CN107610486A - 一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，包括交通状态检测装置、匝道排队长度检测装置、出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置、平面信号交叉口控制装置、公路出入口车流交通诱导装置和协调控制器。本发明通过收费站调控车流，根据高速公路主线、出入口匝道和收费站附近区域城市道路的交通状态和车辆排队长度，实时调控出入口收费站的放行速率，同时与之配合协调控制衔接信号交叉口的信号配时方案；此外，辅助以交通诱导系统，最终使得车辆可以顺畅进入或者离开高速公路，解决公路高速公路主线、出入口匝道、收费站与信号交叉口衔接路段的交通拥堵问题，使得高速公路与城市道路路网整体运行效率最优。

Description

一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统

技术领域

本发明涉及道路交通协调控制的技术领域，尤其指一种收费公路出入口与衔接城市道路信号交叉口的协调控制系统，可用于公路收费站与其衔接信号交叉口之间的协调控制以及公路车流交通诱导，主要用缓解高速公路主线交通拥堵、公路收费站与城市信号交叉口连接区域的交通拥堵问题。

背景技术

目前，我国高速公路均是封闭式收费道路，在公路出入口设置收费站进行收费控制。收费站及匝道与城市道路平面交叉口区域是连接城市道路与高速公路路网的重要路段，然而却是交通流衔接不协调的瓶颈点，时常发生拥堵，影响着两个路网的顺畅连通。随着人均保有机动车数量的增加，交通供给与需求之间的矛盾日益加剧，城市道路和高速公路路网交通拥堵日益严重。尤其是公路出口、入口收费站与衔接信号交叉口之间路段的拥堵问题尤为严峻。单纯依靠增加交通设施建设已不能满足日益增长的交通需求，迫切需要对公路收费站与衔接交叉口之间进行协调控制，避免收费站与交叉口之间路段发生拥堵，同时发挥收费站限制车流的功能，合理限制进入高速公路主线的车辆，同时引导出口车流可以顺畅地离开公路。否则，无限制的车流进入高速公主线将导致(或加剧)主线拥堵，车辆通过收费站后，将滞留于高速公路主线，不能前进绕行又不能后退，甚至堵塞滞后影响收费站和城市道路的正常通行；或者，由于不加以协调控制，出口车流无法顺利通过衔接交叉口或者离开收费站，将滞留于出口匝道上，甚至回堵至公路主线上，影响主线的正常通行。可见，出入口收费站与衔接交叉口之间的交通状态直接影响着公路主线与城市道路的正常运行。

此外，我国高速公路和城市道路路网分别归属不同的部门管辖，两个部门各司其职，高速公路与城市道路成为两个相互独立的整体，独立设计建设，独立经营，因此公路出入口收费站与城市道路信号交叉口之间缺乏协调控制，拥堵时常发生，直接影响公路主线与城市道路的正常运行。

目前，高速公路收费站的作用仅仅是用于车辆收费，利用程度较低。国内外关于高速公路出入口收费站与其衔接信号交叉口协调控制方法和优化设计的研究几乎没有，没有形成系统的方法论。本发明提出了一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，挖掘了收费站限制车流的调控功能，根据高速公路主线和收费站衔接城市道路的交通状况，以及出入口匝道的车辆排队长度，调控出口、入口收费站的放行速率，合理控制出口、入口车流，同时与收费站相互协调，进行衔接信号交叉口信号配时，解决出入口收费站与信号交叉口之间衔接路段的拥堵问题，同时避免出入口匝道拥堵；此外，结合交通诱导系统对进出公路的车辆进行最优路径诱导，最终使得主线和附近城市道路的服务水平(或交通状态)控制在所要求的范围内，实现分散交通压力、提高整体路网通行效率的目标，具有简单方便、成本低、优化效率明显的优势。

发明内容

本发明的目的是针对高速公路主线拥堵、出入口匝道拥堵、收费站与其衔接信号交叉口之间路段的交通拥堵现象，使得高速公路主线的服务水平(或交通状态)控制在所要求的范围内，解决出入口衔接路段的拥堵问题，提高高速公路主线与衔接区域的运行效率，提出了一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统。

本发明通过如下技术方案实现：

一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，包括交通状态检测装置、匝道排队长度检测装置、出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置、平面信号交叉口控制装置、公路出入口车流交通诱导装置和协调控制器，所述协调控制器用于根据交通状态检测装置和匝道排队长度检测装置检测的交通状态数据及车辆排队长度，协调出口、入口收费站放行控制装置的放行速率与平面信号交叉口控制装置的信号配时方案，确定收费公路出入口的车流通过方案，同时通过公路出入口车流交通诱导装置对驾驶员进行诱导。

