CN113178083A

CN113178083A - 一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法及系统

Info

Publication number: CN113178083A
Application number: CN202110239171.XA
Authority: CN
Inventors: 卢晓; 滕坤敏; 刘海青; 王海霞; 张治国; 盛春阳; 宋诗斌; 聂君
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: CN113178083B

Abstract

本发明涉及一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法及系统，包括交通流检测装置、可变限速标志牌和控制单元。管控区域内的高速公路被多个断面划分为多个区段，交通流检测装置和可变限速标志牌均安装于断面处，利用交通流检测装置采集预设时间段内每一断面的车辆行驶数据，控制单元根据车辆行驶数据对每一区段的状态进行判别，确定非畅通路段，并根据非畅通路段前N个断面的断面交通量，确定非畅通路段前n个断面的限速值，综合所有非畅通路段前n个断面的限速值，对可变限速标志牌的限速进行更新，进而利用可变限速标志牌进行多级断面的动态限速管理，控制管控区域内车辆的行驶速度，减少驶入拥堵路段的车辆流量，缓解高速公路交通拥堵情况。

Description

一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法及系统

技术领域

本发明涉及智能交通控制与管理技术领域，特别是涉及一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法及系统。

背景技术

高速公路交通管控系统大多都侧重于实现道路运行监控、定点测速监控、交通信息发布等管理业务。以人工巡检或其他低效率监控手段发现拥堵区域，再发布拥堵信息和派遣警力疏散交通的管控方式存在缺陷，会导致拥堵信息发布不及时、交通疏散缓慢、二次事故发生概率高等问题。基于此，一种面向高速公路交通流控制的方法及系统备受研究者关注，通过对高速公路交通流的监控与管理，能够提前预知拥堵发生概率，并以限速的方式减少拥堵区域交通流压力，逐步舒缓交通拥堵。

现有的高速公路拥堵限速方法主要有静态限速和动态限速两种。静态限速是指根据历史数据或经验在容易引起拥堵的事故多发地或其他复杂路段的前方设置限速以规避或减少路段拥堵的发生。静态限速的管控方式不够灵活，缓堵效果差。随着各种交通检测技术的发展，实时交通数据处理能力得到有效提升，动态限速管控方式越来越普及。动态限速主要是通过采集的交通流及其他交通环境数据，按照预设算法计算断面限速值，然后通过路侧动态信息情报板或限速牌实时更新限速变化。动态限速的管控方式灵活可变、准确性高，能够融合多源数据对不同交通状态下的控制策略进行实时优化，因此更具实用性。

但目前现有的高速公路控制方法及系统仅以单一断面限速为主，即在进入拥堵区段时进行限速，无法实现高速公路多级动态限速，拥堵缓堵效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法及系统，能够在进入非畅通路段之前进行多级断面限速，缓解拥堵，减少二次事故发生率，提高驾驶安全等级，极大的弥补了传统拥堵限速方法存在的不足。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高速公路多级动态限速的拥堵控制系统，所述拥堵控制系统包括交通流检测装置、可变限速标志牌和控制单元；

管控区域内的高速公路被多个断面划分为多个区段；相邻两个所述断面之间的高速公路即为一个所述区段；按照车辆行驶方向定义前后，所述车辆行驶方向的反方向为前；

所述交通流检测装置和所述可变限速标志牌均安装于所述断面处；所述交通流检测装置和所述可变限速标志牌均与所述控制单元通信连接；

所述交通流检测装置用于采集预设时间段内车辆的行驶信息，得到每一所述断面的车辆行驶数据，并将所述车辆行驶数据传输至所述控制单元；所述车辆行驶数据包括断面交通量和每一车辆通过断面的时间点；

所述控制单元用于根据所述车辆行驶数据确定非畅通路段，计算所述非畅通路段的前n个断面的限速值，根据所述限速值对相应断面处的可变限速标志牌进行更新。

一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，控制上述的拥堵控制系统进行工作，所述拥堵控制方法包括如下步骤：

