[發明專利]基于排隊論的過飽和狀態下交通系統多尺度供需關系的系統建模方法

在審

• 申請號: 202110350726.8
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113204734A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 劉志遠;程啟秀;張宏剛;張奇
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/30
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 周科技

本發明公開了一種基于排隊論的過飽和狀態下交通系統多尺度供需關系的系統建模方法，通過引入動力系統方程來描述具有虛擬隊列演化過程的確定性隊列模型，并基于多項式函數近似逼近的到達率，解析地推導出了交通系統性能的各種評價指標，比如，虛擬隊列長度、平均延遲、物理隊列長度和時變路段通行時間等，討論了過飽和因子的不同取值范圍的適用性情況，通過采集多源數據對該系統模型中的關鍵參數進行了校準，驗證了該系統建模方法的有效性。本發明可以被用于聯合優化需求管理政策和基礎設施建設工作，針對不同規模的復雜且過飽和的動態排隊系統，決策者可以應用本發明系統地制定需求側和供給側的擁堵緩解策略。

技術領域

本發明涉及城市管理與控制領域，尤其是一種基于排隊論的過飽和狀態下交通系統多尺度供需關系的系統建模方法。

背景技術

在很多網絡系統中，當需求時間上或空間上超過其容量時，都會出現擁堵現象。在世界各地，由于共享方式逐步趨向于機動性和自動化，使得交通系統正在經受一個重大的變革，而很多的區域規劃組織和交通管理部門仍然面臨著巨大的挑戰，因為需要去減緩嚴重的交通擁堵以提高居民服務水平。原則上來說，有兩種方式可以增強流動性以降低擁堵情況，一是主動地管理需求；二是通過基礎設施建設來增加供給。因此，在需求管制和基礎設施建設之間實現良好的平衡，而不是孤立地采取面向地方的減少擁堵戰略，可以更好地緩解交通擁堵和提高城市流動性。

作為交通需求與供給的聯系功能之一，宏觀的流量-延遲函數已經得到了廣泛的應用，比如，BPR(即美國公路局)函數自20世紀60年代以來就被廣泛地用于城市規劃，以此來量化需求和供給之間的非線性函數形式。而且，有著多項式形式的BPR函數容易刻畫交通流和延遲(阻抗)的關系，同時，該函數計算效率高，易于標定，也在交通規劃實踐中易于實現；然而，交通規劃部門早就意識到靜態的BPR函數無法刻畫動態交通流特征以及隊列演化過程，尤其是隊列的形成、傳播和消散。此外，BPR函數也難以使用平均通行時間來描述一個高密度但低流量的過飽和瓶頸，而與靜態交通分配模型相比，動態交通分配模型的目的是通過引入排隊模型或其他類型的動態交通流模型來刻畫交通擁堵的演化過程。但是，由于時間和空間維度的離散性(比如，元胞傳輸模型和路段傳輸模型)，動態流量分配模型必須解決許多計算難題，而針對動態交通分配問題以及系統性能評估提供一個合理的時變路段通行時間函數是許多規劃應用中一個新興的研究需求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：通過引入排隊模型來刻畫動態交通流特征以及隊列的演化過程，從而彌補傳統的靜態BPR函數的不足，并提供了一種基于排隊論的過飽和狀態下交通系統多尺度供需關系的系統建模方法，能夠被用于聯合優化需求管理政策和基礎設施能力建設工作，而且決策者也可以應用本發明系統地制定需求側和供給側的擁堵緩解策略。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于排隊論的過飽和狀態下交通系統多尺度供需關系的系統建模方法，包括如下步驟：

(1)通過引入動力系統方程來描述具有虛擬隊列演化過程的確定性隊列模型；

(2)根據確定性隊列模型，并基于多項式函數近似逼近的到達率，獲取交通系統性能評價指標，包括虛擬隊列長度、時變延遲、總延遲、平均延遲、物理隊列長度和時變路段通行時間，構建交通系統性能模型；

(3)確定過飽和因子的取值范圍，根據過飽和因子不同的取值范圍確定基于多項式函數近似逼近的到達率所適用的不同飽和程度的排隊系統；

(4)采集道路上的傳感器數據，以離開率、虛擬隊列長度、時變延遲和時變達到率非負為約束，同時考慮過飽和因子的取值范圍，對步驟(2)中構建的交通系統性能模型的參數進行校準，并與實際的觀測數據進行對比。

進一步的，所述步驟(1)中，通過如下一系列的動態系統方程來描述具有虛擬隊列演化過程的確定性隊列模型：

約束條件：