CN110211396A - 一种高速公路收费站与周边交叉口群的动态调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速公路收费站与周边交叉口群的动态调控方法，将高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群整体路网划分为：出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域、收费站周边其他交叉口群子区域；在收费站和衔接交叉口子区域建立自适应收费站与衔接交叉口之间的协同控制机制，在周边其他交叉口群子区域建立交叉口群内的模糊逻辑控制机制；调用收费站通行能力调控模型以实现动态调节出入口收费通道的实际通行能力。本发明方法首次提出了根据不同交通状态而动态改变高速公路收费站与交叉口群的通行速率的协同控制模型、动态改变出入口收费通道通行能力的自适应调控模型，适用于高速公路收费站与周边交叉口群的区域性路网协同控制。

Description

一种高速公路收费站与周边交叉口群的动态调控方法

技术领域

本发明涉及道路交通信息工程与控制的技术领域，尤其指一种高速公路出入口收费站与衔接城市道路信号交叉口的动态调控方法。

背景技术

我国高速公路绝大部分属于封闭式收费道路，高速公路出入口均设置了收费站进行收费控制。出入口匝道及收费站与城市道路交叉口区域是高速公路与城市道路路网临界相接的重要路段，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与连通。随着城市规模不断扩张与社会经济的快速发展，环城高速公路逐渐城市化，逐渐成为市民日常通勤的必经道路。环城高速与城市道路交通量不断增长，路网密度越来越强，高速公路与城市道路的交通拥堵问题与交通关联性日益突出，尤其是高速公路出入口匝道、收费站与衔接交叉口之间的临界特殊区域，是通行能力有限的道路瓶颈点，道路交通运输的供需矛盾日趋加剧，其交通拥堵问题日益严峻。

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，独立经营与管理。国内普遍缺乏关注高速公路与城市道路衔接路段的交通优化问题，部分城市郊区高速公路和连接市区道路交通密集地区的城区高速收费站与衔接交叉口之间的道路已经呈现严重的超负荷运输状态。

单纯依靠增加交通设施建设已不能满足日渐增长的交通需求，或是单方面依赖高速公路主线控制与收费站优化管理，或是单方面依赖城市道路交通控制、管理与交叉口优化控制等，这些措施缺乏高速公路与城市道路的协调控制，将不能完全解决高速公路出入口匝道、收费站与衔接信号交叉口之间的交通拥堵问题。高速公路匝道、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，且高速公路匝道、收费站与衔接交叉口是控制公路主线与城区道路服务水平的最佳节点，它们三者的可控性与自适应调节的便捷性最大，优化改造成本最低。此外，我国高速公路收费站的作用仅是用于车辆通行费缴费，利用程度较低，其交通控制的功能尚未得到有效开发与利用。因此，迫切需要对高速公路出入口匝道、收费站与衔接信号交叉口之间进行协同控制，建立一个高速公路和城市道路一体化、系统化、智能化的协同控制机制，以提升道路通行效率与资源利用率。

发明内容

针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种高速公路收费站与周边交叉口群的动态调控方法，根据高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群的相关性特征，将高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群路网整体进行协同优化控制。

根据本发明的高速公路收费站与周边交叉口群的动态调控方法，包括以下步骤：

S1、根据高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群的相关性特征，将高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群整体路网划分为：出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域、收费站周边其他交叉口群子区域；

S2、针对出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域，对非饱和交通流状态与饱和交通流状态分别调用对应的子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法进行动态交通优化控制；

针对收费站周边其他交叉口群子区域，将出入口匝道与收费站和衔接交叉口作为一个整体，当作收费站周边其他交叉口群子区域的交通流产生与消散的节点，根据所有节点与周边交叉口群之间的路段拥挤度与平均行车延误的隶属度关系，以节点之间的路段拥挤度与车辆平均延误为输入变量，以绿灯时间调整量为输出变量，调用模糊控制规则对周边交叉口群各相位绿灯时间进行增加或减小的动态调控；

出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域与收费站周边其他交叉口群子区域之间作为均衡彼此路网交通压力的可控节点，建立双向反馈机制，当其中一个子区域发生拥堵时，另外一个子区域进行协调控制，减少车流进入拥堵子区域同时最大程度疏散拥堵子区域的车流；

