城市道路动态通行能力模型

综合论坛2712015年第27期新教师教学引言当今世界，随着经济社会的不断发展，城市里人们的数量逐渐增长，车道上机动车的数目也随之日益增加，有时由于交通事故、信号灯时长等原因，便会导致车道被占用，从而引起交通的拥堵。当交通堵塞发生时，我们该如何应对？目前，由于道路通行能力所涉及的交通流的复杂性，传统的交通流模型以概率论和微积分为代表的数学思想为基础，其限制条件极为苛刻，很难拟合现实中灵活多变的道路通行状况。研究城市道路的通行能力成为了一项热门的话题，本文基于2013年全国数学建模大赛所提供的数据视频，利用边缘滤波、遗传算法优化后的BP神经网络等一系列建模思想展开分析与论述，力求为交通管理部门提供一份可靠满意的答卷。1建模准备1.1模型假设（1）视频提供信息真实可信，司机不存在醉驾的情况。（2）假设只有电瓶车、小轿车和客货车。（3）车身只要有超过一半通过横截面就算一个。1.2图像处理由于拍摄角度、相机像素等原因，使得视频画质不够清晰，所以我们需要对图像进行处理，首先我们利用rgb2gray函数将真彩色图像转化为灰度图像，再采用histep函数进行直方图均衡化，增强了图像的对比度，为了使图像更清晰，我们先加入椒盐噪声，之后使用medfilt2函数进行中值滤波，有效地控制住噪声，使得图像轮廓及边缘不被破坏，视觉效果好。分别见图1和图2：图1直方图均衡化图2中值滤波2事故发生时的可能通行能力分析2.1数据分析在正式分析之前，我们应知道什么是通行能力，通行能力是指受到道路、交通等的影响，通过某条道路截面的最大交通量。它又分为基本通行能力、可能通行能力和设计通行能力，根据所提供的数据，上游路段的红绿灯交替为60秒，为了减小周期带来的影响，我们选择以60秒为周期进行计算。通过计算120米长的道路通过的车辆个数，来估算出车子的平均速度，进而推算出可能通行能力的大小。为了不同车辆在相同尺度下的交通流，在计算时统一化成标准当量，根据交通部的规定，具体换算见下表：表1车辆换算系数代表车型换算系数说明电动车/小轿车0.5无小型车1.0客车座位≤9，货车载货吨数≤1吨轻型车1.2客车座位10～19，货车载货吨数1～2.5吨中型车1.5客车座位20～49，货车载货吨数2.5～7.0吨大型车2.0客车座位50～99，货车载货吨数7.0～14吨2.2模型建立2.2.1基本通行能力基本通行能力是指在理想的道路、交通条件下，单位时间里通过道路的最多车辆数。它的计算公式是，其中v是指行车的速度（km/h），lo是指车头最小间距（m），根据参考文献，不控制出入多车道公路基本道路通行能力推荐值为2000pcu/h。2.2.2可能通行能力（理论）可能通行能力是指考虑到实际情况对基本通行能力的系数进行修正后的值，修正系数包括：①车道宽度修正系数γ1；②侧向净空修正系数γ2；③纵坡度修正系数γ3；④视距不足修正系数γ4；⑤沿途条件修正系数γ5.道路的实际通行能力Nk=Nmax*γ1*γ2*γ3*γ4*γ5，我国规定的车道宽度是3.75m由于道路宽是3.25m，所以根据参考文献，得：γ1=0.94，γ2=1，γ3=1，γ4=0.69，γ5=0.91，因此我们计算出了理论道路通行能力大约是1180.4。2.2.3可能通行能力（实际）N=Nk*60，单位是pcu/h，根据视频及前面所给的车辆换算系数，我们计算出的实际通行能力如下表所示（从16：42：20至16：58：20结束，每隔一分钟算一个时间点，出于谨慎，部分发生跳跃的视频我们直接忽略）表2事故发生前后的实际通行能力变化时间点12345678实际通行能力15001290126012301170132014401200时间点910111213141516实际通行能力11701050111010801200105010501020由上表可知：可能通行能力值总是在基本通行能力附近波动。