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基于二流理论的拥挤交通流当量排队长度模型.pdf

基于二流理论的拥挤交通流当量排队长度模型.pdf

上传者: 小奶糖糖 2013-09-15 评分 3 0 36 5 163 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于二流理论的拥挤交通流当量排队长度模型pdf》,可适用于高等教育领域,主题内容包含第卷第期年月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)VolN符等。

第卷第期年月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)VolNoMay基于二流理论的拥挤交通流当量排队长度模型姚荣涵王殿海曲昭伟(吉林大学交通学院,长春)摘要:为描述拥挤交通流中的排队现象,根据二流理论,提出了将交通流实际运行状态转化为二流运行状态的思想利用流量守恒方程,建立了单车道路段当量排队长度模型,并在此基础上,推导出多车道路段平均当量排队长度模型为验证模型的有效性,采用VISSIM软件设计了拥挤交通流的模拟方案对比模型计算的当量排队长度与软件统计的实际排队长度发现:当量排队长度均大于实际排队长度当量排队长度比较稳定,而实际排队长度有所波动结果表明,当量排队长度模型能够定量地、更好地描述拥挤路段的交通流拥挤程度该模型计算方法简单,便于工程实践,可以为城市交通控制系统优化等提供理论依据关键词:拥挤交通流二流理论当量排队长度中图分类号:U文献标识码:A文章编号:()EquivalentqueuelengthmodelforcongestedtrafficstreambasedontwofluidtheoryYaoRonghanWangDianhaiQuZhaowei(CollegeofTransportation,JilinUniversity,Changchun,China)Abstract:Todescribethequeuephenomenaincongestedtrafficflow,basedontwofluidtheoryathinkingwhichconvertsactualtrafficflowoperationstateintotwofluidoperationstateisputforwardTheequivalentqueuelengthmodelisbuiltforasinglelanesegmentaccordingtoconservationequationOnthisbasis,theaverageequivalentqueuelengthmodeliseducedforamultilanesegmentTovalidatetheeffectivenessofthemodels,thesimulationschemesaredesignedforthecongestedtrafficflowbyapplyingtheVISSIMsoftwareBycomparingtheequivalentqueuelengthscomputedbythemodelswiththeactualqueuelengthsobtainedbythesoftware,itisfoundthattheequivalentqueuelengthsarealllongerthantheactualonestheequivalentqueuelengthsarestable,buttheactualvaluesfluctuateTheresultsshowthattheequivalentqueuelengthmodelscanquantitativelyandbetterdescribethecongesteddegreeoftrafficflowoncongestedsegmentThemodelsaresimpleandeasytobeappliedinengineeringpracticeTheirresultscanprovideatheoreticalbasisforurbantrafficcontrolsystemoptimizationetcKeywords:congestedtrafficstreamtwofluidtheoryequivalentqueuelength收稿日期:基金项目:国家自然科学基金重点资助项目()、国家重点基础研究发展计划(计划)资助项目(CB)作者简介:姚荣涵(),女,博士生王殿海(联系人),男,教授,博士生导师,