CN108648455A - 一种基于综合出行费用的城市路网模式选择方法 - Google Patents

一种基于综合出行费用的城市路网模式选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于综合出行费用的城市路网模式选择方法,首先设定四种可选择的方格型路网模式,分别是双向8车道路网模式、双向4车道路网模式、双向2车道路网模式和单向2车道路网模式;考虑燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性的多种因素综合影响,构建城市路网综合出行费用目标函数;以划定的城市路网规划区域内的交通流量为自变量,计算获得车流在四种不同方格型路网模式下横穿规划区域所需要的综合出行费用,选定综合出行费用最小的路网模式作为所述规划区域的推荐路网模式。本发明方法考虑燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性等多种因素的综合影响,能进一步降低城市建设和居民出行成本。

Description

一种基于综合出行费用的城市路网模式选择方法
技术领域
本发明属于城市道路网规划领域,特别涉及一种基于综合出行费用的城市路网模式选择方法。
背景技术
随着我国城市化、机动化进程不断推进,机动车保有量不断增长,由此引起的诸如交通拥堵、能耗增加、环境恶化等一系列社会问题成为困扰城市规划建设的长久课题。一方面,城市规划过程中不断建设超宽的马路,另一方面,盲目地拓宽马路又造成车辆汇聚与交通拥堵,两者互相影响,一些地区造成了“大街区、宽马路”为特征的城市格局,城市交通拥堵不断加剧,并因此增加了城市重复建设成本,城市居民出行费用居高不下。
一直以来,在进行城市道路规划设计建设中,无论是路网设计方案,还是交通系统控制方案,大多是以提高道路通行能力和路网可达性、减少交通事故率、提高出行效率、减少交通拥堵等为单一目标设计目标,难以全面分析城市路网模式的合理性。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足,提供一种基于综合出行费用的城市路网模式选择方法,其考虑燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性等多种因素的综合影响,进一步降低城市建设和居民出行成本。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
本发明基于综合出行费用的城市路网模式选择方法的特点是按如下步骤进行:
步骤1、设定可选择的四种方格型路网模式分别是:
模式一:双向8车道路网模式,模式二:双向4车道路网模式,
模式三:双向2车道路网模式,模式四:单向2车道路网模式;
步骤2、综合考虑车辆的燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性三个指标,分别给定各指标的权重,构建城市路网综合出行费用目标函数;
步骤3、划定城市路网规划区域,通过城市规划部门或调研获取所述规划区域内的交通流量;
步骤4、以所述规划区域内的交通流量为自变量,根据所述城市路网综合出行费用目标函数分别计算获得车流在四种不同方格型路网模式下横穿规划区域所需要的综合出行费用,选定综合出行费用最小的路网模式作为所述规划区域的推荐路网模式。
本发明基于综合出行费用的城市路网模式选择方法的特点也在于:针对任一路网模式,所述城市路网综合出行费用目标函数包括路段综合出行费用函数和交叉口综合出行费用函数,由式(1)表征;
式(1)中,以r表示路径集,是指车辆在规划区域从设定的起点到达设定的终点的所有路径的集合,以p表示路径集r中的任一条路径,以N表示交叉口集,是指规划区域内所有交叉口的集合,以n表示交叉口集N中的任一交叉口,以i表示交叉口n上的任一进道口,以j表示交叉口n的进道口i中的任一车道组j;以A表示路段集,是指规划区域内所有路段的集合,以a表示路段集A中的任一路段;
为车辆按路径p在所述规划区域行进所产生的综合出行费用;
COSTa为规划区域内路段a的综合出行费用;
COSTnij为规划区域交叉口n中,车辆自进道口i进入交叉口,并按车道组j通过交叉口的综合出行费用;
