CN112927503A - 一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，基于元胞自动机模型和元胞传输模型，具体包括以下步骤：建立高速公路基础信息数据库；建立雨天管控样本库；对高速公路进行各路段划分，建立高速公路每一路段、雨天不同降雨强度下速度限制上限的雨天管控知识库；对气象台天气预报的降雨，预测在高速公路降雨区段、各路段开始、持续时间和强度精细化信息，确定高速公路各路段最佳限速值和各入口匝道最佳流量限制值，并进行在线实时控制；以及修正雨天管控样本库和雨天管控知识库。本发明能够实施精细化融合管控措施，满足准全天候高速公路的通行要求，最大限度地保证道路行驶安全，提高高速公路流量。

Description

一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法

技术领域

本发明涉及交通运输工程中交通管理控制技术领域，特别涉及一种雨天高 速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法。

背景技术

雨天由于路面附着系数降低、能见度下降极易造成交通事故，特别是速度 较快的高速公路。传统的，高速公路管理部门通过天气预报等在降雨天气采取 速度限制和提醒诱导(如保持车距)等措施，较少使用其它方法。但这种控制 方式是粗线条的，存在以下问题：一是管控措施较多采用限速，不能将流量限 制加入，较少涉及主线速度和匝道流量融合的协调控制，特别是降雨发生在交 通需求较大时段和路段；二是虽然这些速度限制值大体合理，但较少“针对具 体高速公路，依据各路段几何线形及交通流特性、大数据样本，采用雨天交通 流模型确定出更加精细化的科学技术标准”的智能化管控标准，特别是山区以 弯道和纵坡为主的路段。

另外，由于雨天高速公路不同路段的能见度、路面附着系数和道路几何线 形差别较大，需要针对不同路段采取不同的速度限制值，同时在交通需求较大 时段和路段的降雨需要加入相关流量限制措施，进一步提高交通安全水平。因 此，针对高速公路在降雨时采用不同的精细化融合管控措施，在保证交通安全 前提下，实施准全天候高速公路通行，最大限度的提高其实际通行能力，已成 为政府相关部门、高速公路管理部门和出行者迫切需要解决的技术问题之一。

现有的，关于雨天高速公路控制的研究技术主要分三个方面。

1)雨天高速公路最佳速度限制值方面

如肖卓(肖卓.恶劣天气影响下的高速公路车速管理策略研究[D].长沙：湖南 大学，2013.5.)以降雨强度、路面附着系数、能见度为主要参数，基于运行车 速和85％位车速模型，提出雨天下高速公路的车辆安全速度计算模型；吴其琛(吴 其琛.不良天气影响下山区高速公路限速研究[D].西安：长安大学，2019.6.)通 过对车辆制动过程分析确定安全距离的跟驰模型，得到雨天山区高速公路驾驶 员反应时间、道路水平能见度、路面附着系数、道路纵坡及路面水膜厚度等相 关因素影响下的车辆限速值；张存保(张存保，张培岭，严新平，江周.基于元 胞传输模型的雨天高速公路可变限速方法[J].交通运输系统工程与信息，2014， 14(5)：221-226.)对经典元胞传输模型(cell transmission model,CTM)进行改进， 在综合考虑交通安全和效率基础上，构建适用于雨天可变限速控制问题的高速 公路动态交通流模型。按照使用的模型分为交通流宏观模型(如CTM)、微观模 型和按照安全距离要求推导等，不足：仅限于车辆主线速度控制，不涉及入口 匝道流量控制，不涉及多路段主线和匝道协调控制问题；较少涉及不同道路几 何(弯道、纵坡等)和降雨强度下的控制；采用交通流宏观模型和按安全距离 要求的推导，无法映射出交通流高度非线性动力学的微观行为，使其具体应用 呈现局限性。

2)雨天高速公路速度限制和流量控制一体化协调研究方面

如郭允昌(郭允昌.高速公路主线限速与入口匝道控制协调的H-∞控制[D]. 长沙：长沙理工大学，2017,4.)运用改进的宏观交通流METANET模型，以高 速公路交通流运行稳定化为目标，构建高速公路主线与入口匝道的协调控制模 型，运用鲁棒算法进行求解，可有效提高高速公路通行能力并降低行程时间， 由于单纯宏观模型无法映射出交通流的高度非线性动力学的微观行为，使其具 体应用呈现局限性。

3)基于元胞自动机模型(cellular automaton model,CAM)的雨天高速公路 管理控制

郑莎莎和庞明宝、任伯宁(郑莎莎.基于CAM的雾雨天气下高速公路控制 信号施加策略研究[D].天津：河北工业大学，2015.10；Ming-Bao Pang and Bo-Ning Ren.Effectsof rainy weather on traffic accidents of a freeway using cellular automatamodel[J].Chinese Physics B,2017,26,10:108901；庞明宝，任伯宁.高速 公路弯道雨天可能交通事故的CA模型仿真[J].中国安全科学学报，2017，27 (7)：24-29；任伯宁.基于CAM的雨天高速公路交通事故研究[D].天津：河 北工业大学，2017.12.)考虑到交通流CAM在“克服跟驰模型局限性、描述交 通流的非线性行为”等方面的优势，结合高速公路交通流和雨天驾驶员心理行 为特性分析，建立雨天可能发生事故的一段(其中直线路段庞明宝和郑莎莎为 1km长度、庞明宝和任伯宁为5km；弯道路段任伯宁和庞明宝为2km)高速公 路CAM，通过调整交通需求(上游主线流量即放车数量)和可变速度限制 (Variable SpeedLimits,VSL)值进行实验，得到协调控制信号施加策略。不足： 研究对象未考虑到山区上下纵坡等高速路段；上游主线流量(即使为上游入口 匝道，但2个入口匝道间只有5km长度不符合实际，且还有其它主线上游来车) 作为该路段的控制变量不符合实际(实际只能通过多个入口匝道才能调节)；由 于微观交通流模型所限制，研究对象长度有限，无法应用于多入口匝道间协调 问题。

由上述三种调控方式可以看出，现有的雨天高速公路的车辆控制方式都集 中于最佳速度限制值方式，不涉及多入口匝道协调，部分含入口匝道流量的控 制方式采用的是宏观交通流模型，无法映射出交通流的高度非线性动力学微观 行为，使其具体应用呈现局限性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种雨天高速公路主线速度限制和匝道 融合协调控制方法，以实施精细化融合管控措施，满足准全天候高速公路的通 行要求，最大限度保证安全，提高道路流量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，所述控制方法 基于元胞自动机模型和元胞传输模型，具体包括以下步骤：

A.建立高速公路基础信息数据库；

B.建立雨天管控样本库；

C.对高速公路进行各路段划分，建立高速公路每一路段雨天不同降雨强度下 速度限制上限v^max的雨天管控知识库；

D.对气象台天气预报的降雨，预测在高速公路降雨区段、各路段开始、持续 时间和强度精细化信息，确定高速公路各路段最佳限速值和各入口匝道最佳流 量限制值，并进行在线实时控制；

