一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法技术

本发明专利技术涉及一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法，属于城市道路交通网络拥塞缓解技术领域，包括将城市道路交通网络抽象为复杂网络进行建模、建立节点的负载

【技术实现步骤摘要】
一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法


[0001]本专利技术涉及一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法，属于城市道路交通网络拥塞缓解


技术介绍

[0002]交通拥塞是指由于交通流量接近或者超过道路通行能力而导致的交通运行中断，造成交通网络中部分组件失效，如果不加以处理，交通拥塞将蔓延到临近地区，出现连锁交通拥塞现象，此时区域内路段通行能力下降并且道路网络的服务能力受损，这就是网络级联效应。交通拥塞会造成行驶时间的增加进而加重环境污染，而且拥塞率和事故率之间是正相关的关系。因此，如何缓解城市道路交通拥塞成为亟待解决的热点问题。
[0003]目前，已有诸多研究是在抽象道路网络的基础上对交通拥塞的级联失效问题进行分析，对城市道路交通网络进行建模并分析级联失效动态传播过程的影响因素。但是当网络中级联失效发生时，对级联失效恢复机制的研究具有更重要的实际意义。其中一部分研究是从改变网络的拓扑和保护网络中重要节点的角度来缓解级联失效的，这些方法对缓解部分网络的级联失效具有重要的价值，但是对于复杂的城市道路交通网络，改变网络结构的方式并不适用。而且往往交通网络中的重要节点都起着交通枢纽的作用，部分保护重要节点的方法是通过将重要节点隔离，但是这在交通网络中是低效且不符合实际的；还有一部分是及时将重要失效节点的负载分配出去，这就涉及到负载分配规则的问题，即流量分配策略。优化流量分配是缓解交通拥塞最基本的方式，在当前的研究中，部分流量分配方法计算过于复杂，短期内并不适用于实际，且多数是基于复杂网络对级联失效的缓解进行理论研究，并没有实际的应用方法或场景。
[0004]因此，开发一种从理论和实际两方面出发既合理又高效易于实现的拥塞缓解策略具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法，防止交通网络发生级联失效并且防止级联失效大规模扩散。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1、将城市道路交通网络抽象为复杂网络进行建模；
[0009]步骤2、建立节点的负载
‑
容量模型；
[0010]步骤3、制定负载重分配策略；
[0011]步骤4、选取评价指标对缓解效果进行评估；
[0012]步骤5、仿真工作。
[0013]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤2的节点负载为：
[0014][0015]其中，i表示网络中任意节点，为节点的初始负载量，k
i
为节点的度，τ为节点负载的可调参数，τ≥1；
[0016]节点的容量为：
[0017][0018]式中，C
i
(t)为节点i的容量，β为节点容量与节点初始负载的比例参数，β≥0。
[0019]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤3包括以下步骤：
[0020]步骤3.1：定义双向边的传输速率并以此为基础进行负载重分配，边的传输速率公式表示为：
[0021][0022]其中，ρ
ij
为节点i向节点j方向的边的传输速率，D
ij
为节点i与节点j之间的传输距离，为整个网络节点间的平均距离，为源节点i给邻居节点j的负载分配比例，Φ
i
为源节点的非拥塞(负载小于容量)邻居节点的集合；
[0023]步骤3.2：引入边的传输速率系数控制边的传输速率，传输速率系数可映射为交通灯的控制，
[0024][0025]其中，i为拥塞节点，λ为节点i向节点j方向的传输速率系数，j为拥塞节点i的邻居节点，Co、Cr、Nor代表邻居节点的三种状态(拥塞、临界、正常)，当j节点处于临界状态时，拥塞节点i向邻居节点j的传输速率系数λ
ij
定义为与节点j的流入量/流出量相关的变量，公式如下：
[0026][0027]式中，δ为节点流入量/流出量的值；
[0028]此外，邻居节点j向拥塞节点i的传输速率系数为0，即λ＝0
ꢀꢀ
i∈Co，j∈Co/Cr/Nor；
[0029]公式(4)中所述引入边的传输速率系数λ调节边的传输速率ρ
ij
，匹配交通灯进行实施的具体方案是：
[0030]设置拥塞路口及其邻居路口，连接它们之间的双向车道，路口红绿灯周期为T，其中一个周期内红灯时长为R，绿灯时长为G，黄灯时长为Y，T＝R+G+Y，T与Δt对应，路口的饱和车流量为S，路口当前排队车辆数为N；
[0031]检测拥塞路口，自检测到拥塞路口开始，由各邻居路口驶向拥塞路口方向的交通灯设置为红灯，每隔T时间检测一次拥塞路口的邻居路口状态，对应调整交通灯时长；直到拥塞路口与邻居路口都恢复正常，交通灯恢复正常；
[0032]步骤3.3：结合式(3)和式(4)得出边的传输量，并表示出拥塞节点及其邻居节点的负载更新量：