为0或1变量,若路径p包含路段a,则否则
为0或1变量,若路径p包含规划区域交叉口n,且车辆自进道口i进入交叉口,并按车道组j通过交叉口,则否则
本发明基于综合出行费用的城市路网模式选择方法的特点也在于:
式(1)中的综合出行费用COSTa是由式(2)计算获得:
COSTa=ω1EaP12TaP23γ(Ta)P3 (2),
其中,Ea为车辆行驶通过路段a产生的燃油消耗;Ta为车辆行驶通过路段a的行程时间;γ(Ta)为车辆行驶通过路段a的行程时间不可靠性;P1,P2,P3一一对应为燃油消耗、行程时间、行程时间不可靠性的单位费用;ω1,ω2,ω3一一对应为燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性在综合出行费用中的权重系数,所述权重系数ω1,ω2,ω3根据城市规划要求进行设定;
式(1)中的综合出行费用COSTnij是由式(3)计算获得:
COSTnij=ω1EnijP12DnijP23γ(Dnij)P3 (3),
其中,Enij为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n产生的燃油消耗;Dnij为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误;γ(Dnij)为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误波动。
本发明基于综合出行费用的城市路网模式选择方法的特点也在于:
式(2)中的车辆行驶通过路段a产生的燃油消耗Ea由式(4)计算获得:
Ea=la(k1qa 2+k2qa+k3) (4),
la为路段a的长度;qa为路段饱和度;
k1,k2,k3为拟合参数,均为常数;
对于双向8车道路网模式,k1=7.810,k2=-7.530,k3=7.789;
对于双向4车道路网模式,k1=6.907,k2=-6.229,k3=7.957;
对于双向2车道路网模式,k1=5.197,k2=-2.858,k3=7.792;
对于单向2车道路网模式,k1=7.171,k2=-7.771,k3=7.976;
式(2)中的车辆行驶通过路段a的行程时间Ta由式(5)计算获得:
Ta=t0(1+αqa β) (5),
其中,t0为车辆在自由流情况下行驶通过路段a的行程时间;α和β的取值分别为:α=0.15,β=4;
式(2)中的车辆行驶通过路段a的行程时间不可靠性γ(Ta)由式(6)计算获得:
γ(Ta)=I-R(Ta) (6),
其中,R(Ta)是由式(7)计算获得的路段a的行程时间可靠性:
是对出行现实情况的期望指标,即路段行程时间阈值,取值为1~2。
本发明基于综合出行费用的城市路网模式选择方法的特点也在于:
式(3)中的所述车辆通过交叉口n所产生的燃油消耗Enij由式(8)计算获得:
Enij=ln(h1qn 2+h2qn+h3λ+h4) (8)
qn为交叉口n的饱和度;λ为交叉口n的绿信比;
对于双向8车道路网模式,h1=26.462,h2=-12.155,h3=-9.397,h4=17.950;
对于双向4车道路网模式,h1=24.741,h2=-9.706,h3=-9.093,h4=17.604;
对于双向2车道路网模式,h1=28.302,h2=-11.193,h3=-8.791,h4=18.301;
对于单向2车道路网模式,h1=23.625,h2=-12.777,h3=-8.568,h4=14.339。
式(3)中的所述车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误Dnij由式(9)计算获得:
Dnij=d1+d2+d3 (9),
其中,d1为均匀延误,指车辆按照均匀分布形式到达交叉口n所产生的交叉口车均延误,d1由式(10)计算获得:
d2为增量延误,指车辆由于非均匀到达、个别车辆事故或车道组的饱和程度的因素,在分析周期内所产生的交叉口车均附加延误,d2由式(11)计算获得:
d3为初始排队延误,是指在分析期开始时上个周期遗留的排队车辆所引起的附加交叉口车均延误;
其中,X为车道组的饱和度;C为车道组的通行能力;T为分析持续的时长;k为感应控制的增量延误修正系数;I为按上游信号灯车辆换车道和调节的增量延误修正系数。
