CN115600410A - 一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法 - Google Patents

一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法 Download PDF

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CN115600410A CN202211293833.2A CN202211293833A CN115600410A CN 115600410 A CN115600410 A CN 115600410A CN 202211293833 A CN202211293833 A CN 202211293833A CN 115600410 A CN115600410 A CN 115600410A
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朱浩
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Abstract

本发明公开一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法，包括：以城市高密度路网区域作为建模对象，以道路边界端作为交通流输入位置和输出位置，输入位置与输出位置之间的路段包括城市快速路基本路段、出入匝道和互通立交，以及城市非快速路基本路段和交叉口，对所述输入位置与输出位置之间的路段进行元胞划分，对元胞建立混合混合交通流元胞传输模型，对城市道路路网状态进行仿真预测。本发明综合考虑城市快速路与城市非快速路的交通流，将城市快速路元胞与城市非快速路元胞进行了有效衔接，并且对交织区和交叉口的元胞划分以及建模方法进行设计与改进，有利于综合研究城市路网区域的交通流变化以及针对交通流管控的交通流状态仿真预测。

Description

一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法
技术领域
本发明涉及交通仿真与交通状态预测领域，特别涉及一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法。
背景技术
城市快速路是现代城市道路系统中常见的交通基础设施，是设有中央分隔、全部或部分采用立体交叉与控制出入，供车辆以较高的速度行驶并且能够连续通行的道路。城市快速路由于具有突出的优点，对交通流的吸引力更强，高峰时期内的交通流往往会更倾向聚集于城市快速路，路网地面高容量道路并没有得到充分利用，基本上都处于低密度状态，为快速路分担高强度出行交通流的作用也就未被充分发挥。因此，以快速路为主体的城市路网的交通流分布处于一种极度不均衡的状态，交通拥堵也随之生成。
因此，需要对城市路网区域的交通流进行管控。理论上来说，通过合理的管控方法可以实现将交通流均衡地分配到整个区域路网，使城市路网区域的通行效率处于最佳状态附近，同时提高未利用高容量道路地利用率，从而避免通行能力骤降以及严重拥堵的发生。
元胞传输模型是一种新兴的交通流仿真模型，它是一个将流体动力学系统演化演化的时间和和空间以离散的形式再现的一种重要方法。元胞传输模型可以捕捉到网络交通流中的不连续变化现象，清晰地描述排队的物理效应，可以较好地模拟出交通动力学特性。但是，元胞传输模型的仿真对象一般只针对单一种类的路网，如城市快速路路网、高速路路网或城市非快速路路网等，对于包括城市快速路和非快速路的混合城市道路路网的仿真缺少研究与实践，不能很好地实现快速路交通流和非快速路交通流之间的交换以及交叉口区域交通流的更新。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法，综合考虑城市快速路和非快速路组成的混合路网，以混合元胞传输模型为基础，研究城市道路路段、道路交织区和道路交叉口的元胞划分与建模方法，并据此实现交通流的仿真与预测。
技术方案：本发明的一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法，包括：以城市高密度路网区域作为建模对象，以路网区域内道路的边界端作为交通流输入位置和输出位置，输入位置与输出位置之间的路段包括城市快速路基本路段、出入匝道和互通立交，以及城市非快速路基本路段和交叉口，对所述输入位置与输出位置之间的路段进行元胞划分，分为路段元胞、交织元胞和交叉口元胞三种元胞，对所述三种元胞建立混合交通流元胞传输模型，根据所述混合交通流元胞传输模型对城市道路路网状态进行仿真预测。
进一步，根据交通流量守恒理论，所述混合路网元胞传输模型包括元胞i内的交通流密度ρi更新公式以及车辆数ni随时间变化的更新公式，分别为：
Figure BDA0003901709990000021
ni(k+1)＝ρi(k+1)*li
式中，ρi(k)表示元胞i在第k个时间步长内的交通流密度；
Figure BDA0003901709990000022
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输入量；
Figure BDA0003901709990000023
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输出量；ΔT表示元胞更新的时间步长时间值；li表示元胞i的长度；ni(k+1)表示元胞i在第k+1个时间步长内所包含的车辆数。
