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基于改进时空轨迹理论的机场出发层车道边通行能力评估方法研究.pdf
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1、第23卷第4期2023 年 8 月交通运输系统工程与信息Journal of Transportation Systems Engineering and Information TechnologyVol.23 No.4August 2023文章编号:1009-6744(2023)04-0228-09中图分类号:U491文献标志码:ADOI:10.16097/ki.1009-6744.2023.04.023基于改进时空轨迹理论的机场出发层车道边通行能力评估方法研究柏强*,江瑛,李毅帆,徐誌蔓(长安大学,运输工程学院,西安 710064)摘要:机场航站楼出发层车道边主要是供离港旅客送行车辆停车
2、落客的场所,是机场陆侧交通系统的重要组成部分。出发层车道边通行能力是机场出发层车道边的基本参数,直接影响着机场陆侧交通系统的运行效率,但现有的出发层车道边通行能力计算方法不够精确。本文对时空轨迹理论进行改进,量化影响车道边通行能力的因素,考虑等待行人穿行和车辆驶出停车位等待汇入行车道延误的情况,构建车道边通行能力评估模型;采用昆明长水国际机场的现场调研数据及监控视频数据进行算例分析,并与快速估计法、AnyLogic仿真法、时空轨迹理论法进行对比分析。结果表明,使用改进的时空轨迹理论法计算的昆明长水国际机场出发层车道边通行能力与实测值的误差为0.38%,对比快速估计法、AnyLogic仿真法、时
3、空轨迹理论法,本文提出方法的误差分别降低了127.73%、8.57%、11.06%,能够有效地评估航站楼出发层车道边的通行能力,可以为机场管理人员提供一定的理论参考。关键词:交通工程;通行能力评估;时空轨迹理论;出发层车道边;AnyLogicAirport Departure Floor Curbside Capacity Evaluation Based onImproved Space-time Trajectory TheoryBAI Qiang*,JIANG Ying,LI Yi-fan,XU Zhi-man(College of Transportation Engineering,
4、Changan University,Xian 710064,China)Abstract:Abstract:The curbside of the departure floor of the airport terminal is a place for departure vehicles to park and dropoff passengers and is an important component of the airport land-side transportation system.The curbside capacity ofthe departure floor
5、 is a basic parameter for airport curbside settings,which directly affects the operational efficiency ofthe airport land-side transportation system.The existing methods for the curbside capacity calculation can be improved.This paper uses the space-time trajectory theory,quantifies the factors that
6、affect curbside capacity,and proposes acurbside capacity evaluation model considering pedestrians pass the curbside and vehicles merge into the driving lanefrom parking lanes.Field survey data and monitoring video data of Kunming Changshui International Airport are usedfor analysis.The result was co