在16：49：20左右，事故发生，此时通行能力急剧减小，这说明实际通行能力很大程度上受到了现实的制约，本质上还是由理论值决定。3排队长度与事故所在截面通行能力、事故持续时间等因素间的关系3.1模型建立3.1.1排队长度的计算由于车辆所排的队并不是一条直线，有关曲线无法用线性比例尺计算出结果，因此我们采用非线性比例尺。3.1.2基于遗传算法的BP神经网络测试BP神经网络提出于1986年，是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网，其由输入层、隐含层、输出层组成，当输入样本从输入层神经元输入后，通过层层隐含神经元最后输出到输出神经元，在返回过程中不断修正权值因子。这样反复进行的过程将使得预测的效果越来越切合实际情况。然而，本项目中理论通行能力、占道时长、路段上游车辆都是影响因子，使用神经网络不能直观描述三个变量与排队长度的关系，因此本项目将根据样本情况采用一定策略将某两个变量统一，使得BP神经网络有两个输入层细胞、一个输出层细胞。但是由于其自身存在的冗余性和不稳定性，易受到局部极点的影响，收敛速度慢，因此我们采用遗传算法优化BP神经网络，这是一种优胜劣汰的算法，与单纯的BP神经网络算法相比，这样做处理的数量数量更多，适合于复杂的交通流分析，我们先用遗传算法通过选择、交（下转287页）城市道路动态通行能力模型李丹青石艳玲陈丽娟叶锴（盐城工学院江苏盐城224002）【摘要】运用数学建模的相关知识，综合考虑车流密度、车辆行驶速度、因突发情况导致车道占用时长不定等多种因素，建立城市道路动态通行能力模型，为城市交通管理规划提供理论基础。【关键词】通行能力；中值检测；神经网络；遗传算法【中图分类号】U491.114【文献标识码】B【文章编号】2095-3089（2015）27-0271-02综合论坛2872015年第27期新教师教学的现代化。这代表以人的生存发展和幸福为中心或以人为本的价值观形成了，这符合人的全面发展的理论，符合马克思主义价值观，符合社会发展的规律和要求，具有历史合理性和进步性。以人为本的价值观教育理念强调尊重人、依靠人、解放人、发展人，不能将价值标准作为外在的机械的规则工具，强调对人的约束或驯化。这一理念淡化了价值观教育的工具职能和外在目的，以对人的理解为基础，加强人与人之间的理解和交流，寻找为人的真谛，也就是人的意义与价值。与此同时，以人为本的价值观教育理念还要注重人的价值观和德行的健康成长，培养学生的价值观发展潜力，例如培养学生的价值思维能力、价值判断能力、价值选择能力，促进学生主体性人格的健康发展。3、培养大学生具有科学精神的价值追求19世纪以后，科学这个词就经常当做“自然科学”的同义词，把科学等同于技术、等同于物质财富，等同于生产力。但实质上，科学首先必须是理性的思维活动，是一种特殊的思想和行动，才能形成物质的成果。而科学精神是一种以求真、求实、求新、求发展为内涵的观念文化和价值取向，它表现出的的是一种实事求是、客观公正、创新发展的精神特质，倡导有所进步、有所贡献的人生取向。科学精神不仅是一种价值观，还作为一种精神力量蕴含在个人或群体的行为中，代表着方法论原则和探求真理的精神境界，表达敢于坚持科学思想的勇气和不断探求真理的意思。中国社会在改革开放持续推进过程中，传统文化的价值观念与外来文化的价值观念不断碰撞、摩擦，同时不断融合嬗变，如果没有科学精神作为价值追求的支撑，极易产生价值观的异化，例如功利的价值观。培养大学生大学生具有科学精神的价值追求，要注重求真精神、自由精神、批判精神、创新精神、求实精神、求善精神等精神特质的培育。求真精神是一种无私奉献的伦理精神，是对知识和真理的追求，这是科学精神的内在意识；自由精神不仅体现了追求真理和知识的执着，而且体现了追求过程中的自由开放和独立思考的态度；批判精神是反思的科学态度，是科学精神的鲜明体现；创新精神是进步的变革精神，为社会价值观的发展提供了思想支点；求实精神是科学精神的根本，是社会价值观得以前行的真正动力；求善精神是科学精神的最高价值和最终目的，体现了科学精神的道德价值。