把收费站作为动态限流的可控节点，调用收费站通行能力调控算法调节ETC通道的可变限速标志，以调节ETC车辆的通行速度，实现动态调控收费站ETC通道的通行能力；调用收费站通行能力调控算法调节非ETC通道的红绿灯周期和/或收费栏杆抬起周期，实现动态调控收费站非ETC通道的通行能力。

在优选的实施例中，步骤S2所述子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法包括：

(2.1)在非饱和交通流状态下，以高速公路出入口匝道、收费站与所有衔接交叉口路网内各节点整体车辆平均延误加权和最小化作为控制目标，以所有衔接交叉口各相位绿信比λ_i或绿灯时间为决策变量，各节点权重系数为ω_x，建立车辆平均延误最小化协同控制方法，动态调控衔接交叉口的信号配时以实现交通优化；其中绿信比λ_i是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比值；

(2.2)在饱和交通流状态下，以高速公路出入口匝道、收费站与所有衔接交叉口路网内各节点整体的通行能力加权和最大化作为控制目标，以所有衔接交叉口各相位绿信比λ_i、收费站各出口收费通道车辆逗留时间t_j与各入口收费通道车辆逗留时间g_k为决策变量，各节点权重系数为ω_x，建立通过的车辆数最大化协同控制方法，动态调控衔接交叉口的信号配时与收费站出入口通行能力以实现交通优化。

本发明可用于高速公路与城市道路限流与分流，用于收费站通行能力大小调控及其周边交叉口群的信号配时方案决策，目的是缓解高速公路主线交通拥堵、收费站与城市信号交叉口连接区域以及收费站周边路网的交通拥堵问题，对比现有技术具有以下创新点与有益效果：

(1)建立了高速公路收费站与衔接信号交叉口的协同控制方法，打破了高速公路与城市道路各司其职、独立经营的壁垒，一方面挖掘了收费站调控车流的功能，另一方面实现了出入口匝道、收费站与交叉口的通行能力相互协调均衡，消除路段瓶颈点，将收费站与交叉口作为调控路网交通密度与服务水平的节点，实现分散交通拥堵的目标，具有创新性；

(2)在进行出入口匝道、收费站与衔接交叉口的上层子区域协同控制的基础上，将收费站与衔接交叉口作为一个整体，进一步与周边交叉口群下层子区域进行区域交通一体化的模糊逻辑控制，使得收费站出入口交通流均衡分散于周边交叉口群，维持路网的供需平衡，对于维持交通流稳定性与抑制拥挤具有积极影响；

(3)首创性对MTC与ETC收费通道确定了收费站通行能力动态调控模型，建立通过调控收费通道红绿灯时间、收费栏杆升降时间或限速等手段自适应调控收费通道通行能力。

附图说明

图1为本发明动态调控方法的流程图。

图2为控制子区域划分示意图。

图3为两个子区域中交通流产生与消散节点示意图。

图4为收费站单进单出车流衔接交叉口的交通组织图。

图5为收费站双进双出车流衔接交叉口的交通组织图。

其中，1-收费站和衔接交叉口的关键子区域，2-收费站周边其他交叉口群子区域，3-交通流产生与消散的节点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施例方式不限于此。

实施例

本发明将高速公路收费站与周边交叉口群整体路网划分为两个协同控制子区域：收费站与衔接交叉口子区域建立自适应收费站与衔接交叉口之间的协同控制机制，周边交叉口群子区域建立交叉口群内的模糊逻辑控制机制；此外调用收费站通行能力调控模型以实现动态调节出入口收费通道的实际通行能力。本发明方法首次提出了根据不同交通状态而动态改变高速公路收费站与交叉口群的通行速率的协同控制模型，并首次提出了动态改变高速公路出入口收费通道通行能力的自适应调控模型，适用于高速公路收费站与周边交叉口群的区域性路网协同控制，具有缓解路网拥堵、均衡路网拥挤度、提高道路资源利用率、经济效益高、普适性等优点。

具体来说，如图1所示，本发明的高速公路收费站与周边交叉口群的动态调控方法，包括如下步骤：

S1、根据高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群的相关性特征，将高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群整体路网划分为：出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域1、收费站周边其他交叉口群子区域2，如图2；

S2、针对出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域，对非饱和与饱和交通流状态分别调用对应的子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法进行动态交通优化控制；

