本發明涉及城市路網交通控制領域，尤其是指基于車道組及交叉口車流路徑的城市網絡交通流仿真模型。
背景技術：
：隨著城市交通網絡規模的不斷擴大和交通流量的日益增加，交通控制問題優化除了面臨復雜的時空性之外，還面臨控制變量高維化壓力，使傳統的交通問題解決理論方法遇到了極大的挑戰，如模糊控制、神經網絡控制、Markov優化決策、Multi-Agent控制等。為了考慮交通流相互作用對交通控制控制問題優化影響，同時為了降低問題建模變量求解復雜性，隨著計算機技術的飛速發展，以交通快速仿真為基礎的交通控制問題優化方法應運而生。交通仿真模型按其模擬車輛、人流在路網上的移動和處理信號燈的控制的精度，分為微觀、中觀、宏觀三類。根據交通仿真的快速性以及交通控制問題的控制路網規模要求和控制實時性要求，網絡交通流宏觀仿真成為區域交通控制問題求解的有效輔助工具。YLiu提出了基于車道組的宏觀交通流仿真模型，能夠有效模擬路段上車輛到達、車輛運行、車輛排隊、排隊消散等一系列動態演化過程，并以車道組車輛轉入被阻擋概率為基礎，詳細模擬車輛轉入車道組的動態過程。但是，該模型忽略了交叉口受下游排隊溢出影響時交通流運行模擬，因此在仿真模擬過飽和交通狀態時存在不足。基于此，李軼舜通過分析車輛放行沖突點，計算交叉口內車流實時通過系數，模擬交叉口排隊溢出導致車流放行受阻過程。張敏捷通過對交叉口內部空間依據進口道車道情況進行網格劃分，采用網格描點的方法標記車流在交叉口內的放行路徑，根據路徑上網格點的車輛占有信息推導車流放行受阻情況。以上兩種方法雖然彌補了原宏觀交通流模型在交叉口內車流放行阻礙描述的空白，但是對阻礙系數的推導計算過程過于復雜，不利于模型的快速仿真，而且原模型中對車流并入車道組的過程的描述，特別是對車輛轉入車道組阻礙系數的計算過程中復雜的參數標定，增加了不必要的模型仿真工作量和仿真結果的隨機性。技術實現要素：本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于車道組及交叉口內車流路徑的交通流宏觀仿真模型，為城市交通擁堵主動防控及快速疏導問題的解決提供快速仿真方法支持。為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：基于車道組及交叉口車流路徑的城市網絡交通流仿真模型，包括以下步驟：1)交叉口進口道車道組劃分；2)交叉口內車流路徑劃分；3)提出基于車道組及交叉口車流路徑的城市網絡交通流仿真模型。所述步驟1)包括以下內容：1.1)交叉口進口道車道組劃分；1.2)基于車道組的網絡交通流宏觀仿真模型，其主要思想是將交通流劃分為6個過程，即：交通需求產生、交通流上游到達、交通流排入路段車輛排隊隊尾、交通流轉入車道組、交通流駛離停車線、交通流量守恒。本文對基于車道組的網絡交通流宏觀仿真模型的改進主要針對交通流轉入車道組、交通流駛離停車線兩個過程；所述步驟2)包括以下內容：2.1)定義交叉口內車流路徑：車道組內某個方向的車流的離開車道組駛入交叉口出口道的過程中，車流在交叉口內的行駛路徑稱為一條交叉口內車流路徑；2.2)交叉口內車流路徑劃分；2.2)不同進口道連接的交叉口內車流路徑會有沖突(此處不考慮合流沖突)，本發明模型中認為，如果沖突路徑內車輛排隊長度超過沖突點位置，就會阻擋放行路徑車輛放行，這種沖突點稱為有效沖突點；如果沖突路徑內車輛排隊長度不超過沖突點位置，則對放行路徑車輛放行沒有阻擋作用，這種沖突點稱為無效沖突點；此外，如果放行路徑自身存在排隊車輛，也會阻擋放行路徑新到達車輛放行。因此，除信號燈分配的通行權外，放行路徑上交通流放行還受沖突路徑沖突點位置、沖突路徑上排隊車輛數、路徑自身排隊車輛數影響，將這些影響因素作為模型參數，就可以簡單清晰地表達交通流在交叉口內部的交通運行。