基於元胞自動機的港區道路縱坡度設計方法
2023-06-12 18:02:11 3
專利名稱：基於元胞自動機的港區道路縱坡度設計方法
技術領域：
本發明屬於港區道路設計技術領域，具體涉及一種港區道路縱坡度設計方法。
背景技術：
線形設計是港區道路設計的關鍵，線形設計的好壞是港區道路總體設計及其設計 質量高低的重要評價標準。縱斷面線形設計是港區道路線形設計的重要組成部分，縱斷面 線形的設計質量很大程度上決定著道路行車的安全性和道路的使用功能。港口的地理位置比較特殊，一股是多條道路的起點或終點，同時又是大宗貨物和 客流的集散中心，與之關聯的港區內外道路的交通特性有別於一股城市道路。港區道路縱 斷面平面線形設計中，需要根據港區道路交通特點對各種線形比例進行優化組合，對各種 線形參數進行合理選擇，最終設計出一條適合港區道路的縱斷面線形。港口由於地理位置 及功能的特殊性，與之關聯的港區道路的交通特性有別於一股城市道路，主要體現在以下 幾個方面1)港區交通構成大、中型車輛比例高。港內道路交通構成明顯不同於城市道路， 城市道路交通的人包括行人與駕駛員，而在港區交通則主要指駕駛員，港區道路中車輛構 成也明顯不同於城市道路，港區道路車輛主要包括貨櫃卡車、大中型貨車等，其比例常達 到八成以上，而城市道路車輛則以小型車為主。港區道路交通構成明顯不同於城市道路的 特點，要求在港區道路縱斷面線形的設計中要考慮到港區道路人、車、路的因素對各種控制 參數的影響，通過對行駛車輛的受力分析，合理調整曲線半徑、長度等各種線形參數來滿足 港區道路車輛對行車安全及舒適性的要求。2)港區道路車速較快。港區內的車輛運行規律和特性很大程度由港區內作業流 程及其運輸需要決定的。由於港區車輛運輸貨物具有很強的時效要求，因此其車輛速度構 成和城市道路有明顯不同，以天津港新港四號路為例，根據交通調查數據，車輛平均車速 46. 2km/h,比天津市區平車車速高出約30%。這要求在對港區道路縱斷面線形設計時，合理 的調整各種線形參數，特別考慮在車輛速度較高高時對道路線形安全性的要求。車型和車速是道路彎道線形設計中重要影響因素，由於港區道路在上述兩個方面 的特殊性，因此實際設計過程中需要著重考慮。與城市道路的縱坡面線形規劃設計的著重 區點是設計沿線縱坡大小及坡段長度；選定滿足行車技術要求的豎曲線。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的上述不足，結合港區交通特點，提出一種港口貨 運專用道路縱坡度設計方法，為此本發明採用的方案如下一種基於元胞自動機的港區道路縱坡度設計方法，包括下列步驟第一步初步確定所要設計縱坡坡度的上限值取值範圍；第二步從車輛的動力性能、自然環境和駕駛員的心理特徵出發，得到港區車輛的 行駛特性，具體步驟如下
(1)求解重型拖掛車各個檔位下的最大爬坡坡度選取一種典型的重型拖掛車，利用公式、ax [(^^^-^eFPVG-/求得該種
車輛在各個檔位下所能行駛的最大坡度，式中，imax為車輛在第k個檔位；即變速比為ik時 能行駛的最大坡度值為發動機曲軸扭矩；ik為不同檔位下的變速比；、為主傳動器的減 速比；ηΜ為機械效率；rk為輪胎半徑；K為空氣阻力係數；F為車輛在縱軸垂直平面上的投 影面積；V為汽車時速；G為車輛的載重；f為地面的滾動摩擦力係數；(2)求解重型拖掛車各個檔位下的最大車速利用公式〔ax求得重型拖掛車各個檔位下的最大車速，式中，
Vo