针对收费站周边其他交叉口群子区域，将出入口匝道与收费站和衔接交叉口作为一个整体，当作收费站周边其他交叉口群子区域的交通流产生与消散的节点3，如图3，根据所有节点与周边交叉口群之间的路段拥挤度与平均行车延误的隶属度关系，以节点之间的路段拥挤度与车辆平均延误为输入变量，以绿灯时间调整量为输出变量，调用模糊控制规则对周边交叉口群各相位绿灯时间进行增加或减小的动态调控；

出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域与收费站周边其他交叉口群子区域之间可以作为均衡彼此路网交通压力的可控节点，建立双向反馈机制，当其中一个子区域发生拥堵时，另外一个子区域进行协调控制，减少车流进入拥堵子区域同时最大程度疏散拥堵子区域的车流；

把收费站作为动态限流的可控节点，调用收费站通行能力调控算法调节ETC通道的可变限速标志，以调节ETC车辆的通行速度，实现动态调控收费站ETC通道的通行能力；调用收费站通行能力调控算法调节非ETC通道(包括MTC收费通道、自助取卡通道、自助缴费通道)的红绿灯周期和(或)收费栏杆抬起周期，实现动态调控收费站非ETC通道的通行能力。

其中，节点是指高速公路出口分流区、入口合流区、收费站、交叉口等交通流可进行方向选择或是产生停车等待的道路点位。

步骤S2中，子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法具体包括以下内容：

(2.1)在非饱和交通流状态下，以高速公路出入口匝道、收费站与所有衔接交叉口路网内各节点整体车辆平均延误加权和最小化作为控制目标，以所有衔接交叉口各相位绿信比λ_i或绿灯时间为决策变量，各节点权重系数为ω_x，建立车辆平均延误最小化协同控制方法，动态调控衔接交叉口的信号配时以实现交通优化。绿信比λ_i是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比值，设采用绿信比λ_i计算车辆平均延误的函数为Delay(λ_i)，各节点整体车辆平均延误加权和最小化的目标函数通式为：

min∑ω_x·Delay(λ_i)。

(2.2)在饱和(包括近饱和与过饱和交通流状态)交通流状态下，以高速公路出入口匝道、收费站与所有衔接交叉口路网内各节点整体的通行能力(或者通过交通量)加权和最大化作为控制目标，以所有衔接交叉口各相位绿信比λ_i(或绿灯时间)、收费站各出口收费通道车辆逗留时间t_j与各入口收费通道车辆逗留时间g_k为决策变量，各节点权重系数为ω_x，建立通过的车辆数最大化协同控制方法，动态调控衔接交叉口的信号配时与收费站出入口通行能力(或通过车辆数)以实现交通优化。

设Capacity(λ_i)、Capacity(t_j)、Capacity(g_k)分别为关于λ_i、t_j、g_k的计算交叉口通行能力的函数、出口收费通道通行能力的函数、入口收费通道通行能力的函数，各节点整体的通行能力加权和最大化的目标函数通式为：

max∑ω_x·Capacity(λ_i)+∑ω_x·Capacity(t_j)+∑ω_x·Capacity(g_k)。

本发明对步骤S2中最优化协同控制方法设置了约束条件；具体到本实施例，约束条件包括以下方面：

①出口收费站与衔接交叉口之间连接路段的排队约束：协调控制过程中，为了避免出口收费站与衔接交叉口之间连接路段发生排队溢出，约束该连接路段的排队车辆数或将车辆排队长度控制在特定的预设阈值范围内，使出口收费站实际通行能力与衔接交叉口的出口入口车道的实际通行能力相互匹配；

②入口收费站与衔接交叉口之间连接路段的排队约束：协调控制过程中，为了避免衔接交叉口与入口收费站之间连接路段发生排队溢出，约束该连接路段的排队车辆数或将车辆排队长度控制在特定的预设阈值范围内，使入口收费站实际通行能力与衔接交叉口的入口出口车道的实际通行能力相互匹配；

③高速公路主线与收费站之间出入口匝道的排队约束：为了防止高速公路主线至收费站之间出口、入口匝道路段发生排队溢出，约束出口、入口匝道的排队车辆数或将车辆排队长度控制在特定的预设阈值范围内；

④衔接交叉口其他进口道的排队约束：在优先疏散高速公路出入口车流的同时应尽可能保证城市道路其他进口道车辆正常通行的权益，其他非衔接路段进口道受最大可接受排队车辆数或最大可接受车辆排队长度约束，作为弱约束；

