CN109902864A - 一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通工程技术领域，涉及一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法。包含以下步骤：(1)设定道路网络均衡假设；(2)构建基于网络均衡的交通流再分配模型；(3)求解基于网络均衡的交通流再分配模型；(4)基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈；(5)基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法；本发明改进了传统定性分析方法，引入“交通瓶颈”概念，面向施工影响区域的特殊道路及交通条件，从道路网络整体层面，以网络均衡为目标，建立基于网络均衡的交通流再分配模型，并且设置合理的约束条件，充分利用周边路网的通行能力，均衡分配交通流量。

Description

一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法

技术领域

本发明属于交通工程技术领域，涉及一种交通工程领域中施工区交通组织方案设计的方法，具体是一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法。

背景技术

城市道路改建项目能够改善交通环境、缓解交通压力，但施工期间会造成周边道路服务水平降低，从引发周边区域内交通堵塞、出行延误。合理的施工区交通组织方法，能够充分发挥路网功能，利用周边路径缓解施工区局部压力，同时缓解施工项目在交通方面的负面影响，保障项目正常进行。现有施工区交通组织方案的研究主要集中在三个方面：

(1)交通流分配模型研究。P.Marcotte和D.L.Zhuu使用经典理论中的平衡点算法，求解模型，而且验证了该方法的良好收敛性。Henk Taale和Adam Pel就是如何有效地计算确定性和随机性的动态用户平衡进行了研究。基于Agent技术，蔡立艳，朱道立使用Java语言模拟出行者，经过不断的迭代更新，能够模拟出动态的交通均衡分配状态。杜丽娜着重研究了在交通需求不发生变化的前提下，如何进行交通量的均衡分配，同时还证实说明了方向搜索法解决该类模型的优势所在。何胜学，范炳全，谢劲松提出了关于引入了非稳定情况下的均衡网络状态的概念，综合考虑居民出行的不同目的、路径和方式选择等各种组成要素，较为完整的展现路网交通流，并且以此为基础，新建了非线性互补问题模型。何胜学综合考虑了车流在路网中的交叉口、路段所遇到的阻抗，建立了变分不等式模型。

(2)交通组织优化研究。Richard W.Lyles等人重点讨论了占道施工的围挡方式，以及相应的组织方式和交通设施的管理。Sarasua，Mululmtla等认为在施工期间，由于道路封闭，其通行能力受损，于是修改了路段通行能力的计算方法。最后根据实际测算的交通结果进行了验证。夏海平[等研究了在复杂网络下，如何确定合理的交通组织措施，并以重庆市某一交叉口的施工项目为例，设计其组织方案并进行评价分析。范旭东等人提出了“三层调流体系”：沿线、近端、远端，通过分析干道施工对周边路网的影响，从沿线、到法以及过境交通的范围阐明调流方案。王世彬以南昌市滨江大道站施工为例，探讨背景OD矩阵的推翻方法，并以此为基础计算转向比例，从交叉口的角度设计相应的组织方案。李铁军根据路段的通行能力、饱和度、交叉口延误等基本属性个判断施工对周边路网的影响程度，以定量的方式确定需要进行改造的路段，制定合理的交通措施。

(3)道路交通组织方案仿真研究。James Dimply在以曼哈顿中心区的实际交通情况进行案例分析，以动态的路径分配结果为基础，提出了微观层面上的交通仿真模型，并在不同的组织方案下进行仿真评价。Vissim在多数情况下会应用于路网的微观仿真，模拟交通信号控制系统，比如根据交叉口各进口道的转向比例与饱和度，预测交叉口处的延误。张庆^]分析了交通仿真技术在交通组织领域的应用，但仅对交叉口的交通特性进行分析，从微观层面进行评价较为局限。李淑庆引入了基于交通需求的分配方式，考虑到整体路网及交通节点两个宏观、微观层面，确定了较为综合的仿真评价体系。李永义在对施工影响区域的交通状况进行研究时，利用Vissim软件仿真施工区周边的交通现状，总结了较为完善的多指标微观评价准则。

