CN113450583B - 一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法 - Google Patents

一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法 Download PDF

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CN113450583B CN202111019219.2A CN202111019219A CN113450583B CN 113450583 B CN113450583 B CN 113450583B CN 202111019219 A CN202111019219 A CN 202111019219A CN 113450583 B CN113450583 B CN 113450583B
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Abstract

本发明公开了一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，具体为：布设路侧单元，将含有入口匝道的高速公路路段划分为若干个控制路段；预测高速公路瓶颈区内下一周期将会发生交通拥挤；对当前周期内入口匝道上的车辆实施速度控制；确定汇入之后主线车道允许汇入的临界密度；判断高速公路主线上各控制路段在下一周期内的交通密度是否大于汇入之后主线车道允许汇入的临界密度；对高速公路主线上的各控制路段进行可变限速控制协同变道控制；控制信息发布至车载提示系统，调控流入下游的流量。本发明基于车路协同的实时信息共享，通过可变限速控制和变道控制协同，提高了高速公路通行效率、减少了大量集中变道行为、降低了追尾风险。

Description

一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法
技术领域
本发明属于智能交通管理与控制技术领域，涉及一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法。
背景技术
高速公路入口匝道合流区是事故多发的路段之一。当高速公路主线和入口匝道交通需求较大，瓶颈上游的交通量高于瓶颈的最大容量时将激活瓶颈，产生拥挤；加之主线车辆和匝道汇入车辆在瓶颈附近可能发生大量的集中变道行为，所造成的车辆速度震荡，将增加追尾风险和进一步导致交通流的紊乱，造成通行能力下降，加剧了交通拥挤的严重程度。特别是近年来我国汽车数量迅猛增长，高速公路上交通需求呈现快速增加趋势，致使合流区车辆通行难、通行效率低等问题日益突出，严重影响了道路驾驶员的出行时间效益。如何有效改善高速公路合流区车辆通行效率、降低事故风险问题，变的至关重要。
可变限速和变道控制是高速公路两种常用的交通管控手段。可变限速控制通过动态调节瓶颈区上游交通量，以维持流入瓶颈的交通量在其最大容量附近，旨在最大化瓶颈区的通行效率，无法调控瓶颈附近车辆的变道行为对可变限速控制的影响；当瓶颈附近出现大量的集中变道行为时，会对车流产生影响，引发拥挤和排队，使瓶颈的最大通行能力下降15%-25%，这将会对实施的可变限速控制产生较大的负面影响，这也是为什么有时实施可变限速却无法改善车辆行车时间的原因。变道控制通过发布变道信息使车辆在离瓶颈一段距离时提前变道，从而减轻瓶颈附近的拥挤和消除排队，但在高交通需求下，可能无法提供安全的变道间隙，导致车辆无法顺利变道。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有可变限速控制主要有以下缺点：第一，仅对高速公路主线采用单一的可变限速控制，忽略了车辆变道对可变限速控制效果产生的负面影响。第二，现有可变限速控制往往对某一限速路段内的所有车道实施同一限速值，没有考虑到实际中高速公路上不同车道最高限速值之间的差异，很难适应车辆分车道行驶的实际情况。第三，现有可变限速主要是当瓶颈区产生交通拥挤时，才开始对上游的交通流实施可变限速控制，无法发挥可变限速的主动预防效果，且驾驶员难以及时发现发布在可变信息板上的限速信息。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，基于车路协同技术的实时信息共享，通过可变限速控制和变道控制协同，提高了高速公路通行效率、减少了大量集中变道的行为、降低了追尾风险，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，具体按照以下步骤进行：
S1：布设路侧单元，将含有入口匝道的高速公路路段划分为若干个控制路段，入口匝道下游的主线车道为瓶颈区；路侧单元接收当前主线所有控制路段和入口匝道上通行的所有车辆信息，并发送至交通控制中心；
S2：判断下一周期内连接入口匝道的控制路段的交通密度是否大于瓶颈区临界密度，如果大于瓶颈区临界密度，预测瓶颈区下一周期将发生交通拥挤，执行步骤S3；否则，执行步骤S6；
S3，判断下一周期内入口匝道的交通密度是否大于入口匝道上所允许汇入的临界密度，如果大于入口匝道上所允许汇入的临界密度，执行步骤S4；否则，直接汇入并执行步骤S5；
S4，对当前周期内入口匝道上的车辆实施速度控制，使得下一周期从入口匝道汇入主线车道的交通流保持以临界交通流汇入；
S5，确定汇入之后主线车道允许汇入的临界密度；
S6，判断高速公路主线上各控制路段在下一周期内的交通密度是否大于汇入之后主线车道允许汇入的临界密度，如果大于汇入之后主线车道允许汇入的临界密度，执行步骤S7；否则，各控制路段的车辆以对应的最高限速值通行；
S7，对高速公路主线上的各控制路段进行可变限速控制协同变道控制；
S8，控制信息发布至车载提示系统，调控流入下游的流量。
进一步的，所述步骤S1中，控制路段具有两个划分维度，即沿车流方向划分和沿公路宽度方向划分，所述控制路段编号为i,j；
所述沿车流方向划分的路段长度相同，从车流上游到下游的路段依次编号i，
Figure 388644DEST_PATH_IMAGE001
；其中，第N个路段即路段N，入口匝道连接路段N；
在划分的每个路段中，以车道为依据进一步划分车道段单元，从靠路肩车道到内 侧车道依次编号j，
Figure 258380DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步的，所述步骤S1中，路侧单元接收当前主线所有控制路段和入口匝道上通行的所有车辆信息包括位置、速度、所在车道以及是否变道信息，交通控制中心基于接收到的信息以时间T为一个周期对交通状态进行更新统计。
进一步的，所述步骤S2具体为：
S21，通过道路交通运行的历史数据得到瓶颈区的临界密度
Figure 803500DEST_PATH_IMAGE003
，j表示车道编 号， c表示临界，b表示瓶颈区；
S22，通过式（1）根据当前交通数据对下一周期控制路段i,j的交通密度进行预测：
Figure 961949DEST_PATH_IMAGE004
（1）
式中，
Figure 17761DEST_PATH_IMAGE005
为k+1周期内控制路段i,j的交通密度，
Figure 210844DEST_PATH_IMAGE006
为k周期内控制路 段i,j的交通密度，
Figure 661286DEST_PATH_IMAGE007
