CN106128123A - 一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制算法优选算法 - Google Patents

Abstract

一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法。对快速道路瓶颈依据其几何特征进行划分，针对不同交通瓶颈类型采用不同交通控制方法，基于主线及匝道的交通需求判断当前交通流状态下的最优控制方法，综合采用匝道控制和可变限速控制实现对交通流的最优化控制。本发明弥补了之前多种交通控制方法缺乏针对性、没有考虑不同瓶颈类型和控制原理的适用性和优缺点的不足，基于实测交通流状态充分发挥了匝道控制和可变限速控制的优点，通过减少快速道路路段内系统通行时间有效提高了道路的通行效率。

Description

一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制算法优 选算法

技术领域

本发明属于交通控制技术领域，具体涉及一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制算法优选算法。

背景技术

可变限速控制和匝道控制作为当下越来越被广泛用于改善快速道路通行效率的交通控制策略，其对交通流运行具有不同的影响。匝道控制能够有效阻止瓶颈位置通行能力下降现象，保持主线交通流的畅通性。可变限速控制通过在瓶颈位置上游对交通流进行控制，使得瓶颈位置的到达流量始终维持在通行能力附近且不产生车辆排队。因此，针对不同瓶颈路段及交通流状态，需要选择不同的最优控制算法，从而有效提高快速道路通行效率。

可变限速控制和匝道控制作为两种交通控制手段，各自有其适用性和缺点。匝道控制虽然保证了主线交通流畅通，但是没有考虑匝道排队车辆的长度，排队车辆的溢出可能产生对地方道路的干扰。可变限速控制的缺点在于对主线交通流的控制可能导致主线出口匝道车辆的阻塞，减少了出口匝道车辆的通过率。本发明综合考虑两种控制方法的优缺点，提出可变限速与匝道控制的协调控制算法，相比于单一采取某一交通控制策略，本发明提出的协调控制算法能够综合考虑匝道车辆的排队长度和主线车辆的通过效率，充分发挥可变限速控制和匝道控制的优势，有效阻止瓶颈通行能力下降现象的发生，提高快速道路的通行效率。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有交通控制策略的选用相对单一，对于不同的瓶颈类型和交通状态缺乏针对性，可变限速控制可能导致交通流的小范围波动及出口匝道车辆通过效率的下降，匝道控制则缺乏对匝道上车辆排队导致的地方道路受影响的考虑。不同类型瓶颈的拥堵机理不同，相应的交通控制的方法也不同。本发明提出一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制算法优选算法，针对不同瓶颈类型提出不同的最优控制算法选择策略，基于实测交通流数据判断当前交通流状态，综合使用ALINEA/Q算法和可变限速控制算法实现对瓶颈区域的最优控制。弥补之前单一控制方法中缺乏对不同瓶颈类型的针对性改善，也能够充分发挥不同控制算法的控制效果。

本发明技术方案为：

本发明提出一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制算法优选算法，针对提高快速道路通行效率这一目标，基于瓶颈类型选择最优控制算法选择的方法，采用交通流检测器采集实际交通流数据，控制初期采用ALINEA/Q算法，当匝道排队车辆达到匝道容量时，松弛匝道控制并启动可变限速控制，直至匝道排队车辆消失时才终止可变限速控制。本方法对实际中通过综合运用不同交通控制方法提高快速道路通行效率具有重要意义。实例显示，本发明提出的不同瓶颈类型下最优交通控制方法能有效降低快速道路路段内总通行时间，提高通行效率。

附图说明

图1为多种交通瓶颈路段示意图。

图2为交通流检测器及匝道控制信号灯设置位置示意图。

图3为ALINEA匝道控制原理图。

图4为可变限速控制算法流程图。

图5为可变限速与匝道协调控制算法流程图。

图6为孤立入口匝道瓶颈控制方法。

图7为入口匝道上游存在出口匝道路段控制方法。

图8为出口匝道上游存在入口匝道路段控制方法。

具体实施方式

本发明是基于匝道控制和可变限速控制对交通流的影响机理提出一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法，基于入口匝道及其上下游是否存在其他匝道将瓶颈划分为四类，针对不同瓶颈类型采用不同最优控制算法选择的方法，实时检测当前主线及匝道的交通流状态，依据主线和匝道的交通流状态实时选择当前时刻采用的控制方法，从而针对不同瓶颈类型和交通流状态充分发挥不同交通控制方法的效果。