接收交通流检测装置采集的每一断面的车辆行驶数据；所述车辆行驶数据包括断面交通量和每一车辆通过断面的时间点；

根据所述车辆行驶数据对每一区段的状态进行判别，确定非畅通路段；所述路段包括一个或多个所述区段；

根据所述非畅通路段前N个断面的断面交通量，确定所述非畅通路段前n个断面的限速值；n≤N；

综合所有所述非畅通路段前n个断面的限速值，对可变限速标志牌进行更新。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明用于提供一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法及系统，包括交通流检测装置、可变限速标志牌和控制单元。管控区域内的高速公路被多个断面划分为多个区段，交通流检测装置和可变限速标志牌均安装于断面处，利用交通流检测装置采集预设时间段内每一断面的车辆行驶数据，控制单元根据车辆行驶数据对每一区段的状态进行判别，确定非畅通路段，并根据非畅通路段前N个断面的断面交通量，确定非畅通路段前n个断面的限速值，综合所有非畅通路段前n个断面的限速值，对可变限速标志牌的限速进行更新，进而利用可变限速标志牌进行多级断面的动态限速管理，控制管控区域内车辆的行驶速度，减少驶入拥堵路段的车辆流量，缓解高速公路交通拥堵情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的拥堵控制系统的结构框图。

图2为本发明实施例1所提供的高速公路划分示意图。

图3为本发明实施例2所提供的拥堵控制方法的方法流程图。

图4为本发明实施例2所提供的确定非畅通路段一种实施方式的方法流程图。

图5为本发明实施例2所提供的确定非畅通路段另一种实施方式的方法流程图。

图6为本发明实施例2所提供的区段状态判别依据图。

图7为本发明实施例2所提供的非畅通路段前n个断面限速值计算的方法流程图。

图8为本发明实施例2所提供的动态限速的级数的选择思路图。

符号说明：

1-交通流检测装置；2-控制单元；3-可变限速标志牌。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例用于提供一种高速公路多级动态限速的拥堵控制系统，如图1所示，所述拥堵控制系统包括交通流检测装置1、可变限速标志牌3和控制单元2。

管控区域内的高速公路被多个断面划分为多个区段，相邻两个断面之间的高速公路即为一个区段，进而对高速公路干线进行Link划分，实现干线离散化管理。按照车辆行驶方向定义前后，所述车辆行驶方向的反方向为前。

本实施例以每个区段作为基本管理单元，高速公路干线Link划分的结果具体为：

G＝(D，E)； (1)

式1中，G表示高速公路干线划分集合；D表示Link断面集合，D＝{d₁，...d_m，...d_M}；E表示断面间区段集合，E＝{E_1，2，...E_m，m+1，...E_M-1，M}，m＝1，2，...M-1。E_m，m+1代表断面m和断面m+1之间的高速公路区段。断面序号的大小沿车辆行驶方向依次减小。如图2所示，以存在9个断面为例，管控区域内的高速公路被9个断面划分为8个区段。本发明设置断面序号的大小沿车辆行驶方向依次减小，仅是为了使本领域技术人员更加清楚的了解本发明所述的方案，当然，也可以设置断面序号的大小沿车辆行驶方向依次增大。

交通流检测装置1和可变限速标志牌3安装于断面处，交通流检测装置1和可变限速标志牌3均与控制单元2通信连接。在实际应用中，为充分提高现有基础设置的利用价值，可以直接复用ETC龙门架位置，即断面处于高速公路上现有ETC龙门架的安装位置，在ETC龙门架上安装交通流检测装置1和可变限速标志牌3。

交通流检测装置1用于采集预设时间段内车辆的行驶信息，得到每一断面的车辆行驶数据，并将车辆行驶数据传输至控制单元2。所述车辆行驶数据包括断面交通量和每一车辆通过断面的时间点。需要说明的是，交通流检测装置1实时采集车辆的行驶信息，但本实施例是以T_*作为周期对采集到的车辆行驶数据进行处理，判断每一T_*时间段内区段的拥堵情况，并进行动态限速调整，T_*即为预设时间段。

具体的，每一断面的车辆行驶数据所用的数据字段如下：

<数据采集时间段，断面编号，断面交通量，限速值，车辆通过断面时间点>。

车辆行驶数据所用数据字段的具体表达式为：

式2中，H_i表示第i个T_*时间段内处理的原始数据字段集合；

表示数据采集时间段；d_m表示第m个断面；Q_i ^m表示断面m的断面交通量；V_m，m-1表示断面m至断面m-1之间区段的限速值；

表示车辆j通过断面m的时间点。

所述控制单元2用于根据车辆行驶数据确定非畅通路段，计算非畅通路段的前n个断面的限速值，根据限速值对相应断面处的可变限速标志牌3进行更新。需要说明的是，可变限速标志牌3所显示的限速值代表当前标志牌所在断面与相邻后一断面之间区段的区间平均车速的最大值。进而利用可变限速标志牌3进行多级断面的动态限速管理，控制管控区域内车辆的行驶速度，减少驶入非畅通路段的车辆流量，缓解高速公路交通拥堵情况，不仅提升了高速公路干线拥堵的缓堵效率，还解决了现有动态限速存在的弊端，能够为高速公路提供更加安全、可靠、科学、高效的拥堵管控措施。

