基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法。该方法提出了一种结合复杂网络理论中“沙堆雪崩”模型，分析城市交通网络的“拥堵”分布情况，帮助了解交通道路之间的拥堵作用机理，发现在城市道路的设计、规划过程中存在的缺陷。该方法首先建立城市道路网机理关联模型，考虑道路自身的交通疏导能力，以及对拥堵起相关性作用的动态因素，通过归一化等操作，合理的将这些因素考虑到该关联模型中；通过系统仿真，模拟出城市道路的演化机理过程，借助于复杂网络理论中沙堆模型的分析过程，呈现城市道路拥堵后，拥堵的演化传播过程，进而从整体了解整个城市道路网设计、规划的合理性，为城市道路规划的进一步优化提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法
本专利技术涉及交通规划、设计领域，特别是涉及一种基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法。
技术介绍
随着社会的快速发展和城市化进程的加快，城市道路网络规模变得日益庞大而复杂，交通拥堵问题也越来越严重。很多城市试图通过新建、改建、扩宽道路、增加交通诱导等方式解决交通拥堵问题，但是效果并不显著，究其原因在于这些城市道路本身的设计就不合理、规划就缺乏科学性。因此，准确的未来交通状态预测对于城市交通的规划、设计的具有重要的意义和应用价值，通过设计高效、稳定的动态路由规划方法，对于提高路网整体吞吐量及缓解交通拥堵程度，具有重要的科学意义。道路网络的结构特征对交通流传递过程具有重要影响，故深入认知道路网络的结构并揭示交通流的内在运行和拥堵机理对于未来挖掘高效、可靠的交通诱导策略具有重要的理论和现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是结合复杂网络理论中“沙堆雪崩”模型，分析城市交通网络的“拥堵”分布情况，帮助了解交通道路之间的拥堵作用机理，进而帮助在城市道路的设计、规划过程中有效的发觉道路设计中的缺陷，从而最终优化出一张高效的城市规划道路网或者修改现有道路中的缺陷，提高城市道路运行效率。本专利技术所采用的技术方案如下：基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤(1)：建立城市道路网单向的有向网络集合，城市道路网络被抽象成单向的有向网络集：其中V为网络节点集合，所述网络节点代表交通路口集合；r>步骤(2)：根据实际情况确定城市中各段道路自身承载能力其中，公式(1)、(2)中假设发生拥堵的路段i受后侧连接的路段的影响因子为对左转、右转影响因子为和对前方路段的影响因子为ni_front,ni_left,ni_right,ni_back∈R+表示拥堵道路i连接的前行、左行、右行以及后方汇入的道路数量，R+为正整数集，k_back、k_left、k_right、k_front表示与拥堵的路段i中有k_back条汇入道路以及k_left,k_right,k_front条左、右、前行道路；公式(3)中，各路段的承载能力为ηi，道路i的长度为li、单向车道数量为pi、与道路i连接的前行、左行、右行的道路数量分别为ni_front,ni_left,ni_right。后方汇入的道路数量为ni_back、红绿灯时长为公式(4)、(5)中，lmax,tmax,pmax,表示所规划城市道路网中最长的道路长度、最久的红绿灯时长、最大单向车道数、以及各道路中连接的最多前行、后方汇入、左行、右行的道路数量。步骤(3)：确定各段道路的动态拥堵函数yi(t)；公式(6)中，t为仿真时间步长；公式(7)中，为拥堵道路i的最高限速，道路i车辆平均行驶速度为当前时间段Ti(t)服从以纵坐标轴，Ti(t)为横坐标轴的正态分布函数。步骤(4)：判断yi(t)是否大于拥堵函数阈值设置拥堵函数阈值即当时认为道路i发生了道路拥堵；道路i的全天总拥堵次数mi＝mi+1。步骤(5)：建立各条道路的拥堵时间评价函数，并评价其设计的合理性。TiTotal为道路i一天内的总拥堵时间：TiTotal＝mi×t(8)；则各条道路的拥堵时间评价函数：在进行仿真前做如下准备工作：A)、设置参数：仿真时间步长t；车辆平均行驶速度与当前时间段Ti(t)的正态分布函数，以确定表达式(7)；B)、生成城市交通网络C)、初始化城市交通网络的相关参数：各路段i的道路长度li、单向车道数量pi、与道路i连接的前行、左行、右行的道路数量ni_front,ni_left,ni_right以及后方汇入的道路数量ni_back、红绿灯时长道路i的最高限速道路i的全天总拥堵次数mi；D)、根据表达式(1)、(2)确定起始时刻各路段i受后侧连接的路段的影响因子左转、右转影响因子和前方路段的影响因子E)、根据表达式(3)计算起始时刻各路段的承载能力ηi，并根据(4)、(5)将其归一化为F)、按表达式(6)计算起始时刻每条道路i的拥堵函数yi(t)；G)、判断如是，则该时刻道路状况为拥堵；仿真步骤按步长t循环进行步骤D)-G)；根据上述判断情况计算道路i的在全天内的总拥堵次数mi，并根据表达式(8)、(9)计算道路i一天内的总拥堵时间TiTotal和拥堵时间评价函数根据道路i一天内的总拥堵时间TiTotal和拥堵时间评价函数计算结果，评价城市道路设计的总体拥堵情况。本专利技术结合复杂网络理论中“沙堆雪崩”模型，分析城市交通网络的“拥堵”分布情况，帮助了解交通道路之间的拥堵作用机理，进而帮助在城市道路的设计、规划过程中有效的发觉道路设计中的缺陷，从而最终优化出一张高效的城市规划道路网或者修改现有道路中的缺陷，提高城市道路运行效率。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法，提出了一种结合复杂网络理论中“沙堆雪崩”模型，分析城市交通网络的“拥堵”分布情况，帮助了解交通道路之间的拥堵作用机理，发现城市道路在设计规划过程中存在的容易发生拥堵的线路，进而帮助在城市道路的设计、规划过程中有效的发觉道路设计中的缺陷，从而最终优化出一张高效的城市规划道路网或者修改现有道路中的缺陷，提高城市道路运行效率的方法。该方法首先建立城市道路网机理关联模型，考虑道路自身的交通疏导能力，以及城市道路发生拥堵过程中，对于某一路段拥堵起相关性作用的动态因素，通过归一化等操作，合理的将这些因素考虑到该关联模型中；通过系统仿真，模拟出城市道路的演化机理过程，借助于复杂网络理论中沙堆模型的分析过程，呈现城市道路拥堵后，拥堵的演化过程以及拥堵的传播过程，进而从整体了解整个城市道路网设计、规划的合理性，为城市道路规划的进一步优化提供科学依据。为说明本专利技术效果，下面对本专利技术方法进行详细说明：1、考虑到实际道路车道通常为双向道路(也会有单向车道或潮汐车道等道路)，但是，某一方向道路的拥堵，通常也不会影响到另一方向道路的通畅状况(虚线掉头等特殊、少数情况忽略)，因此，城市道路网络可以被抽象成单向的有向网络集：其中V为网络节点(代表交通路口)集合。2、假设发生拥堵的路段i受后侧连接的路段的影响因子为对左转、右转影响因子为和对前方路段的影响因子为该因子表示后侧车辆中有多少比例的车子驶入该路段以及该路段车辆总数中，有多少比例的车辆通过前方路口发生前行以及左、右转，从而汇入相连道路。其中：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n步骤(1)：建立城市道路网单向的有向网络集合，城市道路网络被抽象成单向的有向网络集：