为k周期内从控制路段i-1,j流入控制路段i,j的流量，
Figure 307031DEST_PATH_IMAGE008
为k周期内从控制路段i,j流入控制路段i+1,j的流量，
Figure 900955DEST_PATH_IMAGE009
为k周期内从控制路段i,j 的相邻车道j-1变道到控制路段i,j的流量，
Figure 457533DEST_PATH_IMAGE010
为k周期内从控制路段i,j的相邻车道j+1变道到控制路段i,j的流量，
Figure 95187DEST_PATH_IMAGE011
为k周期内从控制路段i,j变道到控制路段i,j的 相邻车道j-1的流量；
Figure 713382DEST_PATH_IMAGE012
为k周期内从控制路段i,j变道到控制路段i,j的相邻车道j+ 1的流量，
Figure 94684DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 246049DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 789026DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 330734DEST_PATH_IMAGE012
均为基于交通控制中心（1）获得的预变 道交通量f；
Figure 735302DEST_PATH_IMAGE013
为k周期内从入口匝道汇入主线车道的流量；
其中，
Figure 23064DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 251789DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 375734DEST_PATH_IMAGE016
为k周期内控制路段i-1,j实施的可变限速值，
Figure 98839DEST_PATH_IMAGE017
为k周期内控 制路段i-1,j的交通密度，
Figure 496234DEST_PATH_IMAGE018
为控制路段i,j的容量，
Figure 397325DEST_PATH_IMAGE019
为控制路段i,j反向冲击波的波 速，
Figure 992255DEST_PATH_IMAGE020
为控制路段i,j的阻塞密度；
Figure 768319DEST_PATH_IMAGE021
为k周期内控制路段i,j实施的可变限速值，
Figure 515826DEST_PATH_IMAGE022
为控制路段i+1,j的 容量，
Figure 837086DEST_PATH_IMAGE023
为控制路段i+1,j反向冲击波的波速，
Figure 903000DEST_PATH_IMAGE024
为控制路段i+1,j的阻塞密度，
Figure 499066DEST_PATH_IMAGE025
为k周期内控制路段i+1,j的交通密度；
Figure 835501DEST_PATH_IMAGE013
根据式（2）计算：
Figure 576929DEST_PATH_IMAGE026
（2）
式中，
Figure 146451DEST_PATH_IMAGE027
为入口匝道上车辆的允许的最大速度，
Figure 765782DEST_PATH_IMAGE028
为入口匝道的临界密 度，基于历史数据获得；
S23，当
Figure 205991DEST_PATH_IMAGE029
时，判定瓶颈区将发生拥堵，执行 步骤S3；否则，判定瓶颈区不会发生拥堵，执行步骤S6；其中
Figure 401478DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 927138DEST_PATH_IMAGE031
为所有
Figure 819001DEST_PATH_IMAGE003
的总和，
Figure 113717DEST_PATH_IMAGE032
表示路段N的总密度，即
Figure 931369DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 678745DEST_PATH_IMAGE034
为k+1周期内控制路段N,j的交通密度。
进一步的，所述步骤S3具体为：
S31，预测k+1周期内入口匝道的交通密度
Figure 639879DEST_PATH_IMAGE035
，k为当前周期；
交通控制中心根据k周期的入口匝道检测路段的交通量、车辆的平均速度，以及入 口匝道检测路段上游的交通量、车辆的平均速度，根据公式（1）的原理预测出k+1周期入口 匝道检测路段的交通密度
Figure 100685DEST_PATH_IMAGE035
；
S32，当
Figure 902288DEST_PATH_IMAGE036
时，判定入口匝道将汇入主线车道的交通需求过大， 此时执行步骤S4；否则，判定入口匝道将汇入主线车道的交通需求未过大，直接汇入，执行 步骤S5。
进一步的，所述步骤S4具体为：
S41：根据式（3）计算周期内允许汇入主线车道的最大车辆数：
Figure 950009DEST_PATH_IMAGE037
（3）
式中，
Figure 213369DEST_PATH_IMAGE038
为k周期内从入口匝道汇入主线车道的车辆数，
Figure 498988DEST_PATH_IMAGE013
为k周期内从 入口匝道汇入主线车道的流量，T为k周期的控制时长；
S42：控制跟随在允许汇入车辆中的尾车减速，并让将汇入的车辆保持以入口匝道上最大速度通行，到加速车道上快速加速到最外侧车道上，按照可变限速值进行汇流，使得以临界交通流汇入。
进一步的，所述步骤S5中，汇入之后主线车道允许汇入的临界密度根据式（4）计算：
Figure 674755DEST_PATH_IMAGE039
（4）
根据式（3）、（2）可知
Figure 776484DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 813841DEST_PATH_IMAGE041
（5）
式中，
Figure 937655DEST_PATH_IMAGE042
为高速公路主线上允许汇入控制路段N,j的临界密度，
Figure 2432DEST_PATH_IMAGE043
为总的临 界密度，
Figure 477275DEST_PATH_IMAGE038
为周期内从入口匝道汇入主线车道的车辆数；
Figure 52744DEST_PATH_IMAGE044
为临界密度的控制系 数，
Figure 31064DEST_PATH_IMAGE045
为路段N的长度。
进一步的，所述步骤S7中主线可变限速控制：
瓶颈区上游主线的各控制路段i,j的可变限速控制，按照式（6）进行：
Figure 283054DEST_PATH_IMAGE046
（6）
式中，
Figure 228882DEST_PATH_IMAGE047
为周期k+1内控制路段i,j实施的可变限速值，
Figure 591731DEST_PATH_IMAGE021
为周 期k内控制路段i,j实施的可变限速值，
Figure 706448DEST_PATH_IMAGE048
为控制算法的积分增益，
Figure 394919DEST_PATH_IMAGE042
为高速公路主线 上允许汇入控制路段N,j的临界密度，