式(3)中的所述车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误波动γ(Dnij)由式(12)计算获得:
γ(Dnij)=P(Dnij≥θDnij) (12),
其中,θ为出行者所能接受的交叉口车均延误的上限值,即交叉口车均延误阈值。
研究表明,城市道路网络结构的合理性与城市居民的出行效率、安全、便捷性密切相关,本发明综合考虑车辆燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性等多种因素对于道路运行的影响,大大提高路网结构和路网模式合理性,与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明综合考虑车辆燃油消耗、行程时间和行程时间可靠性的指标,并以此构建城市路网综合出行费用目标函数,进而以综合出行费用为评价指标,选取城市某规划区域的最优路网模式,提升城市路网运行效率,降低城市建设和居民出行成本;
2、本发明城市路网模式选择方法弥补了传统城市路网布局仅考虑路网可达性等单一目标的不足,为城市路网的规划和建设提供了理论支撑。
附图说明
图1为本发明城市路网模式选择方法流程图;
图2a为本发明所涉及的双向8车道路网模式示意图;
图2b为本发明所涉及的双向4车道路网模式示意图;
图2c为本发明所涉及的双向2车道路网模式示意图;
图2d为本发明所涉及的单向2车道路网模式示意图。
具体实施方式
参见图1,本实施例中基于综合出行费用的城市路网模式选择方法是按如下步骤进行:
步骤1、按照道路宽度、密度,以及道路管制方式,设定可选择的四种方格型路网模式分别是:
图2a所示的模式一:双向8车道路网模式,图2b所示的模式二:双向4车道路网模式,
图2c所示的模式三:双向2车道路网模式,图2d所示的模式四:单向2车道路网模式。
四种方格型路网模式的各项指标如表1所示。
步骤2、综合考虑车辆的燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性三个指标,分别给定各指标的权重,构建城市路网综合出行费用目标函数。
步骤3、划定城市路网规划区域,通过城市规划部门或调研获取规划区域内的交通流量;本实施例中规划区域为1km2的正方形地块,假设获取区域内的交通流量为12000pcu/h。
步骤4、以规划区域内的交通流量为自变量,根据城市路网综合出行费用目标函数分别计算获得车流在四种不同方格型路网模式下横穿规划区域所需要的综合出行费用,选定综合出行费用最小的路网模式作为规划区域的推荐路网模式;横穿是指从左到右地穿过1km2的正方形地块规划区域。
具体实施例中,针对任一路网模式,城市路网综合出行费用目标函数包括路段综合出行费用函数和交叉口综合出行费用函数,由式(1)表征;
式(1)中,以r表示路径集,是指车辆在规划区域从设定的起点到达设定的终点的所有路径的集合,以p表示路径集r中的任一条路径,以N表示交叉口集,是指规划区域内所有交叉口的集合,以n表示交叉口集N中的任一交叉口,以i表示交叉口n上的任一进道口,以j表示交叉口n的进道口i中的任一车道组j;以A表示路段集,是指规划区域内所有路段的集合,以a表示路段集A中的任一路段;
为车辆按路径p在规划区域行进所产生的综合出行费用;
COSTa为规划区域内路段a的综合出行费用;
COSTnij为规划区域交叉口n中,车辆自进道口i进入交叉口,并按车道组j通过交叉口的综合出行费用;
为0或1变量,若路径p包含路段a,则否则
为0或1变量,若路径p包含规划区域交叉口n,且车辆自进道口i进入交叉口,并按车道组j通过交叉口,则否则
式(1)中的综合出行费用COSTa是由式(2)计算获得:
COSTa=ω1EaP12TaP23γ(Ta)P3 (2),
其中,Ea为车辆行驶通过路段a产生的燃油消耗;Ta为车辆行驶通过路段a的行程时间;γ(Ta)为车辆行驶通过路段a的行程时间不可靠性;P1,P2,P3一一对应为燃油消耗、行程时间、行程时间不可靠性的单位费用;ω1,ω2,ω3一一对应为燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性在综合出行费用中的权重系数,权重系数ω1,ω2,ω3根据城市规划要求进行设定,本实施例中设定三项权重系数分别为:ω1=0.34,ω2=0.24,ω3=0.42。
