CN108648469B

CN108648469B - 一种基于多瓶颈条件的匝道协调控制方法

Info

Publication number: CN108648469B
Application number: CN201810604863.8A
Authority: CN
Inventors: 唐立; 翟鹏飞; 罗霞
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Sichuan Yifang Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: CN108648469A

Abstract

本发明公开了一种基于多瓶颈条件的匝道协调控制方法，包括以下步骤：步骤1：针对某一入口匝道局部控制范围路段中的瓶颈段，计算每一个瓶颈段的调节率r_i(k)，取其最小值作为局部调节率r_j(k)；步骤2：根据匝道排队长度限制计算匝道调节率r′(k)；步骤3：比较局部调节率r_j(k)和匝道调节率r′(k)，取其中的最大值作为最终的局部调节率r(k)；步骤4：计算瓶颈段j上游相关匝道的协调调节率R(m,j,k)，取其中的最小值作为该匝道的协调调节率R_c(m,k)；步骤5：比较r(k)和R_c(m,k)，取其中最小值，作为该匝道的最终调节率；本发明解决了现有匝道协调控制求解的调节率偏大问题。

Description

一种基于多瓶颈条件的匝道协调控制方法

技术领域

本发明涉及快速路匝道协调控制方法，具体涉及一种多瓶颈条件下的匝道协调控制方法。

背景技术

单点匝道控制中，ALINEA(Asservissement Linéaire d’Entrée Autoroutière)是最为常见的一种控制策略；作为一种闭环反馈控制策略，ALINEA具有良好的稳定性；从控制原理上看，ALINEA是一种针对入口匝道河流区的控制策略，主要针对合流区的常发性交通拥堵；在城市快速路，出入口匝道往往是产生瓶颈的主要原因，因此ALINEA针对入口匝道合流区的控制具有良好的效果；但在城市快速路设计或施工中由于某些限制会导致瓶颈段(车道减少等)的产生，或由于交通事件可能出现多个瓶颈；一般情况下瓶颈段的占有率会高于主线其他路段，尤其在非高峰时段，这类瓶颈段的占有率很可能会高于合流区；如果该类瓶颈段与合流区距离较远，超过了入口匝道控制的区域，这种情况下ALINEA利用合流区占有率输出的调节率要高于利用瓶颈段占有率输出的调节率；其结果会加剧瓶颈段的拥堵，甚至拥有向上游蔓延至合流区，最终导致瓶颈段占有率在期望值附近产生剧烈震荡。

匝道协调控制中，按照控制原理的不同，可分为多变量控制、系统最优控制和启发式控制；最优控制一般通过优化匝道调节率使系统的总延误最小，但前提是建立准确的交通流描述模型，算法复杂、计算量大，并且难以得到拥挤条件下的控制方案；多变量控制使交通状态维持在设定值附近，含有反馈机制、稳定性好、抗干扰能力强，但在拥堵时的控制效果不佳；启发式控制采取了局部与协调相结合的方法计算调节率，无需设立控制目标、复杂星弟，是实施性最好的一种控制方法；但启发式控制在计算调节率时同单点匝道控制一样，主要考虑的是入口匝道合流区的交通状态，当路段存在多个瓶颈段时，并且瓶颈段的交通拥堵较合流区更为严重的情况下，启发式控制方法效果大打折扣；现有的启发式匝道控制方法中，局部调节率及协调调节率的确定，主要考虑入口匝道合流区附近的交通流状态，这种情况在快速路的唯一瓶颈是入口匝道时比较适用；但是在现实的快速路中，入口匝道为唯一瓶颈的情况比较理想，由于快速路是城市的交通大动脉，交通运行非常复杂，交通事件、道路养护或者由于用地受限造成车道减少等原因，也是形成交通瓶颈的重要因素；这类瓶颈的的发生地点可能在快速路的基本路段，只考虑入口匝道合流区附近的交通状态的匝道控制方法不再适用；另外，对于大多数模型而言，对于实时的OD信息和状态信息的依赖性很强，并且不具备反馈机制，除非能精确预测到系统的未来状态，否则开环控制往往无法达到理想的控制效果。

