CN106128133A - 一种基于交通效率和网络能耗的区域交通控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交通效率与网络能耗的区域交通控制方法,属于交通控制领域；主要包括实时检测交通数据，实时数据传输处理，实时交通控制，本发明通过面向交通效率高和网络能耗低的区域交通控制方法，解决了交通系统中交通效率与网络能耗之间由于优化目标差异而产生的矛盾，提出在城市交通即将拥堵的时候，开启本发明所提出的交通阀门控制器，以达到提高交通运行效率并降低汽车燃油消耗的目的。

Description

一种基于交通效率和网络能耗的区域交通控制方法

技术领域

本发明属于交通控制方法，尤其是一种基于交通效率和网络能耗的区域交通控制方法，能提高交通效率并降低网络能耗。

背景技术

道路通行效率是用来反映道路上各类交通方式对道路资源的占用情况，可以表示为某一道路断面上，特定时间内单位宽度的路面所能通过的最大车辆数，道路通行效率是道路的一种性能，近年来，随着城市化进程的不断加快，城市面临着日益严重的交通拥堵问题。这些问题严重导致道路通行效率的下降。

根据我国建设部和环保总局统计,交通能耗占社会总能耗的20％,如不加以控制将达到30％,交通领域已经成为我国能源消耗的大户,在发达国家,交通能耗也是能源消耗结构中比例最大的主体.全球范围内,预计2030年交通能耗将达到68％,受技术等因素的制约,新型交通工具不可能在短时间内得到普及。能源是经济发展的重要制约因素。汽车工业的发展，油耗的增多，不仅会带来能源的短缺，还会对城市环境产生巨大的负作用。交通系统的巨大能耗及其造成的环境污染引起了我国政府广泛关注和高度重视。

从上个世纪20年代，国内外陆续有多名学者分别对提高交通效率和降低网络汽车燃油消耗的交通控制方法进考行了相关研究分析。主要分为宏观和微观两方面的研究，宏观方向主要从提高路网的交通效率这一指标进行研究,微观方向则面向某一路段或某一交叉口。而面向某一区域路网，相关的研究都没有综合考虑提高交通效率和降低网络汽车燃油消耗这两个目标。因而，到目前为止，并没有有效的同时考虑上述两个优化目标的区域交通控制方法。

综上所述，在现有道路条件下，进行区域交通控制，有效提高道路通行效率，降低交通网络能耗显得非常重要。

发明内容

针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于交通效率和网络汽车燃油消耗的交通控制方法，不仅可以最大化的提高网络通行效率，缓解城市交通拥堵，而且可以降低网络上汽车燃油消耗，缓解交通能源消耗和环境污染问题。

为实现上述发明，本发明提出以下技术方案：

一种基于交通效率与网络能耗的区域交通控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)实时检测交通数据：根据受保护路网特性，获取交通小区的宏观基本图(Macroscopic Fundamental Diagram，简称MFD)，将交通小区边界的控制流量阀门依此标记为1,2，…，n；在控制阀门处设置车流检测器，在交通小区边界的流出路段分别设置车流检测器，依此标记为1，2，…，m；且所有的车流量检测器均与数据库连接，并实时传输指令和数据信息；

(2)实时数据传输处理:在中央处理系统中，可得到由地面路网交通小区边界阀门和边界流出路段的流量采集数据，经过相应的处理，对燃油消耗和交通效率的双目标规划模型进行求解，得到网络最优车辆数；

(3)实时交通控制：利用宏观基本图特性并结合边界控制阀门和边界流出路段的道路通行能力对交通小区交通拥堵状态和车辆燃油消耗状态进行判别，通过建立基于交通效率和网络能耗的区域交通控制模型，达到提高交通运行效率和降低车辆燃油消耗的目的；而相应阀门控制器中流量的改变，在实际路网中是由边界阀门控制器附近相邻交叉口的有效绿灯时间来控制。

