公交-合乘车道优化设计的多目标双层规划模型

为提高公交专用道利用率,构建了公交-合乘车道(bus-HOV lanes)优化设计的多目标双层规划模型。该模型上层最小化交通总阻抗、公交运营成本和车辆排放;下层考虑非合乘车、合乘车和公交车实现多方式交通网络用户均衡;由快速非支配排序遗传算法求解,其下层由相继平均法和连续权重平均法求解;并使用Nguyen-Dupuis网络验证模型及其求解算法。结果表明:所给算法能有效获得公交-合乘车道设置方案的Pareto最优解集;合理的公交-合乘车道设置方案能有效促进合乘出行;相比不设置公交-合乘车道,全部和部分合乘车进入公交-合乘车道分别使交通总阻抗降低-0.007%~1.088%和0.038%~4.493%,使公交运营成本上升1.057%~3.864%和4.011%~5.611%,使车辆排放减少-7.598%~-1.111%和-0.677%~3.526%;当起讫点(OD)对客流量不低于其临界值,设置公交-合乘车道有利于增加公交车客流量。

基于机动车比功率的单点信号配时优化模型

为减少车辆延误和交通排放,基于机动车比功率提出信号交叉口红、绿灯期间污染物排放因子的标定方法.根据运筹学和交通流理论,以车辆延误和排放最小为目标建立单点交叉口信号配时优化模型.考虑小汽车尾气中的CO、HC和NOx三种污染物,利用VISSIM软件设计交通仿真实验,使用MATLAB软件编制参数标定和模型求解算法,根据车辆行驶状况数据标定每条车道组每种污染物的两类排放因子,并验证双目标信号配时优化模型.结果表明,与仅降低延误相比,双目标优化模型所获最优信号配时方案能使车均延误降低19%、交通排放减少11%.研究成果能有效减少交叉口延误和排放,为建立考虑交通排放的干道信号配时优化模型奠定理论基础.

协调信号交叉口间路段上的车辆排队模型

为了描述路段上车流受上、下游信号交叉口影响而产生的集结与消散现象,通过分析协调信号交叉口间路段上的车辆排队演化过程,基于冲击波理论建立了车辆排队模型。为了验证模型的有效性,应用VISSIM交通仿真软件设计模拟方案,采集每辆车在上、下游检测器处的速度及其到达时刻,根据模型计算得到55个周期的排队消散长度和二次排队长度。结果显示,排队消散长度和二次排队长度计算值与模拟值的相对误差小于10%的周期分别占72.73%和85.45%。该模型可以用于估计协调信号交叉口间路段上的车辆排队长度,为交通控制方案的优化或调整提供理论依据。

基于二流理论的拥挤交通流当量排队长度模型

为描述拥挤交通流中的排队现象,根据二流理论,提出了将交通流实际运行状态转化为二流运行状态的思想.利用流量守恒方程,建立了单车道路段当量排队长度模型,并在此基础上,推导出多车道路段平均当量排队长度模型.为验证模型的有效性,采用VISSIM软件设计了拥挤交通流的模拟方案.对比模型计算的当量排队长度与软件统计的实际排队长度发现:当量排队长度均大于实际排队长度;当量排队长度比较稳定,而实际排队长度有所波动.结果表明,当量排队长度模型能够定量地、更好地描述拥挤路段的交通流拥挤程度.该模型计算方法简单,便于工程实践,可以为城市交通控制系统优化等提供理论依据.

考虑合乘的共享自动驾驶汽车选择行为实证分析

共享自动驾驶汽车(Shared Autonomous Vehicles,SAV)是自动驾驶汽车和共享经济相结合的产物,为人们提供了一种新型的出行方式.为探究出行者在考虑合乘的SAV与私家车或公共交通之间的选择偏好,实施了SAV选择意愿调查,并分析了考虑合乘的SAV的潜在用户特征.基于问卷调查所得有效数据,采用K-Means聚类法划分了历史出行模式,利用因子分析对性格态度特征进行了分类.分别对有无私家车人群建立解释变量的参数服从不同分布的混合Logit模型,并对参数标定结果进行对比分析.研究结果表明,出行方式特性非常显著地影响出行者方式选择行为,性格态度特征是影响出行者选择考虑合乘的SAV出行方式的显著因素,且其显著性明显高于性别、年龄等社会经济属性.