实施例2：

本实施例用于提供一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，控制实施例1所述的拥堵控制系统进行工作，如图3所示，所述拥堵控制方法包括如下步骤：

S1：接收交通流检测装置1采集的每一断面的车辆行驶数据；所述车辆行驶数据包括断面交通量和每一车辆通过断面的时间点；

S2：根据所述车辆行驶数据对每一区段的状态进行判别，确定非畅通路段；所述路段包括一个或多个所述区段；

具体的，作为一种可选的实施方式，如图4所示，S2可以包括如下步骤：

S201：根据所述每一车辆通过断面的时间点确定区段中车辆的平均行驶速度；

S202：根据所述平均行驶速度和所述断面交通量对每一区段的状态进行判别；所述状态包括畅通、拥堵和非常拥堵；

S203：根据每一所述区段的状态确定非畅通路段；所述非畅通路段包括拥堵区段和非常拥堵区段。

作为另一种可选的实施方式，如图5所示，S2可以包括如下步骤：

S211：根据所述每一车辆通过断面的时间点确定区段中车辆的平均行驶速度；

S212：根据所述平均行驶速度和所述断面交通量对每一区段的状态进行判别；所述状态包括畅通、拥堵和非常拥堵；

S213：根据每一所述区段的状态对部分区段进行整合，确定非畅通路段。

无论采用上述哪种实施方式确定非畅通路段，S201和S211均具体可以包括：

1)对于预设时间段T_*内通过区段E_m,m+1的每一车辆，以车辆通过断面m+1的时间点作为第一通过时间点，以车辆通过断面m的时间点作为第二通过时间点。

2)根据第一通过时间点和第二通过时间点确定区段E_m,m+1中每一车辆的行驶时间；具体的，所用的计算公式如下：

式3中，

为车辆j在区段E_m,m+1中的行驶时间；

为车辆j通过断面m的时间点；

为车辆j通过断面m+1的时间点。

3)根据区段E_m,m+1的长度和区段E_m,m+1中每一车辆的行驶时间确定区段E_m,m+1中车辆的平均行驶速度。具体的，所用的计算公式如下：

式4中，

为第i个预设时间段T_*内区段E_m,m+1中车辆的平均行驶速度；L为区段E_m,m+1的长度；J为预设时间段T_*内通过区段E_m,m+1的车辆数量；j＝1，2，...J。

无论采用上述哪种实施方式确定非畅通路段，S202和S212均具体可以包括：

对于每一区段，判断平均行驶速度是否大于第一预设速度，得到第一判断结果。

若所述第一判断结果为是，则区段的状态为畅通，即区段为畅通区段。

若所述第一判断结果为否，则判断平均行驶速度是否小于第二预设速度，得到第二判断结果；所述第二预设速度小于所述第一预设速度。

若所述第二判断结果为是，则判断断面交通量是否小于第一预设交通量，得到第三判断结果。若所述第三判断结果为是，则区段的状态为畅通。若所述第三判断结果为否，则判断断面交通量是否小于第二预设交通量，若是，则区段的状态为拥堵，即区段为拥堵区段；若否，则区段的状态为非常拥堵，即区段为非常拥堵区段。

若所述第二判断结果为否，则判断断面交通量是否小于第一预设交通量和第二预设交通量的和的一半，得到第四判断结果。若所述第四判断结果为是，则区段的状态为畅通。若所述第四判断结果为否，则判断断面交通量是否小于第一预设交通量和第二预设交通量的和，若是，则区段的状态为拥堵，若否，则区段的状态为非常拥堵。

如图6所示，其示意性的给出了区段状态判别依据图。图6中，

为第二预设速度，

为第一预设速度，

为第一预设交通量，

为第二预设交通量。区域I代表非常拥堵区域，区域II代表拥堵区域，区域III代表畅通区域。

本实施例提供了两种实施方式确定非畅通路段，一种是直接以拥堵区段和非常拥堵区段作为非畅通路段，此时的非畅通路段仅包括一个区段。另一种是对非畅通区段进行部分整合，得到非畅通路段，此时的非畅通路段包括一个或多个区段。当对非畅通区段进行部分整合时，S213具体可以包括：

根据每一区段的状态选取非畅通区段；所述非畅通区段包括拥堵区段和非常拥堵区段。

对于每一非畅通区段E_m,m+1，判断E_m,m+1的前两区段E_m+1,m+2或E_m+2,m+3是否为非畅通区段，得到第五判断结果。

若所述第五判断结果为是，即E_m+1,m+2或E_m+2,m+3为非畅通区段，则合并E_m,m+1、E_m+1,m+2和E_m+2,m+3，以路段E_m,m+3作为非畅通路段。

