考虑环境效益的多种交通管控措施联合优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种考虑环境效益的多种交通管控措施联合优化方法及系统。系统中所有车辆均接入网络，车与车，车与路，车与交通控制系统，可以实现数据和信息的传递。系统包括控制范围划定与预期效果设定模块，数据采集模块，仿真数据预处理模块，宏观交通流仿真模块，交通控制效果评价模块，控制方案优化模块，控制方案发布与实施模块。系统利用车联网技术所提供的海量数据信息，在仿真平台上对宏观交通流进行模拟，通过对多种交通管控措施的联合优化，在兼顾路网运行效率的同时，减少路网机动车尾气排放，达到提高空气质量的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于交通环境工程
，具体涉及一种考虑环境效益的多种交通管控措施联合优化方法及系统。
技术介绍
随着我国经济的快速发展及人们生活水平的不断提高，购车需求稳步增长，机动车保有量逐年上升。据公安部交通管理局统计，截至2015年底，全国机动车保有量达2.79亿辆，其中汽车1.72亿辆，新注册量和年增量均达历史最高水平。机动车保有量的增加，在方便人们出行的同时，也会引发交通拥堵、环境污染等一系列问题。2015年全国环境监测会上，环保局副局长提及9个城市的大气污染源解析结果，已确定北京、杭州、广州、深圳四个城市的首要大气污染来源是机动车。因此，如何通过科学的交通管理和合理的控制措施减少交通排放，改善空气质量，已成为亟待解决的问题。交通管控措施主要有：路段和转向禁行、信号配时、道路收费等。在前人的研究和实际应用中，上述手段主要用来提高路网运行效率。然而随着环境问题的日益凸显，有必要将其应用到考虑环境效益的交通控制中。尽管在交通排放控制问题上，国内外学者做出过许多卓有成效的研究，但对于交通效率与环境效益的相互平衡，以及管控措施的联合优化却鲜有提及，也没有充分利用到日益兴起的车联网技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种考虑环境效益的多种交通管控措施联合优化方法，利用车联网技术所提供的海量数据信息，通过对多种交通管控措施的联合优化，在兼顾路网运行效率的同时，减少路网机动车尾气排放，改善空气质量。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑环境效益的多种交通管控措施联合优化方法，该方法包括以下步骤：(1)交通管理者确定控制区域的范围、交通评价指标和预期控制效果。所述交通评价指标能反映路网整体运行情况，并兼顾路网运行效率和环境效益。(2)获得控制区域内道路、车辆、环境、交通管控方案信息。(3)宏观交通流仿真输入数据预处理。(3.1)对步骤(1)中划定的控制区域，统计其中的路段总数和节点总数，并给每个路段和节点按顺序编号。(3.2)确定每种交通方式下需要控制的车辆类型，根据步骤(2)中所获得的车流量信息，反推控制区域内的交通需求，交通需求以人数为基本单位。交通需求以OD阵的形式表示，用二维数组Q描述，对数组中每个元素Q[i][j]，标号i代表起点，标号j代表终点，Q[i][j]的值代表i到j之间单位时间内的交通需求。(3.3)根据步骤(2)中获得的道路信息和车流量信息，推导控制区域内每条路段在不同交通方式下的通行能力C。(3.4)根据道路信息，获得路段的自由流速度v。根据自由流速度v和步骤(2)中获得的路段长度L估算每条路段在不同交通方式下的自由流时间t0＝L/v。(3.5)根据路段通行能力C和自由流时间t0设计路段在不同交通方式k下的时间路阻t。其中t是交通方式k在路段a上的车流量x的函数，函数满足以下条件：单调递增且连续可微；在流量极小时，路阻接近零流阻抗；允许过饱和流量的存在。(3.6)确定待优化的交通管控措施及其实施的具体路段或交叉口，记录当前的控制方案。其中交通管控措施包括但不限于路段和转向禁行、信号配时、道路收费、路段渠化、潮汐车道、通行优先权设置。