本发明涉及一种基于社会力的路段施工区异质交通流模型建立方法。
背景技术
近年，国内大力建设新的交通设施，高速公路和城市干线上施工频繁。特别是在城市道路上，路段上广泛存在施工区，施工区的设置降低了车辆在路段的通行效率，造成大量排队从而增加了汽车能耗及尾气排放，这对大气造成了严重的污染。由于城市道路上车辆异质性明显，并在设置施工区后道路特性发生改变，这使得交通流建模及排放研究变得较困难。
虽然对于施工区进行了大量研究，但大多数研究集中在高速公路，城市道路施工区的研究相对较少。因为城市道路车辆异质性明显，汽车，大型车辆，行人，非机动车的行驶很难找到一个统一的规则。此外，存在施工区的路段具有无车道划分、行驶边界不规则等特性，一些传统的交通流模型并不适用这种复杂的交通场景。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种基于社会力的路段施工区异质交通流模型建立方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于社会力的路段施工区异质交通流模型建立方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、建立路段施工区交通流模型；
步骤二、对路段施工区进行数据采集；
步骤三、搭建仿真平台对真实施工区交通流进行仿真；
步骤四、利用步骤二采集的数据对路段施工区交通流模型参数进行标定；
步骤五、利用步骤二采集的数据和仿真结果对路段施工区交通流模型进行验证。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明新建模型对施工区或非施工区内的异质交通流建模提供了新的参考，相比传统的车辆跟驰模型和车辆换道模型，本发明提出的社会力模型在路段施工区交通流建模有一些优势。第一，提出的模型能够更好的反映交通流的异质性。如果使用跟驰理论来研究异质交通流，就需要对不同类型的车辆应用不同的规则，例如汽车，重型车辆，行人，非机动车，但是很难找到一个统一的规则。但是在社会力模型的概念中，人群受力是由力控制而不是车辆跟驰模型中相似的行为规则控制，不同种类的车辆是可以用相同的模型的。根据观察发现，我国城市道路通常是由小汽车，公交车，铰链公交车，货车、非机动车和行人等不同类型的对象所组成，交通流具有很高的异质性。第二，常规的跟驰模型和换道模型被设计用于有车道划分的情景，因此它们不能直接应用于无车道划分的情景。在城市交叉路口，如果没有施工区存在，车辆可以在没有设置车道线的情况下遵循隐形车道来驾驶。然而，一旦存在施工区，压缩的可通行空间使得车辆不能跟随隐形车道移动并且变成完全的基于非车道的情况。与传统的微观交通流模型相比，所提出的基于社会力的模型在针对于无车道划分的交通流时更加适用。第三，社会力模型可以用于可通行区域的任何边界形状，因为边界对车辆的影响可以通过边界力来表示，而跟驰模型和换道模型仅适用于直线型边界。由于施工区的存在，路段的可通行区域具有不规则的边界，在这种情形下，社会力模型是更好的选择。但是，现有的社会力模型不能完全反映路段施工区的交通流特征，因此本发明首先改进现有的社会力模型，然后标定新提出的模型，并利用标定后的模型对交通流进行仿真分析。
在理论研究方面，本发明主要关注的是城市道路施工交通流建模问题，并提出了采用社会力理论的方法来描述路段施工区的交通流特征，建立了城市道路路段施工区交通流模型。通过模型可分析施工区对城市道路路段的交通流量及车辆平均通过速度的作用机理，从而总结出施工区各因素对城市道路交通流的影响规律。这弥补了现有在城市道路施工区基于社会力建模的空白，为城市道路施工区交通流建模的研究提供了一种新思路。
在实践应用方面，由于国内外对城市道路施工区交通流建模的研究较少，导致城市道路施工区建模缺少必要的理论支撑，这使得施工区内相关交通管控措施具有很大的盲目性。因此，利用本发明可制定相关交通管控措施用以缓解施工区地段的交通拥堵，降低施工区路段交通事故发生率，提高施工区内车辆通行能力。通过对施工区路段交通排放的研究分析，可以制定相关的措施来减少交通排放量，从而减少交通排放对于大气的污染。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为路段施工区交通流模型示意图；