进一步，所述交织元胞分为分流元胞或合流元胞。
进一步，所述交叉口元胞分为左转元胞、直行元胞或右转元胞。
进一步，所述路段元胞仅存在基本路段交通流，路段元胞i的交通流量更新由上游元胞的最大发送交通流量和元胞i的最大接收流量决定，表达式为：
Figure BDA0003901709990000024
式中，Si-1(k)表示元胞i-1在第k个时间步长内能够发送的最大交通流量，Ri(k)表示元胞i在第k个时间步长内能够接收的最大交通流量，表达式分别为：
Figure BDA0003901709990000025
Figure BDA0003901709990000026
式中，
Figure BDA0003901709990000027
表示元胞i-1的最大通行交通流量；
Figure BDA0003901709990000028
表示元胞i-1在第k个时间步长内的自由流速度；
Figure BDA0003901709990000029
表示元胞i的最大通行交通流量；
Figure BDA00039017099900000210
表示拥挤状态下元胞i的拥挤波波速；
Figure BDA00039017099900000211
表示元胞i的阻塞密度。
进一步，所述交织元胞的交通流量更新由主路元胞交通流和匝道元胞交通流的合流与分流特征决定，当交织元胞为合流元胞时，所述交织元胞的交通流量更新表达式为：
Figure BDA0003901709990000031
当交织元胞为分流元胞时，所述交织元胞的交通流量更新表达式为：
Figure BDA0003901709990000032
式中，
Figure BDA0003901709990000033
表示在第k个时间步长内由元胞i-1进入元胞i的交通流量，表达式为：
Figure BDA0003901709990000034
式中，ri(k)表示在第k个时间步长内通过出入匝道与元胞i合流或者分流的交通流量，当ri(k)为合流交通流量时，表达式为：
Figure BDA0003901709990000035
当ri(k)为分流交通流量时，表达式为：
Figure BDA0003901709990000036
式中，
Figure BDA0003901709990000037
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输出量，表达式为：
Figure BDA0003901709990000038
式中，Gi(k)表示在第k个时间步长内入口匝道汇入元胞i的最大交通流量；αi(k)表示在第k个时间步长内入口匝道汇入元胞i的交通流量占合流区总交通流量的比例；βi(k)表示在第k个时间步长内元胞i通过出口匝道汇出的交通流量占分流区总交通流量的比例。
进一步，所述交叉口元胞的交通流量更新由最大发送交通流量、各方向车道的输入流量和各方向对应出口道的最大接收流量决定，表达式为：
Figure BDA0003901709990000039
式中，Ri，L(k)、Ri，M(k)以及Ri，R(k)分别表示在第k个时间步长内，元胞i作为交叉口入口元胞时，其他交叉口出口元胞的左转、直行以及右转的最大接收交通流量；
Figure BDA00039017099900000310
以及
Figure BDA00039017099900000311
分别表示在第k个时间步长内元胞i输入交通流量中的左转、直行以及右转交通流量，表达式分别为：
Figure BDA0003901709990000041
Figure BDA0003901709990000042
Figure BDA0003901709990000043
式中，γL(k)、γM(k)以及γR(k)分别表示在第k个时间步长内元胞i输入交通流量中的左转、直行以及右转交通流量占总输入量的比例；
当交叉口元胞为左转元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure BDA0003901709990000044
当交叉口元胞为直行元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure BDA0003901709990000045
当交叉口元胞为右转元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure BDA0003901709990000046
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明综合考虑了城市快速路与城市非快速路的交通流，对城市高密度路网区域进行仿真建模，将城市快速路元胞与城市非快速路元胞进行了有效衔接，并且对交织区和交叉口的元胞划分以及建模方法进行了设计与改进，有利于综合研究城市路网区域的交通流变化以及针对交通流管控的交通流状态仿真预测，为解决城市路网区域的交通拥堵提供理论支持；针对不同元胞分别建立元胞模型，能够更加准确研究城市路网区域在不同交通流状态下的演变规律。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例路网部分元胞传输模型示例图；
图3为城市交叉口元胞划分示例图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
