CN110335462A - 多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法，包括以下几个步骤：(一)采集分车型交通量及速度数据；(二)计算道路服务水平，设定交通流车型分离控制条件；(三)计算货车比例及车速标准差系数、大型车比例及车速标准差系数；(四)构建车型‑车速离散度矩阵模型，识别分离车型。本发明降低车型间交通冲突，提高道路运行效率及通行安全。

Description

多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法

技术领域

本发明涉及一种高速公路交通分流方法，尤其涉及多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法。

背景技术

混合交通流作为高速公路的主要特点之一，在通行效率与行车安全方面均存在诸多的问题与隐患，我国高速公路混合交通流以小型客车、大型客车、大中型货车为主，各车型间性能各异，对高速公路安全、通畅运营带来巨大挑战。车速差是干扰道路运营状态的主要影响因素之一，由于不同车型间性能差异、驾驶操作随机性等因素，易造成移动瓶颈效应，引发频繁换道行为，其中客货车型间、大小车型间交通冲突现象尤为突出。

为降低混合交通流的干扰，国内外众多学者在规划、设计及管理层面针对高速公路混合交通流问题展开研究，现有研究及工程案例较多的集中于分析混合交通流中特定类别车型影响特性，且主要集中于客货分流的设计理念及技术标准、混合交通流微观仿真模型等研究，未综合考虑在全车型影响下的混合交通流分离控制方案。

目前，我国采用物理设施隔离的特定车型高速公路的研究及实施处于起步阶段，仍以标线分离交通流的高速公路为主。部分多车道高速公路通过设置大小车型或客货车型的交通标志确定车道行驶功能，分离混合交通流，但静态交通标志难以适应动态交通流的时变特性。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种通过动态分离交通流，提高道路运行效率及通行安全的多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法。

为实现本发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法，包括以下步骤：

步骤一、采集分车型交通量、车速数据，包括如下步骤：

采集多车道高速公路在设定的统计时段内各车型的自然交通量及车速数据，并将自然交通量及车速数据转换为小时当量交通量和每小时车速；

将各车型交通量及车速定义如下：中小型客车交通量Q_1i与每一辆中小型客车的车速v_1j、大型客车交通量Q_2i与每一辆大型客车的车速v_2j、小型货车交通量Q_3i与每一辆小型货车的车速v_3j、中型货车交通量Q_4i与每一辆中型货车的车速v_4j、大型货车交通量Q_5i与每一辆大型货车的车速v_5j、特大型货车交通量Q_6i与每一辆特大型货车的车速v_6j；其中i为统计时段次序数，j∈[0,Q_ki]，所述的k∈[1,6]；

步骤二、计算道路服务水平，设定交通流车型分离控制条件，包括如下步骤：

(1)根据各车型交通量Q_1i、Q_2i、Q_3i、Q_4i、Q_5i、Q_6i及车型折算系数，计算在设定的统计时段内混合交通流当量交通量Q，计算公式如下：

Q＝Q_1i×E₁+Q_2i×E₂+Q_3i×E₃+Q_4i×E₄+Q_5i×E₅+Q_6i×E₆

式中：E₁、E₂、E₃、E₄、E₅、E₆分别为中小型客车、大型客车、小型货车、中型货车、大型货车、特大型货车的车型折算系数，各车型折算系数取值分别为E₁＝1.0、E₂＝1.5、E₃＝1.0、E₄＝1.5、E₅＝2.5、E₆＝4.0；

(2)根据混合交通流当量交通量Q、高速公路车道数N和单车道实际通行能力C_p计算高速公路服务水平V/C，计算公式如下：

式中：C_p为高速公路单车道实际通行能力；

C_p＝C_B×f_w×f_HV×f_p

式中：C_B为高速公路单车道基本通行能力；

f_w为车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数；

f_HV为大型车对通行能力的修正系数；

f_p为驾驶员条件对通行能力的修正系数；

(3)根据高速公路服务水平V/C取值，判定混合交通流车型分离控制形式；若V/C处于一、二级服务水平，即V/C≤0.55，则不改变混合交通流车型分离控制形式；若V/C处于一、二级服务水平以下，即V/C＞0.55，则需改变混合交通流车型分离控制形式，并进入步骤三；