科学精神作为一种意识，指导着人的思维和行为方式，培养大学生具有科学精神的的价值追求是高等教育的命脉所在。中国社会在转型的历程中，要创造巨大的物质财富，提高社会生产力发展水平，就必须打破封闭、僵化的观念，以实事求是的态度对待经济社会中的各项事务，用具有科学精神的价值追求教育大学生，才能使之具有良好的科学意识和科学理性。（上接271页）叉和变异操作找到最优适应度对应个体，抛弃偶然性过强的样本，然后再用得到的最优个体设置神经网络初始权值和阈值，在此基础上上神经网络训练得出预测函数输出。3.2结论总结排队长度与事故横断面实际通行能力、事故持续时间、路段上游车流量间息息相关，当排队长度增加时，事故横断面实际通行能力减少，事故持续时间增加，同时路段上游车流量增加。4结语4.1该模型的优点与不足4.1.1该模型的优点（1）采用图像处理，使得原视频不清楚的地方变得清晰，便于统计数据。（2）在写参数时，我们在网上查阅了大量的资料，力求做到准确。（3）使用基于遗传算法的BP神经网络进行分析，使得数据分析的更加全面。4.1.2该模型的缺点（1）考虑的因素还不够全面，我们仅仅只是考虑了车子的单向单车道行驶，未考虑多车道的情况，考虑的部分参数参照的是国外发达国家的标准，在我国不一定适用。（2）在图像处理上还存在欠缺，因为情况的复杂性，未考虑对运动的物体实行跟踪。4.2对交通管理部的建议在出现车道被占导致排队时要及时处理事故，疏散上游车辆。同时要注意合理分流，增加主干道的宽度.参考文献[1]2013年全国大学生数学建模A题题目[EB/OL].http：//[2]陈宽杰，严宝杰.道路通行能力分析[M]，人民交通出版社，2003年10月187～193[3]交调管理员，道路路段通行能力分析[DB/OL]，http：//，2004-11-19/2015-9-1[4]通行能力剖析[DB/OL]，http：//，2014-07-22/2015-9-1（上接256页）式、明确地列入相应法规之中，给予自闭症患者以残疾人的待遇。[2]2、国家财政增加在自闭症方面的投资比重国家应继续增加对特殊教育系统的财政支出，针对相关自闭症康复机构和组织给予更多实质性的福利，让其充分发挥更大的作用。自闭症儿童的家庭面临沉重的经济负担，国家相关部门应尽早制定福利政策，对自闭症患者家庭提供救助，并由民政部门统一管理，保障救助津贴发放到位，发放充分，以便更好地实现对自闭症儿童的照料。[3]3、呼吁企业积极承担社会责任企业在社会经济发展中发挥着重要的作用，其社会职能也在很大程度上作出实质性的效果。自闭症儿童在成年以后面临很大的问题就是就业保障问题，这些特殊群体目前在我国还没有多少企业能够提供专门的岗位和这样的机会来保障他们的生存问题，但在我国港澳台地区和国外一些国家就有很多专门的工厂给他们提供就业岗位和机会。呼吁企业积极回馈社会，开展公益性活动，为自闭症家庭提供资金支持，减轻这些群体的经济负担，从而把企业的社会职能充分发挥。4、加强自闭症知识宣传，提高社会关注度目前，社会大众对自闭症儿童还不了解，自闭症儿童及家庭依然作为弱势群体存在，许多人用歧视、排斥的态度来对待，这让自闭症群体显得更加孤独。因此，呼吁广大媒介利用如世界自闭症日，六一儿童节等节日，大力普及宣传自闭症知识，让他们了解自闭症群体，号召社会大众减少甚至消除对他们的歧视和排斥，让这些特殊儿童可以尽快地融入社会。[4]四、总结我们通过对深圳市“紫飞语”特殊儿童康复中心的走访调查，切实了解了自闭症儿童家庭及康复机构面临的一些问题和需求，明显感受到自闭症群体遭受的压力以及康复机构发展的窘境，他们在医疗，教育，就业，法律保障等方面得不到太多支持。要想改善这样的现象，很大程度上要靠社会各界共同努力，希望更多的人能够贡献自己的力量来帮助自闭症群体，让他们尽早走出孤