一種考慮多駕駛員類型和車道選擇偏好的高快速路網(wǎng)宏觀交通流仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高快速路交通仿真領(lǐng)域，具體涉及一種考慮多駕駛員類型和車道選擇 偏好的高快速路網(wǎng)宏觀交通流仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高快速路連續(xù)流交通運行特征分析一直是交通領(lǐng)域研究的熱點和難點。交通仿真 技術(shù)能夠復現(xiàn)交通流隨時間、空間的變化過程，可以應用于高快速路交通需求預測、工程改 善措施及管理控制措施的制定與效果評價，準確的交通仿真模型是優(yōu)化高快速路管理控制 措施、提高設施利用率和服務水平的有力工具。
[0003] 目前，交通仿真技術(shù)按照仿真對象的粒度可以分為微觀交通仿真、中觀交通仿真 和宏觀交通仿真。宏觀交通仿真是指同時模擬多個車輛的運動，是一種純粹的數(shù)值模擬。從 實際應用的角度來說，宏觀交通仿真具有參數(shù)個數(shù)少、易于標定、計算效率高、操作簡單和 成本低等優(yōu)點，因此得到了較大的發(fā)展。
[0004] 宏觀交通仿真的主要思想是將車流比擬為流體，同時引入與流體動力學方程相似 的交通動力學偏微分方程，通過求解偏微分方程即可得到交通動力學行為。在實際應用中， 通常采取將偏微分方程離散為差分方程的做法，即對時間、空間離散化，以便于計算。LWR模 型是第一個提出的宏觀交通流模型，也是最基本的宏觀交通流模型，所有后續(xù)提出的新模 型都以此為基礎。LWR模型能夠描述許多基本的交通現(xiàn)象，如擁擠、排隊蔓延和排隊消散等 現(xiàn)象。但是，在LWR模型中存在一個基本的假設，它認為交通流組成是單一的，且均勻分布 于整個斷面，這樣LWR模型就不能解釋一些混合交通流的特征。因此后續(xù)出現(xiàn)了大量針對 混合交通流建模的研究。這些研究主要可以分為兩類。第一類是建立多車道的宏觀交通流 仿真模型，即認為交通流在同一斷面的各個車道之間是不均勻分布的，并在模型中考慮各 個車道之間的換道行為；第二類是建立多車種（例如小汽車、卡車等）的宏觀交通流仿真模 型，即認為交通流是由多種類型的車輛組成，同一車種的車輛在速度上不存在差異，但其速 度會受到其它車種的干擾。這些工作極大推動了宏觀交通流仿真研究的發(fā)展，但當前研究 所建立的模型仍然不能夠全面的解釋高快速路交通流的實際特征，這些問題如下：
[0005] (1)當前對于多車種宏觀交通流仿真模型的研究，大多是以車身長度和車輛動力 性能來區(qū)分車種，例如劃分為小汽車和貨車。但是，在實際交通流中卻存在著這樣一種情 況：車輛即便在外觀和動力性能上不存在顯著差異，卻仍然可能在自由流速度上有著較大 差別。以上海為例，相關(guān)研究表明，上海市快速路所運行的小汽車比例超過了 95%。但是 在這樣的車種組成條件下，對自由流速度聚類的結(jié)果卻顯示（如圖1所示），上海市快速路 明顯的存在兩類駕駛員：第一類為保守型駕駛員，自由流速度在75km/h左右，所占比例約 為56% ;第二類為激進型駕駛員，自由流速度在90km/h左右，所占比例約為44%。這說明 駕駛員的行駛速度不僅僅取決于車輛的動力性能，也可能會受到自身駕駛水平和駕駛偏好 的影響；
[0006] (2)對于多車道宏觀交通流仿真模型的研究，一個重要的方面是對車輛換道行為 的考慮。當前研究大多假設車輛換道的主要動機是為了追求更快的速度。而同樣根據(jù)上海 市快速路的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在上海市快速路存在著一類保守型的駕駛員，這類駕駛員不僅 有著自由流速度較低的特點，而且具有傾向于向內(nèi)側(cè)車道行駛的偏好。這說明在交通流中 車輛換道并不僅僅只是為了追求更快的速度，也可能是由于駕駛員自身的車道選擇偏好所 導致。
[0007] 交通仿真模型本質(zhì)上是對實際交通流運行規(guī)律與機理的闡釋，因此需要建立更準 確的能夠描述產(chǎn)生上述現(xiàn)象的交通動力學模型及其模擬方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于針對當前宏觀交通仿真模型中未能充分考慮駕駛員差異與換 道動機的問題，提供一種考慮多駕駛員類型和車道選擇偏好的高快速路網(wǎng)宏觀交通流仿真 方法。
