基于延误分析与成本控制的道路交叉口工作区施工方法技术

本发明专利技术提出了一种基于延误分析与成本控制的道路交叉口工作区施工方法。当道路工作区设置在信号交叉口附近的时候，必然会造成更严重的交通拥堵，进而会产生出行延误，增加出行成本。本发明专利技术首先分别估计车辆在城市道路交叉口工作区产生的延误和信号交叉口控制延误，并把总延误和队列最大长度列为约束条件的一部分，然后确定道路交叉口工作区产生的总成本，构建以道路交叉口工作区总成本为目标函数的最小化模型。通过优化工作区的施工策略使得总成本最低，用MATLAB实现遗传算法对施工策略的寻优过程。

Construction Method of Road Intersection Workspace Based on Delay Analysis and Cost Control

The invention proposes a construction method of Road intersection workspace based on delay analysis and cost control. When the road working area is located near the signalized intersection, it will inevitably cause more serious traffic congestion, which will lead to travel delays and increase travel costs. The invention first estimates the delay caused by vehicles in the working area of urban road intersections and the control delay at signalized intersections, and lists the total delay and the maximum queue length as part of the constraint conditions, then determines the total cost generated by the working area of road intersections, and constructs a minimization model with the total cost of the working area of road intersections as the objective function. By optimizing the construction strategy of the working area, the total cost is lowest. The genetic algorithm is used to optimize the construction strategy with MATLAB.