步骤三、计算货车比例及车速标准差系数、大型车比例及车速标准差系数，包括如下步骤：

(1)分别计算货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货：

货车比例P_货的计算公式如下：

货车车速标准差系数C_货的计算公式如下：

(2)分别计算大型车比例P_大及大型车车速标准差系数C_大:

大型车比例P_大的计算公式如下：

大型车车速标准差系数C_大，计算公式如下：

步骤四、构建车型-车速离散度矩阵模型，识别分离车型，步骤为：

(1)以车型比例为x轴，以车速标准差系数为y轴，构建车型-车速离散度矩阵模型，矩阵模型中坐标含义为(x，y)＝(车型比例，车速标准差系数)，分别将货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货和大型车比例P_大及大型车车速标准差系数C_大在矩阵模型中以坐标表示，分别计算货车与大型车两坐标距离原点的距离d_货、d_大，计算公式如下：

(2)根据d_货、d_大间大小对比，判定混合交通流分离车型，矩阵模型中坐标距离原点越远表征混合交通流中干扰车型的比例及车速离散度对交通流运行效率及安全性影响越大；若d_货＞d_大，则混合交通流实施客、货车型分离控制；若d_货＜d_大，则混合交通流实施大、小车型分离控制；若d_货＝d_大，则重复步骤一采集下一统计时段内交通数据，然后执行步骤二-步骤四。

本发明的有益效果是：

(1)综合考虑多车道高速公路混合交通流在全车型影响下交通特性，结合车型比例、车速离散度因素，有效识别稳态交通流干扰车型，确定合理的混合交通流车型分离控制方案，降低车型间交通冲突，提高道路运行效率及通行安全。

(2)通过实时采集、分析多车道高速公路交通流特性，确定合理的混合交通流车型分离控制方案，能够有效应对交通流时变特性，为动态管理、诱导交通流提供依据。

(3)本发明综合考虑多车道高速公路混合交通流在全车型影响下动态时变特性，结合干扰车型(货车、大型车)比例、车速影响因素，确定合理的混合交通流车型分离控制方案，动态管理、诱导交通流，减少车型间交通冲突。本发明操作简便，实用性强，对提高道路运行效率及通行安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明提出的多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。

针对现有研究未综合考虑在全车型影响下进行混合交通流分离控制，采取静态交通标志分离交通流难以适应动态交通流的时变特性，本发明提出一种多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法。

上述多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法，通过实时采集高速公路分车型交通量及车速信息，计算道路服务水平，确定交通流车型分离控制条件，根据货车和大型车的车型比例、车速标准差系数，建立车型-车速离散度矩阵模型，识别混合交通流分离车型，为动态分离交通流提供依据。

如附图所示的本发明的多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法，包括以下步骤：

步骤一、采集分车型交通量、车速数据，包括如下步骤：

采集多车道高速公路在设定的统计时段内各车型的自然交通量及车速数据，并将自然交通量及车速数据转换为小时当量交通量和每小时车速。

将各车型交通量及车速定义如下：中小型客车交通量Q_1i与每一辆中小型客车的车速v_1j、大型客车交通量Q_2i与每一辆大型客车的车速v_2j、小型货车交通量Q_3i与每一辆小型货车的车速v_3j、中型货车交通量Q_4i与每一辆中型货车的车速v_4j、大型货车交通量Q_5i与每一辆大型货车的车速v_5j、特大型货车交通量Q_6i与每一辆特大型货车的车速v_6j。其中i为统计时段次序数，j∈[0,Q_ki]，所述的k∈[1,6]。

步骤二、计算道路服务水平，设定交通流车型分离控制条件，包括如下步骤：

(1)根据各车型交通量Q_1i、Q_2i、Q_3i、Q_4i、Q_5i、Q_6i及车型折算系数，计算在设定的统计时段内混合交通流当量交通量Q，计算公式如下：

Q＝Q_1i×E₁+Q_2i×E₂+Q_3i×E₃+Q_4i×E₄+Q_5i×E₅+Q_6i×E₆

式中：E₁、E₂、E₃、E₄、E₅、E₆分别为中小型客车、大型客车、小型货车、中型货车、大型货车、特大型货车的车型折算系数。根据《公路工程技术标准》(JTG B01)各车型折算系数取值分别为E₁＝1.0、E₂＝1.5、E₃＝1.0、E₄＝1.5、E₅＝2.5、E₆＝4.0。