⑤行人安全过街绿灯时间的约束：各相位的绿信比(或绿灯时间)优化过程中应受行人安全过街的最短绿灯时间约束；

⑥绿信比约束(或绿灯时间)：绿信比(或绿灯时间)的取值介于最小绿信比(或最小绿灯时间)和最大绿信比(或最大绿灯时间)之间；

⑦收费站通行能力(或通过车辆数)约束：调节收费站出入口的通行能力(或通过车辆数)，也就是调控车辆在收费广场的逗留时间，车辆逗留时间应当受基本缴费服务时间约束，车辆逗留时间大于基本缴费服务时间。

在步骤S2中，将收费站和衔接交叉口的协同控制与高速公路匝道控制相互兼容应用，收费站和衔接交叉口可以作为拥堵点上游限流的动态控制节点，饱和交通流状态下收费站衔接的高速公路主线下游路段和(或)收费站衔接的周边城市路网出现交通拥堵时，根据拥挤影响范围与持续时间可以确定上游入口收费站和(或)出口收费站限流的放行速率(或可接受通过车辆数)。此时，收费站和衔接交叉口协同控制模型决策变量中入口收费站和(或)出口收费站通行能力为已知定值，其他目标函数与决策变量不变，更新协同控制模型，衔接交叉口的信号配时方案将根据衔接收费站的出入口通行能力和实测的路段排队车辆数或车辆排队长度动态调整，以实现收费站与衔接交叉口动态限流的作用，并且在调控节点通行能力过程中预防连接路段发生排队溢出。

步骤S2中的收费站通行能力调控算法具体包括以下内容：

①对非ETC收费通道的通行能力进行调控：子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法的解集为非ETC收费通道的车辆逗留时间，即为收费通道路侧的红绿通行指示灯的红绿灯周期和(或者)调节收费栏杆升降时间的周期，根据子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法可以确定非ETC收费通道的信号和(或)栏杆调控周期。

若出现特殊情况，缴费服务时间很长，大于协同控制方法下的非ETC收费通道车辆逗留时间，则以实际完成缴费后再执行抬杆放行。

②对ETC收费通道的通行能力进行调控：ETC收费通道通过可变限速标志、减速带等诱导与限制车辆行车速度，以调控车道的通行能力；协同控制模型输出最优解集时确定了第j条ETC车道的车辆逗留时间为t_j，根据ETC车道通行能力计算公式，求取协同控制方法下的ETC车道车辆行车速度为：

运用一元二次方程求根公式求解行车速度为：

已知且ETC车道车辆平均时速v＜30km/h，因此公式(2)取负号，并进一步化简，得到ETC车道车辆平均时速为：

其中，v为ETC车道车辆平均行车速度(km/h)；t是驾驶员感知-反应时间，一般取值2s；L_安是车辆间所保持的安全距离，一般取值2m；L_车为车辆平均长度，ETC车道服务车辆为小汽车，取值6m；为地面附着力系数(指轮胎与路面的黏着系数，一般与车辆行驶速度和路面粗糙、潮湿等状态有关)。

在本实施例中，参见图4、5，所述子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法包括收费站单进单出车流衔接交叉口的协同控制方法，收费站双进双出车流衔接交叉口的协同控制方法，具体包括以下内容：

(3.1)按照出入口匝道交通流组织结构，将高速公路收费站与衔接交叉口划分为收费站车流通过单进单出匝道衔接信号交叉口、收费站车流通过双进双出匝道衔接信号交叉口；

(3.2)针对收费站单进单出匝道衔接信号交叉口的情况，对非饱和交通流状态与饱和交通流状态分别调用不同的单进单出协同控制方法，包括以下内容：

1)单进单出非饱和交通流状态调用的协同控制模型：

在非饱和交通流状态下，以目标交叉口整体车辆平均延误最小化作为控制目标(如式(3.1))，以目标交叉口各相位绿信比λ_i为决策变量，最优化协同控制方法如下：

s.t.

2)单进单出饱和交通流状态调用的协同控制模型：

在饱和交通流状态下，目标收费站与目标交叉口整体道路通过交通量最大化作为控制目标(如式(3.3))，以目标交叉口各相位绿信比λ_i、目标收费站各出口收费通道车辆逗留时间t_j、各入口收费通道车辆逗留时间g_k为决策变量。出口ETC收费通道有j₁条，出口MTC收费通道有(n_ex-j₁)条；入口ETC收费通道有k₁条，入口MTC收费通道有(n_en-k₁)条。τ_ex、τ_en分别为出口ETC车辆与总车流量的比例、入口ETC车辆与总车流量的比例，最优化协同控制方法如下：

s.t.

