專利名稱：帶有中間快速通道的車道邊長度確定方法
技術領域：
本發明屬于道路設計技術領域，尤其是涉及帶有中間快速通道的車道邊長度確定方法。
背景技術：
建設綜合化一體化的客運交通樞紐成為城市綜合客運交通體系的發展趨勢，車道邊是樞紐所特有的一種交通設施，是為實現進出站人流與車流轉換而集中設置的車輛上客、落客區域。作為人車接駁的關鍵場所，是最容易形成瓶頸的地方之一，影響了大型交通樞紐設計功能的使用。通過對國內外相關文獻的研究可知，國外早在20世紀60年代就開始了對大型樞紐系統車道邊設施的規劃布局及相關研究。近年來，隨著基于交通行為理論的一些微觀動態交通分析模型研究的深入，一些成熟的商業化的城市交通微觀模擬系統開發出來，如英國的FL0WSIM系統和Paramic系統、美國的iTranSims系統、德國的Vissim系統、西班牙的 Aimsun系統等。Kuo. Yang Chang曾對3車道的路邊交通仿真進行了研究，提出了交通產生、 車道選擇、車輛移動、上下客、行人穿越等模型，并采用美國LAS機場1號航站樓的數據進行分析驗證，以此為基礎對車道封閉、不同的交通量需求、上下客時間變化等情況進行了仿真應用。國內同濟大學的余朝瑋等運用仿真軟件(vissim}對上海虹橋綜合交通樞紐車道邊的集散效果進行了評價，東南大學的李旭宏等人在深入分析樞紐車道邊交通流特性的基礎上，運用交通流理論提出適用于車道邊通行能力的計算方法。對于車道邊的長度的研究，長沙理工大學的柳伍生等人在《機場陸側出發層車道邊通行能力分析》一文中將車道邊定義為車道邊是建筑物邊緣或者內部的用于人車轉換的區域。建立基于排隊理論的出發層車道邊需求規模模型，得出需求車道邊長度等數值。從已有相關文獻閱讀分析可知，針對大型樞紐車道邊長度的研究的已有技術具有以下特點(1)以往針對大型樞紐車道邊的研究主要是對樞紐各個交通設施之間的動態分析研究，較少考慮車道邊長度設置問題。(2)對有車道邊長度的設置問題進行研究的過程中，對車道邊的車道設置形式欠考慮，籠統地將車道邊形式歸為一類進行研究分析，缺乏確切的理論方法及數據的支撐。尚缺乏針對帶有中間快速通道的車道邊長度確定方法的研究。(3)在已開發的軟件中，主要的仿真技術大多基于交通行為理論的一些微觀動態交通分析模型。應用基于一體化的集成仿真環境的元胞自動機進行研究尚處于初級發展階段。
發明內容
本發明旨在解決克服現有技術的不足，提供一種明確的方法進行指導帶有中間快速通道的大型交通樞紐車道邊長度的確定。為達到上述目的，本發明采取的技術方案是，帶有中間快速通道的車道邊長度確定方法，采用二維元胞自動機模型模擬仿真作為平臺，通過包括帶有中間快速通道的車道邊設計形式交通流特性的分析，停靠模型目標函數、視覺感知、換道行為的多種影響的詳細描述，對目標進行集成仿真，得出通道設置位置及數量優化數據。 停靠模型目標函數即車道邊換道意愿函數是指令Xc表示車輛當前位置，Xe表示下車客人要求的入站口行車方向的起點位置，D6表示下車客人要求的入站口寬度，可用換道意愿來描述車道邊停靠目標函數，則帶有中間快速通道的車道邊換道意愿函數可表示為
randorif),S2k) if xc >dns (k) + xe
l-[(xc -xe -d:(k)+De)/(xe +d"s{k)-De)f if xe-De+d:(k)<xc<d:(k) + xe 1if xc<xe-De+d:(k)vn{k,xc,xe) =