Figure 562464DEST_PATH_IMAGE005
为预测到的周期k+1内控制路段i,j的交 通密度；其中，瓶颈区内的车辆分别以对应车道所允许的最大速度通行；
主线所述变道控制：
交通控制中心基于路段1上游车辆中预变道交通量f，以及各控制路段满足车辆变 道的车头间距，以变道车辆在沿车流方向划分的N个路段均等分配为原则，则每个路段的变 道流量均为
Figure 729003DEST_PATH_IMAGE049
，将变道信息发布发送至路侧单元，再由路侧单元发送到目标车辆的车载提 示系统，输出向左变道或向右变道的信号，剩余预变道车辆直行到下一路段继续执行变道 控制，直到所有需变道车辆完成变道。
进一步的，所述各控制路段在满足车辆变道条件下，在周期k+1内变道车辆预变道 至目标车道上前后相邻两车的最小车头间距
Figure 681915DEST_PATH_IMAGE050
，根据式（7）计算：
Figure 292019DEST_PATH_IMAGE051
（7）
式中，
Figure 963172DEST_PATH_IMAGE052
为驾驶员平均制动反应时间，
Figure 442389DEST_PATH_IMAGE047
为周期k+1内控制路段i,j实 施的可变限速值，S为车辆静止时前后两车的固定安全间距，L为车辆车身的长度，控制同一 控制路段内横向相邻两车道单元的可变限速差值不超过40km/h。
本发明的有益效果是：
（1）与现有可变限速控制相比，本发明实施例将宏观上可变限速控制和微观上的变道控制协同起来，有效解决了车辆变道对可变限速的影响，提高了可变限速控制效果的稳定性、鲁棒性。
（2）瓶颈区的集中变道行为是造成瓶颈区通行能力下降的重要原因，本发明实施例通过将可变限速控制和变道控制相结合，通过向上游的车辆提供合理的变道信号，使绝大部分的变道车辆在远离瓶颈区提前变道，能有效减少瓶颈区附近的集中变道行为造成的交通拥挤进而产生的车辆排队和速度震荡现象，保证瓶颈区的交通流量最大化，显著的降低了容量下降的现象，从而提高通行效率，降低车辆追尾风险。
（3）本发明实施例针对不同类型的车辆分车道通行的实际情况，根据不同车道的最高限速要求进行分车道的可变限速控制，能够有效适用于高速公路上不同车辆分车道通行的情况，改善了高速公路混合交通流通行状况，具有重要的工程运用价值。
（4）本发明实施例基于车路协同技术，将车辆、路侧单元和交通控制中心有效协同，准确高效的获取道路交通数据，并对道路交通状态进行预测；此外，相比于现有可变信息板，交通控制中心将控制信息直接发送至车辆的车载提示系统，使驾驶员更容易发现并遵守发布的控制信息，可操作性更强。
（5）对环境效益的改善。本发明实施例提出的可变限速和变道协同的方法可以降低燃油消耗和尾气的排放，主要成两个方面体现：第一，它最大化了瓶颈区的通行效率，减少了车辆的行驶时间，降低了交通拥堵带来的污染物排放水平；第二，它消除了集中变道的现象，平滑了交通流，有效的抑制了车辆频繁的加速和减速，从而减少了车辆在这些瞬间状态下增加的排放水平。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明实施例高速公路含有入口匝道瓶颈路段综合管控流程图。
图2是本发明实施例高速公路含有入口匝道瓶颈路段车路协同综合管控示意图。
图3是本发明实施例可变限速和变道控制协同管控下交通流流向示意图。
图4是本发明实施例目标车道上具有满足安全变道的车头间距下车辆变道图。
其中，1.交通控制中心，2.路侧单元，3.可通信车辆，4.瓶颈区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
实施例1，
一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，如图1所示，具体按照以下步骤进行：
S1：布设路侧单元2，路侧单元2沿路侧纵向布设，相邻两个路侧单元间距为50m；将含有入口匝道的高速公路路段划分为若干个控制路段，入口匝道下游的主线车道为瓶颈区4；路侧单元2接收当前主线所有控制路段和入口匝道上通行的所有车辆（即可通信车辆3）的信息，并发送至交通控制中心1。
S11：如图2所示，控制路段具有两个划分维度，即沿车流方向划分和沿公路宽度方 向划分；将含有入口匝道的高速公路段沿车流方向划分成若干个长度均为l的路段，从车流 上游到下游的路段依次编号i，
Figure 797279DEST_PATH_IMAGE001
；其中，第N个路段即路段N，入口匝道连接路段N；在一些实施例中，l取0.5km或1km；
S12：在划分的每个路段中，以车道为依据进一步划分车道段单元，从靠路肩车道 （慢车道）到内侧车道（快车道）依次编号j，
Figure 93131DEST_PATH_IMAGE002
；各控制路段编号为i,j，比如，控 制路段1,1表示第1个路段的第1车道（慢车道）；
S13：路侧单元2接收当前主线所有控制路段和入口匝道上通行的所有车辆的信息包括位置、速度、所在车道以及是否变道信息，交通控制中心1基于接收到的信息计算得到各控制路段和入口匝道当前的车辆密度、流量、平均车速和变道车辆数，并以时间T为一个周期对交通状态进行更新统计；在一些实施例中时间T取30s或60s。
S2，预测高速公路瓶颈路段下一周期是否将会发生交通拥挤。
S21，通过道路交通运行的历史数据得到主线各控制路段i,j的临界密度
Figure 32006DEST_PATH_IMAGE053
以 及瓶颈区4的临界密度
Figure 540347DEST_PATH_IMAGE003
，瓶颈区4位于路段N的下游；其中下标j表示车道编号，c表示临 界，b表示瓶颈区4；
S22，通过式（1）根据当前收集的交通数据对下一周期控制路段i,j的交通密度进行预测，能适用于不同车道的不同交通状态，并体现出车辆的变道行为对交通流的影响；
Figure 953005DEST_PATH_IMAGE004
（1）
式中，
Figure 154179DEST_PATH_IMAGE005
为k+1周期内控制路段i,j的交通密度，
Figure 783613DEST_PATH_IMAGE006
为k周期内控制路 段i,j的交通密度，
Figure 361225DEST_PATH_IMAGE007
为k周期内从控制路段i-1,j流入控制路段i,j的流量，
Figure 628389DEST_PATH_IMAGE008
为k周期内从控制路段i,j流入控制路段i+1,j的流量，
Figure 734885DEST_PATH_IMAGE009
为k周期内从控制路段i,j 的相邻车道j-1变道到控制路段i,j的流量，
Figure 867926DEST_PATH_IMAGE010
为k周期内从控制路段i,j的相邻车道j+1变道到控制路段i,j的流量，
Figure 967338DEST_PATH_IMAGE011
为k周期内从控制路段i,j变道到控制路段i,j的 相邻车道j-1的流量；
Figure 603856DEST_PATH_IMAGE012
为k周期内从控制路段i,j变道到控制路段i,j的相邻车道j+ 1的流量，
Figure 631986DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 252323DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 640579DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 386730DEST_PATH_IMAGE012
