CN114627658B - 一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法，涉及交通运输工程中交通管理控制技术领域。该重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法，包括以下步骤：S1.采集道路交通状态信息；S2.建立数据库；S3.建立特殊车队通行高速公路限速下改进元胞传输模型；S4.对具体特殊车队通行任务采用基于预测控制方法优化各控制变量值；S5.在线实施；S6.将各路段限速值和各入口匝道流量限制值；S7.对每一个完成的特殊车辆通行高速公路管理控制样本，修正知识库。通过用三相交通流理论调整车队元胞与上游元胞间传输关系模型，依据具体实时状态进行调整，能够实施精细化融合管控措施，最大限度提高高速公路流量。
Description
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，具体为一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法。
背景技术
超大件货物运输、部分重大国防运输、重要领导出行交通警卫任务等的交通管理，作为高速公路管理的特殊子系统，具有以下特点：(1)要求高速管理部门提供规划好线路的服务保障；(2)多车以车队形式，主线、匝道等交汇分离处等应畅通，不允许形成排队、堵塞等现象；(3)与其他车辆纵向保持一定距离，形成特殊移动瓶颈，此时部分在车队前后通过引导车方式，特别的可能占用全部车道，甚至与其他车辆保持较远距离要求(俗称高速封路)；(4)若需在服务区停留，应提供足够容量的停车、休息、加油等服务。
针对上类问题，高速公路管理部门一般按照车队通行要求，提前制定控制方案、服务保障措施的预案，并在实施时予以调整等。显然这些车队具有必须保障的通行权，因车辆数量占总流量比例非常低，在交通需求较低时段可保障并对其他车辆通行影响较少。但高速公路作为复杂非线性系统具有不确定性和封闭性，拥堵随时随地出现，特别在交通需求较大时段，可能的拥堵会造成车队无法顺利通过，整个道路流量下降；不合理的控制如限流限速使一些匝道排队过长、主线通行受阻，服务水平急剧下降。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法，解决了高速公路上车以车队形式，主线、匝道交汇分离处形成排队、堵塞，在交通需求较大时段造成车队无法顺利通过形成高速封路，导致整个道路流量下降，且服务区停留空间小的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法，包括以下步骤：
S1.建立本高速公路基础数据库和各种信息采集装置，采集道路交通状态信息；
S2.采集高速公路车流量、速度信息并建立数据库，及重大特殊车队通行含控制变量、效果、原因基础数据在内的控制预案和实际实施方案样本库；
S3.建立特殊车队通行高速公路限速下改进元胞传输模型，其中元胞传输模型的改进步骤包括：a1.依据道路几何线形和控制要求条件，将高速公路划分为若干路段，每个路段用一个元胞表示，其中元胞长度可变且需满足传输基本要求；a2.建立限速下主线路段改进元胞传输关系模型，其中对车队正经过路段建立容量减少改进元胞传输关系模型；a3.建立融合连接和分离连接路段元胞传输关系模型，对车队所经过的时间段设置向前5-10分钟，调减最大容量限制以保证车队通行，调整传输关系；a4.服务区元胞传输关系模型，设置服务区为容量限制的一个特殊元胞，从高速主线到服务区按所述a3步骤中出口分离连接分流路段模型方法建立分离连接模型；从服务区到主线按所述a3步骤中融合连接合流路段尤其是入口匝道模型方法建立融合连接模型；此时需提供车队服务的，在服务时间段前和段中0.5小时时间，减少其容量值；a5.得到元胞m容量在t时容量qm(t)因车队通行而改进的高速公路元胞传输模型：
qm(t+1)＝qm(t)+fm-1,m(t)-fm,m+1(t)+fI,m(t)-fm,O(t)
(10)
