[发明专利]一种研究路段的交通容量与拥塞率相对变化的时空分析法

摘要

本发明建立的一种研究交通路段的时空容量与拥塞率相对变化的方法，通过应用专利申请“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”（申请号为201811172485.7）的研究方法和研究成果，在新型交通时空观的指导下，以欧式空间几何和闵氏空间几何为工具，演绎出路段的实际时空容量与交通拥塞相对变化的关系，为科学评估交通道路的通行能力、寻找交通拥塞的控制与解决方案，提供了一种新的思路。从应用范围上看，本方法从时空化的角度开展的路段时空容量与拥塞分析，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。

主权项

1.一种研究路段的交通容量与拥塞率相对变化的时空分析法，参考专利申请“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”（申请号为201811172485.7）的研究方法进行研究，其特征是，包括：步骤一：对路段进行空间分析，获得其空间特征；使用欧式空间几何方法，对一段道路分析，获取道路的三维形状，以及二维简化形状，在欧式空间几何的三维坐标系中，用一个质点Q(x1,y1,z1)来描述路段的空间占用情况，其中横截面所在xz平面的两条坐标轴长度单位以通道数来表示，道路纵向y轴以常用的国际长度单位来表示（比如米和千米，等等），如附图1所示；如果是在道路交通、水面运输等平面交通运输中，道路的z1坐标值通常固定为1，附图1所示欧式几何的三维立体坐标系，可以转化为二维平面坐标系的方式进行简化分析，用一个质点Q(x1,y1)来描述路段的空间占用情况，如附图2所示；步骤二：对路段进行时空分析，获得其最大时空容量；使用闵氏时空几何方法，对以上欧式空间xy平面上路段的时空容量进行分析，用一个质点Q(x1,y1,t)来描述路段的时空占用情况，其中，道路横向的x轴的长度单位以通道数表示，道路纵向的y轴以常用的国际长度单位表示（比如米和千米，等等），时间t轴以常用的时间单位表示，如附图3所示，由于路段的质点Q是静止不动的，质点Q随着时间的变化世界线是一条直线，单位时间t1内，路段的最大时空容量，等于附图3中的实线、虚线和3条坐标轴所构成的长方体的体积大小，如公式(1)所示，          (1)；步骤三：寻找路段的实际时空容量方程；假设，路段的距离足够长，随着路段拥塞程度的增加，路段提供的实际时空容量C2是变化的，如公式(2)所示，         (2)其中, k是待定的路段容量系数，无量纲，数值大于0，并且小于等于1，当k等于1时，路段的时空容量C2等于最大值C1，然后再次假设，如公式(3)所示，         (3)公式(3)中，由于k为无量纲的系数，数值介于0至1之间，k*x1*t1的单位为空间*时间，因此a2就可表示为通过该路段内任一横截面的时空流量，当t1等于1小时，公式(3)进行转化为下式，如公式(4)所示，         (4)公式(4)中，a2为通过该路段内任一横截面的时空流量，x1为横截面的宽度，单位为车道数，参考专利申请“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”（专利申请号为201811172485.7），这时，k等效为道路横截面上的时空密度ρ；将公式(3)代入公式(2)，则路段的实际时空容量C2如公式(5)所示，      (5)公式(5)说明，交通路段时空容量的计算，可以转化为道路横截面时空化通行能力与路长的乘积计算，使用图3所示闵氏时空图来表示分析过程，如图5所示，即公式(5)在分析路段时空容量的时候，先计算图中阴影表示道横截面时空化通行能力，然后乘以道路的纵向长度；步骤四：计算路段的拥塞率；假设交通路段中，任一横截面的时空化排队服务系统都是M/M/s等待制排队服务系统，平均到达率为λ，平均服务率为μ，且交通单元的到来服从参数为λ的泊松过程，每个交通单元的服务时间服从参数为μ的负指数分布，则交通单元需要等待的概率（又称时间延误率，或者拥塞率）与通行能力之间的相对变化规律，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”（申请号为201811172485.7）中描述时空化通行能力a与交通拥塞率B相对变化关系的时空方程，如公式(6)所示，                    (6)公式(6)中，B为交通拥塞率， a为通过该路段内任一横截面的时空流量，s表示横截面处的车道数，p₀表示排队系统中没有车辆的概率，将公式(3)中车道数x1值和时空化通行能力a2值代入公式(6)，可得路段的交通拥塞率B。