CN101789183A - 一种入口匝道的自适应控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种入口匝道的自适应控制系统及方法，属于智能交通信号系统控制技术领域。本发明系统包括：包括排队检测器、上、下游检测器以及汇入检测器的交通检测设备，其用于检测并采集交通流数据；包括匝道控制器和入口匝道信号灯的交通控制设备，其负责控制入口匝道的交通流量；以及，用于通信的通信模块。本发明系统及方法能够实时响应快速路上交通流量的变化，并依据主干道和入口匝道处的车流量自动选择不同的控制方式；此外，本发明所采用的匝道控制器硬件简单，易于实现，开发成本较低，应用范围广泛。

Description

一种入口匝道的自适应控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种城市快速路入口匝道系统的信号控制方法，属于智能交通信号系统控制技术领域。

背景技术

城市快速路(Urban Expressway)是指位于城市内适应机动车快速通行的道路，其具有匝道间距比城市间高速公路短、只允许机动车行驶、车辆行驶速度高等特点。此外，城市快速路全程无交叉口，以互通式立体交叉或进出口匝道与城市地面道路相连接。随着城市交通拥堵范围的不断扩大，城市快速路交通控制日益重要。城市快速路交通控制主要包括入口匝道控制、主线控制和通道控制等内容，其中，入口匝道控制是应用最广、效果最好的一种控制形式。车辆从入口匝道驶入快速路的过程通常可分解为两个阶段：第一阶段，车辆从匝道进入加速车道；第二阶段，车辆从加速车道汇入主线。城市快速路入口匝道控制则围绕着这两个阶段的交通控制来展开。第一阶段的控制称为“流量控制”，其主要是调节驶入主线的交通流量，使得匝道下游的主线流量不超过其通行能力或服务流量；对第二阶段的控制称为“汇入控制”，其主要是帮助驶入车辆安全地汇入主线，并尽可能地减少驶入车流对主线车流运行的影响。

入口匝道控制的基本原理是通过调节进入快速路的交通量，使快速路本身的交通需求不超过快无路的容量，从而保证快速路依据某一性能指标运行在最佳状态附近。这样一来，期望进入快速路的车辆，在允许进入快速路之前将要在入口匝道处排队等待，若不想在入口匝道上等待，可选择其它替代路线，从而实现交通转移。按入口匝道控制是否响应实时的交通状况，可把入口匝道控制分为定时控制和感应控制两大类。其中，定时控制方法是采用固定配时控制入口匝道，根据历史交通数据计算固定的匝道调节率，定时控制运行稳定，但是它不能适应实时变化的交通流，运行效果不太好。而感应控制虽然能实时检测交通流数据，但却很容易导致入口匝道上大量的车流量驶入主干道，造成主干道交通拥堵，所以，感应控制适合于主干道上车流量较小时使用。除定时控制和感应控制之外，尚有其他一些入口匝道交通控制方法，但是各种方法均有自己的适用条件，很难满足入口匝道的交通控制要求。

发明内容

为了克服现有入口匝道控制方法的上述不足，本发明提供一种入口匝道的自适应控制系统及方法，其根据交通流的实时变化要求，利用匝道控制器自适应地改变控制策略，充分利用主干道的通行能力，从而减少交通拥堵。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种入口匝道的自适应控制系统，其包括交通检测设备、交通控制设备和通信模块，其中，

所述交通检测设备包括：排队检测器，其铺设在入口匝道上，用来检测车辆排队长度并采集所述车辆排队长度数据；上游检测器和下游检测器，其铺设在主干道上，其中，所述上游检测器用来检测上游交通占有率和交通流量并采集所述交通占有率和所述交通流量数据，所述下游检测器用来检测下游交通占有率和交通流量并采集交通占有率和交通流量数据；以及，汇入检测器，其铺设于入口匝道和主干道交汇处，用来判断车辆是否已经汇入主干道；