进一步地，所述交通状态检测装置包括在收费站连接的高速公路主线上下游、收费站连接的城市道路上下游分别设置的若干交通状态检测器，用于检测高速公路主线和城市道路的交通状态数据，获取离开及进入高速公路主线的交通需求量，作为出入口收费站放行速率和衔接交叉口信号配时方案设置的依据，使得高速公路主线和连接城市道路的交通状态控制在所要求的范围内；

所述匝道排队长度检测装置包括在衔接信号交叉口与收费站之间连接路段、出入口匝道路段上设置的排队长度检测器，用于检测衔接交叉口与收费站之间连接路段、出口匝道、入口匝道路段的车辆排队长度，约束收费站的放行速率和衔接交叉口信号配时方案的设置；

所述出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置均包括收费系统已有的设置在收费通道上的收费站天棚信号灯、通道路侧红绿通行指示灯具、收费栏杆和控制器，用于调控出口、入口收费站的放行速率；所述出口收费站放行控制装置用于调控出口收费站的放行速率，使得车辆顺利离开公路，所述入口收费站放行控制装置用于调控入口收费站的放行速率，限制车辆进入高速公路主线，解决衔接平面信号交叉口与收费站之间连接路段、出入口匝道的交通拥堵问题；

所述平面信号交叉口控制装置包括设置在交叉口区域的交通状态检测器、直行左转红黄绿信号灯具和/或右转信号灯具、信号控制器，用于与出口、入口收费站的放行速率相互协调进行衔接交叉口的信号配时，避免衔接交叉口与收费站之间连接路段发生交通拥堵；

所述公路出入口车流交通诱导装置包括在收费站连接的高速公路主线和城市道路上可选择其他出口和入口路径的交叉口或岔路口上设置的可变信息情报板和/或安装在车辆上的无线通讯车载导航系统，用于发布路网拥堵信息，同时推荐最优行驶路径，诱导驾驶员选择最优路径进入和离开公路，避开拥堵路段和拥堵收费站；

所述协调控制器具体用于交通状态检测装置、匝道排队长度检测装置、出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置、平面信号交叉口控制装置、公路出入口车流交通诱导装置之间互相通讯与协调控制的决策中心，处理输入的数据，并输出最优协调控制方案来调节收费公路出入口的车流通过量。

进一步地，所述的出入口匝道路段是指出口匝道和入口匝道，即收费站至高速公路主线出口分流点、收费站至高速公路主线入口汇流点之间的路段。

进一步地，所述交通状态检测器检测的交通状态数据包括车辆行驶速度、道路密度、拥堵指数、车型、交通流量、车辆排队长度。根据实际应用中不同需求而检测获取不同的数据。

进一步地，所述协调控制器具体用于进行出口收费系统与衔接信号交叉口的单方向车流协调控制，协调控制出口车流，其过程具体包括：

以高速公路主线车辆通过出口收费站离开公路的需求、出口匝道车辆排队长度和收费站附近区域衔接城市道路可容纳的车辆数为控制参数，实时调控出口收费站的放行速率，同时与之配合协调控制衔接信号交叉口的信号配时方案，解决高速公路主线拥堵问题，高速公路主线出口分流点与出口收费站之间路段和出口收费站与信号交叉口之间衔接路段发生的拥堵问题；同时，使得交通压力分散于出口匝道，衔接交叉口路段和城市道路路网上，避免发生局部拥堵或区域路网瘫痪；此外，通过控制公路出入口车流交通诱导装置引导车辆选择其他最佳出口收费站提前或者推迟离开高速公路，避开拥堵路段。

进一步地，所述协调控制器具体用于进行入口收费系统与衔接信号交叉口的单方向车流协调控制，协调控制入口车流，其过程包括：

以高速公路主线的交通状况和入口匝道排队长度为控制依据，实时调控入口收费站的放行速率，使得车辆进入高速公路主线后，高速公路交通状态控制在所要求范围内，解决高速公路主线拥堵问题，同时避免入口收费站与高速公路主线入口车流汇入点之间路段发生拥堵；与入口收费站放行速率相协调，协调控制衔接信号交叉口的信号配时方案，避免衔接交叉口与入口收费站之间路段发生拥堵；此外，通过控制公路出入口车流交通诱导装置引导车辆选择其他最佳路径或者入口收费站进入高速公路。