Vmax為rk為在第k個檔位；即變速比為ik時能行駛的最大車速輪胎半徑；為發動機轉數； I0為主減速比；ik為不同檔位下的變速比；(3)考慮自然環境對車速的影響設ρ為路況對車速的影響係數，利用公式V' max = VmaxP得到車輛在路況較差時 在各個檔位下所能行駛的最大速度；(4)依據車輛性能對車輛的爬坡坡度與最大車速進行匹配設定駕駛員在車輛爬坡時選取能夠以最大車速行駛並能保證車輛上坡的檔位行 駛，依據車輛性能對車輛的爬坡坡度與最大車速進行匹配，得到車輛行駛規則，其中的最大 車速選用車輛在路況較差時在各個檔位下所能行駛的最大速度。
(5)基於駕駛員的心理特徵確定車輛在縱坡上行駛的加速度 根據下列公式確定駕駛員在坡路上行駛的跟馳加速度
關-n
式中l、m、γ為經驗取值，為常數；i表示坡度值；g為重力加速度；A1為修正系 數;Vn(t)、Vn+1 (t)分別為第η輛與第η+1輛車的速度;Sn(t)、Sn+1 (t)分別為第η輛與第η+1 輛車的位置；λ2為坡度對跟馳行駛的影響程度，值的選取分為兩種情況1)當汽車上坡 時，且sign (Vn-Vn+1) = 1，λ2為負的常數；sign(Vn-Vn+1) = -1時，λ2為正的常數，2)汽車 下坡時，不論何時，λ 2均為正的常數；第三步建立元胞自動機仿真模型將元胞的長度設計為lm，加、減速度可為多個 元胞的長度，確定基於元胞自動機的港區車輛縱坡行駛仿真模型的跟馳規則1)力卩速規貝丨J 如果 V(t) ^ Vmax,則 V(t+1) = min(Vmax, V+a),且2)減速規則根據下列公式計算車輛的安全間距 = A +1.6Γ + f - 0.1Γ - f，式中，V和a_為當前車輛的速度和所能達到的最大
maxmax
加速度，V'和a' _為前導車的速度和所能達到的最大加速度；3)隨機規則在概率 ρ 下，V(t+1) = max (0, V(t+1)-1)，；4)位移規則:x (t+1) = χ (t) +V (t+1)。
第四步確定基於元胞自動機的港區車輛縱坡行駛仿真模型的換道規則1)當前車輛與前導車輛的距離(d)小於最大速度(Vmax)，即d < Vfflax ；2)當前車輛與前導車輛的距離(d)不足以使車輛再加速，即d < V+a ；3)當前車輛與旁邊道路的前方車輛的距離(D。thJ大於d且大於或等於Vmax，即
D0ther〉山 DotJier ^ Vmax 『4)當前車輛與旁邊道路的後方車輛的距離(Dbadt)大於安全距離(Dsafe)，即Dbadt >
DSafe 0第五步簡化港區車輛的車型，並將各種車輛換算為單一車種，再根據第二步確定 的港區車輛的行駛特性以及第三步和第四步建立的元胞自動機仿真模型，通過控制縱坡坡 度值參數，對港區的交通進行仿真，並對其結果進行評價，考察設計方案是否能到達通行能 力的要求；第六步若不能達到要求，則重新選擇縱坡坡度值，返回第二步，直至達到設計要 求。本發明的優點如下(1)充分考慮了港區交通的主要參與者_重型拖掛車的車身長、車型大和爬坡性 能較差的特點，從研究重型拖掛車的動力性能出發設計縱坡度，從而使本發明區別於城市 縱斷面線形設計，具有很強的針對性；(2)自然環境對車輛在縱坡路段的行駛有較大的影響，加入環境對車輛行駛的影 響因素後，能夠使本發明成果對北方港區城市和南方港區城市的縱坡度設計加以區別；(3)本發明提出的設計方法所依據的仿真模型，在跟馳、換道規則的設計上考慮了 港區駕駛員上坡時的心理特點，具有相當的真實性。
