CN113450563A - 一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法 - Google Patents

一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法，分析模型如下：第一步：定义以没有进出匝道的交通路为孤立体系，以有进出匝道的交通路为开放体系；第二步：建立理想饱和状态函数关系；第三步：用费马原理推论孤立体系密度不会自己增加；第四步：分别通过宏观及微观角度对密度叠加进行分析，防堵塞方法为物理隔离分流方法，让主车道与匝道进出的车流不相遇，不发生干涉密度不叠加，且主车道与匝道之间的夹角越小越好，针对多匝道道路交通堵塞原因通过模型进行分析，进一步提供一种可有效防止多匝道道路交通堵塞的方法，该方法可避免常发性堵塞问题，不用投资修路、扩路，节约经济成本的同时，具有很好很大的经济效益。

Description

一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法
技术领域
本发明属于道路交通技术领域，具体涉及一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法。
背景技术
匝道，又称引道、引路、支路，是工程学上的术语，通常是指一小段提供车辆进出主干线(高速公路、高架道路、桥梁及行车隧道等)与邻近的辅路，或其他主干线的陆桥、斜道、引线连接道，以及集散道等之附属接驳路段，它是构成道路交流道的主要交通建设。
我国的机动车数量增长超过了城市交通建设的步伐，造成交通路上的事故频繁、堵塞严重，使得城市交通问题日益突出，交通堵塞引起了严重环境污染和巨大经济损失，尤其是对于多匝道路口大多设置在高速公路、高架道路、桥梁及行车隧道上，该种类型的道路车速大多较快，车子的汇入或流出也大都比较频繁，很容易造成交通堵塞，而目前，对于多匝道路口的交通堵塞问题如何解决大都收效甚微，也没有比较有效的防堵塞的方法，而现有利用App大数据对路况进行分析的结果主要是让司机重新规划路线，避开拥堵的地方，让情况不至于严重恶化，但是并不能解决已经存在的拥堵问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对以上现有技术所述的现有多匝道道路交通堵塞存在的技术问题，本发明提供一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法，针对多匝道道路交通堵塞原因通过模型进行分析，进一步提供一种可有效防止多匝道道路交通堵塞的方法，可以避免该种类型交通道路的常发性堵塞问题，不用投资修路、扩路，节约经济成本的同时，具有很好很大的经济效益。
本发明采用的技术方案如下：一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法，具体如下：
第一步：定义以没有进出匝道的交通路为孤立体系，以有进出匝道的交通路为开放体系。
第二步：建立理想饱和状态函数关系。
首先，在建立所述理想饱和状态函数关系时定义如下：(1)理想状态：单车道孤立体系(没有进、出匝道)机动车匀速行驶，车头间距、车头时距相等；(2)安全车头间距：以U速度行驶，实际车头间距不能小于安全车头间距，否则行驶不安全；(3)饱和密度：在此密度下速度U为最大值，即大于此密度对应的速度必然下降，否则在这样密度下行驶速度U是不安全的。
建立理想状态单车道流量、速度、密度对应函数关系，从关系得出U≥50km/h流量对速度、密度不敏感，多车道可以分解为单车道进行分析。
第三步：用费马原理推论孤立体系密度不会自己增加。
在多车道上，每条车道上的速度虽有细微差异，但每条道上速度分布是离散型随机的，其随机变量X的分布律P{X＝xi}，k＝1,2,3…，遵守大数定律，存在数学期望(期望速度)非常接近道路限制速度C。
假设汽车从A点行驶至B点，除机动车、驾驶员异常情况外，孤立体系中行驶车辆的行驶速度U的数学期望值接近限定速度C。
费马原理∫B Adt＝∫B Adx/u＝min取值最小，除A点加速起步、至B点减速停止外，只有实际行驶速度函数U(或分布期望值)接近C,才能有极值，才能用时最短，在N车道上，驾驶行为实际行驶轨迹将是时间取极值，是自然界遵循规律。
用费马用时最短原理可以推论：在孤立体系中，随着行驶时间延长，汽车将趋于匀速，密度不会自己增加。
第四步：分别通过宏观及微观角度对密度叠加进行分析。
所述宏观分析为：(1)密度不会自己增加，只有下游匝道车辆进入才会叠加密度，从而造成自身密度的增加，引起速度变慢，甚至堵塞；(2)由于修路，道路变窄，可视被堵通道(匝道)进入未堵通道(主路)状态，造成密度叠加，形成堵塞情况；(3)同理在快速路上，若停车或有障碍物都会造成密度的增加引起速度变慢甚至堵塞。可以定性地理解，dk/dt增加，K值(叠加的密度)增大，按表一描述，平均速度下降。每次迭代过程，立即造成平均速度迅速降低，堵塞形成。
所述微观分析为：建立形核模型，密度局部聚集为堵塞核论点，常见性堵塞都是发生匝道与主道的交汇处(密度叠加区)或在加速车道的末端(密度叠加区)，所述堵塞核是密度聚集K≥100veh/km/1h,空间长度(下游与上游)L≤40m，核的边界与周围有明显密度变化区别。