E.形成新的雨天管理控制样本，返回步骤B和C，修正雨天管控样本库和雨 天管控知识库。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤A中 所述的基础信息数据库中包含道路几何线形在内的GIS信息、交通流历史数据 库、气象数据库、环境气象信息及信息采集装置采集的道路交通状态信息。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤B所 述的雨天管控样本库中包含道路车流量、行驶速度、事故地点、事故原因的基 础数据。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤C对 高速公路进行路段划分的具体方法为：将高速公路划分为若干子系统，若两个 相邻上下游入口匝道间高速公路不含与其它高速交汇的互通立交桥，划分为一 个子系统，若两个相邻上下游入口匝道间高速公路包含与其它高速交汇的互通 立交桥，则以与其它高速交汇的互通立交桥为分界点，划分为两个子系统；最 后将每个子系统依据道路几何线形，划分为若干路段。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤C所 述的雨天管控知识库的建立方法为：

C1.根据路段车道数、几何线形，建立该路段雨天可能事故的交通流CAM；

C2.对该路段通过仿真实验、驾驶模拟实验以及实际统计数据进行比较分析， 对交通流CAM进行校验，并修正模型中的相关参数；

C3.采用修正后的交通流CAM，通过实验确定该路段不同降雨强度下最佳 速度限制上限v^max；

C4.遍历该路段的各降雨强度，形成该路段的雨天管控知识库。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤C1中 所述交通流CAM的建立方法为：

C11.根据道路几何线形和车道路段划分元胞；

C12.制定车辆行驶基本规则；

C13.制定雨天行驶规则；

C14.制定纵坡规则；

C15.制定弯道规则；

C16.制定追尾侧滑事故判断规则；

C17.制定事故概率计算方法；

C18.制定边界条件。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤D具 体包括以下步骤：

D1.对气象台天气预报的降雨，采用GPS/BDS探测大气可降雨量技术预测 高速公路的降雨区段及各路段的降雨量和开始时间、持续时间，确定各路段的 降雨强度；

D2.根据各路段的降雨强度，依据步骤C建立的雨天管控知识库确定各路段 的最佳限速值，对个别路段出现的不同降雨强度，再细分为若干路段进行最佳 限速值的确定；

D3.建立高速公路速度限速下各路段的交通流CTM；

D4.根据步骤D3建立的交通流CTM采用预测控制方法计算各入口匝道最佳 流量限制值；

D5.将各路段最佳限速值和各入口匝道最佳流量限制值施加到高速公路系 统中进行在线实时控制。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤D3所 述交通流CTM的建立方法为：设定每个路段用一个元胞表示，元胞m的长度l_m可变，但满足元胞传输的基本要求，元胞自由流速度v_f对应最大流量Q和临界 密度k_c，元胞限速值v_VSL对应最大流量Q_VSL、密度k_VSL、拥挤密度k_J和反向波 速w；仿真步t时，元胞m的密度k_m(t)、速度v_m(t)、主线元胞m到m+1的车辆 数f_m,m+1(t)，元胞m的发送和接收能力分别为s_m(t)和r_m(t)；

D31.建立基本路段的元胞传输模型；

f_m,m+1(t)＝min{s_m(t),r_m+1(t)} (1)

s_m(t)＝min{v_m(t)k_m(t),Q_VSL} (2)

r_m(t)＝min{Q_VSL,w(k_J-k_m(t))} (3)

式(1)表示从主线元胞转移到下游元胞的车辆数为上游元胞可发送和下游可 接收中的最小值；

式(2)表示从主线元胞转移出车辆数不超过最大流量；

式(3)表示主线元胞可接收车辆数为最大车流量和元胞剩余车辆数中的最小 值；

自由流下，元胞m的车辆以自由流速度v_f行驶，但不能超过该元胞m限速 值v_VSL,；

在拥堵状态下，车流以反向波速w传播，此时车流密度为k_J-k_m(t)，进而得 到车流量为q_m(t)＝[k_J-k_m(t)]w，下一时刻速度

有:

限速下，元胞m的流量Q_VSL为:

D32.建立融合连接合流路段的元胞传输模型；

第t个时间间隔内，流量的传输关系为：

式(6)和(7)表示如果主线元胞m+1有足够空间，那么主线元胞m和入口匝道 元胞I的所有车辆可全部进入到元胞m+1，否则，对主线元胞m+1的接收能力 r_m+1(t)，入口匝道元胞I和主线元胞m以不超过各自发送能力、避免匝道和主线 用户的不公平性现象(优先匝道车辆或优先主线上游车辆)出现的原则分别按 照α和1-α的比例发送，α为需优化的决策变量，αr_m+1(t)为按照优化模型得到的入 口匝道进车量初值，实际进车量取“该初值、匝道需求、优先主线上游车辆后 匝道元胞I可供发送的车辆数”的中位数。

D33.建立有出口分离连接分流路段的元胞传输模型；

第t时间间隔内，流量的传输关系为:

f_m,(m+1)(t)＝(1-β)f_m,(m+1),O(t) (9)

f_m,O(t)＝βf_m,(m+1),O(t) (10)

式(8)、(9)和(10)分别表示主线元胞m的流出量f_m,(m+1),O(t)、主线元胞m转移 到主线元胞m+1和出口匝道元胞O的车辆数f_m,(m+1)(t)和f_m,O(t)，对上游元胞m， 其流出量受限于自身发送能力，同时按照β和1-β的分离率转移到出口匝道元胞 O和主线元胞m+1的流出量还受限于元胞O和元胞m+1的接收能力；如果元胞 m+1和元胞O有足够的空间接收这些车辆，则全部转移，否则，按照已知的分 离率分别转移到出口匝道元胞O和主线元胞m+1。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤D32 和D33中，流量状态转移方式如下式所示：

q_m(t+1)＝q_m(t)+f_m-1,m(t)-f_m,m+1(t)+f_I,m(t)-f_m,O(t). (11)

式(11)表示一个元胞当前时刻的车辆数等于它上一时刻的车辆数加上上游 元胞和对应入口匝道元胞转移给它的车辆数、并减去转移到下游主线元胞和对 应出口匝道元胞的车辆数，若一个元胞只有一种或两种连接方式，可以设置连 接处的进口或出口车辆数为零。

上述一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，步骤D4采 用的预测控制方法计算各入口匝道最佳流量(放车数量)，其中具体优化求解采 用遗传算法(genetic algorithm,GA)，具体包括以下步骤：

D41.设置GA中的群体规模、交叉和变异概率、停止迭代步数ss、适应度； 其中适应度如公式(12)表示:

Fitness＝α_TTSTTS-α_FluxFlux (12)

上式(12)中TTS和Flux分别为总花费时间(高速公路总行程时间和匝道总等 待时间之和)和流量，α_TTS和α_Flux为综合量纲平衡后的TTS权重和Flux权重，TTS 和Flux计算见式(13)和(14)；

式中：ε为仿真时间步长；k_p为控制周期T包含的时间步长数，即T＝ε·k_p； N_m、N_I和N_O分别为路段主线元胞总数、入口匝道元胞总数和出口匝道元胞总数； ρ_m,i、l_m,i和λ_m,i分别为主线元胞i的密度、长度和车道数；w_I,i为入口匝道元胞i 的排队长度；

