交通流理论与方法---排队论.ppt
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1、交通流理论与方法-排队论6.1 概述6.2 排队论的基本概念6.3 排队过程分析6.4 交叉口延误模型6.5 道路的排队模型3服务方式 指同一时刻有多少服务台可接纳顾客,为每一顾客服务了多少时间。每次服务可以接待单个顾客,也可以成批接待,例如公共汽车一次就装载大批乘客 服务时间的分布主要有以下几种:(1)定长分布服务每一顾客的服务时间都相等。(2)负指数分布服务各顾客的服务时间相互独立,服从相同的负指数分布。(3)爱尔朗分布服务各顾客的服务时间相互独立,服从相同的爱尔朗分布。引入下列记号:令M代表泊松输入或负指数分布服务,D代表定长输入或定长服务,代表爱尔朗输入或服务。G代表任意服务时间。于是
2、,泊松输入、负指数分布服务,N个服务台的排队系统可以定成M/M/N。如果不附其说明,则这种记号一般都指先到先服务、独个顾客服务的等待制系统。6.2.3 6.2.3 排队系统的主要数量指标排队系统的主要数量指标排队系统最重要的数量指标有三个,分别为等待时间、忙期和队长。1等待时间从顾客到达时起至开始接受服务时为止的这段时间。2忙期服务台连续繁忙的时期,这关系到服务台助工作强度。3队长有排队顾客数与排队系统中顾客数之分,这是排队系统提供的服务水平的一种衡量。6.3 排队过程分析 6.3.1 M/M/16.3.1 M/M/1系统系统 M/M/1系统为服从泊松输入、负指数分布服务,单个服务台的排队系统
3、。由于M/M/1系统排队等待接受服务的通道只有单独一条,也叫“单通道服务”系统,见图6.1。图6.1 单通道服务系统示意图 设顾客平均达到率为 ,则到达的平均时距为1/。排队从单通道接受服务后通过的平均服务率为 ,则平均服务时间为1/。比率 叫做服务强度或交通强度或利用系数,可确定各种状态的性质。所谓状态,指的是排队系统的顾客数。如果 1,并且时间充分,每个状态都按一定的非零概率反复出现。1时,任何状态都是不稳定的,而排队的长度将会变得越来越长。因此,要保持稳定状态即确保单通道排队能够消散的条件是 1。(1)在系统中没有顾客的概率(6.1)(2)在系统中有M个顾客的概率 =(6.2)(3)系统
4、中的平均顾客数 (6.3)(4)系统中顾客数的方差(6.4)(5)平均排队长度 (6.5)(6)非零平均排队长度(6.6)(7)排队系统中的平均消耗时间(6.7)(8)排队中的平均等待时间(6.8)例题P117 6.3.2 M/M/N6.3.2 M/M/N系统系统 在M/M/N排队系统中,服务通道有N条,所以也叫“多通道服务”系统。设 为进人多通道服务系统顾客的平均到达率,排队行列从每个服务台接受服务后的平均输出率为 ,则每个服务的平均服务时间为1/。仍记 =/,/N则称为M/M/N系统的服务强度或交通强度或利用系数,亦可称为饱和度。和MM1相仿,当 /N1时,系统是稳定的;/N 1时,系统的
5、任何状态都是不稳定的,排队长度将趋向于无穷大。M/M/N系统根据顾客排队方式的不同,又可分为:1.单路排队多通道服务:指排成一个队等待数条通道服务的情况,排队中头一顾客可视哪个通道有空就到那里去接服务。系统中没有顾客的概率为 (6.9)系统中有k个顾客的概率为 (6.10)系统中的平均顾客数为 (6.11)平均排队长度有 (6.12)系统中平均消耗的时间为 (6.13)排队中的平均等待时间为 (6.14)2.多路排队多通道服务 每个通道各排一个队,只为其相应的一队顾客服务,顾客不能随意换队,这种情况相当于有N个M/M/1系统组成的系统。其计算公式亦由M/M/1系统的计算公式确定。由P120的例
6、题,可以看出M/M/N系统比N个M/M/I有优越性,因为M/M/N系统较为灵活,排在第一位的车辆可视哪个服务台有空就到哪个服务台,避免了各服务台忙闲不均的情形,充分发挥了他们的服务能力,因而显得优越。6.3.3 6.3.3 一般服务时间的一般服务时间的M/G/1M/G/1排队模型排队模型 1.M/G/1/排队系统 假设服务时间的期望E()和D()存在,服务强度=E()1,可以用布拉切克辛钦(P-K)公式及里特公式求出系统运行指标:(6.15)(6.16)(6.17)(6.18)其中,Ls的计算公式称做P-K公式,只要知道服务时间的期望和方差,不管是服从什么分布,都可以求出系统的运行指标。2.M
