一种可变限速控制下交通流基本图的确定方法
【专利摘要】一种可变限速控制下交通流基本图的确定方法。首先用感应式线圈连续采集各可变限速控制下快速道路上各桩号处的交通流量和密度。对所采集数据进行预处理后，采用最优线性拟合的方法拟合数据，分别得到针对不同可变限速控制状态下的交通流基本图。基于实时采集的交通流密度及可变限速控制状态，判断实时交通流状态，在相应可变限速控制状态下的交通流基本图上绘制对应的状态转移图。本发明弥补了之前交通流基本图绘制中没有针对可变限速控制下交通流特性进行分析的不足，针对可变限速控制下交通流数据进行专门分析，在交通流基本图中有效体现可变限速控制对交通流的影响机理，使基于可变限速控制的交通流基本图的可变限速控制策略发挥更大效益。
【专利说明】
一种可变限速控制下交通流基本图的确定方法
技术领域
[0001] 本发明属于交通分析技术领域，尤其涉及一种基于可变限速对交通流影响的可变 限速控制下交通流基本图的确定方法。
【背景技术】
[0002] 随着越来越多的快速道路采用可变限速控制这一动态交通控制策略，可变限速控 制对交通流通行能力及交通流基本图的影响机理的探讨变得愈发重要。近期研究结果表明 可变限速控制不会导致通行能力提升，但可变限速控制下最大流量对应的关键密度或关键 占有率有变化；同时，可变限速控制对拥堵状态下交通流影响不大，主要对自由流状态下的 交通流速度产生影响。上述关键密度的变化以及自由流状态下交通流速度的变化均会对交 通流基本图形状产生影响。因此，基于可变限速控制下针对可变限速控制下的交通流特性， 提出针对可变限速控制下交通流特性的交通流基本图的确定方法，能够更有针对性的刻画 可变限速控制下的交通流特性以及交通状态转移情况。
[0003] 目前我国交通流基本图的确定方法上相对粗略，主要采用交通流基本理论中的传 统三角形交通流基本图形状。但缺乏针对可变限速控制下交通流状态发生变化后的交通流 基本图的确定方法。由于对可变限速影响机理的理解不足导致不科学的可变限速控制下的 交通流基本图确定方法，使得基于此的可变限速控制思路及控制策略的效果也不理想，甚 至还可能会产生负面作用。本发明提出基于可变限速控制对交通流影响的可变限速控制下 交通流基本图绘制的新方法，相比现有的交通流基本图确定方法更具有针对性，是基于可 变限速控制下的交通流数据进行确定，充分考虑了可变限速控制对交通流的影响机理，与 可变限速控制下的交通流数据与特性紧密结合。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的问题是:可变限速控制对交通流影响机理是决定可变限速控制效 果的关键，以往对可变限速影响机理的理解不足，现有的交通流基本图确定方法并没有针 对可变限速控制下的交通流特性进行考虑，与实际交通流状态存在偏差。本发明提出一种 基于可变限速控制对快速道路交通流运行影响机理的交通流基本图确定方法，采集不同可 变限速控制策略下的初始交通流运行状态，基于传统三角形交通流基本图形状，建立快速 道路可变限速控制下的交通流基本图的确定流程。克服之前可变限速控制下交通流基本 图确定过程中缺乏考虑可变限速控制对交通流影响机理的理论缺陷与不足。
[0005] 本发明技术方案为：
[0006] 本发明提出一种科学合理的可变限速控制下交通流基本图的确定方法，基于传统 三角形交通流基本图形状框架，针对可变限速控制下的数据进行分析，充分考虑了可变限 速控制对交通流的影响机理，对科学合理的设计可变限速控制思路及控制策略有重要意 义，克服了以往交通流基本图确定过程中随意性大、主观性强且缺乏考虑可变限速控制这 一控制策略的不足。实例显示，本发明提出的设置方法有很好的效果，优于以往的设置方 法。
【附图说明】
[0007] 图1为本发明交通流基本图绘制流程。
[0008] 图2为不同控制状态下车辆行驶速度分布散点图。
[0009] 图3为可变限速控制前后交通流基本图对比图。
[0010] 图4为完全遵从时可变限速控制下交通流基本图示意图。
