基于元胞自动机的航站楼出发层车道边容量思考

发布时间:2022-02-23 21:24:19 论文编辑:vicky

本文是一篇工程硕士论文,本文基于昆明长水国际机场调查数据,结合航站楼出发层车道边布局及管理方式,分析出发层车道边容量影响因素及出发层车道边车辆运行的微观过程;从车辆微观运行行为出发,利用元胞自动机构建出发层车道边基本模型及演化规则;然后,通过 MATLAB实现三车道、双车道出发层车道边仿真模型搭建,并利用昆明长水国际机场出发层车道边调查数据进行验证分析;最后,通过仿真模拟分析出发层车道边设置及车辆运行行为对出发层车道边容量的影响,提出相应的优化建议。


第一章  绪论


1.1  研究背景

2021 年 3 月 13 日,我国发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年计划和 2035 年远景目标纲要》中提到,民航运输领域的项目建设是我国基础设施建设的重要篇章,建设项目除了涉及京津冀、粤港澳经济大湾区、成渝、广州等多个重要的国际枢纽机场,还包括杭州、合肥、济南等枢纽机场的改扩建工程,以及厦门、大连、三亚的新机场建设[1]-[2]。2019 年,我国机场全年旅客吞吐量超过 13 亿人次[3];  2020 年,由于疫情影响,我国民航机场全年旅客吞吐量仍有 8 亿人次,是世界上最大的旅客航空运输市场。

我国民航业蓬勃发展的同时,也为机场陆侧交通系统带来了不小的挑战。航站楼出发层车道边为机场运送出发旅客车辆落客的主要地方,具有车流量大、行人流量大、车辆间干扰频繁的特点,极易出现拥堵现象,因此它是机场陆侧交通系统中的重点监测及管理的对象。如何科学合理的利用有限的出发层车道边空间,使其能更好地满足旅客的出行需求,有效地减缓拥堵现象,成为越来越棘手的问题。准确的出发层车道边容量分析是进行高效车道边交通组织管理的基础。虽然已经有不少学者对车道边容量进行了一定的研究,但由于出发层车道边交通流的复杂性,还有待进一步研究,以提高其容量评估的准确性,给高效的交通组织与管理服务。

因此,对于航站楼出发层车道边车辆运行行为进行微观剖析,建立出发层车道边的容量评估模型、分析不同因素对车道边容量的影响是非常必要的。


1.2  研究意义

航站楼出发层车道边通常在高峰小时交通量大,落客车辆多,但通常车道边空间有限,容易导交通拥堵,为旅客的出行带来不便。本文通过分析出发层车道边车辆停靠微观行为特征,探讨道路条件及车辆运行环境对车道边容量的影响;并通过建立元胞自动机仿真模型模拟分析不同影响因素对出发层车道边容量的影响程度,对进一步的科学研究以及实际运用方面有一定的意义。

(1)深入剖析出发层车道边车辆停靠过程中微观行为

车辆路内停靠不是出发层车道边特有的车辆行驶行为,在城市道路系统中,路侧停车、公交停靠等场景中都涉及路内停靠行为。出发层车道边停靠行为和城市道路系统中的路内停靠行为类似,均必须在特定区域内进行;而其与和城市道路系统中的路内停靠行为也有较大的差异:第一,出发层车道边停靠车辆均有落客的需求,车辆换道较为频繁;第二,与公交停靠不同的是,出发层车道边停靠位置更加灵活,导致不同的停车位利用率不同;第三,与路侧停车不同的是,车辆的期望停车位被占用的概率更大,车辆需要多次决策才能顺利停靠。本文从车辆基本行驶行为、换道行为、停靠行为等方面进行深入剖析,可以加深对出发层车道边车辆停靠过程中微观行为的研究。