进一步地，所述协调控制器具体用于进行出口、入口收费系统与衔接信号交叉口的双向车流协调控制，整体协调控制出口车流和入口车流，其过程包括：

根据交通状态检测装置检测的高速公路主线、附近城市道路的交通状况和匝道排队长度检测装置检测获得的出口匝道、入口匝道、收费站与衔接交叉口之间路段的车辆排队长度，出口、入口收费站放行控制装置调控出口、入口收费站的放行速率，合理控制出口、入口车流，同时，平面信号交叉口控制装置与收费系统相互协调，进行衔接信号交叉口信号配时，解决出口、入口收费站与信号交叉口之间衔接路段的拥堵问题，同时避免出入口匝道拥堵，此外，通过公路出入口车流交通诱导装置对进出公路的车辆进行最优路径诱导，最终使得高速公路主线和收费站附近城市道路的交通状态控制在所要求的范围内，使得高速公路与城市道路路网整体运行效率最优。

进一步地，所述出口、入口收费站放行控制装置具体用于：通过调节收费系统已有的设置在收费站通道上的收费站天棚信号灯、路侧红绿通行指示灯的信号灯的周期、控制车辆的通行频率；

和/或

通过调节收费栏杆升起的速度或者停顿延误升起；

和/或

通过调控开放收费站出口通道数量；

和/或

通过调控收费站通道单车放行模式或多车放行模式；

调节每一辆车的放行速率，即调控收费服务时间，实现调控出口收费站的放行速率，最终使得将高速公路主线和连接城市道路的交通状态控制在所要求的范围内，同时避免交叉口与收费站之间连接路段和出入口匝道发生拥堵。

进一步地，所述的收费站通道上还设置有辅助可变情报板，用于提示驾驶员收费服务进程，给予驾驶员心理准备。

进一步地，所述平面信号交叉口控制装置具体用于：根据衔接收费站放行控制装置输出的出口收费站通行能力，即放行速率，调控从衔接收费站离开进入交叉口的直行、左转和右转车流的绿灯时间，避免出口收费站与交叉口之间连接路段发生拥堵；交叉口信号控制方案允许跳相、变序、早断以及搭接车流；其信号控制模式采用动态控制模式或定时控制模式；根据实际交通状况确定右转车流的右转控制信号。

综上所述的收费公路出入口与衔接城市道路信号交叉口的协调控制系统的实现方案，以分散交通压力为控制策略，主要协调控制的目标是使得研究区域的城市道路与高速公路整体运行效率最优、社会效益最大，实现车辆延误最小，缓解甚至避免高速公路主线拥堵、解决出入口匝道拥堵和收费站与交叉口之间连接路段的交通拥堵问题。所述的协调控制系统主要调控对象有交叉口信号配时方案、收费站出入口放行速率以及交通诱导系统，具体协调控制方法说明如下：

分两种状态控制：当路网处于非拥堵状态时，收费站出入口放行速率与信号配时方案互相协调控制，以路网运行最优为目标，寻求最佳协调控制方案；当路网处于拥堵状态时，限制收费站出口、入口放行速率取值，交叉口信号配时方案与之协调。比如收费站附近高速公路主线发生交通事故或者拥堵时，实施限制车流进入高速公路主线，此时收费站入口放行速率限制在某一取值区间，信号配时方案与入口放行速率协调，避免无限制的车流进入高速公路主线而加剧高速公路主线拥堵。

本发明对比已有技术具有以下创新点与有益效果：

1.本发明提出了信号配时与收费站系统协调控制的概念，根据道路交通状态，协调控制出口收费站、入口收费站的实时放行速率和衔接信号交叉口的配时方案，缓解了收费站与衔接交叉口之间的交通拥堵问题；

2.本发明方法适当地结合了收费系统数据与城市信号控制系统数据，通过检测上下游的交通状态和交通拥堵情况，进行收费系统与信号配时的协调控制，具有实时性和前瞻性；

3.本发明充分考虑了收费系统与信号交叉口的协调控制，相较于传统的收费站仅用于车辆收费，本文创新地对收费系统的放行速率进行合理科学的调控，使得收费站与交叉口区域整体运行效率最优；

