基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，包含以下步驟：S1、交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立；包括：S1.1、確定系統(tǒng)邊界；S1.2、因果關(guān)系分析；S1.3、系統(tǒng)流圖分析；S1.4、建立方程；S2、模型仿真與分析；包括：S2.1、模型仿真；S2.2、分析影響交叉口通行能力的各個(gè)因素的影響程度。本發(fā)明是在已有的交叉口通行能力綜合計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立交叉口通行能力測(cè)算模型，分析影響交叉口通行能力各個(gè)因素的影響程度，對(duì)今后研究交叉口通行能力有一定的借鑒意義。
【專利說明】
基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及交通工程領(lǐng)域中通行能力的測(cè)算技術(shù)，具體是指基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交 叉口通行能力測(cè)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 城市路網(wǎng)中，交叉口是車輛與行人匯集、轉(zhuǎn)向和疏散的必經(jīng)之地，是城市交通的咽 喉。不同流向、不同行駛特性、不同類型的機(jī)動(dòng)車流和行人流在此反復(fù)地合流、分流、交叉， 因此交通運(yùn)行狀況極其復(fù)雜，使得道路交叉口成為制約城市路網(wǎng)功能發(fā)揮的瓶頸。交叉口 通行能力是指交叉口某斷面處，單位時(shí)間內(nèi)可能通過的最大交通實(shí)體數(shù)，亦稱交叉口容量。 其中，交通實(shí)體多指小汽車，當(dāng)有其它車輛或行人混入時(shí)，可按照相關(guān)系數(shù)進(jìn)行折算。研究 表明，通常情況下，平面交叉口通行能力不足路段通行能力的50%。車輛通過平面交叉口所 消耗的時(shí)間約占全程時(shí)間的40%，而交叉口延誤更占了全程延誤的90%左右?？梢?，對(duì)城市 道路交叉口通行能力的研究，是提升交叉口、路網(wǎng)，以致整個(gè)城市綜合交通系統(tǒng)功能的關(guān) 鍵。綜合分析交叉口通行能力的影響因素，減少交叉口通行延誤，增強(qiáng)交叉口通行能力的可 靠性具有現(xiàn)實(shí)的意義。
[0003] 由于交叉口通行能力研究對(duì)交叉口的規(guī)劃設(shè)計(jì)、功能評(píng)價(jià)等意義重大，世界各國(guó) 都結(jié)合自己的國(guó)情進(jìn)行了廣泛的研究。道路通行能力的研究始于美國(guó)，1950年美國(guó)交通工 程師協(xié)會(huì)出版了《道路通行能力手冊(cè)》第一版，2010年新的道路通行能力(第五版，HCM2010) 面世。繼美國(guó)之后，許多發(fā)達(dá)國(guó)家如英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本均根據(jù)本國(guó)的實(shí)際情況，組織專 門的研究隊(duì)伍開展了通行能力方面的實(shí)地研究，編制各自的HCM手冊(cè)。上世紀(jì)八十年代至九 十年代初，一些發(fā)展中國(guó)家如印度、巴西、印度尼西亞、韓國(guó)、馬來西亞等也在各國(guó)政府的支 持下，對(duì)各自的道路通行能力進(jìn)行了專門的研究，取得了一批研究成果。我國(guó)對(duì)交叉口通行 能力的研究起步較晚，但進(jìn)步較快。從上世紀(jì)80年代開始，各有關(guān)單位一方面引進(jìn)學(xué)習(xí)國(guó)外 的有關(guān)交叉口通行能力的研究方法及內(nèi)容，另一方面，又對(duì)適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的通行能力及服 務(wù)水平等進(jìn)行了研究。
[0004] 美國(guó)的HCM方法：該方法在計(jì)算機(jī)動(dòng)車道的通行能力時(shí)，使用了"車道組"這一概 念，每一車道組的飽和流率用車道組在理想條件下的飽和流率乘以車道數(shù)以及考慮交叉口 道路、交通、環(huán)境等因素影響的一系列修正系數(shù)得到。
[0005] 英國(guó)的TRRL方法：該方法對(duì)信號(hào)交叉口的車輛延誤進(jìn)行深入的調(diào)查分析和研究， 并由韋伯斯特建立了延誤模型，提出了信號(hào)配時(shí)和通行能力的計(jì)算方法。
[0006] 澳大利亞的ARRB方法:該方法由澳大利亞ARRB的Akcelik通過對(duì)韋伯斯特延誤公 式進(jìn)彳丁改進(jìn)后提出。
[0007] 日本的計(jì)算方法：日本《通行能力手冊(cè)》（1978)給出的通行能力計(jì)算方法與美國(guó)的 HCM方法有相似之處。