均为基于交通控制中心（1）获得的预变 道交通量f；根据变道控制计算得到k周期内路段i中最佳的变道交通量而得到；即在车路协 同下，交通控制中心统计周期内的预变道车辆数，然后在进行分配。
其中，
Figure 366188DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 958974DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 416500DEST_PATH_IMAGE016
为k周期内路段i-1中车道j（控制路段i-1,j）实施的可变限速值，
Figure 276878DEST_PATH_IMAGE017
为k周期内控制路段i-1,j的交通密度，
Figure 161657DEST_PATH_IMAGE018
为控制路段i,j的容量，
Figure 976161DEST_PATH_IMAGE019
为控制 路段i,j上反向冲击波的波速，
Figure 502957DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 217841DEST_PATH_IMAGE018
为控制路段i,j的容量，
Figure 7942DEST_PATH_IMAGE020
为控制路段i,j的阻塞密度，
Figure 559009DEST_PATH_IMAGE053
为控制路段i,j的临界密度；
Figure 109071DEST_PATH_IMAGE020
为控制路段i,j的阻 塞密度，
Figure 694773DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 436201DEST_PATH_IMAGE056
为控制路段i,j的长度，L为车辆车身的长度，S为车辆静止时 相邻两车的固定安全间距，阻塞密度是指道路上车辆速度接近或等于0，车辆无法通行时所 对应的密度。
Figure 474565DEST_PATH_IMAGE013
为k周期内从入口匝道汇入主线车道1的流量，
Figure 562737DEST_PATH_IMAGE013
根据式（2）计算：
Figure 268525DEST_PATH_IMAGE026
（2）
式中，
Figure 667275DEST_PATH_IMAGE013
为k周期内从入口匝道汇入主线车道的流量，
Figure 458514DEST_PATH_IMAGE027
为入口匝道上车 辆的允许的最大速度，一般取40km/h，
Figure 334066DEST_PATH_IMAGE028
为入口匝道的临界密度，基于历史数据获得。
S23，将预测得到的k+1周期内路段N的交通密度
Figure 379513DEST_PATH_IMAGE034
与瓶颈区4内车道j的 临界密度
Figure 213477DEST_PATH_IMAGE003
比较；由于j＞1，
Figure 210121DEST_PATH_IMAGE034
为一组数据，分别与瓶颈区4对应车道的临界 密度
Figure 889364DEST_PATH_IMAGE003
进行比较。如果有三个车道，
Figure 38585DEST_PATH_IMAGE034
包括路段N中车道1、2、3的交通密度，即
Figure 794183DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 28855DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 88953DEST_PATH_IMAGE059
，分别与
Figure 374572DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 284759DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure 521574DEST_PATH_IMAGE062
比较。
Figure 542620DEST_PATH_IMAGE003
的值是根据历史交通数据获得的，存储于交通控制中心1。车辆在瓶颈区4的 各个车道上按对应车道所允许的最大速度行驶，并使对应车道通行能力达到最大时的交通 密度即为
Figure 151587DEST_PATH_IMAGE003
。
当
Figure 498254DEST_PATH_IMAGE029
时，判定瓶颈区将发生拥堵，执行步骤 S3；否则，判定瓶颈区不会发生拥堵，执行步骤S6；
Figure 759383DEST_PATH_IMAGE032
表示路段N的总密度，即
Figure 115278DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 641069DEST_PATH_IMAGE031
表示瓶颈 路段的临界密度，
Figure 673485DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 651936DEST_PATH_IMAGE031
为所有
Figure 811522DEST_PATH_IMAGE003
的总和。
交通拥挤的判断条件有两种情况：第一种为路段N中有些车道交通密度超过了临界值，但有些车道的密度没有超过临界值，且路段N的总密度没有超过瓶颈区总的临界密度，此时有些车道会发生交通拥挤，但整个路段N并没有发生拥挤；第二种为路段N的总密度超过了瓶颈区4总的临界密度，则整个路段会发生拥挤。
假设路段N中有三条车道1、2、3。第一种情况下，比如车道1的密度大于瓶颈区4对 应车道的临界密度，即
Figure 424775DEST_PATH_IMAGE063
，但第2和第3条车道的密度没有超过瓶颈区4对 应车道的临界密度，即
Figure 847666DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 47834DEST_PATH_IMAGE065
，且
Figure 479953DEST_PATH_IMAGE066
，则仅 车道1会发生拥挤；第二种情况为
Figure 416553DEST_PATH_IMAGE067
，则整个路段N所有车道都会发生交通拥堵， 及路段N会发生交通拥堵；这两种情况都会被视为引发瓶颈区拥堵的条件。
S3，判断下一周期内入口匝道的交通密度是否大于入口匝道上所允许汇入的临界密度；
S31，预测k+1周期内入口匝道的交通密度
Figure 10346DEST_PATH_IMAGE035
，k为当前周期；
交通控制中心1根据k周期的入口匝道检测路段的交通量、车辆的平均速度，以及 入口匝道检测路段上游的交通量、车辆的平均速度，根据公式（1）的原理通过宏观交通预测 模型（Cell Transmission Model）预测出k+1周期入口匝道检测路段的交通密度
Figure 432231DEST_PATH_IMAGE035