(2)提出搭建出发层车道边仿真模型的思路、框架及方法

仿真模型在容量评估方面有着独特的优势,它能同时考虑多种影响因素及其产生的潜在影响。目前存在的交通仿真软件中缺乏根据航站楼出发层车道边特点专门建立的模型,尽管不少软件通过二次开发也能建立出发层车道边仿真模型,但是与实际情况仍存在差别。元胞自动机在交通仿真方面存在独特的优势,已经被大量应用于路网、路段、节点等交通系统的仿真研究中,但针对航站楼出发层车道边的仿真研究还较少,本文以实际微观停靠行为为依据,建立车辆基本行驶规则、换道规则、停车决策规则,以昆明长水国际机场出发层双车道和三车道车道边为研究对象,构建并验证出发层车道边元胞自动机仿真模型,为建立更为完善的出发层车道边仿真模型提供方法。


第二章  出发层车道边运行特征分析


2.1  出发层车道边概述

航站楼出发层车道边是机场离港旅客进入航站楼内部的平台,是机场陆侧交通运行系统重要的组成部分[45]。

2.1.1出发层车道边布局概述

出发层车道边的布局形式多样,车道边长度是反映其整体特点的基本参数,落客区长度是反映其布局特点的基本参数。同时,出发层车道边可以根据横断面形式、车道数划分及落客区设置等多种划分方式进行分类。

(1)  布局长度

出发层车道边与航站楼相连,其长度受航站楼长度的限制,本文研究的出发层车道边长度以车辆从循环路完成转弯后的位置为起点,以再次驶入循环路的位置为终点,如图  2.1 所示,图中 L 为出发层车道边的长度。出发层车道边落客区总长度是指出发层车道边除去人行横道的剩余长度。本文研究的出发层车道边各单位落客区是指具有连续停车位的停车区,其长度为相邻人行横道间的距离,如图  2.2 所示,图中 L1、L2 分别为的两个落客区的长度。

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2.2  出发层车道边容量影响因素分析

出发层车道边同时为车辆和行人提供服务。由于行人数量众多,所以行人的穿行会对车辆的通行产生较大的影响。因此,这里将航站楼出发层车道边的容量定义为考虑行人穿行影响条件下,单位时间(通常取 1 小时)内,一组机动车道所能通过的最大车辆数。

出发层车道边容量需要结合出发层车道边特有的布局及车辆运行特点,综合考虑容量计算时涉及到的影响因素。出发层车道边车辆大多数有落客停车的需求,因此出发层车道边分为行车道和停车道。在考虑出发层车道边容量影响因素时,一方面,需将行车道与停车道看成整体进行分析;另一方面,要以车辆的整个“行驶-停靠-行驶”运行过程作为分析的依据,全面的分析其影响因素。

1、出发层车道边长度

出发层车道边长度反映可以供车辆行驶的距离,出发层车道边交通运行环境复杂,运行干扰因素多,影响车辆的正常通行,出发层车道边长度越长行车道上行驶的车辆受到干扰的区间越大。有效的出发层车道边长度是指可供停车落客区的长度之和,决定了停车位的数量,停车位的数量与停车道的容量成正比。停车道的容量与行车道的容量共同影响着出发层车道边容量的大小。

2、落客区长度划分

不同的落客区长度划分对行车道上车辆的影响不同。越长的落客区,停靠数量越多,车辆驶入驶出对行车道上行驶的车辆造成的影响越大;越短的落客区,停靠数量越少,车辆驶入驶出对行车道上行驶的车辆造成的影响越小。落客区的长度设置不是一个定值,不同出发层车道边布局形式,不同位置,其最适宜的长度不同。当相对较长的落客区位于出发层车道边车辆驶入位置时,容易造成入口处拥堵,影响车辆驶入;当相对较长的落客区位于出口位置时,影响车辆驶出;当相对较长的落客区位于出发层车道边中部时,可能导致局部拥堵。


