一种基于MFD的路网可拓展区域控制方法

摘要

本发明提供一种基于MFD的路网可拓展区域控制方法，该方法通过对交通子区进行划分出核心区域与邻近区域，得到不同区域的MFD性质，利用核心区与临近区的交通路网自身MFD属性，得到当整体路网交通情况趋于一致时，邻近区的可增加的路网容纳能力；假使核心区采取交通控制，判断核心区的溢出车辆数；核心区的车辆数会涌入邻近区，则可以得到当邻近区域的可增加容纳车辆数逼近核心区的溢出车辆数时的交通控制措施，即是核心区所采取的绿灯压缩时间；对核心区实施绿灯压缩下的交通控制，使之核心区与邻近区的交通状态趋于一致；形成一种新的拓展区域，从而通过这种交通路网的可拓展区域控制策略提高整体路网的交通性能。

说明书

技术领域

本发明涉及城市道路交通信号控制领域，特别涉及到一种基于宏观基本图的路网可拓展区域控制方法。

背景技术

随着城市交通的快速发展，交通拥堵现象是愈演愈烈，即是已经了成为交通研究中需要亟待解决的问题。从主次矛盾来看，拥堵范围较大，拥堵烈度较强，拥堵影响较广的城市交通核心区是整个交通拥堵现象的关键之处。从交通拥堵的成因来看，交通拥堵与交通需求有关，当路网的通行能力达到上限时便会出现拥堵现象，随着路网涌入的车辆越来越多，路网内的拥堵愈发严重，这直接导致了路网内的车流量的迅速降低。这种直接由于基础路网的自身性质带来的交通流量与已经涌入车辆数的相互关系的现象被研究者称之为宏观基本图(Macroscopic Fundamental Diagram，简称为MFD)。在解决交通拥堵现象中，管理者常常从微观而具体的车辆入手，采取限行，拥堵收费等等管理措施。这些措施通常涉及到部分的交通参与者，一旦实施就会影响到交通的方方面面，难以对整体的交通状态做一个宏观刻画。为了对交通状态进行宏观控制，研究者采用了MFD作为一个工具来辅助对交通网络的研究。

发明内容

在考虑到交通控制策略多是一种确定性的控制策略，多是在受控区域的边界交叉口进行流量控制，本发明提出了一种形成可变区域的交通控制策略，提高整个路网的交通效率。如果拥堵核心区采取交通控制，势必造成交通溢出，这些溢出的车辆涌入邻近的交通区域；如果邻近区域没有足够的储存空间，则其交通效率就会被降低，相反则与拥堵区域采取交通控制的措施相契合。基于此，本发明将考虑边界控制的约束条件，以MFD作为研究路网交通状态的工具，通过路网自身的基本属性判断邻近区域在核心区采取交通控制时的交通状态，提出了一种形成可变区域的交通控制策略，提高整个路网的交通效率。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于MFD的路网可拓展区域控制方法，该方法依次包括如下步骤：

