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常規環形交叉口BRT通過的適應性分析

2023-12-29 00:00:00姚佼陳信李佳洋黃佳禾
物流科技 2023年19期

Adaptation Analysis of BRT Crossing at Conventional Roundabout Intersection

YAO Jiao," CHEN Xin," LI Jiayang," HUANG Jiahe

(School of Management, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

摘" 要:針對BRT在環形交叉口占用空間大、速度慢,交織影響通行效率等問題,研究在分析常規環形交叉口BRT通過特性的基礎上,從BRT車道的適用條件、在環形交叉口的沖突等角度,對BRT車道在環形交叉口的適應性進行了分析,并給出了相應的建議。特別是針對環形交叉口內部BRT車道寬度這個關鍵影響因素,通過VISSIM交通仿真建模,分析比較了不同車道寬度下,環形交叉口內不同種類車輛的延誤、等待時間和停車次數等評價指標。相關的仿真結果表明,環形交叉口內BRT車道寬度為4m時,其在環形交叉口的延誤最小,僅為8s;當BRT車道寬度增至5m時,會出現其他車輛搶道現象,造成BRT公交延誤增加的現象。

關鍵詞:BRT;環形交叉口;車道寬度;適應性分析;VISSIM仿真

中圖分類號:F570文獻標志碼:A

DOI:10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.19.017

Abstract: To address the problems of BRT(Bus Rapid Transit)operation at roundabout intersections, such as large space occupation, slow speed, and interweaving easily affects the traffic efficiency, this study analyzes the adaptability of BRT lanes at roundabout intersections based on the analysis of BRT passing characteristics at conventional roundabout intersections, from the perspectives of applicable conditions of BRT lanes and conflicts at roundabout intersections, and gives corresponding suggestions. In particular, for the key influencing factor of BRT lane width inside the roundabout intersection, VISSIM traffic simulation modeling is used to analyze and compare the delay, waiting time and stopping times of different types of vehicles within the roundabout intersection for different lane widths. The related results show that when the BRT lane width within the roundabout is 4m, its delay at the roundabout is the smallest at 8s; when the BRT lane width increases to 5m, other vehicles will grab the lane, causing the phenomenon of increased BRT bus delay.

Key words: BRT; roundabout; lane width; adaptive analysis; VISSIM simulation

0" 引" 言

BRT作為一種新型公共交通方式,較常規公交其最主要優勢是具有專用路權。但在道路資源緊張的大城市,以常規環形交叉口為例,諸多情形下無法滿足BRT獨立路權的要求。因此,什么樣的環形交叉口適合BRT通行,在環形交叉口中什么類型的BRT車道更合適,環形交叉口中的哪些交通組織,需要根據BRT公交進行調整才能更高效的通行值得探討和研究。

目前國內外對BRT在交叉口的研究主要體現在:在空間渠化設計方面,Aakre E[1]提出了一種專門為BRT公交高效通過中小型環形交叉口的布局,稱為連續中央車道環形交叉路口。蔣誠等[2]為了緩解因交叉口公交優先策略引起的社會車輛延誤加劇,在設置有BRT專用車道的交叉口提出一種借道系統。劉海洲[3]從BRT公交的實際特性出發,結合汽車的通過性能等特性對BRT車道路的最小轉彎半徑、最大爬坡度、豎曲線半徑等做了一些初步的探討。為了提高交叉口空間資源的利用效率,基于車道組合使用的思想,汪濤等[4]提出了一種由兩條窄車道構成的特殊寬度進口車道設計方法。為BRT車道寬度在交叉口的選擇上提供了一種新的思路。郭瑞軍等[5]通過對環形交叉口交織區車流運行特性的研究為BRT公交通過環形交叉口的運行特性提供了理論基礎。郭可佳[6]針對BRT專用車道以及站臺布置形式為重點,對城市環形交叉口BRT線路設置方式進行了研究。針對BRT時空優先權引發的交叉口擁堵問題,王振等[7]提出“借用BRT車道掉頭”的設計方法來緩減交叉口沖突。