(3.7)确定待优化交通管控措施对时间路阻函数的影响，并将其以控制(变量的形式添加到时间路阻函数的数学表达中，得到广义路阻函数c。(3.8)根据步骤(2)中所测得的空气中污染物浓度信息，确定要控制的污染物类型。污染物的评估指标可以是污染物对人体健康的危害程度或对空气能见度的影响程度。(3.9)对步骤(3.8)中需要进行控制的污染物，根据步骤(2)中获得的每辆车单位时间内该污染物的平均排放量，估算出不同交通方式下该污染物在控制区域范围内的平均排放因子。(4)宏观交通流仿真(4.1)将步骤(2)和步骤(3)获得的数据输入到宏观交通流仿真模块中，进行仿真。其中宏观交通流仿真模块，需要具有以下功能：①自定义仿真时长。②自定义交通需求，包括固定需求和弹性需求。③自定义路阻函数。④自定义多种不同
车型，并能模拟交通方式分担。⑤自定义交通管控方案。⑥按随机用户平衡分配原则模拟路网上车辆的路径选择行为。⑦在仿真结束后能生成报表，输出路网运行信息。所述信息包括但不限于，路网总交通需求，选择每种交通方式的人数，路网中每条路段上不同类型车辆的流量，路网总旅行时间，路网中不同类型污染物的排放量。(4.2)所述的宏观交通流仿真模块可以是经过二次开发后能满足(4.1)所述仿真需求的商业交通仿真软件，如Vissim、Aimsun、TransModeler等，也可以是自主建立的交通流仿真模型如元胞传输模型，或用数学规划形式表示的数学模型。不同的是商业交通仿真软件可以在输入数据后直接使用，而自主建立的模型需要使用编程语言转换成可执行的程序后再输入数据进行交通流仿真。所述的编程语言包括但不限于MATLAB，C，C++，JAVA。(4.3)宏观交通流的仿真按如下步骤进行：(4.3.1)设置计算次数，n＝1。(4.3.2)根据输入的OD阵，按交通方式分担模型确定每种交通方式下的交通需求。此处所做的假设是出行者从始点到终点一直使用同一种交通方式，中途没有交通方式的转换。所述的交通方式分担模型采用以个人为单位的非集计模型，包括但不限于Logit模型，Probit模型。(4.3.3)对每一种具体的交通方式k，根据其平均载客量m，将交通需求人数矩阵Qk转换为交通需求车辆数矩阵qk。转换方式为qk＝Qk/m。(4.3.4)对每一种具体的交通方式k和交通需求qk，按随机用户平衡模型进行交通分配，得到路段流量矩阵xk,n。分配的原则是：广义路阻是决定路径选择的唯一因素；广义路阻受交通流量和交通管控措施的影响；不同交通方式之间互不影响。所述随机用户平衡模型能模拟出行者对路阻估计的不确定性，包括但不限于多元Logit模型，多元Probit模型，Burrell模型。(4.3.5)判断计算次数n是否大于3，如果n>3，执行步骤(4.3.6)；否则将n加1，按照广义路阻函数的计算公式，将步骤(4.3.4)中的路段流量矩阵带入，更新广义路阻，执行步骤(4.3.2)，开始新一次的流量分配。(4.3.6)进入此步骤说明计算次数已经符合判断路网平衡的要求。对每一种具体的交通方式k，按公式计算其第n,n‐1,n‐2次流量分配结
果的平均值并与第n‐1,n‐2,n‐3次流量分配结果的平均值比较。如果二者的差值超出预设的精度范围，说明路网没有达到平衡，需要将n加1，按照广义路阻函数的计算公式，将步骤(4.3.4)中的路段流量矩阵带入，更新广义路阻，执行步骤(4.3.2)，开始新一次的流量分配。如果二者的差值在预设的精度范围内，则判定路网已经达到平衡，结束计算。(4.3.7)输出每一种交通方式k的流量矩阵xk,n，路网总旅行时间，路网中不同类型污染物的排放量。(5)交通控制效果评价将宏观交通流仿真的结果与步骤(1)中交通管理者的预期控制效果进行比较。比较的指标至少有两项，一项反映路网整体运行效率，一项反映路网整体环境效益。如果比较结果没有达到预期目标则执行步骤(6)；如果达到则执行步骤(7)。(6)交通管控方案优化(6.1)所述的控制方案中，至少包含两种交通管控措本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑环境效益的多种交通管控措施联合优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)交通管理者确定控制区域的范围、交通评价指标和预期控制效果。