[0008] 目前，國(guó)內(nèi)信號(hào)交叉口通行能力計(jì)算方法主要有:停車線法、《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》 推薦方法和沖突點(diǎn)法。
[0009] 停車線法：以交叉口進(jìn)口道處的車道停車線為控制斷面。在該方法中，對(duì)于直行和 左轉(zhuǎn)車輛，先求一個(gè)信號(hào)周期各車道有效綠燈時(shí)間內(nèi)能夠通過的車輛數(shù)，然后乘以一個(gè)小 時(shí)內(nèi)的周期數(shù)從而得到各車道的通行能力。
[0010] 《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦方法:該規(guī)范指出信號(hào)燈管制十字形交叉口的設(shè)計(jì)通行 能力按停車線法計(jì)算。十字形交叉口的設(shè)計(jì)通行能力為各進(jìn)口道的設(shè)計(jì)通行能力之和，進(jìn) 口道的設(shè)計(jì)通行能力為各車道的設(shè)計(jì)通行能力之和。該通行能力計(jì)算方法作為我國(guó)的規(guī)范 提出后得到了較廣泛的應(yīng)用。
[0011] 沖突點(diǎn)法:該方法用一個(gè)周期內(nèi)可以有效利用的綠燈時(shí)間除以車流緊接通過沖突 點(diǎn)的安全車頭時(shí)距計(jì)算車輛通過一個(gè)沖突點(diǎn)的通行能力，然后對(duì)一個(gè)周期內(nèi)通過各種沖突 點(diǎn)的通行能力求和，最后乘以1小時(shí)內(nèi)的周期數(shù)得到交叉口的通行能力。
[0012] 綜合來看，現(xiàn)階段，對(duì)交叉口通行能力方面的研究主要集中在分析交叉口通行能 力的影響因素以及這些因素對(duì)于交叉口通行能力的影響程度、探索不同類型交叉口通行能 力的計(jì)算方法、對(duì)不同交通組織形式下的交叉口的通行能力進(jìn)行分析、構(gòu)建交叉口通行能 力的綜合評(píng)價(jià)體系并進(jìn)行可靠性分析、尋找提高交叉口通行能力的各種途徑等方面。而建 立模型對(duì)交叉口通行能力進(jìn)行仿真分析，并通過改變某些參數(shù)動(dòng)態(tài)直觀的反映交叉口通行 能力的變化趨勢(shì)這方面的研究還未見到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，采用系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)方法建立交叉口通行能力測(cè)算模型，分析影響交叉口通行能力各個(gè)因素的影響程 度。
[0014] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法， 包含以下步驟：
[0015] S1、交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立；
[0016] S1.1、確定系統(tǒng)邊界；
[0017] S1.2、因果關(guān)系分析；
[0018] S1.3、系統(tǒng)流圖分析；
[0019] S1.4、建立方程；
[0020] S2、模型仿真與分析；
[0021] S2.1、模型仿真；
[0022] S2.2、分析影響交叉口通行能力的各個(gè)因素的影響程度。
[0023]所述的S1.1中，系統(tǒng)邊界的確定取決于研究對(duì)象和相應(yīng)的時(shí)間跨度;所述的研究 對(duì)象是指交叉口通行能力，與系統(tǒng)邊界相關(guān)的實(shí)體包括:交叉口以及構(gòu)成交叉口的路段、環(huán) 島或信號(hào)燈的交通組織工具，通過交叉口的車輛和駕駛員。
[0024]所述的S1.2中，構(gòu)建交叉口通行能力可靠度的因果關(guān)系圖，分析交叉口通行能力 可靠度的因果關(guān)系圖中各要素間的相互關(guān)系;其中，有序度和主/支路車道數(shù)直接作用于交 叉口通行能力，其變化直接影響交叉口通行能力的大小;主/支路行駛車速不僅直接作用于 其路段的通行能力，同時(shí)也與主/支路駕駛員制動(dòng)車距、主/支路駕駛員反應(yīng)車距和主/支路 直行車流中車輛最小車頭間距有正相關(guān)關(guān)系；即當(dāng)主/支路直行車流中車輛最小車頭間距 處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，主/支路行駛車速越快，交叉口通行能力越大;若主/支路車輛保持高速行 駛，則主/支路直行車流中車輛最小車頭間距變大，使得交叉口通行能力相應(yīng)地減小。
[0025] 所述的S1.3中，根據(jù)所建立的交叉口通行能力可靠度的因果關(guān)系圖，構(gòu)建交叉口 通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，其包含:主路通行能力、支路通行能力和影響系數(shù);所述的影 響系數(shù)包含:有序度、系統(tǒng)損失率和主支路通車時(shí)間分配比；其中，有序度分別是指信號(hào)控 制交叉口有序度、無信號(hào)控制交叉口有序度和環(huán)島交叉口有序度;主/支路通行能力結(jié)合有 序度、系統(tǒng)損失率、主支路通車時(shí)間分配比和交叉口通行能力可靠度，得到交叉口通行能 力。
