一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法技术方案

技术编号:20428093 阅读:23 留言:0更新日期:2019-02-23 09:32
本发明专利技术提供一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,步骤如下:一:构建城市交通动态网络;二:计算城市交通动态网络的在不同拥堵率下的系统稳定状态;三:确定城市交通系统的弹性模式和弹性临界点;通过以上步骤,本发明专利技术有效分析了城市交通网络系统的弹性模式和弹性临界点,能预测城市交通网络系统的演化方向是否接近系统的弹性临界点,帮助城市交通管理者评价和预测城市交通网络的状态变化,能为城市交通拥堵提供预警作用;本发明专利技术能同时解决系统弹性临界点的预测指标问题,能为城市交通系统管理与控制的提供理论和技术指导,帮助解决城市交通拥堵、建设智慧城市等当前热点研究问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法
本专利技术提出一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,它涉及一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法及预测指标,属于交通可靠性与网络科学交叉

技术介绍
城市交通系统的运行可靠性是可靠性领域新兴起来的一个重要分支,它主要研究的是交通系统在规定的时间内和规定的条件下能够满足一定的交通需求的能力。随着行业管理者自身管理水平的不断提高,对于城市交通系统运行可靠性的研究,人们不仅仅停留在其是否会失效的认识水平上,更希望能够设计出一种在系统发生效率下降时能够自发的、快速的恢复到可运行行状态的“智能”城市交通系统。系统弹性衡量的就是系统状态在受到外界因素扰动时,能够尽快适应扰动并恢复到功能状态的能力。由于现实系统往往处于复杂多变的外界环境之中,因而如何理解和提高系统的弹性已成为近几年的一大热点研究问题。对系统弹性的研究最早兴起于自然系统,尤其是生态系统的在受到极端气候影响后的自恢复过程。之后,相关领域的学者和专家拓展了系统弹性的概念和分析方法,并进一步将其应用的更多不同种类的复杂系统中去,例如生物系统、气候系统、金融系统等等。但是,现有研究中对于工程系统的弹性的理解还不够深入。工程系统与自然和社会系统相比,往往具有明显的网络结构特征。因此,对于一些复杂的工程系统,尤其是一些关键基础设施的弹性模式(即系统弹性的表现形式),是否具有和自然系统具有相似的特点?是否能建立这些特点与其拓扑特征的联系?现有研究对于这一问题的回答还不够彻底。渗流理论可以很好的分析不同结构的网络系统的性质。基于系统动力学稳定性理论,本专利技术运用渗流分析的方法,给出如下城市交通系统的弹性的定义:交通系统在给定拥堵率(拥堵道路占交通路网中所有道路的比例)下能够恢复到其稳定的功能状态的能力。本专利技术采取的主要方法是,通过渗流分析,确定系统在拥堵率变化过程中的状态变化,并根据其中的稳定状态(给定拥堵率下的高频出现状态)拟合出系统的弹性曲线。对系统弹性的理解和分析,其中一个重要的方面就是关于系统弹性临界点(tippingpoint)的确定,这是因为在系统在弹性临界点处可能发生剧烈的性质变化,称为相变。这种剧烈的相变很可能导致系统大大偏离原有状态,失去原有功能。基于这一点,本专利技术提出的城市交通系统的弹性临界点的定义为:由城市交通系统弹性曲线确定的,系统单一稳定状态与系统多稳定状态的交界点对应的城市拥堵率,即为城市交通系统的弹性临界点。已有研究提出的确定弹性临界点的理论依据,即观察系统是否会出现临界慢化现象(criticalslowingdown),具体表现为系统在越靠近其弹性临界点时,一旦受一点外界扰动,恢复到原状态的速度会越来越慢。基于这一理论,现有的预测系统弹性临界点的指标主要可以分成两类:基于系统状态自相关系数的弹性临界点预测指标和基于系统状态方差的弹性临界点预测指标。当系统接近其弹性临界点时,这两类指标都会呈现出不断增大的趋势。这些指标虽被广泛应用,但是也有如下局限性。首先,已有指标都是基于系统状态时间序列数据的指标,需要依赖于高质量、长时期的时间序列数据才可以得到较为准确的结果;其次,已有指标虽能衡量系统状态的变化趋势,却不能揭示系统拓扑对系统状态的影响,因而难以确定影响系统变化的结构因素。针对已有的系统弹性临界点确定方法和指标的局限性,本专利技术提出的一种基于渗流分析的的交通系统弹性临界点确定方法具有如下优点:首先,本专利技术提出的确定系统弹性临界点的方法仅依赖于系统的拓扑信息和系统日常运行的动力学数据,因而仅需要路网拓扑信息和短时期的交通数据即可得到准确的预测结果;其次,通过本专利技术提出的方法,可以同时解决弹性临界点预测指标问题。由本专利技术方法确定的预测指标是一个基于拓扑信息的指标,能够建立系统的网络属性与系统稳定状态的关系,从而帮助理解影响系统弹性的结构因素。
