基于车道组及交叉口车流路径的城市网络交通流仿真模型的制作方法

本发明涉及城市路网交通控制领域，尤其是指基于车道组及交叉口车流路径的城市网络交通流仿真模型。
背景技术：
：随着城市交通网络规模的不断扩大和交通流量的日益增加，交通控制问题优化除了面临复杂的时空性之外，还面临控制变量高维化压力，使传统的交通问题解决理论方法遇到了极大的挑战，如模糊控制、神经网络控制、Markov优化决策、Multi-Agent控制等。为了考虑交通流相互作用对交通控制控制问题优化影响，同时为了降低问题建模变量求解复杂性，随着计算机技术的飞速发展，以交通快速仿真为基础的交通控制问题优化方法应运而生。交通仿真模型按其模拟车辆、人流在路网上的移动和处理信号灯的控制的精度，分为微观、中观、宏观三类。根据交通仿真的快速性以及交通控制问题的控制路网规模要求和控制实时性要求，网络交通流宏观仿真成为区域交通控制问题求解的有效辅助工具。YLiu提出了基于车道组的宏观交通流仿真模型，能够有效模拟路段上车辆到达、车辆运行、车辆排队、排队消散等一系列动态演化过程，并以车道组车辆转入被阻挡概率为基础，详细模拟车辆转入车道组的动态过程。但是，该模型忽略了交叉口受下游排队溢出影响时交通流运行模拟，因此在仿真模拟过饱和交通状态时存在不足。基于此，李轶舜通过分析车辆放行冲突点，计算交叉口内车流实时通过系数，模拟交叉口排队溢出导致车流放行受阻过程。张敏捷通过对交叉口内部空间依据进口道车道情况进行网格划分，采用网格描点的方法标记车流在交叉口内的放行路径，根据路径上网格点的车辆占有信息推导车流放行受阻情况。以上两种方法虽然弥补了原宏观交通流模型在交叉口内车流放行阻碍描述的空白，但是对阻碍系数的推导计算过程过于复杂，不利于模型的快速仿真，而且原模型中对车流并入车道组的过程的描述，特别是对车辆转入车道组阻碍系数的计算过程中复杂的参数标定，增加了不必要的模型仿真工作量和仿真结果的随机性。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于车道组及交叉口内车流路径的交通流宏观仿真模型，为城市交通拥堵主动防控及快速疏导问题的解决提供快速仿真方法支持。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于车道组及交叉口车流路径的城市网络交通流仿真模型，包括以下步骤：1)交叉口进口道车道组划分；2)交叉口内车流路径划分；3)提出基于车道组及交叉口车流路径的城市网络交通流仿真模型。所述步骤1)包括以下内容：1.1)交叉口进口道车道组划分；1.2)基于车道组的网络交通流宏观仿真模型，其主要思想是将交通流划分为6个过程，即：交通需求产生、交通流上游到达、交通流排入路段车辆排队队尾、交通流转入车道组、交通流驶离停车线、交通流量守恒。本文对基于车道组的网络交通流宏观仿真模型的改进主要针对交通流转入车道组、交通流驶离停车线两个过程；所述步骤2)包括以下内容：2.1)定义交叉口内车流路径：车道组内某个方向的车流的离开车道组驶入交叉口出口道的过程中，车流在交叉口内的行驶路径称为一条交叉口内车流路径；2.2)交叉口内车流路径划分；2.2)不同进口道连接的交叉口内车流路径会有冲突(此处不考虑合流冲突)，本发明模型中认为，如果冲突路径内车辆排队长度超过冲突点位置，就会阻挡放行路径车辆放行，这种冲突点称为有效冲突点；如果冲突路径内车辆排队长度不超过冲突点位置，则对放行路径车辆放行没有阻挡作用，这种冲突点称为无效冲突点；此外，如果放行路径自身存在排队车辆，也会阻挡放行路径新到达车辆放行。因此，除信号灯分配的通行权外，放行路径上交通流放行还受冲突路径冲突点位置、冲突路径上排队车辆数、路径自身排队车辆数影响，将这些影响因素作为模型参数，就可以简单清晰地表达交通流在交叉口内部的交通运行。