所述交通评价指标能反映路网整体运行情况，并兼顾路网运行效率和环境效益。(2)获得控制区域内道路、车辆、环境、交通管控方案信息。(3)宏观交通流仿真输入数据预处理。(3.1)对步骤(1)中划定的控制区域，统计其中的路段总数和节点总数，并给每个路段和节点按顺序编号。(3.2)确定每种交通方式下需要控制的车辆类型，根据步骤(2)中所获得的车流量信息，反推控制区域内的交通需求，交通需求以人数为基本单位。(3.3)根据步骤(2)中获得的道路信息和车流量信息，推导控制区域内每条路段在不同交通方式下的通行能力C。(3.4)根据道路信息，获得路段的自由流速度v。根据自由流速度v和步骤(2)中获得的路段长度L估算每条路段在不同交通方式下的自由流时间t0＝L/v。(3.5)根据路段通行能力C和自由流时间t0设计路段在不同交通方式k下的时间路阻t。其中t是交通方式k在路段a上的车流量x的函数，函数满足以下条件：单调递增且连续可微；在流量极小时，路阻接近零流阻抗；允许过饱和流量的存在。(3.6)确定待优化的交通管控措施及其实施的具体路段或交叉口，记录当前的控制方案。(3.7)确定待优化交通管控措施对时间路阻函数的影响，并将其以控制变量的形式添加到时间路阻函数的数学表达中，得到广义路阻函数c。(3.8)根据步骤(2)中所测得的空气中污染物浓度信息，确定要控制的污染物类型。(3.9)对步骤(3.8)中需要进行控制的污染物，根据步骤(2)中获得的每辆车单位时间内该污染物的平均排放量，估算出不同交通方式下该污染物在控制区域范围内的平均排放因子。(4)宏观交通流仿真，具体包括以下子步骤：(4.1)设置计算次数，n＝1。(4.2)根据输入的OD阵，按交通方式分担模型确定每种交通方式下的交通需求。此处所做的假设是出行者从始点到终点一直使用同一种交通方式，中途没有交通方式的转换。所述的交通方式分担模型采用以个人为单位的非集计模型。(4.3)对每一种具体的交通方式k，根据其平均载客量m，将交通需求人数矩阵Qk转换为交通需求车辆数矩阵qk。转换方式为qk＝Qk/m。(4.4)对每一种具体的交通方式k和交通需求qk，按随机用户平衡模型进行交通分配，得到路段流量矩阵xk,n。分配的原则是：广义路阻是决定路径选择的唯一因素；广义路阻受交通流量和交通管控措施的影响；不同交通方式之间互不影响。(4.5)判断计算次数n是否大于3，如果n>3，执行步骤(4.6)；否则将n加1，按照广义路阻函数的计算公式，将步骤(4.4)中的路段流量矩阵带入，更新广义路阻，执行步骤(4.2)，开始新一次的流量分配。(4.6)对每一种具体的交通方式k，按公式计算其第n,n‐1,n‐2次流量分配结果的平均值并与第n‐1,n‐2,n‐3次流量分配结果的平均值比较。如果二者的差值超出预设的精度范围，说明路网没有达到平衡，需要将n加1，按照广义路阻函数的计算公式，将步骤(4.4)中的路段流量矩阵带入，更新广义路阻，执行步骤(4.2)，开始新一次的流量分配。如果二者的差值在预设的精度范围内，则判定路网已经达到平衡，结束计算。(4.7)输出每一种交通方式k的流量矩阵xk,n，路网总旅行时间，路网中不同类型污染物的排放量。(5)交通控制效果评价将宏观交通流仿真的结果与步骤(1)中交通管理者的预期控制效果进行比较。比较的指标至少有两项，一项反映路网整体运行效率，一项反映路网整体环境效益。如果比较结果没有达到预期目标则执行步骤(6)；如果达到则执行步骤(7)。(6)交通管控方案优化(6.1)所述的控制方案中，至少包含两种交通管控措施。对每一种交通管控措施，使用一组控制变量表达，以控制变量具体数值的变化反映交通管控方案的变化。(6.2)使用一个一维数组存储所有的控制变量，作为一个交通管控方案，采用优化算法对交通管控方案进行优化获得新的交通管控方案。(6.3)将新的交通管控方案带入广义路阻函数，更新路阻，执行步骤(4)，进行新一次的宏观交通流仿真。(7)通过车载终端发布新的交通管控方案，使出行者提前对出行方式和路径做出规划。...