[0026] 進(jìn)一步，所述的主/支路通行能力是通過主/支路單方向車道數(shù)、主/支路行駛車 速、主/支路直行車流中車輛最小車頭間距以及主/支路同向影響系數(shù)決定的。其中，主/支 路直行車流中車輛最小車頭間距包括主/支路車輛長(zhǎng)度、主/支路兩車間最小的安全靜止距 離、主/支路駕駛員反應(yīng)車距和主/支路駕駛員制動(dòng)車距;主/支路駕駛員反應(yīng)車距和主/支 路駕駛員制動(dòng)車距都受主/支路行駛車速的影響，并且，主/支路駕駛員反應(yīng)車距涉及到主/ 支路駕駛員反應(yīng)時(shí)間，主/支路駕駛員制動(dòng)車距涉及到主/支路道路附著系數(shù)、主/支路坡 度、主/支路前/后車制動(dòng)系數(shù)。所述的主支路通車時(shí)間分配比是由主/支路單方向車道數(shù)決 定的。
[0027]所述的S1.4中，根據(jù)交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖構(gòu)建模型方程，即交叉口 通行能力的計(jì)算方程式為：
[0028] C = S0[rCm+(l-r)Cs]；
[0029] Cm=2000NmvKs/d；
[0030] Cs = 2000NsvKs/d；
[0032] 斜坡函數(shù)￥ = 1^103(1.2,0，100)，即在0~10〇111111這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，設(shè)定行駛車速以 1.2的斜率上升；
[0033] Ks = 0.92(n-D;
[0034] d = lr+lb+1+s ；
[0035] lr = Vtr/3.6 ；
[0037] 其中，C，Cm，Cs分別表示交叉口通行能力、主路理論最大通行能力、支路理論最大通 行能力;N，Nm，Ns分別表示路段、主路和支路的單方向車道數(shù);r為主支路通車時(shí)間分配比； lr，lb，tr分別表示駕駛員反應(yīng)車距、駕駛員制動(dòng)車距、駕駛員反應(yīng)時(shí)間;V，l，S，d分別表示行 駛車速、車輛長(zhǎng)度、兩車間最小的靜止安全距離、直行車流中車輛最小車頭間距;KhKf，!^， 心，1分別表示后車制動(dòng)系數(shù)、前車制動(dòng)系數(shù)、道路附著系數(shù)、道路坡度、同向車影響系數(shù);S， 0分別表示系統(tǒng)損失率和有序度。
[0038]所述的S2.1中，確定模型的相關(guān)參數(shù)值，包括駕駛員反應(yīng)時(shí)間、后車制動(dòng)系數(shù)與前 車制定系數(shù)之差、道路附著系數(shù)、道路坡度、車輛長(zhǎng)度、兩車間最小的靜止安全距離、支路單 方向車道數(shù)和系統(tǒng)損失率;確定無信號(hào)控制交叉口、信號(hào)控制交叉口和環(huán)島交叉口的有序 度以及時(shí)間邊界;進(jìn)行仿真模擬。
[0039] 所述的S2.2中，分析得到：相同車道數(shù)下，交叉口通行能力與有序度成正比，且不 同有序度的交叉口的通行能力變化趨勢(shì)相同；在保證其它因素不變的情況下，調(diào)節(jié)交叉口 的有序度會(huì)使交叉口通行能力成比例性變化。
[0040] 所述的S2.2中，分析得到：當(dāng)行駛車速控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，交叉口通行能力會(huì)隨 行駛車速的提升而上升；當(dāng)行駛車速過了該范圍的上界，交叉口通行能力會(huì)隨行駛車速的 提升而下降；當(dāng)車輛行駛車速相同時(shí)，道路附著系數(shù)越大，交叉口的通行能力就越大。
[0041] 綜上所述，本發(fā)明所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，是在已有 的交叉口通行能力綜合計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立交叉口通行能力測(cè)算 模型，分析影響交叉口通行能力各個(gè)因素的影響程度，對(duì)今后研究交叉口通行能力有一定 的借鑒意義。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明中的交叉口通行能力可靠度的因果關(guān)系圖；