；入口匝道上的所有车辆将其实时的位置、速度信息发送至路侧单元2，再由路 侧单元2发布至交通控制中心1，交通控制中心1对入口匝道下游的最后一个路侧单元2和距 离其1km远的上游的路侧单元2之间的路段作为检测路段，对检测路段上的交通密度进行周 期性的预测，交通控制中心1通过当前周期检测路段的交通量、车辆的平均速度，以及检测 路段上游的交通量、车辆的平均速度，基于宏观交通预测模型预测出下一周期入口匝道检 测段上的交通密度
Figure 402461DEST_PATH_IMAGE035
。
S32，当
Figure 209880DEST_PATH_IMAGE036
时，判定入口匝道将汇入主线车道的交通需求过大， 此时执行步骤S4；否则，判定入口匝道将汇入主线车道的交通需求未过大，直接汇入，并执 行步骤S5；
S4，对当前周期内入口匝道上的车辆实施速度控制，以保证下一周期从入口匝道汇入主线车道的交通流保持以临界交通流汇入；
S41：根据式（3）计算k周期内允许汇入主线车道的最大车辆数：
Figure 483561DEST_PATH_IMAGE037
（3）
式中，
Figure 642010DEST_PATH_IMAGE038
为k周期内从入口匝道汇入主线车道的车辆数，
Figure 901084DEST_PATH_IMAGE013
为k周期内从 入口匝道汇入主线车道的流量，T为k周期的控制时长；
S42：控制跟随在允许汇入车辆中的尾车减速，并控制将汇入的车辆保持以入口匝道上最大速度通行，到加速车道上快速加速到最外侧车道上，按照可变限速值进行汇流，实现以临界交通流汇入。
S5，确定汇入之后主线车道允许汇入的临界密度；此处为了减小入口匝道汇入主 线的车道多次变道而对交通流运行产生影响，所以让入口匝道车辆变道到主线车道1上后， 不再产生变道至车道2、3上的变道行为。所以，入口匝道允许汇入主线的临界密度
Figure 563010DEST_PATH_IMAGE028
只 对主线能够流入路段N中车道1的临界密度
Figure 13451DEST_PATH_IMAGE068
产生影响，对
Figure 393617DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure 705650DEST_PATH_IMAGE070
没有影响。
高速公路主线能够流入路段N中各车道的临界密度
Figure 238393DEST_PATH_IMAGE042
和总的临界密度
Figure 344890DEST_PATH_IMAGE043
， 计算方法为：
Figure 727198DEST_PATH_IMAGE039
（4）
根据式（3）、（2）可知
Figure 842922DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 230172DEST_PATH_IMAGE041
（5）
式中，
Figure 507570DEST_PATH_IMAGE042
为高速公路主线车道上允许汇入路段N中车道j（即控制路段N,j）的 临界密度，
Figure 862328DEST_PATH_IMAGE003
为瓶颈区4内车道j的临界密度，
Figure 765430DEST_PATH_IMAGE038
为k周期内从入口匝道汇入主线 车道的车辆数；
Figure 522034DEST_PATH_IMAGE044
为临界密度的控制系数，取0.95，l N 为路段N的长度。
S6，判断高速公路主线上各控制路段在周期k+1内的交通密度是否大于高速公路 主线车道上允许汇入路段N中车道j（即控制路段N,j）的临界密度
Figure 721065DEST_PATH_IMAGE042
；如果大于，执行步 骤S7；如果不大于，各控制路段的车辆以对应的最高限速值通行；
当满足或
Figure 828698DEST_PATH_IMAGE071
时，判定瓶颈区将会发生交通拥 挤，否则判定瓶颈区将不会发生交通拥挤；
Figure 275772DEST_PATH_IMAGE072
表示路段i的总密度，
Figure 621303DEST_PATH_IMAGE073
。
S7，对高速公路主线上的各控制路段进行可变限速控制协同变道控制；
主线可变限速控制：
瓶颈区4上游主线的各控制路段i,j的可变限速控制，按照式（6）进行：
Figure 506082DEST_PATH_IMAGE046
（6）
式中，
Figure 586165DEST_PATH_IMAGE047
为周期k+1内控制路段i,j实施的可变限速值，
Figure 581803DEST_PATH_IMAGE021
为周 期k内控制路段i,j实施的可变限速值，K I 为控制算法的积分增益，取值为2；
Figure 31108DEST_PATH_IMAGE042
为高速 公路主线上允许汇入控制路段N,j的临界密度，
Figure 352368DEST_PATH_IMAGE005
为预测到的周期k+1内控制路段i,j的交通密度。周期k内路段i中各车道实施的可变限速值是经过交通控制中心1计算获 得，并将可变限速值发送给路侧单元2，再由路侧单元2发布至车辆的车载提示系统，因此默 认路侧单元2和交通控制中心1中已储存周期k内路段i中各车道实施的可变限速值的。第一 个周期控制路段i,j内的可变限速值默认为其所允许的行驶的最大速度，即控制路段i,1的 速度为80km/h、控制路段i,2的速度为100km/h、控制路段i,3的速度为120km/h。
其中，瓶颈区4内车道j上的车辆分别以对应车道所允许的最大速度通行，以达到尽快清空的效果。
为了保证行车安全性和舒适性，可变限速值的变化不宜过大，因此作如下限制：
对于实施速度限制的同一个车道段相邻两个控制周期的限速值差值不超过10km/h；
对于纵向相邻的两个实施速度控制的车道段在同一周期的限速值差值不超过10km/h；
对于计算到的可变限速值在发布时，以最接近5km/h的整数倍的数值发布，考虑到高速公路实际情况，可变限速值最低为40km/h，最高限速值为120km/h。
实际车道段单元上交通流运行的平均速度与本实施例所提出的可变限速和变道控制相结合的方法所发布的理论可变限速值必定会存在误差，为了保证实时预测获得的控制段i,j交通密度，使其接近或等于控制段i,j的临界密度，从而保证通行效率的最大化，所得到的可变限速值是基于预测的交通密度和临界交通密度两者的差值（即控制器的控制误差），采用积分反馈控制器（式中的K I 即为积分反馈控制器的积分增益）区尽可能的消除误差带来的影响。
主线变道控制：
交通控制中心1基于路段1上游车辆中预变道交通量f，以及各控制路段满足车辆 变道的车头间距，以变道车辆在沿车流方向划分的N个路段均等分配为原则，则每个路段的 变道流量均为
Figure 903435DEST_PATH_IMAGE049
，将变道信息发布发送至路侧单元2，再由路侧单元2发送到目标车辆的车 载提示系统，输出向左变道或向右变道的信号，剩余预变道车辆直行到下一路段继续执行 变道控制，直到所有需变道车辆完成变道。
其中，路段1上游车辆中预变道交通量f，即指在一个周期的时间内，从路段1上游，即将流入路段1的交通量中，有变道意图的交通量的大小。
各控制路段在满足车辆变道条件下，在周期k+1内变道车辆预变道至目标车道上 前后相邻两车的最小车头间距
Figure 187917DEST_PATH_IMAGE050
，根据式（7）计算：
Figure 773619DEST_PATH_IMAGE051
（7）
式中，
Figure 249468DEST_PATH_IMAGE052
为驾驶员平均制动反应时间，取值为1.85s，
