CN115035711B - 一种高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异质交通流下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法。根据高速公路隧道与互通立交衔接段长度、交通量和衔接路段及区间平均车速调查，判断衔接段是否需要进行交通导流控制。当路段需要交通导流控制时，进一步分析该路段的高峰期交通量及其HV、ACC和CACC车辆组成，确定管控策略；并通过区间的交通监控和信号传输装置传送交通控制信息，引导该路段的HV、ACC和CACC车辆接受信息后自动或人工调整车辆行驶状态；从而达到提高衔接段的交通运营安全水平和运营通行能力的目的。
Description
技术领域
本发明涉及未来自动驾驶与传统驾驶混合交通组成的异质交通流环境下交通管理控制技术领域，具体涉及高速公路隧道与互通立交衔接段等事故多发点段的交通导流控制方法。
背景技术
随着高速公路的发展,受山区地形地貌限制和沿线社会经济发展需求影响,高速公路中隧道与立交的比例大幅度提升，已经出现了大量隧道与互通立交之间间距较小的特殊路段，这些高速公路隧道与互通立交衔接段是发生交通拥堵和交通安全事故频发的重点区域，如何解决高速公路隧道与互通立交衔接段的交通拥堵和交通安全问题成为人们关注的热点问题。
对隧道与互通立交之间间距较短的特殊路段，在设计阶段技术人员，尽量通过调整优化线形，避免此类安全隐患路段；而对于已通车的高速公路，因后期需要新增互通以满足地方社会经济发展需求，导致隧道与互通立交之间的间距较小，对于此类路段，现阶段主要通过加强交通工程设计和运营管控措施来解决此类问题。
新时期人们在不断探索应用新技术来解决面临的问题。随着汽车产业与人工智能、物联网、云计算等新一代信息技术深度融合发展，自动驾驶技术将得到不断完善，智能网联车辆(Connected and Autonomous Vehicle，CAV)应运而生。自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control，ACC)是CAV采用的一种纵向跟驰控制技术，其应用车载检测设备获取前车加速度、速度等信息，并实现本车的加速度优化。协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control，CACC)立足于ACC，利用车车通信获取前车行驶信息。相比ACC系统，CACC更加精确，但CACC功能的实现需要前车安装车车通信设备。因此当CACC车辆跟随人工驾驶车辆(Human-driving Vehicle，HV)时，由于HV缺乏车车通信设备，CACC将自动退化为ACC车辆，同时仍保留车车通信系统，与紧随其后的CACC车辆实现车车通信，并以协同队列状态行驶。
自动驾驶汽车将很快得到普及，未来传统人工车辆(HV)、自适应控制巡航控制车辆(ACC)和协调自适应控制巡航(CACC)车辆将在道路上长期同时存在，这种由传统人工车辆、ACC和CACC车辆组成的交通流称之为异质交通流(文中简称异质流)，其中CACC车辆是以车队的形式协同行驶。
在异质流环境下高速公路隧道与互通立交衔接路段的交通流将出现更加复杂的演变规律，因此需要对现状传统的交通管控措施进一步优化。
异质流环境下高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法不仅可以保障该路段的交通安全、减少该路段的交通事故发生率，还可以提高该路段的交通通行能力，减少高峰期交通拥堵。
发明内容
为了克服现有传统技术的不足，提出一种异质流环境下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法。
本发明采用的技术方案是：
异质流环境下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法，其包含的步骤如下：
Step1:调查高速公路隧道与互通立交之间的衔接路段的长度、调查交通量、调查衔接路段及区间平均车速；