[0043]圖2為本發(fā)明中的交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]以下結(jié)合圖1~圖2,詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0045]系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是分析研究信息反饋系統(tǒng)的一門科學(xué)，吸收了信息論和控制論的精 髓，實(shí)現(xiàn)了與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的緊密結(jié)合，是管理科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)的一個(gè)重要分支。系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)將系統(tǒng)看成一個(gè)具有多重信息的因果反饋機(jī)制，在經(jīng)過剖析系統(tǒng)，獲得豐富的信息之 后，建立系統(tǒng)的因果關(guān)系反饋圖，再轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)流圖，從而建立起系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，最后通 過仿真語(yǔ)言和仿真軟件對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，以對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖 析。交叉口通行能力是個(gè)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，不僅與交叉口的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，還與交 通需求量、交通組織形式等以及一些不確定的因素密切相關(guān)。這些因素相互作用，使得交叉 口的實(shí)際通行能力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，可以從系統(tǒng)的角度，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行定 量定性分析。
[0046]本發(fā)明提供的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，包含以下步驟：
[0047] S1、交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立；
[0048] S1.1、確定系統(tǒng)邊界；
[0049] 系統(tǒng)邊界的確定主要取決于研究對(duì)象和相應(yīng)時(shí)間跨度。所述的研究對(duì)象是指交叉 口通行能力，因此，系統(tǒng)的邊界只涉及與之相關(guān)的實(shí)體，具體包括:交叉口以及構(gòu)成交叉口 的路段、環(huán)島或信號(hào)燈等交通組織工具、通過交叉口的車輛、駕駛員。這里研究的是上述實(shí) 體間的關(guān)系以及相互作用所構(gòu)成的系統(tǒng)，不考慮其它可能對(duì)整個(gè)交叉口通行能力系統(tǒng)產(chǎn)生 影響的因素。所述的相應(yīng)時(shí)間跨度實(shí)際上就是指某一個(gè)時(shí)間段。
[0050] S1.2、因果關(guān)系分析；
[0051] 交叉口通行能力系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的復(fù)雜的系統(tǒng)，其影響因素眾多，不同層次的要 素與影響因素相互制約、相互促進(jìn)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的變動(dòng)都可能對(duì)交叉口的通行能力甚至 整個(gè)路網(wǎng)的效率產(chǎn)生影響。因此，在建模過程中，力圖抓住主要矛盾，使模型簡(jiǎn)明扼要又符 合實(shí)際。
[0052]如圖1所示，通過分析交叉口通行能力可靠度系統(tǒng)中各要素間的相互關(guān)系，構(gòu)建了 交叉口通行能力可靠度的因果關(guān)系圖。圖1中總共包含9條反饋回路，各個(gè)反饋回路交叉、部 分重疊。其中，有3條正反饋回路，即交叉口通行能力+-交叉口通行能力可靠度+-有序度+ -交叉口通行能力；交叉口通行能力+-交叉口通行能力可靠度+-主路車道數(shù)+-交叉口 通行能力;交叉口通行能力+-交叉口通行能力可靠度+-支路車道數(shù)+-交叉口通行能力。 從這3條正反饋回路可知，有序度和主/支路車道數(shù)直接作用于交叉口通行能力，其變化直 接影響交叉口通行能力的大小，所以，這幾個(gè)狀態(tài)變量是調(diào)控交叉口通行能力的主要因子。 其余6條反饋回路的極性具有不確定性，之所以沒有確定的極性，是因?yàn)橹?支路行駛車速 不僅直接作用于其路段的通行能力，同時(shí)也與主/支路駕駛員制動(dòng)車距、主/支路駕駛員反 應(yīng)車距和主/支路直行車流中車輛最小車頭間距有正相關(guān)關(guān)系。一方面，當(dāng)路段直行車流中 車輛最小車頭間距處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，行駛車速越快，交叉口通行能力越大；另一方面，若保 持高速行駛，則路段直行車流中車輛最小車頭間距變大，使得交叉口通行能力相應(yīng)地減小， 故調(diào)整車輛行駛車速來提高交叉口通行能力要視具體的交叉口情況而定。行駛車速對(duì)整個(gè) 交叉口通行能力系統(tǒng)影響的復(fù)雜性決定了它也是作用于該系統(tǒng)的主要因子，并且這些主要 因子應(yīng)該成為模型仿真的主要調(diào)控對(duì)象。