技术实现思路
(一)本专利技术的目的本专利技术的主要目的包括:基于渗流理论,定义城市交通系统的弹性和弹性临界点:即交通系统在给定拥堵率下能够恢复到其稳定的功能状态的能力(弹性),系统单一稳定状态与系统多稳定状态的交界点对应的城市拥堵率(弹性临界点);利用城市交通系统一定时期的交通数据,基于渗流方法分析城市交通系统在不同拥堵率下的系统稳定状态;依据所得的拥堵率和交通系统稳定状态的关系,绘制城市交通系统的弹性曲线,并跟据所得系统弹性曲线确定系统的弹性模式和弹性临界点;本专利技术提出的方法可以同时解决系统弹性临界点的预测指标问题,即通过分析系统每天某段时间内的最大交通流拥堵子集团(以下简称“最大拥堵子团”)的尺寸的演化过程,预测交通系统是否接近其弹性临界点。(这里的拥堵子团指的是一个边和节点的集合,这个集合中任意两个节点之间至少存在一条由若干处于拥堵状态的边首尾相接形成的拥堵路径。)(二)本专利技术的技术方案本专利技术提出的一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,它涉及基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法及预测指标,具体包含以下步骤:步骤一:基于城市交通网络拓扑结构和一定时期内城市交通运行数据,构建城市交通动态网络;步骤二:基于构建的城市交通动态网络,运用渗流分析方法计算城市交通动态网络的在不同拥堵率下的系统稳定状态;步骤三:基于拥堵率与系统状态的关系,绘制的城市交通系统弹性曲线,并确定城市交通系统的弹性模式和弹性临界点;通过以上步骤,本专利技术提出的基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法及预测指标,有效分析了城市交通网络系统的弹性模式和弹性临界点,可以预测城市交通网络系统的演化方向是否接近系统的弹性临界点,可以帮助城市交通管理者评价和预测城市交通网络的状态变化,能为城市交通拥堵提供预警作用;本专利技术提出的一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,可以同时解决系统弹性临界点的预测指标问题;其可以为城市交通系统管理与控制的提供理论和技术指导,帮助解决城市交通拥堵、建设智慧城市等当前热点研究问题。其中,在步骤一中描述的“基于城市交通网络拓扑结构和一定时期内城市交通运行数据,构建城市交通动态网络”,其具体做法包括以下内容:(1)构建城市交通系统的拓扑网络:通常将城市道路网络划分的各个路段抽象为拓扑网络的连边,将路段与路段之间的连接路口抽象为拓扑网络的节点,从实际交通道路网络中抽象出节点和连边,并根据相应的路段连接关系建立各节点和连边的相互连接关系建立一个拓扑网络;(2)基于一定时期内的交通运行数据,给构建的城市交通系统的拓扑网络中的各连边赋权值:根据城市交通系统中各个路段在测定时刻的运行数据(通常是路段上的平均行车速度或是车流量,这里以平均行车速度为例说明),可以依据该路段最大限速计算其相对速度值,具体公式为:其中,i表示当前路段的起点,j表示当前路段的终点,rij(t)表示t时刻当前路段的相对速度值,vij(t)表示t时刻当前路段的实时测定速度值,表示当前路段的最大限速值;将计算所得的相对速度值作为拓扑网络中当前路段在当前时刻的权值;将各个时刻的带权值的城市交通拓扑网络作为一个集合表示,就构成了城市交通的动态网络;这里所谓的动态指的是具有时间属性;在此步骤中,注意到由于各类因素的影响可能导致某路段在某个时刻的运行数据的缺失,此时需要运用一定的方法对缺本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,其特征在于:具体包含以下步骤:步骤一:基于城市交通网络拓扑结构和一预定时期内城市交通运行数据,构建城市交通动态网络;步骤二:基于构建的城市交通动态网络,运用渗流分析方法计算城市交通动态网络的在不同拥堵率下的系统稳定状态;步骤三:基于拥堵率与系统状态的关系,绘制的城