通过对国内外相关文献的总结，将现有施工区交通组织方案研究的局限性总结如下：

(1)国内外学者在交通组织方案研究方面并未根据路网均衡分配的原则与目标进行组织和改进，仅从定性的角度筛选需要进行分流或改造的路段，缺少定量的研究。

(2)现有项目施工期间的交通组织方案没有充分考虑路网中的各个影响因素，路段与交叉口的组织方案不能相互协调，单方面的从“线段”或“节点”实行管制措施。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中缺少定量组织方法和整体网络效益考虑的不足，提出一种以网络均衡配载为目标，结合定性与定量方式，统筹考虑交通网络中路段与交叉口协同组织，识别并消除施工期交通瓶颈，使交通流在道路网络中均衡分配的交通组织方案。该方法在考虑路网均衡分配的基础上，建立交通流再分配模型；在交通组织方案设计的一般原则下，对基于道路网络均衡分配的交通组织方案进行设计，从路网层面进行整治，对交通流、交叉口等方面组织，设计出交通组织方案。

一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法，包含以下步骤：

(1)设定道路网络均衡假设；

(2)构建基于网络均衡的交通流再分配模型；

(3)求解基于网络均衡的交通流再分配模型；

(4)基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈；

(5)基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法；

步骤(1)中所述道路网络均衡假设是指：

①所有的道路用户均趋于选择最短的路径到终点；

②所有的道路用户依据路线的成本选择最优的路径；

③所有的道路用户都知道各条线路的基本属性和信息，道路信息可通过大数据及智能协同技术及时传播；

步骤(2)中所述构建基于网络均衡的交通流再分配模型，具体模型如下：

1)以Wardrop第一原理为基础，提出模型基本公式：

Wardrop第一原理即：当路径用户准确地了解路网的交通状况并尝试选择最短路径时，网络将实现均衡分布；它可以表示为一个具有极小化目标和一定流量约束条件的数学规划问题：

S.t.

式中：

i,j表示交叉口，(i,j)表示两个交叉口之间的路段

h表示交叉口转弯方向，可取左、直、右三种

x_ij表示路段(i,j)的流量

r_ij(·)表示路段(i,j)的路段阻抗，如果节点i和j不相邻，则r_ij(·)＝∞

x_ijh表示路段(i,j)流向方向h的路段流量

d_ijh(·)表示路段(i,j)流向方向h的交叉口阻抗

H_ij表示路段(i,j)的各下游交叉口集合

f^rs表示连接OD对r-s的第k条路径上的交通量，(pch/h)

q_rs表示r-s之间的OD量(pch/h)

表示连接OD对之间的第k条路径，连通；不连通

在模型中，代表路段总延误，代表交叉口总延误，模型目标为二者之和最小，该模型可以得到满足Wardrop第一原理的唯一最优解；

2)设定路阻函数：

路段延误函数：

交叉口延误函数：

式中：

e_ij表示路段(i,j)的通行能力

s_ijh表示进口道(i,j,h)的饱和流量

c_j表示交叉口j的信号周期

λ_ijh表示流量(i,j,h)的绿信比

α，β表示常数

3)添加驾驶人容忍限度约束，约束条件公式为：

式中：表示驾驶人对第k条路段拥挤的容忍系数

步骤(3)中所述求解基于网络均衡的交通流再分配模型，求解步骤如下：

第一步：初始化，令路段流量计算初始路阻

第二步：实行一次0-1分配，得到各路段的流量记迭代次数n＝1；

第三步：更新各路段的阻抗

第四步：寻找下一步的迭代方向；按照实行一次0-1分配，得到交通流再分配模型的最优解沿方向进行迭代搜索；

第五步：确定迭代步长λ，并确定新的迭代起点：

第六步：当满足一定的收敛条件则停止计算；否则，令n＝n+1，返回第三步；

计算结束；

步骤(4)中所述基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈，是以交通流均衡分配得到的路段交通量作为定量基础，以路段服务水平分析和交叉口延误分析作为定量指标，以城市道路路段及交叉口饱和度与交通瓶颈识别标准为定量标准，进行路段瓶颈与交叉口瓶颈辨识，具体步骤如下：

1)路段瓶颈辨识

①调查得到道路车道理论通行能力与车道数，结合实际交通状况和道路状况确定道路分类折减系数、车道宽度折减系数、车道数折减系数、横向干扰折减系数，并由此计算道路实际通行能力；