式(10)表示一个元胞当前时刻车辆数等于上一时刻车辆数加上游元胞和对应入口匝道元胞转移给它的车辆数，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，设置连接处的进口或出口车辆数为零；
S4.对具体特殊车队通行任务，预测天气、道路交通状态制定具体实施措施预案，其中具体实施措施预案的制定步骤包括：d1.确定车队抵达高速公路入口具体时间和车队长度要求，基于高速公路历史数据和天气情况，预测车队抵达各个路段和可能在服务区的时间，计算各路段、出入口匝道、服务区可供给其他车辆服务的容量；d2.按照调整后的各个元胞每个时间段容量，调整S3所建立的交通流元胞传输模型参数值；d3.以各入口匝道流量或放车数量、各元胞最佳限速值为控制变量，设计高速公路协调控制器，采用预测控制方法优化控制器变量值，具体采用遗传算法；d4.依据优化确定的车队通行融合控制变量值，制定具体控制策略；
S5.在线实施时，依据实时天气、道路交通状态，优化调整各入口匝道和服务区流量、各路段限速值，具体使用同所述S4步骤相同优化过程，并对具体实施措施进行调整；
S6.将各路段限速值和各入口匝道流量限制值，以及具体措施，施加到高速公路系统中；
S7.对每一个完成的特殊车辆通行高速公路管理控制样本，返回所述S2步骤和所述S3步骤中，修正知识库。
优选的，所述S1步骤中高速公路基础数据库包括：道路几何线形在内的GIS、交通流和气象信息历史数据库。
优选的，所述S1步骤中信息采集装置包括：广域雷达系统，结合事件检测、道路摄像机检测和电话。
优选的，所述S3步骤a2部分的元胞传输关系模型改进步骤包括：
b1.确定车队经过路段元胞数量，“车队与其他车辆间距在纵向空间上要求，加上车队自身长度之和”，若小于元胞长度，占1个；若大于1个小于2个元胞长度，占2个，以此类推；
b2.确定车队经过路段元胞容量，考虑“车队通行不受阻”的特殊要求，不考虑车队自身，仅考虑给其他车辆服务的交通流过程，并对车队经过的元胞，调减车队所占元胞容量，即原容量减去给车队服务容量，其他参数按新的容量调整，特殊的占用全部车道的封路措施，设置为0；
式(1)表示依据流量－密度图得到的k1和k2计算公式，式(2)中φm(t)＝0和1分别表示为自由流和拥堵状态，φm(t)＝φm(t-1)表示为同步流状态，依据其定义表示为延续上一时刻车流状态，即上一时刻密度小于k2时其值为0，上一时刻密度大于k1时其值为1，上一时刻密度位于k1和k2之间时延续上上时刻状态，其值或为1，或为0，无论值为0或1，此时上一时刻为拥堵状态；
b3.调整车队所在元胞m与其上游元胞间传输关系，其中rm(t)和sm(t)分别为元胞m的接收和发送能力，以车辆数为准，仿真步t时元胞m密度km(t)和速度vm(t)；
式(3)表示主线元胞m的接收能力主要取决于元胞状态，若处于自由流状态，其接收能力由限速下可允许的最大流入量决定，若处于拥堵状态，其接收能力由元胞m达到完全拥挤时可容纳的剩余流入量；式(4)表示主线元胞m的发送能力为自身能流出的车流量和其下游元胞m+1限速下允许最大允许流入量中的最小值；
b4.对车队尚未和已经过元胞的状态和与其上游元胞间传输关系，同c和d，但不调减车队所占元胞容量，特殊的考虑车队经过前和后一定时间；
b5.建立高速主线路段间元胞传输关系模型，其中fm,m+1(t)为主线元胞m到m+1车辆数；
fm,m+1(t)＝min{sm(t),rm+1(t)}
(5)
式(5)表示从主线元胞转移到下游元胞车辆数为上游元胞可发送和下游可接收中的最小值。
优选的，所述S3步骤a3部分中融合连接和分离连接路段元胞传输关系模型的建立步骤包括：
c1.融合连接合流路段尤其是入口匝道模型，sI(t)为与主线元胞m+1相连的入口元胞I在t时发送能力，α为入口匝道元胞与主线元胞融合比，第t个时间间隔内流量传输关系为：
式(6)和(7)表示如果主线下游元胞m+1有足够空间接收车辆，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，从元胞m和I进入到m+1的车辆数fm,m+1(t)和fI,m+1(t)按一定的比例进入，med表示取中间值；
