專利名稱：基于壓力測試的路網(wǎng)極限容量確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于路網(wǎng)交通量控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
早在20世紀(jì)50年代初，國外的一些學(xué)者就開始了對路網(wǎng)容量這一問題的探討，研究思路按照從簡單到復(fù)雜的規(guī)律進(jìn)行。其中，具有代表性的國家是美國、日本和法國。
美國是對路網(wǎng)容量研究最早的國家。研究初期，路網(wǎng)被簡化成是一個簡單的單起終點的網(wǎng)絡(luò)，而路網(wǎng)容量就是在路段通行能力的制約下，從一個特殊的起點到另一個特殊的終點，能運送的最大交通量。隨著對問題理解的深入，路網(wǎng)被看成是一個非線性的、隨機(jī)開放的、多起終點的復(fù)雜系統(tǒng)，于是他們從系統(tǒng)最優(yōu)的角度出發(fā)，建立了新的路網(wǎng)容量概念，即路網(wǎng)容量是在路段通行能力的制約、并滿足路網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)的情況下，路網(wǎng)所能承擔(dān)的最大交通量。從類別上劃分美國的研究大致可以分為如下3種一種是美國普林斯頓大學(xué)運籌學(xué)教授FordL.R.Jr和Fulkerson D.R.用圖論方法研究的路網(wǎng)容量，其成果是運用最大流最小割定理建立的路網(wǎng)容量模型，同時給出了求解網(wǎng)絡(luò)最大流的第一算法——標(biāo)號法；第二種是交通分配模擬法，該方法產(chǎn)生的模型是基于圖論和交通分配兩種理論建立的；第三種是線性規(guī)劃法，其中又分為單層和雙層路網(wǎng)容量模型，單層模型主要用來分析那些相對簡單、起終點和路段有明確規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)。而雙層模型是從系統(tǒng)最優(yōu)的角度，在單層模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)的結(jié)果。該模型既考慮了路網(wǎng)的物理容量又考慮了交通個體的平衡(交通個體出行費用最小)，是美國至今確定路網(wǎng)容量的最新模型。
日本是亞洲國家中對路網(wǎng)容量研究最為深入的國家。60年代，山村信吾、三好逸二及西村昂就開始研究路網(wǎng)的容量。其后，日本京都大學(xué)的飯?zhí)锕Ь唇淌诓捎脠D論法研究單一物流路網(wǎng)容量，采用交通分配法研究考慮了駕駛員線路選擇條件下的路網(wǎng)容量，其研究方法和思路與美國相似。
80年代初，法國的工程師路易斯·馬尚提出了“城市的時間與空間消耗”的概念。這一概念抓住了問題的實質(zhì)，即城市路網(wǎng)在一定時段內(nèi)的物理容量是受時間、空間限制的。這樣，很自然的將路網(wǎng)看成是一種具有時間、空間屬性的容器，而該容器在一定時段內(nèi)的容量就是路網(wǎng)的容量。這種思路為路網(wǎng)容量的研究開辟了一條新的道路。
我國對路網(wǎng)容量的研究較其他國家要晚，主要是在參照國外研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行改進(jìn)的。最早是在1986年，由長沙交通學(xué)院的木納和中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院交通所的關(guān)忠和利用“時空消耗”概念，提出了路段占用量和城市交通容量。其后，東南大學(xué)的楊濤基于最大流最小割定理，將Ford-Fulkson算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了解決隨機(jī)、開放路網(wǎng)的衍生割集網(wǎng)絡(luò)極大流算法(ECS)；湖南大學(xué)的李碩提出了狹義路網(wǎng)容量的理論及模型。另外，北方交通大學(xué)的高自友、同濟(jì)大學(xué)的楊東援等人從系統(tǒng)的角度出發(fā)，提出了滿足用戶平衡和系統(tǒng)平衡的路網(wǎng)容量模型。北京工業(yè)大學(xué)的陳春妹，從交通個體的時空分布規(guī)律出發(fā)，在時空消耗法的基礎(chǔ)上對理想及實際兩種狀態(tài)的路網(wǎng)容量進(jìn)行了建模。
總體說來，目前路網(wǎng)容量的研究方法可以分為六種算法時空消耗法、線性規(guī)劃法、圖論的最大流最小割法、交通分配模擬法、狹義路網(wǎng)容量分析法及供應(yīng)分析法等。但存在如下問題路網(wǎng)容量的定義不統(tǒng)一，使各種模型的計算結(jié)果不具備可比性；所建立模型方法沒有全面把握路網(wǎng)容量的關(guān)鍵影響因素，從而無法建立適當(dāng)?shù)挠绊懩Ｐ?；理論模型的參?shù)難以標(biāo)定，模型大多沒有計算出一個實際的路網(wǎng)容量，只停留在理論層面，實用性以及準(zhǔn)確性欠佳，很難滿足我國城市路網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實需求。
壓力測試是一種性能測試技術(shù)，它與其他工程領(lǐng)域的破壞性測試相似。壓力測試的目的是通過搭建與實際使用環(huán)境相類似的測試環(huán)境，測試系統(tǒng)在不同壓力情況下的效率狀況，不斷增加負(fù)載直至資源飽和，使其性能降低或系統(tǒng)產(chǎn)生故障，從而找到影響系統(tǒng)性能的瓶頸。并根據(jù)該數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)在實際使用環(huán)境下的效率情況，作為評價系統(tǒng)性能、以及判斷是否需要對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理或結(jié)構(gòu)調(diào)整的依據(jù)，提高系統(tǒng)的效率。
