CN101299298A - 一种道路自适应入口匝道汇入控制设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种道路自适应入口匝道汇入控制设备与方法，用于调节高速公路或城市快速道路的入口匝道汇入流量。核心设备匝道汇入控制器以一定的周期采集控制范围内交通参数检测器检测到的流量、速度、占有率等交通参数，通过EXPAlinea算法计算，匝道汇入信号灯交替变化达到控制流量的目的，还可控制匝道汇入倒计时器、匝道口通行灯和情报板等辅助设备使得整套设备更加人性化。EXPAlinea算法先采用动态目标占有率的基本算法得到初步调节率，再根据上一周期的调节率进行平滑或根据主线上下游和匝道情况采用排队优先策略；信号配时是EXPAlinea控制算法得到的调节率的表现形式，以交通信号灯显示；同样的调节率值，匝道排队长度的不同，采用不同的信号周期和绿信比。

Description

一种道路自适应入口匝道汇入控制设备与方法

技术领域

本发明涉及一种道路自适应入口匝道汇入控制设备与方法，用于调节高速公路或者城市快速道路的入口匝道汇入流量，或者具有相似交通特点的支线道路交通控制，控制方法还可以用于其他具有相似物流特点的工业控制，属于智能交通控制技术领域和自动控制技术领域。

背景技术

随着国民经济的快速发展，人民生活质量的提高，出行的代步工具汽车大幅增加，地面交通需求大大增加，为了缓解交通压力，城市快速道路应运而生，它可以实现大流量、快速的、长距离的交通量流动，改善城市市区的交通拥挤问题。但是，目前国内大中城市不仅是市区道路而且快速道路交通也已经相当拥挤，通过增加设施量来缓解中心区交通矛盾的空间已经很小。因此，各大中城市都在寻求城市交通问题的解决之道，针对城市中心区道路路网密度大的特点，采用交通控制来缓解城市中心交通压力是其中有效的解决方案之一。高速公路或城市快速路交通控制的最主要手段就是入口匝道控制，入口匝道控制可以控制进入快速道路的交通量，可以使整个路网上的交通流量分布合理，充分利用其通行能力。

国外关于入口匝道控制的理论在上世纪60年代已开始着手研究，相关理论已经相对成熟，提出了多种匝道控制算法(如定时控制、需求-容量差额控制、占有率控制、ALINEA控制算法等)，美国、法国、德国、英国、荷兰等国都已有成功应用。法国巴黎在A6w上采用ALINEA控制算法，将算法形式从调节率转换为绿灯时长，并固定周期为40秒钟；英国M6采用ALINEA算法，并结合了相邻地面路口的信号来控制排队；德国慕尼黑A94对ALINEA进行改进，采用动态预估关键占有率值的方法。这些控制方法虽然取得了良好的控制效果，但是对于我国城市快速路入口匝道大流量的断续交通流来说，存在着一定的局限性：在信号配时方案上国外一般采用一车一绿、两车一绿的方法，这样可以最大程度上减小对主线的冲击，但是大大增加了车辆停车次数，而且采用这种方法即使饱和流量也无法满足我国城市快速路入口匝道的交通需求；我国的地面道路、快速道路、高速公路分别属于不同的道路系统，目前还不可能把地面路口信号信息接入快速路或高速公路监控系统；A94改进后的ALINEA算法中动态预估只考虑主线状态，忽略了匝道的状态；基本ALINEA算法对交通量突变的情况处理不够理想；此外，国外的入口匝道控制一般只控制匝道汇入处的信号灯，而国内只简单地控制匝道入口处的车道灯或者只监视不控制；国内专利《一种入口匝道与主干道汇合处的信号控制方法》提出了一种入口匝道控制方法，但是该方法立足于减小匝道车辆汇入主线时的事故发生率，给出的信号为限速信号，只是起到引导的作用，在国内入口匝道大流量的情况下局限性较大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种道路自适应入口匝道汇入控制设备与方法，针对目前国内外在入口匝道大流量的断续交通流的控制方面的不足和实际需要而开发的，该控制设备与方法，具有计算简便、可移植性强、实时性好优点，控制方法不仅可以用于交通控制，还能用于具有相同物流特点的工业控制。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：由设备布设、EXPAlinea控制算法和信号配时方案三部分组成，由核心设备匝道汇入控制器采集控制范围内交通参数检测器检测到的交通参数，通过EXPAlinea算法计算，自动控制匝道汇入信号灯交替变化达到控制流量的目的，还可控制匝道汇入倒计时器、匝道口通行灯和情报板等辅助设备使得整套设备更加人性化。