本实施例所述的一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法，流程图如图1所示，该预测方法包括：以城市高密度路网区域作为建模对象，以路网区域内道路的边界端作为交通流输入位置和输出位置，输入位置与输出位置之间的路段包括城市快速路基本路段、出入匝道和互通立交，以及城市非快速路基本路段和交叉口，对所述输入位置与输出位置之间的路段进行元胞划分，分为路段元胞、交织元胞和交叉口元胞三种元胞，对所述三种元胞建立混合交通流元胞传输模型，根据所述混合交通流元胞传输模型对城市道路路网状态进行仿真预测。
本实施例中以南京市卡子门大街路网作为目标路网进行建模，如图2所示，包括两条横向设置的城市快速路基本路段和城市非快速路基本路段，上面表示建在高架上的快速路，下面表示非快速路，快速路与非快速路之间通过交织元胞进行连通，最左侧为交通流输入位置，最右侧为交通流输出位置，输入位置为输入元胞，输出位置为输出元胞，箭头表示车流前进方向。快速路网元胞可以被划分为以下两类：(1)不含有交织区的路段元胞；(2)主线交通流与汇入或者流出交通流进行交织的交织元胞。交织元胞根据是否有入口匝道或者出口匝道分为合流元胞或者分流元胞。
如图3所示，交叉口元胞根据交通流方向进行元胞划分，交叉口元胞可以划分为三类：(1)左转元胞，即图3中的元胞3-L；(2)直行元胞，即图3中的元胞3-M；(3)右转元胞，即图3中的元胞3-R。元胞1-L是元胞0的左转交通流汇入元胞，元胞1-MR是元胞0的直行和右转交通流汇入元胞；由于分流后的元胞不能直接二次分流，需要过度元胞衔接，因此元胞2-L和元胞2-MR分别为元胞1-L和元胞1-MR的过度元胞；元胞3-M为元胞2-MR的直行交通流汇入元胞，元胞3-R为元胞2-MR的右转交通流汇入元胞，元胞3-L接收元胞2-L的汇入交通流。图3中元胞3-L、3-M和3-R构成了划分后的交叉口元胞。图3中元胞1-L是元胞0的左转交通流汇入元胞，元胞1-MR是元胞0的直行和右转交通流汇入元胞；由于分流后的元胞不能直接二次分流，需要过度元胞衔接，因此元胞2-L和元胞2-MR分别为元胞1-L和元胞1-MR的过度元胞；元胞3-M为元胞2-MR的直行交通流汇入元胞，元胞3-R为元胞2-MR的右转交通流汇入元胞，元胞3-L接收元胞2-L的汇入交通流。图3中元胞3-L、3-M和3-R构成了划分后的交叉口元胞。
交织元胞分为分流元胞或合流元胞，同一个交织元胞不能同时具有分流与合流属性。交叉口元胞分为左转元胞、直行元胞或右转元胞，同一个交叉口元胞内不能同时划分为左转、直行以及右转三种元胞，需要路段元胞进行衔接。
根据交通流量守恒理论，混合路网元胞传输模型包括元胞i内的交通流密度ρi更新公式以及车辆数ni随时间变化的更新公式，分别为：
Figure BDA0003901709990000061
ni(k+1)＝ρi(k+1)*li
式中，ρi(k)表示元胞i在第k个时间步长内的交通流密度；
Figure BDA0003901709990000062
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输入量；
Figure BDA0003901709990000063
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输出量；ΔT表示元胞更新的时间步长时间值；li表示元胞i的长度；ni(k+1)表示元胞i在第k+1个时间步长内所包含的车辆数。
上述路段元胞仅存在基本路段交通流，不存在交织行为及转向行为，路段元胞i的交通流量更新由上游元胞的最大发送交通流量和元胞i的最大接收流量决定，表达式为：
Figure BDA0003901709990000064
式中，Si-1(k)表示元胞i-1在第k个时间步长内能够发送的最大交通流量，Ri(k)表示元胞i在第k个时间步长内能够接收的最大交通流量，表达式分别为：
Figure BDA0003901709990000065
Figure BDA0003901709990000066
式中，
Figure BDA0003901709990000067
表示元胞i-1的最大通行交通流量；
Figure BDA0003901709990000068
表示元胞i-1在第k个时间步长内的自由流速度；
Figure BDA0003901709990000069
表示元胞i的最大通行交通流量；
Figure BDA00039017099900000610
表示拥挤状态下元胞i的拥挤波波速；
Figure BDA00039017099900000611
表示元胞i的阻塞密度。
从上述路段元胞的交通流量更新方式可知，元胞i的流量受两个因素限制：前一个元胞i-1的最大输出流量值和元胞i的最大接收流量值。元胞i的输入流量
Figure BDA00039017099900000612
为元胞i-1的实际自由流量输出，但是受元胞i-1的最大交通流量、元胞i的最大交通流量以及拥堵状态下的拥挤波交通流量的影响。
针对交织元胞中的合流元胞，元胞内存在汇入车流和主线车流两种交通流，并且这两种交通流会在合流区进行交织。因此，合流区会受到这两种交通流的限制，一是元胞i可以全部接收汇入交通流量和元胞i-1的主线交通流量，二是元胞i的最大接收交通流量小于汇入交通流量和元胞i-1的主线交通流量。交织元胞的交通流量更新由主路元胞交通流和匝道元胞交通流的合流与分流特征决定，当交织元胞为合流元胞时，交织元胞的交通流量更新表达式为：
Figure BDA0003901709990000071
针对交织元胞中的分流元胞，元胞内存在流出车流和主线车流两种交通流，并且这两种交通流会在分流区进行交织。当交织元胞为分流元胞时，交织元胞的交通流量更新表达式为：