(1)计算边界路段处溢出车辆数

假设边界交叉口i的周期时长为C

核心区未采取交通控制策略时

Q

Q

其中，Q

核心区域采取交通控制策略后，总共在n个周期内，每周期压缩绿灯时间为Δt

在核心区采取交通控制措施的第n个周期末，边界路段i的溢出车辆数为：

考虑到两个相邻子区S1、S2之间存在着多个重要的边界路段，则假使S1采取交通控制后，从N条边界路段处溢出到S2的车辆数为：

Q

(2)计算邻近区域可增加车辆容纳能力：

子区S2对于子区S1的溢出车辆的容纳能力为

其中，D1,D2分别为子区S1、子区S2的关键交通密度,

(3)计算核心区域的压缩绿灯时间

子区S1采取交通控制措施时，车辆溢出到邻近的子区S2，此时可以令子区S2的交通密度增加到核心区域交通密度时的容纳能力等于核心区域溢出车辆数：

Q

据此代入相关数据，推算出核心区域的交叉口的压缩绿灯时间Δt，再作用于核心区域，使之核心区与邻近区的交通状态趋于一致，形成一种新的拓展区域。

本发明具有如下有益效果：

(1)考虑到核心区域的车辆溢出情况，以及临近小区的存储车辆能力，具有一定的均衡性；

(2)通过使得核心区域溢出车辆数等于邻近区的可增加车辆容纳能力，推算出核心区应采取的交通控制措施，使得核心区的溢出车辆分流到邻近区域，使两个区域趋同化，将整体路网车辆分布维持在合理可行的范围内，进而提高路网运行效率；

(3)应用该策略时充分考虑了整个路网的结构特性，而不是仅仅考虑单个路口或相邻路口；

(4)应用该策略时可以避免从微观而具体的车辆入手，避免采取作用涉及到部分交通参与者的交通管控措施，反之则能够在一定程度上进行宏观管控。

附图说明：

图1为本发明方法主要流程图。

图2为邻近区域可增加的容纳车辆数计算流程图。

图3为压缩绿灯时间计算流程图。

图4为城市道路交通网络的宏观基本图。

具体实施方式：

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种基于MFD的路网可拓展区域控制策略，主要分为三个层次：该系统包括路网子区MFD模块103、核心区的溢出车辆计算模块102、邻近区域可增加车辆容纳能力及压缩绿灯时间计算模块101；三个部分具有逐级支撑关系，即路网子区MFD模块为核心区的溢出车辆计算及邻近区域可增加车辆容纳能力计算提供平台，而上述的计算结果则为压缩绿灯时间的计算提供平台。

如图2所示，路网的网络结构和路网中的重要路段、交叉口205划分交通子区204，在划分的交通子区上加载交通流量205可以得到不同交通子区的自身MFD属性204，及交通流量数据和不同子区自身MFD属性中的关键密度204为不同区域之间的在交通流量最大时的关键密度差异203提供数据支持；在计算出不同区域之间的在交通流量最大时的关键密度差异203之后，实现容纳核心区溢出车辆数的交通小区自身的路网平均密度的计算202；并进一步求得使得核心区域与邻近区域交通密度趋于一致时的邻近区域可增加的车辆容纳能力201。

如图3所示，301是针对交通子区中的某一个路段进行计算在未采取交通控制措施时本应具有的排队车辆数；302是假使路网核心区采取交通控制后的路网的溢出车辆数，该数值为交叉口流率乘以绿灯压缩时间构成；303表示在一定数量的周期内，某个路口的总共的未采取交通控制措施下的排队车辆数；304表示一定数量的周期内，某个路口的总共的假使采取交通控制措施下的排队车辆数；305表示一定数量周期内，当交叉口假使采取交通控制后，路口此时的溢出车辆数，这部分是由路口本身的排队车辆数和由于绿灯时间被压缩造成的新排队车辆数构成；306表示当前某个路网采取交通控制后，路网的所有的边界路段的溢出车辆数；

307表示两个交通子区的自身宏观基本图(MFD)属性带来的关键密度的差异；308表示邻近区域自身的路段平均长度；309表示当邻近区域的交通密度趋近于核心区域时，即是整体路网的交通密度趋于一致时，邻近区域可增加的车辆容纳能力；310表示令核心区假使采取交通控制措施之后的溢出车辆数等于邻近区域的交通密度趋近于核心区域交通密度时可增加的车辆容纳能力；311表示计算出核心区本应该采用的绿灯压缩时间。

之后在核心区适用该绿灯压缩时间的控制方式，使得核心区的溢出车辆分流到邻近区域，使两个区域趋同化，将整体路网车辆分布维持在合理可行的范围内，进而提高整体路网运行效率。