和

分别为高速公路主线下游元胞N_m的密度、长度 和车道数；f_O,i为出口匝道元胞i离开高速公路的流量；令迭代步数s＝1；

D42.对每一代群体中的每一个个体，带入速度限制下的交通流CTM，仿真 其降雨前、中和后时间段的交通流过程，预测计算其宏观统计指标，计算其适 应度值；

D43.若s＝ss，停止迭代，输出最佳个体中的解，即为各入口匝道最佳流量 限制值；否则转向D44；

D44.按照GA中的交叉、变异规则，产生新一代个体；令s＝s+1，转向D42 至D43，直到得到各入口匝道最佳流量限制值。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明综合元胞自动机模型和元胞传输模型，依据高速公路技术特点，建 立了各路段雨天微观交通流CAM，依据大数据样本和模型优化确定了各路段不 同降雨强度下最大限速值的技术标准；对气象台天气预报的降雨，精确预测在 本高速公路降雨区段及各路段降雨量和开始、持续时间，确定了各路段降雨强 度，依据技术标准确定各路段最大限速值，通过建立高速公路雨天速度限制下 改进的CTM和协调控制相关算法确定各入口匝道流量，使高速公路在保证交通 安全的前提下，能够实施精细化融合管控措施，满足准全天候高速公路的通行 要求，最大限度地保证了道路行驶安全，提高了高速公路流量。

本发明突出的实质性特点是。

(1)本发明不同于已有雨天高速公路最佳速度限制值方式，不仅针对不同 路段和不同降雨强度实施不同的最大限速值，而且还结合多匝道调节融合协调 控制方式，针对不同匝道实施不同的限流措施，进一步提升高速公路的安全水 平，提高道路流量；而这一措施特别适用于降雨发生在交通需求较大时段和路 段。

(2)本发明采用交通流模型方面，综合了微观CAM和宏观CTM各自的 优点，并克服其各自缺点，采用CAM建立含纵坡、弯道等在内不同道路几何线 形在不同降雨强度下的微观交通流模型，通过实验对比，确定不同降雨强度下 的最佳限速值技术标准；宏观方面，建立速度限制下高速公路CTM,采用预测控 制的方法，使用GA优化匝道调节量，能满足具体工程实施的需要。

(3)本发明在在线控制方面采用了预测控制的方法，对气象台提供的降雨 预报，采用GPS/BDS探测大气可降水量技术获得高速公路不同路段未来时段降 雨量、开始和持续时间；采用预测控制的方法，使用GA优化匝道调节量，控 制时间包括降雨时段、降雨前后，使得本发明不仅能适用于较长时间降雨，也 适用于较短时间段如半小时的降雨，而且对降雨强度较大的路段如山区，提前 做好各种控制措施，控制效果好，适于大范围的推广应用。

(4)本发明控制方法通过离线知识库建立、在线实施、实施后的知识库更 新等步骤实现，是高速公路智能控制的具体应用；通过交通流CAM的建立、试 验等离线方式确定知识库，再通过在线控制模块快速确定控制信息实施管理； 当本降雨事件后，将该管理控制案例作为样本，修正交通流CAM和更新知识。 该方法作为智慧控制方式，符合人工智能的特点，符合实际且切实可行，控制 效果好。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中由若干子系统组成的高速公路示意图；

图3为本发明的高速公路一个子系统的示意图，其中，(a)为不含高速交汇 互通立交桥子系统图；(b)为含高速交汇互通立交桥的子系统图；

图4为本发明中一个路段雨天管控知识库建立的流程图；

图5为本发明中一个路段雨天交通流元胞自动机模型建立的流程图；

图6为本发明中一个路段雨天元胞自动机模型校验和参数修正的流程图；

图7为本发明确定各入口匝道最佳流量限制值的流程图；

图8为本发明实施例中沧榆高速(阜平东至保定西)段离线仿真对象及其 子系统划分示意图；

图9为本发明实施例中沧榆高速(阜平东至保定西)段在线仿真对象元胞 节点划分示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。

本发明提出的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法， 该方法综合元胞自动机模型和元胞传输模型的优点，以多入口匝道和出口匝道 以及主线组成的一条高速公路系统为应用对象，进行雨天情况下对高速公路的 主线速度限制和匝道放车辆进行融合协调控制，具体流程如图1所示，详细包 括以下步骤。

A.建立高速公路基础信息数据库。

基础信息数据库中包含道路几何线形在内的GIS信息、交通流历史数据库、 气象数据库、气象台提供的环境气象信息以及各种信息采集装置采集的道路交 通状态信息，信息采集装置如广域雷达系统、结合事件检测、道路摄像机检测、 电话等。

B.根据国内外有关标准以及其它高速雨天有关样本数据库，建立该高速公路 的雨天管控样本库；雨天管控样本库中包含道路车流量、行驶速度、事故地点、 事故原因等基础数据。

C.对高速公路进行各路段划分，建立高速公路每一路段、雨天不同降雨强度 下速度限制上限v^max的雨天管控知识库。

本步骤对高速公路进行路段划分的具体方法为：将高速公路划分为若干子 系统，图2所示即为由若干子系统组成的高速公路示意图，其中P为入口匝道， R为出口匝道。

若两个相邻上下游入口匝道间高速公路不含与其它高速交汇的互通立交 桥，划分为一个子系统，如图3的(a)所示；若两个相邻上下游入口匝道间高 速公路包含与其它高速交汇的互通立交桥，则以与其它高速交汇的互通立交桥 为分界点，划分为两个子系统，如图3的(b)所示；最后将每个子系统依据道 路几何线形，划分为若干路段。

本实施例中的高速公路选用沧榆高速中河北省的阜平东至保定西段，具体见 图8所示，图中P为入口匝道，R为出口匝道，I为互通式立交桥入口，E为互 通式立交桥出口；数字序号为子系统编号。

该段路含6个出入口匝道对(一个入口匝道对应一个出口匝道)和2个与其 它高速联通的互通式立交桥，主线双向四车道，长度为106公里。本段高速大 体分为从阜平东-唐县的山区、唐县到京昆高速的丘陵、京昆高速到保定西的平 原三部分，其中丘陵和山区弯道和下纵坡较多，且由于山脉大致呈南北走向， 导致降雨时丘陵地区和山区的分布不均匀现象愈明显，各子系统的降雨强度常 有差异。依据调查，货车比例为35％。

该段高速公路划分为7个子系统，具体范围见表1。

表1

子系统	起始范围	主线长度(km)	基本特征
				1	阜平东入口匝道至平阳出口匝道	22	山区
2	平阳入口匝道至曲阳出口匝道	13.5	山区
				3	曲阳入口匝道至涞曲高速立交桥	3.0	山区
4	涞曲高速立交桥至唐县出口匝道	19.2	山区
				5	唐县入口匝道至京昆高速立交桥	19.4	丘陵
6	京昆高速立交桥至顺平出口匝道	8.5	平原
				7	顺平入口匝道至保定出口匝道	20.4	平原

各个子系统按照道路几何线形再进行细划为若干路段，其中子系统4、子系 统5和子系统6细划后的路段特征分别见表2、表3和表4所示，表中的设计车 速为晴天正常交通状态下(非拥堵和事故、修路等事件下)的固定最大限速值， 平原地区设计车速小、大车分别为120km/h、90km/h。

表2

表3

表4

具体雨天管控知识库的建立流程如图4所示，具体方法为。

C1.根据路段车道数、几何线形，建立该路段雨天可能事故的交通流CAM， CAM即为交通流元胞自动机模型；建立流程如图5所示。

确定降雨下路面附着系数、能见度计算公式，确定车辆加减速、随机慢化、 换道、位置状态更新等在内的演化规则，确定事故判别规则，以及入口、出口 边界条件和事故概率、路段交通流状态变量统计等计算公式。

按照具体道路线形，可划分为平曲线、平曲线弯道，下纵坡、下纵坡弯道、 上纵坡、上纵坡弯道、隧道来处理，再按照车道分为单向2车道、单向三车道、 单向四车道，其中隧道作为特殊路段，不受雨天影响，立交桥和出入口匝道依 据具体道路线形，再分为若干路段