机动车车头时距分布的韦布尔修正模型

为了更好地描述机动车到达规律,基于韦布尔分布函数建立了描述机动车车头时距分布的韦布尔修正模型。利用长春市典型路段的调查数据对比分析了韦布尔模型、负指数模型、移位负指数模型与韦布尔修正模型对车头时距分布的拟合效果,进一步分析了韦布尔模型与韦布尔修正模型中的拟合参数。结果表明:韦布尔模型与韦布尔修正模型的拟合结果明显优于负指数模型与移位负指数模型;韦布尔修正模型比韦布尔模型更具有普适性,其拟合结果更优。研究成果可以为认识机动车到达规律提供理论工具与方法,为城市交通信号方案设计与优化奠定理论基础。

基于运动学方程的停车波模型

为描述连续交通流中的停车波现象,分析了停车波传播的运动学特性,基于运动学方程建立了停车波模型。研究表明,该模型与基本交通波模型推导的停车波模型一致。为验证该模型,设计了数据采集方案及参数标定方法。利用长春市的调查数据标定了模型,得到停车波波速理论值与实测值之间的相对误差为3.85%。结果表明,基于运动学方程的停车波模型可以描述连续交通流中的停车波现象,参数标定方法简单可行。

交叉口可变导向车道控制优化模型

为了均衡交通流向分布且保证控制方案平稳过渡,提出具有可变导向车道的交叉口时空资源优化模型以及可变导向车道标志与信号灯组协调控制方法。为验证本文模型与方法的有效性,借助数学软件MATLAB、交通仿真软件VISSIM及其信号控制逻辑工具VisVAP,使用一个算例对比分析可变导向车道控制方案与固定导向车道控制方案。结果表明:与固定导向车道控制方案相比,可变导向车道控制方案使具有可变导向车道的进口道及交叉口的车均延误分别降低3%~50%和7%~15%,说明可变导向车道控制优化模型能适应交叉口交通需求的潮汐特性,可变导向车道标志与信号灯组协调控制方法能保证交通流安全、平稳运行。

降低交通排放的干线协调信号控制优化方法

为降低干线道路系统的交通排放量,基于机动车比功率改进红绿灯期间排放因子的标定方法,进而以相位有效绿灯时间为决策变量,构建使机动车排放总量最小化的干线交叉口群时空资源优化模型.分析相邻交叉口间车队延误与相位差的关系,改进以车队延误最小为目标的相位差优化模型.为验证模型,设计一个案例,根据传统方法获得参考配时方案,借助Vissim软件标定红绿灯期间的排放因子,并使用所提方法获得优化配时方案.结果显示,每种污染物绿灯期间的排放因子均明显髙于红灯期间;与参考配时方案相比,优化配时方案下各交叉口车辆延误和排放量均减少8-11% .所提模型能同时降低干线交叉口群的车辆延误和交通排放量,可用于优化干线协调信号控制方案,进而缓解交通拥堵.

居民出行分布的熵模型及其参数标定

为寻求一种描述各种出行分布情况的普适性模型,运用最大信息熵原理,结合数理统计方法,建立了以原点矩均值为约束条件的新模型体系。为确定模型参数,提出了熵模型的参数标定方法,利用长春市居民出行调查数据对参数标定方法进行了验证。数据验证结果显示,对于步行、自行车、公交车和小汽车四种出行方式,最高阶原点矩的阶数分别取3、4、5时,所有模型均通过置信度为95%的2χ检验。通过χ2值和分布曲线的比较发现,不同出行方式取得最好效果的最高阶原点矩的阶数并不一致,这种差异取决于出行方式的内在特性。居民出行分布的信息熵模型可以定量描述任意出行方式的分布规律,所提出的参数标定方法简单有效。

