基于雷达采集数据与仿真的单一丁坝U型转弯设计评估

摘要

本方案描述了通过仿真解决微观交通问题的流程。整个过程包括数据采集、数据分析、仿真模型构建、仿真校准和敏感性分析的详细说明。还讨论了该方法的修改建议与故障排除。

摘要

传统的掉头设计虽能显著改善运行特性，但掉头分流与合流段仍会导致交通拥堵、冲突和延误。本文提出一种专用丁坝式掉头车道设计（ESUL），以解决传统掉头设计的缺陷。为评估ESUL的运行性能，需采用交通仿真协议。整个仿真过程包括五个步骤：数据采集、数据分析、仿真模型构建、仿真校准和敏感性分析。其中，数据采集与仿真模型构建是两个关键步骤，后文将对此进行更详细的描述。评估中通常采用三个指标（行程时间、延误和停车次数），其他参数可根据实验需求从仿真中测得。结果表明，ESUL显著减轻了传统掉头设计的缺点。该仿真方法适用于解决微观交通问题，例如单个或若干相邻交叉口或短路段的情形。该方法不适用于大规模路网或缺乏数据采集的评估场景。

引言

一些交通问题，例如交叉口或短路段的交通拥堵，可以通过优化道路设计、调整信号灯配时、采取交通管理措施以及其他交通技术来解决或改善^1,2,3,4。与原始状况相比，这些改进措施可能对交通流运行产生正面或负面的影响。交通运行的变化可以通过交通仿真软件进行比较，而无需实际重建交叉口或路段。当提出一个或多个改进方案时，特别是需要比较不同改进方案或评估改进效果时，交通仿真方法是一种快速且经济的选择。本文介绍了通过评估专用车道式导流堤掉头车道设计的交通流运行特征，利用仿真解决交通问题的过程⁵。

掉头行驶是一种常见的交通需求，需要在道路上设置中央分隔带的掉头开口，但这一做法一直存在争议。设计掉头开口可能导致交通拥堵，而关闭掉头开口则会使需要掉头的车辆绕行。掉头车辆与直接左转车辆这两种交通流均需使用掉头开口，容易引发交通延误、停车甚至交通事故。为解决掉头行驶带来的不利影响，已有若干技术方案被提出，例如信号灯控制^6,7、专用车道左转车道⁸

方案

1. 仪器设备的准备

1. 准备以下每种设备各两套，以采集双向交通流数据：雷达、笔记本电脑、电池以及用于雷达和笔记本电脑的电缆、摄像头、雷达和摄像头三脚架。
   注意：雷达及其配套软件用于采集车辆速度、轨迹信息，其精度高于测速枪。若具备其他可采集车辆速度、轨迹和流量的设备，雷达并非唯一选择。由于雷达信号易被大型车辆遮挡，可利用摄像头拍摄的视频进行车辆计数。在调查过程中，若遇雨天或晴天，需对设备采取防护措施。尤其在晴天，设备可能因温度过高而自动关机，因此需配备遮阳伞或降温设备以应对该情况。

2. 设备测试

1. 确保所有研究人员均穿着反光背心。
2. 准备雷达三脚架并将其伸展至最高。将三脚架高度设置为超过 2 m，以避免路边信号被遮挡。
3. 将雷达安装在三脚架顶部并锁定雷达。
4. 将雷达设置在距离路边约 0.5 m 处，调整雷达垂直方向，使其面向车辆行驶方向或相反方向。尽量减小雷达与道路之间的夹角。
   注意：雷达最大探测距离为 200 m。若雷达距离车道过近，可能无法完整捕捉经过车辆。因此，距离车道 0.5−1.0 m 为常规设置距离。
5. 打开电源电池，并将笔记本电脑连接至电源电池。插入雷达电源线，并将雷达数据 USB 线插入笔记本电脑。待所有电缆连接完成后，开启笔记本电脑。
6. 将摄像机放置在雷达旁，用于拍摄车流情况。
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结果

图2展示了U形转弯中央开口处的ESUL示意图。WENS代表四个基本方向。主路为双向六车道。绿化带位于两侧，用于分隔非机动车道，并在道路中央分隔两个行车方向。车流1为由东向西的直行交通，车流2为由东向东的U形转弯交通，车流3为由西向东的直行交通，车流4为由西向西的U形转弯交通。

ESUL 内侧两条车道的功能是引导、减速、掉头、加速、寻找间隙，并将掉头车辆汇入车流。其中，导流堤部分为核心区域，不同于普通的掉头设计。该部分可促使交通流略微向外偏移（一个车道宽度），并在导流堤之后实现直行交通与掉头交通的分离。

丁坝式设计具有三个显著差异。首先，通过将全部车道向外移动，提供专用的调头车道，以避免直行交通流的干扰。与标线方式相比，驾驶员不能穿越丁坝，而必须沿车道行驶，从而将两股交通流分.......

讨论

本文讨论了使用仿真方法解决交叉路口或短路段交通问题的流程。其中若干要点需要特别关注，下文将对此进行更详细的讨论。

现场数据采集是首先值得关注的事项。数据采集地点需满足以下要求：1）选择合适的数据采集位置。该位置应与研究中道路的几何形状相似，这是数据采集的前提条件。2）通过寻找足够的净空区域来确定雷达及其他设备的布设位置，确保雷达信号不会被遮挡。可采用一些先进的技术手段，例如无人机，来监测交通运行状况。整个观测区域应无树木或建筑物等障碍物。3）最后，每个位置的数据采集时间应至少持续3小时，应涵盖早晨和傍晚的交通高峰时段以及白天的低谷时段。拥堵指数的时间数据可通过现场观测获得，或从其他可靠的交通信息发布来源获取。

仿真模型构建是另一个关键步骤。仿真模型的准确性将导致不同的仿真误差。在仿真模型中，首先要考虑的是连接件。如果连接件一侧的某个连杆发生移动，该连接件可能会发生形变，并侵入相邻的连杆或连接件，从而导致误差。因此，每当需要移动连杆时，重新计算连接件的位置和状态至关重要。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电池	北京奥泽尔科技公司	LPB-568S	容量：3.7V/50000mAh。两个输出端口，DC 1 输出：19V/5A（最大），供一台笔记本电脑使用；DC 2 输出：12V/3A（最大），供一台雷达使用。
电池电缆	北京奥泽尔科技公司	无目录编号	用于连接一个电池与一台笔记本电脑。
相机	索尼	a6000/as50r	相机拍摄的视频分辨率为1080p，即1920×1080。
相机三脚架	伟峰	3560/3130	相机三脚架高度为1.4米。
笔记本电脑	戴尔	C2H2L82	运行Windows 7基础系统。
Matlab软件	MathWorks	R2016a
雷达	北京奥泽尔科技公司	SD/D CADX-0037
雷达软件	北京奥泽尔科技公司	Datalogger
雷达三脚架	北京奥泽尔科技公司	无目录编号	可与雷达配套使用的三脚架，最大高度为2米。
反光背心	定制	无目录编号
VISSIM软件	PTV AG集团	PTV vissim 10.00-07 学生版