C11.根据道路线形和车道路段元胞划分。

路段每个车道长度L米被分为若干个元胞；元胞i为空或者由速度是v的车 辆据有，定义v_max表示车辆在道路上所允许的最大速度值，v_max1和v_max2分别表 示小车和大车的最大速度值；第一辆车标记为1，其后的车分别被标记为2,3,…, i；x(i,t)与v(i,t)分别表示第i辆车在时间t的位置和速度；d(i,t)为第i辆车在第t 时刻与第i-1辆车间空的元胞数；其中d(i,t)_front是第i辆车在第t时刻与旁车道上 的前车间的空元胞数；d(i,t)_back是第i辆车在第t时刻与旁车道上的后车之间的空 元胞数，a1加速度，a2减速度，p1为路段换道概率，p随机慢化概率；最小安 全距S_safe由安全距离S₀、司机反应时间T₀内的行驶距离S₁和制动距离S₂三部分 组成。

C12.制定车辆行驶基本规则。

加速规则：v(i,t+1)＝min(v(i,t)+a1,v_max)，表明车辆期望以最大速度行驶；

减速规则：Case 1:ifd(i,t)>S_safe，then v(i,t+1)＝v(i,t)，表明因两车间距大于 S_safe，不需减速；Case 2:ifd(i,t)≤S_safe，then v(i,t+1)＝min(d(i,t)+v(i-1,t+1),max(v(i,t) -a2,0))，表明两车间距小于最小安全视距，必须减速避免发生事故；

随机慢化规则：v(i,t+1)＝max(v(i,t)–1,0)，表明因各种不确定性因素车辆以概率p随机慢化；

运动规则：x(i,t+1)＝x(i,t)+v(i,t+1)，表明车辆按照调整后的速度等位置更新；

换道规则：d(i,t)<min(v(i,t)+a1,v_max)，d(i,t)_front>d(i,t)，d(i,t)_back>d_safe， d(i,t)_back>v_max，rand()<p₁，表明当所在车道道路状况无法满足行驶要求，且旁 边车道行驶状况优于所在车道时，在保证安全(上述条件)情况下，驾驶员以 概率p₁换至旁边道上行驶。

C13.制定雨天行驶规则。

雨天路面附着系数减少和能见度降低，造成可能的侧滑事故和追尾事故。其 中路面附着系数减少的计算参见季天剑等部分滑水对路面附着系数的影响(季 天剑,黄晓明,刘清泉.部分滑水对路面附着系数的影响[J].交通运输工程学报, 2003,3(4):10-12.)；能见度降低的计算参见Peng等雨天能见度计算方法(Peng P, Chengwei L,SenY.Visibility Measurement Using Geometrical Optics Approximation in Rainy Day[C]//Fifth International Conference on Instrumentation &Measurement.IEEE,2015.)。

同时，当降雨强度q>0.206mm/min影响视线时，驾驶员会打开雾灯来增加 视距，所以实际视距比能见度值稍大一些，具体参见王召阳基于CA模型的低能 见度道路交通流动态特性分析(王召阳.基于CA模型的低能见度道路交通流动 态特性分析[D].合肥工业大学,2011.)，定义实际视距为1.1倍能见度值。

具体规则如下。

①车i满足条件(a)q≥0.206，d(i,t)>1.1×visibility(表示降雨强度大于等于0.206mm/min且前车在驾驶员的实际视距范围外)，或者(b)q≥0.206，d(i,t) ≤1.1×visibility，d(i,t)>S_safe(表示q大于等于0.206mm/min且两车间距在驾驶员 实际视距范围内并大于最小的安全停车视距)，或(c)q<0.206，d(i,t)>S_safe(表 示q小于0.206mm/min且两车间距大于最小安全停车视距)，车辆将加速以期 望的速度行驶，具体规则同2)中①基本加速规则；

②车i满足条件(a)q≥0.206，d(i,t)≤1.1×visibility，d(i,t)≤S_safe，(表示q大 于等于0.206mm/min，两车间距在驾驶员实际视距范围内并小于最小安全停车视 距)rand()≤p'，或(b)q<0.206，d(i,t)≤S_safe，(表示q小于0.206mm/min，两 车间距小于最小安全停车视距)rand()≤p'时，驾驶员会在反应延迟时间T₀后以 最大的减速度D2_max刹车，规则：

v(i,t+T₀)＝v(i,t) (15)

v(i,t+T₀+1)＝max(v(i,t)-D2_max,0) (16)

③车i满足条件(a)q≥0.206，d(i,t)≤1.1×visibility，d(i,t)≤S_safe，(表示q大 于等于0.206mm/min，两车间距在驾驶员实际视距范围内并小于最小安全停车视 距)rand()>p'，或(b)q<0.206，d(i,t)≤S_safe，(表示q小于0.206mm/min，两 车间距小于最小安全停车视距)rand()>p'时，驾驶员会立即刹车，为：

v(i,t+1)＝max(v(i,t)-D2_max,0) (17)

车辆的位置转移,若不产生侧滑为：

x(i,t+1)＝x(i,t)+v(i,t+1) (18)

若侧滑，车辆会产生纵向和横向位移，其规则为：

x_x(i,t+1)＝x(i,t)+x_x＝x(i,t)+v(i,t+1)×cosθ (19)

x_y(i,t+1)＝x(i,t)+x_y＝x(i,t)+v(i,t+1)×sinθ (20)

其中x_x、x_y分别为车辆纵向和横向位移，θ为车辆i在t时刻产生的侧滑角， 具体计算见Ming-Bao Pang等基于CAM的雨天高速公路事故中计算(Ming-Bao Pang and Bo-NingRen.Effects of rainy weather on traffic accidents of a freeway using cellularautomata model[J].Chinese Physics B,2017,26,10:108901.)。

C14.制定纵坡规则。

车辆在纵坡路段行驶时，驾驶员为保持安全存在各自期望速度V_期望(具体计 算参见彭武雄等人Vissim仿真软件中期望车速的设定方法研究(彭武雄,朱顺 应,许源,等.Vissim仿真软件中期望车速的设定方法研究[J].交通信息与安全, 2007,25(4):53-56.))，当v达到期望速度V_期望后，由于纵坡的影响且v_max>V_期望， 会造成车辆v>V_期望，使得驾驶员会为保持该期望速度而进行制动，故单纯纵坡 的演化规则是在2)的规则中将v_max调整为V_期望即可，其它不变。

同时，大货车在长下纵坡路段，驾驶员为保持安全速度而采取制动减速措施 时，摩擦生热使得制动鼓温度上升，可能达到制动失效的温度，酿成制动事故， 对大货车在所有路段(包括上下纵坡、弯道前、弯道等)，若记录的动鼓温度 达到制动失效临界值时，将发生制动失效，制动事故数加1，具体制动鼓温度计 算和制动失效临界值确定等参见贾伟制动器温升与山区道路参数及车辆工况关 系研究(贾伟.制动器温升与山区道路参数及车辆工况关系研究[D].重庆交通大 学,2012.)一文。

C15.制定弯道规则。

车辆在弯道行驶受离心力影响，使其行驶存在不稳定状态，可能出现由于离 心力较大而发生侧滑等事故，对此设置车辆通过弯道的最大安全速度v_s以保证 安全行驶，v_s具体计算参见杨春风等人(杨春风,欧阳建湘,韩宝睿.道路勘测设计 [M].北京:人民交通出版社,2010.)一文，为：