步骤(1)中宏观基本图(MFD)的特性：在开始阶段，交通小区的流出小区车辆数随着小区内车辆数(交通密度)的增大而增大；当小区内车辆数增大到临界值时，小区的流出网络车辆数达到顶峰；而后，交通小区的流出小区车辆数随着小区内车辆数的继续增加而逐步减小，直至为0(此时小区车流密度达到阻塞密度，网络处于锁死状态)；一般单个小区的MFD曲线拟合为一元二次函数或一元三次函数曲线。

步骤(2)中的基于交通效率和网络能耗的双目标规划模型

假设驾驶员严格遵守基于交通效率和网络能耗的双目标规划模型的假设条件，以交通小区交通效率高和车均燃油消耗低这两个目标为择路原则；建立燃油消耗和交通效率的双目标规划模型，并采用数值求解方法对模型进行求解，得到模型的最优解，然后再以求出的最优解值作为区域交通控制模型的给定量，通过调节阀门开关大小来调节小区流入量(被控变量)，将小区内车辆数控制在给定量附近，以提高小区的交通效率和小区的车均燃油消耗；双目标优化模型表达式如(1)所示：

$\min FC=min\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1\[{\mathrm{av}}_f\exp (-\frac{2n}{n_m})+{\mathrm{bv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m})+c\]\\ +{\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}d{(S_1-{\mathrm{mv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m}\left)\right)}^2/k^2{v_f}^2\exp (-\frac{2n}{n_m})\\ +e(S-{\mathrm{mv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m}))/{\mathrm{kv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m})+f(g/c)+i\end{array}\right]\end{array}\right\}---\left(1\right)$

s.t.Q'≤Q(n)＝αn³+βn²+γn+η≤Q”

其中：—FC为小区内车均燃油消耗(L/100KM)；λ₁和λ₂为权重系数，可根据交通小区实际路网中交叉口长度和基本路段长度取值；

—n为小区内车辆数(veh),α、β、γ、η，为模型待定系数；

—v为车辆平均速度(km/h)，v_f、n、n_m为模型待定系数，单位分别为km/h、veh、veh；

—a、b、c、d、e、f、i、m为拟合参数；g/c为平均绿信比；

—Q(n)为流出小区车辆数(veh/h)，Q'、Q”分别为峰值附近流出小区的车辆数(veh/h)。

步骤(3)中，区域交通控制模型反馈控制示意图详见图3，区域交通控制模型如下所示：

(a)模型的输入量是q_g，输出量是n，q_g表示控制阀门处的流量，q_in是可控流入网络的车辆数，由于系统延误可以得到q_in(t)＝q_g(t-τ)；

(b)q_out表示由测量数据得到的车辆完成率，q_d表示不可控网络的流入量。网络内车辆数n的变化率为

(c)通过对的累积积分，可以得到网络内的车辆数N，由于检测器测量的数据存在一定的误差，可得理想网络的车辆数n(t)＝A×N(t)；

(d)由宏观基本图特性可得理想车辆完成率Q(t)＝f[n(t)]，q_out(t)＝ηQ(t)；

(e)将非线性方程在稳态点处线性化：

$\frac{d}{dt}\left(\mathrm{\Δ}n\right)=A\·({\mathrm{\Δq}}_{in}+{\mathrm{\Δq}}_d-\mathrm{\η}\mathrm{\Δ}n)$

(f)由于在计算机仿真中采用的是离散形式，把上述连续方程离散化：

Δn(t+1)＝x₁Δn(t)+x₂[Δq_in(t)+Δq_d(t)]

(g)可得PI控制器q_in(t)＝q_in(t-1)-K_p[n(t)-n(t-1)]+K_I[n(t)’-n(t)]。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过交通效率和网络能耗的区域交通控制方法，解决了过去一直存在于交通系统中，由于交通效率和网络能耗这两个优化目标差异而产生的矛盾；提出在城市交通系统发生拥堵的时候，开启小区边界控制阀门，启动控制装置，以缓解交通阻塞和降低小区车辆燃油消耗，从而改善城市交通运行效率，缓解交通能源消耗和环境污染问题。

