基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法及系统

1.本发明一般地涉及交通技术领域。更具体地，本发明涉及一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法及系统。


背景技术：

2.在交通技术领域可使用vissim微观交通流仿真软件系统进行各种交通运行分析。包括车道类型、交通组成、交通信号控制、停让控制等众多条件下的交通运行情况，具有分析、评价、优化交通网络、设计方案比较等。而随着迅速推进的城市化进程，交通需求和交通供给的不协调矛盾日益加深，交通瓶颈是指易发生交通拥堵的路段。高速公路上的常发性拥堵主要是主线-匝道连接处的车辆合流、分流导致的通行能力骤减。
3.现有技术中，交通瓶颈预测往往依赖复杂的数学推导，计算量大且精度不搞。因而，如何找到一种准确性及效率性兼顾的高速公路瓶颈预测方法，以制定合理的管控方案并提升交通安全水平成为一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了至少解决上述背景技术部分所描述的技术问题，本发明提出了一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法及系统。利用本发明的方案，针对主线-匝道的拥堵情况，依托瓶颈识别技术，搭建vissim的在线仿真器模拟现实路网状况，通过给定的未来交通需求或者未来一段时间预测的交通需求，识别整个高速的瓶颈点，实现动态预测，并制定合理的管控措施来缓解负面影响。鉴于此，本发明在如下的多个方面提供解决方案。
5.本发明的第一方面提供了一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，包括：步骤a：在vissim中对高速公路的基础路段和匝道路段进行绘制，使得绘制结果与实际道路情况保持一致；步骤b：根据采集器所采集的高速公路的车辆实时输入情况，确定高速公路路网的车流量和车辆流向比例的输入；其中，高速公路所有合流区的车辆实时输入情况，同时考虑货车和私家车的小时交通流，作为vissim中的两种车型的车辆总输入，在vissim中的路径决策模块中，高速公路所有分流区的车辆分流情况，确立车辆流向比例；步骤c：利用vissim中的断面检测器，路段检测器以及车辆检测器进行数据的评价和输出；所述断面检测器用于收集路段某断面的交通信息，所述路段检测器用于输出指定路段的相关信息，所述车辆检测器用于获取基于个体的轨迹数据；步骤d：结合瓶颈识别技术和在线仿真器，通过给定的交通需求，识别整个高速公路的瓶颈点，并根据预测的未来交通需求评估未来瓶颈点的状态；其中，所述交通需求是指各道路入口的交通量输入和各互通的交通量输出；步骤e：通过在vissim中设置匝道控制、可变限速控制以及车道管理等管控设备，缓解高速公路拥堵或者发生事故所产生的对交通流的负面影响；其中，匝道控制通过设置信号灯来完成，车道限速控制通过在指定路段设置车速限制标牌来完成，车道管理通过对路段设置控制方式来完成。
6.在一个实施例中，所述对高速公路的基础路段和匝道路段进行绘制，包括；将绘制
好的基础路网cad底图导入vissim中，设置比例尺后绘制所有基础路段并对可通行车辆和速度进行限定，同时对匝道路段进行绘制。
7.在一个实施例中，其特征在于，所述步骤a，包括以下步骤：
8.步骤a1：根据vissim中的路段绘制功能，对高速公路上的所有基础路段进行绘制，具体道路数以cad提供的道路宽度确定；同时，对道路上可通行的车辆进行限定，设置到道路属性，禁止行人、公交车以及自行车在道路上的通行，仅让私家车和货车通行；通行速度波动范围以自由流情况的车速分布进行标定，最大不应该超过限速；步骤a2：在仿真器中设置合流匝道，包括：(1)确定合流匝道的车道数i和主线车道数j，分别按照cad底图绘制基本路段；(2)在主线绘制i+j个车道，长度为l的路段，这与现实情况中的加速路段长度相关，采用路段连接器将匝道与对应的右侧道路相连接，主线车道与对应的左侧道路相连接；(3)绘制加速车道结束后的主线j车道的基础路段，并采用路段连接器将主线道路与主线道路对应连接，将加速车道分别与主线车道的靠右侧道路连接；步骤a3：在仿真器中设置分流匝道，包括：(1)确定分流匝道的车道数i和主线车道数j，分别按照cad底图绘制基本路段；(2)在主线绘制i+j个车道，长度为l的路段，这与现实情况中的减速车道路段长度相关，将主线道路与主线道路相连接，同时采用连接路段将主线道路的右侧与相应的减速车道连接；(3)在减速车道的末端，将减速车道分别于分流匝道相连接，主线车道与主线车道连接。
9.在一个实施例中，，所述步骤b，包括以下步骤：步骤b1：根据检测器单独提供的两种车型的流量比例，输入私家车和货车的小时交通流；步骤b2：获取未分流时某时间间隔下的车辆总数n，分流匝道和下游主线上的车辆总数n1和n2，当前时刻的分流路径方向的比例为n1/n，主线路段流量比例为n2/n。