所述交通控制设备包括：匝道控制器和入口匝道信号灯；以及

通信模块：负责所述系统的通信。

所述排队检测器、所述上游检测器和所述下游检测器将所采集的各种交通数据传输到所述通信模块，并通过所述通信模块将所述所采集的各种交通数据有线或无线地传输至所述匝道控制器，所述匝道控制器根据所述所采集的各种交通流量数据进行判断并选择相应的入口匝道调节模式，其中，所述所采集的各种交通数据包括：所述排队检测器采集的所述车辆排队长度数据；所述上游检测器采集的上游主干道的所述交通占有率和所述交通流量；以及，所述下游检测器采集的下游主干道的所述交通占有率和所述交通流量

优选地，各个交通检测设备安装位置如下：

所述匝道排队检测器布置根据入口匝道的匝道长度而定，如果所述匝道长度较短，如不超过150米，所述匝道排队检测器布置在距离所述入口匝道与城市地面道路相连接处约50米左右，以保证所述匝道上的排队车辆不影响城市地面道路的通行。其中，所述停车线是入口匝道与快速路主干道相连处，如果所述匝道长度较长或者距离入口匝道停车线较远，例如大于150米，将匝道检测器布置在距离入口匝道停车线100米处。当所述匝道排队检测器被车流长时间占有时，说明车辆排队已至所述匝道排队检测器位置。

所述上游检测器布置在高速路上的入口匝道上游主干道处，距离所述入口匝道汇合处50至80米。

所述下游检测器布置在高速路上的入口匝道下游主干道处，距离入口匝道汇合处50至80米。

优选地，所述交通检测设备是线圈检测器，或者是视频检测器。

一种入口匝道的自适应控制方法，其包括：

步骤1、通过所述入口匝道上的排队检测器检测车辆排队长度并采集所述车辆排队长度数据，通过主干道上的上游检测器检测主干道上游交通占有率和上游交通流量并采集所述上游交通占有率和所述上游交通流量数据，以及通过下游检测器检测主干道下游交通占有率和下游交通流量并采集所述下游交通占有率和所述下游交通流量数据，然后将所采集的交通数据传输给所述匝道控制器，其中，所述交通数据包括所述车辆排队长度、所述上游交通占有率、所述上游交通流量、所述下游交通占有率和所述下游交通流量；

步骤2、所述匝道控制器根据接收到的所述上游交通流量和所述下游交通流量以及主干道预设的交通饱和流量计算上游流率和下游流率，所述上游流率为所述上游交通流量与所述预设的交通饱和流量之比，所述下游流率为所述下游交通流量与所述预设的交通饱和流量之比；

步骤3、根据所述上游流率和所述下游流率以及所述上游交通占有率和所述下游交通占有率加权计算总交通数据，所述交通数据包括总流率和总占有率；

优选地，总流率＝上游流率*0.4+下游流率*0.6；总占有率＝上游交通占有率*0.4+下游交通占有率*0.6。

步骤4、所述匝道控制器根据所述总流率和所述总占有率自动选择控制方式，从而实现入口匝道的动态控制，所述动态控制包括：

1)首先判断所述总流量和锁住总占有率的增长情况，计算当前时刻的总流率和总占有率以及前一时刻的总流率和总占有率，当所述总流率停止增长或者下降并且所述总占有率继续增长时，也就是说，当所述当前时刻的总流量与所述前一时刻的总流率相等，并且当所述当前时刻的总占有率大于所述前一时刻的总占有率时，所述匝道控制器将入口匝道置于匝道关闭控制状态，此时所述入口匝道信号灯红灯亮，以表示不给予所述入口匝道通行权；

2)当所述总占有率值小于20％，说明此时车速较高，车辆行驶畅通，在此情况下，所述匝道控制器置于匝道开放状态，此时所述入口匝道信号灯绿灯亮并持续给予所述入口匝道通行权，直至占有率超过20％为止；