若所述第五判断结果为否，则以非畅通区段E_m,m+1作为非畅通路段。进而根据各个区段的状态对整个管控区域高速公路的拥堵状况进行判别，以整合邻近的非畅通区段，使非畅通路段之间最少间隔2个畅通区段，以更好的实现多级降速。

在确定非畅通路段后，本实施例还对非畅通路段的状态进行识别，判断非畅通路段是拥堵还是非常拥堵。若非畅通路段为单个区段，则直接以这一区段的状态作为非畅通路段的状态。若非畅通路段包含多个区段，则具体的识别方法与识别单个区段的状态所用方法相同，先根据每一车辆通过断面的时间点，利用公式3和公式4确定非畅通路段中车辆的平均行驶速度，然后根据平均行驶速度和断面交通量，借助于图6对非畅通路段的状态进行判别。

本实施例中还将畅通区段和非畅通路段的判别结果进行存储，具体为：

为第m+x个断面与第m+y个断面所组成非畅通路段的拥堵状态值。

S3：根据所述非畅通路段前N个断面的断面交通量，确定所述非畅通路段前n个断面的限速值；n≤N；

在确定限速值时，所选用的控制原则是在规定的单位控制时间内通过多级动态限速的方式使驶出车流量大于驶入车流量，然后以滚动时间窗的方式延长控制周期，从而逐步舒缓交通，最终达到缓解拥堵、控制拥堵的目的。

本实施例中以N＝5为例，对确定非畅通路段前n个断面的限速值的过程进行具体说明。本领域技术人员不难理解的是，还可以根据需要选择N的大小，这都处于本发明的保护范围内。

按照高速公路限速的极限值划分五级速度漏斗，该五级速度漏斗即为预设速度集合，预设速度集合如公式7所示。并按照拥堵程度划分两级单位控制时间，单位控制时间是预设时间段T_*的整数倍，如公式8所示。

式7中，V^*为预设速度集合，

具体的，如图7所示，S3可以包括：

S31：根据所述非畅通路段的拥堵程度确定单位控制时间；具体的，当非畅通路段的拥堵程度为拥堵时，单位控制时间为

当非畅通路段的拥堵程度为非常拥堵时，单位控制时间为

S32：根据所述非畅通路段前N个断面的断面交通量，按照在所述单位控制时间内，驶入交通量小于驶出交通量的原则，确定动态限速的极数n；

具体的，获取非畅通路段的前5个断面的断面交通量，按照S31得到的单位控制时间，利用图8所示思路选择动态限速的极数n，选择原则为在单位控制时间内，驶入交通量小于驶出交通量，从而确定动态限速的极数n。图8中，横坐标t代表间隔时间，T^*表示要在t个间隔时间实现缓堵控制，从而求解在这段时间对应的各断面限速。t和T^*是整数倍的关系。

选择原则的具体表达式如下：

式9中，n表示单位控制时间内到达非畅通路段的n股交通流。Q^m-1为驶出非畅通路段的交通量，Q^m+z为驶入非畅通路段的位于非畅通路段之前的第z个断面的交通量。式9中仅以非畅通路段为E_m-1，m为例进行说明，当非畅通路段包括两个区段时，比如非畅通路段为E_m-2，m，则相应的公式转变为

S33：根据预设速度集合与动态限速的极数n之间的对应关系，确定所述非畅通路段前n个断面的限速值。

预设速度集合

如果动态限速的极数n为3，则非畅通路段前第1个断面的限速值为

前第2个断面的限速值为

前第3个断面的限速值为

当非畅通路段包括多个区段时，则非畅通路段中相邻两个区段之间的限速值为预设最小限速值

此外，对于状态为畅通的区段，判断当前区段限速值是否为最大值，若否，则将当前限速逐步升至预设最大限速值

S4：综合所有所述非畅通路段前n个断面的限速值，对可变限速标志牌3进行更新。

本实施例除设置可变限速标志牌3外，还可以设置显示数字的动态限速板和显示文字的动态信息板，并与具有地图显示、语音播报功能的智能车载终端以及移动手机终端相连接，以向用户实时播报各个区段的动态限速值。

本实施例基于Link方式划分区段，通过区段平均车速和断面交通量的关系判别区段的状态，比传统的方式更加精准、高效，能够更好的服务于多级动态限速系统。本实施例依据非畅通路段的拥堵程度确定单位控制时间，然后确定动态限速的断面级数，通过控制驶入非畅通路段交通量的方式缓解拥堵，以速度漏斗的形式实现车辆的逐级降速，能够给予驾驶员充分的反应时间，不仅符合驾驶员驾驶行为特性，还在缓解路网拥堵的同时减少二次事故发生率，提高了驾驶安全等级。