3)将收费站与交叉口的协同控制，与高速公路匝道控制相互兼容应用。

在饱和交通流状态下，高速公路主线路段由于异常情况或瓶颈问题出现拥堵时，根据拥挤影响范围，确定了主线拥堵点上游进行协调控制的入口匝道数与匝道流入车辆数，即可以兼容本发明协同控制方法，以限制目标入口收费站的通行能力V_en的取值，限制入口车流V_en ^*，实现匝道控制的作用，保障高速公路主线的服务水平。此时收费站与交叉口的协调控制决策变量为出口收费通道车辆逗留时间t_j与交叉口各相位绿信比λ_i，其他约束条件不变，目标函数更新如下式(3.7)：

其中，ω_x为权重系数；C₀为交叉口信号周期时长，L为每个信号周期的绿灯损失时间之和，单位s；x_i为第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为第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；对应第i个相位实时交通需求为q_i，单位辆/秒；t_gmin为行人安全过街最小绿灯时间约束值，单位s；λ_min、λ_max分别为绿信比λ_i的最小取值与最大取值；E_j、E_k分别为出口、入口收费通道平均缴费服务时间，单位s。

Que_ex为出口收费站与交叉口之间的连接路段当前阶段实测的排队车辆数(辆)；p_e,s、p_e,l分别为与收费站出口连接的东进口直行、左转车流的饱和流率(辆/秒)；N_e,r为一个信号周期内与收费站出口连接的东进口右转的预测交通量(辆)；p_w,s、p_n,l分别为西进口直行、北进口左转的饱和流率，即是通过交叉口的收费站入口车流的饱和流率(辆/秒)；N_s,r为一个信号周期内与收费站出口连接的南进口右转的预测交通量(辆)；Que_en为交叉口与入口收费站之间的连接路段当前阶段实测的排队车辆数(辆)；D_em为一个信号周期内公路主线出口车流通行需求交通量，在本实施例中取值等于上一个信号周期时间内的实测出口交通量(辆)；为当前阶段实测的出口匝道排队车辆数，包括收费广场内正在等待缴费服务的车辆(辆)；为当前阶段实测的入口匝道等待汇入高速公路主线的排队车辆数(辆)；为一个信号周期内入口匝道允许通过的通行量(辆)，即下游高速公路主线可容纳的交通量；为目标交叉口其他进口道k进口j相位最大排队车辆数(单位：标准车)；Que^(k)为目标交叉口k进口停止线与上游交叉口之间连接路段可接受的最佳排队车辆数(单位：标准车)；δ为可接受的最大排队车辆数折减系数。

χ为目标交叉口通行能力的折减系数，主要考虑非机动车与行人的干扰以及车辆起步与加速的不稳定性，一般取值0.9；χ_L为交叉口进口道车道功能影响系数，根据研究结果，直行车道或直行右转混合车道取值1.0，直行、左转、右转混合车道或直行、左转混合车道按χ_L＝(1-0.5p_L)计算，p_L为左转车比例；t₀为绿灯亮后，第一辆车通过停车线所花费的平均时间(s)，一般平均取2.3s；t_h为绿灯亮后，车辆通过停车线的车头时间距离(s)，根据实际观测结果，小型车车队取值2.5s，大型车车队取值3.5s，拖挂车车队取值7.5s，混合车队取值与大小车比例相关，取值范围[2.5,3.5]。

(3.3)针对收费站双进双出匝道衔接信号交叉口的情况，对非饱和交通流状态与饱和交通流状态分别调用不同的双进双出协同控制方法，包括以下内容：

1)非饱和交通流状态调用的双进双出协同控制模型：

非饱和交通流状态下，以所有的衔接交叉口整体车辆平均延误最小化作为控制目标，以目标交叉口各相位绿信比λ_i为决策变量，最优化协同控制方法如下：

s.t.