其中R为弯道半径，i_y为超高值。

具体规则如下。

①弯道前缓冲路段规则，驾驶员为避免车辆发生侧向失稳事故，需在缓冲路 段尽可能减速到弯道限制的安全速度内,为：

a.当v<＝v_s，即车辆速度不大于弯道的最大安全速度，按照一般规则行驶；

b.当v>v_s，车辆只能减速，Case 1:减速,v(j,t+1)＝min(v(j,t),d(j,t)-1)；即驾驶 员为避免和前车发生碰撞并保持安全车距而采取减速措施；

Case 2:紧急减速,v(j,t+1)＝max(v(j,t)-2,0)；反映驾驶员为避免进入弯道内速 度大于v_s而进行的紧急刹车过程；

②弯道演化规则，对进入弯道内的车辆每一仿真步，进行判断：

a.v<＝v_s，车辆按照一般规则行驶；

b.v>v_s，车辆将会发生侧向失稳事故，导致侧滑等事故的发生，弯道事故数 加1；

对大货车在含弯道在内的长纵坡路段，出现的制动失效，失效后车辆将换 至内侧车道后再换至避险车道，具体换道规则同2)，在避险车道入口处该车从 主线车道上消失。

C16.制定追尾侧滑事故判断规则。

侧滑事故规则参见Ming-Bao Pang等基于CAM的雨天高速公路事故分析判 断计算(Ming-Bao Pang and Bo-Ning Ren.Effects of rainy weather on traffic accidentsofa freeway using cellular automata model[J].Chinese Physics B,2017,26, 10:108901.)，追尾事故规则参见郑莎莎、任伯宁关于雨天高速公路追尾事故判 别规则(郑莎莎.基于CAM的雾雨天气下高速公路控制信号施加策略研究[D]. 天津：河北工业大学，2015.10；任伯宁.基于CAM的雨天高速公路交通事故研 究[D].天津：河北工业大学，2017.12.)。

C17.制定事故概率计算和事故率关系。

事故概率表示该仿真时长内，在该仿真路段上每辆车可能发生交通事故的概 率，定义为N_ac/N，其中N_ac表示仿真实验时间内发生的事故数，包括追尾、侧 滑、制动等合计，N表示仿真时间内道路上总的车辆数。

交通工程中事故率如亿车公里事故率指一年中每一亿车公里的事故次数， 是大量统计数值，其与事故概率的具体计算与关系见张杉等(张杉，庞明宝， 任泊宁.冰雪道路环境下交通流微观仿真及事故率研究[J].中国安全科学学报， 2020，30(1):148－154.)一文。

C18.制定边界条件。本发明采用开放边界条件，具体包括入口边界和出口边 界，具体规则如下。

①入口边界：根据研究路段实际上游交通量，按随机概率抵达上游入口边界， 其中左车道均为小汽车，中间为混合车道，右车道均为大货车。若每个车道上 最左端单位元胞对应为A＝1，最左端车辆标记为A_last。在每一次更新的开始，监 测车道上最左侧与最右侧的车辆位置A_last以及A_lead，当A_last>v_max+l×2，并且 rand()>p_in(进车概率)，则一辆车将以min(A_last－(v_max+l),v_max)进入车道；

②出口边界：若A_lead>L，车辆A_lead将驶出车道，下一辆车则成为新的A_lead。

上述步骤C12和C18为基础规则，其中C12、C14、C15为在正常天气条件 下根据路段线形(地形)不同所制定的规则，如直线平面，C12规则即可满足； 弯道平面，C12附加C15即可满足；纵坡弯道C12需附加C14和C15，具体根 据地形定；其次，在雨天时C12需附加C13规则，雨天弯道纵坡路段C12需附 加C13、C14、C15；最后考虑交通安全加入C16和C17，来判断当车辆是否出 现意外事故，并进行事故概率的相关计算。

C2.模型校验与参数修正。

本步骤的流程如图6所示，通过对该路段通过仿真实验(至少取30次实验 平均值)、驾驶模拟实验以及实际统计数据，制定三种方法的基本图(流量-密度 图、流量-速度图和速度-密度图)对比和事故概率比较分析，对交通流CAM进 行校验，并修正模型中的相关参数。

对本实施例中的子系统6路段2进行模型校验和参数修正。在降雨强度为 1.9mm/min，能见度140m-170m下，小车和大车的最大限速值分别为60km/h和 40km/h、比例分别为0.6-0.7和0.3-0.4、交通量分别为1170veh/h-1370veh/h和 580veh/h-780veh/h情况下；进行基本图和事故概率比较，该路段在不同雨天实 际统计的事故率范围为0.76-160次/(亿车·km)，在该降雨强度和能见度下经换算 得事故概率范围为0.317‰-0.484‰次/(veh·km·h)，模型仿真和驾驶模拟事故概率 折合为标准为0.325‰-0.499‰次/(veh·km·h)和0.308‰-0.506‰次/(veh·km·h)，偏 差在合理范围内，验证了本发明交通流CAM的有效性。

C3.采用修正后的交通流CAM，通过实验确定该路段不同降雨强度下最佳 速度限制上限v^max。对具体路段在一个降雨强度下，通过设置不同限速值，进行 仿真实验，得到不同条件下的事故概率和交通流统计指标，结合流量-速度-密度 基本图进行综合评价，得到该路段降雨强度下能保证安全通行前提下的最佳 v^max。

C4.遍历该路段的各降雨强度，形成该路段的雨天管控知识库。

本实施例中，采用校验后的各路段交通流CAM进行实验，建立不同路段下 的雨天管控知识库，其中表5为子系统4路段3的雨天管控知识库，表6为子 系统5路段3的雨天管控知识库，表7为子系统6路段2的雨天管控知识库(其 它路段同)，其中每次实验为减少实验误差和消除实验数据的随机性，取30次 实验的保守值，实验结果均在国家相关标准范围内，但更加精细化。

表5

表6

降雨强度(mm/min)	能见度范围(m)	v<sup>max</sup>(小车，大车)(km/h)(km/h)
			<0.6	>500	100，70
0.6-1.0	500-300	90，60
			1.0-1.4	300-200	80，60
1.4-1.7	200-170	70，50
			1.7-2.0	170-140	60，40
2.0-2.4	140-110	50，40
			2.4-3.2	110-80	40，30
3.2-4	80-50	30，20
			>4	<50	20，20

表7

降雨强度(mm/min)	能见度范围(m)	v<sup>max</sup>(小车，大车)(km/h)(km/h)
			<0.6	>500	100，80
0.6-1.0	500-300	90，70
			1.0-1.4	300-200	80，60
1.4-1.7	200-170	70，50
			1.7-2.0	170-140	60，40
2.0-2.4	140-110	50，40
			2.4-3.2	110-80	40，30
3.2-4	80-50	30，20
			>4	<50	20，20

D.对气象台天气预报的降雨，预测在高速公路降雨区段、各路段开始、持续 时间和强度精细化信息，确定高速公路各路段最佳限速值和各入口匝道最佳流 量限制值，并进行在线实时控制。具体包括以下步骤。