c2.有出口分离连接分流路段模型，rO(t)为与主线元胞m相连的出口元胞O在t时接受能力，β为主线元胞和出口匝道元胞分离比；第t时间间隔内流量传输关系为：
式(8)和(9)表示从主线元胞m转移到主线下游元胞m+1和出口匝道元胞O的车辆数，如果元胞m+1和O有足够的空间接收这些车辆，则全部转移，否则按一定的比例转移；
c3.与其他高速连接的互通立交桥模型，汇入按步骤c1、汇出按步骤c2分别建立。
优选的，所述S4步骤d3部分中遗传算法的具体计算步骤包括：
e1.设置GA中群体规模、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(11)表示：
Fitness＝αTTSTTS-αFluxFlux
(11)
上式(11)中TTS和Flux分别为扣除车队后总花费时间和流量，扣除车队后总花费时间为高速公路总行程时间和匝道总等待时间之和，流量值为高速公路下游端和出口匝道、立交桥处离开高速公路的流量之和，αTTS和αFlux为综合量纲平衡后的TTS和Flux权重，TTS和Flux计算见式(12)和(13)；
上式中ε为仿真时间步长，kp为控制周期T包含的时间步长数(即T＝ε·kp)，Nm、NI和NO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，入口匝道元胞总数含入口匝道或其他高速通过互通立交桥汇入元胞，出口匝道元胞总数含出口匝道或其他高速通过互通立交桥分离元胞，ρm,i、lm,i和λm,i分别为主线元胞i的密度、长度和车道数，wI,i为入口匝道i的排队长度，和/>分别为高速公路主线下游元胞Nm的密度、长度和车道数，fO,i为出口匝道i离开高速公路的流量，令迭代步数s＝1；
e2.对每一代群体中每一个个体，带入速度限制下交通流元胞传输模型，仿真其车队通行前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；e3.若s＝ss，停止迭代，输出最佳个体中的解为各入口匝道最佳流量和各路段限速值，否则转向下一步；
e4.按照GA中的交叉、变异规则，产生新一代个体；
e5.令s＝s+1，转向所述e2步骤。
优选的，所述S4步骤d4步骤中具体控制策略的制定步骤包括：
f1.入口流量控制，按优化结果限流，使主线尽可能保持自由流状态，为车队通行提供基本保障；
f2.主线控制，一般非封闭的，虽然采取限流措施，当在需求较大时，通过可变信息显示牌方式予以限速；封闭的，队列纵向空间前一个以上出入口间主线无车，并禁止入口进车，队列纵向空间后有引导压车；
f3.瓶颈点，出入口匝道或收费口、互通式立交桥的交汇区、修路和交通事故路段，依据具体状态可安排管理人员值守予以实施；
f4.高速公路服务区，对需进入的服务区，计算需保留的服务区容量，提前保留停车场、餐厅、加油站、卫生间并提供服务准备予以保障；
f5.不良天气下，按不良天气下技术规范要求降低速度限制值、加大流量限制值。
(三)有益效果
本发明提供了一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法。具备以下有益效果：
1、本发明基于车队通行造成移动瓶颈使得经过元胞容量下降和传输关系改变，建立其交通流模型，针对不同路段实施不同限速值，实现速度限制和多匝道调节融合协调控制方式，并实施具体措施，进一步提升车队通行可靠性，提高给其他车辆服务水平，特别适用于车队在交通需求较大通过高速公路时段。
2、本发明通过采用交通流模型方面，综合宏观CTM的优点并克服其缺点，采用三相交通流理论，定义元胞所处的状态，建立在特殊车队通行时所造成的主线路段元胞、服务区元胞、含分离交织元胞和立交桥等容量下降和元胞传输关系调整的关系模型，以此为基础建立车队通行的高速公路交通流模型，能够为具体控制变量优化、具体控制措施提供技术支持，满足具体工程实施的需要。
