基于级联失效的机场陆侧道路交通拥堵影响范围确定方法与流程

本发明属于交通网络控制技术领域，具体涉及一种基于级联失效的机场陆侧道路交通拥堵影响范围确定方法。

背景技术：

机场陆侧道路交通网络是衔接机场空侧与市区的关键，随着民航旅客周转量和社会车辆保有量逐年增加，机场陆侧道路交通系统的集散运输需求迅猛增长，其交通拥堵问题已成为影响民航服务品质和协同运行效率持续提升的重要因素。明确交通拥堵在机场陆侧道路交通网络中的的影响范围是制定针对性机场陆侧道路交通管控措施的基础。

在保障机场陆侧交通系统的有效运行方面，已有学者对机场陆侧交通运输方式、交通设施布局以及交通运行管理等方面进行了研究，但对机场陆侧道路交通的拥堵影响范围鲜有文献报道。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于级联失效的机场陆侧道路交通拥堵影响范围确定方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于级联失效的机场陆侧道路交通拥堵影响范围确定方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)构建机场陆侧道路交通网络以及出行者的出行网络，确定机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的容量ca，并设置出行网络中各od对的od流量；

步骤2)基于上述有向路段a的容量ca获得相邻节点i、j之间的阻抗eij，然后以相邻节点i、j之间的阻抗eij为依据将上述出行网络中各od对的od流量初始分配至机场陆侧道路交通网络中，确定出机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(0)，进而得到初始条件下即级联失效前各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q；

步骤3)在t时刻从机场陆侧道路交通网络中选取一个有向路段作为发生交通拥堵而导致失效的有向路段，构建机场陆侧道路交通网络级联失效模型，得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段的初始负载la(t)，进而得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段的道路饱和度(v/c)h；

步骤4)根据步骤2)获得的级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q和步骤3)获得的级联失效后各有向路段的道路饱和度(va/ca)h，确定出交通拥堵在机场陆侧道路交通网络中的影响范围。

在步骤1)中，所述的构建机场陆侧道路交通网络以及出行者的出行网络，确定机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的容量ca，并设置出行网络中各od对的od流量的方法是：

结合机场陆侧实际道路结构，构建该机场陆侧道路交通网络；该机场陆侧道路交通网络中的道路交叉口表示为节点，有向边表示连接相邻节点之间的有向路段；选取机场陆侧道路交通网络中的部分节点作为出行者出行的起点或终点而构建成出行者的出行网络；出行网络中出行者出行的起点r或终点s表示为节点，有向边表示出行者从起点至终点的连线，每一条有向边确定一个od对(r,s)；

根据各有向路段a的实际情况确定机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的容量ca；统计机场陆侧道路交通网络中所有节点各方向的信号灯时长tj、信号灯绿信比λj、饱和流量sj以及各有向路段a的自由流时间并设置出行网络中各od对的od流量qod，即从起点r至终点s的交通流量；

有向路段a的容量ca的表达式为；

式中：为有向路段a的理论通行能力，pcu/h；β1为多车道修正系数；β2为车道宽度折减系数；β3为交叉口折减系数。

在步骤2)中，所述的基于有向路段a的容量ca获得相邻节点i、j之间的阻抗eij的表达式为：

eij＝tij dij

式中，tij为相邻节点i、j之间有向路段a的行程时间，为相邻节点i、j之间有向路段a的自由流时间，la为相邻节点i、j之间有向路段a的交通流量，α、β为阻滞系数，分别取0.15和4；dij为与节点i、j相邻的进口道所造成的延误，tj为节点j的信号灯时长，λj为节点j的信号灯绿信比，sj为节点j的饱和交通流量；

所述的以相邻节点i、j之间的阻抗eij为依据将出行网络中各od对的od流量初始分配至机场陆侧道路交通网络中，确定出机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(0)，进而得到初始条件下即级联失效前各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q的方法是：

步骤21)、令d＝(r,s)为起点r，终点s的od对，根据相邻节点i、j之间的阻抗eij计算出d内第k条有效路径的阻抗

第k条有效路径的阻抗的表达式为：

式中，为决策变量，若相邻节点i、j之间有向路段a在d内的第k条有效路径上，则决策变量否则为0；为t时刻d内最短路径的阻抗；γ为阈值参数，取γ＝1.2；

步骤22)、根据d内第k条有效路径的阻抗计算出d内第k条有效路径被选择的概率

d内第k条有效路径被选择的概率的表达式为：

式中，为t时刻d内所有有效路径的平均阻抗；μ为分配参数，取3.2；

步骤23)、根据d内第k条有效路径被选择的概率和出行网络中相应的od对的od流量qod，得到第一份od流量并加载至机场陆侧道路交通网络中，获得各有向路段a的交通流量