在信號控制方面,張鵬等[8]為解決交叉口因BRT優先影響其他車輛通行問題,提出基于交叉口雙站臺的BRT優先控制方法。WANG等[9]提出一種基于BRT專用車道的BRT信號優先控制方法,最大化BRT和其他道路使用者的平均收益,但僅考慮了單個交叉口,未實現干線優先控制。周莉等[10]針對交叉口延誤過大制約著快速公交系統的發展問題,基于車路協同技術提出BRT單點交叉口信號實時優先控制方法。為提高BRT公交的通行效率,降低公交信號優先對非優先相位社會車輛的負面影響,王寶杰等[11]提出一種基于綜合通行效率最優的快速公交信號優先控制方法。為了減少因公交??繒r間波動對車路協同控制造成錯失綠燈或紅燈時段到達的不利影響,張鵬等[12]提出了一種基于決策樹模型的考慮BRT停靠時間波動的優先控制方法。汪林[13]在借鑒預感應信號控制的基礎上對算法進行了改進,給出了基于預測的BRT信號優先設計。

上述研究,主要從空間和時間兩個維度對BRT通過交叉口進行了優化,但是對BRT公交通過常規環形交叉口的適應性研究需要進一步的探討。本研究將通過分析常規環形交叉口BRT通過特性,進而對BRT車道適用條件,BRT在環形交叉口的沖突等分析,以確定其通過常規環形交叉口的適應性,最后基于VISSIM微觀交通仿真軟件,對不同BRT車道寬度和交織段長度等關鍵參數的影響進行進一步的分析探討。

1" 常規環形交叉口BRT通過特性分析

環形交叉口一般可分為四個區域:島內區域、出入口區域、交織區以及環流區,如圖1所示。其中交織區域內的車流運行特性較為復雜,主要表現為入環車輛與環內車輛的合流,以及環內車輛變道駛出環形交叉口。郭瑞軍和王永亮等[14]用不同方式證明交織段的通行能力決定了整個環島的通行能力。BRT公交的特點決定了其對交織段通行能力的影響將很大程度上決定了整個環形交叉口的通行能力。因此,不得不考慮BRT車身長度與交織段長度之間的制約關系。

常規鉸接公交車車身長度一般為18m,個別類型能夠達到25m的長度。由于其車身長度,BRT公交的轉彎半徑較常規公交和社會交通車輛的轉彎半徑要大,劉海州[3]根據《公路路線設計規范》的相關設計規范以及快速公交車輛的特性認為,一般情況下,左轉彎曲線的行駛速度宜采用5~15km/h,結合規范中的最小半徑,在建議速度轉彎下,快速公交車輛的最小轉彎半徑應大于等于24m,當常規環形交叉口中心島曲線半徑小于24m時,BRT公交轉彎速度將會受到很大限制,一旦速度沒控制好很可能導致BRT公交在轉彎時車身占用其他車道與社會車輛發生碰撞。

綜上,從BRT公交特性層面來看,過長的車身是制約BRT公交通過常規環形交叉口的關鍵因素,需要對島內車道寬度進行適應性分析。

1.1" 流量及道路飽和度

基于項喬君、王煒等[15]在處理渠化不足環形交叉口時對環形交叉口不同服務水平的飽和度所對應的運行情況做出了研究,結合BRT公交運行特點對不同服務水平的環形交叉口所適用的BRT車道類型做出評價(如表1所示)。

1.2" 車道寬度

車道寬度主要由車寬、錯車需要的額外寬度、超車需要的額外寬度三個因素確定。此外,行車速度以及車道上運行車輛類型也會對車道寬度的設定產生影響。根據《城市道路交叉口設計規程》中的規定[16],當車輛以40km/h以下的速度行駛時,車道寬度為3.5m。當車輛以40km/h以上的速度行駛時,大型車所行駛的車道寬度不小于3.75m。當車輛在環島中行駛時,由于中心島半徑的不同,車道寬度也需要相應的加寬(見表2)。在常規環形交叉口中,由于道路空間有限,交通量大,BRT公交行駛速度一般低于40km/h,考慮到BRT公交為大型鉸接車輛,BRT專用車道寬度應該根據表2進行加寬。