②计算道路饱和度，并根据城市道路服务水平及交通状态划分标准，判别拥挤状态，辨识路段瓶颈。

2)交叉口瓶颈辨识

①利用Vissim软件对交叉口各入口道的转向与信号配时等进行仿真，输出交叉口的延误时间。

②根据城市道路交叉口饱和度与交通瓶颈识别标准，判别拥挤状态，辨识交叉口瓶颈。

步骤(5)中所述基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法，是提出在网络流量均衡分配约束下的施工区交通组织与交通信号控制方法，具体步骤如下：

基于施工区内各交通因素的交通特征和影响范围，结合传统交通组织设计方式，统筹考虑路段和交叉口，进行交通组织，包括：

1)路段交通组织

2)交叉口渠化交通

根据优化后的施工区交通组织方案，进行交通流再分配，并重新计算服务水平和延误，判断是否满足交通需求；若是，则优化交通信号控制，否则重新进行交通组织；

3)优化交通信号控制

交通信号控制是基于道路网络的交通数据确定交通信号的时间控制标准。智能交通控制从受控区域的最小延迟时间开始，调整以获得最优的信号配时。包括：

①计算交叉口各方向系数：

使用极大熵估计法计算各个进口道的转向流量，

式中：

I(F)表示分配在各方向上的概率

x表示通过该交叉口的总车辆数(pch)

f_h表示分配在各个方向上的流量(pch)

转化成求最大熵的问题，采用牛顿法求出F＝(f₁,……,f_n)；

②优化信号周期时长与信号配时：

以交叉口进口道车辆总延误最小化为目标构建交叉口信号配时优化模型，计算信号周期时长及各相位有效绿灯时间，具体如下：

S.t

c_min≤c₀≤c_max

α≤0.95

式中：

c表示信号周期时长

g_w表示第w个相位的绿灯时间

d_wv表示第w个相位第v个进口道车辆平均延误时间

q_wv表示第w个相位第v个进口道实际流量

L表示每个周期损失的时间之和(s)

c_min表示最小周期时长，c₀表示最优周期时长，c_max表示最大周期时长

α表示交叉口饱和度约束

假定初始周期为最小周期长，以2s为步长向上搜索，得到使效益函数最小的周期时长和信号配时方案。

根据优化后的施工区交通控制方案，进行交通流再分配，利用Vissim进行仿真，判断交叉口延误是否减小；若是，则输出交通组织方案，否则重新进行信号控制优化。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

(1)面向施工影响区域的特殊道路及交通条件，从道路网络整体层面，以网络均衡为目标，建立基于网络均衡的交通流再分配模型，并且设置合理的约束条件，充分利用周边路网的通行能力，均衡分配交通流量。

(2)改进了传统定性分析方法，引入“交通瓶颈”概念，以交通流分配得到的路段交通量作为定量基础，以服务水平和交叉口延误作为定量指标，在以往施工区道路交通组织方法的基础上，综合考虑道路网络中的交叉口和道路路段，进行合理的交通组织。

(3)在交通瓶颈的形成原理和交通特性基础上，采取合理的交通组织方式以消除交通瓶颈。并以优化后的路网组织，重新进行交通流分配，判断组织优化效果。以交叉口车辆总延误最小为目标，建立信号配时优化模型，进行交叉口信号配时优化，基于优化后的控制方案，重新进行交通流分配，判断配时优化效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法步骤流程图；

图2是基于网络均衡的交通流再分配模型构建流程图；

图3是基于网络均衡的交通流再分配模型求解流程图；

图4是基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈流程图；

图5是基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法流程图

图6是实施例施工区地理位置与影响范围示意图；

图7是实施例施工区道路网络节点及路段描述示意图；

图8是实施例昆山路交通流组织方案示意图；

图9是实施例自由大路-东环城路交叉口组织方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

1、设定道路网络均衡假设

在本发明中，将道路网络均衡定义为：当路径用户准确地了解路网的交通状况并尝试选择最短路径时，网络将实现均衡分布。

假设如下：

①所有的道路用户均趋于选择最短的路径到终点；

②所有的道路用户依据路线的成本选择最优的路径；

③所有的道路用户都知道各条线路的基本属性和信息，道路信息可通过大数据及智能协同技术及时传播。

2、构建基于网络均衡的交通流再分配模型

本发明建立了基于网络均衡的交通流再分配模型，具体构建过程如附图2所示。

1)以Wardrop第一原理为基础，提出模型基本公式：

Wardrop第一原理即：当路径用户准确地了解路网的交通状况并尝试选择最短路径时，网络将实现均衡分布；它可以表示为一个具有极小化目标和一定流量约束条件的数学规划问题：

S.t.