[0033][0034]ΔL
ij
为在拥塞缓解时间段内拥塞节点i传输给其邻居节点j的负载量，T
ij
为拥塞节点i缓解完成的总时间；
[0035]通过实时监测路口状态来调整交通灯，设置每隔Δt秒监测一次路口状态，R
i
为缓解时间内的监测次数/轮数，于是：T
ij
＝R
i
·
Δt；
[0036]L
i
(t+T)＝L
i
(t)
‑
∑
j∈Neii
ΔL
ij
ꢀꢀ
(7)
[0037][0038]其中，L
i
(t+T)和L
j
(t+T)为拥塞节点i及其邻居节点j在t+T时刻的负载量，L
i
(t)和L
j
(t)分别为拥塞节点i及其邻居节点j在t时刻的负载量，式(7)中拥塞节点i的负载更新只有输出给其邻居节点j的负载量ΔL
ij
，邻居节点j到拥塞节点i的边的传输速率系数为0，(8)式中j代表拥塞节点i的正常邻居节点，ΔL
ij
表示拥塞节点i传输给节点j的负载量，由(6)式可知该负载量的计算和传输速率系数λ有关；ΔL
jk
表示节点j传输给正常邻居节点k的负载，节点j及其邻居节点k之间的传输速率系数λ默认值为1。
[0039]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤4包括以下步骤：
[0040]步骤4.1：评价指标1：网络状态，首先定义节点状态：
[0041][0042]其中，Co代表拥塞状态，Cr代表临界状态，Nor代表正常状态，μ∈(0,1)，其中，s＝L
i
(t)/C
i
(t)，s∈(0，1)，S
i
(t)∈[0，1]，网络状态是指网络在t时刻能够本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、将城市道路交通网络抽象为复杂网络进行建模；步骤2、建立节点的负载
‑
容量模型；步骤3、制定负载重分配策略；步骤4、选取评价指标对缓解效果进行评估；步骤5、仿真工作。2.根据权利要求1所述的一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法，其特征在于：所述步骤2的节点负载为：其中，i表示网络中任意节点，为节点的初始负载量，k
i
为节点的度，τ为节点负载的可调参数，τ≥1；节点的容量为：式中，C
i
(t)为节点i的容量，β为节点容量与节点初始负载的比例参数，β≥0。3.根据权利要求1所述的一种城市道路交通网络级联失效的缓解方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：步骤3.1：定义双向边的传输速率并以此为基础进行负载重分配，边的传输速率公式表示为：其中，ρ
ij
为节点i向节点j方向的边的传输速率，D
ij
为节点i与节点j之间的传输距离，为整个网络节点间的平均距离，为源节点i给邻居节点j的负载分配比例，Φ
i
为源节点的非拥塞邻居节点的集合；步骤3.2：引入边的传输速率系数控制边的传输速率，传输速率系数可映射为交通灯的控制，其中，i为拥塞节点，λ为节点i向节点j方向的传输速率系数，j为拥塞节点i的邻居节点，Co、Cr、Nor代表邻居节点的三种状态(拥塞、临界、正常)，当j节点处于临界状态时，拥塞节点i向邻居节点j的传输速率系数λ
ij
定义为与节点j的流入量/流出量相关的变量，公式如下：式中，δ为节点流入量/流出量的值；
此外，邻居节点j向拥塞节点i的传输速率系数为0，即λ＝0 i∈Co，j∈Co/Cr/Nor；公式(4)中所述引入边的传输速率系数λ调节边的传输速率ρ
ij
，匹配交通灯进行实施的具体方案是：设置拥塞路口及其邻居路口，连接它们之间的双向车道，路口红绿灯周期为T，其中一个周期内红灯时长为R，绿灯时长为G，黄灯时长为Y，T＝R+G+Y，T与Δt对应，路口的饱和车流量为S，路口当前排队车辆数为N；检测拥塞路口，自检测到拥塞路口开始，由各邻居路口驶向拥塞路口方向的交通灯设置为红灯，每隔T时间检测一次拥塞路口的邻居路口状态，对应调整交通灯时长；直到拥塞路口与邻居路口都恢复正常，交通灯恢复正常；步骤3.3：结合式(3)和式(4)得出边的传输量，并表示出拥塞节点及其邻居节点的负载更新量：ΔL
ij
为在拥塞缓解时间段内拥塞节点i传输给其邻居节点j的负载量，T
ij
为拥塞节点i缓解完成的总时间；通过实时监测路口状态来调整交通灯，设置每隔Δt秒监测一次路口状态，R
i
为缓解时间内的监测次数/轮数，于是：T
ij
＝R
i
·
Δt；L
i
(t+T)＝L
i
(t)
‑
∑
j∈N
e
ii
ΔL
ij
ꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，L
i
(t+T)和L
j
(t+T)为拥塞节点i及其邻居节点j在t+T时刻的负载量，L
i
(t)和L
j
(t)分别为拥塞节点i及其邻居节点j在t时刻的负载量，式(7)中拥塞节点i的负载更新只有输出给其邻居节点j的负载量ΔL
ij
，邻居节点j到拥塞节点i的边的传输速率...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹荣荣，宋旭丹，郭长江，朱华华，刘思佳，崔晓寒，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：