壓力測試的概念來自Visual Studio.Net設(shè)計分布式應(yīng)用程序可靠性測試，是指模擬巨大的工作負(fù)荷以查看應(yīng)用程序在峰值使用情況下如何執(zhí)行操作。壓力測試由于其實用的價值和卓越的效果，被人們廣泛的應(yīng)用于軟件、金融、Web領(lǐng)域等。
國外對壓力測試的研究和應(yīng)用較為廣泛，從20世紀(jì)60年代，美國、歐洲等國家開始在軟件開發(fā)過程中應(yīng)用壓力測試，對軟件系統(tǒng)資源進(jìn)行優(yōu)化，以提高響應(yīng)時間與吞吐量。20世紀(jì)90年代，國際清算銀行要求金融領(lǐng)域也開始對金融風(fēng)險進(jìn)行壓力測試，以測量某一類風(fēng)險造成的損失，比如信用風(fēng)險或市場風(fēng)險，也可以衡量多種風(fēng)險造成的整體損失。
壓力測試方面的研究和應(yīng)用在我國起步較晚，目前可查的資料有限。軟件行業(yè)方面，清華大學(xué)的鄭人杰在《計算機(jī)軟件測試技術(shù)》中最早提出了壓力測試這一概念，內(nèi)蒙古大學(xué)的葉新銘在前人的基礎(chǔ)上深入研究軟件壓力測試，制定出一套科學(xué)的壓力測試流程。2003年開始，中國銀行、中國工商銀行等大型銀行，對信用風(fēng)險、利率風(fēng)險等進(jìn)行壓力測試，但大多利用國外現(xiàn)成的理論與模型，且均為臨時性。
由此可見，我國對于壓力測試的研究目前看來還比較少，借鑒國外的成果較多，只應(yīng)用于軟件、金融等領(lǐng)域，在需要測試系統(tǒng)性能的交通方面卻無人涉足。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于建立一種用壓力測試確定路網(wǎng)極限容量的方法，由于目前的研究和方法大多致力于尋找一種理論模型來計算出路網(wǎng)容量的理論值，而路網(wǎng)系統(tǒng)是一個動態(tài)的、隨機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)，使得模型的參數(shù)難以確定，因此模型基本上停留在理論層面，沒有計算出實際的路網(wǎng)容量，準(zhǔn)確性和可靠性較差。同時理論算法很難滿足我國城市路網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實需求，導(dǎo)致實用性方面欠佳。就目前我國城市交通發(fā)展現(xiàn)狀來講，由于龐大的機(jī)動車數(shù)量和有限的城市道路資源，大多數(shù)路網(wǎng)都處于過飽和狀態(tài)，因此，研究路網(wǎng)的極限容量問題迫在眉睫。
本發(fā)明的特征在于，依次含有以下的步驟 步驟(1)，在計算機(jī)中配置作為壓力測試工具使用的宏觀交通模擬與規(guī)劃軟件Cube及地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS，其中 Cube軟件中含有第一MVNET模塊、第二MVNET模塊、AVROAD模塊、MVGRAM模塊、MVHWAY模塊以及MVGRAF模塊，其中，第一MVNET模塊、第二MVNET模塊、AVROAD模塊、MVGRAM模塊、MVHWAY模塊以及MVGRAF模塊依次串聯(lián)，第二MVNET模塊的輸出端和MVHWAY模塊的輸入端相連，而該MVHWAY模塊的輸出端和MVGRAF模塊的輸入端相連， 在所述Cube軟件中設(shè)置以下參數(shù) X0路網(wǎng)實際交通量，輛/小時，路段交通量是指在單位時間內(nèi)通過路段某一地點、某一斷面或某一條車道的車輛數(shù)，路網(wǎng)交通量是指單位時間內(nèi)整個路網(wǎng)內(nèi)所有的路段和交叉口容納的車輛數(shù)，所述路網(wǎng)的實際交通量的計算公式為
式中i為路段序號，N為路段總數(shù)量， Xm第m次測試的路網(wǎng)交通量，輛/小時， Q路網(wǎng)極限容量，輛/小時，指單位時間內(nèi)整個路網(wǎng)內(nèi)所有的路段和交叉口所能夠容納的最大車輛數(shù)， Δf路網(wǎng)交通量增加值，輛/小時，為設(shè)定值， t測試時間，小時，通常取t＝1小時， T測試周期，通常取T＝1年， S路網(wǎng)平均飽和度指標(biāo)值，所述飽和度指某條路段的交通量與通行能力的比值，通行能力指單位時間內(nèi)路段的某一斷面所能通過的最大車輛數(shù)，其中，路網(wǎng)平均飽和度由以下公式計算
s0路網(wǎng)實際平均飽和度， sm第m次測試的路網(wǎng)平均飽和度， V路網(wǎng)平均速度指標(biāo)值，千米/小時，速度是指路段長度與車輛通過的行程時間的比值，路網(wǎng)平均速度由以下公式計算