D1.对气象台天气预报的降雨，采用GPS/BDS探测大气可降雨量技术预测 在高速公路的降雨区段以及各路段的降雨量和开始时间、持续时间，确定各路 段的降雨强度。

D2.根据各路段的降雨强度，依据步骤C建立的雨天管控知识库确定各路段 的最佳限速值，对个别路段出现的不同降雨强度，再细分为若干路段进行最佳 限速值的确定。

D3.建立高速公路速度限速下各路段的交通流CTM，CTM即交通流元胞传 输模型。

所述交通流CTM的建立方法为：设定每个路段用一个元胞表示，元胞m的 长度l_m可变，但满足元胞传输的基本要求，元胞自由流速度v_f对应最大流量Q 和临界密度k_c，元胞限速值v_VSL对应最大流量Q_VSL、密度k_VSL、拥挤密度k_J和 反向波速w；仿真步t时，元胞m的密度k_m(t)、速度v_m(t)、主线元胞m到m+1 的车辆数f_m,m+1(t)，元胞m的发送和接收能力分别为s_m(t)和r_m(t)。

本实施例中，该段高速公路划分为16个主线元胞、7个入口匝道元胞、7 个出口匝道元胞，如图9所示；图中I为入口匝道元胞或其它高速通过互通立交 桥汇入元胞，O为出口匝道元胞或其它高速通过互通立交桥分离元胞，Cell为主 线元胞；数字序号为各自元胞编号。设置该路段下主要参数：主线反向波速ω为 20km/h、主线通行能力Q为1800veh/(h·lane)。

根据划分的主线元胞，将整个路段划分为16个节点，其中每个节点包含一 个主线元胞。表8为每个节点的定义和特性。

表8

D31.建立基本路段的元胞传输模型；

f_m,m+1(t)＝min{s_m(t),r_m+1(t)} (1)

s_m(t)＝min{v_m(t)k_m(t),Q_VSL} (2)

r_m(t)＝min{Q_VSL,w(k_J-k_m(t))} (3)

式(1)表示从主线元胞转移到下游元胞的车辆数为上游元胞可发送和下游可 接收中的最小值；

式(2)表示从主线元胞转移出车辆数不超过最大流量；

式(3)表示主线元胞可接收车辆数为最大车流量和元胞剩余车辆数中的最小 值。

自由流下，元胞m的车辆以自由流速度v_f行驶，但不能超过该元胞m限速 值v_VSL,；在拥堵状态下，车流以反向波速w传播，此时车流密度为k_J-k_m(t)，进 而得到车流量为q_m(t)＝[k_J-k_m(t)]w，下一时刻速度

有:

限速下，元胞m的流量Q_VSL为:

D32.建立融合连接合流路段的元胞传输模型；

第t个时间间隔内，流量的传输关系为：

式(6)和(7)表示如果主线元胞m+1有足够空间，那么主线元胞m和入口匝道 元胞I的所有车辆可全部进入到元胞m+1，否则，对主线元胞m+1的接收能力 r_m+1(t)，入口匝道元胞I和主线元胞m以不超过各自发送能力、避免匝道和主线 用户的不公平性现象(优先匝道车辆或优先主线上游车辆)出现的原则分别按 照α和1-α的比例发送，α为需优化的决策变量，αr_m+1(t)为按照优化模型得到的入 口匝道进车量初值，实际进车量取“该初值、匝道需求、优先主线上游车辆后 匝道元胞I可供发送的车辆数”的中位数。

D33.建立有出口分离连接分流路段的元胞传输模型；

第t时间间隔内，流量的传输关系为:

f_m,(m+1)(t)＝(1-β)f_m,(m+1),O(t) (9)

f_m,O(t)＝βf_m,(m+1),O(t) (10)

式(8)、(9)和(10)分别表示主线元胞m的流出量f_m,(m+1),O(t)、主线元胞m转移 到主线元胞m+1和出口匝道元胞O的车辆数f_m,(m+1)(t)和f_m,O(t)，对上游元胞m， 其流出量受限于自身发送能力，同时按照β和1-β的分离率转移到出口匝道元胞 O和主线元胞m+1的流出量还受限于元胞O和元胞m+1的接收能力；如果元胞 m+1和元胞O有足够的空间接收这些车辆，则全部转移，否则，按照已知的分 离率分别转移到出口匝道元胞O和主线元胞m+1。

步骤D32和D33中，流量状态转移方式如下式所示：

q_m(t+1)＝q_m(t)+f_m-1,m(t)-f_m,m+1(t)+f_I,m(t)-f_m,O(t). (11)

式(11)表示一个元胞当前时刻的车辆数等于它上一时刻的车辆数加上上游 元胞和对应入口匝道元胞转移给它的车辆数、并减去转移到下游主线元胞和对 应出口匝道元胞的车辆数，若一个元胞只有一种或两种连接方式，可以设置连 接处的进口或出口车辆数为零。

D4.根据步骤D3建立的交通流CTM采用预测控制方法计算各入口匝道最佳 流量限制值，具体流程如图7所示。

上述预测控制方法具体优化求解采用遗传算法(genetic algorithm,GA)，， 具体包括以下步骤：

D41.设置GA中的群体规模、交叉和变异概率、停止迭代步数ss、适应度； 其中适应度如公式(12)表示:

Fitness＝α_TTSTTS-α_FluxFlux (12)

上式(12)中TTS和Flux分别为总花费时间和流量，总花费时间指高速公路总 行程时间和匝道总等待时间之和，流量指高速公路下游端和出口匝道处离开高 速公路的流量之和；α_TTS和α_Flux为综合量纲平衡后的TTS权重和Flux权重，TTS 和Flux计算见式(13)和(14)。

式中：ε为仿真时间步长；k_p为控制周期T包含的时间步长数，即T＝ε·k_p； N_m、N_I和N_O分别为路段主线元胞总数、入口匝道元胞总数和出口匝道元胞总数， 入口匝道元胞总数包含入口匝道或其它高速通过互通立交桥汇入元胞，出口匝 道元胞总数包含出口匝道或其它高速通过互通立交桥分离元胞；ρ_m,i、l_m,i和λ_m,i分 别为主线元胞i的密度、长度和车道数；w_I,i为入口匝道元胞i的排队长度；

和

分别为高速公路主线下游元胞N_m的密度、长度和车道数；f_O,i为出口 匝道元胞i离开高速公路的流量；令迭代步数s＝1。

D42.对每一代群体中的每一个个体，带入速度限制下的交通流CTM，仿真 其降雨前、中和后时间段的交通流过程，预测计算其宏观统计指标，计算其适 应度值。

D43.若s＝ss，停止迭代，输出最佳个体中的解，即为各入口匝道最佳流量 限制值；否则转向D44。

D44.按照GA中的交叉、变异规则，产生新一代个体；令s＝s+1，转向D42 至D43，直到得到各入口匝道最佳流量限制值。

D5.将各路段最佳限速值和各入口匝道最佳流量限制值施加到高速公路系 统中进行在线实时控制。

在线实时控制时，本实施例选择一个短强降雨(时间较短但强度较大)为例， 基于国家省市气象台天气预报采用GPS/BDS探测大气可降水量技术，预测本高 速公路降雨从上午8:00-8:30，持续时间半小时；降雨强度各元胞节点依次为 2.0-2.4mm/min、2.0-2.4mm/min、2.4-3.2mm/min、2.4-3.2mm/min、2.4-3.2mm/min、 3.2-4mm/min、3.2-4mm/min、3.2-4mm/min、3.2-4mm/min、3.2-4mm/min、 2.4-3.2mm/min、2.4-3.2mm/min、2.4-3.2mm/min、2.4-3.2mm/min、2.0-2.4mm/min、 2.0-2.4mm/min。

