区域高等级公路网交通状态识别与分析模型研究

[ A bstract] In order to ana lyze traffic state of reg ional high grade h ighw ay netwo rk, this paper re searches on how to estab lish a m odel for ana lyzing. It firstly analyzes the structure of network, then recog nizes and c lassif ies traffic sta te of sections. A fter this, a m odel of reg iona l h igh grade h ighw ay netw ork is established under the real t im e traffic state. Based on this m ode,l another m ode l for ana lyzing the traffic state o f netwo rk is estab lished by using the m ethod o f system structura l ana lysis. Though th is m odel can ob tain the different reachable m atrix of the netwo rk under different dem anded leve ls of traffic state of sec tions, then analyze the reachable m atrix by h ierarchical approach. The exam ple proves that the m ode l can iden tify the connectivity and accessibility betw een each pair o f nodes in the current traffic state of netw ork and describe the spatial and tem pora l variation of traffic status o f ent ire network effective ly. T hrough releasing the rea l tim e inform at ion tim ely, the traveler can choose the righ t path accord ing to dif ferent inform at ion to avo id congest ion, im prove the opera tiona l eff iciency o f the entire road netw ork.
SUN Bo1, ZHANG M iao2 ( R IOH T ranspo rt Consu ltants L td. , Be ijing 100191, Ch ina; 2. Schoo l of H ighw ay, Chang an Un iversi ty, X i an, Shanx i 710064, Ch ina)
如下:
n
vi
v( tk,
tk+ 1 )
=
i= 1
n
式中: n 为 ( tk, tk+ 1 )内通过检测器的车辆数, vi为 第 i辆车的瞬时速度。
通过以上分析, 分两种情况对路段交通状态进
[ K ey words] traffic eng ineering; traffic state ana lysis; system structure analysis m ethod; reg iona l high g rade h ighw ay network; connectivity; accessib ility
时段 ( tk- 1, tk )该单元上的车辆数, qm ( tk, tk+ 1 )为
时段 ( tk, tk+ 1 )该 单元入口车辆数, qn ( tk, tk + 1 )为
时段 ( tk, tk+ 1 )该单元出口车辆数。
第 2期
孙 波, 等: 区域高等级公路网交通状态识别与分析模型研究
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定义地点平均车速为时段 ( tk, tk+ 1 )内通过某 个检测器所有车辆地点车速的算术平均值, 其公式
0 引言
伴随着我国高等级公路网络逐步完善, 交通流 网络化特性逐渐凸显, 异常交通状态对交通的影响 已从单条道路扩展到局部甚至区域公路网, 城市道 路常见的大面积拥挤现象已越来越多地发生在公路 网上, 究其原因主要是公路管理缺乏智能化和信息
化的支持, 不能实时识别和及时发布道路交通状态 信息, 对由异常事件引发的交通拥挤不能及时预警 和采取有效的措施控制, 导致出行者也无法及时、合 理地选择路径, 同样道路决策部门也不能根据路网 交通状态变化规律对路网结构优化调整做出项目决 策。因此, 准确全面的高等级公路网道路实时交通 状态识别信息的发布能够为区域公路网整体高效、
[中图分类号 ] U 491 [文献标识码 ] A
[文章编号 ] 1674 0610( 2011) 02 0021 06
R ecognition and Analysis of Traffic StateM odel for Regional H igh grade H ighway N etwork
[ 收稿日期 ] 2011 02 16 [ 基金项目 ] 交通部交通应用基础研究项目 ( 2008319812020 ) [ 作者简介 ] 孙 波 ( 1980 ) , 男, 湖南澧县人, 主要从事智能交通, 交通规划研究工作。
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公 路工程
36卷
安全、经济运行提供有力保障。 目前国内外对路网交通状态分析的研究大多数