图2为路段施工区仿真流程图；
图3为不同l值下的速度流量图；
图4为不同w值下的速度流量图；
图5为不同d值下的速度流量图；
图6为不同ph值下的速度流量图；
图7为不同vmax值下的速度流量图。
具体实施方式
一种基于社会力的路段施工区异质交通流模型建立方法，包括如下内容：
(一)模型建立
在新建的路段施工区交通流模型中，驱使头车行驶的力是驱动力，驱使中间车辆行驶的力取跟驰力、左吸引力和右吸引力三个力的最大值，所有车辆在满足相关条件时都会受到来自边侧车辆与边界的作用力。路段施工区交通流模型如图1所示，以下将对各个力进行详细阐述。
1、前向自驱动力
根据目标效益最大化的原理，个体都具有以最短时间到达目的地的心理，但是因为道路交通环境存在一系列不能控制的复杂的影响因素并且车辆在行驶过程中难免存在着刹车减速的动作，所以一般情况下车辆在某一时刻t的实际速度
其中，amax为保证车辆安全通过道路施工区路段的最大加速度；
2、车与车之间作用力
车辆在其视野范围内的其他车辆会对该车辆产生影响，在不发生换道超车等动作时，可以忽略后方车辆对其造成的影响，主要受车辆前方及两侧的其他车辆影响。为了保持与其他车辆的距离而进行的相互作用就是车与车之间的相互作用力。该相互作用在前后两车表现为跟驰力；横截面上的左右两车之间表现为排斥力；如一辆车遇到其他车辆之间形成相对于该车辆可通过间隙时，该间隙会形成对车辆的吸引力，这个吸引车辆穿过间隙的作用力称为间隙力。
(1)跟驰力。当车辆被迫跟随前车行驶时，车辆表现出跟驰行为并且以安全速度向前行驶，此时本发明认为车辆受到的力为跟驰力。当vs(vi,vj,ds)>vi(t)时，跟驰力是一个使车辆向前加速行驶并且与车辆行驶方向相同的力；反之产生一个与车辆行驶方向相反的力使车辆减速行驶，此时将所受的力记为
其中，amax为保证车辆安全通过道路施工区路段的最大加速度；ds为行驶过程中前后车的安全距离；dij代表车辆之间的实际距离，两车距离越远则吸引力越大；
其中，bi是后方车辆i的最大减速度；bj是前方车辆j的最大减速度；δi是后方车辆i的最快反应时间。
(2)边侧车之间排斥力。为了避免左右相邻车辆发生碰撞，目标车辆需与其他车辆保持一个距离。当车辆靠近边侧的相邻车辆时，车辆会进行减速。并且车辆的距离越小，速度就越低。这种相邻车辆对目标车辆速度的减小可以用一个排斥力
其中，
(3)间隙力。当目标车辆正前方与左前方或者右前方车辆之间存在足够的间隙时，为了提高通行效率，将促使车辆穿梭该间隙行驶的力称为间隙力，记为
其中，ag为可插间隙吸引力的作用强度；df为车辆的车身宽度；△d为车辆一侧的安全侧边距；dg代表前方两车之间形成的可插间隙宽度，左右两车形成的可插间隙宽度越大则间隙力越大；
3、车与边界之间的作用力
车辆在驶入道路的边界区域时，因受到道路边界的影响，车辆会与边界之间产生排斥力，排斥力记为
其中，
综上所述，头车所受合力为：
跟驰车辆所受合力：
(二)数据采集
为了对建立的城市道路施工区路段社会力模型进行参数标定，以及对模型的有效性进行验证，需要进行城市道路施工区的数据采集。本次数据采集时间为工作日天气状况良好的条件下，在晚高峰时期17:30-19:30进行以15min为周期的交通调查，并进行施工区道路状况以及相关参数的采集工作(调查时间不受限制)。
因为本次所需数据采集地点为城市道路的路段施工区，对于数据采集点有如下几个要求：
(1)施工区需在城市内(比如三环内)的主干路段，并且高峰时交通量较大；
(2)施工区内部分机动车车道进行了封闭，使车辆可以通行但受到一定影响；
(3)施工区位于城市道路的路段之中，进出口离交叉口较远；
(4)施工区进出口需与交叉口有一定距离且施工区受交叉口信号周期影响较小。
先根据所需条件筛选出数据采集地点，然后选取合适的时间进行数据采集工作并注意数据采集时的交通出行安全以及避免影响路段交通的正常运行。
