[发明专利]一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法

摘要

一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法。首先检测某段包含进出口匝道的快速道路的交通流密度、流量和速度。采用最优线性拟合法分别拟合数据得到包含通行能力下降和可变限速控制下的交通流基本图。基于实时交通流数据确定各时段主线起点及出入口匝道的交通需求。在各仿真步，采用两类基本图分别计算各元胞内流入流出的最大车辆数，更新各元胞内交通流量、密度及速度。本发明弥补了基本元胞传输模型假设过于简单且缺乏考虑可变限速控制影响的不足，模拟了瓶颈区域通行能力下降、拥堵交通流中时走时停现象及不同驾驶员遵从度下可变限速控制对交通流运行的影响，为基于仿真的计算可变限速控制对交通安全及效率的影响奠定了基础。

主权项

一种针对可变限速控制的元胞传输仿真模型改进方法，其特征是包括以下步骤：1)确定各时间段主线起点、入口匝道以及出口匝道上交通需求，具体步骤包括：101)选定一段长度的快速路段并记录其主线路段车道数，在快速道路路段合理位置设置交通流检测器，选定数据检测的时间间隔T及仿真时间步长ΔT；102)采用步骤101)中设置的交通流检测器以时间间隔T周期性采集主线起点、入口匝道和出口匝道上的平均交通量、密度及速度；103)依据步骤102)中检测到的历史交通流数据求得自由流车流的平均速度，元胞长度由每时间间隔内车辆以自由流速度行驶的距离确定；2)在当前仿真时间步中，依据各元胞内交通流状态及考虑通行能力下降的交通流基本图右枝，计算每个元胞内允许流入的最大车辆数δ(k)，具体步骤包括：201)确定瓶颈元胞内时走时停运动波的概率阈值φ，在k时刻产生介于0到1之间包含0和1的随机数ζ(k)，依据不同交通流状态选择相应的瓶颈元胞最大接受车辆数δ(k)的计算方法；当k时刻产生的随机数小于时走时停波动的概率阈值且k时刻元胞中的交通流速度小于拥堵速度阈值时，表明k时刻元胞中交通流处于拥堵状态且拥堵状态引发了时走时停现象，此时瓶颈元胞最大接受车辆数的计算公式为δ(k)＝δ(k)+e(k)；反之，当k时刻不满足产生的随机数小于时走时停波动的概率阈值且k时刻元胞中的交通流速度小于拥堵速度阈值这一条件时，瓶颈元胞最大接受车辆数的计算公式为δ(k)＝δ(k)；202)依据交通流数据绘制包含通行能力下降的交通流基本图，找到当前快速路段上通行能力下降后流量Q_d和通行能力下降发生时刻的密度阈值d_d，则δ(k)的计算公式如下：$\mathrm{\&delta;}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\min \left\{w\&CenterDot;\left(d_{jam}-d\left(k\right)\right)\&CenterDot;n,Q_{VSL}\right\},& ifd\left(k\right)\&le;d_d\\ w\&CenterDot;\left(d_{jam}^{\&prime;}-d\left(k\right)\right)\&CenterDot;n,& ifd\left(k\right)\&gt;d_d\end{array}\right.$其中，δ(k)为元胞单位时间内能够接受从上游元胞流入的最大车辆数(也称为接受能力)；d(k)为k时刻元胞中交通流密度；w为运动波传播速度；d_jam为阻塞密度；n为车道数；Q_VSL为某限速值下最大流量；d'jam为瓶颈元胞的拥堵密度；203)当元胞中出现拥堵且拥堵状态引发了时走时停现象时，随机部分ε(k)的计算方法如下式：其中，ε(k)为k时刻产生的随机噪声；为决定时走时停交通流波动幅度的参数；3)绘制可变限速控制下交通流基本图，得到限速值V_SL，该限速值下最大流量Q_VSL和对应的密度d_VSL的取值，依据每个元胞交通流状态将上述参数带入公式σ(k)＝min{V′_SL(k)·d(k)·n,Q_VSL}计算每个元胞内允许流出的最大车辆数；4)依据步骤3)中计算得到的各元胞内允许流入和流出的最大车辆数，同时基于每个元胞所处在快速道路上的位置确定元胞中的车辆流向，计算各元胞内单位时间的交通流量值。每个元胞依据其所处位置分为主线元胞、入口匝道元胞和出口匝道元胞三种情况，具体流量计算公式如下：401)主线区域，元胞i+1内k时刻的流量q_i(k)为上游i元胞能够提供的车辆数σ_i(k)和元胞i+1能够接受的车辆数δ_i+1(k)的较小值，具体计算公式为q_i(k)＝min{σ_i(k),δ_i+1(k)}；402)入口匝道与主线交汇区域，汇入区之后主线元胞i+1中的车辆来源于主线上游元胞i以及入口匝道元胞j；当主线元胞i+1在k时刻接受能力大于上游主线元胞i以及匝道元胞j发送能力之和，即δ_i+1(k)≥σ_i(k)+σ_j(k)时，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为q_i(k)＝σ_i(k)和q_j(k)＝min{σ_j‑1(k),δ_j(k)}；反之，即δ_i+1(k)<σ_i(k)+σ_j(k)时，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为q_i(k)＝max{δ_i+1(k)‑σ_j(k),δ_i+1(k)·(1‑p_on)}和q_j(k)＝min{σ_j(k),δ_i+1(k)·p_on}，其中p_on为入口匝道汇入主线的最大率，计算方法为入口匝道通行能力与主线通行能力之比；403)出口匝道与主线交汇区域，主线元胞i中车辆流入主线下游元胞i+1和出口匝道元胞j+1中；当出口匝道元胞j+1在k时刻接受能力大于离开主线车辆数，即δ_j+1(k)≥σ_i(k)·p_off时，其中，p_off为主线元胞i中离开主线的比例，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为q_i(k)＝σ_i‑1(k)·(1‑p_off)和q_j(k)＝σ_i(k)·p_off；反之，即δ_j+1(k)<σ_i(k)·p_off时，主线及匝道元胞流量的计算公式分别为q_i(k)＝min{δ_i+1(k),δ_j+1(k)·(1‑p_off)/p_off}和q_j(k)＝δ_j+1(k)；5)在快速道路路段上从起点元胞向终点元胞依次传递元胞内交通流量，更新各元胞内交通密度。将所得交通流密度与当前限速值下最大流量对应的密度值进行比较，选择合适公式计算各元胞内交通流速度；6)若未到达仿真结束时刻，则进入下一个仿真时间步，回到步骤2)；若到达仿真结束时刻，则结束仿真，输出所需交通流数据。