randorif),S3k) if xc> d:(k) + xe Vw{k,xc,xe)=< l-[(xc -xe -d:{k)+DeWe +d:{k)-De)f if xe-De+d:{k)<xc<d:{k) + xe 1if xc<xe-De+d:(k)上式中，δ 2,k表示第k類駕駛員在帶有中間快速通道的車道邊內側非換道區域的換道意愿上限，與駕駛員的風格和當前交通狀況有關；λ 2表示在帶有中間快速通道的車道邊內側目標換道區域的換道意愿系數；換入內側車道的換道意愿Vn(k，Xc, Xe)是駕駛員類型k、車輛當前位置&、下車客人要求的入站口起點位置&的函數；《(幻表示內側經驗換道停靠距離；random(0，δ 2, k)表示在區間(0，δ 2, k)隨機產生的意愿;xc >《(幻+夂表示的位置為內側非換道區域A-De+ d"s{k) <xc< d^k) + &表示的位置為內側目標換道區域；
-仏+《(幻表示的位置為內側懲罰換道區域，δ 3,k表示第k類駕駛員在帶有中間快速通道的車道邊外側非換道區域的換道意愿上限，與駕駛員的風格和當前交通狀況有關； λ 3表示在帶有中間快速通道的車道邊外側目標換道區域的換道意愿系數；換入外側車道的換道意愿Vw (k，X。，Xj是駕駛員類型k、車輛當前位置&、下車客人要求的入站口起點位置 &的函數乂；XA)表示外側經驗換道停靠距離；random(0，δ 3,k)表示在區間(0，δ 3,k)隨機產生的意愿A > d:(k) + &表示的位置為外側非換道區域;xe ~De+ d:(k) <xc< d:(k) + xe 表示的位置為外側目標換道區域Λ ^xe-De+ (幻表示的位置為外側懲罰換道區域；上述過程將會產生兩個換道意愿Vn (k，xc, xe)和Vw (k，xc, xe)，具體選擇哪側進行換道采用輪盤賭選擇機制進行。視覺感知是采用5個感知點來描述帶有中間快速通道的車道邊停靠時相鄰車輛狀態，C，F，RB, RF, LB, LF分別表示當前車輛，當前車輛的前、右后、右前、左后、左前位置的相鄰車輛，設元胞長度為1。，道路允許的最大車速為Vmax將車輛速度離散為Nv個區間，Nv = ν_Λ。，則每個感知點速度的等級數為Nv個，分別表示的實際車速范圍為[(k-l)l。，klj, k
1 J 2 J · · · Nv O換道行為為設t時刻對應位置C，LB, LF, F，RB, RF的車輛速度分別為ve(t)， VLB (t)，VLF (t)，VF (t)，VEB (t)，VKF (t)，其所在元胞位置分別為pc(t)，pLB (t)，pLF (t)，pF(t)，pEB (t)，pEF(t)；如果是進港向右停靠換道，換道不發生碰撞需要滿足的條件為 ve(t+l)_VsB(t+l) > PsB(t)_pc(t)，vEF(t+l)_vc(t+l) > pc(t)_ PEF(t)；如果是向左啟動換道，換道不發生碰撞需要滿足的條件為vc(t+l)_\B(t+l) > pLB (t) _pc (t)，vLF (t+1) _vc (t+1) > pc (t) _pLF (t)，在車道邊停靠換道場景中，駕駛員可加減速以滿足換道條件，即 vc(t+l) e Sc(t+1) ；Sc(t+1) = {vc(t)-l，vc(t)，vc(t)+l}，考慮其它車輛行駛速度，換道時存在以下幾種狀態1)駕駛員向右停靠換道Rl vEB (t+1)彡Veb (t)，vEF (t+1)彡vKF (t)，此情況下車輛RB減速或勻速行駛，RF 加速或勻速行駛，可進行換道的條件為Vvc+1) e ^c+1) Prb (t) +Vrb (t) -pc (t) < vc(t+l) < vEF(t)+pEF(t)-pc(t)；R2 vEB (t+1) = vEB(t)+l, vEF(t+1) = vKF (t)，此情況下車輛 RB 加速行駛，RF 勻速行駛，可進行換道的條件為Vvc(/ + l)e^c(/ + l);使得 pRB(t) +VRB(t) +1-Pc(t) < vc(t + l)