10.在一个实施例中，所述步骤c，包括以下步骤：步骤c1：对于基本路段，根据实际需求设置特定路段的断面检测器；设置合流区的断面检测器位于合流匝道上、合流区内部、合流区上游路段以及和合流区下游路段；分流区的断面检测器位于分流区上游，分流区内部以及分流匝道和分流区下游；步骤c2：单独设置需要检测的路段，路段检测器的起点为红色线段，终点为绿色线段，中间则为待评价路段；步骤c3：开启车辆记录模块，选择想要分析的路段，便可以获取车辆在固定时间间隔下的统计数据。
11.在一个实施例中，所述步骤d，包括以下步骤：步骤d1：将各道路入口的交通量作为vissim中的车辆输入；步骤d2：各互通的输出作为流向比例作为vissim中的路径决策；步骤d3：将仿真时间设置为4个小时，仿真速度为1，表示与现实时间相同。
12.本发明中针对主线-匝道的拥堵情况，依托瓶颈识别技术，搭建vissim的在线仿真器模拟现实路网状况，通过给定的未来交通需求或者未来一段时间预测的交通需求，识别整个高速的瓶颈点，实现动态预测，并制定合理的管控措施来缓解负面影响。能够增强对未来交通需求造成的高速公路瓶颈预测的准确性，有利于制定合理的管控方案并提升交通安全水平。
附图说明
13.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
14.图1是示出根据本发明实施例的基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法；
15.图2是示出根据本发明实施例的某互通各车道合流输入和分流输出图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
17.应当理解，本发明的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
18.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施方式的目的，而并不意在限定本发明。如在本发明说明书和权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。还应当进一步理解，在本发明说明书和权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
19.如在本说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0020]
下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
[0021]
本发明的第一方面，提供了一种交通流状态数据时间汇集方法。图1是示出根据本发明实施例的基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法的流程图，可以描述为包括步骤a-e：
[0022]
步骤a：在vissim中对高速公路的基础路段和匝道路段进行绘制，保持与实际道路情况一致。
[0023]
在本发明的一优选实施例中，上述步骤a包括以下步骤a1-a3：
[0024]
步骤a1：根据vissim中的路段绘制功能，对高速公路上的所有基础路段进行绘制，具体道路数以cad提供的道路宽度确定，每个车道的宽度为3.75米。同时，对道路上可通行的车辆进行限定，设置到道路属性，禁止行人、公交车以及自行车在道路上的通行，尽让私家车和货车通行。其通行速度波动范围以自由流情况的车速分布进行标定，最大不应该超过限速。
[0025]
步骤a2：在仿真器中设置合流匝道，设置方法如下：
[0026]
(1)确定合流匝道的车道数i和主线车道数j，分别按照cad底图绘制基本路段；
[0027]
(2)在主线绘制i+j个车道，长度为l的路段，这与现实情况中的加速路段长度相关，采用路段连接器将匝道与对应的右侧道路相连接，主线车道与对应的左侧道路相连接。
[0028]
(3)绘制加速车道结束后的主线j车道的基础路段，并采用路段连接器将主线道路
与主线道路对应连接，同时值得注意的是，这里将加速车道分别与主线车道的靠右侧道路连接。
[0029]
步骤a3：在仿真器中设置分流匝道，设置方法如下：
[0030]
(1)确定分流匝道的车道数i和主线车道数j，分别按照cad底图绘制基本路段；
[0031]
(2)在主线绘制i+j个车道，长度为l的路段，这与现实情况中的减速车道路段长度相关，将主线道路与主线道路相连接，同时采用连接路段将主线道路的右侧与相应的减速车道连接。
[0032]
(3)在减速车道的末端，将减速车道分别于分流匝道相连接，主线车道与主线车道连接。
[0033]
步骤b：根据采集器所采集的高速公路的车辆实时输入情况，确定高速公路路网的车流量和车辆流向比例的输入。其中，高速公路所有合流区的车辆实时输入情况，同时考虑货车和私家车的小时交通流，作为vissim中的两种车型的车辆总输入，在vissim中的路径决策模块中，高速公路所有分流区的车辆分流情况，确立车辆流向比例。