3、本发明在进行变量控制时采用预测控制的方法，针对车队抵达高速公路入口具体时间和车队长度等任务，基于高速公路历史数据和天气等，能够预测车队抵达各个路段和可能在服务区的时间、天气等，计算各路段、出入口匝道、服务区可供给其他车辆服务的容量；同时采用预测控制的方法，利用GA优化各入口匝道和服务区流量限制、各路段限速值等，并制定具体实施措施预案；能够在线实施时，依据具体道路环境在线实时调整；由于提前做好各种优化控制措施，控制效果好，适于大范围的推广应用。
4、本发明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，本发明具体通过交通流CTM的建立、控制优化等离线方式确定预案，再通过在线控制模块快速实时调整；当本次车队通行过后，将该管理控制案例作为样本，修正交通流模型和控制器、具体措施等，更新知识，能够进行知识数据库迭代，进而完善成果文件，方便后续数据处理，同时该发明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为本发明的本发明所研究的由主线、出入口匝道、立交桥、服务区组成的高速公路示意图；
图3为本发明的特殊车队所占元胞的流量－密度图；
图4为本发明的确定各入口匝道最佳流量和各路段最佳限制值的融合控制流程图；
图5为本发明的仿真对象和元胞划分示意图；
图6为本发明的GA计算最优和平均目标函数值；
图7为本发明的部分元胞密度变化热力图。
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：
本发明实施例提供一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法，包括以下步骤：
S1.建立本高速公路基础数据库和各种信息采集装置，采集道路交通状态信息；
S2.采集并建立高速公路车流量、速度等信息并建立数据库，及重大特殊车队通行含控制变量、效果、原因基础数据在内的控制预案和实际实施方案样本库；采集并建立国内外有关标准数据库和其他高速有关样本数据库；
S3.建立特殊车队通行高速公路限速下改进元胞传输模型；
S4.对具体特殊车队通行任务，预测天气、道路交通状态，设计各入口匝道和服务区流量、各路段限速值融合的高速公路协调控制器，采用基于预测控制方法优化各控制变量值，并制定具体实施措施预案；
S5.在线实施时，依据实时天气、道路交通状态，优化调整各入口匝道和服务区流量、各路段限速值，具体使用同S4步骤相同优化过程，并对具体实施措施进行调整；
S6.将各路段限速值和各入口匝道流量限制值，以及具体措施，施加到高速公路系统中；
S7.对每一个完成的特殊车辆通行高速公路管理控制样本，返回S2步骤和S3步骤中，修正知识库。
S1步骤中高速公路基础数据库包括：道路几何线形在内的GIS、交通流和气象信息历史数据库。
S1步骤中信息采集装置包括：广域雷达系统，结合事件检测、道路摄像机检测和电话。
S3步骤中元胞传输模型的改进步骤包括：
a1.依据道路几何线形和控制要求条件，将高速公路划分为若干路段，每个路段用一个元胞表示，其中元胞长度可变且需满足传输基本要求；
a2.建立限速下主线路段改进元胞传输关系模型，其中对车队正经过路段建立容量减少改进元胞传输关系模型；
a3.建立融合连接和分离连接路段元胞传输关系模型，对车队所经过的时间段设置向前5-10分钟，调减最大容量限制以保证车队通行，调整传输关系；
a4.服务区元胞传输关系模型，设置服务区为容量限制的一个特殊元胞，从高速主线到服务区按a3步骤中出口分离连接分流路段模型方法建立分离连接模型；从服务区到主线按a3步骤中融合连接合流路段(入口匝道)模型方法建立融合连接模型；此时需提供车队服务的，在服务时间段前和段中0.5小时时间，减少其容量值；
a5.得到元胞m容量在t时容量qm(t)因车队通行而改进的高速公路CTM：
qm(t+1)＝qm(t)+fm-1,m(t)-fm,m+1(t)+fI,m(t)-fm,O(t)
(10)
式(10)表示一个元胞当前时刻车辆数等于上一时刻车辆数加上游元胞和对应入口匝道元胞转移给它的车辆数，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，设置连接处的进口或出口车辆数为零。
a2步骤中元胞传输关系模型改进步骤包括：