[0053] S1.3、系統(tǒng)流圖分析；
[0054]系統(tǒng)流圖是在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步區(qū)分變量的性質(zhì)，更具體、更直觀地刻 畫系統(tǒng)各要素之間的邏輯關(guān)系，為進(jìn)一步研究系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)的圖形表示方法。其圖形所承 載的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于因果關(guān)系圖和文字的敘述，更具邏輯性，更直觀，更準(zhǔn)確。根據(jù)所建立的 因果關(guān)系圖，對(duì)各反饋機(jī)制進(jìn)行分析，適當(dāng)引入交叉口通行能力模型所需的其它變量，構(gòu)建 了交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，如圖2所示，該圖反映了交叉通行能力主要由3個(gè)部 分組成:主路通行能力、支路通行能力和影響系數(shù)。所述的影響系數(shù)包含:有序度、系統(tǒng)損失 率和主支路通車時(shí)間分配比；其中，有序度分別是指信號(hào)控制交叉口有序度、無信號(hào)控制交 叉口有序度和環(huán)島交叉口有序度;主/支路通行能力結(jié)合有序度、系統(tǒng)損失率、主支路通車 時(shí)間分配比和交叉口通行能力可靠度，得到交叉口通行能力。
[0055] 進(jìn)一步，所述的主/支路通行能力主要是通過主/支路單方向車道數(shù)、主/支路行駛 車速、主/支路直行車流中車輛最小車頭間距以及相應(yīng)的主/支路同向影響系數(shù)決定的。其 中，主/支路直行車流中車輛最小車頭間距包括主/支路車輛長(zhǎng)度、主/支路兩車間最小的安 全靜止距離、主/支路駕駛員反應(yīng)車距和主/支路駕駛員制動(dòng)車距這4個(gè)部分。主/支路駕駛 員反應(yīng)車距和主/支路駕駛員制動(dòng)車距都受主/支路行駛車速的影響，其中，主/支路駕駛員 反應(yīng)車距涉及到主/支路駕駛員反應(yīng)時(shí)間這個(gè)因素，而主/支路駕駛員制動(dòng)車距的構(gòu)成則相 對(duì)復(fù)雜，涉及到主/支路道路附著系數(shù)、主/支路坡度、主/支路前/后車制動(dòng)系數(shù)這4個(gè)因素。 主/支路附著系數(shù)相當(dāng)于輪胎與路面之間的靜摩擦系數(shù)，主/支路附著系數(shù)越大，車胎不易 打滑，行駛安全;反之，行駛緩慢。所述的主支路通車時(shí)間分配比是由主/支路單方向車道數(shù) 決定的。
[0056] S1.4、建立方程；
[0057]根據(jù)交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖構(gòu)建模型方程，即交叉口通行能力的計(jì)算 方程式為：
[0058] C = S0[rCm+(l-r)Cs]；
[0059] Cm=2000NmvKs/d；
[0060] Cs = 2000NsvKs/d；
[0062] 斜坡函數(shù)￥ = 1^103(1.2,0，100)，即在0~10〇111111這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，設(shè)定行駛車速以 1.2的斜率上升；
[0063] Ks = 0.92(n-D;
[0064] d = lr+lb+l+s ；
[0065] lr = Vtr/3.6 ；
[0067] 其中，C，Cm，Cs分別表示交叉口通行能力、主路理論最大通行能力、支路理論最大通 行能力;N，Nm，Ns分別表示路段、主路和支路的單方向車道數(shù);r為主支路通車時(shí)間分配比； lr，lb，tr分別表示駕駛員反應(yīng)車距、駕駛員制動(dòng)車距、駕駛員反應(yīng)時(shí)間;V，l，S，d分別表示行 駛車速、車輛長(zhǎng)度、兩車間最小的靜止安全距離、直行車流中車輛最小車頭間距;KhKf，!^， 心，1分別表示后車制動(dòng)系數(shù)、前車制動(dòng)系數(shù)、道路附著系數(shù)、道路坡度、同向車影響系數(shù);S， 0分別表示系統(tǒng)損失率和有序度。
