2022年饱和信号交叉口排队长度预测 .pdf

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1、第38卷 第6期吉 林 大 学 学 报(工 学 版)Vol.38No.62008年11月Journalof JilinUniversity(Engineeringand TechnologyEdition)Nov.2008收稿日期:2007207230.基金项 目:“863”国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 项 目(2007AA11Z231);“十 一 五”国 家 科 技 支 撑 计 划 重 点 项 目(2006BAJ18B01).作者简介:代磊磊(19812),男,博士研究生.研究方向:道路交通安全,智能交通系统.E2mail:alei_9935 通信作者:裴玉龙(19612),男

2、,教授,博士生导师.研究方向:道路交通安全,交通规划.E2mail:饱和信号交叉口排队长度预测代磊磊1,姜桂艳2,裴玉龙1(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,哈尔滨150090;2.吉林大学交通学院,长春130022)摘 要:通过采用自适应权重指数平滑法,对进口车道的实时流量进行预测,建立了以定数排队理论为基础的排队长度预测模型。该模型可以实现对饱和信号交叉口排队长度的预测,预测结果具有较强的自适应性,更符合交通流的实际运行状况。实际数据验证结果表明:在拥挤的交通状态下,该模型的预测精度可达到85%以上,可以满足信号配时和交通管理的需要。关键词:交通运输系统工程;预测模型;定数排队理论;饱

3、和信号交叉口;交通拥挤中图分类号:U491 文献标识码:A 文章编号:167125497(2008)0621287204Predictionof queue length at saturate signalizedintersectionDA I Lei2lei1,JIAN G Gui2yan2,PEI Yu2long1(1.School ofTraf f ic Science and Engineering,Harbin I nstitutionofTechnolog y,Harbin 150090,China;2.CollegeofT rans portation,J ilinUnive

4、rsity,Changchun130022,China)Abstract:The queue lengt h predictionmodel was established on the basis of the deterministicqueuingtheory and real time trafficflowpredictionat entrance lane using the adaptive weightexponentialsmoothing method.This model is capable of predictingthe queue lengt h at the s

5、aturate signalizedintersectio n,and it s prediction result is strongly adaptive and in accord wit h the practicaltraffic flowcondition.Practical survey data proved the predictionaccuracy is above 85%under congested trafficcondition,it is enough to meet the requirement of signal timing and traffic ma

6、nagement.Key words:engineering of communicationsand transportationsystem;predictionmodel;deterministicqueuing theory;saturate signalized intersection;trafficcongestion城市主干路通行能力制约的关键点在信号交叉口,信号交叉口由于通行能力比路段低,交通需求稍微过大就会诱发交通拥挤 1。信号交叉口的排队长度与延误一样,能反映交叉口处车流运行情况,它对评价交叉口的运行状况、衡量交通拥挤的严重程度、现有信号配时方案的优劣等都有重要意义 2。

7、作者基于定数排队理论的思想,以交通检测器采集的实时流量数据为输入变量,实现交叉口排队长度的实时预测。这对于缓解各大城市面临的常发性拥挤问题,提高交叉口运行管理效率具有一定的参考价值。1车辆排队分析交通高峰时段,特别是早、晚高峰,由于交通需求的突然增加,交通状态发生很大变化,大量的车辆被阻滞在交叉口前,导致交叉口处于饱和状名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -吉 林 大 学 学 报(工 学 版)第 38 卷态,部分车辆发生二次排队。假设交叉口为固定式信号配时,周期c=120 s,有效绿灯时间g=30s,车辆到达率q=360 veh/h(即每周期到达12veh),

8、饱和流率S=1200 veh/h(即每周期释放10veh),交叉口前的车辆排队过程如图1 所示 324。图1 饱和信号交叉口前车辆排队过程Fig.1The queue form ation at saturated signalizedintersection从图 1 可以看出,在交通高峰时段,由于交通需求大于交叉口的通行能力,使得每个周期都会有车辆被阻滞在交叉口前,而且这种情况在几个信号周期内不断累加,导致排队不断向上游延伸,严重时会导致整条道路的瘫痪。2排队长度预测模型通过上面的分析可知,在交通需求急剧增长的状况下,排队长度不断累加使交通系统变得不稳定,直接对排队长度预测比较困难。由于交叉