设备布设包括匝道汇入控制器、交通参数检测器、匝道汇入信号灯，以及可选设备匝道汇入倒计时器、匝道口通行灯和情报板。

其工作按下述流程进行：匝道汇入控制器通过交通参数检测器采集到实时交通流数据，其控制系统软件调用EXPAlinea控制算法模块，根据EXPAlinea控制算法模块返回的结果所对应的信号配时方案，控制本地设备包括匝道汇入信号灯、匝道汇入倒计时器(可选)、匝道口通行灯(可选)及情报板(可选)。

交通参数检测器的布设，至少包括对入口匝道上游主线断面、下游主线断面的流量、速度、占有率的检测，以及匝道检出断面、检入断面(同时作为排队断面)和排队末端断面的流量、占有率的检测。EXPAlinea控制算法的计算和判断根据上述各检测断面的数据进行，先通过采用动态目标占有率的基本算法得到初步调节率，再根据上一周期的调节率进行平滑或根据主线上下游和匝道情况采用排队优先策略。信号配时是EXPAlinea控制算法得到的调节率的表现形式，以交通信号灯显示；同样的调节率值，匝道排队长度的不同，采用不同的信号周期和绿信比。

本发明的有益效果：本发明的控制设备与方法，其EXPAlinea控制算法通过平滑处理克服了ALINEA对于交通量突变情况处理不够理想的缺点；通过排队约束和动态目标占有率设置在一定程度上预防了匝道排队溢出；通过动态目标占有率设置和排队优先策略调节了主线与匝道的优先权重，避免了盲目提高主线优先权而忽视匝道利益的缺点；本发明方法的信号配时方案根据匝道排队、最大停车次数和最大红灯忍耐时长而得到，均衡了匝道停车可能带来的事故与匝道流量对主线带来的冲击。本发明控制设备与方法在上海市快速道路上实施应用，有效提高了道路服务水平，取得了良好的社会效益，具有广阔的经济效益前景。

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的控制设备布设示意图；

图2为本发明的控制方法工作过程示意图；

图3为现场应用区域示意图；

图4为现场应用效果流量对比图；

图5为现场应用效果速度对比图。

具体实施方式

参照图1，这是本发明的控制设备布设示意图。

如图所示，在距入口匝道和主线汇合点一定距离的主线上游布设交通参数检测器组1；在距入口匝道和主线汇合点一定距离的主线下游布设交通参数检测器组2；在匝道停车线与汇合点之间布设匝道检出交通参数检测器组3；在距匝道口较近的匝道上布设匝道检入(同时作为匝道排队)交通参数检测器组4；在距匝道口一定距离的辅助道路上布设排队末端交通参数检测器组5；在距入口匝道和主线汇合点一定距离的匝道上划停车线标线6；在停车线标线前方可视范围内设置匝道汇入信号灯9和匝道汇入倒计时器10(可选)；在匝道入口处设置通行灯11(可选)和情报板12(可选)。

此外，当匝道检出与匝道检入断面之间距离较大，可在匝道上每隔一段距离布设一些排队交通参数检测器组(可选)。

不同位置的检测器组的线缆接入交通参数检测器7(可为多台)，由交通参数检测器以一定的周期统计各车道的交通参数(流量、速度、占有率等)；匝道汇入控制器8以一定的周期从交通参数检测器7读取交通参数、调用EXPAlinea控制算法得到信号配时方案，然后按照信号配时方案控制本地设备匝道汇入信号灯9、匝道汇入倒计时器10(可选)、匝道口通行灯11(可选)和情报板12(可选)。