第一步是判断当前瓶颈的类型，并在主线及匝道上设置交通流检测器。将瓶颈划分为四类，分别是：孤立入口匝道瓶颈、孤立出口匝道瓶颈、入口匝道瓶颈上游近距离存在出口匝道路段瓶颈以及出口匝道上游近距离存在入口匝道路段瓶颈。上述四类交通瓶颈路段几何构造如图1所示。当瓶颈类型为孤立入口匝道瓶颈时转入第五步，当瓶颈类型为孤立出口匝道瓶颈时转入第六步，当瓶颈类型为入口匝道瓶颈上游近距离存在出口匝道路段瓶颈时转入第七步，当瓶颈类型为出口匝道上游近距离存在入口匝道路段瓶颈时转入第八步。交通流检测器设置位置及匝道用于匝道控制的信号灯设置位置如图2所示。

第二步是确定ALINEA匝道控制算法流程，控制原理如图3所示，匝道中包含一个积分控制器，其匝道调节率根据汇入区瓶颈位置实际交通流占有率值与期望值之间的差值确定，计算公式如下：

$r\left(k\right)=r(k-1)+KR\[\hat{o}-o(k-1)\]---\left(1\right)$

其中，r(k)为t时刻匝道调节率，KR为控制器参数，为期望占有率值(通常设置为关键占有率)，o(k-1)为k-1时刻的瓶颈实测占有率值。

为使匝道上车辆排队长度维持在最大排队长度故算法增加一个匝道排队长度控制器，计算公式如下：

$r^{\′}\left(k\right)=-1/T\[\hat{w}-w\left(k\right)\]+q(k-1)---\left(2\right)$

其中，r′(k)为考虑入口匝道排队长度的k时刻匝道调节率，w(k)为k时刻入口匝道上排队长度，T为控制周期，q(k-1)为k-1时刻进入入口匝道的需求流量。

综合考虑公式(1)和公式(2)，则最终匝道调节率计算公式如下：

R(k)＝max[r(k),r'(k)] (3)

第三步是确定可变限速控制算法流程，流程图如图4所示，当瓶颈处交通流占有率超过通行能力下降阈值时，采用如下公式计算并取5mph的整倍值后发布可变限速值：

$V_{SL}\left(k\right)=V_{SL}(k-1)+K_I\[\hat{q}\left(k\right)-q\left(k\right)\],ifo\left(k\right)>\hat{O}---\left(4\right)$

其中，KI为控制参数，为可变限速控制路段的期望流量，q(k)为通行能力下降之后的瓶颈交通流量，a(0<a<1)为饥饿参数，确保可变限速控制下瓶颈排队能够尽快消除。

当瓶颈区交通流占有率低于通行能力下降阈值时且可变限速控制区存在车辆排队时，采用如下公式计算并取5mph的整倍值后发布可变限速值：

$V_{SL}\left(k\right)=V_{SL}(k-1)+{K^{\&prime;}}_I\&lsqb;\hat{o}-o\left(k\right)\&rsqb;,ifo\left(k\right)\&le;\hat{O}and{o}_{VSL}\left(k\right)>\hat{O}---\left(5\right)$

其中，K′_I为控制参数，o_VSL(k)为可变限速控制路段占有率。

当可变限速控制区排队车辆消除后，采用如下公式计算并取5mph的整倍值后发布可变限速值：

$V_{SL}\left(k\right)=V_{default},if{o}_{VSL}\left(k\right)<\hat{O}ando\left(k\right)<\hat{O}---\left(6\right)$

其中，V_default为默认可变限速值。

第四步是确定可变限速与匝道协调控制算法流程，流程图如图5所示。在控制初期首先采用ALINEA/Q算法，当匝道上排队车辆到达匝道容量时，匝道控制采用较松弛的调节率，同时开始启动可变限速控制，继续阻止瓶颈区通行能力下降发生。当匝道上排队车辆消失时，终止可变限速控制并恢复限速值至默认值，同时采用ALINEA/Q控制算法继续调节匝道流量。不断重复上述过程，直至高峰期结束以及主线上与匝道上排队现象完全消失。

