CN109272744A - 一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统及控制方法 - Google Patents

一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统及控制方法，控制方法包括构建匝道排队长度分段监测机制；选择主路的服务水平等级；计算匝道控制参数；通过检验参数的合理性，迭代计算得到最终合理的绿信比。本发明同时考虑匝道车辆排队长度和快速路主路上游交通流量，将两者的参数整合在控制目标中，使得匝道排队车辆不影响地面交通的运行，同时实现主路交通流量受匝道汇入影响最小；实现匝道排队长度的动态监测，解决匝道排队过长影响地面道路及交叉口运行的问题；引入主路服务水平的分级，结合匝道排队长度分级，选择允许的主路最大服务交通量，进而计算得到实时的信号控制调整策略。

Description

一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及城市快速路交通控制技术领域，特别涉及一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法。
背景技术
随着城市快速发展，城市快速路汽车保有量出现爆炸性增长，快速路车流的不确定性增大，导致快速路入口匝道排队长的问题日益突出，入口匝道排队过长会导致与之相连的城市道路和交叉口车流运行出现问题。研究发现，在匝道排队长度过长时，传统的匝道控制方法有需求-容量限制法、占有率法等，这些方法未考虑到匝道排队长度的因素，实际应用中，对于我国城市快速路排队拥挤问题不能有效解决，本发明提出的方法同时考虑匝道车辆排队长度和快速路主路上游交通流量的影响，提出一个基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法。
发明内容
发明目的：提供一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统及控制方法，以缓解城市入口匝道排队过长导致城市道路交通紊乱的问题。
技术方案：为实现上述发明目的，采用以下技术方案：
一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，包括以下步骤：
(1)构建匝道排队长度分段监测机制；
(2)选择主路的服务水平等级；
(3)计算匝道控制参数；
(4)检验参数的合理性，迭代计算得到最终合理的绿信比。
进一步的，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)将长度为L的城市快速路入口匝道分为N段，每一段的长度相等；
(12)在不同段分隔处设置N个车辆检测器，进行匝道排队长度监测量；
(13)每隔一个信号周期T检测是否有排队车辆，若均无排队车辆，排队等级设为A；仅有一个检测器显示有排队车辆，排队等级设为B，有两个车辆检测器显示有排队车辆时，排队等级设为C，有三个车辆检测器显示有排队车辆时，排队等级设为D；依次类推，得到关于排队长度的分级。
进一步的，所述步骤(2)中：
当检测到匝道排队长度等级为A时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用一级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.40；
当检测到匝道排队长度等级为B时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用二级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.69；
当检测到匝道排队长度等级为C时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用三级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.91；
当检测到匝道排队长度等级为D时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用一级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为1.00。
进一步的，所述步骤(3)包括：
(31)通过主路上游检测器进行主路上游流量监测量，并计算容许进入主路车辆数；
以交通量作为一个控制参数，通过调节入口匝道进入快速路的交通量R(k)，从而达到调节匝道排队长度的目的；主路上游检测器测得主路上游交通量QIN(k)与城市快速路入口匝道进入快速路的交通量R(k)之和不超过主路下游的最大允许通过交通量Qmax，即R(k)≤Qmax-QIN(k)；最大允许通过交通量Qmax＝Qcap*(V/C)；其中Qcap表示主路下游的通行能力，(V/C)表示饱和度，式中V为实际交通量，C为设计通行能力；