参照图2，这是本发明的控制方法工作过程示意图。

如图所示，匝道汇入控制器通过交通参数检测器采集到实时交通流数据，其控制系统软件调用EXPAlinea控制算法模块，根据EXPAlinea控制算法模块返回的结果所对应的信号配时方案，控制本地设备包括匝道汇入信号灯、匝道汇入倒计时器(可选)、匝道口通行灯(可选)及情报板(可选)。交通参数检测器的布设，至少包括对入口匝道上游主线断面、下游主线断面的流量、速度、占有率的检测，以及匝道检出断面、检入断面(同时作为排队断面)和排队末端断面的流量、占有率的检测。EXPAlinea控制算法的计算和判断根据上述各检测断面的数据进行，先通过采用动态目标占有率的基本算法得到初步调节率，再根据上一周期的调节率进行平滑或根据主线上下游和匝道情况采用排队优先策略。信号配时是EXPAlinea控制算法得到的调节率的表现形式，以交通信号灯显示；同样的调节率值，匝道排队长度的不同，采用不同的信号周期和绿信比。

关于EXPAlinea控制算法

在本发明的方法中，EXPAlinea控制算法以软件形式植入匝道汇入控制器内，是本发明方法的核心部分。EXPAlinea控制算法可以分为以下几个步骤：

(1)ALINEA基本算法

ALINEA算法是在国外已有成功应用的算法，数学描述为：

r(k)＝r(k-1)+K_R[O_cr-O_out(k-1)]

其中O_cr是期望的目标占有率；O_out是实测到的主线下游占有率；K_R是反馈增益；r表示匝道调节率；(k)、(k-1)表示第k、k-1个计算周期。O_cr可由图1中检测断面2的流量-占有率散点图的拐点得到(略小于拐点的占有率值)，对于特定的匝道该值一般不变；O_out是检测到的该检测断面2的占有率，实时变化。

(2)动态目标占有率设置

将O_cr设置为根据匝道排队长度可变，匝道排队较长时，O_cr较大，可根据匝道长度而设置2个甚至多个预设目标占有率，例如(设置2个目标占有率)：

O_cr＝O_cr1    当ramp_queue＜queue_cr

O_cr＝O_cr2    当ramp_queue＞＝queue_cr

其中O_cr1是根据检测断面2的流量-占有率散点图得到的值；ramp_queue是当前匝道排队数，queue_cr的取值考虑地面路口信号周期对入口匝道的影响；O_cr2为大于O_cr1的值，应用中可取两者差值为2～10。

(3)实测占有率平滑处理

考虑实际交通运行中，车流的变化不会在短周期内变化太大，在算法中应用平滑的思想对占有率进行一次平滑处理，以保证数据和算法分析的连续性：

O_out(k)＝c₁*O_out(k-1)+(1-c₁)*O′_out(k)

其中O′_out表示交通参数检测器检测到的主线下游占有率(检测器组2)，O_out为经过平滑以后的主线下游占有率，c₁为占有率平滑系数，取0.15～0.35。

将O_cr和O_out值代入步骤(1)中的公式，得到初步的调节率。

(4)排队约束

将经过步骤(1)、(2)、(3)计算后得到的调节率进行排队约束调节。通常，ALINEA算法不需要设置最大调节率和最小调节率。考虑到驾驶员和乘客排队等待的忍耐范围，应设置最大红灯时长，因而EXPAlinea设置了最小调节率。针对城市快速路入口匝道与相邻地面交叉口之间距离很近、匝道排队空间十分有限的情况，进一步根据匝道排队调节最小调节率：

r(k)≥max[d(k-1)-(L_max-l(k))/T，r_min]