本系统包括路网子区MFD模块、核心区的溢出车辆计算模块、邻近区域可增加车辆容纳能力及压缩绿灯时间计算模块；路网子区MFD模块：根据交通子区路网拓扑数据和交通流量数据，划分出各个交通子区，并且根据交通流量数据得到各个交通子区的MFD属性；核心区的溢出车辆计算模块：建立计算核心区域在受到交通措施控制时的溢出车辆数的方法；邻近区域可增加车辆容纳能力及压缩绿灯时间计算模块：根据不同交通子区之间的MFD属性差异得到在整体路网交通密度趋于一致时邻近区域可增加的车辆容纳能力，并且使之等于核心区域在受到交通措施控制时的溢出车辆数，据此得到核心区域受控时的绿灯压缩时间。

所述划分路网子区宏观基本图(MFD)描述如下：将整体路网划分成多个交通子区，并且根据交通流量数据得到其交通密度于交通流量的关系，并且得到其关键密度(critical density),任何一个城市道路交通网络的宏观基本图(MFD)都可以描述为如图4形式，其中，横坐标为路网上的交通密度，纵坐标为路网上的交通流量，城市路网中车流量Q与路网加权密度D的关系：

当路网加权密度D较小时，整个路网上的车辆交通流自由行驶。

当路网加权密度D逐步增大时，整个路网的车辆交通流逐步步入临界区域，在此区域内交通流逐渐增大至峰值，然后逐渐下降。

当路网加权密度D增大到非常大的值后，使得路网陷入严重的拥堵状态，使得交通流几乎消失殆尽。

综上，为了保证任何一个MFD内部的路网运行畅通，在实时控制时，路网的交通流应该尽量保持在临界交通流以下，路网上的交通密度应保持在关键密度(criticaldensity)左右，这样可以保证路网运行效率最大。

(1)计算边界路段处溢出车辆数

核心区域在受到交通措施控制时的溢出车辆数的计算方法描述如下：

基于交通核心区域采取交通控制措施时，核心区域有交通车辆溢出，根据交通理论计算核心区域溢出车辆数：

假设边界交叉口i的周期时长为C

核心区未采取交通控制策略时

Q

Q

其中，Q

核心区域采取交通控制策略后，总共在n个周期内，每周期压缩绿灯时间为Δt

综上，在核心区采取交通控制措施的第n个周期末，边界路段i的溢出车辆数为：

考虑到两个相邻子区S1、S2之间存在着多个重要的边界路段，则假使S1采取交通控制后，从N条边界道路处溢出到S2的车辆数为：

Q

(2)计算邻近区域可增加车辆容纳能力

邻近区域可增加车辆容纳能力计算方法描述如下：

由宏观基本图(MFD,Macroscopic Fundamental Diagram)的性质可知，每个交通子区都必须把路网上的交通密度维持在一定的区间内，才能保持着交通路网上的交通流量的最大化，当路网密度大于关键密度时，路网的车流量就会开始下降。

宏观基本图的存在与交通路网上加载的交通流量无关，至于路网本身基础属性有关，因此利用核心区与临近区的交通路网自身MFD属性，得到当整体路网交通情况趋于一致时，邻近区的可增加的路网容纳能力：

因此子区S2对于S1子区的溢出车辆的容纳能力为：

D1,D2分别为MFD子区S1，子区S2的关键交通密度(critical density),L2为子区2的平均路段长度。

(3)核心区域的压缩绿灯时间

令核心区采取交通控制的溢出车辆数等于邻近区交通密度趋近于核心区域时的可增加的车辆容纳能力，并以此推算出核心区域的压缩绿灯时间，即是核心区域应采取的交通控制措施。

核心子区S1采取交通控制措施时，车辆溢出到邻近的子区S2，此时可以令子区S2的交通密度增加到核心区域交通密度时的容纳能力等于核心区域溢出车辆数：

Q

据此代入相关数据，推算出核心区域的交叉口的压缩绿灯时间，再作用于核心区域，使之核心区与邻近区的交通状态趋于一致；形成一种新的拓展区域，从而通过这种交通路网的可拓展区域控制策略提高整体路网的交通性能。