城市快速路入口匝道进入快速路的最大交通量Rmax(k)＝Qmax-QIN(k)，其中Qmax为主路下游的最大允许通过交通量，QIN(k)为主路上游检测器检测到的主路上游交通量；
(32)计算匝道控制绿信比λ
信号周期的绿信比λ用绿灯时间G除以信号周期T，即λ＝G/T，已知匝道在第k个信号周期T时间内的通行能力Rcap(k)，求得λ＝Rmax(k)/Rcap(k)。
更进一步的，根据匝道车辆排队检测器确定匝道排队长度范围，确定采用何种控制方法，具体步骤为：
(a)信号控制器读取匝道车辆排队检测器的排队信息，并确定与之对应的主路下游服务水平等级，根据查找规范得到的饱和度，计算得到主路下游的最大允许通过交通量Qmax；
(b)若主路下游的最大允许通过交通量Qmax小于主路上游检测器测得的主路上游交通量QIN(k)，即Qmax<QIN(k)，则通过服务水平降级的方式调整最大允许通过交通量Qmax，直到Qmax>QIN(k)或最大允许通过交通量Qmax达到主路通行能力上限为止；
若主路下游的最大允许通过交通量Qmax大于主路上游检测器测得的主路上游交通量QIN(k)，即Qmax>QIN(k)，进行下一步；
(c)计算入口匝道能够进入快速路的最大交通量Rmax(k)用主路下游的最大允许通过交通量Qmax＝Qcap*(V/C)减去车辆检测器测得主路上游交通量QIN(k)，即Rmax(k)＝Qcap*(V/C)-QIN(k)进行计算得到；
(d)计算k信号周期的绿信比λ＝Rmax(k)/Rcap(k)。
进一步的，所述步骤(4)具体为：
若计算出的绿信比λ>1，有两种不同的处理方法；一是按照λ＝1，也就是在第k个信号T周期时间内，匝道全部释放绿灯；二是逐级升高主路设定服务水平，直到计算出最终的绿信比λ≤1；重复步骤(3)，直到得到可接受的绿信比λ。
本发明另一实施例中，一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统，其中，入口匝道包含入口匝道与横交公路连接处、城市快速路入口匝道和入口匝道与主路连接处，该控制系统包括设置在主路上游用于检测主路上游交通量的主路上游检测器、设置在主路下游用于检测主路下游交通量的主路下游检测器、设置在入口匝道与横交公路连接处的电子显示屏及电子警察抓拍系统、设置在城市快速路入口匝道上用于检测匝道交通量的N个车辆检测器、设置在入口匝道与主路连接处的信号控制灯。
优选的，所述城市快速路入口匝道被分为N段，每一段的长度相等，在不同段分隔处设置N个车辆检测器。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用分段采集匝道排队长度的策略，对排队长度进行分级，突破传统排队长度分级模糊的问题；
(2)本发明引入主路服务水平分级的概念，将主路运行状态与匝道排队长度的控制联动起来，基于排队长度的分级来选择不同的主路运行状态，进而得到不同的匝道控制策略，面向不同的情景采用不同的匝道信号控制方案；
(3)本发明基于排队长度分级，对匝道的信号配时方案采取自适应的控制方式，实现动态调节匝道控制。
附图说明
图1是本发明控制系统总体结构示意图；
图2是本发明控制方法流程图；
图3是主路上游流量、匝道排队长度及绿信比关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施案例对本发明的技术方案进一步进行详细说明。
本发明同时考虑匝道车辆排队长度和快速路主路上游交通流量，将两者的参数整合在控制目标中，使得匝道排队车辆不影响地面交通的运行，同时实现主路交通流量受匝道汇入影响最小；实现匝道排队长度的动态监测，解决匝道排队过长影响地面道路及交叉口运行的问题；引入主路服务水平的分级，结合匝道排队长度分级，选择允许的主路最大服务交通量，进而计算得到实时的信号控制调整策略。
如图1所示，城市快速路入口匝道包含入口匝道与横交公路连接处、城市快速路入口匝道和入口匝道与主路连接处，本发明的一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统，包括在主路上游和下游分别设置的主路上游检测器和主路下游检测器；入口匝道与横交公路连接处设置的电子显示屏及电子警察抓拍系统；长度为L的城市快速路入口匝道被分为N段，每一段的长度是相等，在不同段分隔处设置的N个车辆检测器；入口匝道与主路连接处设置的信号控制灯。
一般取N为3、4、5，本发明中取N＝4。接下来均以N为4进行研究。
如图2所示，基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，采用如图1所示的控制系统，该控制方法包括以下步骤：
(1)构建匝道排队长度分段监测机制；
具体实施步骤如下：
(11)如图1长度为L的城市快速路入口匝道被分为4段，每一段的长度是相等的；
(12)在不同段分隔处设置4个车辆检测器，进行匝道排队长度监测量；