(2)根据混合交通流当量交通量Q、高速公路车道数N和单车道实际通行能力C_p计算高速公路服务水平V/C，计算公式如下：

式中：C_p为高速公路单车道实际通行能力；

根据《交通工程学》(2版，北京：人民交通出版社，2008.7)，C_p是指在一定的时段，在具体的道路、交通、控制及环境条件下，一条车道或一均匀段上或一交叉口，合情合理地期望能通过人或车辆的最大小时流率。

实际通行能力C_p可通过对高速公路基本通行能力的影响因素进行简化，考虑车速限制、车道数、车道宽度和侧向净宽、大型车混入率以及驾驶员对环境的熟悉程度等几个因素，计算公式如下：

C_p＝C_B×f_w×f_HV×f_p

式中：C_B为高速公路单车道基本通行能力；

根据《交通工程学》(2版，北京：人民交通出版社，2008.7)，C_B是在一定的时段，理想的道路、交通、控制及环境条件下，一条车道或一均匀段上或一交叉口，合情合理地期望能通过人或车辆的最大小时流率。

根据《公路工程技术标准》(JTG B01)C_B取值选取五级服务水平下对应的最大小时交通量；

f_w为车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数；

f_HV为大型车对通行能力的修正系数；

f_p为驾驶员条件对通行能力的修正系数。

f_w、f_HV和f_p的取值可采用《交通工程学》(2版，北京：人民交通出版社，2008.7)中标定的参数取值。

(3)根据高速公路服务水平V/C取值，判定混合交通流车型分离控制形式。若V/C处于一、二级服务水平，即V/C≤0.55，则不改变混合交通流车型分离控制形式；若V/C处于一、二级服务水平以下，即V/C＞0.55，则需改变混合交通流车型分离控制形式，并进入步骤三。

步骤三、计算货车比例及车速标准差系数、大型车比例及车速标准差系数，包括如下步骤：

(1)分别计算货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货：

货车比例P_货的计算公式如下：

货车车速标准差系数C_货的计算公式如下：

(2)分别计算大型车比例P_大及大型车车速标准差系数C_大:

大型车比例P_大的计算公式如下：

大型车车速标准差系数C_大，计算公式如下：

步骤四、构建车型-车速离散度矩阵模型，识别分离车型，步骤为：

车速离散度是交通流偏离稳定流态的重要特征，采用车速标准差系数表征车速离散度，能够直观地反映统计时段内混合交通流个体车速的离散程度。

(1)以车型比例为x轴，以车速标准差系数为y轴，构建车型-车速离散度矩阵模型，矩阵模型中坐标含义为(x，y)＝(车型比例，车速标准差系数)，分别将货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货和大型车比例P_大及大型车车速标准差系数C_大在矩阵模型中以坐标表示，分别计算货车与大型车两坐标距离原点的距离d_货、d_大，计算公式如下：

(2)根据d_货、d_大间大小对比，判定混合交通流分离车型，矩阵模型中坐标距离原点越远表征混合交通流中干扰车型(货车或大型车)的比例及车速离散度对交通流运行效率及安全性影响越大。若d_货＞d_大，则混合交通流实施客、货车型分离控制；若d_货＜d_大，则混合交通流实施大、小车型分离控制；若d_货＝d_大，则重复步骤一采集下一统计时段内交通数据，然后执行步骤二-步骤四。

下面根据某交通示例对本发明方法作进一步阐述。

某一双向六车道高速公路，设计速度为120km/h，车道宽度为3.75m，采用本发明方法进行该高速公路混合交通流车型分离控制，实施步骤如下：

步骤一、采集分车型交通量、车速数据，包括如下步骤：

采集多车道高速公路在15分钟内各车型的自然交通量及车速数据，并将自然交通量及车速数据转换为小时当量交通量和每小时车速。

将各车型交通量及车速定义如下：中小型客车交通量Q_1i与每一辆中小型客车的车速v_1j、大型客车交通量Q_2i与每一辆大型客车的车速v_2j、小型货车交通量Q_3i与每一辆小型货车的车速v_3j、中型货车交通量Q_4i与每一辆中型货车的车速v_4j、大型货车交通量Q_5i与每一辆大型货车的车速v_5j、特大型货车交通量Q_6i与每一辆特大型货车的车速v_6j。其中i为统计时段次序数，j∈[0,Q_ki]，所述的k∈[1,6]。各车型交通量统计表见表1。

