一种基于交通流粒子性特征的三参数分析法制造技术

本发明专利技术提出一种基于交通流粒子性特征的三参数分析法，该方法参考普朗克、爱因斯坦的量子论方法，基于交通流的传输是一份一份进行的事实，应用中国专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（申请号2018111724857）、中国专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法”（申请2018112007160）的研究成果，以及牛顿力学跟驰理论，分别获得横截面上交通流的流量、时空密度、速度三个参数之间的关系，以及流量、时间占有率、速度三个参数之间的关系。引用城市主干道权威交通数据验证效果良好，其中的速度‑流量曲线能完好地呈现主干道交通流三个阶段的变化趋势。本方法可广泛应用于各类交通运输领域和相关电子信息领域，具有重大的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交通流粒子性特征的三参数分析法
本专利技术提出一种基于交通流粒子性特征的三参数分析法，该方法拟参考普朗克、爱因斯坦的量子论方法，基于交通流的粒子性特征，即交通流是一份一份传输的事实，应用中国专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（公布号为CN109410569A，申请号为2018111724857）、中国专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法”（公布号CN109147332A，申请号：2018112007160）的研究成果，以及牛顿力学跟驰理论，提出一种新型的交通流三参数分析法，用于研究横截面上的交通流流量、密度、速度三个参数之间的变化关系。该专利技术适用于交通运输领域和相关电子信息领域。
技术介绍
传统的交通流三参数分析法是基于交通流的波动性特征和流体力学波动理论，对交通道路横截面的交通流量q、车辆速度v1和车流密度k三个参数的相互关系进行分析，流体力学理论认为交通流由空间连续分布车流波组成的，三个参数的相互关系可以用公式(1)表示，(1)其中，交通流量q表示单位时间内通过道路横截面的车辆数，车流密度k表示单位长度内的车辆数，车辆速度v表示单位时间内车辆移动的距离。如果获得横截面处交通流的速度-模型，比如公式（2）所示的Greenshields的速度-密度模型，为例，如公式（2）所示，(2)其中，vf为畅行速度，kj为车流堵塞密度。将速度-密度模型公式代入公式（1），就可以获得对应的流量-密度模型和速度-流量模型。实际应用时，常常用时间占有率替代k/kj，时间占有率表示是在一定的观测时间T内，车身通过检测器时所占用的时间与观测总时间的比值。由清华大学陆化普教授与北京市公安局隋亚刚高级工程师等多人编著的《城市道路混合交通流分析模型与方法》（以下简称书一）一书中，第一篇的1至12章内容结合北京市道路交通流的大量实测数据，应用传统交通流三参数分析方法，分主干道和快速路的速度-流量模型进行了分析。以下内容结合了该书的案例进行分析。流体力学理论认为流体是空间连续分布的，但由于交通流不是流体，导致流体力学波动理论应用在交通流的流量、密度和速度三参数分析时，在高密度、低速度交通流条件下，理论与实际比较吻合，但在低密度、高速度交通流条件下，理论与实际偏差较大。具体表现，在速度-流量曲线拟合时，常常出现理论计算的速度发散的情形，如书一42页图6.1拟合的快速路交通流曲线所示，图中三种拟合曲线在低密度、高速度自由流阶段，自由流速度拟合值都偏高，即出现的速度发散的情形。书一27至30页内容，使用三段数学公式来拟合城市主干道交通流速度-流量关系中的自由流、稳定流和拥挤阶段的曲线，难以使用流体力学波动理论来拟合。这些实际案例说明，应用流体力学波动理论来分析交通流的流量、密度、速度关系，存在难以描述低密度、高速度交通流状态的不足。在本专利技术的技术应用时，将结合书一的主干道交通流的流量、密度、速度关系的数据进行分析和验证。在物理学历史上，有一个案例也涉及物理理论值曲线相对实际值发散的问题，并得到了完美解决，这就是近代物理学史著名的一朵科学乌云——黑体辐射的紫外灾难问题。黑体辐射能量实验数据显示，黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。经典物理学无法解释这个现象，德国物理学家维恩基于热力学建立的公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯基于电磁场理论认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利--金斯公式推出，在短波区(紫外光区)随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，即辐射能量发散现象，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为"紫外灾难"。普朗克创造性的提出了能量子的观点，即物体对能量的发射与吸收是一份一份进行的，对于一定频率ν的辐射，物体只能以hν为能量单位吸收或发射，改进的公式完美拟合了黑体辐射曲线。普朗克能量子观点严重地冲击了经典物理学，后来爱因斯坦也使用量子化的方法，建立了光量子理论，成功解释了光电效应现象。后人进一步深入研究，最终建立量子力学理论。