信号控制交叉口车均延误模型适用性分析

构建一种基于一定交通需求和信号控制的实验环境,对比分析了4种经典的信号控制交叉口车均延误模型的适用性。首先,从模型结构和变量个数两个角度比较了4种车均延误模型在使用过程中的难易程度。然后,针对微观交通仿真软件VISSIM,研究了检测区段和分析期对延误测算值的影响。最后,通过对交叉口饱和度与周期时长进行交叉分类设计了多种实验方案,进而对比分析了4种车均延误模型与仿真模型的吻合程度。结果显示,Webster模型简单易用,倾向于低估延误,其适用性最差;ARRB模型较为复杂,其适用性最好;HCM1985模型同样简单易用,其适用性一般;HCM2000模型适用范围广但过于复杂,其适用性一般。总体来讲,对于单点信号控制交叉口,ARRB车均延误模型在估计车辆延误方面有最好的性能表现。本文研究成果能为选用车均延误模型提供理论依据与参考。

最大当量排队长度模型及其时空特性

为描述最大排队长度的时空特性,基于单车道路段当量排队长度模型,推导出最大当量排队长度模型.运用数理统计方法分析最大当量排队长度的交通流特性、时间特性与空间特性.使用偏微分方法求解各个影响因素对最大当量排队长度的灵敏度.结果显示:最大当量排队长度对路段长度最为敏感,其次为滞留车辆数,对到达车流量、周期时长或绿信比的敏感程度均取决于另外两个变量.研究表明在交通控制系统中应优先协调短连线以避免交通多米诺效应;考虑不同因素对最大当量排队长度的影响特性,可以为优化或调整信号控制方案提供理论依据.

相邻交叉口短车道长度与配时参数协同优化

针对相邻交叉口在共有连线上均渠化左转短车道的现况,研究其时空资源的最优配置.通过分析短车道对进口道饱和流率的影响,建立以交叉口通行能力最大化与车均延误最小化为目标函数、以短车道长度和相位有效绿灯时间为决策变量的多目标优化模型.以大连市两相邻交叉口为例,通过Matlab软件对优化模型进行编程求解,进而利用VISSIM软件对现有方案和优化方案分别进行仿真试验.结果显示,优化方案虽然使每个交叉口通行能力减小,但是也使每个交叉口车均延误、饱和度和平均排队长度减少.此外,优化方案使每个交叉口通行能力与车均延误之比增大,使单位时间内通过两个交叉口的总车辆数增加.研究成果表明,交通组织与信号控制的协同优化设计可以实现交叉口群的时空资源的最优配置.

协调控制交叉口短车道长度和配时参数协同优化

为了优化配置共有路段上均含左转短车道的相邻协调控制交叉口的时空资源,以最大化交叉口通行能力和最小化车辆总延误为目标,以左转短车道长度和相位有效绿灯时间为决策变量,建立了交叉口周期时长与绿信比组合优化模型。为验证优化模型的有效性,设计了一个案例,使用优化模型和韦伯斯特模型分别获得每个交叉口的配时方案,并使用已有方法计算了相邻交叉口协调相位的绿时差,进而使用VISSIM软件模拟了两种配时方案下的交通流运行状况。结果显示:与韦伯斯特方法相比,本文优化方法能使交叉口车均延误降低约30%,而通过车辆数略有增加。

出行分布的信息熵模型

熵最大化方法被广泛应用于交通规划,为交通需求预测模型提供了理论依据.本文使用信息论中的熵概念描述居民出行分布,并根据最大信息熵理论提出了基于原点矩典型特征量约束条件下的出行分布模型,详细阐述了模型中各个参数的实际含义,该模型是一个普适性模型,其具体形式决定于最高阶原点矩阶数的取值,此值对模型精度及参数标定难易程度有重要影响.为确定模型参数,提出了实用的参数标定方法.由于模型中原点矩的最高阶数对模型精度有较大影响,为找到两者之间的关系,利用长春市出行调查数据研究了四种出行方式分别对应于五种原点矩最高阶数的模型拟合情况.因文中所建立的模型是一系列模型,为比较其描述问题的优劣差异,按照最大信息熵原理给出了确定系统分布的熵方法,并运用该方法对前述模型进行了比较.调查数据的验证结果表明,出行分布的信息熵模型可以正确地描述出行分布规律,熵方法可以简单有效地评价不同模型对同一问题描述的优劣差异.本文提出的熵模型和熵方法对城市交通规划具有指导意义.