本次数据采集通过人工观测与无人机视频拍摄相结合的方法对道路信息、施工区位置与大小信息、交通流信息等数据进行采集统计，并将相关数据内容记录于表1和表2中。本次数据采集不仅观测记录到道路施工区路段真实情况，也对道路交通量、车辆平均通过时间、车辆平均通过速度、车辆到达率、车型构成比例等信息进行直观准确的记录调查。为了后期进行仿真及参数标定的便利和准确，表2中将调查车型归类为了小汽车、公交车、铰链公交车与非机动车四类，交通量统一为每15min(900s)内的施工区所在道路方向的高峰时段实际交通自然数平均值。
表1路段施工区道路及施工区基本信息调查表
表2路段施工区路段流量统计
(三)仿真平台搭建
因为施工区所在道路的交通组织与交通流特性的特殊性，所以影响此类路段通行能力的因素也较为复杂。经过对道路施工区交通特性和实际情况的分析研究，最终将影响道路施工区路段通行能力最主要的因素总结为：施工区长度、施工区宽度、大型车辆占比、非机动车到达率以及施工区路段车辆限速。
在路段施工区仿真平台中嵌入路段施工区交通流模型，仿真时间为900s。最终的仿真输出结果将绘制成图形，每个图中都包括四条线条，其中两条是由仿真得到的值所描绘的，另外两条是根据仿真值所得出的具有一定规律的拟合图。本实例对路段施工区作特性分析时选择剑南大道的场景为仿真场景，输出
如图2所示，仿真程序需要多次重复调用一些全局变量，因此这些参数需要在程序一开始就进行定义，这些全局变量的名称及取值如表3所示，其他数据可参考表1中的地点4剑南大道的施工区数据内容。需要指出的是，路段施工区仿真时，该场景不同方向行驶的车辆被硬隔离设施隔离开来，所以只仿真施工区所在方向的场景。
表3路段施工区交通流仿真使用的参数
(四)模型标定
利用所采集的路段施工区数据对模型进行标定与验证。模型参数的标定是求解一个非线性规划问题，目标函数为由待标定模型仿真出来的数据与实测数据的误差统计值，约束条件为各个参数的取值范围，表达式如下：
式中：ω为目标函数；zn表示变量n的实测数据，包括：通过路段的机动车辆总数na、小汽车数nc、所有车辆的平均时间t、所有车辆的平均速度v；
本发明采用遗传算法进行该非线性规划问题的求解，每次迭代都利用建立的仿真平台获得目标函数中4个变量的仿真值，然后求出真实值与仿真值间的误差即目标函数ω值。本实施例的各类型模型参数标定取值范围及标定结果如表4所示：各类型施工区交通流模型相关参数取值范围及标定值如表所示：
表4路段施工区交通流模型参数范围与标定值
(五)模型验证
通过查阅文献，之前交通流模型验证中通常使用的评价指标为平均绝对误差emae、平均绝对相对误差emare与theil不等系数(theil’sinequalitycoefficient)(本发明用u表示)，其中theil不等系数常常被用来评价预测效率的优劣，由于精度较高被广泛应用于各个领域模型的验证，本发明将其作为评价指标对新建模型予以评价。各指标表达式如下：
式中：zr,k，zs.k分别表示第k次仿真对应的交通量、平均通行时间或平均通行速度的实际数据与仿真数据；n表示仿真次数，这里取10次。
通过实测数据与仿真结果的对比完成了两组数据的误差分析，由于误差值是10次仿真结果的平均值，所以对机动车总数以及小汽车数的绝对误差值进行了取整，最终结果整理如下：
表5路段施工区交通流模型标定与验证结果
从以上表中可以看出本发明提出路段施工区交通流模型对真实施工区交通流进行仿真时的mare值都小于10％，说明仿真结果与真实城市道路路段施工区的交通状况非常接近，模型可以比较好地反映施工区交通流的特征。
(六)仿真结果分析
1、施工区长度
图3为保持其他条件不变逐渐增加施工区长度的情况下，15min的交通流量与平均速度的变化趋势。本次仿真平台的施工路段道路总长度为300m，除去合流段长度、分流段长度以及车辆进入与驶出段外，将施工区长度取值范围取为0m≤l≤200m。从图中可以看出，当施工区长度从无到有的时候，通过施工区的车辆数na和平均速度va发生骤降，说明有施工区的存在会大大减少道路的通行能力，但是有了施工区后车辆通过的交通流量和平均速度没有大的变化。当0m<l<100m时，随着施工区长度的增加通过施工区的交通量和平均速度有少幅度降低，但当l>100m时，交通量和平均速度已经基本上保持不变。这个现象说明当施工区存在以后，施工区长度的增加对于交通量和平均速度的影响很小，基本上可以忽略不计，这与当前有关高速公路施工区的研究结论相类似。