(13)每隔一个信号周期T检测是否有排队车辆，若均无排队车辆，排队等级设为A；仅有一个检测器显示有排队车辆，排队等级设为B，有两个车辆检测器显示有排队车辆时，排队等级设为C，有三个车辆检测器显示有排队车辆时，排队等级设为D；
基于上述实施步骤，得到关于排队长度的分级。
(2)选择主路的服务水平等级；
根据城市道路设计规范(CJJ37-2012)，结合匝道排队长度分级得到如下对应关系：
当检测到匝道排队长度等级为A时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用一级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.40；
当检测到匝道排队长度等级为B时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用二级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.69；
当检测到匝道排队长度等级为C时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用三级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.91；
当检测到匝道排队长度等级为D时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用一级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为1.00。
(3)计算匝道控制参数；
(31)通过主路上游检测器进行主路上游流量监测量，并计算容许进入主路车辆数；
以交通量作为一个控制参数，通过调节入口匝道进入快速路的交通量R(k)，从而达到调节匝道排队长度的目的；主路上游检测器测得主路上游交通量QIN(k)与城市快速路入口匝道进入快速路的交通量R(k)之和不超过主路下游的最大允许通过交通量Qmax，即R(k)≤Qmax-QIN(k)；最大允许通过交通量Qmax＝Qcap*(V/C)；其中主路下游的通行能力Qcap和饱和度(V/C)，式中V为实际交通量，C为设计通行能力；
城市快速路入口匝道进入快速路的最大交通量Rmax(k)＝Qmax-QIN(k)，其中Qmax为主路下游的最大允许通过交通量，QIN(k)为主路上游检测器检测到的主路上游交通量；城市快速路入口匝道进入快速路的最大交通量也可以用Rmax(k)＝Qcap*(V/C)-QIN(k)进行计算得到。
(32)计算匝道控制绿信比λ
信号周期的绿信比λ用绿灯时间G除以信号周期T，即λ＝G/T，已知匝道在第k个信号周期T时间内的通行能力Rcap(k)，可求得λ＝Rmax(k)/Rcap(k)。
从控制逻辑上看，信号控制器需要能够集成匝道控制和主路允许容量-需求差额控制两种控制模式，并根据匝道车辆排队检测器确定匝道排队长度范围，从而确定采用何种控制方法，具体实施步骤如下：
(a)信号控制器读取匝道车辆排队检测器的排队信息，并确定与之对应的主路下游服务水平等级，根据查找规范得到的饱和度，可以计算得到主路下游的最大允许通过交通量Qmax；
(b)若主路下游的最大允许通过交通量Qmax小于主路上游检测器测得的主路上游交通量QIN(k)，即Qmax<QIN(k)，则通过服务水平降级的方式调整最大允许通过交通量Qmax，直到Qmax>QIN(k)或最大允许通过交通量Qmax达到主路通行能力上限为止；
若主路下游的最大允许通过交通量Qmax大于主路上游检测器测得的主路上游交通量QIN(k)，即Qmax>QIN(k)，进行下一步；
(c)计算入口匝道能够进入快速路的最大交通量Rmax(k)可以用主路下游的最大允许通过交通量Qmax＝Qcap*(V/C)减去车辆检测器测得主路上游交通量QIN(k)，即Rmax(k)＝Qcap*(V/C)-QIN(k)进行计算得到；
(d)计算k信号周期的绿信比λ＝Rmax(k)/Rcap(k)。
图3中给出主路上游检测流量(图中横坐标)与计算得到绿信比(图中纵坐标)的关系示意图，在不同的匝道排队长度等级情况下，可以看出，A等级排队长度时，一般能控制主路流量在较低水平，即服务水平较高；若匝道排队等级为D时，主路控制在流量较大的部分，即服务水平较低，这与我们之前假设的情况基本一致。
(4)通过检验参数的合理性，迭代计算得到最终合理的绿信比
若计算出的绿信比λ>1，有两种不同的处理方法；一是按照λ＝1，也就是在第k个信号T周期时间内，匝道全部释放绿灯；二是逐级升高主路设定服务水平，直到计算出最终的绿信比λ≤1。重复(3)中步骤，直到得到可接受的绿信比λ。
本发明针对城市快速路入口匝道排队过长的问题，通过匝道排队长度识别，实时判断主路上游交通运行状态，进行相应的控制策略；针对不同的排队长度等级判定其主路对应的服务水平等级，根据主路上游流量、主路下游容许的最大流量及入口匝道排队长度计算出入口匝道信号控制的绿信比，通过迭代计算得到最终合理的绿信比。