采用本实施例制订的雨天管控知识库确定各元胞节点在降雨时的限速值，见 表9。采用本发明的在线协调控制方法(控制时间上午7:00-9:00共2个小时)， 以5min为匝道控制周期，由不同时段主线及匝道需求进行优化求解，确定各入 口匝道实时放车量。本实施例，匝道控制时长内各匝道累计放车量分别为 1697veh、1478veh、2082veh、1650veh、1878veh、1581veh、1577veh。

表9

节点	1	2	3	4	5	6	7	8
									最大速度限制值	50	50	50	40	40	30	30	30
节点	9	10	11	12	13	14	15	16
									最大速度限制值	30	30	40	40	50	50	50	50

控制效果指标和其它方法对比见表10，其中现行国家标准是依据现有国家 标准方法确定的限速值；郭主线和匝道协调方法采用协调控制方法，具体见郭 允昌等(郭允昌.高速公路主线限速与入口匝道控制协调的H-∞控制[D].长沙：长 沙理工大学，2017,4.)。

表10

控制方法	流量(veh/h)	TTS(veh·h)
			现行国家标准	7724	904
郭主线和匝道协调方法	7867	896
			本发明控制方法	8382	861

从表10可以看出：在本短强降雨实例中，若采用现行国家控制标准，流量 相对较小，TTS最大，这是因为国家现行标准尚不精细化，在速度限制方面不 能针对不同地形路段得到既能保障安全又能实现流量最大化的限速值，同时由 于没有实施匝道流量调节，对交通需求较大时段控制效果不能得到优化；郭主 线和匝道协调方法，控制指标得以改进，但由于不涉及不同路段几何线形以及 不同降雨强度下限速及流量控制，不考虑事故因素对于交通流的影响，无法映 射具体路段交通流的微观行为，预测控制需建立在精准预测基础上，控制指标 未实现最优；采用本发明的方法，由于能解决上述交通流微观问题，同时又基于宏观交通流模型进行预测控制，使得流量和TTS都得以改进，与现行国家标 准、郭的协调方法相比，协调控制后的流量分别提高658veh/h、515veh/h，TTS 分别减少了43veh·h、35veh·h，控制效果明显。

在线实时控制时，本实施例再选择一个降雨时间较长为例，基于国家省市气 象台天气预报采用GPS/BDS探测大气可降水量技术，预测本高速公路降雨从上 午8:00-11:00，持续时间3小时；降雨时间较长，降雨过程中降雨强度动态时变， 如上午8:45-9:00，降雨强度较大，各元胞节点降雨强度依次为2.0-2.4mm/min、 2.0-2.4mm/min、2.0-2.4mm/min、2.4-3.2mm/min、2.4-3.2mm/min、2.4-3.2 mm/min、3.2-4mm/min、3.2-4mm/min、3.2-4mm/min、2.4-3.2mm/min、 2.4-3.2mm/min、2.4-3.2mm/min、2.0-2.4mm/min、2.0-2.4mm/min、2.0-2.4mm/min、 2.0-2.4mm/min；上午9:45-10:30，降雨强度较弱，各元胞节点降雨强度依次为1.4-1.7mm/min、1.4-1.7mm/min、1.4-1.7mm/min、1.7-2.0mm/min、1.7-2.0 mm/min、1.7-2.0mm/min、2.0-2.4mm/min、2.0-2.4mm/min、2.0-2.4mm/min、 1.7-2.0mm/min、1.7-2.0mm/min、1.7-2.0mm/min、1.4-1.7mm/min、1.4-1.7 mm/min、1.4-1.7mm/min、1.4-1.7mm/min。

采用本实施例制订的雨天管控知识库确定各元胞节点降雨时的限速值，其中 早8:45-9:00和9:45-10:30的限速值分别见表11和表12所示。采用本在线协调 控制方法(控制时间上午7:00-12:00共5个小时)确定各入口匝道实时最佳放车 量，其中本实例匝道控制时长内各匝道累计放车量分别为为4300veh、3792veh、 4904veh、4160veh、5392veh、3724veh、4464veh。

表11

节点	1	2	3	4	5	6	7	8
									最大速度限制值	50	50	50	40	40	40	30	30
节点	9	10	11	12	13	14	15	16
									最大速度限制值	30	40	40	40	50	50	50	50

表12

节点	1	2	3	4	5	6	7	8
									最大速度限制值	70	70	70	60	60	60	50	50
节点	9	10	11	12	13	14	15	16
									最大速度限制值	50	60	60	60	70	70	70	70

控制效果指标和与其它方法对比见表13。其中现行国家标准是依据现有国 家标准方法确定的限速值；郭主线和匝道协调方法采用协调控制方法，具体见 郭允昌等(郭允昌.高速公路主线限速与入口匝道控制协调的H-∞控制[D].长沙： 长沙理工大学，2017,4.)。

表13

从表13可以看出：本长时降雨且强度是时变的实例中，与现行国家标准、 郭的协调方法相比，本发明协调控制后的流量分别提高513veh/h、203veh/h，TTS 分别减少了97veh·h、54veh·h，控制效果明显。这是因为现行国家标准国家现 行标准尚不精细化，也不涉及交通需求较大时段；郭的主线和匝道协调方法由 于不涉及映射具体路段的微观交通流模型，不能实现精准预测控制，指标值未 实现最优；而本发明考虑了不同时间段不同降雨强度以及需求较大的问题，充 分利用了微观和宏观交通流模型各自的优缺点，使得流量和TTS都得以改进， 再次证明本发明控制方法有效性的同时，说明该方法既可适用于短时强降雨也 可适用于长时降雨的情景。

E.最后根据每次在线实时控制形成的新雨天管理控制样本，返回步骤B和 C，修正雨天管控样本库和雨天管控知识库。

本发明基于大数据样本，通过建立高速公路各路段交通流微观模型，并确 定不同降雨强度下最大速度限制值技术标准；具体实施时在得到精细化降雨预 报后，依据雨天管控知识库确定降雨期间各路段最大限速值，通过相关协调控 制模型算法确定各入口匝道流量，使各路段车辆行驶在安全速度范围内，同时 通过入口流量限制，进一步提升了车辆行驶安全水平，保证了高度公路通行能 力的最大化。

Claims (10)

1.一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，所述控制方法基于元胞自动机模型和元胞传输模型，具体包括以下步骤：

A.建立高速公路基础信息数据库；

B.建立雨天管控样本库；

C.对高速公路进行各路段划分，建立高速公路每一路段、雨天不同降雨强度下速度限制上限v^max的雨天管控知识库；

D.对气象台天气预报的降雨，预测在高速公路降雨区段、各路段开始、持续时间和强度精细化信息，确定高速公路各路段最佳限速值和各入口匝道最佳流量限制值，并进行在线实时控制；

E.形成新的雨天管理控制样本，返回步骤B和C，修正雨天管控样本库和雨天管控知识库。

2.根据权利要求1所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤A中所述的基础信息数据库中包含道路几何线形在内的GIS信息、交通流历史数据库、气象数据库、环境气象信息及信息采集装置采集的道路交通状态信息。

3.根据权利要求1所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤B所述的雨天管控样本库中包含道路车流量、行驶速度、事故地点、事故原因的基础数据。