可以看到，目前主要匝道控制方法中，调节率均是根据相关联入口匝道合流区的交通状况确定，较少有研究考虑了基本路段存在交通瓶颈时的匝道控制问题；现实情况是匝道间的基本路段也经常出现交通瓶颈(如交通事件、车道减少等)，其对主线交通的影响可能比入口匝道更为严重，因此，在建立匝道控制策略时应该将路段出现交通瓶颈的情况考虑在内；比如单点匝道控制，当匝道下游的路段出现严重的交通瓶颈，并且该瓶颈对交通的影响超过入口匝道交通合流对交通产生的干扰时；一味的追求合流区通过量最大只会加剧路段瓶颈处的交通拥堵程度；同理，匝道协调控制中，当路段存在交通瓶颈时，系统能够支配的容量要小于不考虑路段瓶颈时系统能够支配的容量，因此确定的匝道调节率可能存在偏大的情况。

发明内容

本发明提供一种解决匝道协调控制求解的调节率偏大问题的基于多瓶颈条件下的匝道协调控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于多瓶颈条件的匝道协调控制方法，包括以下步骤：

步骤1：针对某一入口匝道局部控制范围路段中的瓶颈段，计算每一个瓶颈段的调节率r_i(k)，取其最小值作为局部调节率r_j(k)；

步骤2：根据匝道排队长度限制计算匝道调节率r′(k)；

步骤3：比较局部调节率r_j(k)和匝道调节率r′(k)，取其中的最大值作为最终的局部调节率r(k)；

步骤4：计算瓶颈段j上游相关匝道的协调调节率R(m,j,k)，取其中的最小值作为该匝道的协调调节率R_c(m,k)；

步骤5：比较r(k)和R_c(m,k)，取其中最小值，作为该匝道的最终调节率；

其中：i为瓶颈段，k为控制周期，j为瓶颈最严重的瓶颈段，m为与瓶颈段j相关的匝道。

进一步的，所述步骤1中对调节率r_i(k)和上一控制周期的调节率通过指数平滑法进行平滑。

进一步的，所述步骤1中调节率r_i(k)的计算过程如下：

式中：i＝1,2,…,n，r_i(k)为第k个控制周期中瓶颈段i的匝道调节率；r_i(k-1)为k个控制周期中瓶颈段i的匝道调节率，K_R和K_P为调节参数，

为期望占有率，o_i(k)为第k个控制周期瓶颈段i的占有率，o_i(k-1)为第k-1个控制周期瓶颈段i的占有率。

进一步的，所述步骤1中对调节率r_i(k)和上一控制周期的调节率通过指数平滑法进行平滑；

r_i ^sm(k)＝α·r_i(k)+(1-α)·r_i ^sm(k-1)

式中：r_i ^sm(k)为指数后瓶颈i第k个控制周期的匝道调节率；r_i ^sm(k-1)为指数后瓶颈i第k-1个控制周期的匝道调节率；α为平滑常数；

进一步的，所述步骤2中匝道调节率r′(k)的计算过程如下：

式中：r′(k)为第k个控制周期避免排队溢出的最小匝道调节率，

为匝道允许的最大排队长度，w(k)为第k个控制周期的排队车辆数，d(k-1)为第k-1个控制周期的匝道需求，T为控制周期长度。

进一步的，步骤4中R(m,j,k)的计算方法如下：

式中：R(m,j,k)为第k个控制周期上游相关匝道m的协调调节率，P为最靠近瓶颈段j的匝道；r_j(k)为第k个控制周期根据瓶颈段j计算的匝道调节率；W_mj为瓶颈段j相关的匝道m的权重系数；其中：

式中：X_m为匝道m的位置坐标，X_j为瓶颈段j上游结束时的位置坐标。

本发明的有益效果是：

(1)本发明考虑了快速路基本路段存在瓶颈情况以及多个瓶颈同时存在的情况，解决了现有控制方法只考虑合流附近交通流状态而可能加剧基本路段瓶颈交通拥堵的问题；

(2)本发明将局部调节率求解时的考虑范围扩大到受控制匝道至下游相邻匝道的整个路段，解决了未考虑路段多瓶颈条件下的匝道协调控制求解的调节率偏大的问题。

附图说明

图1为本发明多瓶颈单点匝道控制原理示意图。

图2为本发明使用时流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

图1为快速路存在多瓶颈的情况，从图中可以看出入口匝道的局部控制范围为入口匝道鼻端至下游相邻入口匝道位置的整个路段；当路段存在多个瓶颈时，每一个瓶颈位置对交通流的影响大小均不相同，其中必然存在一个情况最为严重的交通瓶颈；该瓶颈对整个交通流产生的影响最大，只要针对该瓶颈采取较为严格的匝道调节率，相应地其他影响较小的交通瓶颈也能得到较好的缓解；本发明中采用一种并行的控制方法，对于某一时段同时存在的多个交通瓶颈，首先针对每一个瓶颈计算匝道调节率，将得到的匝道调节率并行输入到决策单元，决策单元选择输入中调节率最小值，作为最终的局部调节率。