式中j為車輛序號，K為路段交通量，輛， v0路網(wǎng)實際平均速度，千米/小時， vm第m次測試的路網(wǎng)平均速度，千米/小時， εs路網(wǎng)平均飽和度的允許誤差， εv路網(wǎng)平均速度的允許誤差， 在所述Cube軟件中對測試路網(wǎng)設(shè)置下述路段屬性，包括路段類型、行政區(qū)編號、通行能力索引、速度以及通行能力，其中 路段類型是指為不同道路等級的路段進(jìn)行分類的編號， 行政區(qū)編號是指路段所屬的不同行政區(qū)的編號， 通行能力索引是指路段的不同通行能力的分類編號， 速度是指路段的速度指標(biāo)的數(shù)值， 通行能力是指路段的通行能力的數(shù)值， 此外，還需要對所屬路網(wǎng)劃分交通小區(qū)，所述交通小區(qū)是指組成路網(wǎng)的各個單元，每個交通小區(qū)中包含設(shè)定數(shù)量的路段和交叉口，在輸入要進(jìn)行壓力測試的路網(wǎng)中要事先根據(jù)行政區(qū)域、地理條件、經(jīng)濟(jì)聯(lián)系以及運輸集散點的原則劃分交通小區(qū)，所述交通小區(qū)中心節(jié)點的位置盡量在小區(qū)交通流集中的交叉口附近，所述交通小區(qū)由表示交叉口的節(jié)點和表示路段的線段組成，并進(jìn)行編號； 步驟(2)，在所述計算機(jī)中，利用作為壓力測試工具的Cube軟件的所述各程序模塊構(gòu)造如下的壓力測試運行模型 路網(wǎng)分析模塊，應(yīng)用所述互相串聯(lián)的第一MVNET模塊和第二MVNET模塊構(gòu)成，用于核查已繪制的路網(wǎng)，并生成所述壓力測試運行模型中能夠應(yīng)用的路網(wǎng)文件并存儲，需要輸入的參數(shù)至少包含交通小區(qū)數(shù)量和節(jié)點數(shù)量，還需要設(shè)置程序使用方式和輸出文件的類型或格式， 出行產(chǎn)生模塊，其中至少包含回歸分析模型、類別分析模型和層次回歸分析模型，用所述AVROAD模塊構(gòu)成，用于計算路網(wǎng)中各交通小區(qū)的交通需求總量，需要設(shè)置路徑建立方式、報告輸出格式和精算方式， 交通分布模塊，其中至少包含重力模型和增長系數(shù)模型，由所述MVGRAM模塊構(gòu)成，用于把各交通小區(qū)的交通需求總量轉(zhuǎn)換成各交通小區(qū)之間的空間交通量， 交通分配模塊，其中至少包含全有全無法、流量均衡法和平衡法，用所述MVHWAY模塊構(gòu)成，用于將各交通小區(qū)之間的空間交通量，按照設(shè)定的規(guī)則符合實際地分配到路網(wǎng)中的各條路段上，進(jìn)而求出路網(wǎng)中各路段的交通量， 分析模塊，用所述MVGRAF模塊構(gòu)成，用于顯示設(shè)備圖形化顯示所述路網(wǎng)的交通分配結(jié)果，顯示飽和度、交通量、速度各路網(wǎng)特征參數(shù)； 步驟(3)，建立所述計算機(jī)的觀測網(wǎng)絡(luò)，以確定包括路網(wǎng)實際交通量、路網(wǎng)實際平均飽和度和路網(wǎng)實際速度在內(nèi)的各參數(shù)的初始值，其步驟如下 步驟(3.1)，在所述測試路網(wǎng)的每一個交叉口安裝動態(tài)信息檢測器， 步驟(3.2)，向所述動態(tài)信息檢測器輸入至少包含所在路段的道路等級、路段中的車道數(shù)量、路段中的車道寬度、路段的橫斷面形式、路段的車速以及路段的通行能力的數(shù)據(jù)， 步驟(3.3)，所述動態(tài)信息檢測器對路段中移動的車輛進(jìn)行交通參數(shù)實時的采集，得到該路段的實際交通量、飽和度和速度，實時地上傳到計算機(jī)的終端； 步驟(4)，在所述計算機(jī)中將所述宏觀交通模擬與規(guī)劃軟件Cube與地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS直接銜接，應(yīng)用ArcGIS的數(shù)據(jù)文件直接將路網(wǎng)圖形和步驟(1)中所述的路段屬性轉(zhuǎn)換為可供Cube軟件使用的路網(wǎng)文件，快速完成路網(wǎng)的搭建； 步驟(5)，所述計算機(jī)按以下步驟進(jìn)行壓力測試 步驟(5.1)，利用所述Cube軟件的壓力測試運行模型計算由計算機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，得到路網(wǎng)實際交通量X0、路網(wǎng)實際平均飽和度s0和路網(wǎng)實際平均速度v0，所述X0即為采集到的路網(wǎng)交通量的最大值， 步驟(5.2)，按照設(shè)定的所述測試用的路網(wǎng)交通量增加值Δf、測試時間t和測試周期T，利用所述Cube軟件的壓力測試運行模型對搭建的路網(wǎng)進(jìn)行壓力測試，得到Xm、sm和vm， 步驟(5.3)，對于每次測試的結(jié)果，若測試結(jié)果不符合預(yù)先設(shè)定的路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)，即sm-S<0或vm-V>0，則增加交通量壓力Δf再次進(jìn)行測試，路網(wǎng)交通量Xm＝X0+m×Δf×t；一旦測試結(jié)果達(dá)到路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)，即sm-S>0，sm-S<εs且vm-V<0，V-vm<εv，停止壓力測試，此時的路網(wǎng)交通量作為該路網(wǎng)的極限容量Q，測試周期不超過T。
本發(fā)明的效果在于建立了一套全新的基于壓力測試的路網(wǎng)極限容量的確定方法，打破傳統(tǒng)的建模理念，運用實驗交通工程學(xué)的思想，在研究實際交通問題中進(jìn)行交通實驗，使得研究思路從以往的開環(huán)型的靜態(tài)研究方法轉(zhuǎn)向為一種閉環(huán)型的循環(huán)動態(tài)研究方法，保證實用性、準(zhǔn)確性和獨特性，并可計算出實際路網(wǎng)的容量值，使交通工作者面對復(fù)雜的城市網(wǎng)絡(luò)，可以評價路網(wǎng)的極限容量問題，也就是說，一定的路網(wǎng)條件下，在機(jī)動車擁有量達(dá)到多少的時候，路網(wǎng)不能夠正常運行，達(dá)到瀕于崩潰的臨界狀態(tài)。同時，該方法可以幫助找出現(xiàn)有路網(wǎng)或路段存在的問題，提出改進(jìn)方案，從而為路網(wǎng)質(zhì)量評價、路網(wǎng)規(guī)劃、路網(wǎng)改建、以及交通的管理與控制提供科學(xué)的理論支持。