式中：

i,j表示交叉口，(i,j)表示两个交叉口之间的路段

h表示交叉口转弯方向，可取左、直、右三种

x_ij表示路段(i,j)的流量

r_ij(·)表示路段(i,j)的路段阻抗，如果节点i和j不相邻，则r_ij(·)＝∞

x_ijh表示路段(i,j)流向方向h的路段流量

d_ijh(·)表示路段(i,j)流向方向h的交叉口阻抗

H_ij表示路段(i,j)的各下游交叉口集合

f^rs表示连接OD对r-s的第k条路径上的交通量，(pch/h)

q_rs表示r-s之间的OD量(pch/h)

表示连接OD对之间的第k条路径，连通；不连通

在模型中，代表路段总延误，代表交叉口总延误，模型目标为二者之和最小，该模型可以得到满足Wardrop第一原理的唯一最优解；

2)设定路阻函数

对于施工区影响范围内的城市道路，车辆在交叉口的延误时间在整体出行时间约占20％～40％的比例，并且不同流向的平均延误明显不同。本发明在基本交通流分配模型的基础上加入交叉口阻抗。将BPR路阻函数作为路段延误r_ij(x_ij)，交叉口延误d_ijh(x_ijh)采用美国《通行能力手册》的延误公式。

路段延误函数：

交叉口延误函数：

式中：

e_ij表示路段(i,j)的通行能力

s_ijh表示进口道(i,j,h)的饱和流量

c_j表示交叉口j的信号周期

λ_ijh表示流量(i,j,h)的绿信比

α，β表示常数，美国公路局建议取值α＝0.15，β＝4

BPR路阻函数中，参数值是通过观测美国道路网的交通数据进行标定而得的，常用在道路条件良好、交通流组成比较单一的高级公路。本发明考虑到国内外交通背景与环境的差异以及过饱和交通流的存在，在建立基于网络均衡的交通流再分配模型时，对过饱和状态的路径加以限制，添加驾驶人容忍限度约束。

3)添加驾驶人容忍限度约束

驾驶人容忍限度约束：当路段的饱和度控制在一定范围之内，车流运行通畅，不会产生较大的路段延误，其拥挤程度在司机的忍受范围内，可在该路段分配一定的流量；当超过这个饱和度上限，并且不在驾驶人有限理性和认知更新的容忍度条件下，判断路段处于拥堵状态，不能分配多余的流量。公式如下：

式中：

表示驾驶人对路段k拥挤的容忍系数。根据专家研究经验，通行饱和度大于0.85时，车辆通行不畅的驾驶人会选择其他备选路径。因此，取容忍系数上限为0.85。

3、求解基于网络均衡的交通流再分配模型

本发明利用Frank-Wolfe算法求解所建立的用户网络均衡分配模型，见附图3。求解步骤如下：

第一步：初始化，令路段流量计算初始路阻

第二步：实行一次0-1分配，得到各路段的流量记迭代次数n＝1；

第三步：更新各路段的阻抗

第四步：寻找下一步的迭代方向；按照实行一次0-1分配，得到交通流再分配模型的最优解沿方向进行迭代搜索；

第五步：确定迭代步长λ，并确定新的迭代起点：

第六步：当满足一定的收敛条件则停止计算；否则，令n＝n+1，返回第三步；

计算结束。

4、基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈

交通瓶颈是指行驶至路网中的某个路段或交叉口时，由于该路段或节点的通行能力不能满足交通量需求，造成车流密度增大、车辆行驶速度减小，饱和度增加，交通延误变大等，当超过一定的范围后，该路段或交叉口即被判断为交通瓶颈。

本发明以路网均衡分配的最终目的为设计目标与原则，引入“交通瓶颈”的概念与辨识方法，以交通流均衡分配得到的路段交通量作为定量基础，以路段服务水平分析和交叉口延误分析作为定量指标，以城市道路路段及交叉口饱和度与交通瓶颈识别标准为定量标准，判断施工后周边路网中的路段与交叉口瓶颈，并综合考虑交叉口与路段两方面的影响，设计交通组织方案。下面结合附图4说明具体步骤：

