一种考虑多驾驶员类型和车道选择偏好的高快速路网宏观交通流仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高快速路交通仿真领域，具体涉及一种考虑多驾驶员类型和车道选择 偏好的高快速路网宏观交通流仿真方法。
【背景技术】
[0002] 高快速路连续流交通运行特征分析一直是交通领域研究的热点和难点。交通仿真 技术能够复现交通流随时间、空间的变化过程，可以应用于高快速路交通需求预测、工程改 善措施及管理控制措施的制定与效果评价，准确的交通仿真模型是优化高快速路管理控制 措施、提高设施利用率和服务水平的有力工具。
[0003] 目前，交通仿真技术按照仿真对象的粒度可以分为微观交通仿真、中观交通仿真 和宏观交通仿真。宏观交通仿真是指同时模拟多个车辆的运动，是一种纯粹的数值模拟。从 实际应用的角度来说，宏观交通仿真具有参数个数少、易于标定、计算效率高、操作简单和 成本低等优点，因此得到了较大的发展。
[0004] 宏观交通仿真的主要思想是将车流比拟为流体，同时引入与流体动力学方程相似 的交通动力学偏微分方程，通过求解偏微分方程即可得到交通动力学行为。在实际应用中， 通常采取将偏微分方程离散为差分方程的做法，即对时间、空间离散化，以便于计算。LWR模 型是第一个提出的宏观交通流模型，也是最基本的宏观交通流模型，所有后续提出的新模 型都以此为基础。LWR模型能够描述许多基本的交通现象，如拥挤、排队蔓延和排队消散等 现象。但是，在LWR模型中存在一个基本的假设，它认为交通流组成是单一的，且均匀分布 于整个断面，这样LWR模型就不能解释一些混合交通流的特征。因此后续出现了大量针对 混合交通流建模的研究。这些研究主要可以分为两类。第一类是建立多车道的宏观交通流 仿真模型，即认为交通流在同一断面的各个车道之间是不均匀分布的，并在模型中考虑各 个车道之间的换道行为；第二类是建立多车种（例如小汽车、卡车等）的宏观交通流仿真模 型，即认为交通流是由多种类型的车辆组成，同一车种的车辆在速度上不存在差异，但其速 度会受到其它车种的干扰。这些工作极大推动了宏观交通流仿真研究的发展，但当前研究 所建立的模型仍然不能够全面的解释高快速路交通流的实际特征，这些问题如下：
[0005] (1)当前对于多车种宏观交通流仿真模型的研究，大多是以车身长度和车辆动力 性能来区分车种，例如划分为小汽车和货车。但是，在实际交通流中却存在着这样一种情 况：车辆即便在外观和动力性能上不存在显著差异，却仍然可能在自由流速度上有着较大 差别。以上海为例，相关研究表明，上海市快速路所运行的小汽车比例超过了 95%。但是 在这样的车种组成条件下，对自由流速度聚类的结果却显示（如图1所示），上海市快速路 明显的存在两类驾驶员：第一类为保守型驾驶员，自由流速度在75km/h左右，所占比例约 为56% ;第二类为激进型驾驶员，自由流速度在90km/h左右，所占比例约为44%。这说明 驾驶员的行驶速度不仅仅取决于车辆的动力性能，也可能会受到自身驾驶水平和驾驶偏好 的影响；
[0006] (2)对于多车道宏观交通流仿真模型的研究，一个重要的方面是对车辆换道行为 的考虑。当前研究大多假设车辆换道的主要动机是为了追求更快的速度。而同样根据上海 市快速路的研究结果，发现在上海市快速路存在着一类保守型的驾驶员，这类驾驶员不仅 有着自由流速度较低的特点，而且具有倾向于向内侧车道行驶的偏好。这说明在交通流中 车辆换道并不仅仅只是为了追求更快的速度，也可能是由于驾驶员自身的车道选择偏好所 导致。
[0007] 交通仿真模型本质上是对实际交通流运行规律与机理的阐释，因此需要建立更准 确的能够描述产生上述现象的交通动力学模型及其模拟方法。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于针对当前宏观交通仿真模型中未能充分考虑驾驶员差异与换 道动机的问题，提供一种考虑多驾驶员类型和车道选择偏好的高快速路网宏观交通流仿真 方法。