[0034]
在本发明的一优选实施例中，上述步骤b包括以下步骤b1-b2：
[0035]
步骤b1：根据检测器单独提供的两种车型的流量比例，输入私家车和货车的小时交通流。
[0036]
步骤b2：获取未分流时某时间间隔下的车辆总数n，分流匝道和下游主线上的车辆总数n1和n2，这一时刻的分流路径方向的比例为n1/n，主线路段流量比例为n2/n。
[0037]
步骤c：利用vissim中的断面检测器，路段检测器以及车辆检测器进行数据的评价和输出。断面检测器用于收集路段某断面的交通信息，路段检测器能够输出指定路段的相关信息，车辆检测器可以获取基于个体的轨迹数据。
[0038]
在本发明的一优选实施例中，上述步骤c包括以下步骤c1-c3：
[0039]
步骤c1：对于基本路段，根据实际需求设置特定路段的断面检测器；设置合流区的断面检测器位于合流匝道上、合流区内部、合流区上游路段以及和合流区下游路段；分流区的断面检测器位于分流区上游，分流区内部以及分流匝道和分流区下游。
[0040]
步骤c2：单独设置需要检测的路段，路段检测器的起点为红色线段，终点为绿色线段，中间则为待评价路段。
[0041]
步骤c3：开启车辆记录模块，并选择想要分析的路段，便可以获取车辆在固定时间间隔下的统计数据。
[0042]
步骤d：结合瓶颈识别技术和在线仿真器，通过给定的交通需求，识别整个高速公路的瓶颈点，并根据预测的未来交通需求评估未来瓶颈点的状态。其中，交通需求是指各道路入口的交通量输入和各互通的交通量输出。
[0043]
在本发明的一优选实施例中，上述步骤d包括以下步骤d1-d3：
[0044]
步骤d1：将各道路入口的交通量作为vissim中的车辆输入
[0045]
步骤d2：各互通的输出作为流向比例作为vissim中的路径决策
[0046]
步骤d3：将仿真时间设置为4个小时，仿真速度为1，表示与现实时间相同。
[0047]
步骤e：通过在vissim中设置匝道控制、可变限速控制以及车道管理等管控设备，缓解高速公路拥堵或者发生事故所产生的对交通流的负面影响。其中，匝道控制通过设置信号灯来完成，车道限速控制通过在指定路段设置车速限制标牌，车道管理通过对路段设
置控制方式。
[0048]
选取某一个互通为例，各车道合流输入和分流输出如图2，根据微观数据分析，该分流区域被识别为瓶颈点，结合宏观仿真视频的验证。另一方面，互通的分流区存在较大的延误和排队蔓延，大量的分流车辆从主线换道至匝道，导致了拥堵。其中值得注意的是，由于存在分流车辆从主线内侧车道换道至匝道，跨越多车道的换道行为给主线的交流造成了严重的拥堵情况。通过在线仿真可以实时动态分析瓶颈处的拥堵状态以及分析拥堵产生的原因，便于实施相应的管控措施。
[0049]
基于图1所描述的一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，本发明的第二方面还提供了一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测系统，上述系统运行上述的基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法。
[0050]
虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式是仅以示例的方式提供的。本领域技术人员在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解在实践本发明的过程中，可以采用本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

技术特征：
1.一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，其特征是包括以下步骤：步骤a：在vissim中对高速公路的基础路段和匝道路段进行绘制，使得绘制结果与实际道路情况保持一致；步骤b：根据采集器所采集的高速公路的车辆实时输入情况，确定高速公路路网的车流量和车辆流向比例的输入；其中，高速公路所有合流区的车辆实时输入情况，同时考虑货车和私家车的小时交通流，作为vissim中的两种车型的车辆总输入，在vissim中的路径决策模块中，高速公路所有分流区的车辆分流情况，确立车辆流向比例；步骤c：利用vissim中的断面检测器，路段检测器以及车辆检测器进行数据的评价和输出；所述断面检测器用于收集路段某断面的交通信息，所述路段检测器用于输出指定路段的相关信息，所述车辆检测器用于获取基于个体的轨迹数据；步骤d：结合瓶颈识别技术和在线仿真器，通过给定的交通需求，识别整个高速公路的瓶颈点，并根据预测的未来交通需求评估未来瓶颈点的状态；其中，所述交通需求是指各道路入口的交通量输入和各互通的交通量输出；步骤e：通过在vissim中设置匝道控制、可变限速控制以及车道管理等管控设备，缓解高速公路拥堵或者发生事故所产生的对交通流的负面影响；其中，匝道控制通过设置信号灯来完成，车道限速控制通过在指定路段设置车速限制标牌来完成，车道管理通过对路段设置控制方式来完成。