CN113240915B - 一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法 - Google Patents

一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法，首先将匝道和合流区分成多个控制区域，并得到每个控制区域的交通参数；然后根据匝道控制模型并利用交通参数计算每个控制区域内匝道汇入量；最后基于计算得到的匝道汇入量，实现该匝道向主线汇入的车流流量的控制。本发明从多匝道协同控制的角度出发，综合考虑两个匝道对连续合流区交通流状态带来的影响，使快速路主线依据相关性能指标运行在最佳状态附近。

Description

一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法
技术领域
本发明涉及交通控制方法领域，具体是一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法。
背景技术
随着城市快速路建设规模和沿线进出交通需求的增加，匝道数目也不断增加，交通需求大且匝道间距短的现实在许多城市快速路系统中普遍存在，导致快速路系统运行中经常出现由节点拥堵蔓延形成线的拥堵甚至快速路网大面积区域拥堵现象，尤其是高峰时期，极大地限制了快速路网整体通行能力。
匝道组合型式是影响快速路交织区通行能力的重要因素，为保障快速路通行能力，常用的匝道组合型式有先出后入式，优先疏散快速路交通流并有效减少快速路主线上的交织行为。但是城市快速路系统建设和管理中由于空间限制或者沿线需求较大时往往会出现多个连续匝道与主线相接的情况，实际运行过程中当主线与匝道交通需求不断增加时经常出现多合流区连续拥堵的情形。因此，如何最大限度减少匝道车辆排队的同时保障快速路主线的通行能力尤为重要。
现有快速路交通控制常用技术为匝道控制，其中信号控制是匝道控制的常用手段，通过调节匝道进入主线的交通量，使快速路运行指标保持在良好的状态，同时尽可能满足匝道车辆汇入主线需求。但是由于连续合流区组合形式的特殊性，各匝道均对主线造成影响且相邻匝道存在相互影响，仅考虑单匝道控制方案存在局限性，无法有效提高整个交织区的通行能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法，以解决现有技术交通流量控制仅考虑单匝道存在的局限性问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法，用于多个匝道沿主线车流方向顺序汇入主线的交通路线流量的控制，其中每个匝道汇入位置对应的主线区域为合流区，所述合流区的车流驶入方向为上游方向、车流驶出方向为下游方向，包括以下步骤：
(1)、按顺序两两一组将多个匝道和对应的合流区分为多个控制区域，每个控制区域均包含两个匝道和对应的合流区，按固定周期T获取每个控制区域中每个匝道的车辆到达率di(k)和车辆排队数φi(k)、每个控制区域中i号合流区的车流平均车速vi(k)和下游车流流量Qi(k)，其中k为固定周期T内的时刻，i为匝道在所在控制区域内按顺序的编号，i等于1或2；
(2)、根据匝道控制模型，分别计算固定周期T内k时刻每个控制区域内每个匝道汇入量，匝道控制模型如下公式所示：
Figure BDA0003071830830000021
其中：
Figure BDA0003071830830000022
为k时段内i号匝道汇入量，单位为veh；
qi(k)为i号匝道通行能力，单位为veh·h-1；
Vmi为合流区最大流平均车速，单位为km·h-1；
Ci表示i号合流区下游通行能力，单位为veh·h-1；
(3)、基于步骤(2)计算得到的每个控制区域内每个匝道汇入量，控制对应控制区域中每个匝道向主线汇入的车流流量等于计算得到的汇入量。
所述的一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法步骤(2)中，根据匝道控制模型计算得到每个控制区域中2号匝道汇入量φ2(k)后，再进行如下判断：
