CN114613125A - 一种快速路多匝道分层协同控制方法 - Google Patents

一种快速路多匝道分层协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速路多匝道分层协同控制方法，包括以下步骤：划定多匝道控制子区；对多匝道信号灯开启和关闭进行判定；在单点控制层次计算局部单点调整量；在协同控制层次计算关键路段调整量；融合局部单点调整量和关键路径调整量计算匝道允许汇入率；生成匝道信号控制方案。上述技术方案通过单点控制层和协同控制层两个维度，对匝道子区范围的多个匝道信号控制方案进行统筹协同，不断迭代智能调节匝道允许汇入率，分层而治、精准联合，提升了匝道子区运行的系统整体性与公平性，使得多匝道协同智能控制方法达到良好的控制效果，充分考虑了区域关键路段的运行状态，监测预防区域拥堵瓶颈的生成，协调平衡区域内通行需求。

Description

一种快速路多匝道分层协同控制方法
技术领域
本发明涉及城市交通控制技术领域，尤其涉及一种快速路多匝道分层协同控制方法。
背景技术
城市快速路入口匝道控制是解决城市主干交通网络拥堵的有效办法，其主要目标是调节进入快速路的车辆数目使得主线交通需求不超过交通容量。匝道控制方法根据控制对象不同可分为单匝道控制和多匝道协同控制，单匝道控制的研究已相对成熟，但是仅针对单个匝道的局部交通流进行控制，使得单匝道控制方法缺乏系统整体性与公平性。
城市快速路各匝道之间距离短，交通流相互干扰严重，交织区现象明显。各个入口匝道在主线上成线性排列，相邻的控制单元存在直接相关性，同时，各个控制单元沿着交通流运行方向，具有传递控制的间接相关性，且相关性随着距离不断衰减。因此，多匝道协同控制需要考虑多个入口匝道的相互关联和交互影响，控制算法需要具有强的耦合性、非线性和时变性。
综上所述，多匝道协同控制需要分层而治，精准联合。从以下两个层面展开：单点控制层、协同控制层。单点控制层考虑平衡单个匝道范围内主线与匝道通行需求；协同控制层考虑邻接匝道和关键路段的通行状态，协调平衡区域的通行需求；此外还需要对匝道的溢出可能进行评估，避免出现匝道溢出情况对地面交通造成严重影响，进而提升整个快速路系统的运行效率。
中国专利文献CN107765551A公开了一种“城市快速路入口匝道控制方法”。首先，通过ESN预测车流状态不确定下的入口匝道下游动态临界占有率；然后，设计用于划分主、从匝道的函数，以此动态确定需要协调匝道的个数，扩大协调控制范围；其中，考虑到该函数是随时间动态变化的，并且道路通行事故、天气等也会对其值造成影响，因此在设计此函数时，使用BP神经网络进行训练以提高其精确性。上述技术方案效率低下，难以精准实现对多个匝道信号的统筹协调。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案效率低下，难以精准实现对多个匝道信号的统筹协调的技术问题，提供一种快速路多匝道分层协同控制方法，通过单点控制层和协同控制层两个维度，对匝道子区范围的多个匝道信号控制方案进行统筹协同，不断迭代智能调节匝道允许汇入率，分层而治、精准联合，提升了匝道子区运行的系统整体性与公平性，使得多匝道协同智能控制方法达到良好的控制效果，充分考虑了区域关键路段的运行状态，监测预防区域拥堵瓶颈的生成，协调平衡区域内通行需求。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1划定多匝道控制子区；
S2对多匝道信号灯开启和关闭进行判定；
S3在单点控制层次计算局部单点调整量；
S4在协同控制层次计算关键路段调整量；
S5融合局部单点调整量和关键路径调整量计算匝道允许汇入率；
S6生成匝道信号控制方案。
作为优选，所述的步骤S1划定时将需要进行统筹协同控制的多个匝道划分到同一个匝道子区范围内，并配置控制范围内的区域关键路段，所述区域关键路段为匝道子区范围内的拥堵高频率发生路段。
作为优选，所述的步骤S2区域关键路段运行状态决定其上游匝道信号灯状态，其余匝道独立执行单匝道开关灯判定逻辑，具体包括：
S2.1若区域关键路段运行速度<区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则区域关键路段的上游匝道信号灯开启；
S2.2若区域关键路段运行速度≥区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则匝道子区范围内全部匝道独立执行单匝道开关灯判定逻辑；
S2.3进行单匝道信号灯开启和关闭判定。
作为优选，所述的步骤S2.3进行单匝道信号灯开启和关闭判定具体包括：
S2.31若匝道信号灯当前状态为“关闭”，主线运行速度<主线理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.8”，匝道周期流量>信号灯开启阈值流量，信号灯开启阈值流量默认为“20”，则单匝道信号灯开启；