Step2:根据调查结果进行条件判断，确定衔接路段是否需要交通导流控制；包括：分析高速公路隧道与互通立交之间的衔接路段长度是否满足《公路立体交叉设计细则》(JTGT D21--2014)中一般规定值，如果不能满足一般规定值，则进行衔接路段交通导流控制；如果衔接路段长度虽然能满足一般规定值，但是分析高峰期衔接路段交织区机动车服务水平大于三级，或者衔接路段的区间平均车速小于64km/h，则对衔接路段进行交通导流控制；
Step3:当衔接路段需要交通导流控制时，进一步分析衔接路段及区间的高峰期交通量及其车辆组成，根据衔接路段及区间的高峰期交通量及其HV、ACC和CACC车辆比例，动态测算限速值并在进入隧道前及时给出变道提示；其中限速值的取值范围为[60，vd]，其中vd为设计速度，为限速策略中限速值的上限，60km/h为限制值的下限值，限速值每3分钟更新一次，每次限速值的变化取值区间[5，20]，且每次变化值取5或10的整倍数，交通限速值根据基于METANET的可变限速修正模型按照上述取值原则预测发送限速信号给区间车辆，高速公路隧道与互通立交区间场景下修正后的可变限速车速模型为：
q1(k)＝min{v1ρ1(k),Qmax,2,w2(ρjam,2-ρ2(k))} 式(4)
式中：k代表时间刻度，T代表预测的时间步长；u1(k)为第k时刻，第1个路段的可变限速控制车速值；ρi(k),vi(k),qi(k)分别代表第k时刻,第i个路段上交通密度、平均车速和交通量(i＝0,1,2)；s2(k)为第k时刻路段出口匝道的流量，λi为第i个路段的车道数(i＝0,1,2)；Li为第i个路段的长度(i＝0,1,2)；ρjam,2为第2个路段的拥堵密度；Qmax,2为第2个路段智能车辆不同渗透率下的最大通行能力；w2为第2个路段交通波波速；τ,υ,kkappa为模型参数；
Step4:在隧道前2km和衔接段安装交通监控和信号传输装置；
Step5:通过交通监控和信号传输装置，引导该路段的HV、ACC和CACC车辆接受信息后自动或人工调整车辆行驶状态，通过立交匝道驶出高速的车辆在接受交通信息或信号指示后，在隧道前完成变道进入最右侧车道。
所述步骤Step1中调查高速公路隧道与互通立交之间的衔接路段的长度、调查交通量、调查衔接路段及区间平均车速；其中交通量调查主要是调查衔接段交通组成中HV、ACC和CACC车辆比例。
所述步骤Step2中，主要对隧道与互通立交之间的衔接段交通导流控制条件进行判断，一是根据衔接段长度是否满足规范规定值；二是根据衔接段交织区的道路服务水平是否满足规定服务水平；三是根据衔接段的区间平均车速是否满足规定阈值。当衔接段长度不能满足《公路立体交叉设计细则》(JTGT D21--2014)中一般规定值，则应进行路段交通导流控制；如果衔接段长度虽然能满足一般值，但是分析高峰期交织区道路服务水平大于三级，或者衔接段的区间平均车速小于64km/h，应对该路段进行交通导流控制。
所述步骤Step3中，当路段需要交通导流控制时，需要对该路段及区间高峰期交通量以及HV、ACC和CACC三种不同车辆在交通量中的比值进行分析，动态测算限速值根据可变测速模型进行预测并在进入隧道前及时给出变道提示。
所述步骤Step4中需要在隧道前2km安装的交通监控及信号传输装置，当隧道为长大隧道且长度超过2km时，应在隧道增设交通信息指示装置，交通信息指示和信号发送内容包括控制导航车速、更换车道信息、前方出口距离及地名提醒。
所述步骤Step5，人工驾驶车辆(HV)接受交通信息指示内容，并按照交通信息指示操作控制车辆，ACC车辆及CACC列队头车接受交通传输装置发送的信号控制内容，并转化为车辆及车队操作执行命令。
有益效果
通过本发明采用的技术方案，可以克服高速公路隧道与互通立交之间衔接段距离不足问题，同时可以提高衔接段及区间的道路运营安全水平并提高该路段的道路通行能力。
附图说明
图1是高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制流程示意图；