所述步驟3)包括以下步驟：3.1)交通需求產生交通需求由交通源產生，假設交通源路段(區域交通流輸入路段)外部的車輛排隊空間是無限的，交通源在第k時段產生進入路網的車輛數為：Is[k]＝min{ds[k]Δt+ws[k],Hs[k]-hs[k],Ss[k]Δt}其中，ds[k]是交通源s在第k時段的交通流產生率，ws[k]是第k時段內源路段Rs外排隊車輛數，Δt是時段間隔時長，Ss[k]是路段Rs的飽和交通流量；需求源產生的排隊動態變化如下：ws[k+1]＝ws[k]+ds[k]Δt-Is[k]3.2)上游輸入區域內部路段第k時段上游輸入車輛數模型描述如下：其中，是在第k時段交叉口內路徑輸出車輛數，是輸入到路段Rij的上游交叉口i內車流路徑集合；3.3)排入隊尾路段下游車輛排隊以外的路段區間車輛密度計算公式如下：其中，ρjam是單車道堵塞車輛密度，hij[k]-qij[k]是路段上運行的車輛數，nij是路段Rij的車道數，由此計算vij[k]如下：其中，vij[k]是在第k時段路段Rij上車輛排隊路段之外部分路段的車輛平均速度，是路段Rij上車輛自由流速度，ρmin是最小車輛密度，α和β是模型參數，由此計算在k時段內排入隊尾的車輛數為：3.4)轉入車道組①車道組外車輛要轉入車道組，首先保證車道組內有空余空間容納車輛進入。車道組在第k時段可用空間為：其中，是車道組最大包含車輛數；②需要考慮在k時段車道組外可能轉入的車輛數包括車道組外原排隊車輛(Gij是路段Rij在交叉口j進口道車道組集合)和新排入隊尾的車輛計算公式如下：③考慮到車道組在Δt時段內最大可能輸入車輛數(是車道組最大輸入流量)以及車道組是否被其他車道組排隊車輛阻擋，致使車道組外排隊車輛無法正常轉入車道組，記為車道組的被阻擋系數，表示車道組車輛轉入被阻擋，表示車輛轉入不被阻擋，根據對車道組分類和車流轉入情況的分析，當且僅當(即路段關聯的交叉口進口道有展寬車道)且為單車道左轉車道組時，車道組有可能被阻擋，此時，計算公式如下：④綜上，車道組在k時段內轉入車輛數為：3.5)駛入交叉口內車流路徑車道組內車輛在k時段內駛離停車線駛入交叉口內車流路徑的車輛數與上的車輛空余容載空間下游出口關聯路段Rjd車輛容載空間yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、可能離開車輛數k時段內車道組信號燈通行權限(其中tg[k]是k時段內綠燈時長)和車道組最大輸出車輛數(是車道組最大輸出流率)有關。①對任意類型的車道組，車道組可能離開停車線進入的車輛可以統一用以下公式計算：②車流能否順利離開車道組還與交叉口放行路徑與沖突路徑(是的沖突路徑集合)之間的沖突狀況有關，記為和之間的沖突系數，計算公式為：其中，表示內車輛排隊長度；綜合上述分析，在k時步內車道組內車輛駛離進入的車輛數分兩種情況：①當即與沖突路徑之間的沖突點都是無效沖突點時，計算公式如下：②當即與沖突路徑之間存在有效沖突點時，計算公式如下：其中，表示與入口最近的有效沖突點至入口區域內最大可容載車輛數，是與入口最近的有效沖突點至入口區域內上包含的車輛數；是關于仿真時步k對應車道組信號燈放行權的另一種表達值，表達公式如下：記是車道組在交叉口j內關聯交通流路徑集合，則車道組在k時段內離開停車線的車輛總數為:3.6)駛離交叉口內車流路徑駛入下游路段即車輛離開交叉口內車流路徑的過程，如果在k時段內車流路徑輸出到下游路段的車輛數與輸入車輛數出口關聯路段Rjd車輛容載空間yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、上排隊車輛數有關，相關計算公式如下：3.7)交通流數據更新區域內交通流參數更新如下：①路段車輛數更新，②路段排隊車輛數更新，③路段車道組內排隊車輛數更新，④路段車道組外排隊車輛數更新，⑤交叉口內車流路徑內車輛數更新，本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：1、本發明以基于車道組的宏觀交通流模型為基礎，簡化了該模型中車道組車流轉入過程；然后，針對車道組的宏觀交通流模型對交通流溢出阻礙交叉口交通運行描述模擬的不足，依據交通流在車道組的轉入轉出原理，提出交叉口內車流路徑的概念，用交叉口內車流路徑上交通流轉入轉出過程模擬交叉口內所有可能的車流放行沖突阻礙情況；最后，建立了基于車道組及交叉口內車流路徑的交通流宏觀仿真模型，該模型克服了已有模型參數標定及系數計算復雜的缺陷；2、本發明為城市交通擁堵主動防控及快速疏導問題的解決提供快速仿真方法支持。附圖說明圖1為基于車道組宏觀交通流模型交通流運行解析圖。圖2為路段交通流運行示意圖。圖3為仿真路網示意圖。