<vEF(t)+pEF(t)-pc(t)；R3 vEB (t+1) = vEB (t)，vEF (t+1) = vKF(t)_l，此情況下車輛 RB 勻速行駛，RF 減速行駛，可進行換道的條件為Vvc +1) e Sc (t +1)，使得Peb (t) +vEB (t) -Pc (t) +1 < Vc (t+1) < vEF (t) +pEF (t) _pc (t) _1 ；R4 vEB (t+1) = vEB(t)+l, vEF (t+1) = vKF(t)_l，此情況下車輛 RB 加速行駛，RF 減速行駛，可進行換道的條件為Vvc +1) e Sc (t +1)，使得Peb (t) +vEB (t) -Pc (t) +1 < Vc (t+1) < vEF (t) +pEF (t) _pc (t) _1 ；2)駕駛員向左停靠換道Ll vLB (t+1)彡vLB (t)，vLF (t+1)彡vLF (t)，此情況下車輛LB減速或勻速行駛，LF 加速或勻速行駛，可進行換道的條件為W + 如狄+ 1)，使得 pLB(t)+VLB(t)-pc(t) < vc (t+1) < vLF (t)+pLF (t)-pc (t)；L2 vLB (t+1) = vLB(t)+l, vLF(t+1) = (t)，此情況下車輛 LB 加速行駛，LF 勻速行駛，可進行換道的條件為Vvc(/ + l)e^c(/ + l);使得 p』(t) + v』(t) + ι _ p。( t) < vc(t + l)
<vLF (t)+pLF (t)-Pc (t)；L3 vLB (t+1) = vLB (t)，vLF (t+1) = vLF(t)_l，此情況下車輛 LB 勻速行駛，LF 減速行駛，可進行換道的條件為Vvc(/ + l)e^c(/ + l);使得 p』(t) + v』(t) _ p。( t) + ι < Vc(t + 1)
<vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；L4 vLB (t+1) = vLB(t)+l, vLF (t+1) = vLF(t)_l，此情況下車輛 LB 加速行駛，LF 減速行駛，可進行換道的條件為Vvc(/ + l)e^c(/ + l);使得 p』(t) + v』(t) _ p。( t) + ι < Vc(t + 1)
<vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；
7
車道邊換道駕駛員智能體中，將駕駛員性格分為穩重型、一般型和冒險型，上述Li，L2，L3，L4四種狀態中，對應向右換道條件分別為Rl，R2，R3，R4，不同類型駕駛員設置的換道條件為穩重型駕駛員滿足Ll條件，一般型駕駛員滿足L1，L2，L3中任意一種，冒險型駕駛員在上述4種條件下換道均可進行。路段仿真駕駛行為采用以下幾個方面進行概括1)加速規則如果 v{t) < 心目 xu (t + 2) + 2(χ < χυ+ι (t + 2)則 a e [1, Akmax ]
？ ？ ？
(i + 1) = min(v^ax,vfi(0 + α)，其中^ i⑴表示車道1上第i輛車t時刻的位置，Vli (t)表示
車道1上第i輛車t時刻的速度，^ax表示k型車輛在對應道路行駛的最大速度，表示k型車輛在道路行駛的最大加速度；2)減速規則不設置安全距離，采用t+2時刻占用元胞是否重疊來設定減速規則如果Xl,i (t+2)彡 xlji+1 (t+2)，則4々 +1) = max(0, vft (O-^ax)，D=表示 k 型車輛在道路行駛的最大減速度；3)隨機慢化=VA e
，如果 λ < nk,則 Vli (t+1) = Vli (t) _1，ηk 為 k 型車輛慢化概率。本發明的技術特點及效果1)以往航站樓車道邊長度只能通過解析方法進行理論估計，沒有考慮由于道路、車輛、駕駛員的不同而產生的影響。本發明通過細致刻畫車輛停靠目標函數、視覺感知、換道行為等多種影響，采用元胞自動機智能體進行集成，具有首創性。2)在實際應用中，本方法的數據采集較為簡單，只要預測車道邊流量及車型比例，而這些數據在航站樓設計時已經具備，因此本專利仿真方法的實際使用價值較大。