图2是高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流条件判断示意图；
图3高速公路隧道与互通立交区间距离示意图
附图标识：L0—交通监控及信号传输装置前路段；L1—交通监控及信号传输装置至隧道进口路段；L2—隧道出口至立交出口匝道路段；ΔL—隧道长度；ρi(k),vi(k),qi(k)—分别代表第k时刻,第i个路段上交通密度、平均车速和交通量(i＝0,1,2)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示本发明提出的一种异质流环境下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法，包含如下步骤：
Step1:调查高速公路隧道与互通立交之间的衔接路段的长度、调查交通量、调查衔接路段及区间平均车速；
Step2:根据调查结果进行条件判断，确定衔接路段是否需要交通导流控制；包括：分析高速公路隧道与互通立交之间的衔接路段长度是否满足《公路立体交叉设计细则》(JTGT D21--2014)中一般规定值，如果不能满足一般规定值，则进行衔接路段交通导流控制；如果衔接路段长度虽然能满足一般规定值，但是分析高峰期衔接路段交织区机动车服务水平大于三级，或者衔接路段的区间平均车速小于64km/h，则对衔接路段进行交通导流控制；
Step3:当衔接路段需要交通导流控制时，进一步分析衔接路段及区间的高峰期交通量及其车辆组成，根据衔接路段及区间的高峰期交通量及其HV、ACC和CACC车辆比例，动态测算限速值并在进入隧道前及时给出变道提示；其中限速值的取值范围为[60，vd]，其中vd为设计速度，为限速策略中限速值的上限，60km/h为限制值的下限值，限速值每3分钟更新一次，每次限速值的变化取值区间[5，20]，且每次变化值取5或10的整倍数，交通限速值根据基于METANET的可变限速修正模型按照上述取值原则预测发送限速信号给区间车辆，高速公路隧道与互通立交区间场景下修正后的可变限速车速模型为：
q1(k)＝min{v1ρ1(k),Qmax,2,w2(ρjam,2-ρ2(k))} 式(4)
式中：k代表时间刻度，T代表预测的时间步长；u1(k)为第k时刻，第1个路段的可变限速控制车速值；ρi(k),vi(k),qi(k)分别代表第k时刻,第i个路段上交通密度、平均车速和交通量(i＝0,1,2)；s2(k)为第k时刻路段出口匝道的流量，λi为第i个路段的车道数(i＝0,1,2)；Li为第i个路段的长度(i＝0,1,2)；ρjam,2为第2个路段的拥堵密度；Qmax,2为第2个路段智能车辆不同渗透率下的最大通行能力；w2为第2个路段交通波波速；τ,υ,kkappa为模型参数；
Step4:在隧道前2km和衔接段安装交通监控和信号传输装置；
Step5:通过交通监控和信号传输装置，引导该路段的HV、ACC和CACC车辆接受信息后自动或人工调整车辆行驶状态，通过立交匝道驶出高速的车辆在接受交通信息或信号指示后，在隧道前完成变道进入最右侧车道。
根据上述所述第一步，应在隧道与互通立交衔接段设置交通参数监控装置，监控区间交通量和运营速度，当区间服务水平或运营速度下降到临界阈值，通过信号传输设置在及时调整管控策略。
根据上述所述第二步，高速公路隧道与互通立交衔接段交织区路段道路服务水平通过区间平均车速进行计算，区间平均车速计算公式如下：
式中：vs——衔接段区间平均车速(km/h)；
n——单位时间内检测到的车辆总数(辆)；
s——观测路段长度(m)；
ti——第i辆车的行驶时间(m)；
根据上述所述第三步，需要在限速策略中明确限制值的区间范围和限制值的变化频率两个关键参数，其中限速策略中限速值的取值范围为[60,vd]，其中vd为设计速度，为限速策略中限速值的上限，60km/h为限制值的下限值。限速值每3分钟更新一次，每次限速值的变化取值区间[5,20]，且每次变化值取5或10的整倍数。
根据上述所述第四步，预计通过立交匝道驶出高速的车辆应在接受交通信息或信号指示后，在隧道前完成变道进入最右侧车道。