第五步是针对孤立入口匝道瓶颈路段实时检测主线及入口匝道的交通需求，在图6中以主线交通需求为横坐标、入口匝道交通需求为纵坐标标出当前交通流状态点A。图6被划分为三个区域，若A点落在图中灰色区域，则不触发控制系统；若A点落在了图中斜线区域，则采用ALINEA匝道控制算法；若A点落在图中白色区域，则采用可变限速控制算法。公式表达如下：

其中，qm为主线交通需求，qr为匝道交通需求，qC为瓶颈通行能力，qL＝L/Tp，其中L为入口匝道容量，Tp为高峰期持续时间。

第六步是针对孤立出口匝道瓶颈路段，由于没有入口匝道故无法采用匝道控制，同时经过大量仿真试验表明由于反馈式可变限速控制使交通流存在波动，反而使通行时间有小幅增加。因此，针对孤立出口匝道瓶颈路段应采用无控制策略。

第七步是针对入口匝道瓶颈上游近距离存在出口匝道路段瓶颈，在图7中以主线交通需求为横坐标、入口匝道交通需求为纵坐标标出当前交通流状态点B。图7被划分为三个区域，将灰色区域与其他区域分割的斜线函数为x(1-γm)+y＝qC，其中γm为主线车辆通过出口匝道离开率。若B点落在图中灰色区域，则不触发控制系统；若B点落在了图中斜线区域，则采用ALINEA匝道控制算法；若B点落在图中白色区域，则采用可变限速与匝道协调控制算法，公式表达如下：

第八步是针对出口匝道上游近距离存在入口匝道路段瓶颈，在图8中以主线交通需求为横坐标、入口匝道交通需求为纵坐标标出当前交通流状态点C。图8被划分为三个区域，将灰色区域与其他区域分割的斜线函数为xγm+yγr＝qoff，其中γm为主线车辆通过出口匝道离开率，γr为入口匝道车辆通过出口匝道离开率，qoff为出口匝道的放行能力。若C点落入斜线区域，则采用可变限速控制算法，若C点落入其他区域则不触发控制系统，公式表达如下：

下面结合附图对发明的交通控制方法进行了实例演示：

假设某一2miles的快速道路瓶颈路段，其瓶颈类型为孤立的入口匝道瓶颈。在入口匝道及主线上瓶颈位置设置检测器，检测实时占有率数据判断主线及匝道交通流运行状态，可变限速控制区域位于瓶颈上游，控制路段长度0.3英里。路段内自由流速度为65mph，路段通行能力qC为1900辆/小时/车道，入口匝道容量L为80辆/车道，高峰期持续时间Tp为0.5小时，故qL为160辆/小时/车道，通行能力下降的幅度为8.4％，可变限速控制状况为路段默认限速值V_default为65mph，路段允许限速值范围为[0mph,70mph]。

9时30分检测器检测到的主线交通流需求为1600辆/小时/车道，入口匝道交通需求为900辆/小时/车道，在图6中绘制A1点可知A1点落入斜线区域，故采用ALINEA匝道控制。10时检测器检测到的主线交通流需求为1500辆/小时/车道，入口匝道交通需求为1800辆/小时/车道，在图6中绘制A2点可知A2点落入白色区域，故采用可变限速控制。10时30分检测器检测到的主线交通流需求为1000辆/小时/车道，入口匝道交通需求为1400辆/小时/车道，在图6中绘制A3点可知A3点落入斜线区域，再次采用ALINEA匝道控制。

Claims (6)

1.一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法，其特征是包括步骤：

1)依据快速道路瓶颈路段几何特征判断瓶颈类型，分别在主线及出入口匝道位置设置交通流检测器，在可变限速控制路段上游端设置可变限速指示牌，交通流检测器以30秒为周期检测交通流数据，包括占有率、交通流量和平均交通流速度，可变限速控制周期可在30秒至2分钟范围内依据控制效果选择。针对不同瓶颈类型采用不同交通控制方法；

2)确定ALINEA匝道控制算法流程，基于实测的交通流数据，匝道调节率的计算公式如下：

$r\left(k\right)=r(k-1)+KR\&lsqb;\hat{o}-o(k-1)\&rsqb;$

$r^{\&prime;}\left(k\right)=-1/T\&lsqb;\hat{w}-w\left(k\right)\&rsqb;+q(k-1)$

R(k)＝max[r(k),r'(k)]