7、mpared with those of quick-estimation method,space-time trajectory theory method,andAnyLogic simulation method.The results show that the error between the estimated curbside capacity of KunmingChangshui International Airport using the proposed method and actually measured value is 0.38%.Compared wit
8、h theresults of quick-estimation method,AnyLogic simulation method,and the space-time trajectory method,the error of themethod proposed in this paper has been respectively reduced by 127.73%,8.57%,11.06%.It indicates that theproposed method can effectively evaluate the departure floor curbside capac
9、ity of airport terminals and provides atheoretical reference for airport land-side traffic management.Keywords:Keywords:traffic engineering;capacity evaluation;space-time trajectory theory;departure curbside;AnyLogic收稿日期:2023-04-05修回日期:2023-05-20录用日期:2023-06-19基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金/Fundamental Resear
10、ch Funds for the Central Universities of Ministry of Educationof China(300102342203)。作者简介:柏强(1980-),男,湖北十堰人,教授。*通信作者:第23卷 第4期基于改进时空轨迹理论的机场出发层车道边通行能力评估方法研究0引言机场航站楼出发层车道边主要是供离港旅客送行车辆停车落客的场所,是机场陆侧交通系统的重要组成部分。出发层车道边通行能力是机场出发层车道边的基本参数,是指在单位时间内,车道边所能通行的最大交通量。影响出发层车道边通行能力的因素涉及多个方面,包括车道边长度、车道边车辆行驶行为以及行人穿行行为
11、等。目前,对于出发层车道边通行能力的评估主要有 3 种方法。一是经验法,即通过简单的公式修正或折减高峰小时交通量计算出发层车道边通行能力。例如,Allen Hoffman等1考虑车辆间的相互干扰所带来的影响对 公路通行能力手册 中的公式进行修正,重新评估出发层车道边通行能力。美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)和美国运输研究委员会(Transportation Research Board,TRB)2通过车道边有效长度、平均停靠时间以及停车平均占用长度评估车道边通行能力。池磊3通过落客停车数及停车位数量的乘积评估车道边通行能力。二是分析法
12、,基于通行能力影响因素,构建相应的数学模型对车道边通行能力进行计算。例如,Parizi等4针对一个单车道停车的车道边,根据时空轨迹模型计算单位时间内车道边能服务的最大车流量。张兰芳等5利用排队论建立陆侧交通运行指标模型,评估航站楼陆侧交通容量需求。欧阳杰等6建立可接受间隙模型,评估单一车流和混合车流下的车道边通行能力。杨方宜等7分析行车道及落客道的行车速度差异,提出改进的需求-容量模型。三是仿真法,通过仿真软件或开发程序,针对不同机场不同布局和管理的出发层车道边建立仿真模型,得到出发层车道边容量。例如,Kuo-Yang Chang8开发多停车道的车道边仿真模型。杨晓康9利用VISSIM仿真软件