所述步骤3)包括以下步骤：3.1)交通需求产生交通需求由交通源产生，假设交通源路段(区域交通流输入路段)外部的车辆排队空间是无限的，交通源在第k时段产生进入路网的车辆数为：Is[k]＝min{ds[k]Δt+ws[k],Hs[k]-hs[k],Ss[k]Δt}其中，ds[k]是交通源s在第k时段的交通流产生率，ws[k]是第k时段内源路段Rs外排队车辆数，Δt是时段间隔时长，Ss[k]是路段Rs的饱和交通流量；需求源产生的排队动态变化如下：ws[k+1]＝ws[k]+ds[k]Δt-Is[k]3.2)上游输入区域内部路段第k时段上游输入车辆数模型描述如下：其中，是在第k时段交叉口内路径输出车辆数，是输入到路段Rij的上游交叉口i内车流路径集合；3.3)排入队尾路段下游车辆排队以外的路段区间车辆密度计算公式如下：其中，ρjam是单车道堵塞车辆密度，hij[k]-qij[k]是路段上运行的车辆数，nij是路段Rij的车道数，由此计算vij[k]如下：其中，vij[k]是在第k时段路段Rij上车辆排队路段之外部分路段的车辆平均速度，是路段Rij上车辆自由流速度，ρmin是最小车辆密度，α和β是模型参数，由此计算在k时段内排入队尾的车辆数为：3.4)转入车道组①车道组外车辆要转入车道组，首先保证车道组内有空余空间容纳车辆进入。车道组在第k时段可用空间为：其中，是车道组最大包含车辆数；②需要考虑在k时段车道组外可能转入的车辆数包括车道组外原排队车辆(Gij是路段Rij在交叉口j进口道车道组集合)和新排入队尾的车辆计算公式如下：③考虑到车道组在Δt时段内最大可能输入车辆数(是车道组最大输入流量)以及车道组是否被其他车道组排队车辆阻挡，致使车道组外排队车辆无法正常转入车道组，记为车道组的被阻挡系数，表示车道组车辆转入被阻挡，表示车辆转入不被阻挡，根据对车道组分类和车流转入情况的分析，当且仅当(即路段关联的交叉口进口道有展宽车道)且为单车道左转车道组时，车道组有可能被阻挡，此时，计算公式如下：④综上，车道组在k时段内转入车辆数为：3.5)驶入交叉口内车流路径车道组内车辆在k时段内驶离停车线驶入交叉口内车流路径的车辆数与上的车辆空余容载空间下游出口关联路段Rjd车辆容载空间yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、可能离开车辆数k时段内车道组信号灯通行权限(其中tg[k]是k时段内绿灯时长)和车道组最大输出车辆数(是车道组最大输出流率)有关。①对任意类型的车道组，车道组可能离开停车线进入的车辆可以统一用以下公式计算：②车流能否顺利离开车道组还与交叉口放行路径与冲突路径(是的冲突路径集合)之间的冲突状况有关，记为和之间的冲突系数，计算公式为：其中，表示内车辆排队长度；综合上述分析，在k时步内车道组内车辆驶离进入的车辆数分两种情况：①当即与冲突路径之间的冲突点都是无效冲突点时，计算公式如下：②当即与冲突路径之间存在有效冲突点时，计算公式如下：其中，表示与入口最近的有效冲突点至入口区域内最大可容载车辆数，是与入口最近的有效冲突点至入口区域内上包含的车辆数；是关于仿真时步k对应车道组信号灯放行权的另一种表达值，表达公式如下：记是车道组在交叉口j内关联交通流路径集合，则车道组在k时段内离开停车线的车辆总数为:3.6)驶离交叉口内车流路径驶入下游路段即车辆离开交叉口内车流路径的过程，如果在k时段内车流路径输出到下游路段的车辆数与输入车辆数出口关联路段Rjd车辆容载空间yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、上排队车辆数有关，相关计算公式如下：3.7)交通流数据更新区域内交通流参数更新如下：①路段车辆数更新，②路段排队车辆数更新，③路段车道组内排队车辆数更新，④路段车道组外排队车辆数更新，⑤交叉口内车流路径内车辆数更新，本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本发明以基于车道组的宏观交通流模型为基础，简化了该模型中车道组车流转入过程；然后，针对车道组的宏观交通流模型对交通流溢出阻碍交叉口交通运行描述模拟的不足，依据交通流在车道组的转入转出原理，提出交叉口内车流路径的概念，用交叉口内车流路径上交通流转入转出过程模拟交叉口内所有可能的车流放行冲突阻碍情况；最后，建立了基于车道组及交叉口内车流路径的交通流宏观仿真模型，该模型克服了已有模型参数标定及系数计算复杂的缺陷；2、本发明为城市交通拥堵主动防控及快速疏导问题的解决提供快速仿真方法支持。附图说明图1为基于车道组宏观交通流模型交通流运行解析图。图2为路段交通流运行示意图。图3为仿真路网示意图。图4a为026011路段交通流变化曲线的示意图；图4b为I01017路段交通流变化的示意图；图4c为I02015路段交通流变化曲线的示意图；图4d为I03013路段交通流变化曲线的示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。