2、施工区宽度
当车辆进入道路施工区时，车辆从施工区上游正常路段通过合流段进入施工段，施工区宽度越大，合流段的宽度也越大，施工区的瓶颈效果越明显，从正常路段到达的车辆进入施工区会更加困难。而且施工区越宽，占用道路宽度越大，可行驶的道路宽度越窄，也将对车辆在施工区车辆行驶产生重要影响。在本次仿真中，道路总宽度为21.5m，仿真将施工区宽度设定范围取为0m≤w≤18m，其中，w＝18m表示施工区占用1个非机动车道和4个机动车道，此时只有一条机动车道的宽度未占用。图4为随着宽度的变化，通过施工区的15min交通流量和平均速度的变化规律。从图中可以看出，施工区宽度对该区域路段的通行能力影响很大，随着施工区宽度的增加，na和va均快速下降，将w＝18m时，相对没有施工区，速度下降了约1/3，通过车辆数下降了约85％。
3、合流区长度
施工区合流段的设置是为了引导车辆从正常行驶的道路过渡到施工路段，需要有足够的长度保证车辆可以顺利合流。为了探讨施工区合流段的长度对施工区交通流的影响，本章将合流段长度的范围取为0m≤d≤80m。图5为随着合流段长度的变化，通过施工区的15min交通流量和平均速度的变化规律图。从图中可以看出，合流段的长度对流量和平均速度影响特征不同，合流段长度的增加会减小平均速度，但是会增加交通流量。当d＝0m，没有合流段，此时车辆在接近施工区时没有过渡而是以一个和道路方向很大的角度直接进入到施工段，大大降低了车辆的通行效率，此时交通量处于最小值。随着d的增加，交通量一直增加，直到d＝55m时，交通量的增加达到了最大，所以d＝55m是该仿真场景下最优的施工区合流段长度。当d>55m时，交通量开始呈下降趋势，而且此时增加过渡区的长度会造成道路资源的浪费，不建议将过渡区长度取的过大。另外，在不规则区域的合流段内车辆的速度相对较低，所以随着过渡区的长度的增加在合流段内车辆的数量也就增加，从而降低了车辆的平均速度。
4、大型车比例
城市道路出现的大型车辆主要为常规公交车和铰接式公交车。图6为在逐渐增加混合车道大型车辆比例情况下交通流量与平均速度变化趋势。仿真中将大型车比例设定范围取为0≤ph≤1，当ph＝0时混合车道不产生大型车，当ph＝1时该混合车道只产生大型车。由图6可以看出，当0≤ph≤0.7时，随着大型车辆比例的增加，施工区通过车辆数与平均通过速度均有明显下降。造成这一现象的原因是大型车体积较大、占用较大空间，造成施工路段的车辆密度减小，同时大型车的平均速度低于小汽车，所以通行能力必然会下降。图4-6还显示当ph>0.7时，施工区交通流量与平均通过速趋于稳定。这是因为此时大型车的比例已经上升到一个较大的值，由于大型车没有小汽车或非机动车灵活，所以在合流段大型车不能及时的实现车辆合流，大型车数量越多，这种现象越明显，所以就算再增加大型车的比例，由于仿真中的车辆产生模块没有检验到前面没有足够的距离，也不会再产生新的车辆，此时交通量趋于稳定。
5、车辆限速
图7为在逐渐增加车辆最大限速的情况下交通流量与平均速度变化趋势图，仿真中将车辆最大限速设定范围取为5.55m/s≤vmax≤16.67m/s。当0≤vmax≤8m/s时，随着道路限速的提高，施工区交通量与道路限速呈线性关系增加，此时交通量是急剧增加的。当vmax>8m/s之后，施工区路段通行能力达到一个较大的值，虽然车辆平均通过速度继续增加，但是交通流量的上升速度缓慢。这是因为所允许的车辆速度值即便很高，由于施工区的瓶颈效应，能通过施工区的车辆仍然有限。由此可见施工区路段在保证道路通行安全的条件下提高一定的道路限制速度可以改善道路通行能力，但达到该施工区可通过交通量最大值后再提高道路限速，虽然车辆通过平均速度有所上升，但是不仅无法提高道路通行能力，而且因为施工区路段道路状况复杂，极大的增加了交通安全隐患。