调节率的最小值考虑预防出现匝道排队溢出。

(5)调节率平滑处理

将经过步骤(4)排队约束后的调节率进行平滑处理，防止调节率的突变：

当r(k-1)＞＝r_crh，r(k)-r(k-1)＞＝r_hh    r(k)＝r(k-1)+r_hh

r(k-1)-r(k)＞＝r_hl    r(k)＝r(k-1)-r_hl

当r(k-1)＜＝r_crl，r(k)-r(k-1)＞＝r_lh    r(k)＝r(k-1)+r_lh

r(k-1)-r(k)＞＝r_ll      r(k)＝r(k-1)-r_ll

式中单位均为pcu/h。其中r_crh为较大调节率值，r_crl为较小调节率值。上式意为：当上一周期调节率不小于r_crh时，本周期调节率增幅上限为r_hh，降幅上限为r_hl；当上一周期调节率不大于r_crl时，本周期调节率增幅上限为r_lh，降幅上限为r_ll。具体的r_crh、r_crl、r_hh、r_hl、r_lh、r_ll需要根据现场调试得到。

(6)排队优先

将经过步骤(5)调节率平滑处理得到的调节率采用排队优先策略。排队优先策略主要考虑当主线上游流量大幅减小、速度大幅提高、主线下游仍为拥挤、匝道仍有相当排队时的控制策略：

当 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Speed}}_{\mathrm{up}}>=V_{\mathrm{uprq}},{\mathrm{Occu}}_{\mathrm{up}}<=O_{\mathrm{uprq}}\\ {\mathrm{Flow}}_{\mathrm{up}}<=F_{\mathrm{uprq}}\\ {\mathrm{Speed}}_{\mathrm{down}}>=V_{\mathrm{downrq}1,}{\mathrm{Occu}}_{\mathrm{down}}<=O_{\mathrm{downrq}1}\\ \mathrm{ramp}\_\mathrm{queue}>=\mathrm{rq}\end{array}\right.r=R_{\mathrm{rq}1}$

当 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Speed}}_{\mathrm{up}}>=V_{\mathrm{uprq}},{\mathrm{Occu}}_{\mathrm{up}}<=O_{\mathrm{uprq}}\\ {\mathrm{Flow}}_{\mathrm{up}}<=F_{\mathrm{uprq}}\\ {\mathrm{Speed}}_{\mathrm{down}}>=V_{\mathrm{downrq}2,}{\mathrm{Occu}}_{\mathrm{down}}<=O_{\mathrm{downrq}2}\\ \mathrm{ramp}\_\mathrm{queue}>=\mathrm{rq}\end{array}\right.r=R_{\mathrm{rq}2}$

式中，Speed_up、Occu_up、Flow_up Speed_down、Occu_down分别为实时检测到的主线上游速度、占有率、流量和主线下游速度、占有率；

V_uprq，O_uprq，F_uprq，rq，V_downrq1，O_downrq1，O_downrq2，V_downrq2，R_rq1，R_rq2分别为排队优先策略的主线上游速度阈值、占有率阈值、流量阈值，匝道排队阈值，主线下游速度阈值1、占有率阈值1、速度阈值2、占有率阈值2，预设排队优先调节率值1和预设排队优先调节率值2。当符合排队优先的条件时，控制算法将不采用由ALINEA计算得到的调节率值，而是直接返回预设的排队优先调节率值。这里预设了两组值，针对主线下游的不同状态。

经过上述(1)～(6)步骤后得到的调节率即为最终实施、转换为信号配时方案的调节率。

关于信号配时方案

信号配时方案是EXPAlinea控制算法的表现形式，可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_c\left(k\right)=\frac{3600*q_g}{r\left(k\right)}\\ q_g=\frac{\mathrm{Que}}{\mathrm{St}}\end{array}\right.$

其中T_c(k)为第k个周期时与r(k)相对应的周期时长(单位秒)，q_g为绿灯时长内可以放行的匝道车辆数，Que为匝道排队车辆数，St为允许的最大停车次数(一般不变)。按此公式，对于匝道排队的计算精度要求比较高，实际应用过程中将匝道排队车辆数分几个范围较为合适。