第三章  出发层车道边元胞自动机基本规则构建 ........................................ 27

3.1  元胞自动机理论 ....................................... 27

3.1.1元胞自动机的定义...................................................... 27

3.1.2 元胞自动机的构成.................................... 28

第四章  基于元胞自动机的出发层车道边仿真模型构建 ......................... 44

4.1  仿真工具确定及程序设置 ........................................ 44

4.2  出发层车道边仿真模型构建 ..................................... 45

第五章  基于昆明长水国际机场的实例验证及分析 ......................................... 52

5.1  案例选取及调查方案设计 ............................................... 52

5.1.1调查对象选取....................................... 52

5.1.2调查方案设计............................. 53


第五章  基于昆明长水国际机场的实例验证及分析


5.1  案例选取及调查方案设计

调查对象选取 昆明长水国际机场 2019 全年完成旅客吞吐量为 4808 万人次,远超其设计吞吐量3800 万人次/年。其出发层车道边横断面为 3 幅车道,即第二章节中所描述的由近、远侧人行道、三组机动车道及两组道中步行区组成,包含有国内机场出发层车道边中较为常见的两车道及三车道的车道数划分形式,因此选取昆明长水国际机场作为本文实例验证数据采集的对象。

(1)  昆明长水国际机场出发层车道边的布局形式

沿行车方向来看,出发层车道边长度为 322m,人行横道及周围障碍设施长为 6.5m,出发层车道边设置平行式停车道,每条停车道包含 5 个落客区。垂直行车方向来看,外侧两车道为“行车道+停车道”的形式,如图 5.1(a)所示;中间三车道为“行车道+行车道+停车道”的形式,如图 5.1(b)所示。沿行车方向,将落客区依次命名为落客区 1、2、3、4、5,元胞空间具体尺寸见表 5.1。

(2)  昆明长水国际机场出发层车道边交通管理措施

昆明长水国际机场出发层车道边将不同车型分配至不同车道,其中本文所研究的外侧两车道组和中间三车道均为小型客车通道。两车道和三车道都是单向通行道路,出发层车道边的车辆要求即走即停,并设置最长停靠时间为 5 分钟。

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结论与展望


1、本文工作总结

本文基于昆明长水国际机场调查数据,结合航站楼出发层车道边布局及管理方式,分析出发层车道边容量影响因素及出发层车道边车辆运行的微观过程;从车辆微观运行行为出发,利用元胞自动机构建出发层车道边基本模型及演化规则;然后,通过 MATLAB实现三车道、双车道出发层车道边仿真模型搭建,并利用昆明长水国际机场出发层车道边调查数据进行验证分析;最后,通过仿真模拟分析出发层车道边设置及车辆运行行为对出发层车道边容量的影响,提出相应的优化建议。具体研究工作如下:

(1)结合国内外研究航站楼出发层车道边容量的文献,归纳总结容量影响因素,定性分析建立仿真模型需考虑的出发层车道边容量影响因素,并对车辆运行过程进行深入分析及总结:①  根据行驶状态将出发层车道边车辆分为四类:未到达期望停车位的车辆、到达期望停车位的车辆、驶入驶出停车位的车辆及驶离停车位的车辆;②  深入分析出发层车道边车辆换道的微观行为,将车辆分为落客前强制换道车辆、落客前非强制换道车辆、落客后强制换道车辆及落客后非强制换道车辆四类;③  根据车辆停靠行为的微观分析,将车辆停靠决策过程分为一次决策和多次决策。

(2)结合出发层车道边独有的特性,建立基于元胞自动机的基本规则。首先建立出发层车道边基本模型,具体包括:①  确定出发层车道边元胞长度为 7m;②  根据车辆的换道方向分别定义行车道跟驰、行车道间换道、行车道至停车道换道及停车道至行车道换道时对应的邻居划分方式;③  定义车辆模型应包含车辆位置、速度、期望停车位、停靠时长等属性。其次根据微观运行行为建立相应的演化规则,具体包括:①  包含加速、减速、停车等的基本行驶规则;②  包含多种运行情况的强制换道规则和非强制换道规则;③  包含停车位设置、期望停车位选取和多次决策的停靠规则;④行人穿行规则。

参考文献(略)

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