wangdianhaisohucom问题提出研究现状排队现象在交通运输系统中随处可见交通工程的学者们一直致力于排队现象的分析和排队长度的计算从分析手段来看,主要包括概率论、排队论、随机过程、累计曲线、冲击波、神经网络与微观模拟等方法这些方法的应用均在一定范围内描述了交通排队现象并建立了各种排队长度模型概率论方法认为车辆到达和离去服从某种概率分布,车辆到达累计数与离去累计数之差为排队车辆数排队论将某种交通设施(如交叉口、瓶颈等)模拟为服务台,把交通流在路段上的运行过程看作车辆在排队系统中接受或等待服务,认为车辆在系统中等待服务即为排队,根据排队论得到各r下划线r高亮种排队系统的平均排队车辆数随机过程使用Markov链方法得到了信号交叉口队列长度的时变概率分布及其时间序列函数(假定车辆以Poisson分布到达交叉口,绿灯期间以负二项分布离开停车线)累计曲线法绘制车辆累计到达、离去时空图或排队末尾车辆累计数时变图,使用图解法求解排队持续时间和排队长度,认为累计到达与离去曲线之间的部分为排队部分冲击波方法基于流体力学的假定,把交通流看作稳定的流体,认为种交通流状态转化过程中形成冲击波,波阵面是种状态的分界线,车辆在波阵面上完成速度的改变是瞬间的,当车速为时加入排队队列,通过停车波波速的传播时间来预测排队长度神经网络利用模拟数据或调查数据对网络进行训练来获得输入变量与排队长度之间的对应关系微观模拟利用车辆驾驶员行为模型(跟驰模型、换道模型)再现交通排队现象,排队长度的确定基于车队中车辆减速至某一值时加入排队而加速至另一值时离开排队的思想从排队分析的方法来看,关于排队的定义有种:速度为时加入排队队列在车队中速度减至某一值时加入排队队列基于不同定义的排队模型,通过使用不同的计算方法,获得了不同的排队长度计算结果当量车辆排队长度现假定一股交通流在一条单车道路段上运行,某一时刻位置处由于红灯或事件使得车辆依次停车排队,经过一段时间,路段上交通流实际运行状态如图所示,位置到之间的交通流状态分为部分:A部分车辆速度均为,交通流阻塞B部分车辆速度依次增大,交通流密度由大变小C部分车辆正常运行,速度和密度均为某一定值种交通流状态中A和C是均匀流,而B是不均匀流,B是交通流从C向A转化的过渡状态从实际情况来看,阻塞交通流A中的车辆由于停车完全受到排队的影响,行驶交通流C中的车辆由于正常行驶完全不受排队的影响,而过渡状态B是一种渐变的非均匀状态,其间车辆由于减速而不能正常行驶,虽然没有停车排队,但是已经不同程度地受到排队的影响事实上,过渡状态的交通流变化较复杂,很难用一种特定的规律来描述,而且在实际中不易观测,无法给人们一种关于拥挤程度的直观印象另一方面,交通流在不同地点不同时刻往往会表现出不同的状态,交通工程中通常并不关心这些短暂的、瞬时的变化,常常关心的是一段时间内一条路段上的变化那么,如何处理过渡状态B以便更好地从宏观角度反映路段上拥挤交通流中的排队现象就成为问题的关键Prigogine等于年提出包含种不同流量模式的交通流动力学理论此后,Herman等于年以及年分别基于处理多车道交通的动力学理论提出了描述城市道路网络中密集流模式的城市交通二流理论该理论将交通流中的车辆分为运动车辆和停止车辆类根据二流理论,将运动车辆形成的交通流称为行驶交通流,停止车辆形成的交通流称为阻塞交通流将图中过渡状态B的不均匀交通流看作A部分阻塞交通流和C部分行驶交通流的某种加权和,即只含种均匀交通流由此,图中交通流的实际运行状态相当于图中交通流的二流运行状态从交通流实际运行状态转化为二流运行状态的思想来看,二流理论可以描述任意拥挤流的排队问题图位置发生事件后路段上交通流实际运行状态图位置发生事件后路段上交通流二流运行状态前述第种排队定义需要标定个速度值,其确定具有很强的主观性,因而排队长度的计算结果也会多种多样本文采用第一种排队定义,把停止车辆形成的队列长度称为排队长度交通流实际运行状态图中LA只能反映交通流A中停车车辆受到排队的影响,而不能反映交通流B中减速行驶车辆受到排队的影响,因此,这种排队长度不能充分体现拥挤流中的排队现象事实上,交通流B包含种成分,可以通过某种规则将其划分为截然不同的部分,即阻塞交通流和行驶交通流为了与LA有所区别,称LA为当量排队长度,即交通流二流运行状态中阻塞交通流的长度为了计算当量排队长度,可以利用流量守恒方程建立单车道路段当量排队长度模型如果多车道路段上没有车辆换道,可以分别计算每条车道的当量排队长度然而,车辆换道是一个既定的事实,车道间的车辆交换率不易确定,不能直接计算每条车东南大学学报(自然科学版)第卷r高亮r下划线r下划线r高亮道的当量排队长度,进而使用多车道路段平均当量排队长度来描述车道组的拥挤程度模型建立单车道路段当量排队长度