本说明书中每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种高速公路多级动态限速的拥堵控制系统，其特征在于，所述拥堵控制系统包括交通流检测装置、可变限速标志牌和控制单元；

2.如权利要求1所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制系统，其特征在于，所述断面处于高速公路上现有ETC龙门架的安装位置。

3.一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，控制如权利要求1或2所述的拥堵控制系统进行工作，其特征在于，所述拥堵控制方法包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，其特征在于，所述根据所述车辆行驶数据对每一区段的状态进行判别，确定非畅通路段具体包括：

根据所述每一车辆通过断面的时间点确定区段中车辆的平均行驶速度；

根据所述平均行驶速度和所述断面交通量对每一区段的状态进行判别；所述状态包括畅通、拥堵和非常拥堵；

根据每一所述区段的状态确定非畅通路段；所述非畅通路段包括拥堵区段和非常拥堵区段。

5.如权利要求3所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，其特征在于，所述根据所述车辆行驶数据对每一区段的状态进行判别，确定非畅通路段具体包括：

根据每一所述区段的状态对部分区段进行整合，确定非畅通路段。

6.如权利要求4或5所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，其特征在于，所述根据所述每一车辆通过断面的时间点确定区段中车辆的平均行驶速度具体包括：

对于预设时间段内通过区段E_m,m+1的每一车辆，以所述车辆通过断面m+1的时间点作为第一通过时间点，以所述车辆通过断面m的时间点作为第二通过时间点；m为任意常数；

根据所述第一通过时间点和所述第二通过时间点确定所述区段E_m,m+1中每一车辆的行驶时间；

根据所述区段E_m,m+1的长度和所述区段E_m,m+1中每一车辆的行驶时间确定所述区段E_m,m+1中车辆的平均行驶速度。

7.如权利要求4或5所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，其特征在于，所述根据所述平均行驶速度和所述断面交通量对每一区段的状态进行判别具体包括：

对于每一所述区段，判断所述平均行驶速度是否大于第一预设速度，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为是，则所述区段的状态为畅通；

若所述第一判断结果为否，则判断所述平均行驶速度是否小于第二预设速度，得到第二判断结果；所述第二预设速度小于所述第一预设速度；

若所述第二判断结果为是，则判断所述断面交通量是否小于第一预设交通量，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为是，则所述区段的状态为畅通；若所述第三判断结果为否，则判断所述断面交通量是否小于第二预设交通量，若是，则所述区段的状态为拥堵，若否，则所述区段的状态为非常拥堵；

若所述第二判断结果为否，则判断所述断面交通量是否小于所述第一预设交通量和所述第二预设交通量的和的一半，得到第四判断结果；若所述第四判断结果为是，则所述区段的状态为畅通；若所述第四判断结果为否，则判断所述断面交通量是否小于所述第一预设交通量和所述第二预设交通量的和，若是，则所述区段的状态为拥堵，若否，则所述区段的状态为非常拥堵。

8.如权利要求5所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，其特征在于，所述根据每一所述区段的状态对部分区段进行整合，确定非畅通路段具体包括：

根据每一所述区段的状态选取非畅通区段；所述非畅通区段包括拥堵区段和非常拥堵区段；

对于每一非畅通区段E_m,m+1，判断E_m,m+1的前两区段E_m+1,m+2或E_m+2,m+3是否为非畅通区段，得到第五判断结果；

若所述第五判断结果为是，则合并E_m,m+1、E_m+1,m+2和E_m+2,m+3，以路段E_m,m+3作为非畅通路段。

若所述第五判断结果为否，则以非畅通区段E_m,m+1作为非畅通路段。

9.如权利要求4或5所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，其特征在于，所述根据所述非畅通路段前N个断面的断面交通量，确定所述非畅通路段前n个断面的限速值具体包括：

根据所述非畅通路段的拥堵程度确定单位控制时间；

根据所述非畅通路段前N个断面的断面交通量，按照在所述单位控制时间内，驶入交通量小于驶出交通量的原则，确定动态限速的极数n；

根据预设速度集合与动态限速的极数n之间的对应关系，确定所述非畅通路段前n个断面的限速值。

10.如权利要求9所述的一种高速公路多级动态限速的拥堵控制方法，其特征在于，当所述非畅通路段包括多个区段时，则所述非畅通路段中相邻两个区段之间的限速值为预设最小限速值。