b1.确定车队经过路段元胞数量，“车队与其他车辆间距在纵向空间上要求，加上车队自身长度之和”，若小于元胞长度，占1个；若大于1个小于2个元胞长度，占2个，以此类推；
b2.确定车队经过路段元胞容量，考虑“车队通行不受阻”的特殊要求，不考虑车队自身，仅考虑给其他车辆服务的交通流过程，并对车队经过的元胞，调减车队所占元胞容量，即原容量减去给车队服务容量，其他参数按新的容量调整，特殊的占用全部车道的封路措施，设置为0，在进行车队调减时具体调减仅适用于车队经过时间段，特殊的考虑前和后一定时间调减；
b3.定义因车队通行造成移动瓶颈现象下的元胞m状态φm(t)，根据三相交通流理论，交通流状态分为自由流、同步流(亚稳态)和拥堵三种状态，且存在着迟滞现象，即从自由流转变为拥挤状态时密度k2要大于从拥挤转变为自由流状态时密度k1，元胞自由流速度vf，限速下对应最大流入量QVSLm(t)、反向波速w、拥挤密度kJ，有
式(1)表示依据流量－密度图得到的k1和k2计算公式，式(2)中φm(t)＝0和1分别表示为自由流和拥堵状态，φm(t)＝φm(t-1)表示为同步流状态，依据其定义表示为延续上一时刻车流状态，即上一时刻密度小于k2时其值为0，上一时刻密度大于k1时其值为1，上一时刻密度位于k1和k2之间时延续上上时刻状态，其值或为1(上一时刻为拥堵状态)或0(上一时刻为拥堵状态)；
b4.调整车队所在元胞m与其上游元胞间传输关系，其中rm(t)和sm(t)分别为元胞m的接收和发送能力(车辆数)，仿真步t时元胞m密度km(t)和速度vm(t)；
式(3)表示主线元胞m的接收能力主要取决于元胞状态，若处于自由流状态，其接收能力由限速下可允许的最大流入量QVSLm(t)决定，若处于拥堵状态，其接收能力由元胞m达到完全拥挤时可容纳的剩余流入量；式(4)表示主线元胞m的发送能力为自身能流出的车流量和其下游元胞m+1限速下允许最大允许流入量中的最小值；
b5.对车队尚未和已经过元胞的状态和与其上游元胞间传输关系，同c和d，但不调减车队所占元胞容量，特殊的考虑车队经过前和后一定时间；
b6.建立高速主线路段间元胞传输关系模型，其中fm,m+1(t)为主线元胞m到m+1车辆数；
fm,m+1(t)＝min{sm(t),rm+1(t)}
(5)
式(5)表示从主线元胞转移到下游元胞车辆数为上游元胞可发送和下游可接收中的最小值。
a3步骤中融合连接和分离连接路段元胞传输关系模型的建立步骤包括：
c1.融合连接合流路段(入口匝道)模型，sI(t)为与主线元胞m+1相连的入口元胞I在t时发送能力，α为入口匝道元胞与主线元胞融合比，第t个时间间隔内流量传输关系为：
式(6)和(7)表示如果主线下游元胞m+1有足够空间接收车辆，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，从元胞m和I进入到m+1的车辆数fm,m+1(t)和fI,m+1(t)按一定的比例进入，med表示取中间值；
c2.有出口分离连接分流路段模型，rO(t)为与主线元胞m相连的出口元胞O在t时接受能力，β为主线元胞和出口匝道元胞分离比；第t时间间隔内流量传输关系为：
式(8)和(9)表示从主线元胞m转移到主线下游元胞m+1和出口匝道元胞O的车辆数，如果元胞m+1和O有足够的空间接收这些车辆，则全部转移，否则按一定的比例转移；
c3.与其他高速连接的互通立交桥模型，汇入按步骤c1、汇出按步骤c2分别建立。
S4步骤中具体实施措施预案的制定步骤包括：
d1.确定车队抵达高速公路入口具体时间和车队长度等要求，基于高速公路历史数据和天气情况，预测车队抵达各个路段和可能在服务区的时间，计算各路段、出入口匝道等、服务区可供给其他车辆服务的容量；
d2.按照调整后的各个元胞每个时间段容量，调整S3所建立的交通流CTM参数值；
d3.以各入口匝道流量(放车数量)、各元胞最佳限速值为控制变量，设计高速公路协调控制器，采用预测控制方法优化控制器变量值，具体采用遗传算法；
d4.依据优化确定的车队通行融合控制变量值，制定具体控制策略。
步骤d3中遗传算法的具体计算步骤包括：