技术实现思路
本专利技术拟参考普朗克、爱因斯坦的量子论方法，基于交通流的粒子性特征，即交通流的传输是一份份的，提出一种新型的交通流三参数分析法，研究横截面上的交通流流量、密度、速度关系。具体方法如下：步骤一：采用时空分析法管理交通道路横截面的时间与空间中国专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（公布号为CN109410569A，申请号为2018111724857）应用传统数学工具——欧式空间几何和相对论的数学工具——闵氏空间几何，以时空化方法与排队论融合的时空分析法来描述交通道横截面的通行能力。若观测时间为1小时，横截面有s条车道，该横截面的最大时空容量为s通道*1小时，即s通道*小时，每条车道的时空容量为1通道*小时。参考该专利的时空分析法对交通道路横截面的时间、空间的管理方式，进行以下定义，包括：定义1时间业务量T0：时间业务量T0描述了在一定时间T内，交通横截面的s条通道被车辆占用的总时间，用如下公式(3)表示，(3)其中，t0i为第i辆车通过横截面时消耗的时长。定义2交通业务量a，描述了在单位时间内，交通横截面的s条车道被占用的比例状况，如公式(4)所示，(4)可见，交通业务量的是一个无量纲的单位，在排队论中的单位为爱尔兰。1个爱尔兰表示一条通道被占用了一个小时。定义3时空密度ρ0，反映了在单位时间内，平均每条交通道被占用的比例状况，用以下公式(5)表示，(5)其中a为交通业务量，s为车道数。步骤二：基于粒子性特征与统计性特征，分析交通单元的消耗时长中国专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法”（公布号CN109147332A，申请号2018112007160）参考普朗克、爱因斯坦的量子论观点，融合现有的微观交通流理论即牛顿力学跟驰理论，分析在横截面上一个交通单元占用的时空化交通容量，从而建立交通单元的时空容量子模型。交通流是由一个个交通单元组成的，以道路交通为例，交通流是由一辆辆交通车组成的，参考以上时空容量子模型和牛顿力学跟驰理论，当交通流通过横截面时，消耗的时长t0是一份一份的，每一份时长可用以下公式(6)表示，(6)其中，t0表示车辆通过横截面时消耗的时长，r0表示驾驶员反应时长，l1为车身长度，l2为停车后的安全距离，v为车辆速度。假设公式(6)在统计的情况下仍成立，即r0表示驾驶员平均反应时长，l1为车身平均长度，l2为停车后的平均安全距离，v为车辆平均速度，则t0表示r0、l1、l2、v都取平均值时的消耗时长，需要注意的是，一般情况下t0不等于t0i的平均值。将公式(6)代入公式(3)，可得公式(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交通流粒子性特征的三参数分析法，该方法参考普朗克、爱因斯坦的量子论方法，基于交通流是一份份传输的事实，应用中国专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（公布号为CN109410569A，申请号为2018111724857）、中国专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法”（公布号CN 109147332A，申请号：2018112007160）的研究成果，以及牛顿力学跟驰理论，提出一种新型的交通流三参数分析法，用于研究横截面上的交通流流量、密度、速度三个参数之间的变化关系，其特征是，包括：/n步骤一：采用时空分析法管理交通道路横截面的时间与空间/n中国专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（公布号为CN109410569A，申请号为2018111724857）以物理时间、空间与排队论融合的时空分析法来描述交通道横截面的通行能力，参考该专利的时空分析法对交通道路横截面的时间、空间的管理方式，定义时间业务量、交通业务量、时空密度等交通量及其相应的计算方法，即，/n定义1 时间业务量T