Figure 287831DEST_PATH_IMAGE047
为周期k+1内 控制路段i,j实施的可变限速值，S为车辆静止时前后两车的固定安全间距，取值为2m，L为 车辆车身的长度，以轿车为标准，取值参考《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值（GB1589- 2016）》；为了保证车辆在进行变道过程中的安全性，控制同一控制路段内横向相邻两车道 单元的可变限速差值不超过40km/h。
S8，控制信息发布至车载提示系统，调控流入下游的流量。
瓶颈区4通行能力下降对可变限速的实施会产生负面的影响，因为可变限速的作用是控制上游交通量，使其维持在瓶颈的最大通行能力附近，从而最大化交通通行效率，但当瓶颈区出现通行能力下降时，那么可变限速便无法最大化瓶颈区的交通通行效率，而车辆的集中变道行为是导致通行能力下降的主要原因。
本发明实施例中交通控制中心1基于车道段内的交通密度计算出其对应的可变限速值，而在对交通密度的计算中，考虑了通过变道控制形成的变道交通量，因此交通控制中心所计算出的可变限速值考虑了变道控制下的变道交通量。同时，在对应车道段单元的限速值下，基于变道控制获得的应在该车道段单元进行变道的所有车辆，都将会尽可能的被分配到可变道的安全车间距，让变道车辆在该车道段单元全部完成变道。此外，通过变道控制，将总的变道需求尽可能的均匀分配到所有的控制路段上，能有效减少在某一路段或部分路段的集中变道对交通流的干扰，避免频繁的加减速，提高了交通流运行的效率，降低了车辆碰撞的事故风险；能够有效提高车辆变道的成功率，尽可能的减少车辆变道失败的情况，保证了可变限速实施的效果，提高了可变限速的稳定性。通过尽可能的让变道车辆均匀分布在所有路段中，还能有效减少以下问题：某一车辆在含有出口匝道的路段上，想要进入出口匝道，驶离高速公路，但因大量的变道行为无法发现可供变道的车间距，被迫直行，从而错过出口匝道。
实施例2，
如图2所示，有一条含有入口匝道的高速公路路段，其主线为双向六车道（单向三车道），将含有入口匝道的高速公路段划分成10个长度为1km的相同路段，编号1到10，即N等于10；每一路段按车道划分，从外车道至内车道依次编号1到3，即J等于3；路侧单元每50m布设一个；
假设基于历史数据得到每条车道的最大通行能力为1800veh/h，车道1、2、3的最高 限速分别为80、100、120km/h，临界密度分别为23、18、15veh/km/ln（辆/每千米/每车道），即
Figure 376004DEST_PATH_IMAGE074
=23 veh/km/ln，
Figure 816213DEST_PATH_IMAGE075
=18 veh/km/ln，
Figure 948117DEST_PATH_IMAGE076
=15veh/km/ln；路段1（i=1）的第一车 道的临界密度与路段N（i=N）的第一车道的临界密度相同。
入口匝道的临界密度
Figure 988623DEST_PATH_IMAGE028
为18veh/km/ln，最高限速40km/h。路侧单元2收集到当 前周期入口匝道交通密度
Figure 864175DEST_PATH_IMAGE077
为22veh/km/ln，即将流入路段1中车道1~3流量分别为 1550、1750、1900veh/h，对应公式（1）中
Figure 909623DEST_PATH_IMAGE007
，i=1。
其中，预变道交通量为270veh/h，对应公式（1）中
Figure 478007DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 23387DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 968210DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 399322DEST_PATH_IMAGE012
；将270veh/h的变道交通量均匀分配到这10个变道控制段上，即分配后路段1至路 段10分别分配到27veh/h的变道交通量，然后路段1中从车道1变道到车道2、从车道2变道到 车道3、从车道3变道到车道2、从车道2变道到车道1的流量和为27veh/h；图3中r表示入口匝 道的汇入流量。
其他交通数据如表1所示：
表1 各路段内各车道交通状态采集数据表
Figure 138608DEST_PATH_IMAGE078
根据式（1）预测下一周期k+1时路段内各车道上的交通密度：
Figure 888127DEST_PATH_IMAGE079
Figure 105482DEST_PATH_IMAGE080
Figure 374789DEST_PATH_IMAGE081
将预测得到的k+1周期内路段10的交通密度
Figure 770130DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 757677DEST_PATH_IMAGE083
、
Figure 293570DEST_PATH_IMAGE084
分别与瓶颈区4的临界密度
Figure 214121DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 311521DEST_PATH_IMAGE085
、
Figure 520786DEST_PATH_IMAGE086
比较。
由实施例1的S3的判断条件可知将发生拥堵，且当前周期入口匝道密度
Figure 594790DEST_PATH_IMAGE077
为 22veh/km/ln，入口匝道上的汇入临界密度
Figure 573110DEST_PATH_IMAGE028
为18veh/km/ln，由于
Figure 575832DEST_PATH_IMAGE077
过大，入口 匝道启动速度控制，控制汇入量并根据式（2）-（3）计算时间T内汇入车辆数：
Figure 537972DEST_PATH_IMAGE087
交通控制中心1对第7辆车进行速度控制使其减速，前6辆车则以最大速度40km/h汇入。
计算k+1周期内路段各车道允许汇入上游主线车辆汇入的临界密度为：
Figure 900820DEST_PATH_IMAGE088
Figure 988774DEST_PATH_IMAGE089
可得在k+1时刻各车道段的密度（veh/km/ln）如表2：
表2 预测下一时刻各路段内各车道上的交通密度
Figure 677244DEST_PATH_IMAGE090
如图4所示，控制中心对车辆进行变道控制，检测到满足变道的最小车头间距后发 送给变道车辆，如路段1中车道1上应该满足车道2上车辆变道至车道1上要的最小车头间距 应满足：
Figure 611833DEST_PATH_IMAGE091
，根据路段1到路段10各段将有 27veh/h的变道需求；计算各路段上各车道对应的限速值，如路段1车道1上的限速值为：
Figure 778373DEST_PATH_IMAGE092
各段在周期k+1内的限速值（km/h）见下表3：
表3 下一时刻各路段各车道上的可变限速值
Figure 980553DEST_PATH_IMAGE093
可知实施速度控制后车道1到车道3流入瓶颈的交通量分别为1774veh/h，1805veh/h，1807veh/h，均维持在瓶颈最大流量1800veh/h附近，从而可以有效的消除瓶颈区排队现象，最大化瓶颈区的通行效率。