4.本发明方法相较于现有的定时控制和单点控制模式，本发明的动态协调控制模式创新地充分考虑了收费系统的应用及其协调控制，具有创新性，并且大大提高道路通行效率和社会效益。

附图说明

图1为一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统结构组成图。

图2为一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统逻辑流程图。

图3为高速公路收费站与其衔接信号交叉口之间路段的路况图。

其中:1—交通状态检测器；2—收费站天棚信号灯；3—通道路侧红绿通行指示灯具；4—收费栏杆；5—直行左转红黄绿信号灯具；6--交叉口区域；7--收费站与交叉口连接路段；8--收费站与收费广场路段；9--出入口匝道路段；10—高速公路主线路段。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

如图1和图3所示，一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，包括交通状态检测装置、匝道排队长度检测装置、出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置、平面信号交叉口控制装置、公路出入口车流交通诱导装置和协调控制器，所述协调控制器用于根据交通状态检测装置和匝道排队长度检测装置检测的交通状态数据及车辆排队长度，协调出口、入口收费站放行控制装置的放行速率与平面信号交叉口控制装置的信号配时方案，确定收费公路出入口的车流通过方案，同时通过公路出入口车流交通诱导装置对驾驶员进行诱导。

具体而言，如图3所示，本实施例研究范围包括交叉口区域6、收费站与交叉口连接路段7、收费站与收费广场路段8、出入口匝道路段9和高速公路主线路段10。

所述交通状态检测装置包括在收费站连接的高速公路主线上下游、收费站连接的城市道路上下游分别设置的若干交通状态检测器1，用于检测高速公路主线和城市道路的交通状态数据，获取离开及进入高速公路主线的交通需求量，然后结合高速公路主线最大通行能力，计算高速公路主线和附近城市道路服务水平控制在一定范围内的最大可容纳车辆数，作为出入口收费站放行速率和衔接交叉口信号配时方案设置的依据，使得高速公路主线和连接城市道路的交通状态控制在所要求的范围内；所述交通状态检测器检测的交通状态数据包括车辆行驶速度、道路密度、拥堵指数、车型、交通流量、车辆排队长度，根据实际应用中不同需求而检测获取不同的数据。

所述匝道排队长度检测装置包括在衔接信号交叉口与收费站之间连接路段、出入口匝道路段上设置的排队长度检测器，用于检测衔接交叉口与收费站之间连接路段、出口匝道、入口匝道路段的车辆排队长度，约束收费站的放行速率和衔接交叉口信号配时方案的设置，避免衔接交叉口与收费站之间连接路段、和出入口匝道路段发生拥堵，进而影响公路高速公路主线和收费站的正常运行。

所述出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置均包括收费系统已有的设置在收费通道上的收费站天棚信号灯2、通道路侧红绿通行指示灯具3、收费栏杆4和控制器，用于根据交通状态检测装置和匝道排队长度检测装置输出的交通状态数据调控出口、入口收费站的放行速率，使得高速公路主线和城市道路的交通状态控制在所要求的范围内；所述出口收费站放行控制装置用于调控出口收费站的放行速率，使得车辆顺利离开公路，所述入口收费站放行控制装置用于调控入口收费站的放行速率，限制车辆进入高速公路主线，解决衔接平面信号交叉口与收费站之间连接路段、出入口匝道的交通拥堵问题；

所述平面信号交叉口控制装置包括设置在交叉口区域的交通状态检测器1、直行左转红黄绿信号灯具5和/或右转信号灯具、信号控制器，用于与出口、入口收费站的放行速率(通行能力)相互协调进行衔接交叉口的信号配时，调控从衔接交叉口进入收费站的车流和从收费站离开进入衔接交叉口的车流对应相位的绿灯时间，避免衔接交叉口与收费站之间连接路段发生交通拥堵；

所述公路出入口车流交通诱导装置包括在收费站连接的高速公路主线和城市道路上可选择其他出口和入口路径的交叉口或岔路口上设置的可变信息情报板和/或安装在车辆上的无线通讯车载导航系统，用于发布路网拥堵信息，同时推荐最优行驶路径，诱导驾驶员选择最优路径进入和离开公路，避开拥堵路段和拥堵收费站；

所述协调控制器具体用于交通状态检测装置、匝道排队长度检测装置、出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置、平面信号交叉口控制装置、公路出入口车流交通诱导装置之间互相通讯与协调控制的决策中心，处理输入的数据，并输出最优协调控制方案来调节收费公路出入口的车流通过量。