【技术实现步骤摘要】
基于延误分析与成本控制的道路交叉口工作区施工方法
本专利技术涉及交通领域，具体涉及一种基于延误分析与成本控制的道路交叉口工作区施工方法。技术背景我国城市道路处在一个新老交替的阶段，既要维修养护旧路，同时也需建造新路，因而城市道路交叉口工作区的存在也在逐渐增多。为了制定合理的工作区施工策略，准确地估计城市道路交叉口施工区产生的延误是有必要的。在城市道路交叉口需要保证安全性和流动性时，工作区的策略是一个重要的问题。当有工作区存在的时候，处理新的情况当然会增加出行时间的负担，增加延误。找到最佳的方式来处理工作区将为在城市道路交叉口工作区的施工的工人和司机提供更安全的条件。城市道路交叉口工作区的设计应着重于为驾驶员提供足够的时间和距离，以根据需要做出决定去选择停车或降低速度行驶。最大限度地减少交通延误，使城市道路交叉口作业区的运营和安全得到改善。现有的大多数针对工作区的研究都集中在高速公路工作区，对城市道路工作区的研究是非常有限的，尤其是在城市道路交叉口。城市道路工作区和高速公路工作区的交通流特征、通行能力影响因素、工作区特性等显著不同，因此高速公路工作区的研究成果不能直接应用于城市道路工作区。现有的研究中没有涉及如何通过优化城市道路交叉口工作区的施工策略研究，从而提高道路通行能力以及改善不良交通状况。当然这种情况可能是由于许多国家的工作区数量有限以及城市道路涉及的复杂因素太多而难以收集现场数据，复杂因素可能包括行人和非机动车的干扰，交叉路口工作区的位置等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于确定道路交叉口工作区总成本，得到以道路交叉口工作区总成本为目标函数的最小化模型的最优解，完成工作区施工策略的优化。本专利技术提出的这种基于延误分析与成本控制的道路交叉口工作区施工方法是这样实现的，主要包括以下步骤：S1.量化研究的问题，并对前提假设条件做出陈述。S2.其次分别对工作区延误和信号交叉口控制延误进行估计，同时将总延误和队列最大长度作为约束条件的一部分，最后构建由出行延误总成本、交通控制总成本和交通事故总成本组成的总成本最小化模型。S3.利用MATLAB求解基于调查所得数据的总成本最小化模型的遗传算法的主要实现步骤，最后根据所得结果，对模型中的变量与目标函数总成本之间关系进行了分析，列出不同交通状况下的模型求解结果，证明了总成本最小化模型的适用性和遗传算法用于求解的合理性，并研究了有效绿灯时间和信号周期对总成本的影响。在S1步骤中，工作区设置为关闭所在方向的部分车道，不占用对向车道，完成施工活动。在道路信号交叉口进口道给定一个长度为常数L的短期工作区，所有的施工工作都要在预先给定的时间窗口[u0,u1]完成，其中u0和u1是两个整数，分别代表允许的施工最早开始时间和最晚完成时间。基本方法是制定一个总成本目标函数，通过启发式算法中的遗传算法对工作区施工开始时间ts以及车道关闭选择Xi进行优化。一个可行的道路交叉口工作区的施工策略可以用向量(ts,n0)表示，其中ts是施工开始时间，n0是车道关闭数。在S1的假设中，采用平均小时交通量，可以反映一天之内交通流量的波动情况。此外，在任何时间t，t∈[u0+j,u0+j+1],j＝0,1,2...，接近工作区的交通流(vph)用Q(t)表示，近似等于在这个时间间隔开始时的小时交通量。以小时为单位的用户延误可以转换成用户延误成本，以每车每小时的平均成本表示；交通事故成本的产生是由于工作区产生的延误的存在而导致的；对于一个给定的工作区，相应的施工持续时间假设为车道关闭数n0的线性函数，形式如下：wd＝d1+d2n0L其中d1代表工作区的固定安装时间长度，d2代表工作区内每条车道每公里的平均可变安装时间长度。和施工开始时间一样，工作区的施工持续时间也被假设精确到一分钟；交通控制成本CM是车道关闭数n0的线性函数，包括交通控制设施的租赁成本以及相关设施安装，移动，维护等成本，形式如下：CM＝z1+z2n0L以工作区施工持续时间作为信号交叉口控制延误的分析时间间隔，假设工作区施工开始之前，道路上不存在初始排队车辆。在S2步骤中，估计城市道路交叉口工作区延误以及信号交叉口控制延误，并且将总延误和队列最大长度作为约束条件的一部分；确定道路交叉口工作区的总延误由两部分组成：车辆排队延误和信号交叉口控制延误。总延误用Tq表示如下：Tq＝tq+3600/tin(k)道路交叉口工作区施工策略(ts,n0)导致的车辆平均出行延误和每条车道上的最大队列长度分别用Td和qmax表示。车辆的平均出行延误计算如下：假设排队的队列均匀地分布在每条车道上，则每条车道的最大队列长度估计如下：用Tdmax(min/veh)和Qmax(veh/lane)分别代表交通运输局对于平均出行延误和最大队列长度限定的阈值，因此，一个可行的道路交叉口工作区施工策略应该满足以下两个约束：道路交叉口工作区总成本估计给定一个可行的城市道路交叉口工作区的施工策略，总成本用CT表示，有三部分组成，分别是：用户延误总成本CD、交通控制总成本CM以及交通事故总成本CA，即：CT＝CD+CM+CA用户延误总成本：对于一个完整的城市道路交叉口工作区的施工策略，总的用户延误包括三部分：车辆在工作区上游产生的排队延误，车辆穿越工作区时产生的移动延误，交叉口产生的平均控制延误。用户延误总成本CD：CD＝Tq×vd交通控制总成本和交通事故总成本：交通控制总成本形式如下：CM＝z1+z2n0L交通事故总成本是发生在城市道路交叉口工作区交通事故的总成本。总的交通事故成本等于每一亿车辆小时发生的交通事故数量na和总的用户延误以及每次事故的平均成本va的乘积，即：城市道路交叉口工作区的最优施工策略可以通过求解总成本最小化模型来确定，具体模型如下：约束条件：其中时间窗约束[u0,u1]确保施工任务在给定时间内完成。利用MATLAB软件实现了遗传算法对构建的总成本最小化模型的自动优化过程，验证了所建模型及算法设计的合理性和可行性。同时,运用遗传算法实现了算例的求解,说明了所用算法在解决问题中的优势。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实例或
技术介绍
中的技术方案，下面对本专利技术实例或
技术介绍
中所需要使用的附图进行说明。图1是本专利技术案例分析选取的路段交通流量随时间变化的规律图2是本专利技术将总的施工持续时间分成的若干连续时间间隔中一个时间间隔的长度代表的一个交叉口信号周期时长连续的信号周期的交通流分布图3为队列持续到第k个信号周期结束时的排队情况排队延误情况图4队列在第k个信号周期的有效绿灯时间内完全消失的排队情况延误情况图5为车辆所经历的总延误分为减速延误、停止延误和加速延误图6为施工开始时间取得最优解，工作区总成本与车道关闭数之间的关系图7为当车道关闭数取得最优解，工作区施工工作开始时间对总成本的影响时总成本和施工开始时间的关系图8为寻找最优解进化过程中优化结果与进化代数的关系具体实施方式以下以中山南路交通流量调查采集的流量数据为案例分析提供数据支撑，进一步说明本专利技术方法。本专利技术提供的道路交叉口工作区施工研究方法，采用“关闭单向部分车道进行施工活动”的布置方式，针对道路交叉口工作区的施工策略优化开展了研究。目前，针对城市道路交叉口工作区的相关研究还比较少，如何通过对工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于延误分析与成本控制的道路交叉口工作区施工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：问题量化与假设条件陈述1、问题量化(1)在道路信号交叉口进口道给定一个长度为常数L的短期工作区，所有的施工工作都要在预先给定的时间窗口[u0,u1]完成，其中u0和u1是两个整数，分别代表允许的施工最早开始时间和最晚完成时间；(2)工作区设置为关闭所在方向的部分车道，不占用对向车道，完成施工活动；(3)第n条车道的关闭选择用Xn表示，其中n＝1,...,i，i代表城市道路的总车道数，根据计量经济学中虚拟变量的设置原则，用虚拟变量来表示车道关闭选择，设置为0或1，即“车道关闭”时Xn＝1，“车道开放”时Xn＝0，关闭车道数用n0表示，

