CN109859466A - 一种基于通行能力的交通拥塞率计算方法 - Google Patents
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Abstract
本方法综合应用专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法”（申请号为201811200716.0）的时空容量子方程，以及专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（申请号为201811172485.7）的时空容量与时空方程等研究成果，使用演绎推理方式，建立一种基于通行能力计算交通拥塞率的方法。本方法逻辑清楚，简便易行，可以获得了传统理论难以获取的交通拥塞率数值。从应用范围上看，本方法从时空化角度开展的交通通行能力和拥塞率分析，可广泛应用于各类交通运输领域和相关电子信息领域，具有重大的应用价值。
Description
技术领域
本发明研究一种基于通行能力的交通拥塞率计算方法，融合了专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（申请号为201811172485.7）和专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法”（申请号为201811200716.0）两种新型时空分析法的成果，使用演绎推理方式，建立一种基于通行能力计算交通拥塞率的方法，适用于各类交通领域和相关电子信息领域。
背景技术
在日常生活中，交通拥塞问题已成为人类交通中十分普遍，十分尖锐的问题。
交通工程学就是研究交通规律及其应用的一门技术科学，其中，道路的通行能力和服务水平是交通工程学的基本概念，它们从不同的角度反映了道路的性质与功能。
通行能力主要反映道路服务数量的多少或能力的大小，是在一定的时间段内和在通常的道路、交通、管制条件下，能合理的期望人和车辆通过道路某一断面或地点的最大交通体数量。
道路服务水平主要反映了道路服务的质量或满意程度，是道路使用者根据交通状态，从速度、舒适、方便、经济和安全等方面得到的服务程度，即在某种交通条件下所提供运行服务的服务质量。针对不同的道路场景使用不同的服务水平评估指标，主要包括密度（pcu/(km·ln)）、V/C（实际通行能力/设计通行能力）密度、交通量（pcu/(h·ln)）、延误率（%）、平均速度（km/h）、车辆排队数（辆）等等。
目前，国际上对道路通行能力的研究，都是从观测入手，经过归纳分析获得。这种研究以美国为代表，美国于20世纪40年代起，其他国家陆续跟进，由政府组织研究小组，基于大量观测数据，编制出通行能力手册，提出了基本通行能力、可能通行能力和实际通行能力、服务水平、路网容量等概念，取得了许多科研成果。
但是，由于实际的道路交通系统是由人、车、路相互作用构成的复杂系统，交通工程学的现有理论中，还缺少一种能够反映这个复杂系统的理论，道路通行能力和服务水平大都使用一些测量数据和经验公式来评估。比如，参考美国的六级服务水平标准来来评估，在应用上一来缺少理论指导，二来各国的国情和交通状况不同，难以准确评估实际道路交通状况。
专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（专利申请号为201811172485.7，以下简称宏观时空分析法）通过研究交通拥塞的时间和空间本质，参考物理学的牛顿时空观和相对论时空观，建立了交通特色的时空观，运用欧式空间几何、闵氏时空几何、运筹学等数学工具，用时空方程的形式揭示了交通拥塞与时空化通行能力之间相对变化的规律，反映了交通流的宏观特性。
专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法” （专利申请号为201811200716.0，以下简称微观时空分析法），融合现有的微观交通流理论，应用现代物理学量子论的思维方法，研究交通单元占用交通道横截面上的时空化交通容量，建立交通单元的时空容量子模型，体现了交通流的微观特征。
传统交通工程学理论中，交通拥塞率的获取是一个难点，以下将研究一种新型的交通拥塞率计算方法，解决这个难点。
发明内容
宏观时空分析法反映了交通流的宏观特性，微观时空分析法反映了交通流的微观特征，本发明将融合了宏观时空分析法和微观时空分析法两种新型的基础理论研究成果，以时空化通行能力为媒介，建立一种基于通行能力计算交通拥塞率的方法，步骤如下所示：
步骤一，选择观测面，设置M/M/s等待制交通排队系统；
选定一条道路单个方向的横截面，车道数为s，通行时间不受限制，且等待位置足够长。应用交通流理论的概率论方法，假设交通单元的平均到达率为λ，平均服务率为μ，且交通单元的到来服从参数为λ的泊松过程，每个交通单元的服务时间服从参数为μ的负指数分布，由于假设这个系统的等待位置可以是无穷远，则该系统的模型为M/M/s等待制排队系统。
步骤二，测量单位时间内通过观测面上的交通单元的数量n、平均车长l、平均速度v、交通行为等数据；
步骤三，应用微观时空分析法的容量子时空方程，结合交通单元的驾驶行为，得到交通单元的时空容量子ci的大小；
交通单元通过观测面的最小时长t0 如公式(1)所示
(1)
其中，T为驾驶员安全反应时长，时间单位常用秒来表示；
L0为车辆自身长度l与安全距离之和。