式(1)中的综合出行费用COSTnij是由式(3)计算获得:
COSTnij=ω1EnijP12DnijP23γ(Dnij)P3 (3),
其中,Enij为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n产生的燃油消耗;Dnij为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误;γ(Dnij)为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误波动。
式(2)中的车辆行驶通过路段a产生的燃油消耗Ea由式(4)计算获得:
Ea=la(k1qa 2+k2qa+k3) (4),
la为路段a的长度;qa为路段饱和度;
k1,k2,k3为拟合参数,均为常数;
对于双向8车道路网模式,k1=7.810,k2=-7.530,k3=7.789;
对于双向4车道路网模式,k1=6.907,k2=-6.229,k3=7.957;
对于双向2车道路网模式,k1=5.197,k2=-2.858,k3=7.792;
对于单向2车道路网模式,按如下方式获得其拟合参数k1,k2,k3
利用VISSIM软件仿真车流在不同饱和度单向2车道路网中的行驶状态,获取每辆车在路段上的逐秒速度;再结合VSP油耗模型,将每辆车的逐秒速度转换为车辆在路段上的逐秒油耗,得出车流在单向2车道路网的路段上的燃油消耗,对单向2车道路网中路段的燃油消耗与饱和度的函数的参数值k1,k2,k3按如下方式进行标定:
按照饱和度从0.1、0.2到0.9,各进行10次仿真,其中7次仿真作为标定组,3次仿真作为验证组,共进行仿真90次,每次仿真3600时间步,将前400时间步视为交通不稳定状态,将其仿真数据舍弃,最终标定得到单向2车道路网模式的路段车辆油耗和饱和度函数的参数值为:k1=7.171,k2=-7.771,k3=7.976。
式(2)中的车辆行驶通过路段a的行程时间Ta由式(5)计算获得:
Ta=t0(1+αqa β) (5),
其中,t0为车辆在自由流情况下行驶通过路段a的行程时间;α和β的取值分别为:α=0.15,β=4;
式(2)中的车辆行驶通过路段a的行程时间不可靠性γ(Ta)由式(6)计算获得:
γ(Ta)=1-R(Ta) (6),
其中,R(Ta)是由式(7)计算获得的路段a的行程时间可靠性:
是对出行现实情况的期望指标,即路段行程时间阈值,取值为1~2。
式(3)中的车辆通过交叉口n所产生的燃油消耗Enij由式(8)计算获得:
Enij=ln(h1qn 2+h2qn+h3λ+h4) (8),
qn为交叉口n的饱和度;λ为交叉口n的绿信比;
对于双向8车道路网模式,h1=26.462,h2=-12.155,h3=-9.397,h4=17.950;
对于双向4车道路网模式,h1=24.741,h2=-9.706,h3=-9.093,h4=17.604;
对于双向2车道路网模式,h1=28.302,h2=-11.193,h3=-8.791,h4=18.301;
对于单向2车道路网模式,按如下方式获得其拟合参数h1,h2,h3,h4
利用VISSIM软件仿真车流在不同饱和度和不同绿信比下的单向2车道路网中行驶的状态,并获取每辆车在交叉口处的逐秒速度;然后结合VSP油耗模型,将每辆车的逐秒速度转换为车辆在交叉口处的逐秒油耗,得出车流在单向2车道路网的交叉口处的燃油消耗,对单向2车道路网中交叉口处的燃油消耗与饱和度和绿信比的函数的参数值进行标定:
按照饱和度从0.1、0.2到0.9以及绿信比从0.2、0.3到0.6的顺序,各进行10次仿真,其中7次仿真作为标定组,3次仿真作为验证组,共进行仿真450次,每次仿真3600时间步,将前400时间步视为交通不稳定状态,将其仿真数据舍弃,最终标定得到单向两车道路网模式的交叉口直行车辆油耗和饱和度函数的参数值为:
h1=23.625,h2=-12.777,h3=-8.568,h4=14.339。