S2.32若匝道信号灯当前状态为“开启”，主线运行速度>主线理想运行速度×信号灯关闭阈值速度，信号灯关闭阈值速度默认为“1.1”，匝道信号灯控制方案绿信比＞信号灯关闭阈值绿信比，信号灯关闭阈值绿信比默认值为“0.7”，则单匝道信号灯关闭。
作为优选，所述的步骤S3局部单点调整量的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000031
其中，Δr1(t)为当前控制间隔内的匝道汇入率局部单点调整量，k1和k2为主线和匝道的调整系数，V为主线运行速度，Videal为主线理想运行速度，μ为匝道溢出风险系数。根据高架主线、匝道的实时运行数据，各个匝道独立平衡各自主线与匝道通行需求。
作为优选，所述的步骤S4关键路段调整量的计算具体包括：
S4.1计算各个匝道对关键路段流量贡献率修正系数CRi，
设各个匝道过车数据与关键路段过车数据的匹配结果为c1,c2,c3,…cn，关键路段过车数据总匹配结果为∑ci，则各个匝道对关键路段流量贡献率修正系数的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000041
S4.2计算各个匝道对关键路段间距修正系数DRi，
设各个匝道与关键路段之间的距离为d1,d2,d3,…dn，先对di求倒数再求和，结果为
Figure BDA0003415684460000042
则各个匝道对关键路段间距修正系数的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000043
S4.3计算各个匝道关键路段调整量Δr2(t)。
考虑区域关键路段的运行状态，分析各个匝道对关键路段的流量贡献率和匝道与关键路段间距，协调平衡区域内通行需求。
作为优选，所述的步骤S4.3计算各个匝道关键路段调整量Δr2(t)具体包括：S4.31若区域关键路段运行速度<区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则关键路段调整量的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000044
其中，Δr2(t)为当前控制间隔内的匝道汇入率关键路段调整量；k1为主线的调整系数；Vkey_section为关键路段运行速度；Videal_key_section为关键路段理想运行速度；n为匝道子区范围内匝道数目；
S4.32若区域关键路段运行速度≥区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则关键路段调整量的计算公式如下：
Δr2(t)＝0。
作为优选，所述的步骤S5匝道允许汇入率的计算公式如下：
r(t)＝r(t-1)+Δr1(t)+Δr2(t)
其中，r(t)为当前控制间隔内的匝道允许汇入率，r(t-1)为上一控制间隔内的匝道允许汇入率。融合局部单点调整量和关键路径调整量，不断迭代智能调节匝道允许汇入率。
作为优选，所述的步骤S6根据匝道允许汇入率的迭代调整智能计算匝道信号控制方案，具体包括：
S6.1匝道信号控制方案绿灯时长计算
G＝m×h
其中，G为匝道信号控制方案的绿灯时长；m为匝道单周期允许通行车辆数；h为匝道车头时距；
S6.2匝道信号控制方案周期时长计算
Figure BDA0003415684460000051
其中，C为匝道信号控制方案的周期时长；m为匝道单周期允许通行车辆数，r(t)为当前控制间隔内的匝道允许汇入率；
S6.3匝道信号控制方案红灯时长计算
R＝C–G-Y
其中，C为匝道信号控制方案的周期时长；G为匝道信号控制方案的绿灯时长；Y为匝道信号控制方案的黄灯时长。
本发明的有益效果是：
(1)本发明算法在单点控制层次充分考虑了局部快速路主线与匝道通行需求的平衡，同时评估了匝道的溢出可能性，避免了传统控制方法重主线、轻匝道的局限性。
(2)本发明算法在协同控制层次充分考虑了区域关键路段的运行状态，及时抑制上游车流来源，监测预防区域拥堵瓶颈的生成，协调平衡区域内通行需求。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种快速路多匝道分层协同控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1多匝道控制子区划定：将需要进行统筹协同控制的多个匝道划分到同一个匝道子区范围内，并配置控制范围内的区域关键路段。
所述的区域关键路段是匝道子区范围内的拥堵高频率发生路段。
S2多匝道信号灯开启/关闭判定：区域关键路段运行状态决定其上游匝道信号灯状态，其余匝道独立执行单匝道开关灯判定逻辑。
所述的区域关键路段运行状态决定其上游匝道信号灯状态的判定逻辑如下：
S2.1若区域关键路段运行速度<区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则区域关键路段的上游匝道信号灯开启；
S2.2若区域关键路段运行速度≥区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则匝道子区范围内全部匝道独立执行单匝道开关灯判定逻辑。
所述的单匝道开关灯判定逻辑如下：