2)饱和交通流状态调用的双进双出协同控制模型：

饱和交通流状态下，以目标收费站与所有的衔接交叉口整体的通行流率最大化作为控制目标，以预防出入口匝道、连接路段发生排队溢出为主要约束条件，决策变量为目标交叉口各相位绿信比λ_i、目标收费站各出口收费通道车辆逗留时间t_j与各入口收费通道车辆逗留时间g_k。出口ETC收费通道有j₁条，出口MTC收费通道有(n_ex-j₁)条；入口ETC收费通道有k₁条，入口MTC收费通道有(n_en-k₁)条，假设目标交叉口1进入目标收费站A₂的分流比例为q⁽¹⁾，目标交叉口2进入目标收费站A₁的分流比例为q⁽²⁾：

s.t.

其中：为预防节点之间连接路段排队溢出的约束阈值(单位：辆)，可通过以下公式进行阈值确定：

城市道路路段排队车辆数阈值Q_M、Q_N的计算方法如下：

收费站广场及匝道排队车辆数阈值Q_Rex、Q_Ren的计算方法：

其中：α₁、α₂分别为目标路段城市道路、匝道的预防拥堵系数，根据实际统计调查，为了保障稳定的交通状态，建议取值范围0.8～0.95；L_m、L_r、L_toll分别指目标路段城市道路、收费匝道、收费站收费广场的长度(m)；n_m、n_r、n_toll分别指目标路段城市道路、收费匝道、收费站收费广场的车道数；L_v为目标路段标准车车辆长度，建议取值范围4.5～6.5m；L_s为目标路段车辆安全停车间距，建议取值范围1.0～2.0m。

为目标交叉口x(x＝1,2)各相位的绿信比；ω_x为权重系数；Que^(x→y)为当前阶段实测某x→y衔接路段的排队车辆数(单位：辆)；为目标交叉口x至某节点y的各出口车流总通行能力(辆/周期)，为进口道饱和流率(pcu/s)，C^(m)为交叉口m的信号周期(s)；为高速公路主线出口至交叉口m方向的主线出口通行需求(辆/周期)；为车流方向为交叉口m进入高速公路主线下游可接受的交通量(辆/周期)，使得该方向主线维持所需的服务水平；为当前阶段实测主线至收费站出口、入口衔接匝道的排队车辆数(单位：辆)；为目标交叉口m的其他第j个进口道的最大排队车辆数(单位：辆)；Q_L-j ^(m)—目标交叉口m的其他第j个进口道停止线与上游交叉口之间连接路段可接受的最佳排队车辆数(单位：辆)，为预防目标交叉口其他方向连接路段排队溢出而设，作为弱约束；δ为交叉口其他方向最大排队车辆数的折减系数。双进双出协调控制模型中其他参数的定义与步骤(3.2)单进单出协调控制模型中的参数定义相一致。

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 (7)

1.一种高速公路收费站与周边交叉口群的动态调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群的相关性特征，将高速公路出入口匝道、收费站与周边交叉口群整体路网划分为：出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域、收费站周边其他交叉口群子区域；

S2、针对出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域，对非饱和交通流状态与饱和交通流状态分别调用对应的子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法进行动态交通优化控制；

针对收费站周边其他交叉口群子区域，将出入口匝道与收费站和衔接交叉口作为一个整体，当作收费站周边其他交叉口群子区域的交通流产生与消散的节点，根据所有节点与周边交叉口群之间的路段拥挤度与平均行车延误的隶属度关系，以节点之间的路段拥挤度与车辆平均延误为输入变量，以绿灯时间调整量为输出变量，调用模糊控制规则对周边交叉口群各相位绿灯时间进行增加或减小的动态调控；

出入口匝道与收费站和衔接交叉口的关键子区域与收费站周边其他交叉口群子区域之间作为均衡彼此路网交通压力的可控节点，建立双向反馈机制，当其中一个子区域发生拥堵时，另外一个子区域进行协调控制，减少车流进入拥堵子区域同时最大程度疏散拥堵子区域的车流；

把收费站作为动态限流的可控节点，调用收费站通行能力调控算法调节ETC通道的可变限速标志，以调节ETC车辆的通行速度，实现动态调控收费站ETC通道的通行能力；调用收费站通行能力调控算法调节非ETC通道的红绿灯周期和/或收费栏杆抬起周期，实现动态调控收费站非ETC通道的通行能力。

2.根据权利要求1所述的动态调控方法，其特征在于，步骤S2中，子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法包括：