本实施例中，所述的出入口匝道路段9是指出口匝道和入口匝道，即收费站至高速公路主线出口分流点、收费站至高速公路主线入口汇流点之间的路段。

上述实施例的基本原理如下：根据交通状态检测装置检测的高速公路主线、附近城市道路的交通状况和匝道排队长度检测装置检测获得的出口匝道、入口匝道、及收费站与衔接交叉口之间路段的车辆排队长度，出口、入口收费站放行控制装置调控出口、入口收费站的放行速率，合理控制出口、入口车流，同时平面信号交叉口控制装置与收费站相互协调，进行衔接信号交叉口信号配时，解决出口、入口收费站与信号交叉口之间衔接路段的拥堵问题，同时避免出入口匝道拥堵，此外，辅助以交通诱导装置，对进出公路的车辆进行最优路径诱导，最终使得高速公路公路主线和收费站附近城市道路的服务水平(或交通状态)控制在所要求的范围内。逻辑流程图如附图2所述。所述的出入口匝道是指出口匝道和入口匝道，出口匝道即出口收费站到高速公路主线出口分流点之间的路段，入口匝道即入口收费站到高速公路主线入口汇流点之间的路段。

具体而言，在一个可行的实施例中，所述协调控制器具体用于进行出口收费系统与衔接信号交叉口的单方向车流协调控制，协调控制出口车流，其过程具体包括：

以高速公路主线车辆通过出口收费站离开公路的需求、出口匝道车辆排队长度和收费站附近区域衔接城市道路可容纳的车辆数为控制参数，实时调控出口收费站的放行速率，同时与之配合协调控制衔接信号交叉口的信号配时方案，解决高速公路主线拥堵问题，高速公路主线出口分流点与出口收费站之间路段和出口收费站与信号交叉口之间衔接路段发生的拥堵问题；同时，使得交通压力分散于出口匝道，衔接交叉口路段和城市道路路网上，避免发生局部拥堵或区域路网瘫痪；此外，通过控制公路出入口车流交通诱导装置引导车辆选择其他最佳出口收费站提前或者推迟离开高速公路，避开拥堵路段。

具体而言，在另一可行的实施例中，所述协调控制器具体用于进行入口收费系统与衔接信号交叉口的单方向车流协调控制，协调控制入口车流，其过程包括：

以高速公路主线的交通状况和入口匝道排队长度为控制依据，实时调控入口收费站的放行速率，使得车辆进入高速公路主线后，高速公路交通状态控制在所要求范围内，解决高速公路主线拥堵问题，同时避免入口收费站与高速公路主线入口车流汇入点之间路段发生拥堵；与入口收费站放行速率相协调，协调控制衔接信号交叉口的信号配时方案，避免衔接交叉口与入口收费站之间路段发生拥堵；此外，通过控制公路出入口车流交通诱导装置引导车辆选择其他最佳路径或者入口收费站进入高速公路。

具体而言，在另一个可行的实施例中，所述协调控制器具体用于进行出口、入口收费系统与衔接信号交叉口的双向车流协调控制，整体协调控制出口车流和入口车流，其过程包括：

根据交通状态检测装置检测的高速公路主线、附近城市道路的交通状况和匝道排队长度检测装置检测获得的出口匝道、入口匝道、收费站与衔接交叉口之间路段的车辆排队长度，出口、入口收费站放行控制装置调控出口、入口收费站的放行速率，合理控制出口、入口车流，同时，平面信号交叉口控制装置与收费系统相互协调，进行衔接信号交叉口信号配时，解决出口、入口收费站与信号交叉口之间衔接路段的拥堵问题，同时避免出入口匝道拥堵，此外，通过公路出入口车流交通诱导装置对进出公路的车辆进行最优路径诱导，最终使得高速公路主线和收费站附近城市道路的交通状态控制在所要求的范围内，使得高速公路与城市道路路网整体运行效率最优。

具体而言，一个可行的实施例中，所述出口、入口收费站放行控制装置具体用于：通过调节收费系统已有的设置在收费站通道上的收费站天棚信号灯、路侧红绿通行指示灯的信号灯的周期、控制车辆的通行频率；