2" BRT車道在環形交叉口內沖突分析

在滿足上述流量飽和度、車道寬度要求后,BRT在環形交叉口的通行效率主要取決于其在交叉口內部的沖突分析,因此,此部分基于前述提出的環形交叉口島內區域、出入口區域、交織區以及環流區等區域,首先對BRT與其他車輛的沖突點和沖突類型進行劃分,進而針對不同的區域,對其在環形交叉口內部的交通組織沖突進行分析。

2.1" 環形交叉口內BRT與其他交通流沖突點和沖突類型劃分

在常規環形交叉口中,車輛遵守運行規則的前提下,需要自行判斷可插入空隙來完成車流的合流與分流,在合流與分流過程中必然會產生沖突,而BRT公交由于本身車型特點還會存在“潛在沖突”。以經典的四路常規環形交叉口為例,每個進口道處分為一條左轉車道,兩條直行車道,一條右轉車道時,右轉車道車輛不進入環島,左轉車輛需穿過環道進入最內側車道行駛,直行車輛也需穿插到環道中間車道行駛。以圖2右側直行道作為BRT車道為例,進行沖突分析。為了直觀反映交通沖突,圖2中BRT車道類型為混合車道,允許其他車輛行駛。

當BRT公交從右側直行進口道駛入下一出口道駛出時,先后經過了交織區—環流區—交織區。車輛行駛過程中,在交織區會受到其他車輛行駛狀態的影響,導致BRT公交頻繁進行加速、減速的操作,從而影響BRT公交的運行效率。環形交叉口內交織區車輛的沖突主要包括圖2所示的四類沖突點:a. 入口左轉車輛進入環道時與環道外側車輛的沖突;b. 入口左轉車輛與進入環道時環道內側車輛的沖突;c. 入口直行車輛進入環道時與環道外側車輛的沖突;d. 環道內側車輛即將駛出環島時,因變道而引發的環道內側車輛與外側車輛的沖突。

從圖2可以看出,BRT公交直行通過環形交叉口時,由于其本身的運行特性,會與其他社會交通還存在兩類沖突。

第一類沖突,BRT轉彎半徑與車道寬度的沖突。當BRT公交通過左轉車道進入環形交叉口時,由于BRT自身轉彎半徑的限制,需要在沖突點a、沖突點b所在的車道進行道路拓寬。

第二類沖突,BRT車身長度與交織區的沖突。當BRT公交直行通過環形交叉口時,由于其過長的車身,在交織區進行合流、分流行為都會對其他車輛產生較大影響,會導致沖突點c、沖突點d所在車道的車輛產生較大延誤。為了緩解這種不利影響,建議適當延長交織區長度,為其他車輛駕駛員提供更多操作空間。

從整個行駛過程來看,BRT公交直行通過時必定經過沖突點a、沖突點c、沖突點d這三類沖突點。當BRT車道設在環形交叉口內側環道時需要面對圖2所示的四類沖突點,而且還會遇到第一類沖突。因此,建議BRT公交直行時選擇環形交叉口最外側環道,作為BRT車道,減少不必要的沖突。當BRT公交在環形交叉口左轉時需要先后經過三個進出口道,此時如果將BRT車道設在環形交叉口最外側車道,將會對三個進出口的車輛產生延誤增加交通沖突,建議將BRT車道設在環形交叉口最內側環道,這樣只對兩個進出口道車輛產生影響減少了不必要的交通沖突,由于BRT車身過長,進入環道最內側車道時會對社會車輛造成較大延誤,建議左轉的BRT車道設置為BRT專用車道并配合信號控制來減少延誤。