【技术特征摘要】
1.一种基于延误分析与成本控制的道路交叉口工作区施工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：问题量化与假设条件陈述1、问题量化(1)在道路信号交叉口进口道给定一个长度为常数L的短期工作区，所有的施工工作都要在预先给定的时间窗口[u0,u1]完成，其中u0和u1是两个整数，分别代表允许的施工最早开始时间和最晚完成时间；(2)工作区设置为关闭所在方向的部分车道，不占用对向车道，完成施工活动；(3)第n条车道的关闭选择用Xn表示，其中n＝1,...,i，i代表城市道路的总车道数，根据计量经济学中虚拟变量的设置原则，用虚拟变量来表示车道关闭选择，设置为0或1，即“车道关闭”时Xn＝1，“车道开放”时Xn＝0，关闭车道数用n0表示，(4)制定一个总成本目标函数，通过启发式算法中的遗传算法对工作区施工开始时间ts以及车道关闭选择Xi进行优化；工作区存在导致的延误计算采用确定性排队模型；信号交叉口控制延误通过对《道路通行能力手册》HCM2000部分中的延误模型进行适当修改进行计算；(5)施工策略用向量(ts,n0)表示，其中ts是施工开始时间，n0是车道关闭数，将工作区施工开始时间的精确度设定为一分钟；施工开始时间和车道关闭数需要满足如下约束：其中u0和u1分别是最早的工程开始时间和最晚的完成时间，n0是关闭车道数，i是城市道路的总车道数；2、假设条件陈述(1)采用平均小时交通量，可以反映一天之内交通流量的波动情况；此外，在任何时间t，t∈[u0+j,u0+j+1],j＝0,1,2...，接近工作区的交通流(vph)用Q(t)表示，近似等于在这个时间间隔开始时的小时交通量；(2)以小时为单位的用户延误可以转换成用户延误成本，以每车每小时的平均成本表示；交通事故成本的产生是由于工作区产生的延误的存在而导致的；(3)在第j个小时[u0+j,u0+j+1)期间，城市道路的通行能力c的估计公式由《道路通行能力手册》之HCM2000可知，用下式计算：其中cw代表车道通行能力，i代表总的车道数，n0代表关闭车道数，s0代表每条车道的修正饱和流率，g/C代表给定的车道有效绿信比；(4)对于一个给定的工作区，相应的施工持续时间假设为车道关闭数n0的线性函数，形式如下：wd＝d1+d2n0L其中d1代表工作区的固定安装时间长度，d2代表工作区内每条车道每公里的平均可变安装时间长度，和施工开始时间一样，工作区的施工持续时间也被假设精确到一分钟；(5)交通控制成本CM是车道关闭数n0的线性函数，包括交通控制设施的租赁成本以及相关设施安装，移动，维护等成本，形式如下：CM＝z1+z2n0L其中z1代表固定安装成本，与车道关闭数n0相互独立，用于安装一个完整的工作区，包括用于安装交通控制和养护设施，z2代表工作区内每条车道每公里的平均可变安装成本；(6)以工作区施工持续时间作为信号交叉口控制延误的分析时间间隔，假设工作区施工开始之前，道路上不存在初始排队车辆；步骤二：道路交叉口工作区延误估计与总成本估计(1)分别估计道路交叉口工作区延误以及信号交叉口控制延误，并且将总延误和队列最大长度作为约束条件的一部分；(2)车辆在道路交叉口工作区产生的排队延误；整个工作区的施工持续时间可以覆盖的信号周期的个数用N表示，计算如下：其中表示不超过正数z的最大整数；第k个信号周期的开始时间用ts(k)表示如下：用ts(N+1)代表工作区施工的结束时间，即ts(N+1)＝ts+wd(3)信号交叉口控制延误：信号交叉口产生的延误计算为车辆在穿越交叉路口时，实际经历的行驶时间和在没有交通信号控制的情况下车辆所经历的行驶时间之间的差值；(4)增量延误：增量延误对控制参数(K)决定的信号控制类型、道路通行能力(cw)、饱和度(X)和分析时间间隔的数值变化非常敏感。估计增量延误时，假定在分析时间间隔开始的时候没有初始排队，且增量延误对于所有的饱和度值都适用，包括高度饱和的道路交通，用下式估计：(5)信号联动校正系数：信号联动校正系数PF不仅适用于定时信号控制，同时也适用于半感应式控制系统中的非感应控制。联动控制主要对均匀延误造成影响,联动控制修正系数仅适用于均匀延误ti1；根据《道路通行能力手册》之HCM2000，PF由下面的式子计算：(6)均匀延误：基于韦伯斯特延误公式的第一项，假定车辆是均匀到达，交通流是稳定流，并且分析时间间隔的初始时刻没有排队形成，则可以使用下列公式估计延误。注意在计算tin1值时，X的值不能大于1，(7)初始排队延误：记由初始排队车辆引起的延误为tin3，其大小与初始排队大小、分析时段长度、交通量与通行能力之比有关；tin3的一般形式如下：(8)信号交叉口控制延误：在有初始排队情况下，从分析时段wd开始计时，清除初始排队车辆的时间可用如下公式计算，(9)确定道路交叉口工作区总成本由用户延误总成本、交通控制总成本和交通事故总成本组成；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁金贤，于尧，李文文，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31