当
Figure BDA0003071830830000023
时，则以通过步骤(2)中匝道控制模型计算得到的每个控制区域中两个匝道的匝道汇入量，作为步骤(3)的控制依据；
当
Figure BDA0003071830830000024
时，则以通过步骤(2)中匝道控制模型计算得到的每个控制区域中1号匝道的匝道汇入量，作为步骤(3)中对1号匝道向主线汇入的车流流量的控制依据；同时，基于如下公式再次计算得到2号匝道的匝道汇入量：
Figure BDA0003071830830000031
以再次计算得到的2号匝道的匝道汇入量，作为步骤(3)中对2号匝道向主线汇入的车流流量的控制依据。
所述的一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法还包括步骤(4)：完成当前固定周期T的控制后，重复步骤(1)—(3)，进行下一个固定周期T的控制。
所述的一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法步骤(3)中，通过在所述匝道设置信号控制设备，并通过控制信号控制设备信号变化使匝道中车辆停止或行驶，以实现对匝道向主线汇入的车流流量控制，使所述车流流量等于所述匝道计算得到的汇入量。
步骤(3)中，当设置在匝道上的检测器检测到车辆通过数达到确定的匝道汇入量时，信号由绿灯切换至红灯，使匝道车辆在设定后的绿灯时长内汇入主线的车辆数就是步骤(2)确定的匝道汇入量，实现多匝道协同控制。
一种用于多匝道协同控制的计算机系统，包括处理器和存储器，所述存储器中写入有所述处理器能够运行的程序指令，所述处理器运行程序指令时，执行权利要求1-5中任意一项所述的多匝道协同控制方法。
所述的一种用于多匝道协同控制的计算机系统，所述程序指令包括数据采集模块、匝道控制模块，所述处理器运行数据处理模块时执行所述步骤(1)，处理器运行匝道控制模块时执行所述步骤(2)、(3)、(4)。
本发明从多匝道协同控制的角度出发，综合考虑两个匝道对连续合流区交通流状态带来的影响，使快速路主线依据相关性能指标运行在最佳状态附近。
本发明充分考虑各匝道对主线交通流带来的影响以及匝道之间的相互影响，在保障主线交通流正常运行的前提下，尽可能满足车辆从匝道进入主线的需求，提升连续合流区整体通行效率。
附图说明
图1为本发明整体设施示意图。
图2为本发明方法原理图。
图3为合流区换道行为和通行能力下降关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
如图1、图2所示，本发明提供一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制系统，包括以下几个步骤：
步骤一：设置交通检测器，采集连续两个合流区的交通参数，具体步骤为：
(1)在匝道加速车道结束下游50m主线处设置合流区第一和第二参数检测器1、2，实时检测车辆合流区的微观参数，并得到合流区下游实际最大通行能力，同时具备检测合流区下游主线交通参数的功能。
所述车辆合流区即匝道开始汇入主线路段至加速车道结束路段，即图1中所示的灰色斑点区域。灰色斑点区域外的车辆换道行为视作车辆在主线行驶的正常换道，不纳入车辆合流的范畴。
(2)在匝道车辆停止线路侧设置第一和第二匝道排队检测器3、4，检测固定周期内各匝道的匝道车辆到达率di(k)以及车辆排队数φi(k)。
所述匝道车辆停止线即图1中所示的黑色网格区域。
步骤二：将实时采集的交通参数传输至控制主机，并搭建匝道控制模型，具体步骤为：
(1)在两个匝道间主线路段边侧设置计算机系统7，控制主机内部包含数据采集模块和匝道控制模块，数据采集模块实时接收交通参数，并计算各匝道汇入量，匝道控制模块根据各匝道汇入量生成匝道信号控制方案。
(2)当某一控制周期内检测到i号合流区平均车速vi(k)≤Vmi时，将i号匝道关闭，否则代入到数据采集模块中的匝道控制模型计算各匝道汇入量。应当注意的是，某一匝道关闭时，另一匝道控制模型中合流区下游实际通行能力变为实测值，即对应合流区下游不受短距离连续合流区的影响。