基于以上对于多匝道、多车道道路堵塞原因进行分析的分析模型及分析结果，本发明提出一种基于多匝道道路交通的防堵塞方法，该方法为物理隔离分流方法，该物理隔离分流方法具体为让主车道与匝道进出的车流不相遇，不发生干涉密度不叠加。
进一步地，以上所述物理隔离分流方法，所述匝道与主车道的夹角要尽可能的小，所述匝道与主车道夹角越小越好，夹角小会减少车流密度的叠加。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：本发明提供一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法，针对多匝道道路交通堵塞原因通过模型进行分析，进一步提供一种可有效防止多匝道道路交通堵塞的方法，可以避免该种类型交通道路的常发性堵塞问题，不用投资修路、扩路，节约经济成本的同时，具有很好很大的经济效益。
附图说明
图1为本发明一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型及防堵塞方法实施例中多匝道、多车道的道路示意图；
图中标记为：A1、B1、C1、D1、E1-主车道，A2、B2、D2-进匝道，C2-出匝道
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，是本实施例对某一段具有多个进出匝道、多个车道的道路进行简化后的道路示意图，具体说明如下：实施例中的本段监测分为A、B、C、D、E五个点，从A点至E点，会经过入匝道A2、入匝道B2、出匝道C2、入匝道D2，该段道路包括三个车道，分别为车道1、车道2、车道3，A点到B点500m，B点到C点距离为400m，C点到D点距离为100m，D点到E点距离为165m，D至E1点距离约130米。
一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，具体如下：
第一步：定义以没有进出匝道的交通路为孤立体系，以有进出匝道的交通路为开放体系。
第二步：建立理想饱和状态函数关系
首先，在建立理想饱和状态函数关系时定义如下：
(1)理想状态：单车道孤立体系(没有进、出匝道)机动车匀速行驶，车头间距、车头时距相等；(2)安全车头间距：以U速度行驶，实际车头间距不能小于安全车头间距，否则行驶不安全；(3)饱和密度：在此密度下速度U为最大值，即大于此密度对应的速度必然下降，否则在这样密度下行驶速度U是不安全的。
建立理想状态单车道流量(q)、速度(U)与密度(k)对应的函数关系，见表1：
表1单车道理想状态速度与饱和密度、车头间距、车头时距、流量关系表
Figure BDA0003071629700000041
Figure BDA0003071629700000051
实际情况个别车流与表1有出入，但符合大数定理概率分布，若长时间违反表1的行驶是不安全的。从表1可知，U≥50km/h，流量对速度、密度不敏感，多车道可以分解为单车道进行分析。
第三步：用费马原理推论孤立体系密度不会自己增加：
在多车道上，每条车道上的速度虽有细微差异，但每条道上速度分布是离散型随机的，其随机变量X的分布律P{X＝xi}，k＝1,2,3…，遵守大数定律，存在数学期望(期望速度)非常接近道路限制速度C。
假设汽车从A点行驶至B点，除机动车、驾驶员异常情况外，孤立体系中行驶车辆的行驶速度U的数学期望值接近限定速度C。
费马原理∫B Adt＝∫B Adx/u＝min取值最小，除A点加速起步、至B点减速停止外，只有实际行驶速度函数U(或分布期望值)接近C,才能有极值，才能用时最短，在N车道上，驾驶行为实际行驶轨迹将是时间取极值，是自然界遵循规律。
用费马用时最短原理可以推论：在孤立体系中，随着行驶时间延长，汽车将趋于匀速，密度不会自己增加，若增加按表1描述，速度U会下降，即C-U()差值变大，用时变长，违反了用时最短原理。同理空间密度K是自发朝着下降的方向运行的。
第四步：密度叠加分析
宏观分析：(1)密度不会自己增加，只有下游匝道车辆进入才会叠加密度，从而造成自身密度的增加，引起速度变慢，甚至堵塞；(2)由于修路，道路变窄，可视被堵通道(匝道)进入未堵通道(主路)状态，造成密度叠加，形成堵塞情况；(3)同理在快速路上，若停车或有障碍物都会造成密度的增加引起速度变慢甚至堵塞。可以定性地理解，dk/dt增加，K值(叠加的密度)增大，按表一描述，平均速度下降。每次迭代过程，立即造成平均速度迅速降低，堵塞形成。
微观分析—形核模型建立：密度局部聚集为堵塞核论点，常见性堵塞都是发生匝道与主道的交汇处(密度叠加区)或在加速车道的末端(密度叠加区)，所述堵塞核是密度聚集K≥100veh/km/1h,空间长度(下游与上游)L≤40m，核的边界与周围有明显密度变化区别。
基于以上对于多匝道、多车道道路堵塞原因进行分析的分析模型及分析结果，本发明提出一种基于多匝道道路交通的防堵塞方法，该方法为物理隔离分流方法，该物理隔离分流方法具体为让主车道与匝道进出的车流不相遇，不发生干涉密度叠加。