2.2" 環道內交通組織沖突分析

2.2.1" 環流區

當BRT公交行駛至環形交叉口環形區時,會遇到圖2中的沖突點a。當道路飽和度大于0.6時,BRT公交受到其他車輛的影響需要在環流區減速讓行,由于BRT車身一般長為18m,如果環流區長度較小,當BRT公交在環流區等待時就沒有足夠的空間來容納其他車輛從而影響整個環形交叉口的通行效率。因此當環形交叉口的環流區較短且道路飽和度較高時,應設立BRT專用車道來保證BRT公交的正常運行。

2.2.2" 交織區

當BRT公交駛入交織區時,由于交通車流必須在交織長度內進入它們合適的出口車道,交織區的長度,將決定其區域內車輛換道的緊迫性,其一定程度上限制了駕駛員在規定的時間和空間內必須完成變換車道的所有要求,針對BRT公交過長的車身來說,BRT公交在交織區遇到沖突點c和沖突點d是需要更多的空間和時間來完成車輛的變道,足夠長的交織段長度和合適的車道寬度都會很好地緩解駕駛員的操作壓力。

根據郭瑞軍等[14]對環形交叉口交織區車流運行特性的研究,交織區車輛的外環道車速比內環道車速要大,合流的車速最低,而且分流行為均發生在合流以后。BRT公交想要在交織區順暢的完成合流,分流行為就必須對交織區交通組織做出特定調整。

首先,環形交叉口的關鍵缺點,就是通行能力受交織段長度的控制。而對于允許BRT公交這種大型鉸接車通行的環形交叉口,其最小交織段長度必須大于30m,要為BRT公交預留足夠的可插間隙,可插間隙越大,BRT公交合流時行駛速度影響越小。

其次,要在BRT車道設立讓行標志,主要為了減少BRT公交在合流、分流過程中受到其他車輛的干擾。

交織區的通行能力很大程度上決定了整個環形交叉口的通行能力,對于交織區通行能力的計算方法可通過對英國環境部暫行公式進行計算。

英國環境部暫行公式如式(1):

C=(1)

其中:C為交織段上通行能力,pcu/h;l為交織段長度,m;W為交織段寬度,m;e為環形交叉口入口平均寬度,e

=,m;e為入口引道寬度,m;e為環道凸出部分寬度,m;P為交織段內進行交織的車輛與全部車輛的比值。

各參數應在下列范圍內:W=6.1~18.0m,=0.4~1.0,=0.12~0.4,=0.34~1.41,P=0.4~1.0。

由于BRT公交屬于大型鉸接客車且BRT車道擁有特殊的車道寬度,因此BRT公交在環形交叉口與其他車輛混行時BRT車道的通行能力應單獨計算。由于BRT車道寬度特殊可以提高環形交叉口空間資源利用效率,因此主要對飽和流率產生影響可由式(3)和式(4)計算。將其代入式(2),可得到BRT專用車道通行能力及修正系數,分別如式(5)和式(6)所示。其中,修正系數計算公式中已融入了原HCM2010公式中對車輛換算系數和車道寬度修正系數的考慮[4]。

C=sλ (2)

s=(3)

h=1-phE+phE"" (4)

C=sfλ(5)

f="" (6)

其中:C表示BRT車道通行能力,pcu/h;s表示BRT車道的飽和流率,pcu/h;λ表示綠信比;h表示BRT車道的飽和車頭時距,s/pcu;p表示使用BRT車道的大車率;h表示標準小汽車飽和車頭時距,s/pcu;E表示大型車與標準小汽車換算系數;s表示理想飽和流率,pcu/h;f表示飽和流率BRT車道修正系數。

通過英國環境部暫行公式可以了解到,交織段通行能力與交織段寬度和交織段長度密切相關。對有BRT車道的交織區來說,在同等道路環境里其交織區寬度明顯要大于一般交織區寬度,而且交織段長度必須大于等于30m來滿足BRT公交的運行要求。