[0011] 图5为实际遵从条件下可变限速控制交通流基本图示意图。
[0012] 图6为不同交通流状态下交通状态转移图。
[0013]图7为无可变限速控制及100km/h限速值下的交通流基本图。
[0014] 图8为算例中不同限速值下交通流基本图。
[0015] 图9为算例中当前时刻交通流对应的状态转移图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明是基于可变限速控制对交通流影响机理，在传统三角形交通流基本图形状 基础上针对不同初始交通流运行状态，建立可变限速控制对不同初始交通流运行状态下交 通状态转移的过程，得到可变限速控制下交通状态的变化趋势。由此得到不同初始交通流 运行状态下可变限速控制下的交通流基本图。可变限速控制下交通流基本图绘制流程可参 考图1。
[0017] 第一步是周期性采集多组采用可变限速控制的快速道路的交通流量和密度数据。 具体方法为，在快速道路某一粧号处设置感应式线圈检测器记录通过检测器位置每辆车的 通过时间、行驶速度、车头时距和车辆长度等信息，时间跨度需同时包含可变限速控制时 段和无可变限速控制时段。对每5分钟对所采集到的信息分可变限速值进行集成分别得到 该5分钟内不同限速值下的该粧号处的交通流量和密度，同时记录下当前时刻、天气状况和 可变限速控制状态。若处于非可变限速控制状态则记为NVSL，若处于可变限速控制状态则 记录下当前限速值。从该原始数据库中选取天气状态良好(无雨雾）、可视条件良好(非夜 间）、道路几何条件良好(非交织区）的数据，将所选取的数据按照其是否处于可变限速控制 下的数据以及不同的限速值进行归类。
[0018] 第二步是针对第一步中获取到的数据进行可变限速控制下交通流特性的分析。从 可变限速控制对车头时距和车辆平均速度的影响进行分析，同时分析不同限速值下驾驶员 对可变限速控制的遵从度。首先，绘制不同控制状态下车头时距分布图分析车辆的车头时 距分布，可以发现各情况下车头时距分布曲线近似服从钟形分布，特别的，无可变限速控制 下车头时距分布较不均匀，相邻车头时距比例差别比可变限速控制下大。比较有无可变限 速控制下的车头时距均值和标准差，结果如表1所示：
[0019] 表1不同限速值下车头时距统计信息
[0021 ]大部分可变限速值下车头时距均值和标准差均低于无控状态。结果表明可变限速 控制使驾驶员行为更一致，车头时距分布更均匀，交通流稳定性提高。其次，绘制不同控制 状态下车辆速度分布图分析车速分布状态，可以发现各控制状态下个体车辆速度分布均接 近正太分布，可变限速控制下分布曲线更扁平，车速在各区间分布更均匀。比较有无可变限 速控制下的车辆速度的均值和标准差，结果如表2所示：
[0022] 表2不同限速值下个体车辆车速统计信息
[0024] 可变限速控制下车辆平均速度明显低于无控状态，且限速值较低对应的平均速度 较低。结果表明可变限速控制可以有效降低路段平均车辆行驶速度。最后，选取车头时距 大于5秒的车辆信息，绘制不同控制状态下车辆行驶速度分布散点图，结果如图2所示，图中 对行驶速度超过限速值的车辆百分比进行统计进而对可变限速控制下驾驶员遵从度进行 分析，结果表明，各限速值下车速超过限速值的车辆比例均高于50%，且限速值越低，超速 车辆百分比越高，限速值为60km/h时，超速车辆比例达到96.44 %。因此，车辆超速行为普遍 存在，在对可变限速控制下交通流特性的研究中，需要分析不同驾驶员遵从度下可变限速 控制效果及交通流特性。
[0025] 第三步是依据通行能力对应的关键密度将散点图划分为自由流枝和拥堵枝两部 分。由于现有研究结论表明可变限速控制下不会导致通行能力提升，但最大通行流量对应 的关键密度或关键占有率值会发生变化；同时，可变限速控制对拥堵状态下交通流影响不 大，主要对自由流状态下交通流速度产生影响，使自由流速度从某一范围改变为某一具体 值。上述可变限速控制对交通流影响机理如图3所示。基于第一步中所得的交通流量和密度 数据绘制无可变限速控制和不同限速值下的流量密度图，找到无可变限速控制下流量密度 图中的最大流量对应的密度即为关键密度d C，其对应的流量为通行能力Q，找到不同限速值 下流量密度图中的最大流量对应的密度即为各限速值下的关键密度d VSL，其对应的流量为 当前限速值下的最大流量Qvsl。则无可变限速控制及不同限速值下流量密度图中横坐标值 小于关键密度的区域为自由流枝，横坐标值大于关键密度的区域为拥堵枝。