13、构建天津机场二期的陆侧路网模型,用以评估机场出发层车道边通行能力。综上所述,对于车道边通行能力评估而言,经验法计算简单,考虑因素较少,计算结果不准确。虽然利用分析法和仿真法得出的结果更为准确,但仿真模型需要大量参数来描述航站楼车道边交通系统,而参数取值对仿真结果会产生很大影响,并且对每一次评估,均需建立仿真模型,操作相对复杂。因此分析法有更好的准确性和操作性,但出发层车道边车辆行为复杂,而现阶段使用的分析法理论性较强,没有考虑行人穿行以及车辆等待间隙汇入行车道的实际情况。因此,想要精确地评估出发层车道边的通行能力,有必要综合考虑影响出发层车道边通行能力的各种因素,特别是行人穿行以及车辆等待间隙
14、汇入行车道等行为对通行能力的影响,建立更为精确的数学模型。本文主要采用改进的时空轨迹理论模型,考虑因行人穿行以及车辆等待间隙汇入行车道而产生的延误对通行能力的影响,并以昆明长水国际机场为例,通过现场调查以及视频数据处理对其出发层车道边通行能力进行评估,最后对比多种车道边通行能力计算方法的结果,验证改进时空轨迹理论方法的有效性。1机场陆侧车道边布局类型航站楼出发层车道边是机场离港旅客进入航站楼的单向道路,车辆通过在车道边的停靠达到落客目的。出发层车道边的布局形式可以根据横断面形式、车道数划分及停靠方式等多种方式进行分类。1.1 根据横断面形式分类车道边横断面是路段中线上任意一点的法向切面,根据不
15、同交通组织设计以及为减少人车交织,出发层车道边横断面分为单幅式、双幅式和三幅式,如图1所示。(a)单幅式出发层车道边横断面(b)双幅式出发层车道边横断面(c)三幅式出发层车道边横断面图 1 出发层车道边横断面Fig.1 Departure floor curbside cross section单幅式出发层车道边车道间无隔离带,仅由两侧人行道以及机动车道组成,由于车辆落客区域紧邻近两侧人行道,因此无需设置人行横道。双幅式出发层车道边是两组机动车道间通过一条链式分隔带或岛式分隔带隔断为内、外侧车道边的车道边形式,由两侧人行道、两组机动车道以229交通运输系统工程与信息2023年8月及分隔带组成。
16、在外侧车道边落客的乘客需要穿越内侧车道边内设置的人行横道进入航站楼内部。三幅式出发层车道边是三组机动车道通过两条分隔带隔断为内、中、外侧车道边的车道边形式,由两侧人行道、三组机动车道和两条分隔带组成。在外侧车道边落客的乘客需要穿越内、中侧车道边设置的人行横道进入航站楼;在中间车道边落客的乘客需要穿越内侧车道边的人行横道进入航站楼内部。1.2 根据单幅车道边车道数形式分类出发层车道边与一般城市道路不同,主要用于车辆进场落客后驶离这一复杂过程:车辆进入行车道行驶并寻找可以提供临时停车落客的停车位;发现停车位后,车辆进行换道停车完成落客;结束落客后,换道离开落客区。因此,为满足落客及行车需求,单幅车
17、道边车道数至少设置2条车道。一般双车道和3车道均为单停车道。车道常见的单幅车道边车道数如图2所示。图 2 常见车道边车道数示意图Fig.2 Classification based on number of lanes on curbside1.3 根据停靠方式分类停车问题在交通系统中扮演着越来越重要的角色10。出发层车道边布局模式从车辆停靠方式角度分类,主要分为平行式停靠车道边和斜式停靠车道边,如图3所示。两种形式的停靠方式各有优劣:平行式停靠方式相对于斜式停靠方式,驶出停车位时更加方便;斜式停靠方式使得车辆容易驶入停车位,并且在落客区长度相同的情况下,能够容纳更多的车辆。(a)平行式停靠车
18、道边(b)斜式停靠车道边图 3 车道边车辆停靠方式示意图Fig.3 Vehicles parking types2基于改进时空轨迹理论的出发层车道边通行能力模型2.1 基本车辆行驶通行能力如图1(a)所示,针对一个单幅双车道和单停车道的车道边,Parizi4提出一个单停车道模型,并根据该模型计算了单位时间内出发层车道边能服务的最大车流量。该模型假设车辆在行车道上匀速行驶,忽略了车辆驶入和驶出停车道的速度变化,车流量连续不断。单幅双车道和单停车道的基本车辆行驶时空轨迹如图4所示,图中,v为车辆在行车道上的行驶速度(ms-1);为车辆平均影响长度(m);n为车道边停车位个数;tai为第i辆在驶入停
19、车位前在行车道的行驶时间(s);tdi为第i辆车驶出停车位后在行车道的行驶时间(s);ts为车辆在停车位落客的时间(s);tn为第n辆车完成落客并驶离车道边的时间(s);k为行驶周期数。图 4 双车道基本车辆行驶时空轨迹图Fig.4 Basic space-time trajectory diagram of vehicle in adouble lane此时,双车道车道边的理论通行能力为C=nTLvts+nv(1)式中:L为车道边长度(m);T为经过k轮停车所用的时间(s)。考虑驾驶员停车喜好等实际因素,Parizi又提出有效停车位的概念,因此,双车道车道边的实际通行能力为C=NeffTLv