此外,通過上述特性分析可以看出,BRT在環形交叉口運行主要受限于BRT車道寬度,這組數據的增加對交織區通行能力是有所提升的,但是對整個環形交叉口的延誤影響還需要進一步研究。針對BRT公交在交織區的減速讓行現象,可以通過BRT優先策略引導優先通過,從而讓出交織區空間供其他車輛行駛,也可以拓寬BRT車道,但是這可能會導致其他環道車輛換道概率增加從而影響BRT公交效率,因此BRT車道寬度的設立需要進一步研究。也需要通過一些交通標識來引導其他車輛的換道,從而降低BRT公交在環形交叉口的延誤。

3" 案例仿真分析

3.1" 仿真場景與參數設計

由于目前BRT通過的環形交叉口大多是通過在環島中央開辟出BRT中央專用道的貫穿式環島[1]。這種貫穿式環島能很好地減少BRT通過環形交叉口的延誤,但是本身僅僅適用于環島半徑較小且左轉交通量較小的環島。對于環島半徑大,交通量大的環島并沒有足夠的實際案例。故,通過VISSIM仿真在環道內部設立BRT車道,對其在環島內部運行情況進行適應性分析。

3.1.1" 環形交叉口渠化設置

環形交叉口環島直徑為70m,環內車道為5個,從外側向內側編號分別為環道1至環道5,其中環道2至環道5的環道寬度為3.5m,環道1的寬度范圍為3.5m到5.5m,每隔0.5m取值一次。環道1作為BRT車道,車道類型為混合車道,其他車輛可在環道1上與BRT公交混合行駛。進出口車道寬度均為3.5m,南進口為4車道,最外側為BRT專用車道,東進口為4車道,北進口為4車道,最外側為BRT專用車道,西進口為4車道,如圖3所示。

3.1.2" 流量設定

仿真總流量為4 800pcu/h。東西南北進口道流量比取為1∶1∶1∶1,小汽車與貨車的總流量比為49∶1。其中南北進口道的BRT公交流量與其他車輛的流量比為1∶8,其中BRT流量分別為133pcu/h。

3.1.3" 環內車輛運行規則

根據BRT公交優先等級分為兩種。第一種,BRT公交和其他車輛一樣遵循入環車輛讓行環內車輛。第二種,根據信號控制讓BRT公交在環島的行駛過程中獲得優先權。

BRT公交僅為南北方向直行路徑,其他車輛從每個進口道至駛出環島的路徑分為右轉,直行和左轉三種,三種路徑方式流量比為1∶1∶1。

3.1.4" 其他設置

仿真中小汽車模型車輛寬度為1.5m,車輛長度為4.11m到4.76m,貨車模型車輛寬度為2.5m,車輛長度為10.21m,BRT公交模型的寬度為2.5m,長度為15.70m。根據《城市道路交叉口設計規程》,環島半徑為35m,相應的環道設計速度為30km

/h。因此環島內車輛行駛速度限定為30km/h。

3.2" BRT車道寬度

通過仿真得到環形交叉口相同流量不同車道寬度的情況下小汽車/貨車以及BRT公交各自的平均延誤,車均停車時間以及車均停車次數這三個指標來進行適應性分析,如圖4至圖6所示。

由圖4可知,當BRT車道寬度不進行加寬時,小汽車和貨車的平均延誤處于較高水平,貨車的平均延誤更是高達34.4s,小汽車平均延誤為15.8s。而BRT公交平均延誤較低,僅為10.2s。對BRT車道逐步加寬,當BRT車道寬度在3.5m到5m之間時,小汽車和貨車的平均延誤隨著BRT車道的加寬一直減小,但是貨車平均延誤減少幅度較緩而小汽車平均延誤是有大幅度的降低;BRT車道寬度超過5m時,小汽車和貨車的平均延誤都開始增加。對于BRT本身延誤,當BRT車道寬度在3.5m到5.5m之間,其呈現先逐漸減少后逐漸增加,最后又逐漸減小的趨勢。綜合來看,要想整個環形交叉口所有車輛的延誤有較大幅度的減少,那么BRT車道度建議在4m到5m之間。BRT車道寬度為5m時,會使環形交叉口整體車均平均延誤最小,但此時BRT公交的平均延誤達到最大值11.2s,比初始值還高1s。這說明BRT車道拓寬至5m時,出現了犧牲BRT公交自身道路優先權來減少其他車輛平均延誤的情況,這和BRT優先通行原則是背道而馳的。

