本发明专利技术公开了一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法，包括以下步骤：根据匝道处道路的连接关系，建立匝道区域上下匝道的道路元胞的拓扑结构；根据匝道区域元胞传输模型计算上下匝道的道路元胞之间输送流量；根据匝道区域多车道流量分配算法，分别对上下匝道两种区域内的道路元胞之间的输送流量在主线车道元胞和匝道车道元胞间进行分配，获得各车道的输入流量和输出流量；根据各车道的输入流量和输出流量，计算下一时刻车道的密度、流量和速度，并汇总计算得到道路元胞的平均密度、流量和速度。本发明专利技术步骤简明，计算高效，对实现道路的匝道区域交通仿真具有重要的现实意义，为主动交通管理系统的交通仿真模块提供方法支撑。方法支撑。方法支撑。
【技术实现步骤摘要】
一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法
[0001]本专利技术涉及一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法,属于交通仿真领域。
技术介绍
[0002]随着计算机技术和人工智能等技术的飞速发展，道路的交通控制逐渐从传统的固定控制方案变为智能化的主动管控。道路交通控制策略的制定和控制效果的评价都需要依赖交通仿真工具。交通仿真是研究复杂交通问题的有效工具，通过数学模型对交通流运行的状态进行推演，可以高效、准确得模拟各类交通流场景，实现对特定交通场景的数字孪生。交通仿真可以分为微观交通仿真和宏观交通仿真两大类。微观交通仿真以单个驾驶车辆为控制对象，关注于车辆的横向和纵向的运动特征。宏观交通仿真以流体力学方法为理论基础，不考虑单个驾驶车辆，关注交通整体运行状态。微观交通仿真由于其初始化仿真所需的参数众多，且参数难以标定，在主动交通管控中难以应用。宏观交通仿真由于初始化简单，且参数易于标定，常被用于交通管控系统当中。目前最为经典的宏观交通仿真模型为元胞传输模型。元胞传输模型将各条道路以一定的长度分割后作为元胞，元胞内交通状态假设为一致。
[0003]对现有研究进行分析，目前匝道区域交通仿真所采用的元胞传输模型通常将一段道路作为一个元胞，并不考虑道路上各条车道之间的差异。同时，由于匝道区域白实线处为禁止换道区域，这将进一步导致匝道区域的元胞内各条车道是非均质的。因此，目前匝道区域的模型难以应用到精细化的交通管控当中。寻求一种既拥有宏观交通仿真结构简单、运行迅速的有优点，又兼顾车辆换道特征的匝道区域新型交通仿真技术成为本领域技术人员需持续研究的课题。
技术实现思路
[0004]为了解决以上问题，本专利技术提供一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法，本专利技术的目的是采用高速公路上毫米波雷达等传感器数据作为交通流现状，通过多车道的元胞传输模型，对匝道区域未来交通流变化进行推演，为车道级主动交通管控提供支撑。
[0005]为达此目的，本专利技术提供了一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法，具体步骤如下：
[0006](1)根据高速公路匝道区域主线和匝道的连接关系，建立上匝道和下匝道区域的道路元胞和车道元胞的拓扑结构；
[0007](2)计算上匝道和下匝道区域的道路元胞之间传递流量；
[0008](3)分别对上匝道和下匝道区域内的道路元胞之间的传递流量在主线车道元胞和匝道车道元胞间进行分配，获得各车道元胞之间的传递流量，进而计算各车道元胞的输入流量和输出流量；
[0009](4)根据各车道的输入流量和输出流量，结合当前时刻车道的车辆数，计算下一时刻车道的密度、流量和速度，并汇总计算得到道路元胞的平均密度、流量和速度，完成匝道区域的交通仿真。
[0010]进一步地：所述步骤(1)包括如下步骤：
[0011](1.1)将匝道区域的主线划分为主线上游道路元胞u和主线下游道路元胞d两个道路元胞，匝道设置为一个匝道道路元胞r；
[0012](1.2)根据匝道与主线的连接关系，建立道路元胞的拓扑关系：将主线上游道路元胞u与主线下游道路元胞d相连；在上匝道区域时，将匝道道路元胞r与主线下游道路元胞d相连；在下匝道区域时，将主线上游道路元胞u与匝道道路元胞r相连；
[0013](1.3)结合主线和匝道的车道宽度和车道数，分别将主线的道路元胞和匝道的道路元胞划分出多个车道元胞，并根据当前时刻各车道的真实车辆数，对每个车道元胞设置车辆密度属性；
[0014](1.4)根据匝道区域白色实线和白色虚线的情况，对于能够通过车辆换道实现互通的车道，将其所对应的车道元胞之间进行相互连接，采用邻接表方法，建立车道元胞的拓扑关系。
[0015]进一步地：所述步骤(2)包括如下子步骤：
[0016](2.1)根据主线和匝道的车道元胞的密度和交通流基本图，计算每个车道元胞的可驶出交通流量和可容纳交通流量；
[0017](2.2)将主线和匝道的道路元胞内的所有车道元胞的可驶出交通流量求和、可容纳交通流量求和，求和结果作为主线和匝道的道路元胞的可驶出交通流量和可容纳交通流量；
[0018](2.3)当主线上游道路元胞u和匝道道路元胞r的可驶出交通流量之和小于或等于主线下游道路元胞的可容纳交通流量时，上匝道区域各道路元胞之间的传递流量的计算公式为：