圖1帶有中間快速通道的車道邊交通沖突示意圖。
圖2帶有中間快速通道的車道邊停靠換道區域示意圖。
圖3帶有中間快速通道的車道邊換道停車相鄰車輛感知點位置。
圖4車道邊停靠換道示意圖。
圖5帶有中間快速通道的車道邊仿真場景示意圖。
圖6車道邊長度為200米的交通流時空圖。
圖7車道邊長度為180米的交通流時空圖。
圖8車道邊長度為160米的交通流時空圖。
圖9車道邊長度為140米的交通流時空圖。
圖10車道邊長度為120米的交通流時空圖。
圖11車道邊長度為100米的交通流時空圖。
圖12不同車道邊長度下的延誤曲線。
圖13不同車道邊長度下的單位長度停靠能力。
具體實施方式
1. 1帶有中間快速通道的車道邊設計形式交通流特性分析帶有快速通道的車道邊設計形式下，快速車道通道將車道邊停車位進行了分割，留出了專門區域供車輛駛入或駛出車道邊，減少了車車之間的交織沖突，但快速通道的設置也減少了車道邊的利用率，因此其設置形式和規模需要結合航站樓交通具體情況進行分析，如圖1所示。注m+l，m+2, m, m_l為快速道行駛中車輛；n+3, n+1, n~2, n_4為內側停車道正在停車落客車輛；n+2, n-1, n_3為外側停車道正在停車落客車輛；n+4為外側停車道駛離準備交織車輛；η為內側停車道駛離準備交織車輛。如圖1所示，當設置了快速通道時，內外兩側的停車道都與快速車道相鄰，停車落客之后能直接進入快速車道，減少了停靠車道之間的交通沖突，這種設計形式的通行能力基本上可以看作是兩個單停靠車道車道邊能力之和。但是由于增加了快速通道，外側側道的行人進入航站樓需要通過的距離較長，加上快速通道的車速較快，因此需要通過設置人行橫道完成行人的穿越，在客流很大的情況下，還需要架設控制信號保障交通安全，因此也需要綜合考慮航站樓的交通狀況設計合理的車道邊形式。1. 2帶有中間快速通道的車道邊停靠模型目標函數帶有中間快速通道的車道邊設計形式中，進入中間快速通道的車輛可以左右停靠在內外車道，雖然外側車道也能停車落客，但由于下車客人需要通過人行橫道進入航站樓，因此絕大部分情況下，駕駛員會根據客人要求在內側車道停車，因此本報告模型中將帶有中間快速通道的車道邊停靠模型目標區域進行如下劃分，如圖2所示。如圖2所示，rp(k)、Cik)、rj(k)、d^k)分別代表第k類駕駛員的外側懲罰換道區域、外側目標換道區域、外側非換道區域、外側經驗換道停靠距離，1W、〈㈨、<(&)、《(幻分別代表第k類駕駛員的內側懲罰換道區域、內側目標換道區域、內側非換道區域、內側經驗換道停靠距離。如上圖所示，外側經驗換道停靠距離幻小于內側經驗換道停靠距離《@)，這是由于大多數情況下，客人選擇在內側車道下車，因此內車停車道車輛較多，造成停車不便，導致外側換道停靠距離小于內側換道停靠距離，實際上，上述區域和距離是根據不同類型駕駛員和不同交通狀況動態變化的，是駕駛員在駕駛過程中動態的一個估計值。圖2將駕駛員進入車道邊后的目標區域分成了 6個部分，這6個區域對駕駛員而言存在優先級別。如圖2所示，車輛m進入航站樓區域后，假設客人需要在入口 2進入航站樓，對于大多數駕駛員而言，在內側非換道區域幻是不會進行換道的，主要是該區域離下車客人要求的距離較遠，一旦被前方車輛阻擋則需要等待或者客人提前下車后行走較長的路程進入航站樓。內側目標換道區域幻實際上是外側非換道區域<(幻和外側目標換道區域幻的一部分，在這個區域中，客人第一優先選擇是停靠在內側車道，在不滿足換道條件下，隨著換道意愿的增加，也會以一定的概率停靠外側車道。進入幻區域后，車輛已經不能在內側入口范圍停車，無論是在外側目標換道區域、外側懲罰換道區域還是內側懲罰換道區域，客人都需要步行一定距離，因此在此區域內，具體停靠的位置是與停靠點下車后距離入口之間的距離負相關的，是這些因素之間博弈的結果。總之，駕駛員選擇停靠位置的決定因素很多，特別是與當前交通狀況關系很大，是一個隨著交通流運行而不斷變化的過禾呈。 令&表示車輛當前位置，&表示下車客人要求的入站口行車方向的起點位置，De表示下車客人要求的入站口寬度。可用換道意愿來描述車道邊停靠目標函數，則帶有中間快速通道的車道邊換道意愿函數可表示為