[0068]此處提到的駕駛員反應(yīng)車距、駕駛員制動(dòng)車距、駕駛員反應(yīng)時(shí)間、行駛車速、車輛 長(zhǎng)度、兩車間最小的靜止安全距離、直行車流中車輛最小車頭間距、后車制動(dòng)系數(shù)、前車制 動(dòng)系數(shù)、道路附著系數(shù)、道路坡度和同向車影響系數(shù)，在主路和支路上均采用相同的參數(shù) 值。簡(jiǎn)單舉例說明，即主路駕駛員反應(yīng)車距與支路駕駛員反應(yīng)車距的參數(shù)值相同，其余參數(shù) 均如此。
[0069] S2、模型仿真與分析；
[0070] S2.1、模型仿真；
[0071] Vensim是一個(gè)可視化的建模軟件，可以描述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)，模擬系統(tǒng)的 運(yùn)行，并對(duì)模型模擬的結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化，在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真中運(yùn)用廣泛。這里以系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)軟件Vensim PLE 5.11A為平臺(tái)建模和仿真。
[0072] 確定模型的相關(guān)參數(shù)值。駕駛員反應(yīng)時(shí)間介于0.4~1.0秒，這里取其上限，設(shè)定駕 駛員反應(yīng)時(shí)間為1.0秒;后車制動(dòng)系數(shù)與前車制定系數(shù)之差取值范圍為0.60~0.70，一般取 〇. 67;受天氣影響，瀝青和水泥道路的附著系數(shù)會(huì)在0.4~0.7之間發(fā)生變化，道路附著系數(shù) 取中值0.55;并設(shè)道路坡度為0;車輛長(zhǎng)度為5m;兩車間最小的靜止安全距離為2m;支路單方 向車道數(shù)為2;系統(tǒng)損失率為0.98;而主路單方向車道數(shù)則不定，可以是2、4、6或8車道，因此 此處不做設(shè)定。為了確定不同類型交叉口的有序度值，研究者對(duì)高峰時(shí)間段不同類型的交 叉口車流量進(jìn)行了調(diào)研，高峰時(shí)間段的車流量比較接近于實(shí)際通行能力，將它與該交叉口 的理論通行能力相比，得到交叉口的有序度，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。由此假設(shè)無信號(hào)控制 交叉口有序度為〇. 40，信號(hào)控制交叉口有序度為0.60，環(huán)島交叉口有序度為0.45。由于這里 研究的是交叉口設(shè)計(jì)通行能力，因此，與時(shí)間的關(guān)系不緊密，但時(shí)間可反映不同時(shí)間段車輛 行駛車速、交叉口通行能力的變化趨勢(shì)，故設(shè)定時(shí)間邊界為〇~100，時(shí)間單位為min，步長(zhǎng)為 1 Om i n，進(jìn)行仿真模擬。
[0073]根據(jù)控制變量的確定原則，以交叉口的通行能力為唯一指標(biāo)，可以設(shè)定各種調(diào)控 方案，通過多次調(diào)整某些變量的大小，對(duì)交叉口通行能力變化趨勢(shì)進(jìn)行多方面的判定和分 析。
[0074]表1、不同類型交叉口的有序度
[0077]其中，2/2是指雙向2車道，物理中央分隔形式；2/4UD是指雙向4車道，雙黃線中央 分隔形式。
[0078] S2.2、分析影響交叉口通行能力的各個(gè)因素的影響程度；
[0079] 1、相同車道數(shù)下，交叉口通行能力與有序度成正比，且不同有序度的交叉口的通 行能力變化趨勢(shì)相同。模型中保證其它因素不變的情況下，調(diào)節(jié)交叉口的有序度會(huì)使交叉 口通行能力成比例性變化。所以，采用合理的交叉口交通組織形式，盡可能地提高交叉口的 有序度，不失為提升交叉口通行能力的有效措施。
[0080] 在相同有序度下，路段車道數(shù)的增多會(huì)使得交叉口的通行能力增大，其增幅呈遞 減的趨勢(shì)。因此，單純地依靠增加路段的寬度來提升交叉口的通行能力，其瓶頸作用非常明 顯，受到車輛行駛車速的制約，對(duì)交叉口通行能力的貢獻(xiàn)值很難把控，難以達(dá)到預(yù)期的效 果。并且，在城市道路網(wǎng)中，大部分路段兩邊的土地資源都已經(jīng)被占用，通過拓寬道路來增 加車道數(shù)量以實(shí)現(xiàn)交叉口的擴(kuò)容已無可能，該措施也不符合資源占用最小化這一可持續(xù)發(fā) 展指標(biāo)的要求。
[0081] 2、行駛車速與交叉口通行能力之間的變化關(guān)系，即行駛車速控制在一定范圍內(nèi) 時(shí)，交叉口通行能力會(huì)隨行駛車速的提升而上升；當(dāng)行駛車速過了該范圍的上界，交叉口通 行能力會(huì)隨行駛車速的提升而下降。當(dāng)車輛行駛車速相同時(shí)，道路附著系數(shù)越大，交叉口的 通行能力就越大。最優(yōu)的通過交叉口的速度并不是固定的，要根據(jù)實(shí)際交叉口影響車輛行 駛車速的相關(guān)系數(shù)分別做出調(diào)整。