9、口前的流量变化有一个渐变过程,而且在一段时间内比较稳定。因此,本文通过首先预测流量,然后将预测的流量带入到排队长度计算模型中获得排队长度,来实现饱和信号交叉口排队长度的实时预测,排队长度预测模型的精度最终取决于流量预测模型和排队长度计算模型两部分的累计误差。该预测模型的计算流程如图2 所示。图2饱和信号交叉口排队长度预测流程Fig.2The queue length predictionflow chart ofsaturated signalizedintersection2.1 流量预测模型信号交叉口到达流量的预测精度对排队长度的预测结果将产生直接影响,为减少交通流波动性对流量预测的影响,

10、首先采用移动平均法对历史数据进行平滑处理,计算公式为M(t)=1m(y(t)+y(t+1)+y(t-m+1)(1)式中:y(t)是第t个时段的观测值;M(t)是第t周期的一次移动平均值;m是计算移动平均值所取得的数据个数。为避免历史流量数据累积误差的影响,流量预测采用自适应权重指数平滑法,它引入一个基于预测误差的误差跟踪信号,根据误差跟踪信号的变化对 的取值不断调整,误差跟踪信号及权重的确定方法如下5:在t时段,定义两个误差信号Et=ret+(1-r)Et-1(2)At=r|et|+(1-r)At-1(3)式中:Et为平滑误差;At为平滑绝对误差;et=yt-yt-1;yt-1是t-1 时段对

11、t时段的预测值;r是加权系数,0 rCi-10,ifDi-2+qi-1Ci-1(8)式中:Qi为第i周期单车道的最大排队长度;qi为第i周期单车道车辆的平均到达率;r为有效红灯时长;Di-1为第i-1 周期单车道滞留的排队车辆数;qi-1为第i-1 周期单车道车辆的到达流量;Ci-1为第i-1 周期单车道车辆的释放流量。单独进口道最大排队长度计算公式为Qimax=max(Qi,1,Qi,2,Qi,3,Qi,n)(9)式中:Qimax为第i周期进口道车辆最大排队长度;Qi,1,Qi,n为第i周期 1 至n车道的车辆最大排队长度。2.3 模型的可靠性检验通过将 2.1 节中预测得到的流量数据带入到

12、2.2 节中的计算模型即可以得到预测的排队长度,预测模型的精度采用平均绝对误差(M A E)、平均绝对相对误差(M A RE)和最大绝对相对误差(M A X A R E)三个误差指标进行检验,具体计算公式如下MA E=1NNi=1|yi(t)-yi(t)|(10)MA R E=1NNi=1yi(t)-yi(t)yi(t)(11)MA X A R E=maxyi(t)-yi(t)y(t)(12)式中:N为观测样本值个数;yi(t)为第i周期车辆排队长度的实测值;yi(t)为第i周期车辆排队长度的预测值。3实证分析长春市自由大路2亚泰大街交叉口是长春市比较重要的一个信号交叉口,交叉口结构如图3所示

13、。根据课题组2006 年 7 月 11 日在自由大路西进口 16:0018:00 晚高峰时段采集的数据验证预测模型。数据采样间隔为190 s,与交叉口信号周期一致,是为了采集每个周期的各车道到达流量、释放流量和车辆最大排队长度,以实现进口道流量和排队长度的预测及分析 8。图3自由大路与亚泰大街交叉口结构图Fig.3The topologystructure of Ziyou Road2YataiStreet intersection采集的数据包括信号配时、阻塞密度、各车道的实时流量和排队长度实测值,其中信号配时和排队长度实测值通过现场观测得到。阻塞密度通过观测晚高峰时段连续15 个周期的红灯期

14、间50m 距离车道上的停车数,取其平均值并进行车型换算,同时转化为1 km 距离车道上的平均停车值,即为阻塞密度的观测值。调查结果见表1。表1自由大路西进口各车道的阻塞密度和相位方案Table 1The traff ic jam density and phase plan of westernentrance lanes调查参数车道1车道2车道3车道4阻塞密度/(veh?km-1)158174170156相位方案/s周期190 s红灯110 s直行绿灯60 s左转绿灯20 s各车道的实时流量通过检测站1 和 2 采集得到,流量的预测首先采用移动平均法对预测周期前几个时段的历史流量数据进行预处