附图说明

图1是交通小区示意图。

图2是本发明的数据采集处理与控制流程图。

图3是交通小区反馈控制示意图。

图4是阀门控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明的控制过程而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本部分内容详细介绍本发明所述的基于交通效率和网络能耗的区域交通控制方法对某城市交通道路网进行道路交通的控制方法：

(1)获取交通小区宏观基本图：根据受保护路网特性，每隔五分钟收集一次交通小区内所有路段的平均密度，平均速度和流出小区路段的平均流量，收集一天的历史流量数据。然后再对所有路段的平均密度，平均速度和流出小区的平均流量取平均值，通过软件分析拟合上述两两变量数据，获取某一交通小区的宏观基本图(一般拟合为一元二次方程或一元三次方程)。

(2)获取交通小区车均燃油消耗模型，并确定模型系数，见式(1)：

$\min FC=min\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1\[{\mathrm{av}}_f\exp (-\frac{2n}{n_m})+{\mathrm{bv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m})+c\]\\ +{\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}d{(S_1-{\mathrm{mv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m}\left)\right)}^2/k^2{v_f}^2\exp (-\frac{2n}{n_m})\\ +e(S-{\mathrm{mv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m}))/{\mathrm{kv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m})+f(g/c)+i\end{array}\right]\end{array}\right\}---\left(1\right)$

s.t.Q'≤Q(n)＝αn³+βn²+γn+η≤Q”

其中：—FC为小区内车均燃油消耗(L/100KM)；λ₁和λ₂为权重系数，可根据交通小区实际路网中交叉口长度和基本路段长度取值；

—n为小区内车辆数(veh),α、β、γ、η，为模型待定系数；

—v为车辆平均速度(km/h)，v_f、n、n_m为模型待定系数，单位分别为km/h、veh、veh；

—a、b、c、d、e、f、i、m为拟合参数；g/c为平均绿信比；

—Q(n)为流出小区车辆数(veh/h)，Q'、Q”分别为峰值附近流出小区的车辆数(veh/h)。

(3)建立实时数据检测系统：如图1所示，将交通小区边界适当位置设置控制流量阀门，并依此标记为1,2，....，16(小区边界设置16个“控制阀门”)；在控制阀门处设置车流检测器，用来检测流入小区的车流量，在交通小区边界的流出路段分别设置车流检测器，依此标记为1，2，.....16(小区边界共有16个流出路段)，用来检测流出小区的车流量，且所有的车流量检测器均与数据库连接，并通过网络将数据实时传送到数据库；

(4)在实时数据传输处理中，如图2，通过已得到的交通小区的宏观基本图系数和交通小区燃油消耗模型系数代入建立的燃油消耗和交通效率的双目标规划模型中，并采用数值求解方法对模型进行求解，得到小区最优车辆数(即把网络内的车辆数保持在最优车辆数附近时，此时的交通小区的车辆燃油消耗最低，交通效率最高)。

(5)在实时数据传输处理和实时交通控制中，如图2，通过检测器检测到的数据，并根据(g)，经系统计算机进行处理，可计算得实时网络车辆数，当实时网络车辆数大于最优网络车辆数时，中央处理系统开启边界阀门控制器，减少流入小区的车辆数以达到减少网络车辆数的目的，维持网络车辆数在最优网络车辆数附近。当实时网络车辆数小于最优网络车辆数时，中央处理系统关闭边界阀门控制器。

(6)阀门控制器处流量的改变在实际路网中由边界阀门控制器附近相邻交叉口的有效绿灯时间来控制。见图4。

Claims (3)

1.一种基于交通效率与网络能耗的区域交通控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)实时检测交通数据：根据受保护路网特性，获取交通小区的宏观基本图，将交通小区边界的控制流量阀门依此标记为1,2，…，n；在控制阀门处设置车流检测器，在交通小区边界的流出路段分别设置车流检测器，依此标记为1，2，…，m；且所有的车流量检测器均与数据库连接，并实时传输指令和数据信息；