S2.3单匝道信号灯开启的判定条件如下：
S2.31匝道信号灯当前状态为“关闭”；
S2.32主线运行速度<主线理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.8”；
S2.33匝道周期流量>信号灯开启阈值流量，信号灯开启阈值流量默认为“20”。
S2.4单匝道信号灯关闭的判定条件如下：
S2.41匝道信号灯当前状态为“开启”；
S2.42主线运行速度>主线理想运行速度×信号灯关闭阈值速度，信号灯关闭阈值速度默认为“1.1”；
S2.43匝道信号灯控制方案绿信比＞信号灯关闭阈值绿信比，信号灯关闭阈值绿信比默认值为“0.7”。
S3在单点控制层次计算局部单点调整量：根据高架主线、匝道的实时运行数据，各个匝道独立平衡各自主线与匝道通行需求。
所述的局部单点调整量的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000081
其中，Δr1(t)为当前控制间隔内的匝道汇入率局部单点调整量；k1和k2为主线和匝道的调整系数；V为主线运行速度；Videal为主线理想运行速度；μ为匝道溢出风险系数；
S4在协同控制层次计算关键路段调整量：考虑区域关键路段的运行状态，分析各个匝道对关键路段的流量贡献率和匝道与关键路段间距，协调平衡区域内通行需求。
所述的关键路段调整量的计算步骤如下：
S4.1计算各个匝道对关键路段流量贡献率修正系数CRi
设各个匝道过车数据与关键路段过车数据的匹配结果为c1,c2,c3,…cn，关键路段过车数据总匹配结果为∑ci，则各个匝道对关键路段流量贡献率修正系数的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000082
S4.2计算各个匝道对关键路段间距修正系数DRi
设各个匝道与关键路段之间的距离为d1,d2,d3,…dn，先对di求倒数再求和，结果为
Figure BDA0003415684460000083
则各个匝道对关键路段间距修正系数的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000084
S4.3计算各个匝道关键路段调整量Δr2(t)
所述的关键路段调整量的计算逻辑如下：
S4.31若区域关键路段运行速度<区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则关键路段调整量的计算公式如下：
Figure BDA0003415684460000091
其中，Δr2(t)为当前控制间隔内的匝道汇入率关键路段调整量；k1为主线的调整系数；Vkey_section为关键路段运行速度；Videal_key_section为关键路段理想运行速度；n为匝道子区范围内匝道数目；
S4.32若区域关键路段运行速度≥区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则关键路段调整量的计算公式如下：
Δr2(t)＝0
S5计算匝道允许汇入率：融合局部单点调整量和关键路径调整量，不断迭代智能调节匝道允许汇入率。
所述的匝道允许汇入率的计算公式如下：
r(t)＝r(t-1)+Δr1(t)+Δr2(t)
其中，r(t)为当前控制间隔内的匝道允许汇入率；r(t-1)为上一控制间隔内的匝道允许汇入率；
S6生成匝道信号控制方案：根据匝道允许汇入率的迭代调整智能计算匝道信号控制方案。
所述的匝道信号控制方案生成的计算步骤如下：
S6.1匝道信号控制方案绿灯时长计算
G＝m×h
其中，G为匝道信号控制方案的绿灯时长；m为匝道单周期允许通行车辆数；h为匝道车头时距；
S6.2匝道信号控制方案周期时长计算
Figure BDA0003415684460000101
其中，C为匝道信号控制方案的周期时长；m为匝道单周期允许通行车辆数，r(t)为当前控制间隔内的匝道允许汇入率；
S6.3匝道信号控制方案红灯时长计算
R＝C–G-Y
其中，C为匝道信号控制方案的周期时长；G为匝道信号控制方案的绿灯时长；Y为匝道信号控制方案的黄灯时长。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了单点控制、协同控制等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1划定多匝道控制子区；
S2对多匝道信号灯开启和关闭进行判定，决定单匝道开关灯判定逻辑；
S3在单点控制层次计算局部单点调整量；
S4在协同控制层次计算关键路段调整量；
S5融合局部单点调整量和关键路径调整量计算匝道允许汇入率；
S6生成匝道信号控制方案。
2.根据权利要求1所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S1划定时将需要进行统筹协同控制的多个匝道划分到同一个匝道子区范围内，并配置控制范围内的区域关键路段，所述区域关键路段为匝道子区范围内的拥堵高频率发生路段。