【技术特征摘要】
1.一种基于交通流粒子性特征的三参数分析法，该方法参考普朗克、爱因斯坦的量子论方法，基于交通流是一份份传输的事实，应用中国专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（公布号为CN109410569A，申请号为2018111724857）、中国专利申请“一种研究微观交通流的时空分析法”（公布号CN109147332A，申请号：2018112007160）的研究成果，以及牛顿力学跟驰理论，提出一种新型的交通流三参数分析法，用于研究横截面上的交通流流量、密度、速度三个参数之间的变化关系，其特征是，包括：
步骤一：采用时空分析法管理交通道路横截面的时间与空间
中国专利申请“一种研究交通拥塞与通行能力相对变化性质的时空分析法”（公布号为CN109410569A，申请号为2018111724857）以物理时间、空间与排队论融合的时空分析法来描述交通道横截面的通行能力，参考该专利的时空分析法对交通道路横截面的时间、空间的管理方式，定义时间业务量、交通业务量、时空密度等交通量及其相应的计算方法，即，
定义1时间业务量T0：时间业务量T0描述了在一定时间T内，交通横截面的s条通道被车辆占用的总时间，用如下公式(1)表示，

(1)
其中，t0i为第i辆车通过横截面时消耗的时长；
定义2交通业务量a，描述了在单位时间内，交通横截面的s条车道被占用的比例状况，如公式(2)所示，

(2)
可见，交通业务量的是一个无量纲的单位，在排队论中的单位为爱尔兰，1个爱尔兰表示一条通道被占用了一个小时；
定义3时空密度ρ0，反映了在单位时间内，平均每条交通道被占用的比例状况，用以下公式(3)表示，

(3)
其中a为交通业务量，s为车道数；
步骤二：基于交通流的粒子性与统计性特征，分析横截面上交通单元的消耗时长
参考普朗克、爱因斯坦的量子论观点，即物体对能量的发射与吸收是一份一份进行的，结合交通流的实际情况，分析交通流的粒子性特征，以道路交通为例，交通流是由一辆辆交通车组成的，当交通流通过横截面时，消耗的时长t0是一份一份的，参考牛顿力学跟驰理论，每一份时长可用以下公式(4)表示，

(4)
其中，t0表示车辆通过横截面时消耗的时长，r0表示驾驶员反应时长，l1为车身长度，l2为停车后的安全距离，v为车辆速度；
由于交通流还具有统计的特征，使用t0表示公式(4)中r0、l1、l2、v都取平均值时的交通单元消耗时长，由公式(4)可得时间业务量T0的计算公式，即

(5)
其中，T0表示时间业务量，t0i为第i辆车通过横截面时消耗的时长，t0表示公式(4)中r0、l1、l2、v都取平均值时的消耗时长，N表示公式(4)中r0、l1、l2、v都取平均值时在观测时间T内通过横截面的车辆数，即车流量q；
步骤三：分析交通流的流量、时空密度、速度三参数之间的变化关系
结合步骤一定义的交通道横截面的时间业务量、交通业务量、时空密度等交通量，与步骤二基于交通流的粒子性特征与统计性特征获得的横截面上交通单元的消耗时长计算公式，分析交通流的流量q、时空密度ρ0、速度v三参数之间的变化关系，可得，

(6)
公式(6)中，ρ0为时空密度，T表示观察时长，s为车道数，N表示通过横截面的车辆数，即车流量q，r0表示驾驶员平均反应时长，l1为车身平均长度，l2为停车后的平均安全距离，v为车辆平均速度；
由公式(6)可得通过横截面的车辆数N，即车流量q的计算公式，即

(7)
公式(7)中，q为车流量，即通过横截面的车辆数N，v为车辆通过横截面的平均速度，ρ0为时空密度，另外，s为车道数，T表示观察时长，r0表示驾驶员平均反应时长，l1为车身平均长度，l2为停车后的平均安全距离；
这样，我们从交通粒子性与统计性的角度出发，获得了反映横截面上交通流的流量、时空密度、速度三个参数之间变化关系的公式(7)；
步骤四：分析交通流的流量、时间占有率、速度三参数的变化关系
在步骤三的公式(6)中，令

(8)
可得到另一个通过横截面的车辆数N，即车流量q的计算公式，即

(9)
公式(9)中，q为车流量，即通过横截面的车辆数N，v为车辆通过横截面的平均速度，ρ1为时间占用率，另外，s为车道数，T表示观察时长，l1为车身平均长度；
这样，从交通粒子性与统计性的角度出发，获得了反映横截面上交通流的流量q、时间占有率ρ1、速度v之间变化关系的公式(9)；
步骤五：分析交通流的时空密度与时间占有率的比例关系
用公式(7)除以公式(9)，可得时空密度ρ0与时间占有率ρ1的比例关系，即，

(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈为忠，
申请(专利权)人：厦门迅优通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35