一种高等级道路多瓶颈点拥堵演化时空范围识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于交通控制与管理领域，更具体的说，本发明涉及一种基于有限交通流 数据，对道路多瓶颈点拥堵演化的完整时空范围进行识别的方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的发展和城市规模的不断扩大，城市交通需求与供给之间的矛盾越来越 突出，交通拥挤、环境污染等问题日益严重。寻求高效的手段来应对交通拥堵，是当代交通 工程领域的主要议题之一。
[0003] 随着我国快速的城市化和机动化进程，尚等级道路（尚速公路和城市快速路）连 续流设施的接入口之间间距较小，连续的拥堵热点极易组成一片蔓延的多瓶颈点区域。相 反，由于西方国家交通需求供给矛盾的相对集中性，国外学者在研宄交通拥堵问题时，绝大 部分主要针对单瓶颈点的情形进行讨论，其研宄结果无法适应于我国更为复杂的多瓶颈情 境。国内的相关研宄大多也忽略了瓶颈点之间的相互影响和作用，将其视为多个独立瓶颈 进行处理，从而存在一定的局限性。
[0004] 随着我国道路交通信息系统的建设，使得利用海量的交通流数据对高等级道路的 交通运行态势进行分析成为可能。然而基于成本与效率的均衡考虑，在道路路网内，交通流 检测设备的布置密度大约为每300-1000米一处，设备间的拥堵蔓延模式无法得到有效检 测。这就要求一种能够在有限交通流数据下，对道路拥堵的完整时空范围进行重现的方法。
[0005] 针对以上的现状和问题，本研宄提出了一种能够对高等级道路多瓶颈点区域的拥 堵演化范围进行有效识别的方法，以期具体了解并尝试解决道路网中存在多瓶颈点区域时 的实际问题，为后续精细化的管理控制与改善设计提供依据。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是在考虑多瓶颈点之间相互影响作用的基础上，利用 有限的交通流数据，提供一种多瓶颈点拥堵演化时空范围的识别方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明是通过以下具体步骤实现的： (1) 在多瓶颈区域内由上游至下游连续布置若干个交通流检测设备，交通流检测设备 每r秒对当前位置的交通流数据信息进行采集和聚合，得到的交通流数据信息包括该道路 断面该^秒内的通过流量0、车辆平均速度7和道路占有率〇 ; (2) 在每一个时刻内，由上游至下游对每个交通流检测设备所在位置的交通流数据信 息进行遍历，对该位置的交通流状态进行判定；由小至大，第X个交通流检测设备的车辆 平均速度K和道路占有率，与车辆平均速度的最低阈值^和道路占有率的最高阈值 进行比较；则在当前石时刻下，会出现三种情况： (a)若『丨大于，或小于^^，两个条件满足其中之一，即交通流数据信息未跨 过阈值，则认为该位置没有达到拥堵状态；且该位置在上一个检测间隔，即时，亦没有 达到拥堵状态；遍历过程继续，对第！：+ 1个交通流检测设备的交通流状态进行判别； (b)若巧小于^，且大于，即交通流数据信息跨过阈值，则认为该位置已经 进入拥堵状态，则进入步骤（3)开始对拥堵的向后蔓延边界进行计算； (C)若&大于，或小于，两个条件满足其中之一，即交通流数据信息未跨 过阈值，则认为该位置没有达到拥堵状态；且该位置在上一个检测间隔，即及-r时，达到了 拥堵状态；可知该位置的拥堵开始消散，则进入步骤（4)开始对拥堵的向后消散边界和蔓 延边界进行计算； (3) 拥堵从第Z个交通流检测设备向上游蔓延的边界X,在时刻的计算公式为：
【主权项】
1. 一种高等级道路多瓶颈点拥堵演化时空范围识别方法，其特征在于具体步骤如下： (1) 在多瓶颈区域内由上游至下游连续布置若干个交通流检测设备，交通流检测设备 每r秒对当前位置的交通流数据信息进行采集和聚合，得到的交通流数据信息包括该道路 断面该f秒内的通过流量g、车辆平均速度r和道路占有率〇 ; (2) 在每一个时刻内，由上游至下游对每个交通流检测设备所在位置的交通流数据信 息进行遍历，对该位置的交通流状态进行判定；由小至大，第1：个交通流检测设备的车辆 平均速度&和道路占有率，与车辆平均速度的最低阈值^和道路占有率的最高阈值 进行比较；则在当前％时刻下，会出现三种情况： (a) 若&大于，或小于，两个条件满足其中之一，即交通流数据信息未跨 过阈值，则认为该位置没有达到拥堵状态；且该位置在上一个检测间隔，即忍-7时，亦没有 达到拥堵状态；遍历过程继续，对第！： + 1个交通流检测设备的交通流状态进行判别； (b) 若巧小于，且大于，即交通流数据信息跨过阈值，则认为该位置已经 进入拥堵状态，则进入步骤（3)开始对拥堵的向后蔓延边界进行计算； (c) 若巧大于，或小于，两个条件满足其中之一，即交通流数据信息未跨 过阈值，则认为该位置没有达到拥堵状态；且该位置在上一个检测间隔，即A-r时，达到了 拥堵状态；可知该位置的拥堵开始消散，则进入步骤（4)开始对拥堵的向后消散边界和蔓 延边界进行计算； (3) 拥堵从第￡个交通流检测设备向上游蔓延的边界&在％时刻的计算公式为：