[0009] 本发明具有以下三个特点：一、根据期望速度的大小将交通流中的驾驶员（车辆） 划分为多种类型；二、通过引入车道偏好这一参数来反映各类驾驶员在车道选择行为上的 倾向性；三、基于效用理论，通过构建包含车道偏好、速度偏好和换道成本三方面效用来源 的离散选择模型来实现对车辆换道行为的模拟。
[0010] 为达到以上目标，本发明提出的考虑多驾驶员类型和车道选择偏好的高快速路网 宏观交通流仿真方法，基于传统的多车道宏观交通流仿真模型，在模型中引入了具有不同 期望速度的多类驾驶员，并利用效用理论模拟车辆的换道行为，具体步骤如下：
[0011] 1时空离散化
[0012] 将仿真路网按照行车方向在空间离散化为N个区段，标号分别为1，2, "·，?，"·，Ν， 第i个区段的长度为L1，在每个区段内，车道数保持不变；针对每个区段，进一步将该区段 依照车道数划分为M个仿真元胞（M为该区段的车道数），标号分别为1，2,…，1，-·，Μ，元胞 (车道）编号按照沿行车方向从左至右的顺序依次增加，空间离散化示意图见图2 ;仿真步 长时间设为T，j代表第j个仿真步长，仿真总步长设为Β，则仿真总时长为B · T ;
[0013] 2对驾驶员进行分类
[0014] 用r表示驾驶员类型，r = 1，2,……，P，P为驾驶员类型总数量；对于交通流中存 在的多类驾驶员，他们之间的唯一区别是期望速度不同，用vf(r)表示第r类驾驶员的期望 速度，并假定vf(l) <vf (2)〈……<vf(P);
[0015] 3初始状态输入
[0016] 令仿真步长j = 0,即仿真起始时刻，输入所有元胞的初始状态变量和 Θ,;(γ)，％和0j(r)分别表示在j · T时刻，第i个区段第1个元胞的密度、第i个区段第1 个元胞第r类驾驶员-车辆单元占所在元胞车辆总数目的比例；
[0017] 4计算元胞在当前仿真步长内的流量
[0018] 根据j · T时刻第i个区段所有元胞的密度及各类驾驶员-车辆单元所占车辆 总数目的比例和第（i+1)个区段所有元胞的密度及各类驾驶员-车辆单元所占车辆数目 的比例，利用包含车道偏好、速度偏好和换道成本三方面效用来源的离散选择模型计算在 [j ·Τ，（j+Ι) ·Τ]时间内第i个区段第1个元胞内各类驾驶员选择下游区段各车道的比例， 从而计算在[j · T，（j+1) · T]时间内第i个区段第1个元胞第r类驾驶员-车辆单元，流 向第（i+1)个区段第1个元胞的流量#(/)、流向第（i+1)个区段第（1-1)个元胞的换道流 量Φ"(〃)和流向第（i+1)个区段第（1+1)个元胞的换道流量的〃具体计算步骤如 下：
[0019] 4. 1确定驾驶员的车道选择机制
[0020] 在[j · Τ，（j+Ι) · Τ]时间内，第i个区段第1个元胞第r类驾驶员对于下游第 (i+1)个区段车道的选择取决于三个参数：内侧换道比例π,直行比例π;40-)和外侧 换道比例__女)、π^0-)和:竹 区段第1个元胞第r类驾驶员选择第（i+1)个区段第（1-1)个元胞（内侧换道）、第1个 元胞（不换道）和第（1+1)个元胞（外侧换道）的比例。基于效用理论，构建包含车道偏 好、速度偏好和换道成本三方面效用来源的离散选择模型确定当前时刻各类驾驶员选择下 游各车道的比例。
[0021] 4. I. 1确定元胞内各类驾驶员选择下游各车道的效用
[0022] 驾驶员选择下游车道的效用来源于三个方面：(a)车道偏好：各类驾驶员对于不 同车道的偏好程度不同；(b)速度偏好：驾驶员倾向于选择速度更高的车道从而缩短行程 时间；（c)换道成本：驾驶员变换车道所需付出的代价，可认为当目标车道密度越高时，车 辆越难以实施换道。在j ·Τ时刻，第i个区段第1个元胞第r类驾驶员选择下游第（i+1) 个区段第（1-1)条车道的效用巧^的、选择第1条车道的效用和选择第（1+1)条车 道的效用巧./+1 W分别根据式（1)-(3)进行计算：
[0027] yi (r):表示第r类驾驶员对于车道1的偏好程度，取值范围为[0, 1]，可根据所仿 真路网的车道利用率模式并结合实践经验进行确定；
[0028] Ii1,^表示在j ·Τ时刻，第（i+1)个区段第1个元胞的