(1)路段瓶颈辨识

本发明采用路段服务水平分析法来识别路段交通瓶颈。依据国内城市道路设计规范中的道路设计通行能力，结合具体施工区域实际交通状况和道路状况来计算评价城市道路服务水平及交通状态。并根据表2所示标准来判断城市道路路段瓶颈。

表1道路实际通行能力计算

注：干扰程度差别较大，干扰系数按实际或预测情况采用；交通秩序较差的路段，干扰系数数值再减小0.05-0.10取用。

C_P＝C_B×γ₁×γ₂×γ₃×γ₄×N

式中：

C_P表示道路实际通行能力；

C_B表示车道设计通行能力；

γ₁表示道路分类折减系数；

γ₂表示车道宽度折减系数；

γ₃表示车道位置折减系数；

γ₄横向干扰折减系数；

N表示车道数。

表2城市道路服务水平及交通状态划分标准

(2)交叉口瓶颈辨识

本发明采用交叉口延误分析与服务水平评估法来识别交叉口瓶颈。在充分考虑信号控制交叉口的交通流特征基础下，根据交叉口处的延误时间长短判断各节点的交通瓶颈。利用Vissim软件对交叉口各入口道的转向与信号配时等进行仿真，输出交叉口的延误时间。并根据表3所示标准来判断城市道路交叉口瓶颈。

假设：①信号交叉口的信号控制方式、周期时长、信号配时、进口道车道功能划分已知；②以进口道停车线为基准断面，通过停车线断面的车辆己经进入交叉口并将通过交叉口。

表3城市道路交叉口饱和度与交通瓶颈识别标准

5、基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法

本发明综合考虑交叉口与路段两方面的影响，对基于网络均衡配载结果设计交通组织方案，消除路段和交叉口交通瓶颈。下面结合附图5说明具体步骤。

(1)路段交通组织

根据路段服务水平分析和交叉口延误分析的结果，分析各个瓶颈形成的原因，本发明对交通瓶颈的消除提出了以下方式，并给出了方式实施的具体指标和原则：

①交通分流

根据施工组织计划，将施工前该路线所承担的流量分散到附近或与其平行的路径上，满足周边区域高峰时期的出行需求。在施工期间，进行交通分流时应综合考虑以下三个指标，具体应遵循以下原则：

Q<C：不需要做分流处理；

Q>C且Q<C+M_p：可视平行道路实际情况做分流处理；

Q＝C：分流诱导的目的是满足交通需求，但当供需平衡时，不恰当的分流措施会对其

他道路车流的正常运行产生影响。因此，在此情况下，建议不分流；

Q>C且Q>C+M_p：不能做分流处理，使用交通管制措施控制出行需求总量。

其中：Q(pch)实际交通量的大小；

C(pch)路段通行能力情况；

M_P(pch)平行或相邻道路剩余等效通行能力状况。

②组织单向交通

当一条路段上的双向交通流量相差很大时，可以考虑设置单向交通，可以减少原来对向行驶车辆的横向干扰，增大汽车的行驶速度，减少车辆在路段上的延误，并且还可以简化交叉口的相位配时方案，进一步减小车流在交叉口处遇到的交通延误。

