一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法技术

一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法。首先检测某段包含进出口匝道的快速道路的交通流密度、流量和速度。采用最优线性拟合法分别拟合数据得到包含通行能力下降和可变限速控制下的交通流基本图。基于实时交通流数据确定各时段主线起点及出入口匝道的交通需求。在各仿真步，采用两类基本图分别计算各元胞内流入流出的最大车辆数，更新各元胞内交通流量、密度及速度。本发明专利技术弥补了基本元胞传输模型假设过于简单且缺乏考虑可变限速控制影响的不足，模拟了瓶颈区域通行能力下降、拥堵交通流中时走时停现象及不同驾驶员遵从度下可变限速控制对交通流运行的影响，为基于仿真的计算可变限速控制对交通安全及效率的影响奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于交通仿真
，具体涉及一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型的改进方法。
技术介绍
交通仿真是研究复杂交通问题的重要工具，通过一定数学模型对交通流运行进行描述，可以动态、准确地模拟交通流运行规律，对交通流时间和空间变化特征予以再现。元胞传输模型作为一种运动学模型的差分离散形式，被广泛应用于模拟快速道路交通流运行之中，但其基本假设过于简单，对其实行二次开发可以准确地模拟关键交通流特征与现象。同时，随着越来越多的快速道路采用可变限速控制这一动态交通控制策略，在交通仿真模型中能够准确模拟可变限速对交通运行的影响变得愈发重要。因此，提出一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型的改进方法，能够更有针对性的刻画可变限速控制下的交通流特性以及一些关键交通流特性。目前宏观仿真模型中，元胞传输模型是可变限速控制中采用较多的仿真模型之一。但基本元胞传输模型对交通流状态的假设过于简单，无法模拟快速道路上通行能力下降及时走时停交通流特征，也无法直接模拟不同驾驶员遵从度下可变限速控制对交通流影响。本专利技术提出基于基本元胞传输模型的针对可变限速控制的对元胞传输仿真模型的改进，相比基本元胞传输仿真模型更具有针对性且对交通流状态的假设更加合理，改进后的模型可以仿真得到一些以往模型无法仿真得到的典型的交通流特征。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是：基本元胞传输模型作为一种被广泛应用于快速道路交通流运行模拟的模型，能够模拟快速道路上交通拥堵生成与传播过程，但基本模型无法模拟快速道路上通行能力下降及时走时停交通流特征，也无法直接模拟不同驾驶员遵从度下可变限速控制对交通流影响。本专利技术提出一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法，分别提出了针对可变限速控制下的元胞传输仿真模型中各步骤中规则修正的方法，建立了能够模拟瓶颈区域通行能力下降现象、拥堵交通流中时走时停现象以及不同驾驶员遵从度下可变限速控制对交通流运行影响的元胞传输模型。二次开发后的元胞传输模型弥补了之前基本元胞传输模型对交通流状态的假设过于简单的缺陷与不足。本专利技术技术方案为：本专利技术提出一种科学合理的针对可变限速控制的元胞传输仿真模型的改进方法，基于基本元胞传输模型各元胞交通流状态更新步骤，依据不同的交通流状态的假设修改模型中发送能力和接受能力的计算方法，实现了针对可变限速控制下对元胞传输模型的二次开发，弥补了以往基本元胞传输仿真模型无法模拟一些特有交通现象的缺陷。实例显示，本专利技术提出的元胞传输仿真模型改进方法很好的实现了预期效果，比基本元胞传输模型更好的模拟了交通流特性。附图说明图1为本专利技术元胞传输仿真模型改进方法流程。图2为典型路段的几何特征与仿真模型示意图。图3为瓶颈元胞中包含通行能力下降的基本图。图4为可变限速控制下交通流基本图。图5为三种条件下车辆传递示意图。具体实施方式本专利技术是基于快速道路上通行能力下降及时走时停交通流特征，以及不同驾驶员遵从度下可变限速控制对交通流的影响特性，修改基本元胞传输模型中每个元胞内允许流入和流出的最大车辆数的计算公式，基于此结果计算各元胞内的交通流量、交通密度和交通流速度，其中可变限速控制的效果在交通流速度的计算公式修正中得以体现，从而得到针对可变限速控制的元胞传输仿真模型的三种情况下的改进方法。