(3)所述匝道控制模型包括匝道排队模型、匝道汇入主线模型和合流区下游实际通行能力模型。
匝道排队模型中k+1时段匝道排队车辆数为：
Figure BDA0003071830830000041
式中：φi(k)——k时段内i号匝道排队车辆数(veh)；di(k)——k时段内i号匝道需求量(veh)；
Figure BDA0003071830830000042
——k时段内i号匝道汇入量(veh)；i——匝道与主线编号；T——控制周期长度(s)。
考虑主线阻塞密度，则受主线影响的匝道汇入量表示为：
Figure BDA0003071830830000051
式中：qi(k)——i号匝道通行能力(veh·h-1)；ρj——阻塞密度(veh·km-1)；ρm——最大流密度(veh·km-1)；ρi(k)——k时段i号合流区密度(veh·km-1)。
根据速度-密度线性关系模型
Figure BDA0003071830830000052
受主线影响的匝道汇入量为：
Figure BDA0003071830830000053
式中：Vf——自由流速度(km·h-1)；vi(k)——i号合流区平均车速(km·h-1)；Vmi——i号合流区最大流平均车速(km·h-1)。
1号合流区下游实际通行能力受到2号合流区的影响，具体计算模型如图3所示。在长度为l1(l1＞0)的1号合流区内，匝道车辆汇入点随机分布，tz为车辆z合流时刻，t'z为合流车辆产生的运动波传到合流区开始点的时刻。在t1时刻合流车辆其运动波(D→B)到达合流区开始点记为B点，在t2时刻合流的车辆其运动波(C→A)到达合流区开始点记为A点，计算A、B两点间通过的车辆数，即计算两个相邻运动波C→A和D→B之间穿越的车辆轨迹数之差。将t2汇入的换道轨迹C→D平移到A→E处，依据Newell理论，只需要计算A→E→B之间的通过车辆数即可。此时的时间间隔是其产生的运动波到达合流区开始点的时刻按照时间序列排序后的时间差，依据时间序列将t'0记为t″0，t'2记为t″1，t'1记为t″2，依次类推，得到时间序列差h'z＝t″z+1+t'z，假设h'z服从一定的分布H'～H'(h'0,σ'2)，得到1号合流区下游实际通行能力C1如下：
Figure BDA0003071830830000054
式中：w——主线车流波速(km·h-1)；v0——汇入车辆合流速度(km·h-1)；a——汇入车辆合流加速度(m·s-2)；σ'2——匝道合流车辆车头时距的方差。h'0——平均序列时间差(s)。
假设2号合流区下游主线路段不受到短距离连续合流区的影响，通过取历史数据中某周期内流量最大值即为2号合流区下游通行能力C2。
综合汇入主线基本模型，得到考虑匝道与主线交互影响下的单匝道汇入量，表示为：
Figure BDA0003071830830000061
步骤三：基于搭建的匝道控制模型，确定系统控制逻辑，具体步骤为：
(1)若根据步骤二中匝道控制模型确定的匝道Ⅱ汇入量
Figure BDA0003071830830000062
即匝道Ⅱ允许汇入的交通量就是2号合流区下游主线的剩余通行能力，则根据各匝道交通需求权重分配匝道Ⅱ汇入量，表示为：
Figure BDA0003071830830000063
1号合流区下游通行能力受到匝道Ⅱ汇入量的影响，匝道Ⅰ汇入量根据步骤二中匝道控制模型确定。
(2)若根据步骤二中匝道控制模型确定的匝道Ⅱ汇入量
Figure BDA0003071830830000064
匝道Ⅰ、Ⅱ的最终汇入量为步骤二中匝道控制模型计算的值。
步骤四：确定多匝道协同控制方案，具体步骤为：
(1)在匝道车辆停止线与匝道开始汇入主线路段之间设置信号控制设备5、6，与车辆停止线的间距应满足车辆接受到信号控制设备信号变化时，能及时减速，并在停止线上安全停止。
(2)根据步骤三确定的各匝道汇入量，通过所述信号控制设备更改固定周期内匝道信号配时，实现多匝道协同控制。
步骤五：完成当前周期内的多匝道协同控制方案后，进入下一个控制周期，重复步骤一至步骤四，进行下一个周期的多匝道最优化控制。