7、/D/1排队系统 M/D/1系统是M/G/1系统的一种特殊情形,表示泊松输入、定长服务时间以及系统容量和顾客源均无限制的单服务台排队系统。这里的服务时间E(),D()=0,由P-K公式可得 若记E()=1/,则有 均为标准的M/M/1系统相应运行指标的一半,可见系统内部越有规律越省时间。3.M/Ek/1排队系统 本系统的服务时间服从k阶爱尔郎分布。其实际背景是服务机构由k个串联的服务台组成,顾客为接受服务必须经过全部k个服务台。每个服务台的服务时间i 均服从参数为k的负指数分布,则总共服务时间 便服从爱尔朗分布,且 ,由P-K公式有 6.3.4 6.3.4 服务率可变的单通道车辆排队模型服务率
8、可变的单通道车辆排队模型 以上情况都是假设服务机构服务率是固定的,在现实中服务机构的服务率也可能随着车辆的排队长度而变化,可以使动态的,排队车辆较多时服务率也就适当提高。下面将介绍这累服务率可变的单通道车辆排队模型。假定有单通道的随机服务模型,到达系统的车辆流是参数为的泊松流,服务时间服从负指数分布,而服务率随系统的队长K变化,记作k,k可按实际取不同的值。设系统在时刻t有n辆车,我们就称系统的状态为n,同时记系统在时刻t状态为n的概率为Pn(t),它决定了系统运行的特征。(1)系统中参数指标 排队系统的平均服务强度 。由于服务率是变化的所以1/k 也是可变的,先求平均服务时间 于是 系统中车
9、辆的平均数 (6.20)系统中排队等待的车辆数 (6.21)车辆在系统中平均停滞的时间 (6.22)车辆在系统中排队等待的时间 (6.23)(6.19)(2)一种特殊的可变服务率车辆排队系统 这个排队系统的特殊在于当排队长度超过某个数(n)时,用快 速服务率2,反之用普通服务率1。这种系统的参数指标如下 系统中车辆的数Ls 系统中排队等待的车辆数 (6.25)车辆在系统中停滞时间 (6.26)车辆在系统中排队时间 (6.27)P127对例题计算的表中的比较可以看出,该理论与M/M/1系统相比,系统中的排队车辆数、车辆平均等待时间都降低了,大大提高了收费站的服务水平。(6.24)交叉口的问题处理
10、分两个组成部分:管制形式(停车标志,让路标志,定时信号或动车信号)控制成分(车辆或行人)6.4交叉口的延误模型6.4.1 信号交叉口延滞模型在估计交叉口的延滞时,交通量均可看成是由当量的若干小客车所组成。阿尔索普(Allsop,R.E)提出应用下列符号:c=周期时间(s);g=有效绿灯时间(s);r=有效红灯时(s)q=入口通道上车辆平均到达率(小客车/s)I=在一个信号周期内以当量小客车单位计的到达数方差在一个信号周期以内以当量小客车单位计的到达数的平均值s=入口通道上饱和交通流量(当量小客车,veh/s);d-入口通道上当量小客车平均延滞(s)=溢流交通量(pcu/s);=g/c(即有效绿
11、灯占周期的百分比);yq/s(即,平均到达串和饱和交通量之比);xqcgs(即,每周期平均到达数与每周期最大离去数之比)。这样 和 ,比值x称为入口饱和度和y称为入口流率。有效绿灯时间:周期中等候在入口的车辆,假定以当量小客车为单位,以恒速通过信号的时间。格林希尔兹等人,在研究一队n辆停着的汽车,通过交通信号的总时间,提出如下计算公式:当n5,总时间14.2+2.1(n-5)秒要是所有车辆在饱和率s(12.1)时离去,前五辆汽车须要有10.5秒,即有效绿灯时间是绿灯信号时间减去3.7秒,虽然有效绿灯时间可以调整适应于车辆具体运行条件,但是在大多数研究中均假设排队等候的车辆可以利用黄灯的净时隙。