本实施例所述的基于车道组及交叉口内车流路径的交通流宏观仿真模型，其具体情况如下：1)交叉口进口道车道组划分；2)交叉口内车流路径划分；3)提出基于车道组及交叉口车流路径的城市网络交通流仿真模型；所述步骤1)包括以下内容：1.1)交叉口进口道车道组划分；1.2)基于车道组的网络交通流宏观仿真模型，其主要思想是将交通流划分为6个过程，即：交通需求产生、交通流上游到达、交通流排入路段车辆排队队尾、交通流转入车道组、交通流驶离停车线、交通流量守恒。本文对基于车道组的网络交通流宏观仿真模型的改进主要针对交通流转入车道组、交通流驶离停车线两个过程；所述步骤2)包括以下内容：2.1)定义交叉口内车流路径：车道组内某个方向的车流的离开车道组驶入交叉口出口道的过程中，车流在交叉口内的行驶路径称为一条交叉口内车流路径；2.2)交叉口内车流路径划分；2.2)不同进口道连接的交叉口内车流路径会有冲突(此处不考虑合流冲突)，本发明模型中认为，如果冲突路径内车辆排队长度超过冲突点位置，就会阻挡放行路径车辆放行，这种冲突点称为有效冲突点；如果冲突路径内车辆排队长度不超过冲突点位置，则对放行路径车辆放行没有阻挡作用，这种冲突点称为无效冲突点；此外，如果放行路径自身存在排队车辆，也会阻挡放行路径新到达车辆放行。因此，除信号灯分配的通行权外，放行路径上交通流放行还受冲突路径冲突点位置、冲突路径上排队车辆数、路径自身排队车辆数影响，将这些影响因素作为模型参数，就可以简单清晰地表达交通流在交叉口内部的交通运行。所述步骤3)包括以下步骤：3.1)交通需求产生交通需求由交通源产生，假设交通源路段(区域交通流输入路段)外部的车辆排队空间是无限的，交通源在第k时段产生进入路网的车辆数为：Is[k]＝min{ds[k]Δt+ws[k],Hs[k]-hs[k],Ss[k]Δt}其中，ds[k]是交通源s在第k时段的交通流产生率，ws[k]是第k时段内源路段Rs外排队车辆数，Δt是时段间隔时长，Ss[k]是路段Rs的饱和交通流量；需求源产生的排队动态变化如下：ws[k+1]＝ws[k]+ds[k]Δt-Is[k]3.2)上游输入区域内部路段第k时段上游输入车辆数模型描述如下：其中，是在第k时段交叉口内路径输出车辆数，是输入到路段Rij的上游交叉口i内车流路径集合；3.3)排入队尾路段下游车辆排队以外的路段区间车辆密度计算公式如下：其中，ρjam是单车道堵塞车辆密度，hij[k]-qij[k]是路段上运行的车辆数，nij是路段Rij的车道数，由此计算vij[k]如下：其中，vij[k]是在第k时段路段Rij上车辆排队路段之外部分路段的车辆平均速度，是路段Rij上车辆自由流速度，ρmin是最小车辆密度，α和β是模型参数，由此计算在k时段内排入队尾的车辆数为：3.4)转入车道组①车道组外车辆要转入车道组，首先保证车道组内有空余空间容纳车辆进入。车道组在第k时段可用空间为：其中，是车道组最大包含车辆数；②需要考虑在k时段车道组外可能转入的车辆数包括车道组外原排队车辆(Gij是路段Rij在交叉口j进口道车道组集合)和新排入队尾的车辆计算公式如下：③考虑到车道组在Δt时段内最大可能输入车辆数(是车道组最大输入流量)以及车道组是否被其他车道组排队车辆阻挡，致使车道组外排队车辆无法正常转入车道组，记为车道组的被阻挡系数，表示车道组车辆转入被阻挡，表示车辆转入不被阻挡，根据对车道组分类和车流转入情况的分析，当且仅当(即路段关联的交叉口进口道有展宽车道)且为单车道左转车道组时，车道组有可能被阻挡，此时，计算公式如下：④综上，车道组在k时段内转入车辆数为：3.5)驶入交叉口内车流路径车道组内车辆在k时段内驶离停车线驶入交叉口内车流路径的车辆数与上的车辆空余容载空间下游出口关联路段Rjd车辆容载空间yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、可能离开车辆数k时段内车道组信号灯通行权限(其中tg[k]是k时段内绿灯时长)和车道组最大输出车辆数(是车道组最大输出流率)有关。