15、理,再采用自适应权重指数平滑法对流量进行预测,流量预测的精度可达到92%以上。西进口到达流量和释放流量的预测值与实测值的比较结果见图4。采用本文建立的预测模型对西进口的排队长度进行预测,由于所有进口的预测方法相同,本文仅以西进口的实测数据为例进行分析,排队长度的预测值与实测值的比较结果如图5 所示。?9821?名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -吉 林 大 学 学 报(工 学 版)第 38 卷(a)到达流量(b)释放流量图4 流量实测值与预测值的比较Fig.4The analysis of predictionflow vs.f ield data图5 排队

16、长度实测值与预测值的比较Fig.5The analysis of predictionqueue length vs.f ield data分析结果表明,本文建立的预测模型对于饱和信号交叉口进口道排队长度预测的平均绝对相对误差为14.2%(即预测精度可达到85.8%),平均绝对误差为24 m(即 4 辆小客车的长度)。通过对流量进行移动平均时间平滑处理,最大绝对相对误差仅为24.6%。从中可以看出,预测模型能较好地预测拥挤交通状况下的信号交叉口排队长度,基本上可以满足交通管理者的决策需求。4结 论本文利用长春市自由大路2亚泰大街交叉口的实测数据,对饱和信号交叉口的排队长度预测模型进行了分析,证

17、明了该模型的有效性,并得出如下结论:(1)模型的预测结果随交通流量的变化而变化,具有较强的自适应性,但由于模型没有考虑车辆换道的影响,所以要求车辆排队时换道比例不大,否则预测误差会较大。(2)本文建立的排队长度预测模型的预测精度均可以达到85%以上,平均绝对误差仅为4 辆小客车长度,说明该预测模型能较好地预测拥挤交通状况下的信号交叉口排队长度,基本上可以满足信号配时和交通管理者的决策需求。(3)在初始排队不为零的情况下,该模型仍然适用,这是对已有预测模型的一个改进,但相应的要求初始排队长度数据一定要准确,否则随着排队长度的不断累加,预测误差会很大。参考文献:1 魏丽英,田春林,杨正兵.信号交叉

18、口排队分析模型比较研究J.北方交通大学学报,2003,27(5):55258.Wei Li2ying,TianChun2lin,YangZheng2bing.Acomparativeanalysis on queuing models at signalizedintersectionJ.Journalof NorthernJiao Tong Uni2versity,2003,27(5):55258.2 隽志才,魏丽英,李江.信号交叉口排队长度宏观模拟的自适应分析法J.中国公路学报,2000,13(1):77280.Juan Zhi2cai,WeiLi2ying,Li2jiang.Anadap

19、tivemacro2simulationmethodon queuinglengthatsig2nalized intersectionJ.China JournalofHighwayand Transport,2000,13(1):77280.3 全永.城市交通控制 M.北京:人民交通出版社,1989:85290.4 王殿海.交通流理论 M.北京:人民交通出版社,2002:1422144.5 陈玉祥,张汉亚.预测技术与应用 M.北京:机械工业出版社,1985:73276.6 荣建,何民,陈春妹.信号交叉口排队长度动态计算方法研究J.中国公路学报,2002,15(3):1012107.Rong

20、 Jian,He Min,Chen Chun2mei.Dynamicmod2el of calculatingqueue lengthat signalizedintersec2tionJ.China JournalofHighwayand Transport,2002,15(3):1012107.7 Fu Li-ping,HellingaBruce,Zhu Yong-liang.Anadaptivemodel forreal2time estimationof overflowqueues on congested arterials CIEEEIntelligentTransportationSystemsConferenceProceeding,2001:2192226.8 代磊磊.城市主干路交通拥挤的扩散规律及其模型研究D.长春:吉林大学交通学院,2006:24228.Dai Lei2lei.Study on the diff usion and models of ur2ban arterialroad congestionD.Changchun:CollegeofTransportation,JilinUniversity,2006:24228.?0921?名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -