CN105741573B - 一种基于vsl的高速公路主线收费站速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制系统及其控制方法，包括站前区域、收费排队区域和若干缓冲减速区域，上述站前区域设有一获取出站交通量的感应线圈检测器，缓冲减速区域设有判定系统开启条件的视频检测器，缓冲减速区域根据控制条件分为若干段，每一段缓冲减速区域均设有一用于获得交通量的感应线圈检测器，每一感应线圈视频检测器均连接有一用于显示限速要求的显示牌，所有的感应线圈检测器、视频检测器和显示牌共同连接有执行控制活动的中央处理器。在高速公路主线收费站前过渡段设置该控制系统，不但可以疏导收费站处交通流，缓解交通拥堵，提高交通安全,还可收集交通信息，对后续的交通规划与管理具有十分重要的作用。

Description

一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制方法

技术领域

本发明涉及交通管理技术领域，尤其是涉及一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制系统及其控制方法。

背景技术

随着高速公路交通量的快速增长和交通流的显著变化，高速公路主线收费站拥堵现象日益严重。主线收费站附近区段车辆速度高速变化，交通事故频发，是高速公路的瓶颈。在高流量的情况下，一旦收费站前过渡段(主线收费站前多个减速区域的统称)发生交通事件导致车流受阻，产生的交通波迅速向上游传播，交通流密度达到甚至超过临界值，交通流将变得紊乱。所以主线收费站的通行能力将直接影响整条高速公路的通行能力。

发明内容

本发明提出一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制系统及其控制方法，在高速公路主线收费站前过渡段设置该控制系统，不但可以疏导收费站处交通流，缓解交通拥堵，提高交通安全。还可以收集交通信息，对后续的交通规划与管理具有十分重要的作用。

本发明的一种技术方案是这样实现的：一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制系统，包括出站区域、收费区域和若干个缓冲减速区域，VSL主要通过车速控制进入每一个缓冲减速区域的交通量，从而缓解收费站拥堵。

作为一种优选的技术方案，所述系统设置有两个视频检测器，上述视频检测器安装于收费站前的车道上方，检测控制区段的排队长度，作为用于判断VSL系统的启动的条件和控制路段限速牌开启的条件。

作为一种优选的技术方案，每一所述缓冲减速区域均设有一用于获得车流量的感应线圈检测器。每一所述感应线圈检测器均连接有一用于显示限速要求的显示牌，所有所述的检测器和显示牌共同连接有执行控制活动的中央处理器。

作为一种优选的技术方案，所述视频检测器安装在收费站入口处和距离收费站入口2.5公里处。

作为一种优选的技术方案，所述缓冲减速区域设有十段。

作为一种优选的技术方案，每段所述减速区域的长度为500m。

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤，步骤一，取出收费站后的500米作为出站区域，取收费站前5Km作为缓冲减速的过渡段实施VSL控制，将整个过渡段以500m间隔划分为十个控制区段并编号；

步骤二，VSL控制入口处，距收费站2.5公里处设置视频检测器实时抓拍道路检测区域的视频图像，进行数字化处理，依据分析检测区域的图像变化，判断交通流状况，根据收费站排队长度作为判断启动VSL控制区段的条件。

步骤三，在每个控制区段中间各车道的道路路基段埋设一组感应线圈，每组有两个感应线圈，每组感应线圈与多通道车辆检测器相连。当车辆分别经过两个线圈时，由于线圈电感量的变化，使得检测卡输出电平，车辆的通过状态将被检测到，同时状态信号传输给车辆检测器，由其进行采集和计算；

步骤四，中央处理器根据每个区段前埋置的感应线圈检测器，得出检测断面的车流量信息，根据实时交通条件动态预测指定时域该区段的限速值；

步骤五，根据排队长度，开启距离排队队尾最近的两个控制区域的显示牌对该两个区段进行VSL控制，上述显示牌基于速度和精确度条件计算得出最优速度值，动态地修正显示的速度限制，驾驶员将直接通过显示牌得知限速要求，使得驾驶员对限速值有充分的反应时间并使车速达到限速值要求。

作为一种优选的技术方案，步骤二中，视频检测器用来监测排队拥堵程度，判定开启VSL控制区段。第一减速区域至第十减速区域的感应线圈检测器记录上一控制区段到下一控制区段过渡流率；

作为一种优选的技术方案，步骤四的算法包括

S1、计算区段的交通密度；采用Papageorgiou模型对交通状况进行预测，首先将目标公路划分为长度为ΔL的N个等长子段，每个子段的长度应满足车辆在时间段t(离散交通流模型的时间间隔指标)内不能通过一个子段，对于每个子段i，平均密度可以由下述公式表示：

其中K为i子段指定时域的密度，n为车道数，q_i(t)为t时间内从i子段到i+1子段的过渡流率；

S2、计算区段速度；平均速度表达式为：

其中，V[K_i(t)]为基于密度得出的i分段上t时间段上的静态速度：

其中，U_f为自由流速度，K_c为临界交通密度；

S3、最优速度控制模型

基于实际的交通条件，可以应用上述宏观交通流模型预测指定时域的交通状态，并依此得到最优限速值，建立最优控制模型的关键是选择合适的目标函数，因为VSL的主要目的是增加交通流的速度，平缓速度变化，减少车辆停止次数并减小震荡波对交通条件的影响，因此选择下述最小速度方差作为控制模型的目标函数，通过优化该目标函数求得过渡段上的最佳限速值，

其中V_ave是过渡段的平均速度:

作为一种优选的技术方案，从下述三个方面对目标函数进行约束，从而得到适用于实际的限速值，

(1)速度约束：

V_j≤V_i(t)≤V_f，无VSL控制的区段 (6)

V_j≤V_i(t)≤U_f*μ_i(t)，有VSL控制的区段 (7)

其中V_j为最小平均速度，V_f为自由流速度。μ_i(t)：i分段在k时间段上的可变限速比率。

(2)拥堵密度约束：

0≤K_i(t)≤K_i (8)

其中K_i为拥堵交通密度。

(3)安全约束：

作为一种优选的技术方案，步骤四中，显示板设置在每个控制子段前250m处，规定VSL的控制时域和预测时域设置为5min且检测数据每10s得到更新，在启动前，每个控制间隔都会得到30个估计最优限速值，给出的相同时域的计算最优限速值集合v(i)＝{v_i(1),v_i(2),...v_i(30)}，通过下述策略将得出显示的最优限速值，

(1)定义表示v(i)的均值，通过下面的公式进行计算：

(2)定义counter M确定速度显示的移动方向，v^t表示现在时域的显示限速值，M通过下述函数不断修正：

(3)基于M，下个时域的显示限速值通过预先确定的增量Δ修正,：

其中增量Δ为5km/h的倍数。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明能有效降低高速车辆比例；可通过整合相邻控制区段的限速值减小速度差，平滑交通流和改善交通安全；驾驶员通过显示牌可以实时预知前方道路交通状况，降低紧急交通条件对交通流的不利影响。该控制系统通过向路侧的显示牌发布实时限速信息直接控制该路段的交通流，因此可视为是微观调控过渡段的交通流，在实际管理中具有立竿见影的效果。

因此，在高速公路主线收费站前过渡段设置该控制系统，不但可以疏导收费站处交通流，缓解交通拥堵，提高交通安全。还可以收集交通信息，对后续的交通规划与管理具有十分重要的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制系统的结构示意图；

图2为本发明的计算流程图；

图3为本发明的系统执行流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-图3所示，一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制系统，包括若干个减速区域，每一所述减速区域均设有一用于获得车辆通过、存在和车流量的感应线圈检测器，每一所述感应线圈检测器均安装于收费站前的每一条车道上，每一感应线圈检测器均连接有一用于显示限速要求的显示牌，所有所述的感应线圈检测器和显示牌共同连接有执行控制活动的中央处理器。采用视频检测器用来收集收费站前的排队长度信息，包括捕获收费站上游的交通流画面，采用图像处理技术分析交通拥堵情况，提取排队长度信息。

本实施例中，所述减速区域设有十段。每段所述减速区域的长度为500m。将整个过渡段以500m间隔划分为10个控制区段并编号。

实施例二

一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制方法，包括以下步骤，

步骤一，取出收费站后的500米作为出站区域，取收费站前5Km作为缓冲减速的过渡段实施VSL控制，将整个过渡段以500m间隔划分为十个控制区段并编号；

步骤二，VSL控制入口处，距收费站2.5公里处设置视频检测器实时抓拍道路检测区域的视频图像，进行数字化处理，依据分析检测区域的图像变化，判断交通流状况，根据收费站排队长度作为判断启动VSL控制区段的条件。

步骤三，在每个控制区段中间各车道的道路路基段埋设一组(2个)感应线圈，每组感应线圈与多通道车辆检测器相连。当车辆分别经过两个线圈时，由于线圈电感量的变化，使得检测卡输出电平，车辆的通过状态将被检测到，同时状态信号传输给车辆检测器，由其进行采集和计算；

步骤四，中央处理器根据每个区段前埋置的感应线圈检测器，得出检测断面的车流量信息，根据实时交通条件动态预测指定时域该区段的限速值；

步骤五，根据排队长度，开启距离排队队尾最近的两个控制区域的显示牌对该两个区段进行VSL控制，上述显示牌基于速度和精确度条件计算得出最优速度值，动态地修正显示的速度限制，驾驶员将直接通过显示牌得知限速要求，使得驾驶员对限速值有充分的反应时间并使车速达到限速值要求。

步骤四的算法包括

S1、计算区段的交通密度；采用Papageorgiou模型对交通状况进行预测，首先将目标公路划分为长度为ΔL的N个等长子段，每个子段的长度应满足车辆在时间段t(离散交通流模型的时间间隔指标)内不能通过一个子段，对于每个子段i，平均密度可以由下述公式表示：

其中K为i子段指定时域的密度，n为车道数，q_i(t)为t时间内从i子段到i+1子段的过渡流率；

S2、计算区段速度；平均速度表达式为：

其中，V[K_i(t)]为基于密度得出的i分段上t时间段上的静态速度：

其中，U_f为自由流速度，K_c为临界交通密度；

S3、最优速度控制模型

基于实际的交通条件，可以应用上述宏观交通流模型预测指定时域的交通状态，并依此得到最优限速值，建立最优控制模型的关键是选择合适的目标函数，因为VSL的主要目的是增加交通流的速度，平缓速度变化，减少车辆停止次数并减小震荡波对交通条件的影响，因此选择下述最小速度方差作为控制模型的目标函数，通过优化该目标函数求得过渡段上的最佳限速值，

其中V_ave是过渡段的平均速度:

作为一种优选的技术方案，从下述三个方面对目标函数进行约束，从而得到适用于实际的限速值，

(1)速度约束：

V_j≤V_i(t)≤V_f，Segment i without VSL control (6)

V_j≤V_i(t)≤U_f*μ_i(t)，Segment i with VSL control (7)

其中V_j为最小平均速度，V_f为自由流速度。μ_i(t)：i分段在k时间段上的可变限速比率。

(2)拥堵密度约束：

0≤K_i(t)≤K_i (8)

其中K_i为拥堵交通密度。

(3)安全约束：

步骤四，显示牌基于速度和精确度条件计算得出最优速度值，动态地修正显示的速度限制，驾驶员将直接通过显示牌得知限速要求，使得驾驶员对限速值有充分的反应时间并使车速达到限速值要求。

步骤四中，步骤四中，显示板设置在每个控制子段前250m处，规定VSL的控制时域和预测时域设置为5min且检测数据每10s得到更新，在启动前，每个控制间隔都会得到30个估计最优限速值，给出的相同时域的计算最优限速值集合v(i)＝{v_i(1),v_i(2),...v_i(30)}，通过下述策略将得出显示的最优限速值，

(1)定义表示v(i)的均值，通过下面的公式进行计算：

(2)定义counter M确定速度显示的移动方向，v^t表示现在时域的显示限速值，M通过下述函数不断修正：

(3)基于M，下个时域的显示限速值通过预先确定的增量Δ修正,：

其中增量Δ为5km/h的倍数。

本发明采用禁忌搜索算法对模型进行求解，步骤如下：

(1)初始解确定：

初始时，主线收费站作为交通瓶颈，收费广场前的过渡段作为VSL的控制区域，过渡段的范围需根据主线收费站的通行能力确定。各子区段的交通密度和速度已知，取过渡段平均速度V_ave作为初值。

(2)赦免准则：

赦免准则为：在每一次搜索过程中，记录已获取的最优解X(op)，一旦候选集中的解全都被禁忌时，选择其中最优解X(can)，并将X(can)解禁，设置为下一个可行解。如果X(can)优于X(op),则将X(can)设置为当前最优解.

(3)候选集：

通常依据问题的规模确定，如果问题规模较小，则当前最优解邻域较少，此时可采用全邻域搜索；如果问题的规模较大时，则从邻域中选择若干个相对较优的邻域构成候选集。

(4)终止条件：

禁忌搜索算法与遗传算法、模拟结束程序执行:即设置一个最优解的迭代次数上限值,若在给定的上限范围内,目标函数值没有得到优化,便认为本算法的搜索过程进入循环，不能找到新的最优解，停止搜索,输出已经找到的最优解。

本发明能有效降低高速车辆比例；可通过整合相邻控制区段的限速值减小速度差，平滑交通流和改善交通安全；驾驶员通过显示牌可以实时预知前方道路交通状况，降低紧急交通条件对交通流的不利影响。该控制系统通过向路侧的显示牌发布实时限速信息直接控制该路段的交通流，因此可视为是微观调控过渡段的交通流，在实际管理中具有立竿见影的效果。因此，在高速公路主线收费站前过渡段设置该控制系统，不但可以疏导收费站处交通流，缓解交通拥堵，提高交通安全。还可以收集交通信息，对后续的交通规划与管理具有十分重要的作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制方法，其特征在于，包括出站区域、收费区域和若干个缓冲减速区域，VSL通过车速控制进入每一个缓冲减速区域的交通量，从而缓解收费站拥堵，设置有两个视频检测器，上述视频检测器安装于收费站前的车道上方，检测控制区段的排队长度，作为用于判断VSL系统的启动的条件和控制路段限速牌开启的条件,视频检测器安装在收费站入口处和距离收费站入口2.5公里处，每一所述缓冲减速区域均设有一用于获得车流量的感应线圈检测器,每一所述感应线圈检测器均连接有一用于显示限速要求的显示牌，所有所述的检测器和显示牌共同连接有执行控制活动的中央处理器，缓冲减速区域设有十段，每段减速区域的长度为500m；

包括以下步骤，步骤一，取出收费站后的500米作为出站区域，取收费站前5Km为缓冲减速的过渡段实施VSL控制，将整个过渡段以500m间隔划分为十个控制区段并编号；

步骤二，VSL控制入口处，距收费站2.5公里处设置视频检测器实时抓拍道路检测区域的视频图像，进行数字化处理，依据分析检测区域的图像变化，判断交通流状况，根据收费站排队长度作为判断启动VSL控制区段的条件；

步骤三，在每个控制区段中间各车道的道路路基段埋设一组感应线圈，每组有两个感应线圈，每组感应线圈与多通道车辆检测器相连,当车辆分别经过两个线圈时，由于线圈电感量的变化，使得检测卡输出电平，车辆的通过状态将被检测到，同时状态信号传输给车辆检测器，由其进行采集和计算；

步骤四，中央处理器根据每个区段前埋置的感应线圈检测器，得出检测断面的车流量信息，根据实时交通条件动态预测指定时域该区段的限速值；步骤四的算法包括:

S1、计算区段的交通密度；采用Papageorgiou模型对交通状况进行预测，首先将目标公路划分为长度为ΔL的N个等长子段，每个子段的长度应满足车辆在时间段t内不能通过一个子段，其中t表示离散交通流模型的时间间隔指标，对于每个子段i，平均密度由下述公式表示：

其中K为i子段指定时域的密度，n为车道数，q_i(t)为t时间内从i子段到i+1子段的过渡流率；

S2、计算区段速度；平均速度表达式为：

其中，V[K_i(t)]为基于密度得出的i分段上t时间段上的静态速度：

其中，U_f为自由流速度，K_c为临界交通密度；

S3、最优速度控制模型

基于实际的交通条件，应用上述Papageorgiou宏观交通流模型预测指定时域的交通状态，并依此得到最优限速值，建立最优控制模型的关键是选择合适的目标函数，因为VSL的目的是增加交通流的速度，平缓速度变化，减少车辆停止次数并减小震荡波对交通条件的影响，因此选择下述最小速度方差作为控制模型的目标函数，通过优化该目标函数求得过渡段上的最佳限速值，

其中V_ave是过渡段的平均速度:

步骤五，根据排队长度，开启距离排队队尾最近的两个控制区域的显示牌对该两个区段进行VSL控制，上述显示牌基于速度和精确度条件计算得出最优速度值，动态地修正显示的速度限制，驾驶员将直接通过显示牌得知限速要求，使得驾驶员对限速值有充分的反应时间并使车速达到限速值要求。

2.如权利要求1所述的一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制方法，其特征在于，步骤二中，视频检测器用来监测排队拥堵程度，判定开启VSL控制区段，第一减速区域至第十减速区域的感应线圈检测器记录上一控制区段到下一控制区段过渡流率。

3.如权利要求2所述的一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制方法，其特征在于，从下述三个方面对目标函数进行约束，从而得到适用于实际的限速值，

(1)速度约束：

V_j≤V_i(t)≤V_f,无VSL控制的区段 (6)

V_j≤V_i(t)≤U_f*μ_i(t),有VSL控制的区段 (7)

其中V_j为最小平均速度，V_f为自由流速度，μ(_it)：i分段在k时间段上的可变限速比率；

(2)拥堵密度约束：

0≤K_i(t)≤K_i (8)

其中K_i为拥堵交通密度；

(3)安全约束：

4.如权利要求2所述的一种基于VSL的高速公路主线收费站速度控制方法，其特征在于，步骤四中，显示板设置在每个控制子段前250m处，规定VSL的控制时域和预测时域设置为5min且检测数据每10s得到更新，在启动前，每个控制间隔都会得到30个估计最优限速值，给出的相同时域的计算最优限速值集合v(i)＝{v_i(1),v_i(2),...v_i(30)}，通过下述策略将得出显示的最优限速值，

(1)定义表示v(i)的均值，通过下面的公式进行计算：

(2)定义counter M确定速度显示的移动方向，v^t表示现在时域的显示限速值，M通过下述函数不断修正：

(3)基于M，下个时域的显示限速值通过预先确定的增量Δ修正,：

其中增量Δ为5km/h的倍数。