Figure BDA0003901709990000072
式中，
Figure BDA0003901709990000073
表示在第k个时间步长内由元胞i-1进入元胞i的交通流量，表达式为：
Figure BDA0003901709990000074
式中，ri(k)表示在第k个时间步长内通过出入匝道与元胞i合流或者分流的交通流量，当ri(k)为合流交通流量时，表达式为：
Figure BDA0003901709990000075
当ri(k)为分流交通流量时，表达式为：
Figure BDA0003901709990000076
式中，
Figure BDA0003901709990000077
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输出量，表达式为：
Figure BDA0003901709990000078
式中，Gi(k)表示在第k个时间步长内入口匝道汇入元胞i的最大交通流量；αi(k)表示在第k个时间步长内入口匝道汇入元胞i的交通流量占合流区总交通流量的比例；βi(k)表示在第k个时间步长内元胞i通过出口匝道汇出的交通流量占分流区总交通流量的比例。
合流元胞接收交通流量的判断条件是判断元胞i能否全部接收元胞i-1的最大输出交通流量和入口匝道的汇入交通流量，即Ri(k)是否大于Si-1(k)与Gi(k)之和。如果Ri(k)≥Si-1(k)+Gi(k)，则
Figure BDA0003901709990000079
为元胞i-1的最大输出交通流量，ri(k)为入口匝道汇入元胞i的最大交通流量。
针对交叉口元胞，交叉口元胞存在左转车辆、直行车辆以及右转车辆的分离，需要将不同方向的交叉口进口道划分为多个元胞，从而实现对不同方向下游元胞的连接。交叉口元胞的交通流量更新由最大发送交通流量、各方向车道的输入流量和各方向对应出口道的最大接收流量决定，表达式为：
Figure BDA0003901709990000081
式中，Ri，L(k)、Ri，M(k)以及Ri，R(k)分别表示在第k个时间步长内，元胞i作为交叉口入口元胞时，其他交叉口出口元胞的左转、直行以及右转的最大接收交通流量；
Figure BDA0003901709990000082
以及
Figure BDA0003901709990000083
分别表示在第k个时间步长内元胞i输入交通流量中的左转、直行以及右转交通流量，表达式分别为：
Figure BDA0003901709990000084
Figure BDA0003901709990000085
Figure BDA0003901709990000086
式中，γL(k)、γM(k)以及γR(k)分别表示在第k个时间步长内元胞i输入交通流量中的左转、直行以及右转交通流量占总输入量的比例；
当交叉口元胞为左转元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure BDA0003901709990000087
当交叉口元胞为直行元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure BDA0003901709990000088
当交叉口元胞为右转元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure BDA0003901709990000089
当本实施例的交叉口元胞为信号交叉口时，需要考虑信号控制，也就是将信号配时方案纳入模型之中。具体内容如下：当时间步长处于绿灯信号时，对应的交叉口元胞开启，可以输入或者输出交通流量；当时间步长处于红灯信号时，对应的交叉口元胞关闭，可以输入交通流量，但是不可以输出交通流量。当交叉口元胞依照车流方向进行划分后，交叉口元胞的输出交通流量受到交叉口出口元胞的最大接收交通流量、交叉口元胞的最大输出交通流量和按照方向比例输入到交叉口元胞的输入交通流量限制。
本方法综合考虑城市快速路路网和城市非快速路路网，对城市路网区域进行元胞划分，基于已经发展成熟的元胞传输模型，设计与改进一种面向城市路网的混合元胞传输模型的建模方法，并基于构建的模型实现城市高密度路网混合交通流的仿真预测。此方法有利于研究城市路网区域的交通流状态演变规律，实现了快速路与非快速路之间的衔接，为城市路网区域的交通管控技术开发提供理论依据。

Claims (7)

1.一种城市高密度路网混合交通流元胞传输仿真预测方法，其特征在于，包括：以城市高密度路网区域作为建模对象，以路网区域内道路的边界端作为交通流输入位置和输出位置，输入位置与输出位置之间的路段包括城市快速路基本路段、出入匝道和互通立交，以及城市非快速路基本路段和交叉口，对所述输入位置与输出位置之间的路段进行元胞划分，分为路段元胞、交织元胞和交叉口元胞三种元胞，对所述三种元胞建立混合交通流元胞传输模型，根据所述混合交通流元胞传输模型对城市道路路网状态进行仿真预测。
2.根据权利要求1所述的元胞传输仿真预测方法，其特征在于，根据交通流量守恒理论，所述混合路网元胞传输模型包括元胞i内的交通流密度ρi更新公式以及车辆数ni随时间变化的更新公式，分别为：
Figure FDA0003901709980000011
ni(k+1)＝ρi(k+1)*li
式中，ρi(k)表示元胞i在第k个时间步长内的交通流密度；
Figure FDA0003901709980000012