其中，r(k)为t时刻匝道调节率，r′(k)为考虑入口匝道排队长度的k时刻匝道调节率，KR为控制器参数，为期望占有率值(通常设置为关键占有率)，o(k-1)为k-1时刻的瓶颈实测占有率值，w(k)为k时刻入口匝道上排队长度，T为控制周期，q(k-1)为k-1时刻进入入口匝道的需求流量；

3)确定可变限速控制算法流程，基于实测的交通流数据，采用如下公式计算并取5mph的整倍值后发布可变限速值：

$V_{SL}\left(k\right)=V_{SL}(k-1)+K_I\&lsqb;\hat{q}\left(k\right)-q\left(k\right)\&rsqb;,ifo\left(k\right)>\hat{O}$

$V_{SL}\left(k\right)=V_{SL}(k-1)+{K^{\&prime;}}_I\&lsqb;\hat{o}-o\left(k\right)\&rsqb;,ifo\left(k\right)\&le;\hat{O}and{o}_{VSL}\left(k\right)>\hat{O}$

$V_{SL}\left(k\right)=V_{default},if{o}_{VSL}\left(k\right)<\hat{O}ando\left(k\right)<\hat{O}$

其中，V_SL(k)为计算所得可变限速值，KI和K′_I为控制参数，为可变限速控制路段的期望流量，q(k)为通行能力下降之后的瓶颈交通流量，a(0<a<1)为饥饿参数，确保可变限速控制下瓶颈排队能够尽快消除，OVSL(k)为可变限速控制路段占有率，V_default为默认可变限速值；

4)确定可变限速与匝道协调控制算法流程，控制初期采用匝道控制算法，当匝道上排队车辆到达匝道容量时，触发可变限速控制且采用步骤2)中的调节率r′(k)，当匝道上排队车辆消失时，终止可变限速控制，采用ALINEA匝道控制算法。不断重复上述过程，直至高峰期结束以及主线与匝道上的排队完全消除；

5)针对不同瓶颈类型，选择不同控制方法的决策图，在相应决策图中以主线交通需求为横坐标、入口匝道交通需求为纵坐标标出当前交通流状态点在决策图中的位置，依据当前交通流状态点所处的区域确定当前时刻应选用的交通控制方法。

2.根据权利要求1所述的一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法，其特征是所述步骤3)中依据公式计算得到可变限速值后，需比较V_SL(k)值与预设的可变限速值合理范围[V_min,V_max]，当V_SL(k)超过[V_min,V_max]范围时，采用范围内最小值或最大值用于下一个可变限速控制周期，在可变限速指示牌处发布所得可变限速控制值。

3.根据权利要求1所述的一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法，其特征是所述步骤5)中针对孤立入口匝道瓶颈路段，控制方法如下：

qm+qr≤qC,无控制

qC<qm+qr<qC+qL and qm<qC,ALINEA匝道控制算法

qm+qr≥qC+qL or qm≥qC,可变限速控制算法

其中，qm为主线交通需求，qr为匝道交通需求，qC为瓶颈通行能力，qL＝L/Tp，其中L为入口匝道容量，Tp为高峰期持续时间。

4.根据权利要求1所述的一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法，其特征是所述步骤5)中针对孤立出口匝道瓶颈路段，采用无控制策略。

5.根据权利要求1所述的一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法，其特征是所述步骤5)中针对入口匝道瓶颈上游近距离存在出口匝道路段瓶颈，控制方法如下：

qm(1-γm)+qr≤qC,无控制

qC<qm(1-γm)+qr<qC+qL and qm(1-γm)<qC,ALINEA匝道控制算法

qm(1-γm)+qr≥qC+qL and qm(1-γm)≥qC,可变限速与匝道协调控制算法

其中，γm为主线车辆通过出口匝道离开率，其他符号含义同上。

6.根据权利要求1所述的一种面向不同交通瓶颈路段通行效率提升的交通控制方法，其特征是所述步骤5)中针对出口匝道上游近距离存在入口匝道路段瓶颈，控制方法如下：

xγm+yγr≤qoff,无控制

xγm+yγr>qoff and x+y<qC,可变限速控制算法

x+y≥qC,无控制

其中，γm为主线车辆通过出口匝道离开率，γr为入口匝道车辆通过出口匝道离开率，qoff为出口匝道的放行能力。