3)当所述占有率值大于20％，而又没有出现所述总流率已经停止增长或者下降而所述总占有率仍然继续增长时，所述匝道控制器采取基于排队长度的多入口匝道协调控制；

步骤5、所述匝道控制器根据入口匝道上的排队检测器检测到的车辆排队长度判断该入口匝道的车辆放行量状况，如果所述排队长度超过预设的排队长度，则采取上、下游匝道之间的协调控制，将上游匝道和下游匝道中所述排队长度大的入口匝道加大车辆放行量，而对所述排队长度小的入口匝道减少所述车辆放行量。

本发明的有益效果：

本发明采用了一种入口匝道的自适应控制系统及方法，其能够实时响应交通道路上交通流量的变化，并依据主干道和入口匝道处的车流量自动选择不同的控制方式。本发明系统及方法不仅能够根据实时交通状况单入口匝道实现自适应控制，同时还能实现多个相关入口匝道的协调控制，从而避免了快速路入口匝道及主干道发生交通拥挤，最大程度地利用了快速路主干道的通行能力。本发明系统及方法所采用的匝道控制器硬件简单，易于实现，开发成本较低，应用范围广泛。

附图说明

图1为根据本发明的具体实施例的入口匝道的自适应控制系统的结构简图；

其中，图中的各个标号对应的元器件名称如下：

100-快速路主干道  101-下游检测器       102-上游检测器

103-排队检测器    104-汇入检测器       200-入口匝道

201-匝道控制器    202-入口匝道信号灯   203-停车线

图2为根据本发明的具体实施例的入口匝道的自适应控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的根据本发明的具体实施例的入口匝道200的自适应控制系统的结构简图。如图1中所示，在主干道下游90-100米处铺设下游检测器101，用来检测下游交通占有率；在上游90-100米处铺设上游检测器102，用来检测上游交通流量和相邻车辆间的车头时距；在距入口匝道停车线203 2/3L处(L为匝道长度)铺设入口匝道排队检测器103，用来检测车辆排队长度；在入口匝道200和快速路主干道100汇合处铺设汇入检测器104，用来判断车辆是否已经汇入主干道。此外，还需要安装交通控制设备，其包括匝道控制器201和入口匝道信号灯201。

上游检测器101、下游检测器102和排队检测器103将所采集的各个交通数据传输到通信模块(未画出)，并通过该通信模块将所采集的各种交通数据有线或无线地传输至匝道控制器201。匝道控制器201根据所述所采集的各种交通流量数据进行判断并选择相应的入口匝道调节模式。此处所采集的各种交通数据包括：排队检测器103采集的车辆排队长度；上游检测器101采集的上游主干道的交通占有率和交通流量；以及，下游检测器102采集的下游主干道的交通占有率和交通流量。在一个实施例中，各个交通检测设备安装位置如下：

排队检测器103的布置根据匝道长度而定，如果其长度较短，或者与匝道相连接的城市地面道路距离高速路较短(例如不超过150米)，这种情况下可将排队检测器103布置在距离入口匝道200与城市地面道路相连接处约50米左右，以保证所述匝道上的排队车辆不影响城市地面道路的通行。如果所述入口匝道200的匝道长度较长或者与匝道相连接的城市地面道路距离高速路较远(例如大于150米)，这种情况下可将排队检测器103布置在距离入口匝道停车线103约100米处。当排队检测器103被车流长时间占有时，说明车辆排队已至所述匝道排队检测器位置。

上游检测器101布置在高速路上的入口匝道200上游主干道处，距离所述入口匝道汇合处50至80米。下游检测器102布置在高速路上的入口匝道200下游主干道处，距离入口匝道汇合处50至80米。

在一个具体实施例中，所有交通检测设备是线圈检测器，或者是视频检测器。

图2是根据本发明的具体实施例的入口匝道的自适应控制方法300的工作流程图。如图2所示，本发明的入口匝道自适应控制方法包括：

步骤1、进行数据采集和传输301。通过入口匝道上的排队检测器检测车辆排队长度并采集所述车辆排队长度数据，通过主干道上的上游检测器检测主干道上游交通占有率和上游交通流量并采集所述上游交通占有率和所述上游交通流量数据，以及通过下游检测器检测主干道下游交通占有率和下游交通流量并采集所述下游交通占有率和所述下游交通流量数据，然后将所采集的交通数据传输给所述匝道控制器，其中，所述交通数据包括所述车辆排队长度、所述上游交通占有率、所述上游交通流量、所述下游交通占有率和所述下游交通流量；