式(3)中的车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误Dnij由式(9)计算获得:
Dnij=d1+d2+d3 (9),
其中,d1为均匀延误,指车辆按照均匀分布形式到达交叉口n所产生的交叉口车均延误,d1由式(10)计算获得:
d2为增量延误,指车辆由于非均匀到达、个别车辆事故或车道组的饱和程度的因素,在分析周期内所产生的交叉口车均附加延误,d2由式(11)计算获得:
d3为初始排队延误,是指在分析期开始时上个周期遗留的排队车辆所引起的附加交叉口车均延误,本实施例中,d3=0;
其中,X为车道组的饱和度;C为车道组的通行能力;T为分析持续的时长;k为感应控制的增量延误修正系数;I为按上游信号灯车辆换车道和调节的增量延误修正系数,本实施例中将T取值为1小时,将I取值为1。
式(3)中的车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误波动γ(Dnij)由式(12)计算获得:
γ(Dnij)=P(Dnij≥θDnij) (12),
其中,θ为出行者所能接受的交叉口车均延误的上限值,即交叉口车均延误阈值,本实施例中将θ取值为1.18。
最终计算得出在交通流量为12000pcu/h的1km2的正方形城市规划区域内,四种路网模式的综合出行费用如表2所示。
表1四种方格型路网模式的各项指标
指标 模式一 模式二 模式三 模式四
路网密度(km/km2) 4 8 16 16
道路面积率(%) 11.2 11.2 11.2 11.2
道路条数 4 8 16 16
道路总长度(km) 4 8 16 16
车道总长度(km) 32 32 32 32
路段双向车道数 8 4 2 2
交叉口数量 4 16 64 64
单车道饱和流率(veh/h) 1800 1700 1600 2000
自由流车速(km/h) 50 40 30 45
表2
由表2看出,本实施例中模式四的综合出行费用最低,故单向2车道路网模式为规划区域推荐的路网模式。

Claims (5)

1.一种基于综合出行费用的城市路网模式选择方法,其特征是按如下步骤进行:
步骤1、设定可选择的四种方格型路网模式分别是:
模式一:双向8车道路网模式,模式二:双向4车道路网模式,
模式三:双向2车道路网模式,模式四:单向2车道路网模式;
步骤2、综合考虑车辆的燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性三个指标,分别给定各指标的权重,构建城市路网综合出行费用目标函数;
步骤3、划定城市路网规划区域,通过城市规划部门或调研获取所述规划区域内的交通流量;
步骤4、以所述规划区域内的交通流量为自变量,根据所述城市路网综合出行费用目标函数分别计算获得车流在四种不同方格型路网模式下横穿规划区域所需要的综合出行费用,选定综合出行费用最小的路网模式作为所述规划区域的推荐路网模式。
2.根据权利要求1所述的基于综合出行费用的城市路网模式选择方法,其特征是:针对任一路网模式,所述城市路网综合出行费用目标函数包括路段综合出行费用函数和交叉口综合出行费用函数,由式(1)表征;
式(1)中,以r表示路径集,是指车辆在规划区域从设定的起点到达设定的终点的所有路径的集合,以p表示路径集r中的任一条路径,以N表示交叉口集,是指规划区域内所有交叉口的集合,以n表示交叉口集N中的任一交叉口,以i表示交叉口n上的任一进道口,以j表示交叉口n的进道口i中的任一车道组j;以A表示路段集,是指规划区域内所有路段的集合,以a表示路段集A中的任一路段;
为车辆按路径p在所述规划区域行进所产生的综合出行费用;
COSTa为规划区域内路段a的综合出行费用;
COSTnij为规划区域交叉口n中,车辆自进道口i进入交叉口,并按车道组j通过交叉口的综合出行费用;
为0或1变量,若路径p包含路段a,则否则
为0或1变量,若路径p包含规划区域交叉口n,且车辆自进道口i进入交叉口,并按车道组j通过交叉口,则否则
3.根据权利要求1所述的基于综合出行费用的城市路网模式选择方法,其特征在于:
式(1)中的综合出行费用COSTa是由式(2)计算获得:
COSTa=ω1EaP12TaP23γ(Ta)P3 (2),