[0009] 本發(fā)明具有以下三個特點：一、根據(jù)期望速度的大小將交通流中的駕駛員（車輛） 劃分為多種類型；二、通過引入車道偏好這一參數(shù)來反映各類駕駛員在車道選擇行為上的 傾向性；三、基于效用理論，通過構(gòu)建包含車道偏好、速度偏好和換道成本三方面效用來源 的離散選擇模型來實現(xiàn)對車輛換道行為的模擬。
[0010] 為達到以上目標，本發(fā)明提出的考慮多駕駛員類型和車道選擇偏好的高快速路網(wǎng) 宏觀交通流仿真方法，基于傳統(tǒng)的多車道宏觀交通流仿真模型，在模型中引入了具有不同 期望速度的多類駕駛員，并利用效用理論模擬車輛的換道行為，具體步驟如下：
[0011] 1時空離散化
[0012] 將仿真路網(wǎng)按照行車方向在空間離散化為N個區(qū)段，標號分別為1，2, "·，?，"·，Ν， 第i個區(qū)段的長度為L1，在每個區(qū)段內(nèi)，車道數(shù)保持不變；針對每個區(qū)段，進一步將該區(qū)段 依照車道數(shù)劃分為M個仿真元胞（M為該區(qū)段的車道數(shù)），標號分別為1，2,…，1，-·，Μ，元胞 (車道）編號按照沿行車方向從左至右的順序依次增加，空間離散化示意圖見圖2 ;仿真步 長時間設為T，j代表第j個仿真步長，仿真總步長設為Β，則仿真總時長為B · T ;
[0013] 2對駕駛員進行分類
[0014] 用r表示駕駛員類型，r = 1，2,……，P，P為駕駛員類型總數(shù)量；對于交通流中存 在的多類駕駛員，他們之間的唯一區(qū)別是期望速度不同，用vf(r)表示第r類駕駛員的期望 速度，并假定vf(l) <vf (2)〈……<vf(P);
[0015] 3初始狀態(tài)輸入
[0016] 令仿真步長j = 0,即仿真起始時刻，輸入所有元胞的初始狀態(tài)變量和 Θ,;(γ)，％和0j(r)分別表示在j · T時刻，第i個區(qū)段第1個元胞的密度、第i個區(qū)段第1 個元胞第r類駕駛員-車輛單元占所在元胞車輛總數(shù)目的比例；
[0017] 4計算元胞在當前仿真步長內(nèi)的流量
[0018] 根據(jù)j · T時刻第i個區(qū)段所有元胞的密度及各類駕駛員-車輛單元所占車輛 總數(shù)目的比例和第（i+1)個區(qū)段所有元胞的密度及各類駕駛員-車輛單元所占車輛數(shù)目 的比例，利用包含車道偏好、速度偏好和換道成本三方面效用來源的離散選擇模型計算在 [j ·Τ，（j+Ι) ·Τ]時間內(nèi)第i個區(qū)段第1個元胞內(nèi)各類駕駛員選擇下游區(qū)段各車道的比例， 從而計算在[j · T，（j+1) · T]時間內(nèi)第i個區(qū)段第1個元胞第r類駕駛員-車輛單元，流 向第（i+1)個區(qū)段第1個元胞的流量#(/)、流向第（i+1)個區(qū)段第（1-1)個元胞的換道流 量Φ"(〃)和流向第（i+1)個區(qū)段第（1+1)個元胞的換道流量的〃具體計算步驟如 下：
[0019] 4. 1確定駕駛員的車道選擇機制
[0020] 在[j · Τ，（j+Ι) · Τ]時間內(nèi)，第i個區(qū)段第1個元胞第r類駕駛員對于下游第 (i+1)個區(qū)段車道的選擇取決于三個參數(shù)：內(nèi)側(cè)換道比例π,直行比例π;40-)和外側(cè) 換道比例__女)、π^0-)和:竹 區(qū)段第1個元胞第r類駕駛員選擇第（i+1)個區(qū)段第（1-1)個元胞（內(nèi)側(cè)換道）、第1個 元胞（不換道）和第（1+1)個元胞（外側(cè)換道）的比例?；谛в美碚摚瑯?gòu)建包含車道偏 好、速度偏好和換道成本三方面效用來源的離散選擇模型確定當前時刻各類駕駛員選擇下 游各車道的比例。
[0021] 4. I. 1確定元胞內(nèi)各類駕駛員選擇下游各車道的效用
[0022] 駕駛員選擇下游車道的效用來源于三個方面：(a)車道偏好：各類駕駛員對于不 同車道的偏好程度不同；(b)速度偏好：駕駛員傾向于選擇速度更高的車道從而縮短行程 時間；（c)換道成本：駕駛員變換車道所需付出的代價，可認為當目標車道密度越高時，車 輛越難以實施換道。在j ·Τ時刻，第i個區(qū)段第1個元胞第r類駕駛員選擇下游第（i+1) 個區(qū)段第（1-1)條車道的效用巧^的、選擇第1條車道的效用和選擇第（1+1)條車 道的效用巧./+1 W分別根據(jù)式（1)-(3)進行計算：
[0027] yi (r):表示第r類駕駛員對于車道1的偏好程度，取值范圍為[0, 1]，可根據(jù)所仿 真路網(wǎng)的車道利用率模式并結(jié)合實踐經(jīng)驗進行確定；
[0028] Ii1,^表示在j ·Τ時刻，第（i+1)個區(qū)段第1個元胞的