本发明为了更直观地反映匝道与主线车流的交互影响，选取的场景为短距离连续合流区，合流区的间距L通常不大于600m，并且以连续两个匝道为例，更符合实际应用中选取的多匝道组合型式。如果有更多连续匝道组合成的连续合流区，则将两个匝道为一组实施协同控制。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法，用于多个匝道沿主线车流方向顺序汇入主线的交通路线流量的控制，其中每个匝道汇入位置对应的主线区域为合流区，所述合流区的车流驶入方向为上游方向、车流驶出方向为下游方向，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、按顺序两两一组将多个匝道和对应的合流区分为多个控制区域，每个控制区域均包含两个匝道和对应的合流区，按固定周期获取每个控制区域中每个匝道的车辆到达率di(k)和车辆排队数φi(k)、每个控制区域中i号合流区的车流平均车速vi(k)和下游车流流量Qi(k)，其中k为固定周期内的时刻，i为匝道在所在控制区域内按顺序的编号，i等于1或2；
(2)、根据匝道控制模型，分别计算固定周期内k时刻每个控制区域内每个匝道汇入量，匝道控制模型如下公式所示：
Figure FDA0003463888770000011
其中：
Figure FDA0003463888770000012
为k时段内i号匝道汇入量，单位为veh；
qi(k)为i号匝道通行能力，单位为veh·h-1；
Vmi为预设的合流区最大流平均车速阈值，单位为km·h-1；
Ci表示i号合流区下游通行能力，单位为veh·h-1；
(3)、基于步骤(2)计算得到的每个控制区域内每个匝道汇入量，控制对应控制区域中每个匝道向主线汇入的车流流量等于计算得到的汇入量；
步骤(4)：完成当前固定周期的控制后，重复步骤(1)-(3)，进行下一个固定周期的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法，其特征在于：步骤(2)中，根据匝道控制模型计算得到每个控制区域中2号匝道汇入量φ2(k)后，再进行如下判断：
当
Figure FDA0003463888770000013
时，则以通过步骤(2)中匝道控制模型计算得到的每个控制区域中两个匝道的匝道汇入量，作为步骤(3)的控制依据；
当
Figure FDA0003463888770000021
时，则以通过步骤(2)中匝道控制模型计算得到的每个控制区域中1号匝道的匝道汇入量，作为步骤(3)中对1号匝道向主线汇入的车流流量的控制依据；同时，基于如下公式再次计算得到2号匝道的匝道汇入量：
Figure FDA0003463888770000022
以再次计算得到的2号匝道的匝道汇入量，作为步骤(3)中对2号匝道向主线汇入的车流流量的控制依据。
3.根据权利要求1所述的一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，通过在所述匝道设置信号控制设备，并通过控制信号控制设备信号变化使匝道中车辆停止或行驶，以实现对匝道向主线汇入的车流流量控制，使所述车流流量等于所述匝道计算得到的汇入量。
4.根据权利要求3所述的一种基于匝道与主线交互影响的多匝道协同控制方法，其特征在于：当设置在匝道上的检测器检测到车辆通过数达到确定的匝道汇入量时，信号由绿灯切换至红灯，使匝道车辆在设定后的绿灯时长内汇入主线的车辆数就是步骤(2)确定的匝道汇入量，实现多匝道协同控制。
5.一种用于多匝道协同控制的计算机系统，包括处理器和存储器，所述存储器中写入有所述处理器能够运行的程序指令，其特征在于：所述处理器运行程序指令时，执行权利要求1-4中任意一项所述的多匝道协同控制方法。
6.根据权利要求5所述的一种用于多匝道协同控制的计算机系统，其特征在于：所述程序指令包括数据采集模块、匝道控制模块，所述处理器运行数据处理模块时执行所述步骤(1)，处理器运行匝道控制模块时执行所述步骤(2)、(3)、(4)。
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