[0082] 近幾年來，專家們?cè)诮徊婵谕ㄐ心芰Ψ矫孀髁舜罅康难芯?，提出了很多提升交?口通行能力的方法。例如，對(duì)交叉口進(jìn)行渠化、增加信號(hào)控制設(shè)備、改變環(huán)島的直徑等，這些 方法主要是通過提升交叉口的有序度來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大交叉口通行能力的目的，具有現(xiàn)實(shí)的可行 性。但交叉口有序的程度畢竟有限，要解決如何提升一個(gè)有序的交叉口的通行能力的問題 就必須采取其它措施。通過本發(fā)明的研究發(fā)現(xiàn)，車輛通過交叉口的行駛車速是影響交叉口 通行能力的一個(gè)重要因素。根據(jù)交叉口的實(shí)際情況以及相應(yīng)的交通需求，計(jì)算出基于交叉 口通行能力最大化的行駛車速范圍，應(yīng)該可以改善交叉口的通行狀況。為了保證車輛以合 理的速度通過交叉口，應(yīng)考慮適當(dāng)延長(zhǎng)停車線與交叉口的距離，以滿足行駛車速的要求。在 交叉口樹立醒目的行駛車速提示標(biāo)牌，并配以相應(yīng)的信號(hào)控制和法律法規(guī)強(qiáng)制措施，確保 行駛車速在規(guī)定范圍內(nèi)通過交叉口，實(shí)現(xiàn)交叉口通行能力的優(yōu)化。
[0083]綜上所述，本發(fā)明所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，是在已有 的交叉口通行能力綜合計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立交叉口通行能力測(cè)算 模型，分析影響交叉口通行能力各個(gè)因素的影響程度，對(duì)今后研究交叉口通行能力有一定 的借鑒意義。
[0084] 盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的 描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，包含W下步驟： S1、交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立;包括： SI. 1、確定系統(tǒng)邊界； 51.2、 因果關(guān)系分析； 51.3、 系統(tǒng)流圖分析； 51. 4、建立方程； 52、 模型仿真與分析;包括： 52.1、 模型仿真； 52.2、 分析影響交叉口通行能力的各個(gè)因素的影響程度。2. 如權(quán)利要求1所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的Sl. 1中，系統(tǒng)邊界的確定取決于研究對(duì)象和相應(yīng)的時(shí)間跨度； 所述的研究對(duì)象是指交叉口通行能力，與系統(tǒng)邊界相關(guān)的實(shí)體包括:交叉口 W及構(gòu)成 交叉口的路段、環(huán)島或信號(hào)燈的交通組織工具，通過交叉口的車輛和駕駛員。3. 如權(quán)利要求2所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的SI. 2中，構(gòu)建交叉口通行能力可靠度的因果關(guān)系圖，分析交叉口通行能力可靠度的因果 關(guān)系圖中各要素間的相互關(guān)系； 其中，有序度和主/支路車道數(shù)直接作用于交叉口通行能力，其變化直接影響交叉口通 行能力的大??； 主/支路行駛車速直接作用于其路段的通行能力，并且也與主/支路駕駛員制動(dòng)車距、 主/支路駕駛員反應(yīng)車距和主/支路直行車流中車輛最小車頭間距有正相關(guān)關(guān)系；即當(dāng)主/ 支路直行車流中車輛最小車頭間距處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，主/支路行駛車速越快，交叉口通行能 力越大；當(dāng)主/支路車輛保持高速行駛，則主/支路直行車流中車輛最小車頭間距變大，使得 交叉口通行能力相應(yīng)地減小。4. 如權(quán)利要求3所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的SI.3中，根據(jù)所建立的交叉口通行能力可靠度的因果關(guān)系圖，構(gòu)建交叉口通行能力的系 統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖，其包含:主路通行能力、支路通行能力和影響系數(shù)； 所述的影響系數(shù)包含:有序度、系統(tǒng)損失率和主支路通車時(shí)間分配比；其中，有序度分 別是指信號(hào)控制交叉口有序度、無信號(hào)控制交叉口有序度和環(huán)島交叉口有序度； 主/支路通行能力結(jié)合有序度、系統(tǒng)損失率、主支路通車時(shí)間分配比和交叉口通行能力 可靠度，得到交叉口通行能力。5. 