对于本发明方法的实施结果，说明书附图3和附图4均有显示，在本发明方法的作用下，主线上游各检测断面流量明显提高、速度明显上升，道路服务水平明显提高。

Claims (8)

1、一种道路自适应入口匝道汇入控制设备，用于调节高速公路或城市快速道路的入口匝道汇入流量缓解道路拥堵，其特征在于：

该控制设备包括匝道汇入控制器，交通参数检测器，匝道汇入信号灯，匝道汇入倒计时器，情报板，通行灯；

所述的交通参数检测器组，在道路主线、入口匝道布设，在距离入口匝道和主线汇合处一定距离的匝道上划停车线标线；在停车线标线前方可视范围内设置匝道汇入信号灯和匝道汇入倒计时器；在匝道入口处设置通行灯和情报板；

所述的匝道汇入控制器，以一定的周期从交通参数检测器读取流量、速度、占有率交通参数，调用EXPAlinea控制算法得到信号配时方案，然后按照信号配时方案控制本地设备匝道汇入信号灯、匝道汇入倒计时器、匝道口通行灯和情报板。

2、如权利要求1所述的自适应入口匝道汇入控制设备，其特征在于：所述的交通参数检测器的布设，其布设方式为，一是在距入口匝道和主线汇合点一定距离的主线上游布设主线上游交通参数检测器组；二是在距入口匝道和主线汇合点一定距离的主线下游布设主线下游交通参数检测器组；三是在匝道停车线与汇合点之间布设匝道检出交通参数检测器组；在距匝道口较近的匝道上布设匝道检入，同时作为匝道排队，交通参数检测器组；在距匝道口一定距离的辅助道路上布设排队末端交通参数检测器组；在匝道上每隔一段距离还可布设一些排队交通参数检测器组。

3、一种道路自适应入口匝道汇入控制方法，其特征在于：所述的匝道汇入控制方法，其核心是EXPAlinea控制算法，该方法分为以下几个步骤：  ALINEA基本算法(1)，动态目标占有率设置(2)，实测占有率平滑处理(3)，排队约束(4)，调节率平滑处理(5)，排队优先(6)；根据EXPAlinea控制算法返回的结果，所对应的信号配时方案，控制包括匝道汇入信号灯、匝道汇入倒计时器、匝道口通行灯及情报板。

4、如权利要求3所述的自适应入口匝道汇入控制方法，其特征在于：所述的动态目标占有率设置，可根据匝道长度而设置2个甚至多个预设目标占有率，  其中o_cr1是根据检测断面2的流量-占有率散点图得到的值；ranp_queue是当前匝道排队数，queue_cr的取值考虑地面路口信号周期对入口匝道的影响；o_cr2为大于o_cr1的值。

5、如权利要求3所述的自适应入口匝道汇入控制方法，其特征在于：所述的平滑处理，将经过步骤(4)排队约束后的调节率进行平滑处理，防止调节率的突变。

6、如权利要求3所述的自适应入口匝道汇入控制方法，其特征在于：所述的排队优先，将经过步骤(4)调节率平滑处理得到的调节率，采用排队优先策略，排队优先策略主要考虑当主线上游流量大幅减小、速度大幅提高、主线下游仍为拥挤、匝道仍有相当排队时的控制策略。

7、如权利要求3所述的自适应入口匝道汇入控制方法，其特征在于：所述的实测占有率平滑处理，是将交通参数检测器检测到的主线下游占有率进行平滑处理，以保证数据和算法分析的连续性。

8、如权利要求3所述的自适应入口匝道汇入控制方法，其特征在于：所述的排队约束，将经过步骤(1)、(2)、(3)计算后的调节率进行排队约束调节，设置最小调节率，且根据匝道排队实时调节最小调节率，考虑预防匝道排队溢出。

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