步骤2、计算上、下游主干道上的交通流流率302。匝道控制器根据接收到的上游交通流量和所述下游交通流量以及主干道预设的交通饱和流量计算上游流率和下游流率。在一个具体实施例中，上游流率为上游交通流量与预设的交通饱和流量之比，下游流率为下游交通流量与预设的交通饱和流量之比。预设的交通饱和流量的设定是本领域的公知常识，本领域的技术人员可以根据实际情况预设交通饱和流量，在此不进行详述。

步骤3、加权求取总交通数据303。根据所述上游流率和所述下游流率以及所述上游交通占有率和所述下游交通占有率加权计算总交通数据，所述总交通数据包括总流率和总占有率；在一个具体实施例中，总流率＝上游流率*0.4+下游流率*0.6；总占有率＝上游交通占有率*0.4+下游交通占有率*0.6。

步骤4、进行自适应控制304。匝道控制器根据步骤3所计算的总流率和总占有率自动选择控制方式，从而实现入口匝道的动态控制。在一个具体实施例中，所述动态控制包括：

1)首先判断所述总流量和锁位总占有率的增长情况，计算当前时刻的总流率和总占有率以及前一时刻的总流率和总占有率，当所述总流率停止增长或者下降并且所述总占有率继续增长时，也就是说，当所述当前时刻的总流量与所述前一时刻的总流率相等，并且当所述当前时刻的总占有率大于所述前一时刻的总占有率时，所述匝道控制器将入口匝道置于匝道关闭控制状态，此时所述入口匝道信号灯红灯亮，以表示不给予所述入口匝道通行权；

2)当所述总占有率值小于20％，说明此时车速较高，车辆行驶畅通，在此情况下，所述匝道控制器置于匝道开放状态，此时所述入口匝道信号灯绿灯亮并持续给予所述入口匝道通行权，直至占有率超过20％为止；

3)当所述占有率值大于20％，而又没有出现所述总流率已经停止增长或者下降而所述总占有率仍然继续增长时，所述匝道控制器采取基于排队长度的多入口匝道协调控制。

步骤5、进行上下游匝道之间的协调控制305。匝道控制器根据入口匝道上的排队检测器所检测到的车辆排队长度判断该入口匝道的车辆放行量状况，如果该车辆排队长度超过预设的排队长度，则采取上、下游匝道之间的协调控制，对上游匝道和下游匝道中车辆排队长度大的入口匝道加大车辆放行量，而对车辆排队长度小的入口匝道减少车辆放行量，从而达到上、下游入口知道之间的协调控制的目的。根据入口匝道车辆排队长度大小控制车辆放行量是本领域的公知常识，本领域的技术人员可以通过领域知识进行车辆排队长度大小判断，在此无需进行详述。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种入口匝道的自适应控制系统，其特征在于，包括：

交通检测设备，用于检测并采集交通流数据，所述交通检测设备包括：排队检测器，其铺设在入口匝道上，用来检测车辆排队长度并采集所述车辆排队长度数据；上游检测器和下游检测器，其铺设在主干道上，所述上游检测器用来检测上游交通占有率和交通流量并采集所述交通占有率和所述交通流量数据，所述下游检测器用来检测下游交通占有率和交通流量并采集交通占有率和交通流量数据；以及，汇入检测器，其铺设于入口匝道和主干道交汇处，用来判断车辆是否已经汇入主干道；