(2)交叉口渠化交通

渠化交通目的是明确混合交通中各种交通流在空间上的道路使用权，最大限度地减少冲突，使得不同方向的交通流在路段或交叉路口上更平稳地运行。

①设置车道标线、隔离带或路滑带，将道路按不同性能、不同方向及不同速度的车辆划分为不同的车道，避免车辆之间的相互干扰及影响，分离交错的交通流，从而保证行车安全；

②设置交通岛，使原本斜交对冲的车辆变成直角或锐角交织，减少冲突面积，避免车辆行驶混乱；

③设置交通岛以限制进口车道的宽度，控制车辆的行驶速度，防止因超车而发生交通事故；

④设置交通岛，为转弯车辆提供安全等待、停靠的场所，以用来分离混合交通流、保护转弯和直行车辆；

⑤在人行道上设置安全岛，为行人过街提供安全保障，尤其保护老人、小孩和残疾人的利益。

交叉口渠化交通设计的前提是对交叉口进行现场调查，然后再按照交叉口的几何条件、交通状态等对交叉口进行布置。

对施工区影响范围内的路段和交叉口按照以上方式进行交通组织优化后，得到基于网络均衡配载的施工区交通组织方案。利用TransCAD模拟优化后的路网条件以及相应的组织措施，按照基于网络均衡的交通流再分配模型，根据优化后的施工区交通组织方案，进行交通流再分配。根据分配结果，重新进行路段服务水平和交叉口延误分析，判断组织方案是否合理，若无法满足相应的交通需求或改善交通问题时，则重新设计组织方案。若能满足交通需求，则进行交叉口交通信号控制优化。

(3)优化交通信号控制

交通信号控制是基于道路网络的交通数据确定交通信号的时间控制标准。智能交通控制从受控区域的最小延迟时间开始，调整以获得最优的信号配时。

①计算交叉口各进口道方向系数

使用极大熵估计法，计算各个进口道的转向流量流量。

式中：

I(F)表示分配在各方向上的概率；

x表示通过该交叉口的总车辆数(pch)

f_h表示分配在各个方向上的流量(pch)

将其转化成求最大熵的问题，

S.t

PF＝V

F>0

采用牛顿法求出F＝(f₁,……,f_n)；

②优化信号周期时长与信号配时

以交叉口进口道车辆总延误最小化为目标构建交叉口信号配时优化模型，计算信号周期时长及各相位有效绿灯时间，公式如下：

S.t

c_min≤c₀≤c_max

α≤0.95

式中：

c₀表示最优的周期时长(s)

q_wv表示第w个相位第v个进口道实际流量

g_w表示第w个相位的绿灯时间

L表示每个周期损失的时间之和(s)

c_min表示最小周期时长，c_max表示最大周期时长

α表示交叉口饱和度约束；

假定初始周期为最小周期长，以2s为步长向上搜索，得到使效益函数最小的周期时长和信号配时方案。

对施工区影响范围内的信号交叉口按照以上方式进行交通信号控制优化后，得到基于网络均衡配载的施工区交通信号控制方案。按照基于网络均衡的交通流再分配模型，更新交叉口阻抗，重新进行交通流分配。利用交通仿真软件Vissim将交通再分配的路段流量及交叉口的信号配时调整输入到仿真平台上，进行主要交叉口配时优化后的以及新增信号控制交叉口的延误仿真。进行交通控制方案实施前后主要交叉口处的延误时间对比，判断交叉口延误是否减小，若交叉口延误未得到有效缓解，则重新优化交通信号控制。若能满足交通需求，则得到考虑网络配载均衡的施工区的交通组织方案。

实施例

本发明所述的一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法实施例给出了实施过程和求解结果，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1、本发明所述方法应用于长春市经开区旧城改造提升项目中浦东路(临河街-东环城路)道路工程案例进行详述。

该施工区按照施工要求预计将封闭三个月；在浦东路与东环城路交会附近，路口已采取封闭措施。由干道合围法确定施工区的交通影响范围为：自由大路、东南湖大路、东部快速路、福州街围成的区域。施工区地理位置及影响范围如附图6所示，对施工影响区域进行交通调查，计算各个路段的通行能力,如表4所示。

表4施工区主要道路实际通行能力

2、利用基于网络均衡的交通流再分配模型，对实施例范围内的交通需求进行均衡分配。

依据本发明建立的考虑网络配载均衡的交通流分配模型，将OD矩阵分配到路网中，得到路段交通量。利用TransCAD软件输出更直观的分配结果，并输出路段饱和度(V/C)。同时考虑受影响较大的交叉口，这些交叉口主要是由于分流诱导措施造成车辆增加了交叉口转弯的频率，在Vissim软件上，对交叉口各入口道的转向与信号配时等进行仿真，输出交叉口的延误时间。

3、基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈。

根据本发明提出的交通瓶颈判断规则、交通流分配结果、路段饱和度及交叉口延误时间计算结果，辨识路网交通瓶颈，结果分别如表5、表6所示。其中施工区道路网络节点及路段描述如附图7所示。