本发明采用以上技术方案，可以克服高速公路隧道与互通立交之间衔接段距离不足问题，同时可以提高衔接段及区间的道路运营安全水平并提高该路段的道路通行能力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
Claims (5)
1.一种异质交通流下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1:调查高速公路隧道与互通立交之间的衔接路段的长度、调查交通量、调查衔接路段及区间平均车速；
Step2:根据调查结果进行条件判断，确定衔接路段是否需要交通导流控制；包括：分析高速公路隧道与互通立交之间的衔接路段长度是否满足《公路立体交叉设计细则》(JTGTD21--2014)中一般规定值，如果不能满足一般规定值，则进行衔接路段交通导流控制；如果衔接路段长度虽然能满足一般规定值，但是分析高峰期衔接路段交织区机动车服务水平大于三级，或者衔接路段的区间平均车速小于64km/h，则对衔接路段进行交通导流控制；
Step3:当衔接路段需要交通导流控制时，进一步分析衔接路段及区间的高峰期交通量及其车辆组成，根据衔接路段及区间的高峰期交通量及其传统人工车辆(HV)、自适应控制巡航控制(ACC)车辆和协调自适应控制巡航(CACC)车辆比例，动态测算限速值并在进入隧道前及时给出变道提示；其中限速值的取值范围为[60，vd]，其中vd为设计速度，为限速策略中限速值的上限，60km/h为限制值的下限值，限速值每3分钟更新一次，每次限速值的变化取值区间[5，20]，且每次变化值取5或10的整倍数，交通限速值根据基于METANET的可变限速修正模型按照上述取值原则预测发送限速信号给区间车辆，高速公路隧道与互通立交区间场景下修正后的可变限速车速模型为：
q1(k)＝min{v1ρ1(k),Qmax,2,w2(ρjam,2-ρ2(k))} 式(4)
式中：k代表时间刻度，T代表预测的时间步长；u1(k)为第k时刻，第1个路段的可变限速控制车速值；ρi(k),vi(k),qi(k)分别代表第k时刻,第i个路段上交通密度、平均车速和交通量(i＝0,1,2)；s2(k)为第k时刻路段出口匝道的流量，λi为第i个路段的车道数(i＝0,1,2)；Li为第i个路段的长度(i＝0,1,2)；ρjam,2为第2个路段的拥堵密度；Qmax,2为第2个路段智能车辆不同渗透率下的最大通行能力；w2为第2个路段交通波波速；τ,υ,kkappa为模型参数；
Step4:在隧道前2km和衔接段安装交通监控和信号传输装置；
Step5:通过交通监控和信号传输装置，引导该路段的传统人工车辆(HV)、自适应控制巡航控制(ACC)车辆和协调自适应控制巡航(CACC)车辆接受信息后自动或人工调整车辆行驶状态，通过立交匝道驶出高速的车辆在接受交通信息或信号指示后，在隧道前完成变道进入最右侧车道。
2.根据权利要求1所述的一种异质交通流下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法，其特征在于，当隧道长度大于1km时，隧道内增设限速和出口交通标志。
3.根据权利要求2所述的一种异质交通流下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法，其特征在于，传统人工车辆（HV）应接受信息并按要求改变车辆行驶状态，自适应控制巡航控制(ACC)车辆和协调自适应控制巡航(CACC)车辆的头车接受信号指示，并按指示信号改变车队行驶状态。
4.根据权利要求3所述的一种异质交通流下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法，其特征在于，隧道内的车辆应按规定限速值行驶且不得变道。
5.根据权利要求4所述的一种异质交通流下的高速公路隧道与互通立交衔接段交通导流控制方法，其特征在于，路侧设置的交通信号与自适应控制巡航控制(ACC)车辆、协调自适应控制巡航(CACC)车辆信号接收器之间相互兼容。
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