4.根据权利要求1所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤C对高速公路进行路段划分的具体方法为：将高速公路划分为若干子系统，若两个相邻上下游入口匝道间高速公路不含与其它高速交汇的互通立交桥，划分为一个子系统，若两个相邻上下游入口匝道间高速公路包含与其它高速交汇的互通立交桥，则以与其它高速交汇的互通立交桥为分界点，划分为两个子系统；最后将每个子系统依据道路几何线形，划分为若干路段。

5.根据权利要求4所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤C所述的雨天管控知识库的建立方法为：

C1.根据路段车道数、几何线形，建立该路段雨天可能事故的交通流CAM；

C2.对该路段通过仿真实验、驾驶模拟实验以及实际统计数据进行比较分析，对交通流CAM进行校验，并修正模型中的相关参数；

C3.采用修正后的交通流CAM，通过实验确定该路段不同降雨强度下最佳速度限制上限v^max；

C4.遍历该路段的各降雨强度，形成该路段的雨天管控知识库。

6.根据权利要求5所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤C1中所述交通流CAM的建立方法为：

C11.根据道路几何线形和车道路段划分元胞；

C12.制定车辆行驶基本规则；

C13.制定雨天行驶规则；

C14.制定纵坡规则；

C15.制定弯道规则；

C16.制定追尾侧滑事故判断规则；

C17.制定事故概率计算方法；

C18.制定边界条件。

7.根据权利要求1所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤D具体包括以下步骤：

D1.对气象台天气预报的降雨，采用GPS/BDS探测大气可降雨量技术预测高速公路的降雨区段以及各路段的降雨量和开始时间、持续时间，确定各路段的降雨强度；

D2.根据各路段的降雨强度，依据步骤C建立的雨天管控知识库确定各路段的最佳限速值，对个别路段出现的不同降雨强度，再细分为若干路段进行最佳限速值的确定；

D3.建立高速公路速度限速下各路段的交通流CTM；

D4.根据步骤D3建立的交通流CTM采用预测控制方法计算各入口匝道最佳流量限制值；

D5.将各路段最佳限速值和各入口匝道最佳流量限制值施加到高速公路系统中进行在线实时控制。

8.根据权利要求7所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤D3所述交通流CTM的建立方法为：

设定每个路段用一个元胞表示，元胞m的长度l_m可变，但满足元胞传输的基本要求，元胞自由流速度v_f对应最大流量Q和临界密度k_c，元胞限速值v_VSL对应最大流量Q_VSL、密度k_VSL、拥挤密度k_J和反向波速w；仿真步t时，元胞m的密度k_m(t)、速度v_m(t)、主线元胞m到m+1的车辆数f_m,m+1(t)，元胞m的发送和接收能力分别为s_m(t)和r_m(t)；

D31.建立基本路段的元胞传输模型；

f_m,m+1(t)＝min{s_m(t),r_m+1(t)} (1)

s_m(t)＝min{v_m(t)k_m(t),Q_VSL} (2)

r_m(t)＝min{Q_VSL,w(k_J-k_m(t))} (3)

式(1)表示从主线元胞转移到下游元胞的车辆数为上游元胞可发送和下游可接收中的最小值；

式(2)表示从主线元胞转移出车辆数不超过最大流量；

式(3)表示主线元胞可接收车辆数为最大车流量和元胞剩余车辆数中的最小值；

自由流下，元胞m的车辆以自由流速度v_f行驶，但不能超过该元胞m限速值v_VSL,；

在拥堵状态下，车流以反向波速w传播，此时车流密度为k_J-k_m(t)，进而得到车流量为q_m(t)＝[k_J-k_m(t)]w，下一时刻速度

有:

限速下，元胞m的流量Q_VSL为:

D32.建立融合连接合流路段的元胞传输模型；

第t个时间间隔内，流量的传输关系为：

式(6)和(7)表示如果主线元胞m+1有足够空间，那么主线元胞m和入口匝道元胞I的所有车辆可全部进入到元胞m+1，否则，对主线元胞m+1的接收能力r_m+1(t)、入口匝道元胞I和主线元胞m以不超过各自发送能力、避免匝道和主线用户的不公平性现象出现的原则分别按照α和1-α的比例发送，α为需优化的决策变量，αr_m+1(t)为按照优化模型得到的入口匝道进车量初值，实际进车量取“该初值、匝道需求、优先主线上游车辆后匝道元胞I可供发送的车辆数”的中位数；

D33.建立有出口分离连接分流路段的元胞传输模型；

第t时间间隔内，流量的传输关系为:

f_m,(m+1)(t)＝(1-β)f_m,(m+1),O(t) (9)

f_m,O(t)＝βf_m,(m+1),O(t) (10)

式(8)、(9)和(10)分别表示主线元胞m的流出量f_m,(m+1),O(t)、主线元胞m转移到主线元胞m+1和出口匝道元胞O的车辆数f_m,(m+1)(t)和f_m,O(t)，对上游元胞m，其流出量受限于自身发送能力，同时按照β和1-β的分离率转移到出口匝道元胞O和主线元胞m+1的流出量还受限于元胞O和元胞m+1的接收能力；如果元胞m+1和元胞O有足够的空间接收这些车辆，则全部转移，否则，按照已知的分离率分别转移到出口匝道元胞O和主线元胞m+1。

9.根据权利要求8所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤D32和D33中，流量状态转移方式如下式所示：

q_m(t+1)＝q_m(t)+f_m-1,m(t)-f_m,m+1(t)+f_I,m(t)-f_m,O(t). (11)

式(11)表示一个元胞当前时刻的车辆数等于它上一时刻的车辆数加上上游元胞和对应入口匝道元胞转移给它的车辆数、并减去转移到下游主线元胞和对应出口匝道元胞的车辆数，若一个元胞只有一种或两种连接方式，可以设置连接处的进口或出口车辆数为零。

10.根据权利要求8所述的一种雨天高速公路主线速度限制和匝道融合协调控制方法，其特征在于，步骤D4采用的预测控制方法计算各入口匝道最佳流量，其中具体优化求解采用遗传算法GA，具体包括以下步骤：

D41.设置GA中的群体规模、交叉和变异概率、停止迭代步数ss、适应度；其中适应度如公式(12)表示:

Fitness＝α_TTSTTS-α_FluxFlux (12)

上式(12)中TTS和Flux分别为总花费时间和流量，α_TTS和α_Flux为综合量纲平衡后的TTS权重和Flux权重，TTS和Flux计算见式(13)和(14)；

式中：ε为仿真时间步长；k_p为控制周期T包含的时间步长数，即T＝ε·k_p；N_m、N_I和N_O分别为路段主线元胞总数、入口匝道元胞总数和出口匝道元胞总数；ρ_m,i、l_m,i和λ_m,i分别为主线元胞i的密度、长度和车道数；w_I,i为入口匝道元胞i的排队长度；

和

分别为高速公路主线下游元胞N_m的密度、长度和车道数；f_O,i为出口匝道元胞i离开高速公路的流量；令迭代步数s＝1；

D42.对每一代群体中的每一个个体，带入速度限制下的交通流CTM，仿真其降雨前、中和后时间段的交通流过程，预测计算其宏观统计指标，计算其适应度值；

D43.若s＝ss，停止迭代，输出最佳个体中的解，即为各入口匝道最佳流量限制值；否则转向D44；

D44.按照GA中的交叉、变异规则，产生新一代个体；令s＝s+1，转向D42至D43，直到得到各入口匝道最佳流量限制值。

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