所述交通控制设备，根据交通检测设备传送的所述交通数据控制入口匝道的交通流量，其包括：匝道控制器和入口匝道信号灯；以及，

通信模块，其负责所述系统的通信；

其中，

所述排队检测器、所述上游检测器和所述下游检测器将所采集的各种交通数据传输到所述通信模块，并通过所述通信模块将所述所采集的各种交通数据有线或无线地传输至所述匝道控制器，所述匝道控制器根据所述所采集的各种交通流量数据进行判断并选择相应的入口匝道调节模式。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述所采集的各种交通数据包括：所述排队检测器采集的所述车辆排队长度数据；所述上游检测器采集的上游主干道的所述交通占有率和所述交通流量；以及，所述下游检测器采集的下游主干道的所述交通占有率和所述交通流量

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，各个交通检测设备安装位置如下：所述排队检测器的布置根据所述入口匝道的长度而定，当所述入口匝道的长度不超过150米时，所述排队检测器布置距离所述入口匝道与同它相连接的城市地面道路交叉处50米处；当所述入口匝道长度于150米，所述排队检测器布置在距离所述入口匝道的停车线100米处。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上游检测器布置在高速路上的入口匝道上游主干道处，距离所述入口匝道汇合处50至80米；所述下游检测器布置在高速路上的入口匝道下游主干道处，距离入口匝道汇合处50至80米。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交通检测设备是线圈检测器，或者是视频检测器。

6.一种入口匝道的自适应控制方法，其包括：

步骤1、进行数据采集和传输的步骤，其通过入口匝道上的排队检测器检测车辆排队长度并采集所述车辆排队长度数据，通过主干道上的上游检测器检测主干道上游交通占有率和上游交通流量并采集所述上游交通占有率和所述上游交通流量数据，以及通过下游检测器检测主干道下游交通占有率和下游交通流量并采集所述下游交通占有率和所述下游交通流量数据，然后将所采集的交通数据传输给所述匝道控制器；

步骤2、计算上、下游主干道上的交通流流率的步骤，匝道控制器根据接收到的上游交通流量和所述下游交通流量以及主干道预设的交通饱和流量计算上游流率和下游流率；

步骤3、加权求取总交通数据的步骤，其根据所述上游流率和所述下游流率以及所述上游交通占有率和所述下游交通占有率加权计算总交通数据，所述总交通数据包括总流率和总占有率；

步骤4、进行自适应控制的步骤，匝道控制器根据步骤3所计算的所述总流率和所述总占有率自动选择控制方式，从而实现入口匝道的动态控制；

步骤5、进行上下游匝道之间的协调控制的步骤，匝道控制器根据入口匝道上的排队检测器所检测到的车辆排队长度判断该入口匝道的车辆放行量状况。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述交通数据包括所述车辆排队长度、所述上游交通占有率、所述上游交通流量、所述下游交通占有率和所述下游交通流量其中；所述上游流率为所述上游交通流量与所述预设的交通饱和流量之比，所述下游流率为所述下游交通流量与所述预设的交通饱和流量之比。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤3中，所述总流率＝上游流率*0.4+下游流率*0.6；总占有率＝上游交通占有率*0.4+下游交通占有率*0.6。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述动态控制包括：

1)首先判断所述总流量和锁住总占有率的增长情况，计算当前时刻的总流率和总占有率以及前一时刻的总流率和总占有率，当所述当前时刻的总流量与所述前一时刻的总流率相等，并且当所述当前时刻的总占有率大于所述前一时刻的总占有率时，所述匝道控制器将入口匝道置于匝道关闭控制状态，此时所述入口匝道信号灯红灯亮；

2)当所述总占有率值小于20％，所述匝道控制器置于匝道开放状态，此时所述入口匝道信号灯绿灯亮并持续给予所述入口匝道通行权，直至占有率超过20％为止；

3)当所述占有率值大于20％，而又没有出现所述总流率已经停止增长或者下降而所述总占有率仍然继续增长时，所述匝道控制器采取基于排队长度的多入口匝道协调控制。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：如果所述车辆排队长度超过所述预设的排队长度，则采取上、下游匝道之间的协调控制，对上游匝道和下游匝道中所述车辆排队长度大的入口匝道加大车辆放行量，而对车辆排队长度小的入口匝道减少车辆放行量，从而达到上、下游入口知道之间的协调控制的目的。

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