12、在入口上,一辆小客车到达时间和离去时间的意义,可以参考图6.6来说明。图中画了四辆汽车每辆的距离一时间曲线。AB表示车辆通过没有延滞,PQ线表示停车线,有排队时第一辆车停在那里等候。CDEF表示第一辆车由于信号延滞的的轨迹。图6.6 假设的到达 和离去时间定义说明图直线部分CD和EF平行于AB两线延长分别与PQ相交于X和Y,所以长度XY就是第一辆汽车的延滞,同样 和 分别为后面两辆汽车的延滞,X 和 分别为到达车辆的车头时距。1、定时信号的连续型模型 梅(May)提出了一个连续型模型的表达式,列于图6.7。垂直轴表示到达的累积车辆qt,水平轴表示时间t。情况表示绿灯间隔内的通行能力超出绿灯+红
13、灯时间到达数的情况。情况是关于在绿灯期内驶出的车辆等于绿灯加红灯期内到达车辆的情况。在图6.5中垂直距离ca。表示自从信号进入红灯相位后积累的车辆数目,水平距离ab表示任何指定的车辆从到达到离去的总时间。对于以上两种情况的公式可以从简单的几何关系推导出:(1)显然对于任何给定周期,在绿灯开始 时间后,到达车辆等于离去车辆:(6.44)令y=q/s (6.45)(2)2)周期和排队之比周期和排队之比,等于排队时间周期长等于排队时间周期长度:度:(6.466.46)(3)(3)停止车辆的百分数等于停歇的车辆每个周期的总车辆数:停止车辆的百分数等于停歇的车辆每个周期的总车辆数:(6.476.47)(
14、4)通过现察可见排队的最大车辆数是红灯开始后,单位处三角形的高:(6.48)(5)在整个周期长度(c)内排队车辆的平均数:由此得出:(6.49)(6)总的延滞车辆小时是根据三角形面积得出:(6.50)(7)个别延滞的平均值是根据总的延消除以车辆数目:(6.51)(8)个别车辆延滞的最大值可以根据图6.7得出:(6.52)6-7 在有信号灯的交叉口的排队现象不适用于离去车辆sc小于到达车辆qc2、定时信号的概率模型 温斯顿和其同事们应用二项分布模型分析定时交通信号处的车辆延滞。如果对于某些固定的 和 ,p(在时间n 内到达l辆当量小客车),和p(在时间n内没有当量小客车到达)l 。每个n值在任何
15、情况下都是独立的,并且在其它时间无到达车辆,则到达入口的车辆有二项到达频率。平均到达率为/;如果在一包括n 的N瞬间时期内,为 小客车的当量单位数,则 服从二项分布。对于这种分布,方差与平均数的比率(I),等于1-,小于1,不过对于城市道路观测的I值,根据米勒所指出的通常大于1。纽厄尔使用了到达的车间时距采用移位指数分布的模型。这种模型假设最小车间时距1/s。当量小客车从队列离开的模型,较到达模型简单。要是存在队列时,大多数模型采用等时间间隔1/s离开,头一辆车离开是在绿灯生效时开始。对于时间间断的设想,取 等于1/s人。第一辆小客车在绿灯有效时间n 开始时离开,并连续的在每个内一辆小客车离开
16、,直到队列散完或绿灯时间结束为止。温斯顿等人论证了具有二项到达频率的交通信号处,对于一当量小客车通过入口时的平均延滞为:(6.53)温斯顿等人未能导出溢流(在一个给定周期内未能清除交叉口的汽车)概率分布。纽厄尔提出了溢流平均值 的估算,当 (即比值 接近于1)可近似地取为:(6.54)根据用计算机模拟交叉口运行所得数据,韦伯所用于延滞的一个比较著名的公式:(6.55)因为c(1 )r和 xy,第一项与假设为连续型车流(方程6.51)所得出的相同。阿尔索普指出第二项是假设在信号与到达车辆之间,插入一恒定服务1/s的排队求得的。插入车队的平均等待时间为:第三项是校正项,代表总的平均延滞515%从模
17、拟信号特性所产生的数据,经回归分析提出的。阿尔索普建议平均延滞可取为:(6.56)米勒假定在入口处的队列是统计上平衡的,并互在逐次的红、绿灯时间内到达车辆为独立分布。根据这个假定他得出了一个近似的溢流平均数为 当泊松到达频率应用于延滞模型时,得出:米勒也提出了延滞公式,该公式中他放弃了泊松到达的假定而采用一般到达模型与提出式6.57时采用的模型一样。当:x1/2时所得到的延滞方程为:(6.59)当:x12小时,括号里面的中间项为零。米勒发现当I接近于1时,他的方程与韦伯斯特的(方程6.55)方程得出相似的结果,当I明显地大于1时,式(6.59)可得出较好的结果。纽厄尔考虑了连续型模型和溢流所引
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