针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法流程可参考图1。第一步是确定各时间段主线起点、入口匝道以及出口匝道上交通需求。具体方法为，选定一段长度的快速路段，路段内需包含一个入口匝道和一个出口匝道以及三个交通流检测器，记录其主线路段车道数。选定数据检测的时间间隔T，仿真时间步长ΔT。典型路段的几何特征与元胞传输仿真模型中元胞位置如图2所示。用设置的交通流检测器以时间间隔T周期性采集主线起点、入口匝道和出口匝道上的平均交通量，并以时间间隔T周期性采集各位置交通流平均速度。对检测所得的交通流数据进行处理集计求得各位置交通量作为交通需求，依据检测到的交通流速度计算自由流车流的平均速度，元胞长度由每时间间隔内车辆以自由流速度行驶的距离确定。第二步是在某时刻k，依据各元胞内交通流状态及交通流基本图的右枝，计算每个元胞内允许流入的最大车辆数δ(k)。改进后的元胞传输模型在计算每个元胞内允许流入的最大车辆数时考虑了对瓶颈区通行能力下降和时走时停的交通流特性仿真。具体步骤为首先确定瓶颈元胞内时走时停运动波的概率阈值φ，然后在k时刻产生介于0到1之间(包含0和1)的随机数ζ(k)，依据下式判断不同条件相应的瓶颈元胞最大接受车辆数的计算公式： δ ( k ) = δ ( k ) + e ( k ) , i f ζ ( k ) < φ a n d v ( k ) < V T H δ ( k ) , a l l o t h e r c a 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法，其特征是包括以下步骤：1)确定各时间段主线起点、入口匝道以及出口匝道上交通需求，具体步骤包括：101)选定一段长度的快速路段并记录其主线路段车道数，在快速道路路段合理位置设置交通流检测器，选定数据检测的时间间隔T及仿真时间步长ΔT；102)采用步骤101)中设置的交通流检测器以时间间隔T周期性采集主线起点、入口匝道和出口匝道上的平均交通量、密度及速度；103)依据步骤102)中检测到的历史交通流数据求得自由流车流的平均速度，元胞长度由每时间间隔内车辆以自由流速度行驶的距离确定；2)在当前仿真时间步中，依据各元胞内交通流状态及考虑通行能力下降的交通流基本图右枝，计算每个元胞内允许流入的最大车辆数δ(k)，具体步骤包括：201)确定瓶颈元胞内时走时停运动波的概率阈值φ，在k时刻产生介于0到1之间包含0和1的随机数ζ(k)，依据不同交通流状态选择相应的瓶颈元胞最大接受车辆数δ(k)的计算方法；当k时刻产生的随机数小于时走时停波动的概率阈值且k时刻元胞中的交通流速度小于拥堵速度阈值时，表明k时刻元胞中交通流处于拥堵状态且拥堵状态引发了时走时停现象，此时瓶颈元胞最大接受车辆数的计算公式为δ(k)＝δ(k)+e(k)；反之，当k时刻不满足产生的随机数小于时走时停波动的概率阈值且k时刻元胞中的交通流速度小于拥堵速度阈值这一条件时，瓶颈元胞最大接受车辆数的计算公式为δ(k)＝δ(k)；202)依据交通流数据绘制包含通行能力下降的交通流基本图，找到当前快速路段上通行能力下降后流量Qd和通行能力下降发生时刻的密度阈值dd，则δ(k)的计算公式如下：δ(k)=min{w·(djam-d(k))·n,QVSL},if d(k)≤ddw·(djam′-d(k))·n,if d(k)>dd]]>其中，δ(k)为元胞单位时间内能够接受从上游元胞流入的最大车辆数(也称为接受能力)；d(k)为k时刻元胞中交通流密度；w为运动波传播速度；djam为阻塞密度；n为车道数；QVSL为某限速值下最大流量；d'jam为瓶颈元胞的拥堵密度；203)当元胞中出现拥堵且拥堵状态引发了时走时停现象时，随机部分ε(k)的计算方法如下式：其中，ε(k)为k时刻产生的随机噪声；为决定时走时停交通流波动幅度的参数；3)绘制可变限速控制下交通流基本图，得到限速值VSL，该限速值下最大流量QVSL和对应的密度dVSL的取值，依据每个元胞交通流状态将上述参数带入公式σ(k)＝min{V′SL(k)·d(k)·n,QVSL}计算每个元胞内允许流出的最大车辆数；4)依据步骤3)中计算得到的各元胞内允许流入和流出的最大车辆数，同时基于每个元胞所处在快速道路上的位置确定元胞中的车辆流向，计算各元胞内单位时间的交通流量值。每个元胞依据其所处位置分为主线元胞、入口匝道元胞和出口匝道元胞三种情况，具体流量计算公式如下：401)主线区域，元胞i+1内k时刻的流量qi(k)为上游i元胞能够提供的车辆数σi(k)和元胞i+1能够接受的车辆数δi+1(k)的较小值，具体计算公式为qi(k)＝min{σi(k),δi+1(k)}；402)入口匝道与主线交汇区域，汇入区之后主线元胞i+1中的车辆来源于主线上游元胞i以及入口匝道元胞j；当主线元胞i+1在k时刻接受能力大于上游主线元胞i以及匝道元胞j发送能力之和，即δi+1(k)≥σi(k)+σj(k)时，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为qi(k)＝σi(k)和qj(k)＝min{σj‑1(k),δj(k)}；反之，即δi+1(k)<σi(k)+σj(k)时，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为qi(k)＝max{δi+1(k)‑σj(k),δi+1(k)·(1‑pon)}和qj(k)＝min{σj(k),δi+1(k)·pon}，其中pon为入口匝道汇入主线的最大率，计算方法为入口匝道通行能力与主线通行能力之比；403)出口匝道与主线交汇区域，主线元胞i中车辆流入主线下游元胞i+1和出口匝道元胞j+1中；当出口匝道元胞j+1在k时刻接受能力大于离开主线车辆数，即δj+1(k)≥σi(k)·poff时，其中，poff为主线元胞i中离开主线的比例，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为qi(k)＝σi‑1(k)·(1‑poff)和qj(k)＝σi(k)·poff；反之，即δj+1(k)<σi(k)·poff时，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为qi(k)＝min{δi+1(k),δj+1(k)·(1‑poff)/poff}和qj(k)＝δj+1(k)；5)在快速道路路段上从起点元胞向终点元胞依次传递元胞...

【技术特征摘要】
1.一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法，其特征是包括以下步骤：1)确定各时间段主线起点、入口匝道以及出口匝道上交通需求，具体步骤包括：101)选定一段长度的快速路段并记录其主线路段车道数，在快速道路路段合理位置设置交通流检测器，选定数据检测的时间间隔T及仿真时间步长ΔT；102)采用步骤101)中设置的交通流检测器以时间间隔T周期性采集主线起点、入口匝道和出口匝道上的平均交通量、密度及速度；103)依据步骤102)中检测到的历史交通流数据求得自由流车流的平均速度，元胞长度由每时间间隔内车辆以自由流速度行驶的距离确定；2)在当前仿真时间步中，依据各元胞内交通流状态及考虑通行能力下降的交通流基本图右枝，计算每个元胞内允许流入的最大车辆数δ(k)，具体步骤包括：201)确定瓶颈元胞内时走时停运动波的概率阈值φ，在k时刻产生介于0到1之间包含0和1的随机数ζ(k)，依据不同交通流状态选择相应的瓶颈元胞最大接受车辆数δ(k)的计算方法；当k时刻产生的随机数小于时走时停波动的概率阈值且k时刻元胞中的交通流速度小于拥堵速度阈值时，表明k时刻元胞中交通流处于拥堵状态且拥堵状态引发了时走时停现象，此时瓶颈元胞最大接受车辆数的计算公式为δ(k)＝δ(k)+e(k)；反之，当k时刻不满足产生的随机数小于时走时停波动的概率阈值且k时刻元胞中的交通流速度小于拥堵速度阈值这一条件时，瓶颈元胞最大接受车辆数的计算公式为δ(k)＝δ(k)；202)依据交通流数据绘制包含通行能力下降的交通流基本图，找到当前快速路段上通行能力下降后流量Qd和通行能力下降发生时刻的密度阈值dd，则δ(k)的计算公式如下： δ ( k ) = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志斌，刘攀，王炜，徐铖铖，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32