模型根据前述分析,交通流实际运行状态可以相当于交通流二流运行状态,即任意交通流都可以由阻塞交通流和行驶交通流组成然而,行驶交通流状态有很多种,以哪种行驶交通流来做标准更合适是需要考虑的一个问题由交通流理论知道,流量密度曲线为二次抛物线型,当密度取得最佳值时,流量达到最大值,以此为界,交通流状态被分为非拥挤和拥挤种状态交通控制中关心的是拥挤状态,当信号配时方案能够满足拥挤交通流的需求时,一定能满足非拥挤交通流的需求因此,以划分拥挤和非拥挤的临界状态(即交通流最佳运行状态)为行驶交通流的标准首先来讨论单入口单出口不可超车的单车道路段,根据流量守恒原理,可知NNU(t)=ND(t)N(t)()式中,N为初始时刻(即t=)上、下游断面之间的车辆数NU(t)为t时刻通过上游断面的车辆累计数ND(t)为t时刻通过下游断面的车辆累计数N(t)为t时刻上、下游断面之间的车辆数由图,根据二流理论,N(t)又可以由下式计算得到:N(t)=kjLD(t)kmLLD(t)()式中,LD(t)为t时刻上、下游断面之间的当量排队长度L为上、下游断面之间的距离km为上、下游断面之间的交通流最佳密度kj为上、下游断面之间的交通流阻塞密度联立式()和式(),解得LD(t)=NNU(t)ND(t)kmLkjkm()式()即为基于二流理论的单车道当量排队长度模型为了分析式()的适用条件,令k(t)表示时刻t上、下游断面之间的平均交通流密度,则k(t)=(NNU(t)ND(t))L从宏观交通流的角度来分析流量密度曲线,当k(t)<km时,上、下游之间交通流处于非拥挤状态当k(t)=km时,上、下游之间交通流处于最佳行驶状态当km<k(t)kj时,上、下游之间交通流处于拥挤状态实际上,车辆排队长度不可能小于,也不可能超过路段长,即LD(t)应满足不等式LD(t)L当NNU(t)ND(t)=kjL时,LD(t)=L,此时当量排队长度取得最大值,即等于路段长度当NNU(t)ND(t)=kmL时,LD(t)=,此时当量排队长度取得最小值,即恰好没有排队,上、下游之间的交通流以最佳密度运行这就是式()的个边界条件因此,式()的适用条件为kmk(t)kj本文仅探讨拥挤交通流出现稳定排队现象的情形此时,将交通流分为部分:一部分为阻塞交通流另一部分为最佳交通流阻塞交通流长度即为车辆的当量排队长度这里,阻塞交通流指的是密度达到阻塞密度的交通流,最佳交通流指的是流量达到最大的交通流由式()可见,计算车辆当量排队长度LD(t)时,需要获得N,NU(t),ND(t),L,km和kj其中N和L可由实测值得到NU(t)和ND(t)可由检测器上传数据实时获得km和kj需要根据实际数据来标定多车道路段平均当量排队长度模型对于单入口单出口的多车道路段,当交通流拥挤时,每一条车道的车辆很难有超车的机会,这种情况下,每一条车道可以看作不存在超车现象的单车道路段,此时可以分别采用式()来计算每一条车道各自的当量排队长度然而,车辆换道现象是一个事实,车辆有机会从某一条车道换到另一条车道,此时,任意一条车道都不能看作前述不存在超车现象的单车道路段但所有车道可以看作一个车道组,这一车道组就成为单入口单出口的单车道路段虽然每一条车道的当量排队长度不一样,但是可以计算一个平均值来描述多车道路段整体上的当量排队长度根据单车道路段当量排队长度模型可以推导出多车道路段平均当量排队长度模型,即LD(t)=NMi=NU(i,t)Mi=ND(i,t)kmLMM(kjkm)()式中,LD(t)为多车道路段t时刻上、下游断面间的平均当量排队长度NU(i,t)为第i条车道t时刻上游断面的车辆累计数ND(i,t)为第i条车道t时刻下游断面的车辆累计数M为车道数kj为平均单车道阻塞密度km为平均单车道最佳密度与单车道路段当量排队长度模型类似,式()的适用条件为km<k(t)<kj,其中k(t)表示t时刻上、下游断面之间的平均单车道交通流密度该模型适用于多车道路段上车道数保持不变的情况第期姚荣涵,等:基于二流理论的拥挤交通流当量排队长度模型r下划线r下划线r高亮当路段上车道数发生变化时,必须分段(使得每一段车道数保持不变)进行计算参数确定前述分析认为,阻塞密度kj和最佳密度km需要根据实际数据来标定由交通流理论可知,阻塞密度是交通流速度为时对应的最大密度,根据有关文献和城市道路车辆停车间距的观测结果,该密度与道路条件、驾驶员素养等因素有关,但差别不大,本文取阻塞密度为辆km通常,交通流处于拥挤状态时才会出现车辆排队现象,格林伯模型最适合描述拥挤交通流的流量密度关系,由该模型得到的最佳密度为kje,据此取最佳密度为辆km本文计算车辆当量排队长度时,阻塞密度和最佳密度将采用这个值实际应用中,应该根据路段的调查数据来标定这个值由式()和式