權利要求
1.一種帶有中間快速通道的車道邊長度確定方法，其特征是，采用二維元胞自動機模型模擬仿真作為平臺，通過包括帶有中間快速通道的車道邊設計形式交通流特性的分析， 停靠模型目標函數、視覺感知、換道行為的多種影響的詳細描述，對目標進行集成仿真，得出通道設置位置及數量優化數據。
2.如權利要求1所述的方法，其特征是，停靠模型目標函數即車道邊換道意愿函數是指令Xc表示車輛當前位置，^表示下車客人要求的入站口行車方向的起點位置，De表示下車客人要求的入站口寬度，可用換道意愿來描述車道邊停靠目標函數，則帶有中間快速通道的車道邊換道意愿函數可表示為
3.如權利要求1所述的方法，其特征是，視覺感知是采用5個感知點來描述帶有中間快速通道的車道邊停靠時相鄰車輛狀態，C，F，RB, RF, LB, LF分別表示當前車輛，當前車輛的前、右后、右前、左后、左前位置的相鄰車輛，設元胞長廈為1。，道路允許的最大車速為Vmax， 將車輛速度離散為隊個區間，Nv = vmax/l。，則每個感知點速度的等級數為隊個，分別表示的實際車速范圍為[(k-l)l。，kl。]，k = 1，2，...NV。
4.如權利要求1所述的方法，其特征是，換道行為為設t時刻對應位置C，LB,LF, F， RB, RF的車輛速度分別為Vc (t)，VLB (t)，VLF (t)，VF (t)，Veb (t)，VKF (t)，其所在元胞位置分別為pc(t)，pLB (t)，pLF(t)，pF(t)，Peb (t)，pEF(t)；如果是進港向右停靠換道，換道不發生碰撞需要滿足的條件為 vc(t+l)_VEB(t+l) > pEB(t) _pc(t), vEF(t+1) _vc(t+1) >Pc(t)_pEF(t)；如果是向左啟動換道，換道不發生碰撞需要滿足的條件為vc(t+l)_^B(t+l) > pLB(t)_pc(t), vLF(t+1)_vc(t+1) > Pe(t)_PLF(t)，在車道邊停靠換道場景中，駕駛員可加減速以滿足換道條件，e Sc(t+1) ；Sc(t+1) = {vc(t)-l，vc(t)，vc(t)+l}，考慮其它車輛行駛速度， 換道時存在以下幾種狀態1)駕駛員向右停靠換道Rl :VEB (t+1) ( Veb (t), vEF (t+1)彡vKF (t)，此情況下車輛RB減速或勻速行駛，RF加速或勻速行駛，可進行換道的條件為Vvc +1) e ^c (t +1) Prb (t) +Vrb (t) -Pc (t) < vc (t+1) < vEF (t)+pEF (t)-pc (t)；R2 vEB (t+1) = Veb (t)+l,vEF(t+1) = vKF(t)，此情況下車輛 RB 加速行駛，RF 勻速行駛， 可進行換道的條件為Vvc+1) e +1) Peb (t) +Vrb (t) +i-Pc (t) < vc (t+1) < vEF (t)+pEF (t)-pc (t)；R3 vEB (t+1) = Veb (t), vEF (t+1) = vKF (t)-l，此情況下車輛 RB 勻速行駛，RF 減速行駛， 可進行換道的條件為Vvc(/ + l)e^c(/ + l)，使得PEB(t)+vEB(t)-pc(t)+l < vc (t+1) < vEF(t)+pEF(t)-pc(t)-l ；R4 vEB (t+1) = VsB(t)+l, vEF (t+1) = vKF (t)-l，此情況下車輛 RB 加速行駛，RF 減速行駛，可進行換道的條件為 Vvc(/ + l)e^c(/ + l)，使得Peb (t) +vEB (t) -pc(t)+l < Vc (t+1) < vEF (t) +pEF (t) -pc(t)"l ；2)駕駛員向左停靠換道Ll vLB (t+1) ( vLB (t), vLF (t+1)彡(t)，此情況下車輛LB減速或勻速行駛，LF加速或勻速行駛，可進行換道的條件為Wc(Rl) + ，使得 pLB ⑴+Vlb ⑴-ρ。