[0026] 第四步是分别对各限速值下的自由流枝和拥堵枝的数据进行线性拟合，线性拟合 的方法为最小二乘法。从第一步中采集到的交通流密度流量数据中挑选出无可变限速控制 及某限速值下对应的交通流密度流量数据，按照交通流密度值的大小将其划分为自由流枝 数据和拥堵枝数据，密度值大于第三步中得到的关键密度值的数据划分为拥堵枝数据，密 度值小于第三步中得到的关键密度值的数据划分为自由流枝数据，用拥堵枝数据对拥堵枝 进行线性拟合，用自由流枝数据对自由流枝进行线性拟合，对于两枝分别选择拟合度最高 的线段作为自由流枝和拥堵枝的基本图形状，得到的基本图形状示意图如图4所示，图中dc 为关键密度，Q为通行能力，Qu为当前限速值下最大流量，dVSL为可变限速控制下关键密度。
[0027] 第五步是基于第二步中分析得到的可变限速控制下交通流特性分析的结论，对图 4进行修正。图4是假设驾驶员完全遵从限速值时的交通流基本图，然而可变限速控制对交 通流速度有影响，进而间接对交通流量、密度产生影响。因此，考虑实际驾驶员遵从度的交 通流基本图如图5所示，交通流平均运行速度高于限速值，即图5中代表驾驶员实际行驶速 度的斜线斜率高于限速值，两条斜线斜率的差异幅度与驾驶员遵从度成反比。将最终拟合 得到的无限速控制下和不同限速值下的交通流基本图汇总到同一张图中。
[0028] 第六步是判断交通流初始运行状态。基于第一步中的感应式线圈检测器获取某限 速值下当前时刻的交通流密度dact，将当前时刻交通流密度值分别与d c和进行比较，判定当 前时刻交通流状态。当dact〈dc时，判定当前交通流状态为自由流状态；当d c〈dact〈dVSL时，判定 当前交通流状态为轻微拥堵状态；当d VSL〈dac；t时，判定当前交通流状态为严重拥堵状态。同 时记录下当前时刻快速道路上的可变限速控制状态。
[0029] 第七步是基于第五步所得的考虑实际驾驶员遵从情况的可变限速控制下交通流 基本图，依据第六步中判断的交通流初始运行状态，选择相应的可变限速控制下交通状态 转移图绘制方法。针对三种交通流初始运行状态存在四种交通状态转移图绘制方法，具体 交通状态转移图如图6所示。
[0030] (1)自由流状态下，如图6(a)所示，当前交通状态1下流量(ql)小于限速值所对应 最大流量(Qvsl)时，可变限速控制将交通流状态从1转变至1 7，对应着同样的流量，但是交通 流密度显著增加，交通流速度下降明显。
[0031] (2)自由流状态下，如图6(b)所示，当前交通状态2下流量(q2)大于限速值所对应 最大流量时，可变限速控制将交通流状态从2转变至2'，交通流量减少至QVSL，交通流密度 显著增加，交通流速度显著下降。
[0032] (3)轻微拥堵状态下，如图6(c)所示，当前交通状态3下流量(q3)大于限速值所对 应最大流量时，可变限速控制将交通流状态从3转变至3'，交通流量稍有下降，交通流密度 稍有增加，交通流速度稍有下降。
[0033] (4)严重拥堵状态下，如图6(d)所示，当前交通状态4下流量(q4)小于限速值所对 应最大流量时，可变限速控制不会造成交通流状态转变。
[0034] 下面结合附图对发明的绘制方法进行了实例演示：
[0035] 假设某一南北向双向四车道快速道路路段，在粧号K处设置了一组感应式线圈检 测器，每5分钟计算一次该5分钟内快速道路粧号K处的交通流平均密度及平均流量，同时记 录下当前时刻及可变限速控制状态。从中挑选出了天气状态良好条件下NVSL和限速值为 100km/h情况下的数据，用以绘制限速值为100km/h时可变限速控制下交通流基本图及交 通状态转移图的基础数据。分别绘制无可变限速控制和lOOkm/h限速值下的流量密度图如 图7所示。由图可知，无可变限速控制下的关键密度dc = 100veh/km，其对应的通行能力Q = 9800veh/h ; 100km/h限速值下的关键密度dvsL= 104veh/km，其对应的最大流量Qvsl = 8900veh/h〇