Claims (8)

1.一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建匝道排队长度分段监测机制；
(2)选择主路的服务水平等级；
(3)计算匝道控制参数；
(4)检验参数的合理性，迭代计算得到最终合理的绿信比。
2.根据权利要求1所述的一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)将长度为L的城市快速路入口匝道分为N段，每一段的长度相等；
(12)在不同段分隔处设置N个车辆检测器，进行匝道排队长度监测量；
(13)每隔一个信号周期T检测是否有排队车辆，若均无排队车辆，排队等级设为A；仅有一个检测器显示有排队车辆，排队等级设为B，有两个车辆检测器显示有排队车辆时，排队等级设为C，有三个车辆检测器显示有排队车辆时，排队等级设为D；依次类推，得到关于排队长度的分级。
3.根据权利要求1所述的一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中：
当检测到匝道排队长度等级为A时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用一级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.40；
当检测到匝道排队长度等级为B时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用二级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.69；
当检测到匝道排队长度等级为C时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用三级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为0.91；
当检测到匝道排队长度等级为D时，此时若进行匝道控制，考虑主路采用一级服务水平的标准运行，此时最大的饱和度为1.00。
4.根据权利要求1所述的一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：
(31)通过主路上游检测器进行主路上游流量监测量，并计算容许进入主路车辆数；
以交通量作为一个控制参数，通过调节入口匝道进入快速路的交通量R(k)，从而达到调节匝道排队长度的目的；主路上游检测器测得主路上游交通量QIN(k)与城市快速路入口匝道进入快速路的交通量R(k)之和不超过主路下游的最大允许通过交通量Qmax，即R(k)≤Qmax-QIN(k)；最大允许通过交通量Qmax＝Qcap*(V/C)；其中Qcap表示主路下游的通行能力，(V/C)表示饱和度，式中V为实际交通量，C为设计通行能力；
城市快速路入口匝道进入快速路的最大交通量Rmax(k)＝Qmax-QIN(k)，其中Qmax为主路下游的最大允许通过交通量，QIN(k)为主路上游检测器检测到的主路上游交通量；
(32)计算匝道控制绿信比λ
信号周期的绿信比λ用绿灯时间G除以信号周期T，即λ＝G/T，已知匝道在第k个信号周期T时间内的通行能力Rcap(k)，求得λ＝Rmax(k)/Rcap(k)。
5.根据权利要求4所述的一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，其特征在于，根据匝道车辆排队检测器确定匝道排队长度范围，确定采用何种控制方法，具体步骤为：
(a)信号控制器读取匝道车辆排队检测器的排队信息，并确定与之对应的主路下游服务水平等级，根据查找规范得到的饱和度，计算得到主路下游的最大允许通过交通量Qmax；
(b)若主路下游的最大允许通过交通量Qmax小于主路上游检测器测得的主路上游交通量QIN(k)，即Qmax<QIN(k)，则通过服务水平降级的方式调整最大允许通过交通量Qmax，直到Qmax>QIN(k)或最大允许通过交通量Qmax达到主路通行能力上限为止；
若主路下游的最大允许通过交通量Qmax大于主路上游检测器测得的主路上游交通量QIN(k)，即Qmax>QIN(k)，进行下一步；
(c)计算入口匝道能够进入快速路的最大交通量Rmax(k)用主路下游的最大允许通过交通量Qmax＝Qcap*(V/C)减去车辆检测器测得主路上游交通量QIN(k)，即Rmax(k)＝Qcap*(V/C)-QIN(k)进行计算得到；
(d)计算k信号周期的绿信比λ＝Rmax(k)/Rcap(k)。
6.根据权利要求1所述的一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：
若计算出的绿信比λ>1，有两种不同的处理方法；一是按照λ＝1，也就是在第k个信号T周期时间内，匝道全部释放绿灯；二是逐级升高主路设定服务水平，直到计算出最终的绿信比λ≤1；重复步骤(3)，直到得到可接受的绿信比λ。
7.一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统，其中，入口匝道包含入口匝道与横交公路连接处、城市快速路入口匝道和入口匝道与主路连接处，其特征在于：该控制系统包括设置在主路上游用于检测主路上游交通量的主路上游检测器、设置在主路下游用于检测主路下游交通量的主路下游检测器、设置在入口匝道与横交公路连接处的电子显示屏及电子警察抓拍系统、设置在城市快速路入口匝道上用于检测匝道交通量的N个车辆检测器、设置在入口匝道与主路连接处的信号控制灯。
8.根据权利要求1所述的基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统，其特征在于，所述城市快速路入口匝道被分为N段，每一段的长度相等，在不同段分隔处设置N个车辆检测器。
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Assignee: Jiangsu Kechuang Internet of Vehicles Industry Research Institute Co.,Ltd.

Assignor: SOUTHEAST University

Contract record no.: X2022320000041

Denomination of invention: An on ramp control method of Urban Expressway Based on queue length

Granted publication date: 20200519

License type: Exclusive License

Record date: 20220414

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