【技术特征摘要】
1.基于复杂网络沙堆模型的城市路网机理关联规划方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤(1)：建立城市道路网单向的有向网络集合，城市道路网络被抽象成单向的有向网络集：其中V为网络节点集合，所述网络节点代表交通路口集合；
步骤(2)：根据实际情况确定城市中各段道路自身承载能力
步骤(3)：确定各段道路的动态拥堵函数yi(t)；
步骤(4)：判断yi(t)是否大于拥堵函数阈值
步骤(5)：建立各条道路的拥堵时间评价函数，并评价其设计的合理性。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中“各段道路自身承载能力”采用以下数学模型描述：















其中，公式(1)、(2)中假设发生拥堵的路段i受后侧连接的路段的影响因子为对左转、右转影响因子为和对前方路段的影响因子为ni_front,ni_left,ni_right,ni_back∈R+表示拥堵道路i连接的前行、左行、右行以及后方汇入的道路数量，R+为正整数集；
公式(3)中，各路段的承载能力为ηi，道路i的长度为li、单向车道数量为pi、与道路i连接的前行、左行、右行的道路数量分别为ni_front,ni_left,ni_right；；；后方汇入的道路数量为ni_back、红绿灯时长为
公式(4)、(5)中，lmax,tmax,pmax,表示所规划城市道路网中最长的道路长度、最久的红绿灯时长、最大单向车道数、以及各道路中连接的最多前行、后方汇入、左行、右行的道路数量。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中“各段道路的动态拥堵函数yi(t)”采用以下数学模型描述：






公式(6)中，t为仿真时间步长；
公式(7)中，为拥堵道路i的最高限速，道路i车辆平均行驶速度为当前时间段Ti(t)服从以纵坐标轴，Ti(t)为横坐标轴的正态分布函数。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中“判断yi(t)是否大于拥堵函数阈值”算法的具体方法如下：
设置拥堵函数阈值即当时认为道路i发生了道路拥堵；
道路i的全天总拥堵次数mi＝mi+1。


5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中“建立各条道路的拥堵时间评价函数”采用以下数学模型描述：：
TiTotal为道路i一天内的总拥堵时间：
TiTotal＝mi×t(8)；
则各条道路的拥堵时间评价函数：





6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：房新力，关永发，程开宇，富强，邬雪松，张振宇，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33