20、ts+Neffv(2)式中:Neff为车道边有效停车位。230第23卷 第4期基于改进时空轨迹理论的机场出发层车道边通行能力评估方法研究2.2 双车道车道边通行能力改进模型车辆在有行人穿越的人行横道前停车等待,以及在换道时等待可穿越的间隙汇入行车道会对交通流产生阻滞效应,影响车辆在车道边的停留时间,进而影响通行能力。为了建立更精确的模型来评估出发层车道边的通行能力,本文结合车道边布局和车辆行驶特性,借鉴Parizi的双车道车道边通行能力模型,综合考虑影响车道边通行能力的因素,将车辆在出发层车道边花费的时间进一步细化。改进模型将车辆在车道边的行为细分为以下几个阶段:在行车道匀速行驶寻找停车位,在
21、人行横道前停车礼让行人,减速驶入停车位,在停车位落客,加速驶出停车位,等待可穿越的间隙汇入行车道,匀速离开行车道。考虑延误的车辆行驶时空轨迹图如图5所示。图中,v1为车辆在行车道内行驶的速度(ms-1);v2为车辆在停车道车道内行驶的速度(ms-1);Ls为换道过程行驶的距离(m);taij为第i辆车在行车道行驶的时间(s);tdij为第i辆车在换道过程的行驶时间(s);j为车辆在行车道上匀速行驶的阶段;tw为车辆等待间隙汇入行车道的时间(s);D为车辆礼让行人的等待时间(s)。图 5 考虑延误的车辆行驶时空轨迹图Fig.5 Space-time trajectory diagram cons
22、idering vehicle delay改进模型采用以下假设:(1)由于交通流中观测到的个体速度分布较宽,需使用具有代表性的数值表示速度特征11。因此假设车辆在行车道上以平均速度匀速行驶。(2)同理假设(1),车辆在换道过程中以平均速度匀速行驶。(3)由于行人的穿越具有随意性,机动车与行人相互寻找可穿越间隙通过,部分车辆可以只减速不停车,部分车辆减速后停车等待间隙通过,部分车辆为了避让突然穿入的行人需要紧急刹车12,因此行人穿行时车辆延误记为减速和停车的平均值。因此,在第1个行驶周期内车辆完成落客并驶离车道边的时间为t1=ts+D+tw+L-Lsv1+Lsv2+v1(3)t2=ts+D+tw
23、+L-Lsv1+Lsv2+2v1(4)tn=ts+D+tw+L-Lsv1+Lsv2+nv1(5)为保证在第2个行驶周期的第1辆车到达第1个停车位时,第1个行驶周期的第1辆车已离开第1个停车位,第2个周期内完成落客并离开车道边的时间为tn+1=2()ts+D+tw+L-Lsv1+Lsv2+()n+1v1(6)tn+2=2()ts+D+tw+L-Lsv1+Lsv2+()n+2v1(7)t2n=2()ts+D+tw+L-Lsv1+Lsv2+2nv1(8)以此类推,得到第k个周期的第n辆车离开车道边的时刻tkn为tkn=k()ts+D+tw+LLsv1+Lsv2+knv1(9)如果k个周期内车辆的总行
24、驶时间为T,即T=tkn。因此,在单位时间内,车道边n个停车位提供服务的周期数为k=T-L-Lsv1-Lsv2ts+D+tw+nv1(10)由于车道边总停车位数量为n,则考虑延误的出发层车道边改进的通行能力模型表达式为231交通运输系统工程与信息2023年8月C=nk=nT-LLsv1-Lsv2ts+D+tw+nv1(11)式(11)忽略了驾驶员选择停车位的偏好问题,为计算符合实际的车道边通行能力,根据Parizi基于车道边停车位利用率的分析4,考虑车位选择的相应计算公式为C=NeffT-L-Lsv1-Lsv2ts+D+tw+Neffv1(12)2.3 3车道车道边通行能力模型3车道车道边主要
25、服务的是有落客需求的车辆和过境车辆。3车道车道边由1条停车道和2条行车道组成。过境车辆从外侧行车道通过,有落客需求的车辆在内侧行车道完成一系列落客行为。因此,车辆在3车道车道边的通行能力为C=Cg+Ct(13)式中:Cg为过境车辆通行能力,Cg=3600/h,h为平均车头时距(s);Ct为落客车辆通行能力。使用内侧行车道的车辆行驶停靠特征与双车道车道边车辆的特征相同,因此,落客车辆的通行能力可以由双车道车道边通行能力表征,得到3车道车道边通行能力模型为C=Cg+NeffT-L-Lsv1-Lsv2ts+D+tw+Neffv1(14)2.4 4车道车道边通行能力模型4车道车道边的布局由2条行车道和
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