和/或

通过调节收费栏杆升起的速度或者停顿延误升起；

和/或

通过调控开放收费站出口通道数量；

和/或

通过调控收费站通道单车放行模式或多车放行模式；

调节每一辆车的放行速率，即调控收费服务时间，实现调控出口收费站的放行速率，最终使得将高速公路主线和连接城市道路的交通状态控制在所要求的范围内，同时避免交叉口与收费站之间连接路段和出入口匝道发生拥堵。另外，所述的收费站通道上还设置有辅助可变情报板，用于提示驾驶员收费服务进程，给予驾驶员心理准备。

具体而言，在一个可行的实施例中，所述平面信号交叉口控制装置具体用于：根据衔接收费站放行控制装置输出的出口收费站通行能力，即放行速率，调控从衔接收费站离开进入交叉口的直行、左转和右转车流的绿灯时间，避免出口收费站与交叉口之间连接路段发生拥堵；交叉口信号控制方案允许跳相、变序、早断以及搭接车流；其信号控制模式采用动态控制模式或定时控制模式；根据实际交通状况确定右转车流的右转控制信号，即右转车流可以不设置信号控制，也可以设置信号控制，根据实际交通状况决定。

本发明方法的基本原理为：根据交通状态检测装置检测的高速公路主线、附近城市道路的交通状况和匝道排队长度检测装置检测获得的出入口匝道、收费站与衔接交叉口之间路段的车辆排队长度，出口、入口收费站放行控制装置调控出口、入口收费站的放行速率，合理控制出口、入口车流，同时平面信号交叉口控制装置与收费站相互协调，进行衔接信号交叉口信号配时，解决出入口收费站与信号交叉口之间衔接路段的拥堵问题，同时避免出入口匝道拥堵，此外，辅助以交通诱导装置，对进出公路的车辆进行最优路径诱导，最终使得高速公路主线和收费站附近城市道路的服务水平(或交通状态)控制在所要求的范围内。

上述实施例的高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统的协调过程可以通过软件的方式来辅助实现，其具体算法可通过以下伪代码进行详细说明。

首先是运用韦氏最佳信号周期计算公式计算信号周期时长，公式如下：

Step01(初始化赋值):

d^*＝10000,i＝1,…,|P|.

if(t＝1)

Que₀＝A₀-Q_leave,0；

if(t＞1)

Que_i＝Que_i-1+A_i-Q_leave,i；

％％对预测初始排队车辆数和滚动排队车辆数进行定义，同时修正；

Step02(求非线性规划最优解问题):

d^*＝Min{d,d^*}

record P(d^*)

％％记录延误较小的方案作为最优方案。

Step03(调控收费站出入口放行速率):

Step04：将最优方案与前一个协调控制方案进行对比，满足优化效率条件，则输出执行最优方案，否则维持原方案。

注意：如果不同的绿信比组合方案，而最优平均延误是相同的，则记录相比上一个周期执行方案绿信比组合变化较小的方案。

符号意义说明：

|P|—交叉口信号配时的相位数；

C—交叉口信号配时的周期，本文应用的是固定周期，可以运用韦氏最佳信号周期计算，单位s；

L—每个信号周期C的绿灯损失时间之和，单位s；

d、d^*—低饱和度状态下韦伯斯特延误模型计算的交叉口平均延误，单位s；

Q_ue,i、q_ue,i—在一个优化周期T时间内，第i个相位对应车流、信号配时关键车流的车道上总排队标准车辆数，单位pcu；

q_i—在一个优化周期T时间内，根据在上游检测点获取的数据进行预测获得的第i个相位对应的关键车流的标准车辆到达数，单位pcu；

A_i—在一个优化周期T时间内，预测的第i个相位到达交叉口的总车辆数，单位pcu；

Q_leave,i—在一个优化周期T时间内，第i个相位对应车流通过交叉口停车线的总标准车辆数，单位pcu；

λ_i—第i个相位对应的绿信比，取值介于最小绿信比λ_min和最大绿信比λ_max之间，λ_i∈[λ_min,λ_max]；

x_i—第i个相位对应的信号配时关键车流的饱和度，等于道路实际流量与通行能力之比；

y_i—第i个相位对应的信号配时关键车流的车道交通流量比，等于道路实际流量与饱和流量之比；

q_out、q_in—收费站出口、入口通道的总通行能力(即通行速率)，本文认为该通行速率可以调控，单位pcu/s；

A_r—在优化周期T内，根据匝道上游检测点数据预测即将到达收费站出口的标准车辆数，单位pcu；

q_ue,out--在一个优化周期T内，与收费站连接的东进口的总排队车辆数，单位pcu；

p_e,s、p_e,l、p_e,r--与收费站出口连接的东进口直行、左转和右转车流的饱和流率，单位pcu/s；

p_w,s、p_n,l、p_s,r--西进口直行、北进口左转和南进口右转车流的饱和流率，即是收费站入口车流通过交叉口的饱和流率，单位pcu/s；

P(d^*)--最佳信号配时方案集，相当于(λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，q_out，q_in)。