()可以看出,当量排队长度取决于路段上的车辆数,路段上车辆数越多,当量排队长度越长另一方面,路段上车辆数越多,平均交通流密度越大由交通流特性可知,交通流密度是度量交通拥挤的重要参数之一,因此,当量排队长度也可以作为评价交通流拥挤程度的一个指标模型验证累计车辆数获取由前述可知,车辆当量排队长度实时预测中需要获得NU(t),ND(t),为此,设计如下调查方案和数据获取方法选择一个封闭路段,在其上、下游各布设一个检测器,间距为L,如图所示上、下游检测器分别记录通过上、下游断面的车辆数图为各检测器脉冲图,其中T表示采样周期图车辆当量排队长度预测的双检测器布设图图各检测器脉冲图假设时刻t恰好对应于第j个采样周期末,则时刻t通过上游断面累计车辆数为NU(t)=NU(j)=NU(j)QU(j)()式中,NU(j)为第j个采样周期末上游检测器检测到通过上游断面的车辆累计数NU(j)为第j个采样周期末上游检测器检测到通过上游断面的车辆累计数QU(j)为第j个采样周期内上游检测器检测到通过上游断面的车辆数类似地,下游检测器检测到时刻t通过下游断面的车辆累计数为ND(t)=ND(j)=ND(j)QD(j)()式中,ND(j)为第j个采样周期末下游检测器检测到通过下游断面的车辆累计数ND(j)为第j个采样周期末下游检测器检测到通过下游断面的车辆累计数QD(j)为第j个采样周期内下游检测器检测到通过下游断面的车辆数数据采集与处理本文利用VISSIM软件设计以下个模拟实例来验证当量排队长度对交通流拥挤程度评价的有效性为模拟拥挤交通流,方案中设计信号交叉口停车线前的路段作为观测路段实际应用中,只要路段上的交通流处于拥挤状态(比如路段上发生交通事件、车道数减少、道路施工等)即可运用本文建立的模型进行排队长度的计算)单车道路段单车道模拟路段如图(a)所示,路段总长度为m,车道宽为m,断面与断面分别距离车辆发生源,m,断面位于停车线位置信号配时方案见图(b),周期时长为s,绿灯时间为s车辆随机产生,发生源流量为辆h,期望速度为~kmh,模拟时间为s在断面与断面分别设置模拟线圈,记录每一采样间隔内的车辆数在断面设置排队计数器,记录每周期红灯末停车线处车辆的实际排队长度根据每一采样间隔内的车辆数分别按式()和式()计算红灯末断面和断面的累计车辆数根据式()计算红灯末当量排队长度表为单车道模拟路段各周期红灯末的数据统计及计算结果由于模拟初期路段上交通流不稳定,这里去掉了前个周期的数据图单车道模拟路段示意图东南大学学报(自然科学版)第卷表单车道路段模拟时间为s时各周期红灯末数据周期编号红灯末断面累计车辆数红灯末断面累计车辆数路段交通流密度(辆km)红灯末当量排队长度m红灯末实际排队长度m)多车道路段以双车道路段为例来说明车道组平均当量排队长度的计算双车道模拟路段如图(a)所示,路段总长度为m,车道宽均为m,断面与断面分别距离车辆发生源,m,断面位于停车线位置信号配时方案见图(b),周期时长为s,绿灯时间为s车辆随机产生,发生源流量为辆h,期望速度为~kmh,模拟时间为s在断面与断面分别设置模拟线圈,记录每一采样间隔内的车辆数在断面设置排队计数器,记录每周期红灯末停车线处车辆的实际排队长度根据每一采样间隔内的车辆数分别按式()和式()计算红灯末断面和断面的累计车辆数根据式()计算红灯末的平均当量排队长度表为双车道路段各周期红灯末的数据统计及计算结果由于模拟初期路段上交通流不稳定,这里去掉了前个周期的数据图双车道模拟路段示意图表双车道路段模拟时间为s时各周期红灯末数据周期编号周期末断面累计车辆数周期末断面累计车辆数路段交通流密度(辆km)红灯末当量排队长度m红灯末实际排队长度m结果分析由表和表的个信号周期数据统计结果可以看出,拥挤交通流的当量排队长度均大于实际排队长度,这说明当量排队长度模型能够反映正常行驶交通流与阻塞交通流中间存在的过渡状态,即拥挤交通流中不完全停车交通流可被划分为阻塞交通流和最佳交通流对比表和表还可以发现,有很多周期的当量排队长度相同,然而其实际排队长度有所变化产生这种结果的原因在于:由于发生源流量一定且信号配时方案固定,因而路段上交通流状态基本相同,所以当量排队长度一样由于随机因素干扰导致过渡状态的交通流变化复杂,虽然路段上交通流状态基本一致,但是过渡交通流的长度有所不同,以致使实际排队长度不一样以上分析恰好证明基于二流理论的当量排队长度模型可以定量描述拥挤交通流中的过渡状态,使用当量排队长度可以更好地表征交通流的拥挤程度结语根据二流理论提出了将拥挤交通流实际运行第期姚荣涵,等:基于二流理论的拥挤交通流当量排队长度模型状态用二流运行状态来描述的思想,运用流量守恒方程建立了单车道路段当量排队长度模型,进而推导出多车道路段平均当量排队长度模型利用VISSIM软件的模拟数据对模型进行了验证,结果与理论分析一致本文提出的当量排队长度模型适合描述拥挤交通流出现稳定排队现象的情况,能定量描述过渡状态的交通流,可以更好地表征其拥挤程度,能为城市交通控制系统优化等提供理论依据参考文献(References)AkcelikR,RouphailNOverflowqueuesanddelayswithrandomandplatoonarrivalsatsignalizedintersectionsJJournalofAdvancedTransportation,,():NewellGFApplicationsofqueueingtheoryMndedNewYork:ChapmanandHal,l袁以武信号灯控制交叉口延误建模分析中的若干新问题D上海:上海大学理学院,:DaganzoCFQueuespilloversintransportationnetworkswitharoutechoiceJTransportationScience,,():LawsonTW,LovellDJ,DaganzoCFUsingtheinputoutputdiagramtodeterminethespatialandtemporalextentsofaqueueupstreamofabottleneckCCassidyMHighwayTrafficOperationsCalifornia:UniversityofCaliforniaatBerkeley,:DaganzoCFQueueingoftwoconflictingtrafficstreamsCCassidyMHighwayTrafficOperationsCalifornia:UniversityofCaliforniaatBerkeley,:王殿海,景春光,曲昭伟交通波理论在交叉口交通流分析中的应用J中国公路学报,,():WangDianha,iJingChunguang,QuZhaoweiApplicationoftrafficwavetheoryinintersectionstrafficflowanalysisJChinaJournalofHighwayandTransport,,():(inChinese)郭秀文信号交叉口排队长度预测的神经网路方法J中南公路工程,,():,GuoXiuwenPredictionoftrafficqueuesatsignalizedintersectionusingneutralnetworksJCentralSouthHighwayEngineering,,():,(inChinese)GhoshDastidarS,AdeliHNeuralnetworkwaveletmicrosimulationmodelfordelayandqueuelengthestimationatfreewayworkzonesJJournalofTransportationEngineering,,():PTVPlanungTransportVerkehrAGVISSIMusermanualversionRGermany:DKarlsruhe,ViloriaF,CourageK,AveryDComparisonofqueuelengthmodelsatsignalizedintersectionsJTransportationResearchRecord,():PrigogineI,HermanRKinetictheoryofvehiculartrafficMNewYork:Elsevier,HermanR,PrigogineIAtwofluidapproachtotowntrafficJScience,,():HermanR,ArdekaniSACharacterizingtrafficconditionsinurbanareasJTransportationScience,,():GreenbergHAnanalysisoftrafficflowJOperationsResearch,,():杨少辉,王殿海,董斌,等信号交叉口起动波模型修正J公路交通科技,,():YangShaohu,iWangDianha,iDongBin,etalModificationofstartwavemodelatsignalizedintersectionJJournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,,():(inChinese)东南大学学报(自然科学版)第卷

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