其中,Ea为车辆行驶通过路段a产生的燃油消耗;Ta为车辆行驶通过路段a的行程时间;γ(Ta)为车辆行驶通过路段a的行程时间不可靠性;P1,P2,P3一一对应为燃油消耗、行程时间、行程时间不可靠性的单位费用;ω1,ω2,ω3一一对应为燃油消耗、行程时间和行程时间不可靠性在综合出行费用中的权重系数,所述权重系数ω1,ω2,ω3根据城市规划要求进行设定;
式(1)中的综合出行费用COSTnij是由式(3)计算获得:
COSTnij=ω1EnijP12DnijP23γ(Dnij)P3 (3),
其中,Enij为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n产生的燃油消耗;Dnij为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误;γ(Dnij)为车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误波动。
4.根据权利要求3所述的基于综合出行费用的城市路网模式选择方法,其特征在于:
式(2)中的车辆行驶通过路段a产生的燃油消耗Ea由式(4)计算获得:
Ea=la(k1qa 2+k2qa+k3) (4),
la为路段a的长度;qa为路段饱和度;
k1,k2,k3为拟合参数,均为常数;
对于双向8车道路网模式,k1=7.810,k2=-7.530,k3=7.789;
对于双向4车道路网模式,k1=6.907,k2=-6.229,k3=7.957;
对于双向2车道路网模式,k1=5.197,k2=-2.858,k3=7.792;
对于单向2车道路网模式,k1=7.171,k2=-7.771,k3=7.976;
式(2)中的车辆行驶通过路段a的行程时间Ta由式(5)计算获得:
Ta=t0(1+αqa β) (5),
其中,t0为车辆在自由流情况下行驶通过路段a的行程时间;α和β的取值分别为:α=0.15,β=4;
式(2)中的车辆行驶通过路段a的行程时间不可靠性γ(Ta)由式(6)计算获得:
γ(Ta)=1-R(Ta) (6),
其中,R(Ta)是由式(7)计算获得的路段a的行程时间可靠性:
是对出行现实情况的期望指标,即路段行程时间阈值,取值为1~2。
5.根据权利要求3所述的基于综合出行费用的城市路网模式选择方法,其特征在于:
式(3)中的所述车辆通过交叉口n所产生的燃油消耗Enij由式(8)计算获得:
Enij=ln(h1qn 2+h2qn+h3λ+h4) (8)
qn为交叉口n的饱和度;λ为交叉口n的绿信比;
对于双向8车道路网模式,h1=26.462,h2=-12.155,h3=-9.397,h4=17.950;
对于双向4车道路网模式,h1=24.741,h2=-9.706,h3=-9.093,h4=17.604;
对于双向2车道路网模式,h1=28.302,h2=-11.193,h3=-8.791,h4=18.301;
对于单向2车道路网模式,h1=23.625,h2=-12.777,h3=-8.568,h4=14.339;
式(3)中的所述车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误Dnij由式(9)计算获得:
Dnij=d1+d2+d3 (9),
其中,d1为均匀延误,指车辆按照均匀分布形式到达交叉口n所产生的交叉口车均延误,d1由式(10)计算获得:
d2为增量延误,指车辆由于非均匀到达、个别车辆事故或车道组的饱和程度的因素,在分析周期内所产生的交叉口车均附加延误,d2由式(11)计算获得:
d3为初始排队延误,是指在分析期开始时上个周期遗留的排队车辆所引起的附加交叉口车均延误;
其中,X为车道组的饱和度;C为车道组的通行能力;T为分析持续的时长;k为感应控制的增量延误修正系数;I为按上游信号灯车辆换车道和调节的增量延误修正系数;
式(3)中的所述车辆从进口道i中车道组j行驶通过交叉口n的交叉口车均延误波动γ(Dnij)由式(12)计算获得:
γ(Dnij)=P(Dnij≥θDnij) (12),
其中,θ为出行者所能接受的交叉口车均延误的上限值,即交叉口车均延误阈值。
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