸多主客观因素的 制约，目前不停车收费在我国还处于探索阶段，即便是在不久的将来，不停车收费 也不可能在我国普及，因此停车收费在未来的很长一段时期都将是我国高速公路的 主要收费形式。 我国既存的收费站设计、建设规范不完善也不科学，跟社会和高速公路的发展速 度不匹配。如公路工程技术标准和高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范 的相关规定只是在原有标准上稍作改动或借鉴国外设计资料，并没有结合我国日益增 长的交通需求和日益革新的收费技术。例如，规范中 没有对计重收费通道收费时间做 出明确的规定，这就容易造成实际收费时间不满足规范要求。
35、对于不停车收费通道， 规范中则只是泛泛提到如何选取几何尺寸，并未做进一步研究和规范。现有收费站的 收费岗亭一般都并列设置在高速公路上，不但占用了大量空间和资源，也导致收费站 通行能力饱和时受诸多因素的影响很难再横向扩张，如收费站设计和远景规划不足、 土地利用限制，多数不能占用。虽然部分学者为此做了许多工作，但由于其局限性仍 无法解决实际问题，最终导致理论与实际的严重不符 9。 高速公路具有专用路权的特性，采用封闭式管理，其 主线没有瓶颈问题，但是 收费站可能对车流产生延滞，其作为沿线设施的重要组成部分己成为支持高速公路 正常运行的必要手段，不仅是影响高速公路车流运行是否畅顺的重要关键，也是影 响服务品质的重要因素之一。因此很有必要对其扩容设计进行深入研宄。 本文侧重于分析主线收费站的通行能力与服务水平、提高收费站通行能力的途 径，并以京津冀地区主线收费站作为研究对象，以其为收费站的