[0019][0020]式中，Q
u,d
为主线上游道路元胞u到主线下游道路元胞d的传递流量，Q
r,d
为匝道道路元胞r到主线下游道路元胞d的传递流量，S
u
为主线上游道路元胞u的可驶出交通流量，S
r
为匝道道路元胞r的可驶出交通流量；
[0021](2.4)当主线上游道路元胞和匝道道路元胞的可驶出交通流量之和大于主线下游道路元胞的可容纳交通流量时，上匝道区域各道路元胞之间传递流量的计算公式为：
[0022][0023]式中，J
d
为主线下游道路元胞d的可容纳交通流量，p为主线向下游汇流的优先级，mid表示取中位数；
[0024](2.5)下匝道区域各道路元胞之间传递流量的计算公式为：
[0025][0026]式中，Q
u,r
为主线上游道路元胞u到匝道道路元胞r的传递流量,J
r
为匝道道路元胞r的可容纳交通流量。
[0027]进一步地：所述步骤(3)中，构建下匝道区域多车道流量分配的优化方程，求解该优化方程得到下匝道区域各车道元胞之间的传递流量，具体优化方程如下：
[0028]优化目标：
[0029]约束：
[0030][0031][0032][0033][0034]q
i,j
≥0,i＝1...n,j＝1...m
[0035]q
i,p
≥0,i＝1...n,p＝1...b
[0036]式中，为主线上游道路元胞u内的第i个车道元胞，i＝1
…
n，n为主线上游道路元胞u内的车道数，为主线下游道路元胞d内的第j个车道元胞，j＝1
…
m，m为主线下游道路元胞d内的车道数，为匝道道路元胞r内的第p个车道元胞，p＝1
…
b，b为匝道道路元胞r内的车道数，为到的权重，为到的权重，为到的传递流量,为到的传递流量，S
i
为的可驶出交通流量，J
p
为的可容纳交通流量。
[0037]进一步地：下匝道区域各车道元胞的输入和输出流量的具体公式为：
[0038][0039][0040][0041]式中，为的输出流量，为的输入流量，为的输入流量。
[0042]进一步地：所述步骤(3)中，构建上匝道区域多车道流量分配的优化方程，求解优化方程得到上匝道区域各车道元胞之间的传递流量，具体优化方程如下：
[0043]优化目标：
[0044]约束：
[0045][0046]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)根据高速公路匝道区域主线和匝道的连接关系，建立上匝道和下匝道区域的道路元胞和车道元胞的拓扑结构；(2)计算上匝道和下匝道区域的道路元胞之间传递流量；(3)分别对上匝道和下匝道区域内的道路元胞之间的传递流量在主线车道元胞和匝道车道元胞间进行分配，获得各车道元胞之间的传递流量，进而计算各车道元胞的输入流量和输出流量；(4)根据各车道的输入流量和输出流量，结合当前时刻车道的车辆数，计算下一时刻车道的密度、流量和速度，并汇总计算得到道路元胞的平均密度、流量和速度，完成匝道区域的交通仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法，其特征在于：所述步骤(1)包括如下步骤：(1.1)将匝道区域的主线划分为主线上游道路元胞u和主线下游道路元胞d两个道路元胞，匝道设置为一个匝道道路元胞r；(1.2)根据匝道与主线的连接关系，建立道路元胞的拓扑关系：将主线上游道路元胞u与主线下游道路元胞d相连；在上匝道区域时，将匝道道路元胞r与主线下游道路元胞d相连；在下匝道区域时，将主线上游道路元胞u与匝道道路元胞r相连；(1.3)结合主线和匝道的车道宽度和车道数，分别将主线的道路元胞和匝道的道路元胞划分出多个车道元胞，并根据当前时刻各车道的真实车辆数，对每个车道元胞设置车辆密度属性；(1.4)根据匝道区域白色实线和白色虚线的情况，对于能够通过车辆换道实现互通的车道，将其所对应的车道元胞之间进行相互连接，采用邻接表方法，建立车道元胞的拓扑关系。3.根据权利要求1所述的一种基于多车道元胞传输模型的匝道区域交通仿真方法，其特征在于：所述步骤(2)包括如下子步骤：(2.1)根据主线和匝道的车道元胞的密度和交通流基本图，计算每个车道元胞的可驶出交通流量和可容纳交通流量；(2.2)将主线和匝道的道路元胞内的所有车道元胞的可驶出交通流量求和、可容纳交通流量求和，求和结果作为主线和匝道的道路元胞的可驶出交通流量和可容纳交通流量；(2.3)当主线上游道路元胞u和匝道道路元胞r的可驶出交通流量之和小于或等于主线下游道路元胞的可容纳交通流量时，上匝道区域各道路元胞之间的传递流量的计算公式为：式中，Q
u,d
为主线上游道路元胞u到主线下游道路元胞d的传递流量，Q
r,d
为匝道道路元胞r到主线下游道路元胞d的传递流量，S
u
为主线上游道路元胞u的可驶出交通流量，S
r
为匝道道路元胞r的可驶出交通流量；(2.4)当主线上游道路元胞和匝道道路元胞的可驶出交通流量之和大于主线下游道路
元胞的可容纳交通流量时，上匝道区域各道路元胞之间传递流量的计算公式为：式中，J
d
为主线下游道路元胞d的可容纳交通流量，p为主线向下游汇流的优先级，mid表示取中位数；(2....
【专利技术属性】
技术研发人员：韩雨，季欣凯，刘攀，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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