e1.设置GA中群体规模、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(11)表示：
Fitness＝αTTSTTS-αFluxFlux
(11)
上式(11)中TTS和Flux分别为扣除车队后总花费时间(高速公路总行程时间和匝道总等待时间之和)和流量(高速公路下游端和出口匝道、立交桥处离开高速公路的流量之和)，αTTS和αFlux为综合量纲平衡后的TTS和Flux权重，TTS和Flux计算见式(12)和(13)；
上式中ε为仿真时间步长，kp为控制周期T包含的时间步长数(即T＝ε·kp)，Nm、NI和NO分别为路段主线元胞总数、入口匝道元胞总数(含入口匝道或其他高速通过互通立交桥汇入元胞)和出口匝道元胞总数(含出口匝道或其他高速通过互通立交桥分离元胞)，ρm,i、lm,i和λm,i分别为主线元胞i的密度、长度和车道数，wI,i为入口匝道i的排队长度，和/>分别为高速公路主线下游元胞Nm的密度、长度和车道数，fO,i为出口匝道i离开高速公路的流量，令迭代步数s＝1；
e2.对每一代群体中每一个个体，带入速度限制下交通流CTM，仿真其车队通行前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；
e3.若s＝ss，停止迭代，输出最佳个体中的解为各入口匝道最佳流量和各路段限速值，否则转向下一步；
e4.按照GA中的交叉、变异规则，产生新一代个体；
e5.令s＝s+1，转向e2步骤。
d4步骤中具体控制策略的制定步骤包括：
f1.入口流量控制，按优化结果限流，使主线尽可能保持自由流状态，为车队通行提供基本保障；
f2.主线控制，一般非封闭的，在需求较大(虽然采取限流措施)时，通过可变信息显示牌方式予以限速；封闭的，队列纵向空间前一个以上出入口间主线无车，并禁止入口进车，队列纵向空间后有引导压车；
f3.瓶颈点，出入口匝道(收费口)、互通式立交桥的交汇区、修路和交通事故路段，依据具体状态可安排管理人员等值守予以实施；
f4.高速公路服务区，对需进入的服务区，计算需保留的服务区容量，提前保留停车场、餐厅、加油站、卫生间并提供服务准备予以保障；
f5.不良天气下，按不良天气下技术规范要求降低速度限制值、加大流量限制值。
附图2中，I为入口匝道，O为出口匝道，S为服务区，R和E分别为与其他高速互通立交桥的入口匝道和出口匝道，后面数字为其编号；附图3中k1为拥挤转变为自由流状态时密度，k2为从自由流转变为拥挤状态时密度，元胞自由流速度vf，限速下对应最大流入量QVSLm(t)、反向波速w、拥挤密度kJ；附图5为本发明实施例中沧榆高速(阜平东至保定西)段仿真对象和元胞划分示意图，其中36个主线元胞(C表示，后为按照先后顺序的编号1)、7个入口匝道元胞(I表示)、7个出口匝道元胞(O表示，若出入口匝道成对其后面编号相同)，3个服务区元胞(S表示)，2个立交桥的汇入连接元胞(R表示)和2个立交桥分离连接元胞(E表示，若为同一立交桥后编号相同)；同时该发明中路段速度限制是通过路段可变速度显示牌予以实现，匝道调节或放车是通过现有高速公路入口匝道的收费口予以实现，服务区容量限制是通过可变信息显示牌和服务区工作人员现场指挥、放置不允许停靠牌等予以实现。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种重大特殊车队通行高速公路的交通控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.建立本高速公路基础数据库和信息采集装置，采集道路交通状态信息，其中：高速公路基础数据库包括道路几何线形在内的GIS、交通流和气象信息历史数据库；信息采集装置包括广域雷达系统、结合事件检测、道路摄像机检测和电话；
S2.采集高速公路车流量、速度并建立数据库，及重大特殊车队通行含控制变量、效果、原因基础数据在内的控制预案和实际实施方案样本库；