如權(quán)利要求4所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的主/支路通行能力是通過主/支路單方向車道數(shù)、主/支路行駛車速、主/支路直行車流中 車輛最小車頭間距W及主/支路同向影響系數(shù)決定的； 其中，主/支路直行車流中車輛最小車頭間距包括主/支路車輛長(zhǎng)度、主/支路兩車間最 小的安全靜止距離、主/支路駕駛員反應(yīng)車距和主/支路駕駛員制動(dòng)車距； 主/支路駕駛員反應(yīng)車距和主/支路駕駛員制動(dòng)車距都受主/支路行駛車速的影響，并 且，主/支路駕駛員反應(yīng)車距設(shè)及到主/支路駕駛員反應(yīng)時(shí)間，主/支路駕駛員制動(dòng)車距設(shè)及 到主/支路道路附著系數(shù)、主/支路坡度、主/支路前/后車制動(dòng)系數(shù)； 所述的主支路通車時(shí)間分配比是由主/支路單方向車道數(shù)決定的。6. 如權(quán)利要求5所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的SI.4中，根據(jù)交叉口通行能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖構(gòu)建模型方程，即交叉口通行能力的計(jì) 算方程式為： C = SO[rCm+(l-r)Cs]； Cm=2000NmVKs/d; Cs = 200(MsvKs/d;斜坡函數(shù)v = RAMP( I. 2,0,100)，即在O~IOOmin運(yùn)個(gè)時(shí)間段內(nèi)，設(shè)定行駛車速W I. 2的 斜率上升； Ks = 0.92(n-i); d= lr+lb+1 + S ； lr = Vtr/3.6;其中，C，Cm，Cs分別表示交叉口通行能力、主路理論最大通行能力、支路理論最大通行能 力;N，Nm，化分別表示路段、主路和支路的單方向車道數(shù);r為主支路通車時(shí)間分配比；lr，lb， tr分別表示駕駛員反應(yīng)車距、駕駛員制動(dòng)車距、駕駛員反應(yīng)時(shí)間；V，l，S，d分別表示行駛車 速、車輛長(zhǎng)度、兩車間最小的靜止安全距離、直行車流中車輛最小車頭間距;Ki, Kf, Ka, Kg, Ks 分別表示后車制動(dòng)系數(shù)、前車制動(dòng)系數(shù)、道路附著系數(shù)、道路坡度、同向車影響系數(shù);s，0分 別表示系統(tǒng)損失率和有序度。7. 如權(quán)利要求6所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的駕駛員反應(yīng)車距、駕駛員制動(dòng)車距、駕駛員反應(yīng)時(shí)間、行駛車速、車輛長(zhǎng)度、兩車間最小的 靜止安全距離、直行車流中車輛最小車頭間距、后車制動(dòng)系數(shù)、前車制動(dòng)系數(shù)、道路附著系 數(shù)、道路坡度和同向車影響系數(shù)，在主路和支路上均采用相同的參數(shù)值。8. 如權(quán)利要求7所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的S2.1中，確定模型的相關(guān)參數(shù)值，包括駕駛員反應(yīng)時(shí)間、后車制動(dòng)系數(shù)與前車制定系數(shù)之 差、道路附著系數(shù)、道路坡度、車輛長(zhǎng)度、兩車間最小的靜止安全距離、支路單方向車道數(shù)和 系統(tǒng)損失率;確定無信號(hào)控制交叉口、信號(hào)控制交叉口和環(huán)島交叉口的有序度W及時(shí)間邊 界;進(jìn)行仿真模擬。9. 如權(quán)利要求8所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所述 的S2.2中，分析得到：相同車道數(shù)下，交叉口通行能力與有序度成正比，且不同有序度的交 叉口的通行能力變化趨勢(shì)相同；在保證其它因素不變的情況下，調(diào)節(jié)交叉口的有序度會(huì)使 交叉口通行能力成比例性變化。10. 如權(quán)利要求8所述的基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的交叉口通行能力測(cè)算方法，其特征在于，所 述的S2.2中，分析得到：當(dāng)行駛車速控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，交叉口通行能力會(huì)隨行駛車速的 提升而上升；當(dāng)行駛車速過了該范圍的上界，交叉口通行能力會(huì)隨行駛車速的提升而下降； 當(dāng)車輛行駛車速相同時(shí)，道路附著系數(shù)越大，交叉口的通行能力就越大。
【文檔編號(hào)】G08G1/01GK105913659SQ201610341030
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年5月19日
【發(fā)明人】周溪召, 夏曉梅, 杜春燕, 智路平
【申請(qǐng)人】上海海事大學(xué)