圖1系統(tǒng)硬件框圖； 圖2本發(fā)明流程框圖； 圖3路網(wǎng)容量壓力測試流程圖； 圖4懷柔城區(qū)路網(wǎng)測試平臺圖； 圖5懷柔城區(qū)路網(wǎng)測試運行流程圖； 圖6懷柔城區(qū)路網(wǎng)第17次壓力測試路網(wǎng)交通量； 圖7懷柔城區(qū)路網(wǎng)第17次壓力測試路網(wǎng)平均飽和度； 圖8懷柔城區(qū)路網(wǎng)第17次壓力測試路網(wǎng)平均速度。

具體實施例方式 路網(wǎng)容量壓力測試是指搭建與實際交通環(huán)境相似的測試平臺，對路網(wǎng)不斷的施加交通量的壓力直至路網(wǎng)達(dá)到某個負(fù)載能力狀態(tài)，測試路網(wǎng)在不同壓力情況下的運行狀況，以及可以承受的路網(wǎng)容量值。
壓力測試是性能測試的一種專門形式，它與其他工程領(lǐng)域的破壞性測試相類似。壓力測試的目的是通過不斷增加負(fù)載直至資源飽和，使被測試的系統(tǒng)的性能降低或產(chǎn)生故障，從而找到影響系統(tǒng)性能的瓶頸。
路網(wǎng)容量壓力測試的策略為 1)重復(fù)循環(huán) 壓力測試的重復(fù)循環(huán)就是要在不同壓力情況下，一遍遍重復(fù)執(zhí)行測試，查看每一次的實驗結(jié)果，測試路網(wǎng)的運行狀態(tài)和所能承受的容量值。
2)壓力增加 壓力測試應(yīng)考慮每次循環(huán)操作時的負(fù)載量，由于要測試路網(wǎng)的承載能力，因此必須在每次循環(huán)時增加一定的交通量?？筛鶕?jù)實際路網(wǎng)的調(diào)查數(shù)據(jù)，科學(xué)設(shè)定交通量的增加值，保證壓力測試可以真實有效地達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。
3)計算實驗 對于復(fù)雜的、隨機(jī)的路網(wǎng)系統(tǒng)，僅依靠簡單的計算仿真難以得到路網(wǎng)容量，但是，計算實驗通過交互改變系統(tǒng)的輸入變量，縮小問題空間，有目的地觀察和計算系統(tǒng)輸出的結(jié)果，運用探索性分析方法，最終通過計算實驗得到路網(wǎng)容量。
路網(wǎng)容量壓力測試工具在進(jìn)行路網(wǎng)容量壓力測試時，需要使用合適的壓力測試工具，才可以完成如此大規(guī)模的復(fù)雜測試任務(wù)。目前，壓力測試方法在交通領(lǐng)域是首次提出并使用，因此，市場上還沒有出現(xiàn)專業(yè)的壓力測試工具。但通過分析壓力測試的目的、過程和效果，我們選擇了功能全面、穩(wěn)定性好、適用性廣的Cube宏觀交通模擬與規(guī)劃軟件進(jìn)行替代，同樣可以高質(zhì)量地完成壓力測試任務(wù)。
路網(wǎng)容量壓力測試流程壓力測試作為一種測試技術(shù)，實施過程應(yīng)該遵循工程上的規(guī)范要求，才能保證取得理想的測試效果，因此建立了如下的路網(wǎng)容量壓力測試流程。
準(zhǔn)備階段是壓力測試的初始化，通過對所需測試的路網(wǎng)進(jìn)行交通調(diào)查、信息采集和評價指標(biāo)的設(shè)置，分析路網(wǎng)的現(xiàn)狀，確定測試初始值和所需的各種參數(shù)，包括 1)壓力測試參數(shù)設(shè)定 本發(fā)明中涉及的定義 路段交通量指在單位時間內(nèi)通過路段某一地點、某一斷面或某一條車道的車輛數(shù)； 路網(wǎng)交通量指單位時間內(nèi)整個路網(wǎng)內(nèi)所有的路段和交叉口容納的車輛數(shù)； 路網(wǎng)極限容量指單位時間內(nèi)整個路網(wǎng)內(nèi)所有的路段和交叉口所能夠容納的最大車輛數(shù)； 通行能力指單位時間內(nèi)路段的某一斷面所能通過的最大車輛數(shù)； 飽和度指某條路段的交通量與通行能力的比值； 行程時間指車輛通過某段路程的行駛時間； 速度指路段長度與車輛通過的行程時間的比值； 交通小區(qū)指組成路網(wǎng)的各個單元，每個交通小區(qū)中包含一定數(shù)量的路段和交叉口。
運用壓力測試法確定路網(wǎng)的極限容量需要設(shè)定以下參數(shù) X0路網(wǎng)實際交通量，輛/小時； Xm第m次測試的路網(wǎng)交通量，輛/小時； Q路網(wǎng)極限容量，輛/小時； Δf路網(wǎng)交通量增加值，輛/小時； t測試時間，小時，通常取t＝1小時； T測試周期，通常取T＝1年； S路網(wǎng)平均飽和度指標(biāo)值； s0路網(wǎng)實際平均飽和度； sm第m次測試的路網(wǎng)平均飽和度； V路網(wǎng)平均速度指標(biāo)值，千米/小時； v0路網(wǎng)實際平均速度，千米/小時； vm第m次測試的路網(wǎng)平均速度，千米/小時； εs路網(wǎng)平均飽和度的允許誤差； εv路網(wǎng)平均速度的允許誤差。
2)調(diào)查路網(wǎng)交通狀況 首先確定壓力測試的對象路網(wǎng)，然后根據(jù)路網(wǎng)容量的影響因素，采集測試所需的各種交通數(shù)據(jù)，包括道路等級、車道數(shù)量、車道寬度、橫斷面形式、設(shè)計車速及通行能力。