⑴ < vc (t+1) <vLF(t)+pLF(t)-pc(t)； L2 vLB (t+1) = vLB (t)+l,vLF(t+1) = \F(t)，此情況下車輛LB加速行駛，LF勻速行駛， 可進行換道的條件為Vvc+1) e ^c(t +1) Plb (t) +Vlb (t) +i-Pc (t) < vc (t+1) < vLF (t)+pLF (t)-pc (t)；L3 vLB (t+1) = vLB (t), vLF (t+1) = Vlf (t)-l，此情況下車輛 LB 勻速行駛，LF 減速行駛， 可進行換道的條件為Vvc+1) e +1) Plb (t) +Vlb (t) -Pc (t) +1 < vc (t+1) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；L4 vLB (t+1) = vLB(t)+l, vLF (t+1) = vlf (t)_l，此情況下車輛 LB 加速行駛，LF 減速行駛，可進行換道的條件為Vvc+1) e +1) Plb (t) +Vlb (t) -Pc (t) +1 < vc (t+1) < vLF(t)+pLF(t)-pc(t)-l ；車道邊換道駕駛員智能體中，將駕駛員性格分為穩重型、一般型和冒險型，上述L1，L2， L3，L4四種狀態中，對應向右換道條件分別為Rl，R2，R3，R4，不同類型駕駛員設置的換道條件為穩重型駕駛員滿足Ll條件，一般型駕駛員滿足L1，L2，L3中任意一種，冒險型駕駛員在上述4種條件下換道均可進行。
5.如權利要求1所述的方法，其特征是，路段仿真駕駛行為采用以下幾個方面進行概括1)加速規則如果ν⑴J. xUl(t + 2) + 2Jt^<^M(t + ^)則肝[1 尤]？ ？ ？(i + 1) = min(v^ax,vfi(0 + α)，其中^ i⑴表示車道1上第i輛車t時刻的位置，Vli (t)表示車道1上第i輛車t時刻的速度，^ax表示k型車輛在對應道路行駛的最大速度，表示k 型車輛在道路行駛的最大加速度；2)減速規則不設置安全距離，采用t+2時刻占用元胞是否重疊來設定減速規則 如果 X1,i (t+2)彡 xlji+1 (t+2)，則4々 +1) = max(0, vft (O-^ax)，D=表示 k 型車輛在道路行駛的最大減速度；3)隨機慢化v^^
，如果λ < ilk，則Vli(t+1) =Vli (t)-l, nk為k型車輛慢化概率。
全文摘要
本發明屬于道路設計技術領域。提供一種明確的方法進行指導帶有中間快速通道的大型交通樞紐車道邊長度的確定。為達到上述目的，本發明采取的技術方案是，帶有中間快速通道的車道邊長度確定方法，采用二維元胞自動機模型模擬仿真作為平臺，通過包括帶有中間快速通道的車道邊設計形式交通流特性的分析，停靠模型目標函數、視覺感知、換道行為的多種影響的詳細描述，對目標進行集成仿真，得出通道設置位置及數量優化數據。本發明主要應用于道路設計。
文檔編號E01C1/00GK102561126SQ201210045149
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者婁中波, 李竹, 段緒斌, 王曉華, 王海燕, 白子建, 邢錦, 鄭利, 鐘石泉, 馬紅偉 申請人:天津市市政工程設計研究院