式中-一万时刻第Z个交通流检测设备的向上游蔓延的拥堵边界位置，单位 为km; 4一一第Z个交通流检测设备的位置，单位为km; h'-T一一巧-r时刻第z个交通流检测设备的向上游蔓延的拥堵边界位置，单位为km; Qk'h一一分别为第f个和第ir-i个交通流检测设备的等效小时流量，单位为veh/h； Hi--分别为第f个和第^ - 1个交通流检测设备处的平均车辆速度，单位为 km/h； t一一交通流检测设备一个采集周期r的长度，单位为h; 该时刻蔓延边界4的计算结束后，继续步骤（2)的交通状态判别，从第f+ 1个交通流 检测设备开始向下游进行遍历； (4) 从第f个交通流检测设备^:向上游消散的边界^在石时刻的计算公式为：
在消散车流向上游追赶到拥堵蔓延边界之前，拥堵的边界仍在继续向上游传播，此时 假设拥堵车流的状态与第r个交通流检测设备在最后一个拥堵时刻下的交通流状态一致， 则从第f个交通流检测设备向上游蔓延的边界4在石时刻的计算公式为：
式中-一巧时刻第个交通流检测设备的向上游蔓延的拥堵边界位置，单位 为km; ^ 一一石时刻第f个交通流检测设备的向上游蔓延的消散边界位置，单位为km;k一一第z个交通流检测设备的位置，单位为km; ~m-T一一石-r时刻第f个交通流检测设备的向上游蔓延的拥堵边界位置，单位为km； h'-T一一石-r时刻交通流检测设备1：的向上游蔓延的消散边界位置，单位为km; GH--分别为第f个和第f-1个交通流检测设备的流量，单位为veh/h; Hi--分别为第f个和第f_ 1个交通流检测设备处的平均车辆速度，单位为 km/h； Gw, 一一第$个交通流检测设备在最后一个拥堵时刻下的流量，单位为veh/h; Qkjc--第个交通流检测设备在最后一个拥堵时刻下的平均车辆速度，单位为 km/h； t一一交通流检测设备一个采集周期r的长度，单位为h; 若在该时刻心At大于或等于气f.Ws，可知消散边界向上游已经追赶到拥堵蔓延边界， 即第/：个和第1个交通流检测设备之间所有的拥堵车流已经消散完毕，^与 重置至4处； 该时刻蔓延边界^和消散边界分的计算结束后，继续步骤（2)的交通状态判别，从第r-1个交通流检测设备开始向下游进行遍历； (5) 重复进行步骤（2)、（3)、（4)的过程，直到在时刻5下拥堵蔓延边界^"；的值小于 或等于上游交通流检测设备的位置，则开始对该拥堵在多瓶颈作用下的根源点 进行判别；当且仅当该时刻下第f- 1个交通流检测设备处由非拥堵状态变为拥堵状态时， 可以确定该瓶颈点的拥堵是由下游瓶颈点蔓延导致的；反之，若第r-i个交通流检测设备 处在进入步骤（5)时并未发生由非拥堵至拥堵的状态改变，即在时刻S的前后均保持了一 致的拥堵或非拥堵状态，则可以认定该瓶颈处的事件和下游第个交通流检测设备处的瓶 颈相互独立；考虑到算法与实际交通状态之间由于交通流的异质性和随机性原因而存在微 小差异，因此容许在进行该条件判别时有一个时间颗粒度的浮动，即同时满足条件（a)、（b) 时，认定第A： - 1个交通流检测设备处瓶颈点与下游瓶颈点相关联：
其中：--第f- 1个交通流检测设备处在-『时刻和时 刻的平均车辆速度，单位为km/h; , ^k-l,rMlr--第^- 1个交通流检测设备处在^『时刻和时刻的 道路占有率； 的取值范围为[?；-t+r]，在取值范围内存在一个值满足条件（a)、（b)， 则认定条件通过，识别得到交通流检测设备尤-i处的拥堵由交通流检测设备r处蔓延而 来； (6)重复步骤（2)、（3)、（4)的过程，直到在下第个交通流检测设备由拥堵状 态转变为非拥堵状态，并且计算的拥堵蔓延边界Aju;值已经到达其位置，即同时满足条件 (d)、（e)、（f)时：
可知该处的拥堵开始向前消散，开始依据下列计算公式计算拥堵向前消散的边界：
式中：心-一％时刻从第f__丨个交通流检测设备向下游消散的拥堵边界位置，单 位为km; h一一第尤_ 1个交通流检测设备的位置，单位为km; k-T一一A-r时刻从第^1个交通流检测设备向下游消散的拥堵边界位置，单位 为km; Qk、Qk-i--第个和第f-1个交通流检测设备的流量，单位为veh/h; H--第个和第f-1个交通流检测设备处的平均车辆速度，单位为km/h; t一一交通流检测设备一个采集周期r的长度，单位为h。
【专利摘要】本发明公开了一种高等级道路（高速公路和城市快速路）多瓶颈点拥堵演化时空范围识别方法，旨在克服现有道路瓶颈拥堵演化范围识别中对多瓶颈间相互影响的无法识别的缺憾。该方法首先基于布置在多瓶颈区域的交通流检测设备采集数据，对时间与空间上的数据进行遍历和运算；依据交通流理论建立算法，对车流拥堵和消散的边界进行实时运算和重现，同时对区域内瓶颈点之间的关联性进行识别和判断；最终得到多瓶颈点区域内完整的拥堵演化时空范围。
【IPC分类】G08G1-052, G08G1-01
【公开号】CN104778835
【申请号】CN201510114884
【发明人】孙剑, 李铁男, 李峰, 陈长, 李莉
【申请人】同济大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月17日