【技术特征摘要】
1.一种考虑环境效益的多种交通管控措施联合优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)交通管理者确定控制区域的范围、交通评价指标和预期控制效果。所述交通评价指标能反映路网整体运行情况，并兼顾路网运行效率和环境效益。(2)获得控制区域内道路、车辆、环境、交通管控方案信息。(3)宏观交通流仿真输入数据预处理。(3.1)对步骤(1)中划定的控制区域，统计其中的路段总数和节点总数，并给每个路段和节点按顺序编号。(3.2)确定每种交通方式下需要控制的车辆类型，根据步骤(2)中所获得的车流量信息，反推控制区域内的交通需求，交通需求以人数为基本单位。(3.3)根据步骤(2)中获得的道路信息和车流量信息，推导控制区域内每条路段在不同交通方式下的通行能力C。(3.4)根据道路信息，获得路段的自由流速度v。根据自由流速度v和步骤(2)中获得的路段长度L估算每条路段在不同交通方式下的自由流时间t0＝L/v。(3.5)根据路段通行能力C和自由流时间t0设计路段在不同交通方式k下的时间路阻t。其中t是交通方式k在路段a上的车流量x的函数，函数满足以下条件：单调递增且连续可微；在流量极小时，路阻接近零流阻抗；允许过饱和流量的存在。(3.6)确定待优化的交通管控措施及其实施的具体路段或交叉口，记录当前的控制方案。(3.7)确定待优化交通管控措施对时间路阻函数的影响，并将其以控制变量的形式添加到时间路阻函数的数学表达中，得到广义路阻函数c。(3.8)根据步骤(2)中所测得的空气中污染物浓度信息，确定要控制的污染物类型。(3.9)对步骤(3.8)中需要进行控制的污染物，根据步骤(2)中获得的每辆车单位时间内该污染物的平均排放量，估算出不同交通方式下该污染物在控制区域范围内的平均排放因子。(4)宏观交通流仿真，具体包括以下子步骤：(4.1)设置计算次数，n＝1。(4.2)根据输入的OD阵，按交通方式分担模型确定每种交通方式下的交通需求。此处所做的假设是出行者从始点到终点一直使用同一种交通方式，中途没有交通方式的转换。所述的交通方式分担模型采用以个人为单位的非集计模型。(4.3)对每一种具体的交通方式k，根据其平均载客量m，将交通需求人数矩阵Qk转换为交通需求车辆数矩阵qk。转换方式为qk＝Qk/m。(4.4)对每一种具体的交通方式k和交通需求qk，按随机用户平衡模型进行交通分配，得到路段流量矩阵xk,n。分配的原则是：广义路阻是决定路径选择的唯一因素；广义路阻受交通流量和交通管控措施的影响；不同交通方式之间互不影响。(4.5)判断计算次数n是否大于3，如果n>3，执行步骤(4.6)；否则将n加1，按照广义路阻函数的计算公式，将步骤(4.4)中的路段流量矩阵带入，更新广义路阻，执行步骤(4.2)，开始新一次的流量分配。(4.6)对每一种具体的交通方式k，按公式计算其第n,n‐1,n‐2次流量分配结果的平均值并与第n‐1,n‐2,n‐3次流量分配结果的平均值比较。如果二者的差值超出预设的精度范围，说明路网没有达到平衡，需要将n加1，按照广义路阻函数的计算公式，将步骤(4.4)中的路段流量矩阵带入，更新广义路阻，执行步骤(4.2)，开始新一次的流量分配。如果二者的差值在预设的精度范围内，则判定路网已经达到平衡，结束计算。(4.7)输出每一种交通方式k的流量矩阵xk,n，路网总旅行时间，路网中不同类型污染物的排放量。(5)交通控制效果评价将宏观交通流仿真的结果与步骤(1)中交通管理者的预期控制效果进行比较。比较的指标至少有两项，一项反映路网整体运行效率，一项反映路网整体环境效益。如果比较结果没有达到预期目标则执行步骤(6)；如果达到则执行步骤(7)。(6)交通管控方案优化(6.1)所述的控制方案中，至少包含两种交通管控措施。对每一种交通管控措施，使用一组控制变量表达，以控制变量具体数值的变化反映交...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，王慧，宋春跃，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33