各有向路段a的交通流量的表达式为：

步骤24)、根据各有向路段a的交通流量更新机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij，重复步骤21)至步骤23)，直至剩余的z-1份od流量全部加载至机场陆侧道路交通网络中，得到相应的各有向路段a的交通流量每加载一份od流量更新一次机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij，最终得到各有向路段a的初始交通流量，即初始负载la(0)；

各有向路段a的初始负载la(0)的表达式为：

初始条件下即级联失效前各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q的表达式为：

在步骤3)中，所述的在t时刻从机场陆侧道路交通网络中选取一个有向路段作为发生交通拥堵而导致失效的有向路段，构建机场陆侧道路交通网络级联失效模型，得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段的初始负载la(t)，进而得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段的道路饱和度(v/c)h的方法是：

步骤31)、在t时刻从机场陆侧道路交通网络中选取一个有向路段ai作为发生交通拥堵而导致失效的有向路段，设置拥堵时间为td，在拥堵时间td内，在机场陆侧道路交通网络中删除该有向路段ai，更新机场陆侧道路交通网络结构，并根据级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(0)和各有向路段a的容量ca确定出t时刻机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij(t)；

步骤32)、根据步骤31)中得到的t时刻机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij(t)将出行网络中各od对的od流量重新分配至更新后的机场陆侧道路交通网络中，获得更新后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(t)和道路饱和度(va/ca)h；

步骤33)、判断更新后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)h是否大于1，如果某一有向路段的道路饱和度(va/ca)h大于1，则删除该有向路段，然后根据步骤32)中获得的更新后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(t)更新机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij(t)，并更新机场陆侧道路交通网络，之后返回步骤32)，否则，输出机场陆侧道路交通网络中其他各有向路段的道路饱和度(va/ca)h。

在步骤4)中，所述的根据步骤2)获得的级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q和步骤3)获得的级联失效后各有向路段的道路饱和度(va/ca)h，确定出交通拥堵在机场陆侧道路交通网络中的影响范围的方法是：

根据初始条件下即级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q和级联失效后各有向路段的道路饱和度(va/ca)h，逐一判断各有向路段a是否满足以下2种条件之一：

1、同一有向路段a在级联失效前后不在同一服务水平等级s；

2、同一有向路段a在级联失效前处于同一服务水平等级s，但二者道路饱和度的差值大于该服务水平等级的道路饱和度上下界差值的一半；

表达式如下：

式中：sh为级联失效后有向路段a的服务水平等级；sq为级联失效前有向路段a的服务水平等级；r为该服务水平等级的道路饱和度上下界差值；(va/ca)h为级联失效后有向路段a的道路饱和度；(va/ca)q为级联失效前有向路段a的道路饱和度；有向路段a的服务水平等级s与其道路饱和度之间的关系满足下式：

若某有向路段a满足以上2种条件之一，则认为该有向路段a受到影响，进而确定出交通拥堵在机场陆侧道路交通网络中的影响范围。

本发明提供的基于级联失效的机场陆侧道路交通拥堵影响范围确定方法具有如下有益效果：方法简单，能够确定出拥堵传播在机场陆侧道路交通网络中的影响范围，在面对机场陆侧道路交通拥堵时，便于第一时间采取相关交通管控措施，以保障机场陆侧道路交通系统的运行效率。

附图说明

图1为本发明提供的基于级联失效的机场陆侧道路交通拥堵影响范围确定方法流程图。

图2为本发明实施例提供的某机场航站楼陆侧道路交通网络示意图；

图3为本发明实施例提供的某机场航站楼陆侧道路交通出行网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的基于级联失效的机场陆侧道路交通拥堵影响范围确定方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤1)构建机场陆侧道路交通网络以及出行者的出行网络，确定机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的容量ca，并设置出行网络中各od(orignanddestination，起止点)对的od流量；