[0036] 分别用密度值大于dc(即100veh/km)的数据和密度值小于dc(即100veh/km)的数据 线性拟合无限速控制状态下交通流基本图的拥堵枝和自由流枝;分别用密度值大于dvsU即 104veh/km)的数据和密度值小于dvsL(即104veh/km)的数据线性拟合100km/h限速值下交通 流基本图的拥堵枝和自由流枝。所得可变限速控制下交通流基本图如图7中黑色实线所示。 重复上述步骤可以分别得到限速值为l〇〇km/h、80km/h、70km/h和60km/h下拟合得到的交通 流基本图，汇总结果如图8所示。
[0037] 采集当前时刻交通流密度dact为102veh/km，可变限速控制状态为100km/h。由于 100km/h的限速值下dc= 100veh/km且=104veh/km，由于(^〈(^(〈(^[^因此当前时刻交通流 状态为轻微拥堵状态，依据图6(c)的方法绘制出当前时刻交通流对应的状态转移图如图9 所示。
【主权项】
1. 一种基于可变限速控制对交通流影响机理的可变限速控制下交通流基本图的确定 方法，其特征是包括W下步骤： 1) 采集快速道路上不同可变限速控制状态下的交通流量和密度数据并初步处理数据 得到基本数据库，具体步骤包括： 101) 选取采用动态可变限速控制下的快速道路路段，采集数据的时间跨度需要同时包 含不采用可变限速控制和采用可变限速控制两个时间段； 102) 选定快速道路上某一粧号处设置感应式线圈检测器，W5分钟为周期循环检测记 录通过检测器位置的每辆车的行驶速度、通过时间、车头时距和车辆长度等，同时在数据库 中相应的产生车辆通过时刻可变限速控制状态作为当前记录的可变限速控制信息； 103) 从原始数据库中挑选天气状态良好和可视条件良好下的数据，其中，所述天气状 态良好指无雨雾，所述可视条件良好指非夜间，再将数据按照无可变限速控制和不同可变 限速值进行归类处理得到用于交通流基本图绘制的基本数据库； 2) 针对步骤1)中的可变限速控制下的交通流数据进行分析;分别统计不同控制状态下 车辆车头时距分布、车速分布和驾驶员遵从情况，车头时距分布和车速分布的分析结果表 明可变限速控制使驾驶员行为更一致、车头时距分布更均匀、交通流稳定性提高，同时，可 变限速控制下车辆平均速度明显低于无控状态且限速值越低、平均速度越低，驾驶员遵从 情况的分析是通过绘制不同控制状态下车辆行驶速度分布散点图，统计各控制状态下超速 车辆比例，在绘制可变限速控制下交通流基本图时需要考虑实际驾驶员遵从度对基本图斜 率的影响； 3) 将步骤1)中基本数据库中不同可变限速控制状态下的交通流数据记录绘制成密度 流量图，分别得到不同可变限速控制状态下的关键密度值和最大流量值;其中，基于无可变 限速控制下的交通流记录绘制得到的流量密度图可W得到关键密度dc和通行能力Q，基于 不同可变限速值下的交通流记录绘制得到的流量密度图可W得到各限速值下的关键密度 dvsL和对应限速值下的最大流量Qvsl ; 4) 基于步骤3)中得到的各可变限速控制状态下的关键密度值将相应交通流基本图划 分为两部分：自由流枝和拥堵枝，再用步骤1)中得到的基本数据库分别对不同可变限速控 制状态下的交通流基本图的自由流枝和拥堵枝分别拟合，得到每个交通流控制状态下交通 流基本图的线性拟合图； 5) 采用步骤1)中设置的感应式线圈检测器检测当前时刻下的实时交通流行驶速度，计 算超速车辆的比例用于衡量驾驶员实际遵从情况，基于检测到的驾驶员实际行驶速度，对 步骤4)中拟合得到的完全遵从状态下可变限速控制的交通流基本图进行修正； 6) 采用步骤1)中设置的感应式线圈检测器检测当前时刻下的实时交通流密度，同时获 