如图1所示，以上物理隔离分流方法实施具体为：A点(A1+A2)车流分配在三条车道中的车道1、车道2上行驶，B2，C2(B2进入匝道，C2出去匝道)以及D2(进入匝道)分配在车道3行驶。
在具体实际验证过程中：在B—C段7:15开始车辆速度变缓，7:17已堵塞，(由于D点的堵塞漫延过来的)而堵塞此刻还未漫延到下游A—B段时，在7:22前A点的车流顺利通过了B点，这说明两车道完全可以输送A点的车流！通行能力足够！实际平均流量为3295veh/h满足表1的描述。
对B2-C2﹢D2的车流量能否在单独车道输送不发生堵塞呢？从A-B段双车可知单车道最大实际流量1983veh/h，这个流量其他车道实际行驶中也存在，在实际监测中观测到单车道最大的车流量可以为2160veh/h，在某一个时间点，B2-C2(流量)＝909.7-445.8＝463.9veh/h，B2-C2﹢D2＝463.5﹢1336.8(未堵平均流量)＝1800.3veh/h，单车道完全可以输送B2-C2﹢D2车流，通行能力足够！
在实际的监测过程中发现，D2匝道与D1主道夹角度数较大而B2与B1，A2与A1较小，车速度在30-40km/h时，会由于D2转弯造成车流从D2进入D1主路速度减缓，对D2车流自身匝道引起密度上升，同时加快叠加密度上升。也是引起堵塞次要原因，建议匝道与主路夹角越小越好，小会减少密度的叠加。D2两条车道虽临时会采用隔离墩、封闭一条车道也解决不了堵塞的问题。
采用本发明所提供的物理隔离分离法，如图1所示，从A点到E1点车道1、车道2与车道3隔离，车道1、车道2可视为孤立体系，将不易形成堵塞核，没有形核因素，假设某一时刻流量最大接近4000veh/h饱和时，(本文观测平均流量在3500veh/h以下)处于不稳定时形核也会很快溶化消散。在D2匝道进入车道3与加速车道的末端为一条车道时，E1点会形成堵塞核。但对比隔离之前堵塞也会较大缓解，因D2本身由于设计问题D2的车速就≤40km/h，因密度叠加减弱了，效果改善了！
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，其特征在于，具体如下：第一步：定义以没有进出匝道的交通路为孤立体系，以有进出匝道的交通路为开放体系；第二步：建立理想饱和状态函数关系；第三步：用费马原理推论孤立体系密度不会自己增加；第四步：分别通过宏观及微观角度对密度叠加进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，其特征在于，第二步所述建立理想饱和状态函数关系时定义如下：(1)理想状态：没有进、出匝道的单车道孤立体系机动车匀速行驶，车头间距、车头时距相等；(2)安全车头间距：以U速度行驶，实际车头间距不能小于安全车头间距，否则行驶不安全；(3)饱和密度：在此密度下速度U为最大值，即大于此密度对应的速度必然下降，否则在这样密度下行驶速度U是不安全的。
3.根据权利要求2所述的一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，其特征在于，所述理想饱和状态函数关系表明，U≥50km/h，流量对速度、密度不敏感。
4.根据权利要求1所述的一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，其特征在于，用所述费马用时最短原理可以推论出：在孤立体系中，随着行驶时间延长，汽车将趋于匀速，密度不会自己增加。
5.根据权利要求1所述的一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，其特征在于，第四步所述宏观分析具体为：(1)密度不会自己增加，只有下游匝道车辆进入才会叠加密度，从而造成自身密度的增加，引起速度变慢，甚至堵塞；(2)由于修路，道路变窄，可视有匝道的被堵通道进入未堵通道状态，造成密度叠加，形成堵塞情况；(3)同理在快速路上，若停车或有障碍物都会造成密度的增加引起速度变慢甚至堵塞。
6.根据权利要求1所述的一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，其特征在于，第四步所述微观分析具体为：建立形核模型，密度局部聚集为堵塞核论点，常见性堵塞都是发生匝道与主道的交汇处或在加速车道的末端。
7.根据权利要求6所述的一种基于多匝道道路交通堵塞原因的分析模型，其特征在于，所述堵塞核是密度聚集K≥100veh/km/1h,下游与上游的空间长度L≤40m，核的边界与周围有明显密度变化区别。
8.基于权利要求1-7任意一项所述的一种基于多匝道道路交通的防堵塞方法，其特征在于，该方法具体为：物理隔离分流方法。
9.根据权利要求8所述的一种基于多匝道道路交通的防堵塞方法，其特征在于，所述物理隔离分流方法具体为让主车道与匝道进出的车流不相遇，不发生干涉密度不叠加。
10.根据权利要求8所述的一种基于多匝道道路交通的防堵塞方法，其特征在于，所述物理隔离分流方法中，所述匝道与主车道之间的夹角要尽可能的小，所述匝道与主车道夹角越小越好，夹角小会减少车流密度的叠加。
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