3)建立計算機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行壓力測試時，需要確定路網(wǎng)實際交通量、平均飽和度、平均速度的初始值，因此，建立計算機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò)以獲取這些數(shù)據(jù)。首先在對象路網(wǎng)的每一個交叉口安裝動態(tài)信息檢測器對移動的車輛進(jìn)行交通參數(shù)實時的采集，檢測器由無線傳感器對通過檢測斷面的車輛進(jìn)行計數(shù)，經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)分析處理器計算，得到該路段的實際交通量、飽和度和速度，實時地上傳到計算機(jī)的終端，通過壓力測試工具Cube軟件的分析模塊，可確定路網(wǎng)實際交通量X0、路網(wǎng)實際平均飽和度s0和路網(wǎng)實際平均速度v0。由于壓力測試的目的是得到路網(wǎng)的極限容量值，為提高測試效率，避免重復(fù)計算，將檢測器采集到的最大的交通量值作為路網(wǎng)實際交通量X0，此狀態(tài)所對應(yīng)的即為路網(wǎng)實際平均飽和度s0和路網(wǎng)實際平均速度v0。
Cube軟件的分析模塊所使用的計算公式如下


式中i為路段序號，N為路段總數(shù)量，j為車輛序號，K為路段交通量，輛。
4)選取路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo) 用壓力測試的方法研究路網(wǎng)容量是一個實驗的過程，在此過程中評價指標(biāo)尤為重要，因為它可以確定路網(wǎng)性能降低的瓶頸或拐點，以便測試過程中判斷某一路網(wǎng)交通量狀態(tài)是否達(dá)到極限容量。本方法選取路網(wǎng)實際平均飽和度和路網(wǎng)實際平均速度這兩個指標(biāo)對路網(wǎng)整體運行狀況的宏觀評價，如表1所示，為進(jìn)行路網(wǎng)容量壓力測試提出標(biāo)準(zhǔn)。
表1 路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)體系 壓力測試過程中，利用Cube軟件的結(jié)果輸出模塊顯示每次測試的路網(wǎng)狀態(tài)，即路網(wǎng)平均飽和度sm和路網(wǎng)平均速度vm。
如果sm-S>0，sm-S<εs且vm-V<0，V-vm<εv，則認(rèn)為此時的路網(wǎng)運行狀態(tài)瀕于崩潰，車流不穩(wěn)定并出現(xiàn)擁擠甚至堵塞情況，車輛排隊現(xiàn)象嚴(yán)重，車輛駕駛員無法接受這種狀態(tài)，交通狀態(tài)處于中度擁堵與嚴(yán)重?fù)矶碌呐R界，整個路網(wǎng)的交通量達(dá)到路網(wǎng)容量極限值；反之，如果sm-S<0或vm-V>0，則認(rèn)為此時的路網(wǎng)交通量并沒有達(dá)到路網(wǎng)極限容量，繼續(xù)增加交通量壓力，進(jìn)行壓力測試。
測試階段是壓力測試流程中的關(guān)鍵階段，在此過程中可以對實際路網(wǎng)進(jìn)行模擬和仿真，通過Cube軟件的運行模塊，反復(fù)對路網(wǎng)進(jìn)行負(fù)載交通量的增加，最終測試出路網(wǎng)的極限容量，包括 1)搭建壓力測試平臺 壓力測試的第一步就是搭建與實際路網(wǎng)相似的測試環(huán)境，即在計算機(jī)平臺上搭建抽象路網(wǎng)，這是進(jìn)行壓力測試的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。
在此過程中，首先，需要描繪抽象路網(wǎng)，模擬實際路網(wǎng)搭建可供測試虛擬路網(wǎng)環(huán)境。Cube軟件中提供了多種生成路網(wǎng)的方法Cube軟件與地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS直接銜接，可以直接應(yīng)用ArcGIS的數(shù)據(jù)文件直接轉(zhuǎn)換為路網(wǎng)文件，快速完成路網(wǎng)的搭建；另外一種方法是先從數(shù)據(jù)庫中讀入路網(wǎng)坐標(biāo)文件然后再繪制路網(wǎng)，這樣做可以精確的定位路網(wǎng)交叉口的位置；最后一種方法是采用直接繪制的方式，應(yīng)用路網(wǎng)的編輯界面導(dǎo)入對象路網(wǎng)底圖，然后直接在底圖上描繪路段，最終形成路網(wǎng)。
然后需要在路網(wǎng)中輸入各類交通參數(shù)，設(shè)置路段屬性，從而最大程度的模擬實際的交通環(huán)境，提高測試的可靠性。Cube軟件中路網(wǎng)必需添加的屬性包括路段類型、行政區(qū)編號、通行能力索引、速度以及通行能力。
路段類型指為不同道路等級的路段進(jìn)行分類的編號； 行政區(qū)編號指路段所屬的不同行政區(qū)的編號； 通行能力索引指路段的不同通行能力的分類編號； 速度指路段的速度指標(biāo)的數(shù)值； 通行能力指路段的通行能力的數(shù)值。
路網(wǎng)環(huán)境生成之后，對其劃分交通小區(qū)。劃分交通小區(qū)應(yīng)根據(jù)行政區(qū)域、地理條件、經(jīng)濟(jì)聯(lián)系以及運輸集散點的原則，保證交通小區(qū)中心節(jié)點的位置盡量在小區(qū)交通流集中點，而并非交通小區(qū)的形心點或行政中心點，在實際操作中，一般將交通小區(qū)的中心位置定在區(qū)內(nèi)重要的交叉口附近，以便其中心與道路交叉口的連接。
壓力測試只需搭建抽象的路網(wǎng)，將路段抽象成線段，交叉口抽象成節(jié)點，并對節(jié)點進(jìn)行編號，用線段連接某些節(jié)點以劃分交通小區(qū)，并對交通小區(qū)進(jìn)行編號。