M--根据实际情况，收费站与交叉口衔接路段可容纳的拥堵车辆数，不会导致该路段严重拥堵滞后至收费站的阈值，单位pcu，建议取值为收费站与交叉口衔接路段之间最大可容纳排队车辆数的三分之二；

R--根据实际情况，收费站广场与匝道可容纳的拥堵车辆数，不会导致拥堵滞后至高速公路的阈值，单位pcu，建议取值为收费站与匝道之间路段上最大可容纳排队车辆数的三分之二；

N--根据实际情况，衔接信号交叉口与收费站入口可容纳的拥堵车辆数，不会导致拥堵滞后至高速公路的阈值，单位pcu，建议取值信号交叉口与收费站入口之间路段上最大可容纳排队车辆数。

通过上述伪代码可以将本发明提出的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统进行具体化说明，同时本文所公开协调控制系统的一种简单的求解算法，其他具体的模型算法同样可以实现本发明公开的协调控制系统的功能。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：包括交通状态检测装置、匝道排队长度检测装置、出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置、平面信号交叉口控制装置、公路出入口车流交通诱导装置和协调控制器，所述协调控制器用于根据交通状态检测装置和匝道排队长度检测装置检测的交通状态数据及车辆排队长度，协调出口、入口收费站放行控制装置的放行速率与平面信号交叉口控制装置的信号配时方案，确定收费公路出入口的车流通过方案，同时通过公路出入口车流交通诱导装置对驾驶员进行诱导。

2.根据权利要求1所述的高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：

所述交通状态检测装置包括在收费站连接的高速公路公路主线上下游、收费站连接的城市道路上下游分别设置的若干交通状态检测器，用于检测高速公路主线和城市道路的交通状态数据，获取离开及进入高速公路主线的交通需求量，作为出入口收费站放行速率和衔接交叉口信号配时方案设置的依据，使得高速公路主线和连接城市道路的交通状态控制在所要求的范围内；

所述匝道排队长度检测装置包括在衔接信号交叉口与收费站之间连接路段、出入口匝道路段上设置的排队长度检测器，用于检测衔接交叉口与收费站之间连接路段、出口匝道、入口匝道路段的车辆排队长度，约束收费站的放行速率和衔接交叉口信号配时方案的设置；

所述出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置均包括收费系统已有的设置在收费通道上的收费站天棚信号灯、通道路侧红绿通行指示灯具、收费栏杆和控制器，用于调控出口、入口收费站的放行速率；所述出口收费站放行控制装置用于调控出口收费站的放行速率，使得车辆顺利离开公路，所述入口收费站放行控制装置用于调控入口收费站的放行速率，限制车辆进入高速公路主线，解决衔接平面信号交叉口与收费站之间连接路段、出入口匝道的交通拥堵问题；

所述平面信号交叉口控制装置包括设置在交叉口区域的交通状态检测器、直行左转红黄绿信号灯具和/或右转信号灯具、信号控制器，用于与出口、入口收费站的放行速率相互协调进行衔接交叉口的信号配时，避免衔接交叉口与收费站之间连接路段发生交通拥堵；

所述公路出入口车流交通诱导装置包括在收费站连接的高速公路主线和城市道路上可选择其他出口和入口路径的交叉口或岔路口上设置的可变信息情报板和/或安装在车辆上的无线通讯车载导航系统，用于发布路网拥堵信息，同时推荐最优行驶路径，诱导驾驶员选择最优路径进入和离开公路，避开拥堵路段和拥堵收费站；

所述协调控制器具体用于交通状态检测装置、匝道排队长度检测装置、出口收费站放行控制装置、入口收费站放行控制装置、平面信号交叉口控制装置、公路出入口车流交通诱导装置之间互相通讯与协调控制的决策中心，处理输入的数据，并输出最优协调控制方案来调节收费公路出入口的车流通过量。