如果通过观测面时，第i个交通单元沿着车道正常行驶，利用公式(1)，则第i个交通单元通过交通道横截面时占用的时空容量ci，如公式(2)所示
(2)
如果通过观测面时，第i个交通单元有一次变道行为，利用公式(1)，则第i个交通单元通过交通道横截面时占用的时空容量ci，如公式(3)所示，
(3)
需要注意的是，公式(1)、公式(2)和公式(3)中测量和计算交通单元通过观测面的最小时长t0时，时间单位常用秒来表示。
步骤四，在单位时间内，累加所有交通容量子的大小，获得交通流通过观测面时占用的时空化容量a，如公式(4)所示，
(4)
如果单位时间为1小时，则公式(4)可以转化为以下公式(5)，
(5)
根据交通拥塞率，利用时空方程，计算出以时空方式计量的交通通行能力；
另外，在宏观时空分析法中，时空化交通密度ρ的计算公式如公式(6)所示，
(6)
式中，ρ时空化交通密度，s表示通道数，a表示时空化的交通道业务量。结合公式(5)和公式(6)，就可以获得观测面处的时空密度ρ。
步骤五，参考宏观时空分析法，根据交通流通过观测面时占用的时空化容量a，利用时空方程，计算出交通拥塞率B的大小，时空方程如公式(7)所示，
(7)
其中，B表示交通单元需要等待的概率（即时间延误率，或者拥塞率），s表示通道数，a表示时空化的交通道业务量，p0表示排队系统中没有交通单元的概率。
这样，基于宏观时空分析法和微观时空分析法，用演绎推理的方式，基于观测面上交通流通过观测面时占用的时空化容量a，成功获得了交通道的交通拥塞率。
技术应用
步骤一，设置M/M/s等待制交通排队系统，选定一条道路单个方向的横截面，车道数s等于2，通行时间不受限制，且等待位置足够长；
步骤二，如果在单位时间（1小时）内，通过交通道横截面的车辆数有1800辆，平均车长为6米，安全间距为2米，驾驶员平均反应时长为1秒，平均车速为40千米/小时；
步骤三，由公式(1)可得车辆安全通过横截面的最小时长t0，如公式(8)所示，
(8)
如果车辆在道路横截面上都是沿着车道正常行驶，将t0数值代入公式(2)，可得车容量子c的大小，如公式(9) 所示
(9)；
步骤四，应用公式(5)，获得单位时间内交通流通过观测面时占用的时空化容量a，如公式(10)所示，
(10)；
步骤五，应用公式(7)，获得1小时内，交通道横截面处的交通拥塞率B，如公式(11)所示，
(11)。
Claims (1)
1.本发明研究使用演绎推理的方式，建立一种基于通行能力获得交通拥塞率的计算方法，其特征在于，包括：
步骤一，选择观测面，设置M/M/s等待制交通排队系统；
选定一条道路单个方向的横截面，车道数为s，通行时间不受限制，且等待位置足够长，
应用交通流理论的概率论方法，假设交通单元的平均到达率为λ，平均服务率为μ，且交通单元的到来服从参数为λ的泊松过程，每个交通单元的服务时间服从参数为μ的负指数分布，由于假设这个系统的等待位置可以是无穷远，则该系统的模型为M/M/s等待制排队系统；
步骤二，测量单位时间内通过观测面上的交通单元的数量n、平均车长l、平均速度v、交通行为等数据；
步骤三，应用专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法” （专利申请号为201811200716.0，以下简称微观时空分析法）的容量子时空方程，结合交通单元的驾驶行为，得到交通单元的时空容量子ci的大小；
交通单元通过观测面的最小时长t0 如公式(1)所示
(1)
其中，T为驾驶员安全反应时长，时间单位常用秒来表示，L0为车辆自身长度l与安全距离之和，如果通过观测面时，第i个交通单元沿着车道正常行驶，利用公式(1)，则第i个交通单元通过交通道横截面时占用的时空容量ci，如公式(2)所示
(2)
如果通过观测面时，第i个交通单元有一次变道行为，利用公式(1)，则第i个交通单元通过交通道横截面时占用的时空容量ci，如公式(3)所示，
(3)
需要注意的是，公式(1)、公式(2)和公式(3)中测量和计算交通单元通过观测面的最小时长t0时，时间单位常用秒来表示；
步骤四，在单位时间内，累加所有交通容量子的大小，获得交通流通过观测面时占用的时空化容量a，如公式(4)所示，
(4)
如果单位时间为1小时，则公式(4)可以转化为以下公式(5)，
(5)；
步骤五，参考专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（专利申请号为201811172485.7，以下简称宏观时空分析法），根据交通流通过观测面时占用的时空化容量a，利用时空方程，计算出交通拥塞率B的大小，时空方程如公式(6)所示，
(6)
公式(6)中，B表示交通单元需要等待的概率（即时间延误率，或者拥塞率），s表示通道数，a表示时空化的交通道业务量，p0表示排队系统中没有交通单元的概率，这样，基于宏观时空分析法和微观时空分析法，用演绎推理的方式，经过以上五个步骤，将观测面上交通流相关数据，转化为横截面上交通流占用的时空化交通容量，进而获得交通拥塞率的数值大小。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114120654A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-03-01 | 南京原力智能科技有限公司 | 一种道路行驶车辆数对路网通行能力影响的通用计算方法 |
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