2)創(chuàng)建運行模塊 利用壓力測試工具Cube軟件的程序模塊構(gòu)造壓力測試的運行模型，逐步進(jìn)行出行產(chǎn)生、交通分布和交通分配的步驟，模擬交通量的加載過程和最終狀態(tài)。在每一階段，都可以自由選擇函數(shù)并標(biāo)定參數(shù)。
路網(wǎng)分析模塊。在應(yīng)用程序管理器中，應(yīng)用兩次MVNET模塊，核查已繪制的路網(wǎng)，并生成模塊中能夠應(yīng)用的路網(wǎng)文件，并將其存儲成數(shù)據(jù)文件。需要輸入交通小區(qū)數(shù)量、節(jié)點數(shù)量各參數(shù)、設(shè)置程序使用方式和輸出文件的類型或格式。
出行產(chǎn)生模塊。出行產(chǎn)生就是計算出對象地區(qū)的各交通小區(qū)的交通需求總量，通過AVROAD模塊運行交通生成，需要設(shè)置路徑建立方式、報告輸出格式和精算方式，可以選定或自定義模型的形式、相關(guān)變量選擇和采用何種集合程度，模型主要形式包括回歸分析模型、類別分析模型、層次回歸分析模型。
交通分布模塊。交通分布這一步驟的任務(wù)是把交通需求總量轉(zhuǎn)換成各交通小區(qū)之間的空間交通量，主要利用MVGRAM模塊。需要輸入各交通小區(qū)的交通需求總量，設(shè)置模型函數(shù)及相應(yīng)參數(shù)，如重力模型和增長系數(shù)模型。
交通分配模塊。交通分配是指將各交通小區(qū)之間的空間交通量，根據(jù)已知的路網(wǎng)描述，按照設(shè)定的規(guī)則符合實際地分配到路網(wǎng)中的各條路段上，進(jìn)而求出路網(wǎng)中各路段的交通量。Cube軟件完成交通分配過程可以利用MVHWAY模塊或利用AVROAD和AVCAP模塊的反復(fù)跌代。該程序需要輸入速度和流量的關(guān)系曲線，它的形式是離散的數(shù)據(jù)表，同時需要選擇交通分配的方法，如全有全無法、流量均衡法和平衡法。
分析模塊。Cube軟件的分析模塊用來圖形化顯示交通分配結(jié)果，主要通過MVGRAF或Graphics模塊，顯示了所得的路網(wǎng)交通分配結(jié)果，可按需要選擇顯示飽和度、交通量、速度各路網(wǎng)特征參數(shù)，也可以輸出各種數(shù)據(jù)文件。輸出結(jié)果可以通過屏幕、AutoCAD、HPGL繪圖儀等多種設(shè)備進(jìn)行顯示，同時可以進(jìn)行編輯。
3)運行壓力測試并檢測路網(wǎng)性能 建立運行模塊之后，即可根據(jù)測試策略對路網(wǎng)進(jìn)行壓力測試，顯示每次測試的結(jié)果，同時檢測并比較路網(wǎng)的運行情況，包括路網(wǎng)交通量Xm、路網(wǎng)平均飽和度sm和路網(wǎng)平均速度vm。
如果測試結(jié)果不符合預(yù)先設(shè)定的路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)，即sm-S<0或vm-V>0，則增加交通量壓力Δf再次進(jìn)行測試，路網(wǎng)交通量Xm＝X0+m×Δf×t；一旦路網(wǎng)達(dá)到資源飽和或路網(wǎng)性能出現(xiàn)突變，達(dá)到路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)，即sm-S>0，sm-S<εs且vm-V<0，V-vm<εv，可停止壓力測試，此時的路網(wǎng)交通量可作為該路網(wǎng)的極限容量，即Q＝Xm，測試階段結(jié)束。
分析階段包括 1)分析壓力測試結(jié)果 壓力測試運行結(jié)束后，對結(jié)果進(jìn)行匯總和分析，使用一些圖形、表格來比較和觀察測試結(jié)果，同時需要分析測試的對象，包括壓力測試使用的交通量增加值、實施測試的次數(shù)及路網(wǎng)運行狀態(tài)。
2)提交壓力測試報告 當(dāng)壓力測試的結(jié)果達(dá)到預(yù)期需求和目標(biāo)時，可結(jié)束此次壓力測試，并提交壓力測試報告。內(nèi)容包括壓力測試概況、壓力測試環(huán)境、壓力測試策略、壓力測試模型和壓力測試結(jié)果。
基于壓力測試法的路網(wǎng)容量極限值的確定方法及流程應(yīng)用于北京市懷柔區(qū)城區(qū)路網(wǎng)，進(jìn)行壓力測試，計算其路網(wǎng)容量極限值。
準(zhǔn)備階段 1)路網(wǎng)交通狀況 北京市懷柔區(qū)地處北京東部，是一個具有旅游特色城鎮(zhèn)。通過對12條主要路段的路段條件、交通條件等詳細(xì)的調(diào)查，獲得了大量的路段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如表2所示。
表2懷柔城區(qū)路網(wǎng)基本情況 2)建立計算機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò) 通過懷柔區(qū)城區(qū)路網(wǎng)每個交叉口處安裝的動態(tài)信息檢測器、計算機(jī)終端等構(gòu)成的計算機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò)，采集到該路網(wǎng)的24小時交通量如表3所示。
表3懷柔城區(qū)觀測路網(wǎng)交通量 因此，可確定路網(wǎng)實際交通量X0為46305輛/小時，路網(wǎng)實際平均飽和度s0為0.28，路網(wǎng)實際平均速度v0為49.58千米/小時。
3)選取路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo) 根據(jù)本次對懷柔區(qū)城區(qū)路網(wǎng)進(jìn)行壓力測試的對象和最終目標(biāo)，在廣泛的分析和調(diào)查基礎(chǔ)上，決定選取表4中所列的路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)。