圖4a為026011路段交通流變化曲線的示意圖；圖4b為I01017路段交通流變化的示意圖；圖4c為I02015路段交通流變化曲線的示意圖；圖4d為I03013路段交通流變化曲線的示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。本實施例所述的基于車道組及交叉口內車流路徑的交通流宏觀仿真模型，其具體情況如下：1)交叉口進口道車道組劃分；2)交叉口內車流路徑劃分；3)提出基于車道組及交叉口車流路徑的城市網絡交通流仿真模型；所述步驟1)包括以下內容：1.1)交叉口進口道車道組劃分；1.2)基于車道組的網絡交通流宏觀仿真模型，其主要思想是將交通流劃分為6個過程，即：交通需求產生、交通流上游到達、交通流排入路段車輛排隊隊尾、交通流轉入車道組、交通流駛離停車線、交通流量守恒。本文對基于車道組的網絡交通流宏觀仿真模型的改進主要針對交通流轉入車道組、交通流駛離停車線兩個過程；所述步驟2)包括以下內容：2.1)定義交叉口內車流路徑：車道組內某個方向的車流的離開車道組駛入交叉口出口道的過程中，車流在交叉口內的行駛路徑稱為一條交叉口內車流路徑；2.2)交叉口內車流路徑劃分；2.2)不同進口道連接的交叉口內車流路徑會有沖突(此處不考慮合流沖突)，本發明模型中認為，如果沖突路徑內車輛排隊長度超過沖突點位置，就會阻擋放行路徑車輛放行，這種沖突點稱為有效沖突點；如果沖突路徑內車輛排隊長度不超過沖突點位置，則對放行路徑車輛放行沒有阻擋作用，這種沖突點稱為無效沖突點；此外，如果放行路徑自身存在排隊車輛，也會阻擋放行路徑新到達車輛放行。因此，除信號燈分配的通行權外，放行路徑上交通流放行還受沖突路徑沖突點位置、沖突路徑上排隊車輛數、路徑自身排隊車輛數影響，將這些影響因素作為模型參數，就可以簡單清晰地表達交通流在交叉口內部的交通運行。所述步驟3)包括以下步驟：3.1)交通需求產生交通需求由交通源產生，假設交通源路段(區域交通流輸入路段)外部的車輛排隊空間是無限的，交通源在第k時段產生進入路網的車輛數為：Is[k]＝min{ds[k]Δt+ws[k],Hs[k]-hs[k],Ss[k]Δt}其中，ds[k]是交通源s在第k時段的交通流產生率，ws[k]是第k時段內源路段Rs外排隊車輛數，Δt是時段間隔時長，Ss[k]是路段Rs的飽和交通流量；需求源產生的排隊動態變化如下：ws[k+1]＝ws[k]+ds[k]Δt-Is[k]3.2)上游輸入區域內部路段第k時段上游輸入車輛數模型描述如下：其中，是在第k時段交叉口內路徑輸出車輛數，是輸入到路段Rij的上游交叉口i內車流路徑集合；3.3)排入隊尾路段下游車輛排隊以外的路段區間車輛密度計算公式如下：其中，ρjam是單車道堵塞車輛密度，hij[k]-qij[k]是路段上運行的車輛數，nij是路段Rij的車道數，由此計算vij[k]如下：其中，vij[k]是在第k時段路段Rij上車輛排隊路段之外部分路段的車輛平均速度，是路段Rij上車輛自由流速度，ρmin是最小車輛密度，α和β是模型參數，由此計算在k時段內排入隊尾的車輛數為：3.4)轉入車道組①車道組外車輛要轉入車道組，首先保證車道組內有空余空間容納車輛進入。車道組在第k時段可用空間為：其中，是車道組最大包含車輛數；②需要考慮在k時段車道組外可能轉入的車輛數包括車道組外原排隊車輛(Gij是路段Rij在交叉口j進口道車道組集合)和新排入隊尾的車輛計算公式如下：③考慮到車道組在Δt時段內最大可能輸入車輛數(是車道組最大輸入流量)以及車道組是否被其他車道組排隊車輛阻擋，致使車道組外排隊車輛無法正常轉入車道組，記為車道組的被阻擋系數，表示車道組車輛轉入被阻擋，表示車輛轉入不被阻擋，根據對車道組分類和車流轉入情況的分析，當且僅當(即路段關聯的交叉口進口道有展寬車道)且為單車道左轉車道組時，車道組有可能被阻擋，此時，計算公式如下：④綜上，車道組在k時段內轉入車輛數為：3.5)駛入交叉口內車流路徑車道組內車輛在k時段內駛離停車線駛入交叉口內車流路徑的車輛數與上的車輛空余容載空間下游出口關聯路段Rjd車輛容載空間yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、可能離開車輛數k時段內車道組信號燈通行權限(其中tg[k]是k時段內綠燈時長)和車道組最大輸出車輛數(是車道組最大輸出流率)有關。