①对任意类型的车道组，车道组可能离开停车线进入的车辆可以统一用以下公式计算：②车流能否顺利离开车道组还与交叉口放行路径与冲突路径(是的冲突路径集合)之间的冲突状况有关，记为和之间的冲突系数，计算公式为：其中，表示内车辆排队长度；综合上述分析，在k时步内车道组内车辆驶离进入的车辆数分两种情况：①当即与冲突路径之间的冲突点都是无效冲突点时，计算公式如下：②当即与冲突路径之间存在有效冲突点时，计算公式如下：其中，表示与入口最近的有效冲突点至入口区域内最大可容载车辆数，是与入口最近的有效冲突点至入口区域内上包含的车辆数；是关于仿真时步k对应车道组信号灯放行权的另一种表达值，表达公式如下：记是车道组在交叉口j内关联交通流路径集合，则车道组在k时段内离开停车线的车辆总数为:3.6)驶离交叉口内车流路径驶入下游路段即车辆离开交叉口内车流路径的过程，如果在k时段内车流路径输出到下游路段的车辆数与输入车辆数出口关联路段Rjd车辆容载空间yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、上排队车辆数有关，相关计算公式如下：3.7)交通流数据更新区域内交通流参数更新如下：①路段车辆数更新，②路段排队车辆数更新，③路段车道组内排队车辆数更新，④路段车道组外排队车辆数更新，⑤交叉口内车流路径内车辆数更新，请一并参阅图4a到图4d，其所示为仿真路网建立仿真对上述模型进行验证，包括2个交叉口(01、02)和14条路段，共有6个交通输入点(I01、I02…I06)和6个交通输出点(P01、P02…P06)。对交叉口进出口道设定编号规则：以东进口起，由1按顺时针递增，以交叉口编号为前缀。如交叉口01东进口编号为011，东出口编号为012，南进口编号为013，以此类推。对路段设定编号规则：路段起点端口编号+路段终点端口编号。例如输入点I01指向交叉口01的区域输入路段编号为I01017，交叉口01指向交叉口02的路段编号为012025。假设拥堵密度为133(单位：veh/lane/km)，路段自由速度为50(单位：km/h)，仿真时长为3600s，仿真时步长为10s，单车道饱和流率为1400(单位：veh/h)。路网交通流量输入设计如表所示，路网交通信号配时设计如表所示，路段初始排队车辆数设计如表3路段初始排队车辆数信息所示。表1交通流输入信息表表2路网配时信息表3路段初始排队车辆数信息路段编号初始排队车辆数路段编号初始排队车辆数01202510028P0615014P0310I010175016P027I020157018P015I0301310022P0510I040233024P043I050211002601110I0602715路段交通模拟结果分析：通过分析路段上车辆数、路段车辆输出、路段车辆输出三者之间的关系是否保持交通流量守恒及路段上车辆放行和到达是否与信号控制规律及上有路口交通放行规律相吻合，对路段交通流运行宏观模拟的结果的可靠性验证分析。以01交叉口关联的所有输入路段为例，绘制路段输入车辆数、路段包含车辆数、路段输出车辆数曲线，如图4a到图4d所示。(1)路段上车辆数守恒从图4a到图4d中可以看出，路段上车辆数随路段输入车辆数积累而增加，随路段输出车辆数积累而减少，符合路段交通流守恒原则。(2)路段车辆输入由于路段I01017、I02015、I03013的车辆输入由交通输入源I01、I02、I03直接产生，所以在路段上车辆数饱和之前，这三条路段的交通流输入是稳定的，当路段上车辆数达到饱和后，只有当路段车辆输出后，才使路段上有了新的空间满足车辆输入。如I01017在第420s时路段车辆数达到满载，导致路段输入车辆数下降，而在430s后由于车辆放行，路段不再处于满载状态，使得交通源产生的车辆可以继续进入路段。路段I026011是02交叉口驶向01交叉口的路段，该路段车辆输入由02交叉口021直行车流、023左转车流、027右转车流共同组成。因此，I026011的车辆输入受02路口信号控制，由两个交叉口信号配饰方案设置情况可知，在每个周期的30-150秒内，I026011路段均有车辆输入，与图4a中展示的车辆输入实时情况相符。(3)路段车辆输出从图4a到图4d中可以看出，所有路段的车辆输出情况与信号控制情况相符。以上分析说明了基于车道组及交叉口内车流经的交通流宏观仿真模型对路段交通运行模拟的可靠性。以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3