[发明专利]一种研究路网的交通容量与拥塞率相对变化的时空分析法

摘要

本发明涉及一种研究路网的交通容量与拥塞率相对变化的时空分析法，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）和专利申请“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”（申请号为201910109250.1）的研究方法和研究成果，在新型交通时空观的指导下，以闵氏空间几何为工具，基于道路横截面，演绎出路网的实际时空容量与拥塞率的相对变化关系，为科学评估交通网络的容量和拥塞状况、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，本方法从时空化角度开展的路网交通容量与拥塞分析，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.本发明涉及一种基于道路横截面研究路网的交通容量与拥塞率相对变化的时空分析法，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）和专利申请“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”（申请号为201910109250.1）的研究方法和成果，基于道路横截面的分析，对道路网络的交通容量与拥塞分析中进行研究，其特征是，包括：步骤一：对路网进行时空分析，获得其最大时空容量使用闵氏时空几何方法，对路网的时空容量进行分析，用一个质点R(x1,y1,t)来描述路网的时空占用情况，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1所示，由于路网的质点R是静止不动的，质点R随着时间变化的世界线是一条直线，单位时间t1内，路网的最大时空容量C_{n_max}，等于附图1中的实线、虚线和3条坐标轴所构成的长方体的体积大小，计算路网的最大时空容量C_{n_max}数学公式，如公式(1)所示，    (1)；步骤二：寻找路网的实际时空容量方程参考专利申请“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”（申请号为201910109250.1）的研究方法，假设，路网的距离足够长，随着路网拥塞程度的增加，路网提供的实际时空容量C是变化的，如公式(2)所示，                                  (2)其中, k(x,y,t)是一个与路网的车道数、位置和时间段相关的容量系数，无量纲，数值大于0，并且小于等于1，公式(2)中，当k(x,y,t)固定等于1时，路网的时空容量C等于最大值C_{n_max}，就是路易斯·马尚的时空消耗法中的路网容量，即公式(2)变成了公式(1)，步骤三：基于道路横截面计算路网的时空容量使用闵氏时空几何来描述新型的路网时空容量计算过程，如图3所示，即先计算图中阴影表示的道路横截面时空容量，然后按照路网长度方向进行积分，闵氏时空坐标系的设定如下，x轴、y轴和时间轴t轴组成了闵氏时空的三条坐标轴，x轴单位为通道数，y轴单位为长度国际单位制的米或千米，t轴单位为时间国际单位制的秒、分钟或小时，用数学公式描述，基于道路横截面计算路网的时空容量C，可以将公式(2)演变为公式(3)，                      (3)公式(3)中, C为路网的实际时空容量，k(x,y,t)为一个与路网的车道数、位置和时间段相关的容量系数，无量纲，数值大于0，并且小于等于1，假设，                             (4)公式(4)中，的物理意义在于，它反映了一段时间内，道路横截面上的时空流量，该物理量与道路横截面在路网中的位置有关，这时，容量系数k(x,y,t)的物理意义就显现出来了，它表示任意位置的道路横截面的时空密度，即路网的时空密度，这样，应用公式(5)和公式(6)，就可以计算路网时空容量的实际值；步骤四：计算路网的拥塞率假设交通路网中，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，这时，可以使用专利申请“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）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，来描述横截面处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，如公式(5)所示，                                                 (5)公式(5)中，B(y)表示位于道路中y处横截面的交通拥塞率；s表示道路横截面处的车道数；a表示道路横截面处的时空流量，这里等于公式(4)中；p₀表示排队系统中没有交通单元的概率，则路网的拥塞率B_n的计算方法，如公式(6)所示，    (6)公式(6)中，B_n表示路网的拥塞率；B(y)表示路网道路中任意一处横截面的交通拥塞率；dy表示横截面沿着道路纵向的长度，应用公式(5) 和公式(6)，就可以计算路网拥塞率，综合应用公式(5)、公式(6)、公式(7)和公式(8)，就可以从时空的角度，计算出路网时空容量的实际值及其相应的拥塞率，获得路网的交通容量与拥塞率的相对变化关系。