(2)实时数据传输处理:在中央处理系统中，可得到由地面路网交通小区边界阀门和边界流出路段的流量采集数据，经过相应的处理，对燃油消耗和交通效率的双目标规划模型进行求解，得到网络最优车辆数；

(3)实时交通控制：利用宏观基本图特性并结合边界控制阀门和边界流出路段的道路通行能力对交通小区交通拥堵状态和车辆燃油消耗状态进行判别，通过建立基于交通效率和网络能耗的区域交通控制模型，达到提高交通运行效率和降低车辆燃油消耗的目的；而相应阀门控制器中流量的改变，在实际路网中是由边界阀门控制器附近相邻交叉口的有效绿灯时间来控制。

2.根据权利要求1中所述的一种基于交通效率与网络能耗的区域交通控制方法，其特征在于，步骤(2)基于交通效率和网络能耗的双目标规划模型如下：

假设驾驶员严格遵守基于交通效率和网络能耗的双目标规划模型的假设条件，以交通小区交通效率高和车均燃油消耗低这两个目标为择路原则；建立燃油消耗和交通效率的双目标规划模型，并采用数值求解方法对模型进行求解，得到模型的最优解，然后再以求出的最优解值作为区域交通控制模型的给定量，通过调节阀门开关大小来调节小区流入量，将小区内车辆数控制在给定量附近，以提高小区的交通效率和小区的车均燃油消耗；双目标优化模型表达式如(1)所示：

$minFC=min\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1\[{\mathrm{av}}_f\exp (-\frac{2n}{n_m})+{\mathrm{bv}}_f\exp (-\frac{n}{n_m})+c\]\\ +{\mathrm{\λ}}_2\left[\begin{array}{c}d(S_1-m{v}_f\exp \left(-\frac{n}{n_m}\right))/k^2{v_f}^2\exp (-\frac{2n}{n_m})\\ +e(S-m{v}_f\exp (-\frac{n}{n_m}\left)\right)/k{v}_f\exp (-\frac{n}{n_m})+f(g/c)+i\end{array}\right]\end{array}\right\}---\left(1\right)$

s.t.Q'≤Q(n)＝αn³+βn²+γn+η≤Q”

其中：—FC为小区内车均燃油消耗(L/100KM)；λ₁和λ₂为权重系数，可根据交通小区实际路网中交叉口长度和基本路段长度取值；

—n为小区内车辆数(veh),α、β、γ、η，为模型待定系数；

—v为车辆平均速度(km/h)，v_f、n、n_m为模型待定系数，单位分别为km/h、veh、veh；

—a、b、c、d、e、f、i、m为拟合参数；g/c为平均绿信比；

—Q(n)为流出小区车辆数(veh/h)，Q'、Q”分别为峰值附近流出小区的车辆数(veh/h)。

3.根据权利要求1中所述的一种基于交通效率与网络能耗的区域交通控制方法，其特征在于，步骤(3)中阀门控制器流量的改变在实际路网中是由边界阀门控制器附近相邻交叉口的有效绿灯时间来控制，假设交通小区边界有n个阀门控制器，其中第i个阀门控制器在紧邻阀门控制器上游的交叉口有m个，则

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{q}_{ij}=q_{in}---\left(2\right)$

式中：q_in表示通过阀门控制器流入交通小区的车流量，q_ij表示由第i个阀门附近第j个交叉口流入交通小区的车流量；

为了使得所有阀门控制器附近的道路通行效率最大化，应根据交叉口附近每条道路的饱和流率合理分配车流量，则：

$\frac{q_{ij}}{S_{ij}}=k---\left(3\right)$

式中：S_ij表示第i个阀门附近第j个交叉口相应上游进口车道的饱和流率，k表示合适的流率比，则：

$k\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_{ij}=q_{in}---\left(4\right)$

可得：

$q_{ij}=\frac{q_{in}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{S}_{ij}}{S}_{ij}.---\left(5\right)$