(2.1)在非饱和交通流状态下，以高速公路出入口匝道、收费站与所有衔接交叉口路网内各节点整体车辆平均延误加权和最小化作为控制目标，以所有衔接交叉口各相位绿信比λ_i或绿灯时间为决策变量，各节点权重系数为ω_x，建立车辆平均延误最小化协同控制方法，动态调控衔接交叉口的信号配时以实现交通优化；其中绿信比λ_i是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比值；

(2.2)在饱和交通流状态下，以高速公路出入口匝道、收费站与所有衔接交叉口路网内各节点整体的通行能力加权和最大化作为控制目标，以所有衔接交叉口各相位绿信比λ_i、收费站各出口收费通道车辆逗留时间t_j与各入口收费通道车辆逗留时间g_k为决策变量，各节点权重系数为ω_x，建立通过的车辆数最大化协同控制方法，动态调控衔接交叉口的信号配时与收费站出入口通行能力以实现交通优化。

3.根据权利要求2所述的动态调控方法，其特征在于，设采用绿信比λ_i计算车辆平均延误的函数为Delay(λ_i)，各节点整体车辆平均延误加权和最小化的目标函数通式为：

min∑ω_x·Delay(λ_i)；

设Capacity(λ_i)、Capacity(t_j)、Capacity(g_k)分别为关于λ_i、t_j、g_k的计算交叉口通行能力的函数、出口收费通道通行能力的函数、入口收费通道通行能力的函数，各节点整体的通行能力加权和最大化的目标函数通式为：

max∑ω_x·Capacity(λ_i)+∑ω_x·Capacity(t_j)+∑ω_x·Capacity(g_k)。

4.根据权利要求2所述的动态调控方法，其特征在于，对步骤S2中最优化协同控制方法设置约束条件；约束条件包括：出口收费站与衔接交叉口之间连接路段的排队约束、入口收费站与衔接交叉口之间连接路段的排队约束、高速公路主线与收费站之间出入口匝道的排队约束、衔接交叉口其他进口道的排队约束、行人安全过街绿灯时间的约束、绿信比约束及收费站通行能力约束。

5.根据权利要求1所述的动态调控方法，其特征在于，在步骤S2中，将收费站和衔接交叉口的协同控制与高速公路匝道控制相互兼容应用，收费站和衔接交叉口作为拥堵点上游限流的动态控制节点，饱和交通流状态下收费站衔接的高速公路主线下游路段和/或收费站衔接的周边城市路网出现交通拥堵时，根据拥挤影响范围与持续时间确定上游入口收费站和/或出口收费站限流的放行速率。

6.根据权利要求1所述的动态调控方法，其特征在于，步骤S2所述子区域车辆平均延误最小化、子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法包括收费站单进单出车流衔接交叉口的协同控制方法，收费站双进双出车流衔接交叉口的协同控制方法：

(3.1)按照出入口匝道交通流组织结构，将高速公路收费站与衔接交叉口划分为收费站车流通过单进单出匝道衔接信号交叉口、收费站车流通过双进双出匝道衔接信号交叉口；

(3.2)针对收费站单进单出匝道衔接信号交叉口的情况，对非饱和交通流状态与饱和交通流状态分别调用不同的单进单出协同控制方法；

(3.3)针对收费站双进双出匝道衔接信号交叉口的情况，对非饱和交通流状态与饱和交通流状态分别调用不同的双进双出协同控制方法。

7.根据权利要求1所述的动态调控方法，其特征在于，步骤S2中收费站通行能力调控算法包括：

对非ETC收费通道的通行能力进行调控：子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法的解集为非ETC收费通道的车辆逗留时间，即为收费通道路侧的红绿通行指示灯的红绿灯周期和/或调节收费栏杆升降时间的周期，根据子区域通过的车辆数最大化的最优化协同控制方法可以确定非ETC收费通道的信号和/或栏杆调控周期；

对ETC收费通道的通行能力进行调控：ETC收费通道通过可变限速标志、减速带诱导与限制车辆行车速度，以调控车道的通行能力；协同控制模型输出最优解集时确定了第j条ETC车道的车辆逗留时间为t_j，根据ETC车道通行能力计算公式，求取协同控制方法下的ETC车道车辆行车速度为：

运用一元二次方程求根公式求解行车速度为：

已知且ETC车道车辆平均时速v＜30km/h，进一步化简得到ETC车道车辆平均时速为：

其中，v为ETC车道车辆平均行车速度；t是驾驶员感知-反应时间；L_安是车辆间所保持的安全距离；L_车为车辆平均长度；为地面附着力系数。