表4路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)體系 測試階段 1)搭建壓力測試平臺 運用Cube宏觀交通模擬與規(guī)劃軟件根據(jù)懷柔區(qū)的實際路網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建壓力測試環(huán)境，并劃分了12個交通小區(qū)。
2)創(chuàng)建運行模塊 對該路網(wǎng)創(chuàng)建運行程序，通過直觀的模塊圖構(gòu)造壓力測試的運行模型，路網(wǎng)分析模塊MVNET、出行產(chǎn)生模塊AVROAD、交通分布模塊MVGRAM、交通分配模塊MVHWAY和分析模塊MVGRAF，各模塊順序連接，逐步完成路網(wǎng)的交通量模擬加載。
3)運行壓力測試并檢測路網(wǎng)性能 創(chuàng)建各運行模塊之后，即可開始壓力測試。根據(jù)懷柔城區(qū)的土地利用、居民出行、道路基礎(chǔ)設(shè)施的特點，設(shè)置交通量增加值Δf為5000輛/小時，測試時間t為1小時，路網(wǎng)平均飽和度的精度要求εs為0.001，路網(wǎng)平均速度的精度要求εv為0.1。
在路網(wǎng)實際交通量X0的基礎(chǔ)上，不斷增加路網(wǎng)的負(fù)載直至路網(wǎng)性能出現(xiàn)突變，經(jīng)過16次壓力測試，測試結(jié)果為路網(wǎng)平均飽和度為0.7503、平均速度為18.92千米/小時，達(dá)到路網(wǎng)運行狀態(tài)瀕于崩潰時的指標(biāo)，即可停止壓力測試，并認(rèn)為整個路網(wǎng)的交通量達(dá)到路網(wǎng)容量極限值，即126305輛/小時。
分析階段 1)分析壓力測試結(jié)果 將對懷柔區(qū)路網(wǎng)進(jìn)行壓力測試的所有結(jié)果數(shù)據(jù)匯總并記錄，詳見下表所列。
表5壓力測試結(jié)果匯總 2)提交壓力測試報告 本次對懷柔城區(qū)路網(wǎng)進(jìn)行的壓力測試的結(jié)果達(dá)到預(yù)期的目的，結(jié)束測試，并編寫和提交壓力測試報告。
權(quán)利要求
1.基于壓力測試的路網(wǎng)極限容量確定方法，其特征在于，依次含有以下的步驟
步驟(1)，在計算機(jī)中配置作為壓力測試工具使用的宏觀交通模擬與規(guī)劃軟件Cube及地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS，其中
Cube軟件中含有第一MVNET模塊、第二MVNET模塊、AVROAD模塊、MVGRAM模塊、MVHWAY模塊以及MVGRAF模塊，其中，第一MVNET模塊、第二MVNET模塊、AVROAD模塊、MVGRAM模塊、MVHWAY模塊以及MVGRAF模塊依次串聯(lián)，第二MVNET模塊的輸出端和MVHWAY模塊的輸入端相連，而該MVHWAY模塊的輸出端和MVGRAF模塊的輸入端相連，
在所述Cube軟件中設(shè)置以下參數(shù)
X0路網(wǎng)實際交通量，輛/小時，路段交通量是指在單位時間內(nèi)通過路段某一地點、某一斷面或某一條車道的車輛數(shù)，路網(wǎng)交通量是指單位時間內(nèi)整個路網(wǎng)內(nèi)所有的路段和交叉口容納的車輛數(shù)，所述路網(wǎng)的實際交通量的計算公式為
式中i為路段序號，N為路段總數(shù)量，
Xm第m次測試的路網(wǎng)交通量，輛/小時，
Q路網(wǎng)極限容量，輛/小時，指單位時間內(nèi)整個路網(wǎng)內(nèi)所有的路段和交叉口所能夠容納的最大車輛數(shù)，
Δf路網(wǎng)交通量增加值，輛/小時，為設(shè)定值，
t測試時間，小時，通常取t＝1小時，
T測試周期，通常取T＝1年，
S路網(wǎng)平均飽和度指標(biāo)值，所述飽和度指某條路段的交通量與通行能力的比值，通行能力指單位時間內(nèi)路段的某一斷面所能通過的最大車輛數(shù)，其中，路網(wǎng)平均飽和度由以下公式計算
s0路網(wǎng)實際平均飽和度，
sm第m次測試的路網(wǎng)平均飽和度，
V路網(wǎng)平均速度指標(biāo)值，千米/小時，速度是指路段長度與車輛通過的行程時間的比值，路網(wǎng)平均速度由以下公式計算
式中j為車輛序號，K為路段交通量，輛，
v0路網(wǎng)實際平均速度，千米/小時，
vm第m次測試的路網(wǎng)平均速度，千米/小時，
εs路網(wǎng)平均飽和度的允許誤差，
εv路網(wǎng)平均速度的允許誤差，
在所述Cube軟件中對測試路網(wǎng)設(shè)置下述路段屬性，包括路段類型、行政區(qū)編號、通行能力索引、速度以及通行能力，其中
路段類型是指為不同道路等級的路段進(jìn)行分類的編號，
行政區(qū)編號是指路段所屬的不同行政區(qū)的編號，
通行能力索引是指路段的不同通行能力的分類編號，
速度是指路段的速度指標(biāo)的數(shù)值，
通行能力是指路段的通行能力的數(shù)值，
此外，還需要對所屬路網(wǎng)劃分交通小區(qū)，所述交通小區(qū)是指組成路網(wǎng)的各個單元，每個交通小區(qū)中包含設(shè)定數(shù)量的路段和交叉口，在輸入要進(jìn)行壓力測試的路網(wǎng)中要事先根據(jù)行政區(qū)域、地理條件、經(jīng)濟(jì)聯(lián)系以及運輸集散點的原則劃分交通小區(qū)，所述交通小區(qū)中心節(jié)點的位置盡量在小區(qū)交通流集中的交叉口附近，所述交通小區(qū)由表示交叉口的節(jié)點和表示路段的線段組成，并進(jìn)行編號；