结合某机场陆侧实际道路结构，构建该机场陆侧道路交通网络，如图2所示。该机场陆侧道路交通网络中的道路交叉口表示为节点，有向边表示连接相邻节点之间的有向路段，本实施例中共有19个节点，54个有向路段。选取机场陆侧道路交通网络中的节点1、节点2、节点5、节点6、节点15作为出行者出行的起点或终点而构建成出行者的出行网络，如图3所示。出行网络中出行者出行的起点r或终点s表示为节点，有向边表示出行者从起点至终点的连线，每一条有向边确定一个od对(r,s)；

根据各有向路段a的实际情况确定机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的容量ca；统计机场陆侧道路交通网络中所有节点各方向的信号灯时长tj、信号灯绿信比λj、饱和流量sj以及各有向路段a的自由流时间并设置出行网络中各od对的od流量qod，即从起点r至终点s的交通流量。

有向路段a的容量ca的表达式为；

式中：为有向路段a的理论通行能力，pcu/h；β1为多车道修正系数；β2为车道宽度折减系数；β3为交叉口折减系数。

出行网络中各od对的od流量如图3中各有向边上的数值所示。

步骤2)基于上述有向路段a的容量ca获得相邻节点i、j之间的阻抗eij，然后以相邻节点i、j之间的阻抗eij为依据将上述出行网络中各od对的od流量初始分配至机场陆侧道路交通网络中，确定出机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(0)，进而得到初始条件下即级联失效前各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q；

相邻节点i、j之间的阻抗eij由相邻节点i、j之间有向路段a的行程时间tij和与节点i、j相邻的进口道所造成的延误dij组成，根据有向路段a的容量ca、自由流时间和节点j各方向的信号灯时长tj、信号灯绿信比λj、饱和流量sj确定出相邻节点i、j之间的阻抗eij。以相邻节点i、j之间的阻抗eij为依据将上述出行网络中各od对的od流量初始分配至机场陆侧道路交通网络中，确定出机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始交通流量，即初始负载la(0)；进而得到初始条件下即级联失效前各有向路段a的道路饱和度((va/ca)q。

相邻节点i、j之间的阻抗eij的表达式为：

eij＝tij dij

式中，tij为相邻节点i、j之间有向路段a的行程时间，为相邻节点i、j之间有向路段a的自由流时间，la为相邻节点i、j之间有向路段a的交通流量，α、β为阻滞系数，通常分别取0.15和4；dij为与节点i、j相邻的进口道所造成的延误，tj为节点j的信号灯时长，λj为节点j的信号灯绿信比，sj为节点j的饱和交通流量。

在将出行网络中各od对的od流量初始分配至机场陆侧道路交通网络中时，出行者在起点r与终点s之间更愿意选择最短路径，但实际中并不是总是选择最短路径，可能还选择了其他路径，被选择的所有路径统称为有效路径，并且有效路径的阻抗不应超过出行者的承受范围。定义最短路径为od对(r,s)间行程时间最小的路径，由于相邻节点i、j之间的阻抗eij随交通流量的变化而改变，因此有效路径并不是一成不变的。在t＝0时刻，设置机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的交通流量为0pcu/h，将出行网络中各od对的od流量qod平均分成z份(本实施例中z取3)，以相邻节点i、j之间的阻抗eij为依据将出行网络中各od对的od流量qod逐份分配至机场陆侧道路交通网络中，得到机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始交通流量，即初始负载la(0)；之后基于各有向路段a的初始负载la(0)和容量ca，得到初始条件下即级联失效前各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q。

具体步骤如下：

步骤21)、令d＝(r,s)为起点r，终点s的od对，根据相邻节点i、j之间的阻抗eij计算出d内第k条有效路径的阻抗

第k条有效路径的阻抗的表达式为：

式中，为决策变量，若相邻节点i、j之间有向路段a在d内的第k条有效路径上，则决策变量否则为0；为t时刻d内最短路径的阻抗；γ为阈值参数，取γ＝1.2；

步骤22)、根据d内第k条有效路径的阻抗计算出d内第k条有效路径被选择的概率

d内第k条有效路径被选择的概率的表达式为：

式中，为t时刻d内所有有效路径的平均阻抗；μ为分配参数，取3.2。

步骤23)、根据d内第k条有效路径被选择的概率和出行网络中相应的od对的od流量qod，得到第一份od流量并加载至机场陆侧道路交通网络中，获得各有向路段a的交通流量