取当前时刻对应的可变限速控制状态，依据当前可变限速控制状态及从步骤3)所得的各最 大流量及关键密度数据，选择相应限速值下对应的最大流量及最大流量对应的关键密度 值，依据W下公式判断当前时刻交通流状态：其中， Sact表示当前时刻交通流状态； Sf表不自由流状态； So表示轻微拥堵状态； Soo表示严重拥堵状态； dact表示当前时刻交通流密度； dc表示无可变限速控制下最大流量对应的关键密度； dvsl表示当前限速值下最大流量对应的关键密度； 7)依据步骤6)中得到的当前时刻交通流状态，选择对应的交通状态转移图绘制方法， 交通状态转移图基本构成为左侧的两条自由流枝和右侧的一条拥堵枝，两条自由流枝A枝 和B枝分别对应驾驶员完全遵从限速值和考虑实际驾驶员遵从的两种情况，四种不同初始 状态对应四种不同的交通状态转移图；具体地，首先，自由流状态下，当前交通状态处于自 由流A枝范围内，初始状态1)为自由流状态下当前交通状态1下流量(ql)小于限速值所对应 最大流量(Qvsl)时，可变限速控制将交通状态1水平平移至与自由流B枝相交的交通状态1/ ; 反之，初始状态2)为自由流状态下当前交通状态2下流量(q2)大于限速值所对应最大流量 时，可变限速控制将交通状态2转变至自由流B枝和拥堵枝交点的交通状态y ;初始状态3) 为轻微拥堵状态下，当前交通状态处于拥堵枝上介于自由流A、B枝与拥堵枝交点构成的线 段范围内，当前交通状态3下流量(q3)大于限速值所对应最大流量时，可变限速控制将交通 状态3转变至自由流B枝和拥堵枝交点的交通状态y ;初始状态4)为严重拥堵状态下，当前 交通状态4下流量(q4)小于限速值所对应最大流量时，可变限速控制下交通状态不发生变 化。2. 根据权利要求1所述的基于可变限速控制对交通流影响机理的可变限速控制下交通 流基本图的确定方法，其特征是所述步骤3)中依据交通流量密度图得到不同可变限速控制 状态下的关键密度和最大流量值的方法，具体而言是分别绘制不同可变限速控制状态下的 流量密度关系散点图，从中找到纵坐标值最大的一个点的横纵坐标则分别对应关键密度值 和最大流量值，此处的最大流量值就是该条件下的实际道路通行能力。3. 根据权利要求1所述的基于可变限速控制对交通流影响机理的可变限速控制下交通 流基本图的确定方法，其特征是所述步骤4)中，对流量密度散点图中流量密度关系的线性 拟合过程是分段进行的，W关键密度作为分界点将交通流基本图分为自由流枝和拥堵枝两 部分，在分段进行线性拟合过程中均采用最小二乘法寻找最优拟合的直线作为各部分的回 归结果。4. 根据权利要求1所述的基于可变限速控制对交通流影响机理的可变限速控制下交通 流基本图的确定方法，其特征是所述步骤5)中，基于检测到的驾驶员实际行驶速度判断驾 驶员实际遵从情况，对完全遵从状态下可变限速控制的交通流基本图进行修正，绘制表示 驾驶员实际行驶速度的斜线，所得基本图用于可变限速控制下交通状态转移图的绘制。5. 根据权利要求1所述的基于可变限速控制对交通流影响机理的可变限速控制下交通 流基本图的确定方法，其特征是所述步骤7)中，首先判断当前时刻的交通流状态，若当前时 刻交通流状态为自由流时，则比较当前时刻交通流量与当前时刻可变限速控制状态下对应 的最大流量，依据比较结果选择绘制当前时刻交通状态下交通状态转移图的方法；同时，所 述步骤7)中，初始状态1)采取可变限速控制后，交通流流量不变但交通流密度显著增加，交 通流速度下降明显;初始状态2)采用可变限速控制后，交通流量减少至QV化，交通流密度显 著增加，交通流速度显著下降；初始状态3)采取可变限速控制后，交通流量稍有下降，交通 流密度稍有增加，交通流速度稍有下降;初始状态4)采取可变限速控制后，可变限速控制不 会造成交通流状态转变。
【文档编号】G08G1/01GK105844915SQ201610318601
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】李志斌, 刘攀, 王炜, 徐铖铖
【申请人】东南大学