交通控制中心1将各路段中各车道的可变限速值和各路段上的变道信息发布至对应车辆的车载提示系统，如图4所示，并进入下一周期。本发明实施例将可变限速控制和微观上的变道控制协同控制，可变限速通过调节主线流入下游的交通量，能够有效避免高交通需求下，瓶颈区4发生交通拥堵和入口匝道车辆无法汇流的情况，变道控制则能够避免因主线交通需求过大和车辆集中在瓶颈附近集中变道而产生的交通拥挤和事故风险，弥补单一控制的不足，提高了控制方法的鲁棒性，同时协同控制方法有利于卡车和小汽车等不同车型分车道的实际情况；此外分车道的可变限速能够有效适应高速公路上不同类型车辆分车道通行的实际情况。
本申请实施例在对入口匝道汇入主线流量的调节方法上，采用速度控制的方法代替传统的红绿灯控制，尽可能的保证入口匝道上的车辆能够不停车的汇入主线，避免了匝道车辆停车等待，缓解匝道车辆因过高的加减速而产生较大的交通震荡和尾气排放（加减速变化过大是增加尾气排放的重要原因）。
近年来随着物联网、大数据、无线通信、传感技术的快速发展，车路协同技术为实施有效的道路综合交通管控技术带来了新方向。本申请实施例的控制方法与车路协同技术相结合，车路协同技术对交通数据的处理计算层面包括车载计算单元（位于车辆上）、路侧边缘计算单元（位于路侧单元上）和云计算单元（位于交通控制中心），三个层面的计算单元有效协同的处理道路上复杂、庞大的交通数据，以保在极短的时间内实现高效的数据处理；变道车辆将其变道意图和规划行驶的路线等信息发送至交通控制中心1，交通控制中心1根据这些变道车辆需要变道的紧急程度，进行分配；通过无线通信将车、路侧设施和交通控制中心信息协同交互，实现信息的实时共享和车辆的有效控制，从而形成安全、高效和环保的智能道路交通系统，能够有效提高交通状态数据采集的精度和实现对车辆的高效控制，改善高速公路交通管控的效果，对改善高速公路的拥挤、提高通行效率有着显著的工程应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
S1：布设路侧单元（2），将含有入口匝道的高速公路路段划分为若干个控制路段，入口匝道下游的主线车道为瓶颈区（4）；路侧单元（2）接收当前主线所有控制路段和入口匝道上通行的所有车辆的信息，并发送至交通控制中心（1）；
S2：判断下一周期内连接入口匝道的控制路段的交通密度与瓶颈区（4）临界密度的大小，如果大于瓶颈区（4）临界密度，预测瓶颈区（4）下一周期将发生交通拥挤，执行步骤S3；否则，执行步骤S6；
S3，判断下一周期内入口匝道的交通密度是否大于入口匝道上所允许汇入的临界密度，如果大于入口匝道上所允许汇入的临界密度，执行步骤S4；否则，直接汇入并执行步骤S5；
S4，对当前周期内入口匝道上的车辆实施速度控制，使得下一周期从入口匝道汇入主线车道的交通流保持以临界交通流汇入；
S5，确定汇入之后主线车道允许汇入的临界密度；
S6，判断高速公路主线上各控制路段在下一周期内的交通密度是否大于汇入之后主线车道允许汇入的临界密度，如果大于汇入之后主线车道允许汇入的临界密度，执行步骤S7；否则，各控制路段的车辆以对应的最高限速值通行；
S7，对高速公路主线上的各控制路段进行可变限速控制协同变道控制；
S8，控制信息发布至车载提示系统，调控流入下游的流量。
2.根据权利要求1所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，控制路段具有两个划分维度，即沿车流方向划分和沿公路宽度方向划分，所述控制路段编号为i,j；
所述沿车流方向划分的路段长度相同，从车流上游到下游的路段依次编号i，
Figure 873443DEST_PATH_IMAGE001
；其中，第N个路段即路段N，入口匝道连接路段N；
在划分的每个路段中，以车道为依据进一步划分车道段单元，从靠路肩车道到内侧车 道依次编号j，
Figure 843673DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求1所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，路侧单元（2）接收当前主线所有控制路段和入口匝道上通行的所有车辆的信息包括位置、速度、所在车道以及是否变道信息，交通控制中心（1）基于接收到的信息以时间T为一个周期对交通状态进行更新统计。
4.根据权利要求2所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S21，通过道路交通运行的历史数据得到瓶颈区（4）的临界密度
Figure 691238DEST_PATH_IMAGE003
，j表示车道编号，c表示临界，b表示瓶颈区（4）；
S22，通过式（1）根据当前交通数据对下一周期控制路段i,j的交通密度进行预测：
Figure 472243DEST_PATH_IMAGE004
（1）
式中，
Figure 161850DEST_PATH_IMAGE005
为k+1周期内控制路段i,j的交通密度，
Figure 653880DEST_PATH_IMAGE006
为k周期内控制路段i, j的交通密度，
Figure 846964DEST_PATH_IMAGE007
为k周期内从控制路段i-1,j流入控制路段i,j的流量，
Figure 533292DEST_PATH_IMAGE008
为k周 期内从控制路段i,j流入控制路段i+1,j的流量，
Figure 913457DEST_PATH_IMAGE009
为k周期内从控制路段i,j的相邻 车道j-1变道到控制路段i,j的流量，
Figure 959911DEST_PATH_IMAGE010
为k周期内从控制路段i,j的相邻车道j+1变 道到控制路段i,j的流量，
Figure 991190DEST_PATH_IMAGE011
为k周期内从控制路段i,j变道到控制路段i,j的相邻车 道j-1的流量；
Figure 97686DEST_PATH_IMAGE012
为k周期内从控制路段i,j变道到控制路段i,j的相邻车道j+1的流 量，
Figure 981459DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 831604DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 468121DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 260366DEST_PATH_IMAGE012
均为基于交通控制中心（1）获得的预变道交通 量f；
Figure 615124DEST_PATH_IMAGE013
为k周期内从入口匝道汇入主线车道的流量；
其中，
Figure 19691DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 510716DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 479721DEST_PATH_IMAGE016
为k周期内控制路段i-1,j实施的可变限速值，
Figure 587354DEST_PATH_IMAGE017
为k周期内控制路 段i-1,j的交通密度，
Figure 795613DEST_PATH_IMAGE018
为控制路段i,j的容量，