S3.建立特殊车队通行高速公路限速下改进元胞传输模型，具体操作步骤包括：a1.依据道路几何线形和控制要求条件，将高速公路划分为若干路段，每个路段用一个元胞表示，其中元胞长度可变且需满足传输基本要求；a2.建立限速下主线路段改进元胞传输关系模型，其中对车队正经过路段建立容量减少改进元胞传输关系模型；a3.建立融合连接和分离连接路段元胞传输关系模型，对车队所经过的时间段设置向前5-10分钟，调减最大容量限制以保证车队通行，调整传输关系；a4.服务区元胞传输关系模型，设置服务区为容量限制的一个特殊元胞，从高速主线到服务区按所述a3步骤中出口分离连接分流路段模型方法建立分离连接模型；从服务区到主线按所述a3步骤中融合连接合流路段尤其是入口匝道模型方法建立融合连接模型；此时需提供车队服务的，在服务时间段前和段中0.5小时时间，减少其容量值；a5.得到元胞m容量在t时容量qm(t)因车队通行而改进的高速公路元胞传输模型：
qm(t+1)＝qm(t)+fm-1,m(t)-fm,m+1(t)+fI,m(t)-fm,O(t)
(10)
式(10)表示一个元胞当前时刻车辆数于上一时刻车辆数加上游元胞和对应入口匝道元胞转移给它的车辆数，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，设置连接处的进口或出口车辆数为零；
其中：a2步骤中限速下主线路段改进元胞传输关系模型步骤包括：b1.确定车队经过路段元胞数量，“车队与其他车辆间距在纵向空间上要求，加上车队自身长度之和”，若小于元胞长度，占1个；若大于1个小于2个元胞长度，占2个，以此类推；b2.确定车队经过路段元胞容量，考虑“车队通行不受阻”的特殊要求，不考虑车队自身，仅考虑给其他车辆服务的交通流过程，并对车队经过的元胞，调减车队所占元胞容量，即原容量减去给车队服务容量，其他参数按新的容量调整，特殊的占用全部车道的封路措施，设置为0；b3.定义因车队通行造成移动瓶颈现象下的元胞m状态φm(t)，根据三相交通流理论，交通流状态分为自由流、同步流和拥堵三种状态，且存在着迟滞现象，即从自由流转变为拥挤状态时密度k2要大于从拥挤转变为自由流状态时密度k1，元胞自由流速度vf，限速下对应最大流入量反向波速w、拥挤密度kJ，有
式(1)表示依据流量－密度图得到的k1和k2计算公式，式中φm(t)＝0和1分别表示为自由流和拥堵状态，φm(t)＝φm(t-1)表示为同步流状态，依据其定义表示为延续上一时刻车流状态，即上一时刻密度小于k2时其值为0，上一时刻密度大于k1时其值为1，上一时刻密度位于k1和k2之间时延续上上时刻状态，其值或为1，或为0，无论值为0或1，此时上一时刻为拥堵状态；b4.调整车队所在元胞m与其上游元胞间传输关系，其中rm(t)和sm(t)分别为元胞m的接收和发送能力，以车辆数为准，仿真步t时元胞m密度km(t)和速度vm(t)；
式(3)表示主线元胞m的接收能力主要取决于元胞状态，若处于自由流状态，其接收能力由限速下可允许的最大流入量决定，若处于拥堵状态，其接收能力由元胞m达到完全拥挤时可容纳的剩余流入量；式(4)表示主线元胞m的发送能力为自身能流出的车流量和其下游元胞m+1限速下允许最大允许流入量中的最小值；b5.对车队尚未和已经过元胞的状态和与其上游元胞间传输关系，同c和d，但不调减车队所占元胞容量，特殊的考虑车队经过前和后一定时间；b6.建立高速主线路段间元胞传输关系模型，其中fm,m+1(t)为主线元胞m到m+1车辆数；
fm,m+1(t)＝min{sm(t),rm+1(t)}
(5)
式(5)表示从主线元胞转移到下游元胞车辆数为上游元胞可发送和下游可接收中的最小值；
其中a3部分中融合连接和分离连接路段元胞传输关系模型的建立步骤包括：c1.融合连接合流路段尤其是入口匝道模型，sI(t)为与主线元胞m+1相连的入口元胞I在t时发送能力，α为入口匝道元胞与主线元胞融合比，第t个时间间隔内流量传输关系为：
式(6)和(7)表示如果主线下游元胞m+1有足够空间接收车辆，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，从元胞m和I进入到m+1的车辆数fm,m+1(t)和fI,m+1(t)按一定的比例进入，med表示取中间值；c2.有出口分离连接分流路段模型，rO(t)为与主线元胞m相连的出口元胞O在t时接受能力，β为主线元胞和出口匝道元胞分离比；第t时间间隔内流量传输关系为：