3.根据权利要求1所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2区域关键路段运行状态决定其上游匝道信号灯状态，其余匝道独立执行单匝道开关灯判定逻辑，具体包括：
S2.1若区域关键路段运行速度<区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则区域关键路段的上游匝道信号灯开启；
S2.2若区域关键路段运行速度≥区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则匝道子区范围内全部匝道独立执行单匝道开关灯判定逻辑；
S2.3进行单匝道信号灯开启和关闭判定。
4.根据权利要求3所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2.3进行单匝道信号灯开启和关闭判定具体包括：
S2.31若匝道信号灯当前状态为“关闭”，主线运行速度<主线理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.8”，匝道周期流量>信号灯开启阈值流量，信号灯开启阈值流量默认为“20”，则单匝道信号灯开启；
S2.32若匝道信号灯当前状态为“开启”，主线运行速度>主线理想运行速度×信号灯关闭阈值速度，信号灯关闭阈值速度默认为“1.1”，匝道信号灯控制方案绿信比＞信号灯关闭阈值绿信比，信号灯关闭阈值绿信比默认值为“0.7”，则单匝道信号灯关闭。
5.根据权利要求1所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S3局部单点调整量的计算公式如下：
Figure FDA0003415684450000021
其中，Δr1(t)为当前控制间隔内的匝道汇入率局部单点调整量，k1和k2为主线和匝道的调整系数，V为主线运行速度，Videal为主线理想运行速度，μ为匝道溢出风险系数。
6.根据权利要求1所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4关键路段调整量的计算具体包括：
S4.1计算各个匝道对关键路段流量贡献率修正系数CRi，
设各个匝道过车数据与关键路段过车数据的匹配结果为c1,c2,c3,…cn，关键路段过车数据总匹配结果为∑ci，则各个匝道对关键路段流量贡献率修正系数的计算公式如下：
Figure FDA0003415684450000022
S4.2计算各个匝道对关键路段间距修正系数DRi，
设各个匝道与关键路段之间的距离为d1,d2,d3,…dn，先对di求倒数再求和，结果为
Figure FDA0003415684450000031
则各个匝道对关键路段间距修正系数的计算公式如下：
Figure FDA0003415684450000032
S4.3计算各个匝道关键路段调整量Δr2(t)。
7.根据权利要求6所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4.3计算各个匝道关键路段调整量Δr2(t)具体包括：
S4.31若区域关键路段运行速度<区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则关键路段调整量的计算公式如下：
Figure FDA0003415684450000033
其中，Δr2(t)为当前控制间隔内的匝道汇入率关键路段调整量；k1为主线的调整系数；Vkey_section为关键路段运行速度；Videal_key_section为关键路段理想运行速度；n为匝道子区范围内匝道数目；
S4.32若区域关键路段运行速度≥区域关键路段理想运行速度×信号灯开启阈值速度，信号灯开启阈值速度默认为“0.75”，则关键路段调整量的计算公式如下：
Δr2(t)＝0。
8.根据权利要求1所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S5匝道允许汇入率的计算公式如下：
r(t)＝r(t-1)+Δr1(t)+Δr2(t)
其中，r(t)为当前控制间隔内的匝道允许汇入率，r(t-1)为上一控制间隔内的匝道允许汇入率。
9.根据权利要求1所述的一种快速路多匝道分层协同控制方法，其特征在于，所述步骤S6根据匝道允许汇入率的迭代调整智能计算匝道信号控制方案，具体包括：
S6.1匝道信号控制方案绿灯时长计算
G＝m×h
其中，G为匝道信号控制方案的绿灯时长；m为匝道单周期允许通行车辆数；h为匝道车头时距；
S6.2匝道信号控制方案周期时长计算
Figure FDA0003415684450000041
其中，C为匝道信号控制方案的周期时长；m为匝道单周期允许通行车辆数，r(t)为当前控制间隔内的匝道允许汇入率；
S6.3匝道信号控制方案红灯时长计算
R＝C–G-Y
其中，C为匝道信号控制方案的周期时长；G为匝道信号控制方案的绿灯时长；Y为匝道信号控制方案的黄灯时长。
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