關于環形交叉口內的停車時間,由圖5可知,對比于圖4平均延誤可以看出,小汽車和貨車的曲線趨勢基本一致。而BRT公交的每車平均停車時間隨BRT車道寬度先增加后減少。貨車的平均停車時間在3.5m到4m之間發生了驟降,從20.7s降到了11.1s。此時環形交叉口服務水平由二級轉變成一級。因此,當BRT車道寬度為5m時,出現小汽車和貨車平均延誤、平均停車時間最小但BRT公交的相應值最大的情況。根據蔣應紅等人[17]關于街道機動車車道寬度縮窄的合理取值研究,此時車道空間富裕容易出現搶道現象,造成車輛延誤增加,還會造成土地資源和工程投資的浪費。考慮到以上情況和BRT優先原則,建議選擇4m的寬度作為BRT車道寬度。

關于環形交叉口內的停車次數,由圖6可知,對比圖4、圖5在BRT車道寬度增至4.5m時,貨車和BRT公交每輛平均停車次數就出現最值,貨車由1.65次降到0.78次。而BRT公交停車次數由0.54次增至0.62次。兩者之間的變化進一步佐證了隨著BRT車道寬度增加至4.5m到5.5m時,BRT車道空間過于富裕為其他車輛提供借道的次數變多,越來越多的車輛選擇變道至BRT車道行駛,如果不進行調整很可能導致BRT車道的堵塞。

4" 結束語

研究基于BRT公交車輛體積大、速度較慢、交織容易影響通行效率等運行特性的考慮,從BRT車道在環形交叉口的適用條件,以及與其他車流的沖突等角度,對其在環形交叉口的延誤進行分析,并針對BRT車道寬度對環形交叉口延誤做出初步探討,得出如下結論:

(1)根據環形交叉口道路服務水平,對BRT車道類型的選擇給出以下建議:當道路飽和度小于0.9時,BRT公交允許在環形交叉口內通行;但是當道路飽和度在0.6到0.9之間時,道路上社會車輛對BRT公交造成較大延誤,此時建議在環形交叉口上設立BRT專用車道;當道路飽和度小于0.6時,社會車輛對BRT公交影響較小,為提高道路利用率,建議不必設置BRT專用車道,或者這些時段BRT專用車可供社會車輛混行。

(2)根據環形交叉口內BRT與其他交通流進行沖突分析,對其通過環形交叉口的選擇車道位置給出如下建議:當BRT左轉通過環形交叉口時,應進入環道最內側車道行駛,減少不必要的沖突,需要設置BRT專用車道來提高效率;當BRT直行通過環形交叉口時,應選擇最外側環道行駛,此時受到社會車輛沖突較少,可根據道路服務水平來選擇BRT車道類型。

(3)通過VISSIM對BRT車道寬度的仿真分析,可以發現,當BRT車道寬度為4m時,BRT公交延誤最低,僅為8s;仿真中亦發現,當BRT車道寬度增至5m時,會出現其他車輛搶道現象,造成BRT公交延誤增加的現象;BRT車道寬度范圍在4.5m到5.5m時,BRT車道空間過于富裕為其他車輛提供借道的次數變多,越來越多的車輛選擇變道至BRT車道行駛,如果不進行調整很可能導致BRT車道的堵塞。后續需針對這一現象進行深入探討和研究。

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