表1高速公路分车型交通量

i	Q<sub>1i</sub>	Q<sub>2i</sub>	Q<sub>3i</sub>	Q<sub>4i</sub>	Q<sub>5i</sub>	Q<sub>6i</sub>
							1	1884	117	279	174	256	143

鉴于各车辆车速信息较难逐一列举，后续计算中速度数据采取赋值法执行。

步骤二、计算道路服务水平，设定交通流车型分离控制条件，包括如下步骤：

(1)根据各车型交通量Q_1i、Q_2i、Q_3i、Q_4i、Q_5i、Q_6i及车型折算系数，计算在设定的统计时段内混合交通流当量交通量Q，计算公式如下：

Q＝Q_1i×E₁+Q_2i×E₂+Q_3i×E₃+Q_4i×E₄+Q_5i×E₅+Q_6i×E₆

式中：E₁、E₂、E₃、E₄、E₅、E₆分别为中小型客车、大型客车、小型货车、中型货车、大型货车、特大型货车的车型折算系数。根据《公路工程技术标准》(JTG B01)各车型折算系数取值分别为E₁＝1.0、E₂＝1.5、E₃＝1.0、E₄＝1.5、E₅＝2.5、E₆＝4.0。

因此，统计时段内混合交通流当量交通量为：

Q＝1884×1.0+117×1.5+279×1.0+174×1.5+256×2.5+143×4.0＝3812pcu/h

(2)根据混合交通流当量交通量Q、高速公路车道数N和单车道实际通行能力C_p计算高速公路服务水平V/C，计算公式如下：

C_p＝C_B×f_w×f_HV×f_p

根据《公路工程技术标准》(JTG B01)C_B取值为2200pcu/(h·ln)，根据《交通工程学》(2版，北京：人民交通出版社，2008.7)，f_w取值为1.0，f_HV取值为0.79，f_p取值为1.0。

因此，高速公路服务水平V/C为：

(3)根据高速公路服务水平V/C取值，判定混合交通流车型分离控制形式。若V/C处于一、二级服务水平，即V/C≤0.55，则不改变混合交通流车型分离控制形式；若V/C处于一、二级服务水平以下，即V/C＞0.55，则需改变混合交通流车型分离控制形式，并进入步骤三；

根据高速公路服务水平分级可知，此时本高速公路处于三级服务水平，需改变混合交通流车型分离控制形式，因此，继续实施步骤三。

步骤三、计算货车比例及车速标准差系数、大型车比例及车速标准差系数，包括如下步骤：

(1)分别计算货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货：

货车比例P_货的计算公式如下：

因此，货车比例P_货为：

货车车速标准差系数C_货的计算公式如下：

由于，各车辆车速信息较难逐一列举，速度数据采取赋值法执行。因此，货车平均车速货车车速标准差S_货分别赋值为87.61km/h、11.84km/h，货车车速标准差系数C_货为：

(2)分别计算大型车比例P_大及大型车车速标准差系数C_大：

大型车比例P_大的计算公式如下：

因此，大型车比例P_大为：

大型车车速标准差系数C_大，计算公式如下：

由于，各车辆车速信息较难逐一列举，速度数据采取赋值法执行。因此，大型车平均车速大型车车速标准差S_大分别赋值为83.29km/h、9.86km/h，大型车车速标准差系数C_大为：

步骤四、构建车型-车速离散度矩阵模型，识别分离车型，步骤为：

(1)以车型比例为x轴，以车速标准差系数为y轴，构建车型-车速离散度矩阵模型，矩阵模型中坐标含义为(x，y)＝(车型比例，车速标准差系数)，分别将货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货和大型车比例P_大和大型车车速标准差系数C_大在矩阵模型中以坐标表示，分别计算货车与大型车两坐标距离原点的距离d_货、d_大，计算公式如下：

因此，车型-车速离散度矩阵模型中，货车及大型车坐标分别为(0.460，0.135)、(0.364，0.118)，两坐标距离原点的距离d_货、d_大为：

(2)根据d_货、d_大间大小对比，判定混合交通流分离车型，若d_货＞d_大，则混合交通流实施客、货车型分离控制；若d_货＜d_大，则混合交通流实施大、小车型分离控制；若d_货＝d_大，则重复步骤一采集下一统计时段内交通数据，然后执行步骤二-步骤四。