表现出不同的交通状态, 同时高等级公路禁止随意 停车, 车速的突变说明某路段上可能有交通异常事
件发生, 但影响车速的因素很多, 单一的车速并不能
全面准确描述交通状态, 但交通量可以间接转换为 密度, 密度为单位路段上车辆数, 能够很好的反映路
段上交通拥挤, 且在国内高等级公路服务水平划分
中, 密度和速度均为划分指标。因此本文将车速和
密度作为路段交通状态特征参数。
1. 2. 2 交通状态含义与划分
本文所说的交通状态是指用定性语言描述的路
网中相邻节点间路段上的交通状态类型, 由通过密
度和车速特征参数建立的路段交通状态识别算法得
到。路网交通状态是将所有路段交通状态集合得到
的路网交通状态矩阵。
目前国内高等级公路大部分以 120 km / h为设 计车速, 在该设计车速下, 根据高速公路服务水平划 分标准 [ 6] , 将高等级公路交通状态分为 5类见表 1。
区域高等级公路交通运行状态在没有交通异常 事件发 生情况 下呈现 连续 稳定 交通 运行 特征 [ 5 ] 。 能由固定检测器提供的交通流参数主要有交通量、
车速等。交通量在时空和方向上分布的不均匀, 造
成在不同时间、路段、方向上交通状态的不同; 车速
主要集中于 60~ 120 km / h之间, 不同的运行车速能
数。交通量可直接由检测器获取, 密度可由交通量
间接得出 [ 7] , 定义时段 ( tk, kk+ 1 )内在某路段上检测
单元 sm n的交通密度为 kmn ( tk, tk+ 1 ), 其公式如下:
km n ( tk,
tk +
1
)
=
1 dm n
[
qm
(
tk,
tk+ 1 ) -
qn ( tk, tk + 1 ) + Qm n ( tk- 1, tk ) ] 式中: dm n为检测单元 sm n的长度, Qm n ( tk - 1, tk )为
点和边组成网络, 一个路网模型是由节点模型 和路段模型两部分构成, 在区域高等级路网范围内, 节点处交通状态的变化能直接、快速表现到与该节 点邻接的路段上交通状态的变化, 所有路段交通状 态构成路网交通状态, 路段上交通状态的变化直接 影响整个路网交通运行状态。因此从交通状态分析 的角度看, 可以将节点模型归并到路段模型一起考 虑。为了建立基于交通状态类型的路段模型, 首先 分析区域高等级公路路段交通状态特征参数, 然后 建立路段交通状态类型识别算法, 以交通状态类型 表征路段模型参数。 1. 2. 1 交通状态特征参数
并对可达矩阵分层分析。通过实例表明: 该模型 能够有效地判别 路网中节 点的可 达性和 连通性, 描述 路网的 交通
状态时空变化规律, 若通过及时发布信 息, 出行者可根据不同 的信息 需求来 选择最 优路径, 避免 大范围 拥挤, 从而
提高整个路网的运行效率。
[关键词 ] 交通 工程; 交通状态分析; 系统结构分析法; 区域高等级路网; 可达性; 连通 性
针对城市路网 [ 1- 3] , 在区域高等级公路方面, 大多研 究的是路段上交通异常事件判别技术 [ 4] , 对于区域 高等级公路网交通状态分析方面的 研究还比较欠 缺。由于高等级公路网交通流特征和路网结构与城 市存在较大差异, 因此本文首先研究在路段实时交 通状态和路网结构分析的基础上建立区域高等级公 路路网模型, 然后基于结构分析法建立路网交通状 态分析模型, 分析区域路网中在实时交通状态下各 个节点和节点间路段的可达性与连通性, 描述整个 路网的交通状态时空变化。
1 区域高等级路网模型的建立
1. 1 加权路网拓扑结构 由于高等级公路通过互通立交 ( 路口 ) 将沿线
城镇连通起来, 本文将区域内高等级公路互通立交 ( 路口 ) 抽象为路网拓扑结构中的节点, 相邻节点之 间的路段抽象为边。定义路网 G = (N, L ), 其中 N 代表区域路网中节点集合 N = ( n1, n2, , nm ), L = { lij |lij = < n i, nj > ; i, j = 1, 2, , m; i j} 代表相邻 节点间路段集合。路段上不同方向可能呈现不同的 交通状态, 因此用有向图来表示路网; 路径是指连接 任意两个节点之间的有向路段的序贯集合, 它由 L 中有向边 l12, l23, , lij组 成。为了分析路网各节点 在实时交通状态下的可达性与连通性, 本文将路段 交通状态类型作为一个权重, 建立加权路网拓扑结 构。 1. 2 路段模型参数
表 1 高等级公路交通状态类型 T ab le 1 type o f traffic state
交通状态
畅通 较畅通 较拥挤
拥挤 拥堵
密度 / ( p cu km - 1 )
7(K 1 ) 18(K 2 ) 25(K 3Biblioteka Baidu) 48(K 4 ) > 48
行车速度 / ( km h- 1 )
109( V1 ) 90( V2 ) 78( V4 ) 53( V4 ) < 53
类型代号 () 1 2 3 4
1. 2. 3 路段交通状态识别算法
高等级公路路段上分布有多个检测器来获取交
通量和车速等参数, 本文将路段上两个相邻固定检 测器之间的距离定义为一个检测单元。有 n检测器
的路段可以划分 n - 1 个单元, 记路段 lij由 s12, s34, , sm n等检测单元有序组成。 首先分析由检测单元上获得的交通状态特征参
[摘 要 ] 为了 在区域内分析高等级路网交通状态, 建 立了一种 区域高 等级路 网交通 状态分 析模型。首 先分
析路网结构并对路段的交通状态进行识别分类, 建立在实时交通 状态下的 区域高 等级路 网模型; 然后 基于路 网模
型运用系统结构分析法建立路网交通状态分析模型, 根据不同交 通状态分 析需求 得到不 同的交 通状态 可达矩 阵,
第 36卷, 第 2期 2 0 1 1年 4 月
公路工程 H ighw ay Eng ineering
V o.l 36, N o. 2 Ap r. , 2 0 1 1
区域高等级公路网交通状态识别与分析模型研究
孙 波1, 章 渺 2
( 1. 北京交科公路勘察设计研究院有限公司, 北京 100191; 2. 长 安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)