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输入量；
Figure FDA0003901709980000013
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输出量；ΔT表示元胞更新的时间步长时间值；li表示元胞i的长度；ni(k+1)表示元胞i在第k+1个时间步长内所包含的车辆数。
3.根据权利要求2所述的元胞传输仿真预测方法，其特征在于，所述交织元胞分为分流元胞或合流元胞。
4.根据权利要求2所述的元胞传输仿真预测方法，其特征在于，所述交叉口元胞分为左转元胞、直行元胞或右转元胞。
5.根据权利要求2所述的元胞传输仿真预测方法，其特征在于，所述路段元胞仅存在基本路段交通流，路段元胞i的交通流量更新由上游元胞的最大发送交通流量和元胞i的最大接收流量决定，表达式为：
Figure FDA0003901709980000014
式中，Si-1(k)表示元胞i-1在第k个时间步长内能够发送的最大交通流量，Ri(k)表示元胞i在第k个时间步长内能够接收的最大交通流量，表达式分别为：
Figure FDA0003901709980000015
Figure FDA0003901709980000016
式中，
Figure FDA0003901709980000017
表示元胞i-1的最大通行交通流量；
Figure FDA0003901709980000018
表示元胞i-1在第k个时间步长内的自由流速度；
Figure FDA0003901709980000021
表示元胞i的最大通行交通流量；
Figure FDA0003901709980000022
表示拥挤状态下元胞i的拥挤波波速；
Figure FDA0003901709980000023
表示元胞i的阻塞密度。
6.根据权利要求3所述的元胞传输仿真预测方法，其特征在于，所述交织元胞的交通流量更新由主路元胞交通流和匝道元胞交通流的合流与分流特征决定，当交织元胞为合流元胞时，所述交织元胞的交通流量更新表达式为：
Figure FDA0003901709980000024
当交织元胞为分流元胞时，所述交织元胞的交通流量更新表达式为：
Figure FDA0003901709980000025
式中，
Figure FDA0003901709980000026
表示在第k个时间步长内由元胞i-1进入元胞i的交通流量，表达式为：
Figure FDA0003901709980000027
式中，ri(k)表示在第k个时间步长内通过出入匝道与元胞i合流或者分流的交通流量，当ri(k)为合流交通流量时，表达式为：
Figure FDA0003901709980000028
当ri(k)为分流交通流量时，表达式为：
Figure FDA0003901709980000029
式中，
Figure FDA00039017099800000210
表示元胞i在第k个时间步长内的交通流输出量，表达式为：
Figure FDA00039017099800000211
式中，Gi(k)表示在第k个时间步长内入口匝道汇入元胞i的最大交通流量；αi(k)表示在第k个时间步长内入口匝道汇入元胞i的交通流量占合流区总交通流量的比例；βi(k)表示在第k个时间步长内元胞i通过出口匝道汇出的交通流量占分流区总交通流量的比例。
7.根据权利要求4所述的元胞传输仿真预测方法，其特征在于，所述交叉口元胞的交通流量更新由最大发送交通流量、各方向车道的输入流量和各方向对应出口道的最大接收流量决定，表达式为：
Figure FDA0003901709980000031
式中，Ri,L(k)、Ri,M(k)以及Ri,R(k)分别表示在第k个时间步长内，元胞i作为交叉口入口元胞时，其他交叉口出口元胞的左转、直行以及右转的最大接收交通流量；
Figure FDA0003901709980000032
以及
Figure FDA0003901709980000033
分别表示在第k个时间步长内元胞i输入交通流量中的左转、直行以及右转交通流量，表达式分别为：
Figure FDA0003901709980000034
Figure FDA0003901709980000035
Figure FDA0003901709980000036
式中，γL(k)、γM(k)以及γR(k)分别表示在第k个时间步长内元胞i输入交通流量中的左转、直行以及右转交通流量占总输入量的比例；
当交叉口元胞为左转元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure FDA0003901709980000037
当交叉口元胞为直行元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure FDA0003901709980000038
当交叉口元胞为右转元胞时，所述交叉口元胞的输出交通流量表达式为：
Figure FDA0003901709980000039
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117576913A (zh) * 2024-01-12 2024-02-20 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 基于网络平衡的多车道公路交织区交通分配方法及装置

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