单车道路段上车辆排队的链式反应模型

为揭示单车道路段上车辆排队的演化规律,描述了车辆排队的形成和消散过程与核裂变的链式反应过程之间的相似性。根据核链式反应原理,建立了单车道路段上车辆排队的链式反应模型体系,包括车辆排队形成模型、车辆排队消散模型和信号交叉口车辆排队模型。利用大连市典型路段的实测交通数据对车辆排队形成和消散模型进行了验证,并运用MAT-LAB软件对不同条件下的交通流进行数值模拟,分析了阻滞信号和消散信号的传播速度对于到达流量和行驶速度的敏感度。结果显示,模型具有较高的精度,可以测算单车道路段上车辆排队的链式反应速度和范围,能够解释车辆排队形成和消散的内在规律。研究成果为解析多车道路段上车辆排队的演化规律以及路段阻塞的链式反应规律奠定了基础,可为解决城市交通拥堵问题提供理论依据,同时为研究交通排队提供新的思路和方法。

模拟量子跃迁的出行方式转移模型

为定量描述出行方式转移规律,分析了出行方式转移与量子跃迁的相似特性,根据量子能级跃迁理论建立了出行方式转移模型,通过分析长春市居民出行调查数据,推导了出行方式转移的多项式拟合公式,分别采用2～4次多项式标定了拟合系数,并且进行了相关性检验.数据验证结果表明：某种出行方式向其他方式转移时,距离差与收入差的函数关系符合常数项为0的2次或高次多项式拟合公式;2次多项式拟合任意出行方式向其他方式转移所得到的复相关系数均在0.9000以上,3次或4次多项式拟合所得到的复相关系数均为1.0000.这证明模拟量子跃迁的出行方式转移模型可以定量描述任意出行方式向其他出行方式转移的规律.

基于生成对抗网络的交通流参数实时估计模型

为有效调控道路网时空资源,需实时估计交通流参数。若要准确估计交通流参数,应详细考虑道路网交通流时空特征。本文基于生成对抗网络,提出一种能捕捉交通流时空特征的实时估计模型,即TSTGAN模型。该模型包括生成器和判别器两部分,生成器利用门控卷积神经网络捕捉交通流的动态空间特征,使用基于注意力机制的长短期记忆神经网络分析交通流的动态时间特征;采用门控卷积神经网络与长短期记忆神经网络构建判别器;通过对抗方式训练生成对抗网络的生成器与判别器,实时获得交通流参数估计值。使用中国山东省淄博市12个卡口设备和美国加州洛杉矶市23个线圈检测器获得的交通流量数据,验证TSTGAN模型的可靠性。结果表明,TSTGAN模型引入的时空模块能有效提取交通流的时空特征,所得均方根误差和平均绝对误差比现有模型分别降低2.12%~42.41%和1.66%~40.49%,证明所提TSTGAN模型可以提高交通流参数的估计精度。

基于韦布尔分布的行人过街特性模型

行人过街特性对信号配时设计具有重要影响。为说明行人穿越机动车流的过街特性,基于韦布尔分布函数描述了机动车车头时距分布,并得到行人在一次穿越一条车道、多条车道或一个方向三种穿越方式下的穿越概率、平均等待间隔数、平均等待时间和平均延误等特性。利用长春市典型路段调查数据,验证机动车车头时距分布的韦布尔模型;并对各种穿越方式的行人过街特性进行对比分析。结果表明:韦布尔函数描述的机动车车头时距分布与实测分布接近,检验效果在置信度为95%时非常显著;行人单独穿越内、外侧车道的特性差异不大,而同时穿越内、外侧车道的概率明显偏小,且平均等待间隔数和平均延误明显偏大;行人穿越人行横道时逐车道、逐方向和一次穿越的总延误依次增加。基于韦布尔分布的行人过街特性模型能够很好地解释行人过街行为,可以为城市行人交通设施设计和信号优化提供理论依据。

问题驱动和案例主导的交通规划教学研究

交通规划课程具有其特点,将问题驱动和案例主导应用于该课程教学具有一定的可行性。教师可以根据学生获取新知识的心理特点和学习规律,设计衔接核心知识点的驱动式问题;借助交通规划软件,将科研成果转化为主导式案例;通过有机融合,形成问题驱动和案例主导的交通规划课程教学方案。