由于瓶颈段与入口匝道的距离可能较远，采用经典的ALINEA控制时会影响到其响应速度；导致瓶颈段占有率产生近似周期性震荡，因此本发明采用PI-ALINEA(Proportional-Integral ALINEA)进行控制；PI-ALINEA已经被证明在针对距离入口匝道较远的瓶颈段的控制时效果比较理想；PI-ALINEA是在ALINEA的基础上增加了比例项，具有高响应速度优势，可以保证控制效果。

在多个交通瓶颈存在的情况下，针对每一个瓶颈段的匝道调节率计算如下：

式中：：i为瓶颈段，i＝1,2,…,n，k为控制周期，r_i(k)为第k个控制周期中瓶颈段i的匝道调节率；r_i(k-1)为k个控制周期中瓶颈段i的匝道调节率，K_R和K_P为调节参数，一般为常数，

采用指数平滑法对上述计算得到的匝道调节率与上一周期最终输出的匝道调节率进行平滑，可以增加匝道控制的稳定性；最后选取所有瓶颈段对应的调节率最小值作为局部调节率r_j(k)。

r_i ^sm(k)＝α·r_i(k)+(1-α)·r_i ^sm(k-1)

式中：j为瓶颈最严重的瓶颈段，r_i ^sm(k)为指数后瓶颈i第k个控制周期的匝道调节率；r_i ^sm(k-1)为指数后瓶颈i第k-1个控制周期的匝道调节率；α为平滑常数，其取值范围为[0，1]。

步骤2：根据匝道排队长度限制计算匝道调节率r′(k)；

城市快速路匝道与地面道路相连，当采用较严格的调节率进行控制时，由于城市用地影响匝道长度有限；往往会出现匝道排队溢出到地面道路，对地面的交通运行造成严重干扰；因此，在针对城市快速路匝道控制时，必须考虑到匝道排队长度的限制，根据匝道排队长度限制可计算得到匝道调节率r′(k)。

r(k)＝max(r_j(k),r′(k))。

在计算局部调节率时，针对存在瓶颈的每一局部控制范围，可计算得到一个匝道调节率，其对应瓶颈段j；在局部控制层面，该调节率即为单点控制时的匝道调节率；在协调控制层面，该调解率便是瓶颈路段上游相关匝道的总调节率。

式中：R(m,j,k)为第k个控制周期上游相关匝道m的协调调节率，P为最靠近瓶颈段j的匝道；r_j(k)为第k个控制周期根据瓶颈段j计算的匝道调节率；W_mj为瓶颈段j相关的匝道m的权重系数；匝道编号m从上游到下游依次递增；

瓶颈路段j对于相关匝道m的权重系数可通过瓶颈路段位置与匝道m之间的距离关系确定；其中：

式中：X_m为匝道m的位置坐标，X_j为瓶颈段j上游结束时的位置坐标，位置坐标从上游到下游依次递增，X_j＞X_m。

由于不同瓶颈路段的影响区域存在重叠，选择各瓶颈路段对应的相关联匝道的最小调节率，作为该匝道的协调调节率；

R_c(m,k)＝min{R(m,j,k)}。

步骤5：比较r(k)和R_c(m,k)，取其中最小值，作为该匝道的最终调节率R_end(m,k)；

R_end(m,k)＝min{r(k),R_c(m,k)}。

使用时，通过检测线圈对交通流数据进行采集，并将采集到的交通流数据传输到数据处理中心进行处理；根据处理得到的数据进行交通瓶颈的识别，并针对多瓶颈进行匝道协调控制；在匝道协调控制阶段，所需要的数据主要包括实时的占有率、匝道排队长度和匝道需求数据；将得到的数据通过本发明方法建立的匝道协调控制模型，得到考虑匝道排队长度限制的局部调节率和匝道协调调节率；最后选取两者中的最小值作为最终的匝道调节率，其流程示意图如图2所示。

本发明在启发式控制的基础上，考虑了快速路存在多个瓶颈条件下的匝道协调控制情况，不只针对合流区瓶颈处的交通拥堵，而是将局部调节率求解时的考虑范围扩大到受控制匝道至下游相邻匝道的整个路段，解决了未考虑路段多瓶颈条件下的匝道协调控制求解的调节率偏大的问题；并且考虑了快速路基本路段存在瓶颈的情况，以及多个瓶颈同时存在的情况，解决了现有控制方法只考虑合流附近交通流状态而可能加剧基本路段瓶颈交通拥堵的问题。