3.根据权利要求2所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：

所述的出入口匝道路段是指出口匝道和入口匝道，即收费站至高速公路主线出口分流点、收费站至高速公路主线入口汇流点之间的路段。

4.根据权利要求2所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：

所述交通状态检测器检测的交通状态数据包括车辆行驶速度、道路密度、拥堵指数、车型、交通流量、车辆排队长度；

根据实际应用中不同需求而检测获取不同的数据。

5.根据权利要求3所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：所述协调控制器具体用于进行出口收费系统与衔接信号交叉口的单方向车流协调控制，协调控制出口车流，其过程具体包括：

以高速公路主线车辆通过出口收费站离开公路的需求、出口匝道车辆排队长度和收费站附近区域衔接城市道路可容纳的车辆数为控制参数，实时调控出口收费站的放行速率，同时与之配合协调控制衔接信号交叉口的信号配时方案，解决高速公路主线拥堵问题，高速公路主线出口分流点与出口收费站之间路段和出口收费站与信号交叉口之间衔接路段发生的拥堵问题；同时，使得交通压力分散于出口匝道，衔接交叉口路段和城市道路路网上，避免发生局部拥堵或区域路网瘫痪；此外，通过控制公路出入口车流交通诱导装置引导车辆选择其他最佳出口收费站提前或者推迟离开高速公路，避开拥堵路段。

6.根据权利要求1所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：所述协调控制器具体用于进行入口收费系统与衔接信号交叉口的单方向车流协调控制，协调控制入口车流，其过程包括：

以高速公路主线的交通状况和入口匝道排队长度为控制依据，实时调控入口收费站的放行速率，使得车辆进入高速公路主线后，高速公路交通状态控制在所要求范围内，解决高速公路主线拥堵问题，同时避免入口收费站与高速公路主线入口车流汇入点之间路段发生拥堵；与入口收费站放行速率相协调，协调控制衔接信号交叉口的信号配时方案，避免衔接交叉口与入口收费站之间路段发生拥堵；此外，通过控制公路出入口车流交通诱导装置引导车辆选择其他最佳路径或者入口收费站进入高速公路。

7.根据权利要求1所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：所述协调控制器具体用于进行出口、入口收费系统与衔接信号交叉口的双向车流协调控制，整体协调控制出口车流和入口车流，其过程包括：

根据交通状态检测装置检测的高速公路主线、附近城市道路的交通状况和匝道排队长度检测装置检测获得的出口匝道、入口匝道、收费站与衔接交叉口之间路段的车辆排队长度，出口、入口收费站放行控制装置调控出口、入口收费站的放行速率，合理控制出口、入口车流，同时，平面信号交叉口控制装置与收费系统相互协调，进行衔接信号交叉口信号配时，解决出口、入口收费站与信号交叉口之间衔接路段的拥堵问题，同时避免出入口匝道拥堵，此外，通过公路出入口车流交通诱导装置对进出公路的车辆进行最优路径诱导，最终使得高速公路主线和收费站附近城市道路的交通状态控制在所要求的范围内，使得高速公路与城市道路路网整体运行效率最优。

8.根据权利要求3所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：

所述出口、入口收费站放行控制装置具体用于：通过调节收费系统已有的设置在收费站通道上的收费站天棚信号灯、路侧红绿通行指示灯的信号灯的周期、控制车辆的通行频率；

和/或

通过调节收费栏杆升起的速度或者停顿延误升起；

和/或

通过调控开放收费站出口通道数量；

和/或

通过调控收费站通道单车放行模式或多车放行模式；

调节每一辆车的放行速率，即调控收费服务时间，实现调控出口收费站的放行速率，最终使得将高速公路主线和连接城市道路的交通状态控制在所要求的范围内，同时避免交叉口与收费站之间连接路段和出入口匝道发生拥堵。

9.根据权利要求8所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：

所述的收费站通道上还设置有辅助可变情报板，用于提示驾驶员收费服务进程，给予驾驶员心理准备。

10.根据权利要求2所述的一种高速公路收费系统与衔接信号交叉口的协调控制系统，其特征在于：所述平面信号交叉口控制装置具体用于：根据衔接收费站放行控制装置输出的出口收费站通行能力，即放行速率，调控从衔接收费站离开进入交叉口的直行、左转和右转车流的绿灯时间，避免出口收费站与交叉口之间连接路段发生拥堵；交叉口信号控制方案允许跳相、变序、早断以及搭接车流；其信号控制模式采用动态控制模式或定时控制模式；根据实际交通状况确定右转车流的右转控制信号。