步驟(2)，在所述計算機(jī)中，利用作為壓力測試工具的Cube軟件的所述各程序模塊構(gòu)造如下的壓力測試運行模型
路網(wǎng)分析模塊，應(yīng)用所述互相串聯(lián)的第一MVNET模塊和第二MVNET模塊構(gòu)成，用于核查已繪制的路網(wǎng)，并生成所述壓力測試運行模型中能夠應(yīng)用的路網(wǎng)文件并存儲，需要輸入的參數(shù)至少包含交通小區(qū)數(shù)量和節(jié)點數(shù)量，還需要設(shè)置程序使用方式和輸出文件的類型或格式，
出行產(chǎn)生模塊，其中至少包含回歸分析模型、類別分析模型和層次回歸分析模型，用所述AVROAD模塊構(gòu)成，用于計算路網(wǎng)中各交通小區(qū)的交通需求總量，需要設(shè)置路徑建立方式、報告輸出格式和精算方式，
交通分布模塊，其中至少包含重力模型和增長系數(shù)模型，由所述MVGRAM模塊構(gòu)成，用于把各交通小區(qū)的交通需求總量轉(zhuǎn)換成各交通小區(qū)之間的空間交通量，
交通分配模塊，其中至少包含全有全無法、流量均衡法和平衡法，用所述MVHWAY模塊構(gòu)成，用于將各交通小區(qū)之間的空間交通量，按照設(shè)定的規(guī)則符合實際地分配到路網(wǎng)中的各條路段上，進(jìn)而求出路網(wǎng)中各路段的交通量，
分析模塊，用所述MVGRAF模塊構(gòu)成，用于顯示設(shè)備圖形化顯示所述路網(wǎng)的交通分配結(jié)果，顯示飽和度、交通量、速度各路網(wǎng)特征參數(shù)；
步驟(3)，建立所述計算機(jī)的觀測網(wǎng)絡(luò)，以確定包括路網(wǎng)實際交通量、路網(wǎng)實際平均飽和度和路網(wǎng)實際速度在內(nèi)的各參數(shù)的初始值，其步驟如下
步驟(3.1)，在所述測試路網(wǎng)的每一個交叉口安裝動態(tài)信息檢測器，
步驟(3.2)，向所述動態(tài)信息檢測器輸入至少包含所在路段的道路等級、路段中的車道數(shù)量、路段中的車道寬度、路段的橫斷面形式、路段的車速以及路段的通行能力的數(shù)據(jù)，
步驟(3.3)，所述動態(tài)信息檢測器對路段中移動的車輛進(jìn)行交通參數(shù)實時的采集，得到該路段的實際交通量、飽和度和速度，實時地上傳到計算機(jī)的終端；
步驟(4)，在所述計算機(jī)中將所述宏觀交通模擬與規(guī)劃軟件Cube與地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS直接銜接，應(yīng)用ArcGIS的數(shù)據(jù)文件直接將路網(wǎng)圖形和步驟(1)中所述的路段屬性轉(zhuǎn)換為可供Cube軟件使用的路網(wǎng)文件，快速完成路網(wǎng)的搭建；
步驟(5)，所述計算機(jī)按以下步驟進(jìn)行壓力測試
步驟(5.1)，利用所述Cube軟件的壓力測試運行模型計算由計算機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，得到路網(wǎng)實際交通量X0、路網(wǎng)實際平均飽和度s0和路網(wǎng)實際平均速度v0，所述X0即為采集到的路網(wǎng)交通量的最大值，
步驟(5.2)，按照設(shè)定的所述測試用的路網(wǎng)交通量增加值Δf、測試時間t和測試周期T，利用所述Cube軟件的壓力測試運行模型對搭建的路網(wǎng)進(jìn)行壓力測試，得到Xm、sm和vm，
步驟(5.3)，對于每次測試的結(jié)果，若測試結(jié)果不符合預(yù)先設(shè)定的路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)，即sm-S<0或vm-V>0，則增加交通量壓力Δf再次進(jìn)行測試，路網(wǎng)交通量Xm＝X0+m×Δf×t；一旦測試結(jié)果達(dá)到路網(wǎng)運行質(zhì)量評價指標(biāo)，即sm-S>0，sm-S<εs且vm-V<0，V-vm<εv，停止壓力測試，此時的路網(wǎng)交通量作為該路網(wǎng)的極限容量Q，測試周期不超過T。
全文摘要
基于壓力測試的路網(wǎng)極限容量確定方法屬于路網(wǎng)交通量控制技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，利用計算機(jī)的觀測網(wǎng)絡(luò)采集路網(wǎng)的交通參數(shù)，再利用宏觀交通模擬與規(guī)劃軟件Cube及地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS在所述計算機(jī)中生成路網(wǎng)文件及壓力測試的初始值，然后利用由Cube軟件生成的壓力測試運行模型在設(shè)定的測試周期內(nèi)進(jìn)行壓力測試，計算路網(wǎng)平均飽和度和路網(wǎng)平均速度，并與設(shè)定的路網(wǎng)平均飽和度和路網(wǎng)平均速度指標(biāo)值相比較，判斷是否滿足設(shè)定的要求，只要其中有一個不滿足，需增加路網(wǎng)交通量繼續(xù)壓力測試直至二者均滿足要求，此時的路網(wǎng)交通量即為路網(wǎng)極限容量。本發(fā)明提高了計算的準(zhǔn)確性、可靠性和效率，填補了用壓力測試確定路網(wǎng)極限容量的空白。
文檔編號G06F9/44GK101364344SQ20081011571
公開日2009年2月11日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者建 榮,  厲, 泉 于, 揚 邊 申請人:北京工業(yè)大學(xué)