①對任意類型的車道組，車道組可能離開停車線進入的車輛可以統一用以下公式計算：②車流能否順利離開車道組還與交叉口放行路徑與沖突路徑(是的沖突路徑集合)之間的沖突狀況有關，記為和之間的沖突系數，計算公式為：其中，表示內車輛排隊長度；綜合上述分析，在k時步內車道組內車輛駛離進入的車輛數分兩種情況：①當即與沖突路徑之間的沖突點都是無效沖突點時，計算公式如下：②當即與沖突路徑之間存在有效沖突點時，計算公式如下：其中，表示與入口最近的有效沖突點至入口區域內最大可容載車輛數，是與入口最近的有效沖突點至入口區域內上包含的車輛數；是關于仿真時步k對應車道組信號燈放行權的另一種表達值，表達公式如下：記是車道組在交叉口j內關聯交通流路徑集合，則車道組在k時段內離開停車線的車輛總數為:3.6)駛離交叉口內車流路徑駛入下游路段即車輛離開交叉口內車流路徑的過程，如果在k時段內車流路徑輸出到下游路段的車輛數與輸入車輛數出口關聯路段Rjd車輛容載空間yjd[k]＝Hjd-hjd[k]、上排隊車輛數有關，相關計算公式如下：3.7)交通流數據更新區域內交通流參數更新如下：①路段車輛數更新，②路段排隊車輛數更新，③路段車道組內排隊車輛數更新，④路段車道組外排隊車輛數更新，⑤交叉口內車流路徑內車輛數更新，請一并參閱圖4a到圖4d，其所示為仿真路網建立仿真對上述模型進行驗證，包括2個交叉口(01、02)和14條路段，共有6個交通輸入點(I01、I02…I06)和6個交通輸出點(P01、P02…P06)。對交叉口進出口道設定編號規則：以東進口起，由1按順時針遞增，以交叉口編號為前綴。如交叉口01東進口編號為011，東出口編號為012，南進口編號為013，以此類推。對路段設定編號規則：路段起點端口編號+路段終點端口編號。例如輸入點I01指向交叉口01的區域輸入路段編號為I01017，交叉口01指向交叉口02的路段編號為012025。假設擁堵密度為133(單位：veh/lane/km)，路段自由速度為50(單位：km/h)，仿真時長為3600s，仿真時步長為10s，單車道飽和流率為1400(單位：veh/h)。路網交通流量輸入設計如表所示，路網交通信號配時設計如表所示，路段初始排隊車輛數設計如表3路段初始排隊車輛數信息所示。表1交通流輸入信息表表2路網配時信息表3路段初始排隊車輛數信息路段編號初始排隊車輛數路段編號初始排隊車輛數01202510028P0615014P0310I010175016P027I020157018P015I0301310022P0510I040233024P043I050211002601110I0602715路段交通模擬結果分析：通過分析路段上車輛數、路段車輛輸出、路段車輛輸出三者之間的關系是否保持交通流量守恒及路段上車輛放行和到達是否與信號控制規律及上有路口交通放行規律相吻合，對路段交通流運行宏觀模擬的結果的可靠性驗證分析。以01交叉口關聯的所有輸入路段為例，繪制路段輸入車輛數、路段包含車輛數、路段輸出車輛數曲線，如圖4a到圖4d所示。(1)路段上車輛數守恒從圖4a到圖4d中可以看出，路段上車輛數隨路段輸入車輛數積累而增加，隨路段輸出車輛數積累而減少，符合路段交通流守恒原則。(2)路段車輛輸入由于路段I01017、I02015、I03013的車輛輸入由交通輸入源I01、I02、I03直接產生，所以在路段上車輛數飽和之前，這三條路段的交通流輸入是穩定的，當路段上車輛數達到飽和后，只有當路段車輛輸出后，才使路段上有了新的空間滿足車輛輸入。如I01017在第420s時路段車輛數達到滿載，導致路段輸入車輛數下降，而在430s后由于車輛放行，路段不再處于滿載狀態，使得交通源產生的車輛可以繼續進入路段。路段I026011是02交叉口駛向01交叉口的路段，該路段車輛輸入由02交叉口021直行車流、023左轉車流、027右轉車流共同組成。因此，I026011的車輛輸入受02路口信號控制，由兩個交叉口信號配飾方案設置情況可知，在每個周期的30-150秒內，I026011路段均有車輛輸入，與圖4a中展示的車輛輸入實時情況相符。(3)路段車輛輸出從圖4a到圖4d中可以看出，所有路段的車輛輸出情況與信號控制情況相符。以上分析說明了基于車道組及交叉口內車流經的交通流宏觀仿真模型對路段交通運行模擬的可靠性。以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。當前第1頁1 2 3