市交通系统弹性曲线,并确定城市交通系统的弹性模式和弹性临界点;通过以上步骤,本专利技术提出的基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法及预测指标,有效分析了城市交通网络系统的弹性模式和弹性临界点,能预测城市交通网络系统的演化方向是否接近系统的弹性临界点,能帮助城市交通管理者评价和预测城市交通网络的状态变化,能为城市交通拥堵提供预警作用;本专利技术提出的一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,能同时解决系统弹性临界点的预测指标问题,能为城市交通系统管理与控制的提供理论和技术指导,帮助解决城市交通拥堵、建设智慧城市等当前热点研究问题;也就是说,能依据实际交通需求水平设置判断路段是否拥堵的相对速度水平的标准值Q,如果一路段的权值rij(t)≥Q,则认为该路段是畅通的;否则,则认为该路段是拥堵的;在此基础上,分析最大拥堵子团尺寸随时间的演化情况;这里的最大拥堵子团尺寸指的是最大拥堵子团包含的节点数目;观察随着时间的推移交通系统的最大拥堵子团尺寸呈现怎样的变化趋势:如果最大拥堵子团尺寸呈现不断增大的趋势,说明系统在接近其弹性临界点,需要进行预警;否则,说明系统正远离其弹性临界点。...

【技术特征摘要】
1.一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,其特征在于:具体包含以下步骤:步骤一:基于城市交通网络拓扑结构和一预定时期内城市交通运行数据,构建城市交通动态网络;步骤二:基于构建的城市交通动态网络,运用渗流分析方法计算城市交通动态网络的在不同拥堵率下的系统稳定状态;步骤三:基于拥堵率与系统状态的关系,绘制的城市交通系统弹性曲线,并确定城市交通系统的弹性模式和弹性临界点;通过以上步骤,本发明提出的基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法及预测指标,有效分析了城市交通网络系统的弹性模式和弹性临界点,能预测城市交通网络系统的演化方向是否接近系统的弹性临界点,能帮助城市交通管理者评价和预测城市交通网络的状态变化,能为城市交通拥堵提供预警作用;本发明提出的一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,能同时解决系统弹性临界点的预测指标问题,能为城市交通系统管理与控制的提供理论和技术指导,帮助解决城市交通拥堵、建设智慧城市等当前热点研究问题;也就是说,能依据实际交通需求水平设置判断路段是否拥堵的相对速度水平的标准值Q,如果一路段的权值rij(t)≥Q,则认为该路段是畅通的;否则,则认为该路段是拥堵的;在此基础上,分析最大拥堵子团尺寸随时间的演化情况;这里的最大拥堵子团尺寸指的是最大拥堵子团包含的节点数目;观察随着时间的推移交通系统的最大拥堵子团尺寸呈现怎样的变化趋势:如果最大拥堵子团尺寸呈现不断增大的趋势,说明系统在接近其弹性临界点,需要进行预警;否则,说明系统正远离其弹性临界点。2.根据权利要求1所述的一种基于渗流分析的交通系统弹性临界点确定方法,其特征在于:在步骤一中描述的“基于城市交通网络拓扑结构和一预定时期内城市交通运行数据,构建城市交通动态网络”,其具体做法包括以下内容:(1)构建城市交通系统的拓扑网络:通常将城市道路网络划分的各个路段抽象为拓扑网络的连边,将路段与路段之间的连接路口抽象为拓扑网络的节点,从实际交通道路网络中抽象出节点和连边,并根据相应的路段连接关系建立各节点和连边的相互连接关系建立一个拓扑网络;(2)基于一预定时期内的交通运行数据,给构建的城市交通系统的拓扑网络中的各连边赋权值:根据城市交通系统中各个路段在测定时刻的运行数据,能依据该路段最大限速计算其相对速度值,具体公式为:其中,i表示当前路段的起点,j表示当前路段的终点,rij(t)表示t时刻当前路段的相对速度值,vij(t)表示t时刻当前路段的实时测定速度值,表示当前路段的最大限速值;将计算所得的相对速度值作为拓扑网络中当前路段在当前时刻的权值;将各个时刻的带权值的城市交通拓扑网络作为一个集合表示,就构成了城...

【专利技术属性】
技术研发人员:李大庆曾冠文
申请(专利权)人:北京航空航天大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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