由计算结果可知d_货＞d_大，该高速公路应实施混合交通流客、货车型分离控制。

上述实施示例仅为清楚地说明发明方法操作示意，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的基础上，还可做出其它不同形式的改进，在此无需也无法对所有的实施方式予以列举，由此所引伸出的改进都应涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.多车道高速公路混合交通流动态分离控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采集分车型交通量、车速数据，包括如下步骤：

采集多车道高速公路在设定的统计时段内各车型的自然交通量及车速数据，并将自然交通量及车速数据转换为小时当量交通量和每小时车速；

将各车型交通量及车速定义如下：中小型客车交通量Q_1i与每一辆中小型客车的车速v_1j、大型客车交通量Q_2i与每一辆大型客车的车速v_2j、小型货车交通量Q_3i与每一辆小型货车的车速v_3j、中型货车交通量Q_4i与每一辆中型货车的车速v_4j、大型货车交通量Q_5i与每一辆大型货车的车速v_5j、特大型货车交通量Q_6i与每一辆特大型货车的车速v_6j；其中i为统计时段次序数，j∈[0,Q_ki]，所述的k∈[1,6]；

步骤二、计算道路服务水平，设定交通流车型分离控制条件，包括如下步骤：

(1)根据各车型交通量Q_1i、Q_2i、Q_3i、Q_4i、Q_5i、Q_6i及车型折算系数，计算在设定的统计时段内混合交通流当量交通量Q，计算公式如下：

Q＝Q_1i×E₁+Q_2i×E₂+Q_3i×E₃+Q_4i×E₄+Q_5i×E₅+Q_6i×E₆

式中：E₁、E₂、E₃、E₄、E₅、E₆分别为中小型客车、大型客车、小型货车、中型货车、大型货车、特大型货车的车型折算系数，各车型折算系数取值分别为E₁＝1.0、E₂＝1.5、E₃＝1.0、E₄＝1.5、E₅＝2.5、E₆＝4.0；

(2)根据混合交通流当量交通量Q、高速公路车道数N和单车道实际通行能力C_p计算高速公路服务水平V/C，计算公式如下：

式中：C_p为高速公路单车道实际通行能力；

C_p＝C_B×f_w×f_HV×f_p

式中：C_B为高速公路单车道基本通行能力；

f_w为车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数；

f_HV为大型车对通行能力的修正系数；

f_p为驾驶员条件对通行能力的修正系数；

(3)根据高速公路服务水平V/C取值，判定混合交通流车型分离控制形式；若V/C处于一、二级服务水平，即V/C≤0.55，则不改变混合交通流车型分离控制形式；若V/C处于一、二级服务水平以下，即V/C＞0.55，则需改变混合交通流车型分离控制形式，并进入步骤三；

步骤三、计算货车比例及车速标准差系数、大型车比例及车速标准差系数，包括如下步骤：

(1)分别计算货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货：

货车比例P_货的计算公式如下：

货车车速标准差系数C_货的计算公式如下：

(2)分别计算大型车比例P_大及大型车车速标准差系数C_大:

大型车比例P_大的计算公式如下：

大型车车速标准差系数C_大，计算公式如下：

步骤四、构建车型-车速离散度矩阵模型，识别分离车型，步骤为：

(1)以车型比例为x轴，以车速标准差系数为y轴，构建车型-车速离散度矩阵模型，矩阵模型中坐标含义为(x，y)＝(车型比例，车速标准差系数)，分别将货车比例P_货及货车车速标准差系数C_货和大型车比例P_大及大型车车速标准差系数C_大在矩阵模型中以坐标表示，分别计算货车与大型车两坐标距离原点的距离d_货、d_大，计算公式如下：

(2)根据d_货、d_大间大小对比，判定混合交通流分离车型，矩阵模型中坐标距离原点越远表征混合交通流中干扰车型的比例及车速离散度对交通流运行效率及安全性影响越大；若d_货＞d_大，则混合交通流实施客、货车型分离控制；若d_货＜d_大，则混合交通流实施大、小车型分离控制；若d_货＝d_大，则重复步骤一采集下一统计时段内交通数据，然后执行步骤二-步骤四。