2.根据权利要求1所述的一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，其特征在于，所述对高速公路的基础路段和匝道路段进行绘制，包括；将绘制好的基础路网cad底图导入vissim中，设置比例尺后绘制所有基础路段并对可通行车辆和速度进行限定，同时对匝道路段进行绘制。3.根据权利要求2所述的一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，其特征在于，所述步骤a，包括以下步骤：步骤a1：根据vissim中的路段绘制功能，对高速公路上的所有基础路段进行绘制，具体道路数以cad提供的道路宽度确定；同时，对道路上可通行的车辆进行限定，设置到道路属性，禁止行人、公交车以及自行车在道路上的通行，仅让私家车和货车通行；通行速度波动范围以自由流情况的车速分布进行标定，最大不应该超过限速；步骤a2：在仿真器中设置合流匝道，包括：(1)确定合流匝道的车道数i和主线车道数j，分别按照cad底图绘制基本路段；(2)在主线绘制i+j个车道，长度为l的路段，这与现实情况中的加速路段长度相关，采用路段连接器将匝道与对应的右侧道路相连接，主线车道与对应的左侧道路相连接；(3)绘制加速车道结束后的主线j车道的基础路段，并采用路段连接器将主线道路与主线道路对应连接，将加速车道分别与主线车道的靠右侧道路连接；步骤a3：在仿真器中设置分流匝道，包括：(1)确定分流匝道的车道数i和主线车道数j，分别按照cad底图绘制基本路段；(2)在主线绘制i+j个车道，长度为l的路段，这与现实情况中的减速车道路段长度相关，将主线道路与主线道路相连接，同时采用连接路段将主线道路的右侧与相应的减速车道连接；(3)在减速车道的末端，将减速车道分别于分流匝道相连接，主线车道与主线车道连
接。4.根据权利要求1所述的一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，其特征在于，所述步骤b，包括以下步骤：步骤b1：根据检测器单独提供的两种车型的流量比例，输入私家车和货车的小时交通流；步骤b2：获取未分流时某时间间隔下的车辆总数n，分流匝道和下游主线上的车辆总数n1和n2，当前时刻的分流路径方向的比例为n1/n，主线路段流量比例为n2/n。5.根据权利要求1所述的一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，其特征在于，所述步骤c，包括以下步骤：步骤c1：对于基本路段，根据实际需求设置特定路段的断面检测器；设置合流区的断面检测器位于合流匝道上、合流区内部、合流区上游路段以及和合流区下游路段；分流区的断面检测器位于分流区上游，分流区内部以及分流匝道和分流区下游；步骤c2：单独设置需要检测的路段，路段检测器的起点为红色线段，终点为绿色线段，中间则为待评价路段；步骤c3：开启车辆记录模块，选择想要分析的路段，便可以获取车辆在固定时间间隔下的统计数据。6.根据权利要求1所述的一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法，其特征在于，所述步骤d，包括以下步骤：步骤d1：将各道路入口的交通量作为vissim中的车辆输入；步骤d2：各互通的输出作为流向比例作为vissim中的路径决策；步骤d3：将仿真时间设置为4个小时，仿真速度为1，表示与现实时间相同。7.一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测系统，其特征在于，运行如权利要求1-6任一项所述的基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法。

技术总结
本申请公开了一种基于微观交通仿真的高速公路瓶颈动态预测方法及系统。其中方法包括，在Vissim中对高速公路的基础路段和匝道路段进行绘制；确定高速公路路网的车流量和车辆流向比例的输入；利用vissim中的断面检测器，路段检测器以及车辆检测器进行数据的评价和输出；结合瓶颈识别技术和在线仿真器，识别整个高速公路的瓶颈点，并根据预测的未来交通需求评估未来瓶颈点的状态；通过vissim设置匝道控制、可变限速控制以及车道管理。利用本申请的方案能够提升高速公路瓶颈预测的准确性。的方案能够提升高速公路瓶颈预测的准确性。的方案能够提升高速公路瓶颈预测的准确性。


技术研发人员：何勇海 杨祥 雷伟 杨阳 徐铖铖 李春杰 靳进钊 王庆远 焦彦利 侯建华 宋晓轩 李昌昶 张凯丽 郑启康
受保护的技术使用者：河北省交通规划设计研究院有限公司 东南大学
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/6/28