表5路段饱和度及路段交通状态划分结果表

表6交叉口延误时间及交叉口交通状态划分结果表

由表可知，昆山路(会展大街-东环城路)、自由大路(东环城路-会展大街)路段认定为路段交通瓶颈，自由大路-东环城路交叉口、东南湖大路-东环城路交叉口、会展大街-浦东路交叉口认定为交叉口交通瓶颈。

4、基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法

利用本发明提出的交通瓶颈消除方法，进行施工区交通组织方案设计。

(1)路段交通组织

根据本发明所提出的路段交通组织方式以及方式实施的具体指标和原则，对昆山路进行如下的组织优化，具体如附图8所示：

①利用平行道路或相邻道路来分散东环城路转向浦东路的车流量，将东环城路与昆山路交叉口改为两个西向的进口道，将昆山路(会展大街-东环城路)双向两车道改为单向两车道。

②禁止会展大街的车辆转入昆山路路段(会展大街-东环城路)。

③考虑到自由大路原饱和度较高、服务水平较低，为缓解诱导交通量带来的交通压力，利用自由大路(东环城路至会展大街)路段的一条非机动车道改为机动车道，由原来的两车道改为三车道。

(2)交叉口渠化交通

根据本发明所提出的渠化交通的方式，以自由大路-东环城路交叉口为例，提出了以下渠化方案，渠化后的交叉口交通组织如附图9所示：

①对东出口进行渠化，将该出口渠化为3车道，将每条车道宽度设置为3米。

②由于东西方向的左转车辆较多，很大程度上影响了对向直行车辆的运行，所以将东西方向的隔离带向出口道方向压缩，布置交通岛，为左转车辆提供转向停靠的场所，相当于设置一条左转专用车道。

③将西进口道最外侧机动车道车道改为非机动车道。

④东出口的非机动车道被机动车任意停放而侵占，交通部门应对违规停车车辆进行监督管理。

(3)优化交通信号控制

根据本发明中所提出的信号交叉口配时方案设计模型，取最小周期时长为60s，最大周期时长为150s。以自由大路-东环城路交叉口为例，对交通信号控制方案进行调整，调整后的周期时长为125s，信号配时方案如表7所示。

表7调整后的交叉口信号配时方案

Claims (6)

1.一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)设定道路网络均衡假设；

(2)构建基于网络均衡的交通流再分配模型；

(3)求解基于网络均衡的交通流再分配模型；

(4)基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈；

(5)基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法。

2.根据权利要求1中所描述的一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法，其特征在于：

步骤(1)中所述道路网络均衡假设是指：

①所有的道路用户均趋于选择最短的路径到终点；

②所有的道路用户依据路线的成本选择最优的路径；

③所有的道路用户都知道各条线路的基本属性和信息，道路信息可通过大数据及智能协同技术及时传播。

3.根据权利要求1中所描述的一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法，其特征在于：

步骤(2)中所述构建基于网络均衡的交通流再分配模型，具体模型如下：

1)以Wardrop第一原理为基础，提出模型基本公式：

Wardrop第一原理即：当路径用户准确地了解路网的交通状况并尝试选择最短路径时，网络将实现均衡分布；它可以表示为一个具有极小化目标和一定流量约束条件的数学规划问题：

S.t.

式中：

i,j表示交叉口，(i,j)表示两个交叉口之间的路段

h表示交叉口转弯方向，可取左、直、右三种

x_ij表示路段(i,j)的流量

r_ij(·)表示路段(i,j)的路段阻抗，如果节点i和j不相邻，则r_ij(·)＝∞

x_ijh表示路段(i,j)流向方向h的路段流量

d_ijh(·)表示路段(i,j)流向方向h的交叉口阻抗

H_ij表示路段(i,j)的各下游交叉口集合

f^rs表示连接OD对r-s的第k条路径上的交通量，(pch/h)

q_rs表示r-s之间的OD量(pch/h)