圖1基於元胞自動機仿真的港區道路縱坡度設計框架。圖2各檔車速與發動機轉速所對應的關係。圖3時空圖(縱坡2% )。圖4時空圖(縱坡2.5% )。圖5時空圖(縱坡3% )。圖6時空圖(縱坡3.5%)。圖7時空圖(縱坡4% )。
具體實施例方式車輛的爬坡能力與車輛的動力性能有直接的關係，因此在對港區道路的縱坡坡度 進行設計時要充分考慮港區車輛的特殊性。此外，自然環境因素的好惡也能影響車輛爬坡 的車速，從而對港區縱坡坡度的最大值進行限定時也要充分考慮港區所在城市的自然環 境。本設計通過對車輛性能、自然環境和駕駛員心理的不同特點進行分析，提出一種基於元 胞自動機的港口貨運專用道路縱坡坡度設計方法。設計結構框架如圖1所示，主要步驟有1.分析要設計的道路的所在交通環境、道路等級要求、主要車輛的類型、性能及比 例；
2.根據上述信息，初步確定所要設計縱坡坡度的上限值取值範圍；3.從車輛的動力性能、自然環境和駕駛員的心理特徵出發，得到港區車輛的行駛 特性車輛的動力性能約束了車輛的最大爬坡坡度與速度，自然環境進一步影響了車輛的 行駛速度，從駕駛員的心理特徵出發研究其跟馳加速度；4.建立元胞自動機仿真模型由上述分析確定車輛在不同坡度縱坡上的最大車 速，加、減速度，再設計車輛的跟馳規則和換道規則；5.簡化港區車輛的車型，並將各種車輛換算為單一車種，再根據第二步確定的港 區車輛的行駛特性以及第三步和第四步建立的元胞自動機仿真模型，通過控制縱坡坡度值 參數，對港區的交通進行仿真，並對其結果進行評價，考察設計方案是否能到達通行能力的 要求；6.若不能達到要求，則返回2，重新選擇縱坡坡度值進行仿真，直至達到設計要 求。下面對本發明做詳細說明。由於拖掛車的載重較大，與一股汽車相比其爬坡性能較差，而港區交通的主要參 與者恰為重型拖掛車，因此本發明選取一種典型的重型拖掛車-J5P6X4平頭柴油半掛牽 引車做詳細分析。其具體參數設置如下表1車輛設計參數
權利要求
一種基於元胞自動機的港區道路縱坡度設計方法，包括下列步驟第一步初步確定所要設計縱坡坡度的上限值取值範圍；第二步從車輛的動力性能、自然環境和駕駛員的心理特徵出發，得到港區車輛的行駛特性，具體步驟如下(1)求解重型拖掛車各個檔位下的最大爬坡坡度選取一種典型的重型拖掛車，利用公式求得該種車輛在各個檔位下所能行駛的最大坡度，式中，imax為車輛在第k個檔位；即變速比為ik時能行駛的最大坡度值；Me為發動機曲軸扭矩；ik為不同檔位下的變速比；i0為主傳動器的減速比；ηM為機械效率；rk為輪胎半徑；K為空氣阻力係數；F為車輛在縱軸垂直平面上的投影面積；V為汽車時速；G為車輛的載重；f為地面的滾動摩擦力係數；(2)求解重型拖掛車各個檔位下的最大車速利用公式求得重型拖掛車各個檔位下的最大車速，式中，Vmax為rk為在第k個檔位；即變速比為ik時能行駛的最大車速輪胎半徑；ne為發動機轉數；i0為主減速比；ik為不同檔位下的變速比；(3)考慮自然環境對車速的影響設ρ為路況對車速的影響係數，利用公式V′max＝Vmaxρ得到車輛在路況較差時在各個檔位下所能行駛的最大速度；(4)依據車輛性能對車輛的爬坡坡度與最大車速進行匹配設定駕駛員在車輛爬坡時選取能夠以最大車速行駛並能保證車輛上坡的檔位行駛，依據車輛性能對車輛的爬坡坡度與最大車速進行匹配，得到車輛行駛規則，其中的最大車速選用車輛在路況較差時在各個檔位下所能行駛的最大速度；(5)基於駕駛員的心理特徵確定車輛在縱坡上行駛的加速度根據下列公式確定駕駛員在坡路上行駛的跟馳加速度 a= 1 V n l ( t ) ( V n- V n+1 ( t )) m ( Sn (t) - S n + 1 (t) )p + 2sign ( Vn - V n + 1 )gi 式中l、m、γ為經驗取值，為常數；i表示坡度值；g為重力加速度；λ1為修正係數；Vn(t)、Vn+1(t)分別為第n輛與第n+1輛車的速度；Sn(t)、Sn+1(t)分別為第n輛與第n+1輛車的位置；λ2為坡度對跟馳行駛的影響程度，值的選取分為兩種情況1)當汽車上坡時，且sign(Vn Vn+1)＝1，λ2為負的常數；sign(Vn Vn+1)＝ 1時，λ2為正的常數，2)汽車下坡時，不論何時，λ2均為正的常數；第三步建立元胞自動機仿真模型將元胞的長度設計為1m，加、減速度可為多個元胞的長度，確定基於元胞自動機的港區車輛縱坡行駛仿真模型的跟馳規則1)加速規則如果V(t)≤Vmax，則V(t+1)＝min(Vmax，V+a)，且2)減速規則根據下列公式計算車輛的安全間距式中，V和amax為當前車輛的速度和所能達到的最大加速度，V′和a′max為前導車的速度和所能達到的最大加速度；3)隨機規則在概率p下，V(t+1)＝max(0，V(t+1) 1)，；4)位移規則x(t+1)＝x(t)+V(t+1)；第四步確定基於元胞自動機的港區車輛縱坡行駛仿真模型的換道規則1)當前車輛與前導車輛的距離(d)小於最大速度(Vmax)，即d＜Vmax；2)當前車輛與前導車輛的距離(d)不足以使車輛再加速，即d＜V+a；3)當前車輛與旁邊道路的前方車輛的距離(Dother)大於d且大於或等於Vmax，即Dother＞d，Dother≥Vmax；4)當前車輛與旁邊道路的後方車輛的距離(Dback)大於安全距離(Dsafe)，即Dback＞Dsafe；第五步簡化港區車輛的車型，並將各種車輛換算為單一車種，再根據第二步確定的港區車輛的行駛特性以及第三步和第四步建立的元胞自動機仿真模型，通過控制縱坡坡度值參數，對港區的交通進行仿真，並對其結果進行評價，考察設計方案是否能到達通行能力的要求；第六步若不能達到要求，則重新選擇縱坡坡度值，返回第二步，直至達到設計要求。FDA0000026070070000011.tif,FDA0000026070070000012.tif,FDA0000026070070000021.tif,FDA0000026070070000022.tif
全文摘要
本發明屬於港區道路設計技術領域，涉及一種基於元胞自動機的港區道路縱坡度設計方法，包括下列步驟初步確定所要設計縱坡坡度的上限值取值範圍；從車輛的動力性能、自然環境和駕駛員的心理特徵出發，得到港區車輛的行駛特性；建立元胞自動機仿真模型，確定基於元胞自動機的港區車輛縱坡行駛仿真模型的跟馳規則簡化港區車輛的車型，並將各種車輛換算為單一車種，建立元胞自動機仿真模型，通過控制縱坡坡度值參數，對港區的交通進行仿真，並對其結果進行評價，考察設計方案是否能到達通行能力的要求。與傳統方法相比，採用本發明法人設計方法得到的港區彎道線形設計方案更為符合港區交通特性。
文檔編號E01C1/00GK101935969SQ20101027859
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者付曉敦, 馮煒, 劉潤有, 劉超, 周驪巍, 張國梁, 張洋, 曹凌峰, 曾偉, 李明劍, 杜鵬, 楊軍, 楊進際, 段緒斌, 狄升貫, 王志華, 王新岐, 王曉華, 申嬋, 白子建, 程海波, 練象平, 苑紅凱, 賀海, 靳燦章, 龔鳳剛 申請人:天津市市政工程設計研究院