式(8)和(9)表示从主线元胞m转移到主线下游元胞m+1和出口匝道元胞O的车辆数，如果元胞m+1和O有足够的空间接收这些车辆，则全部转移，否则按一定的比例转移；c3.与其他高速连接的互通立交桥模型，汇入按步骤c1、汇出按步骤c2分别建立；
S4.对具体特殊车队通行任务，预测天气、道路交通状态，制定具体实施措施预案，具体操作包括：d1.确定车队抵达高速公路入口具体时间和车队长度要求，基于高速公路历史数据和天气情况，预测车队抵达各个路段和可能在服务区的时间，计算各路段、出入口匝道、服务区可供给其他车辆服务的容量；d2.按照调整后的各个元胞每个时间段容量，调整S3所建立的交通流元胞传输模型参数值；d3.以各入口匝道流量或放车数量、各元胞最佳限速值为控制变量，设计高速公路协调控制器，采用预测控制方法优化控制器变量值，具体采用遗传算法；d4.依据优化确定的车队通行融合控制变量值，制定具体控制策略；
其中，d3步骤中遗传算法的具体计算步骤包括：e1.设置GA中群体规模、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(11)表示；
Fitness＝αTTSTTS-αFluxFlux
(11)
上式(11)中TTS和Flux分别为扣除车队后总花费时间和流量，扣除车队后总花费时间为高速公路总行程时间和匝道总待时间之和，流量值为高速公路下游端和出口匝道、立交桥处离开高速公路的流量之和，αTTS和αFlux为综合量纲平衡后的TTS和Flux权重，TTS和Flux计算见式(12)和(13)；
上式中ε为仿真时间步长，kp为控制周期T包含的时间步长数(即T＝ε·kp)，Nm、NI和NO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，入口匝道元胞总数含入口匝道或其他高速通过互通立交桥汇入元胞，出口匝道元胞总数含出口匝道或其他高速通过互通立交桥分离元胞，ρm,i、lm,i和λm,i分别为主线元胞i的密度、长度和车道数，wI,i为入口匝道i的排队长度，和/>分别为高速公路主线下游元胞Nm的密度、长度和车道数，fO,i为出口匝道i离开高速公路的流量，令迭代步数s＝1；e2.对每一代群体中每一个个体，带入速度限制下交通流元胞传输模型，仿真其车队通行前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；e3.若s＝ss，停止迭代，输出最佳个体中的解为各入口匝道最佳流量和各路段限速值，否则转向下一步；e4.按照GA中的交叉、变异规则，产生新一代个体；e5.令s＝s+1，转向所述e2步骤；
其中，d4步骤中具体控制策略的制定步骤包括：f1.入口流量控制，按优化结果限流，使主线尽可能保持自由流状态，为车队通行提供基本保障；f2.主线控制，非封闭的，虽然采取限流措施，当在需求较大时，通过可变信息显示牌方式予以限速；封闭的，队列纵向空间前一个以上出入口间主线无车，并禁止入口进车，队列纵向空间后有引导压车；f3.瓶颈点，出入口匝道或收费口、互通式立交桥的交汇区、修路和交通事故路段，依据具体状态可安排管理人员值守予以实施；f4.高速公路服务区，对需进入的服务区，计算需保留的服务区容量，提前保留停车场、餐厅、加油站、卫生间并提供服务准备予以保障；f5.不良天气下，按不良天气下技术规范要求降低速度限制值、加大流量限制值；
S5.在线实施时，依据实时天气、道路交通状态，优化调整各入口匝道和服务区流量、各路段限速值，具体使用同所述S4步骤相同优化过程，并对具体实施措施进行调整；
S6.将各路段限速值和各入口匝道流量限制值，以及具体措施，施加到高速公路系统中；
S7.对每一个完成的特殊车辆通行高速公路管理控制样本，返回所述S2步骤和所述S3步骤中，修正知识库。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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