表示连接OD对之间的第k条路径，连通；不连通

在模型中，代表路段总延误，代表交叉口总延误，模型目标为二者之和最小，该模型可以得到满足Wardrop第一原理的唯一最优解；

2)设定路阻函数：

路段延误函数：

交叉口延误函数：

式中：

e_ij表示路段(i,j)的通行能力

s_ijh表示进口道(i,j,h)的饱和流量

c_j表示交叉口j的信号周期

λ_ijh表示流量(i,j,h)的绿信比

α，β表示常数

3)添加驾驶人容忍限度约束，约束条件公式为：

式中：表示驾驶人对第k条路段拥挤的容忍系数。

4.根据权利要求1中所描述的一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法，其特征在于：

步骤(3)中所述求解基于网络均衡的交通流再分配模型，求解步骤如下：

第一步：初始化，令路段流量计算初始路阻

第二步：实行一次0-1分配，得到各路段的流量记迭代次数n＝1；

第三步：更新各路段的阻抗

第四步：寻找下一步的迭代方向；按照实行一次0-1分配，得到交通流再分配模型的最优解沿方向进行迭代搜索；

第五步：确定迭代步长λ，并确定新的迭代起点：

第六步：当满足一定的收敛条件则停止计算；否则，令n＝n+1，返回第三步；

计算结束。

5.根据权利要求1中所描述的一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法，其特征在于：

步骤(4)中所述基于网络均衡配载结果辨识路网交通瓶颈，是以交通流均衡分配得到的路段交通量作为定量基础，以路段服务水平分析和交叉口延误分析作为定量指标，以城市道路路段及交叉口饱和度与交通瓶颈识别标准为定量标准，进行路段瓶颈与交叉口瓶颈辨识，具体步骤如下：

1)路段瓶颈辨识

①调查得到道路车道理论通行能力与车道数，结合实际交通状况和道路状况确定道路分类折减系数、车道宽度折减系数、车道数折减系数、横向干扰折减系数，并由此计算道路实际通行能力；

②计算道路饱和度，并根据城市道路服务水平及交通状态划分标准，判别拥挤状态，辨识路段瓶颈；

2)交叉口瓶颈辨识

①利用Vissim软件对交叉口各入口道的转向与信号配时等进行仿真，输出交叉口的延误时间；

②根据城市道路交叉口饱和度与交通瓶颈识别标准，判别拥挤状态，辨识交叉口瓶颈。

6.根据权利要求1中所描述的一种考虑网络配载均衡的施工区交通组织方案设计方法，其特征在于：

步骤(5)中所述基于网络均衡配载结果设计交通瓶颈消除方法，是提出在网络流量均衡分配约束下的施工区交通组织与交通信号控制方法，具体步骤如下：

基于施工区内各交通因素的交通特征和影响范围，结合传统交通组织设计方式，统筹考虑路段和交叉口，进行交通组织，包括：

1)路段交通组织；

2)交叉口渠化交通；

根据优化后的施工区交通组织方案，进行交通流再分配，并重新计算服务水平和延误，判断是否满足交通需求；若是，则优化交通信号控制，否则重新进行交通组织；

3)优化交通信号控制；

交通信号控制是基于道路网络的交通数据确定交通信号的时间控制标准。智能交通控制从受控区域的最小延迟时间开始，调整以获得最优的信号配时；包括：

①计算交叉口各方向系数：

使用极大熵估计法计算各个进口道的转向流量，

式中：

I(F)表示分配在各方向上的概率

x表示通过该交叉口的总车辆数(pch)

f_h表示分配在各个方向上的流量(pch)

转化成求最大熵的问题，采用牛顿法求出F＝(f₁,……,f_n)；

②优化信号周期时长与信号配时：

以交叉口进口道车辆总延误最小化为目标构建交叉口信号配时优化模型，计算信号周期时长及各相位有效绿灯时间，具体如下：

S.t

c_min≤c₀≤c_max

α≤0.95

式中：

c表示信号周期时长

g_w表示第w个相位的绿灯时间

d_wv表示第w个相位第v个进口道车辆平均延误时间

q_wv表示第w个相位第v个进口道实际流量

L表示每个周期损失的时间之和(s)

c_min表示最小周期时长，c₀表示最优周期时长，c_max表示最大周期时长

α表示交叉口饱和度约束

假定初始周期为最小周期长，以2s为步长向上搜索，得到使效益函数最小的周期时长和信号配时方案；

根据优化后的施工区交通控制方案，进行交通流再分配，利用Vissim进行仿真，判断交叉口延误是否减小；若是，则输出交通组织方案，否则重新进行信号控制优化。