Figure 141143DEST_PATH_IMAGE019
为控制路段i,j反向冲击波的波速，
Figure 25923DEST_PATH_IMAGE020
为控制路段i,j的阻塞密度；
Figure 338961DEST_PATH_IMAGE021
为k周期内控制路段i,j实施的可变限速值，
Figure 334599DEST_PATH_IMAGE022
为控制路段i+1,j的容量，
Figure 550948DEST_PATH_IMAGE023
为控制路段i+1,j反向冲击波的波速，
Figure 606629DEST_PATH_IMAGE024
为控制路段i+1,j的阻塞密度，
Figure 892116DEST_PATH_IMAGE025
为k周期内控制路段i+1,j的交通密度；
Figure 206292DEST_PATH_IMAGE013
根据式（2）计算：
Figure 526415DEST_PATH_IMAGE026
（2）
式中，
Figure 238150DEST_PATH_IMAGE027
为入口匝道上车辆的允许的最大速度，
Figure 542092DEST_PATH_IMAGE028
为入口匝道的临界密度， 基于历史数据获得；
S23，当
Figure 394380DEST_PATH_IMAGE029
时，判定瓶颈区（4）将发生拥堵，执行步 骤S3；否则，判定瓶颈区（4）不会发生拥堵，执行步骤S6；其中
Figure 569009DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 966492DEST_PATH_IMAGE031
为所有
Figure 242884DEST_PATH_IMAGE003
的总和，
Figure 384015DEST_PATH_IMAGE032
表示路段N的总密度，即
Figure 945576DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 513961DEST_PATH_IMAGE034
为k+1周期内控制路段N,j的交通密度。
5.根据权利要求4所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S31，预测k+1周期内入口匝道的交通密度
Figure 277649DEST_PATH_IMAGE035
，k为当前周期；
交通控制中心（1）根据k周期的入口匝道检测路段的交通量、车辆的平均速度，以及入 口匝道检测路段上游的交通量、车辆的平均速度，预测出k+1周期入口匝道检测路段的交通 密度
Figure 956892DEST_PATH_IMAGE035
；
S32，当
Figure 106113DEST_PATH_IMAGE036
时，判定入口匝道将汇入主线车道的交通需求过大，此时 执行步骤S4；否则，判定入口匝道将汇入主线车道的交通需求未过大，直接汇入，执行步骤 S5。
6.根据权利要求4所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S41：根据式（3）计算k周期内允许汇入主线车道的最大车辆数：
Figure 94667DEST_PATH_IMAGE037
（3）
式中，
Figure 329339DEST_PATH_IMAGE038
为k周期内从入口匝道汇入主线车道的车辆数，
Figure 563005DEST_PATH_IMAGE013
为k周期内从入口 匝道汇入主线车道的流量，T为k周期的控制时长；
S42：控制跟随在允许汇入车辆中的尾车减速，并让将汇入的车辆保持以入口匝道上最大速度通行，到加速车道上快速加速到最外侧车道上，按照可变限速值进行汇流，使得以临界交通流汇入。
7.根据权利要求6所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，汇入之后主线车道允许汇入的临界密度根据式（4）计算：
Figure 832313DEST_PATH_IMAGE039
（4）
根据式（3）、（2）可知
Figure 742500DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 713736DEST_PATH_IMAGE041
（5）
式中，
Figure 734781DEST_PATH_IMAGE042
为高速公路主线上允许汇入控制路段N,j的临界密度，
Figure 874907DEST_PATH_IMAGE043
为总的临界密 度，
Figure 955995DEST_PATH_IMAGE038
为k周期内从入口匝道汇入主线车道的车辆数；
Figure 899680DEST_PATH_IMAGE044
为临界密度的控制系数，
Figure 239264DEST_PATH_IMAGE045
为路段N的长度。
8.根据权利要求4所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特征在于，所述步骤S7中主线可变限速控制：
瓶颈区（4）上游主线的各控制路段i,j的可变限速控制，按照式（6）进行：
Figure 483163DEST_PATH_IMAGE046
（6）
式中，
Figure 751465DEST_PATH_IMAGE047
为周期k+1内控制路段i,j实施的可变限速值，
Figure 448025DEST_PATH_IMAGE021
为周期k内 控制路段i,j实施的可变限速值，
Figure 862738DEST_PATH_IMAGE048
为控制算法的积分增益，
Figure 711877DEST_PATH_IMAGE042
为高速公路主线上允 许汇入控制路段N,j的临界密度，
Figure 400347DEST_PATH_IMAGE005
为预测到的周期k+1内控制路段i,j的交通密 度；其中，瓶颈区（4）内的车辆分别以对应车道所允许的最大速度通行；
主线所述变道控制：
交通控制中心（1）基于路段1上游车辆中预变道交通量f，以及各控制路段满足车辆变 道的车头间距，以变道车辆在沿车流方向划分的N个路段均等分配为原则，则每个路段的变 道流量均为
Figure 99050DEST_PATH_IMAGE049
，将变道信息发布发送至路侧单元（2），再由路侧单元（2）发送到目标车辆的 车载提示系统，输出向左变道或向右变道的信号，剩余预变道车辆直行到下一路段继续执 行变道控制，直到所有需变道车辆完成变道。
9.根据权利要求7所述一种车路协同下高速公路可变限速和变道协同控制方法，其特 征在于，所述各控制路段在满足车辆变道条件下，在周期k+1内变道车辆预变道至目标车道 上前后相邻两车的最小车头间距
Figure 78639DEST_PATH_IMAGE050
，根据式（7）计算：
Figure 562710DEST_PATH_IMAGE051
（7）
式中，
Figure 936928DEST_PATH_IMAGE052
为驾驶员平均制动反应时间，
Figure 873660DEST_PATH_IMAGE047
为周期k+1内控制路段i,j实施的 可变限速值，S为车辆静止时前后两车的固定安全间距，L为车辆车身的长度，控制同一控制 路段内横向相邻两车道单元的可变限速差值不超过40km/h。
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