各有向路段a的交通流量的表达式为：

步骤24)、根据各有向路段a的交通流量更新机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij，重复步骤21)至步骤23)，直至剩余的z-1份od流量全部加载至机场陆侧道路交通网络中，得到相应的各有向路段a的交通流量每加载一份od流量更新一次机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij，最终得到各有向路段a的初始交通流量，即初始负载la(0)；

各有向路段a的初始负载la(0)的表达式为：

初始条件下即级联失效前各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q的表达式为：

步骤3)在t时刻从机场陆侧道路交通网络中选取一个有向路段作为发生交通拥堵而导致失效的有向路段，构建机场陆侧道路交通网络级联失效模型，用于描述某有向路段的交通拥堵在机场陆侧道路交通网络中的传播过程，得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段的初始负载la(t)，进而得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段的道路饱和度(v/c)h；

在t时刻从机场陆侧道路交通网络中选取一个有向路段ai作为发生交通拥堵而导致失效的有向路段，有向路段ai失效后，会引起机场陆侧道路交通网络中其他有向路段或节点相继失效，从而形成连锁反应，最终导致机场陆侧道路交通网络全部或者局部崩溃，这样的相继失效过程被称为级联失效。上述步骤2)获得的机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(0)和初始条件下各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q是用于描述有向路段ai发生交通拥堵而导致级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始交通状态。

构建机场陆侧道路交通网络级联失效模型来描述因有向路段ai的交通拥堵而在机场陆侧道路交通网络中的传播过程，得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始交通流量，即初始负载la(t)，进而得到级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)h，用于描述级联失效后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的交通状态；

具体步骤如下：

步骤31)、在t时刻从机场陆侧道路交通网络中选取一个有向路段ai作为发生交通拥堵而导致失效的有向路段，本实施例中选取有向路段a25，设置拥堵时间为td，在拥堵时间td内，在机场陆侧道路交通网络中删除该有向路段a25，更新机场陆侧道路交通网络结构，并根据级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(0)和各有向路段a的容量ca确定出t时刻机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij(t)；

步骤32)、根据步骤31)中得到的t时刻机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij(t)将出行网络中各od对的od流量重新分配至更新后的机场陆侧道路交通网络中，获得更新后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(t)和道路饱和度(va/ca)h；

在od流量重新分配过程中，机场陆侧道路交通网络中流量存在延迟加载现象，每个有向路段a的传播延误为初始负载la(0)加载后的阻抗在有效路径k中，n为有效路径k的有向路段个数，沿着交通流动方向，在拥堵时间td内(tl<td)，第l条有向路段的流量加载时间为：

步骤33)、判断更新后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)h是否大于1，如果某一有向路段的道路饱和度(va/ca)h大于1，则删除该有向路段，然后根据步骤32)中获得的更新后机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的初始负载la(t)更新机场陆侧道路交通网络中相邻节点i、j之间的阻抗eij(t)，并更新机场陆侧道路交通网络，之后返回步骤32)，否则，输出机场陆侧道路交通网络中其他各有向路段的道路饱和度(va/ca)h；

步骤4)根据步骤2)获得的级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q和步骤3)获得的级联失效后各有向路段的道路饱和度(va/ca)h，确定出交通拥堵在机场陆侧道路交通网络中的影响范围。

根据初始条件下即级联失效前机场陆侧道路交通网络中各有向路段a的道路饱和度(va/ca)q和级联失效后各有向路段的道路饱和度(va/ca)h，逐一判断各有向路段a是否满足以下2种条件之一：

1、同一有向路段a在级联失效前后不在同一服务水平等级s；

2、同一有向路段a在级联失效前处于同一服务水平等级s，但二者道路饱和度的差值大于该服务水平等级的道路饱和度上下界差值的一半；

表达式如下：

式中：sh为级联失效后有向路段a的服务水平等级；sq为级联失效前有向路段a的服务水平等级；r为该服务水平等级的道路饱和度上下界差值；(va/ca)h为级联失效后有向路段a的道路饱和度；(va/ca)q为级联失效前有向路段a的道路饱和度。有向路段a的服务水平等级s与其道路饱和度之间的关系满足下式：

若某有向路段a满足以上2种条件之一，则认为该有向路段a受到影响，进而确定出交通拥堵在机场陆侧道路交通网络中的影响范围。