CN117636666A - 匝道合流控制方法、系统、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速公路匝道控制技术领域，具体而言，涉及一种匝道合流控制方法、系统、电子设备及存储介质，以解决现有技术在调节合流区域交通量时，由于未对匝道调节率进行约束，而导致的无法对驾驶舒适性进行有效保障的问题。该方法包括步骤：实时获取合流区域车辆数据；其中，合流区域车辆数据包括信号控制周期和匝道调节率；根据合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长；根据灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换，进而调节合流区域的交通量，在不降低车辆在合流区域的通行效率的同时，提高了驾驶舒适性。

Description

匝道合流控制方法、系统、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及高速公路匝道控制技术领域，具体而言，涉及一种匝道合流控制方法、系统、电子设备及存储介质。

背景技术

我国公路网日趋完善，机动车保有量也正在以较高的速度增长，高速公路拥堵现象日益严重，由此引发的交通效率及交通安全问题日益受到关注。同时，有研究发现，高速公路车流汇入区域属于高速公路瓶颈区域和事故易发区域，来自于主线上游的车辆与入口匝道汇入的车辆在此交汇，迥异的驾驶行为及较高的车流量导致汇入区域交通流波动明显，易产生拥堵和交通事故。拥堵及交通事故会导致汇入区域通行效率下降甚至道路中断，而因拥堵或交通事故产生的冲击波会导致汇入区域上游产生移动瓶颈，进而降低主线通行效率和交通安全。

发明内容

本发明提供一种匝道合流控制方法、系统、电子设备及存储介质，以解决现有技术在调节合流区域交通量时，由于未对匝道调节率进行约束，而导致的无法对驾驶舒适性进行有效保障的问题。

第一方面，本发明提供一种匝道合流控制方法，包括以下步骤：

实时获取合流区域车辆数据，所述合流区域车辆数据包括信号控制周期和匝道调节率；

根据所述合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长；

根据所述灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换。

可选地，所述灯色持续时长包括：绿灯持续时长和红灯持续时长；所述绿灯持续时长与所述信号控制周期正相关，且与所述匝道调节率正相关。

可选地，所述根据所述合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长，包括以下步骤：

计算绿灯持续时长：

T_green＝T*r(t)；

其中，T_green为所述绿灯持续时长，T为信号控制周期，r(t)为匝道调节率；

计算红灯持续时长：

T_red＝T-T_green；

其中，T_red为所述红灯持续时长。

可选地，所述根据所述灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换，包括以下步骤：

若当前灯色为绿灯，且保持所述绿灯持续时长，则控制匝道出口处交通灯变换为红灯；

若当前灯色为红灯，且保持所述红灯持续时长，则控制匝道出口处交通灯变换为绿灯。

可选地，所述匝道调节率的计算公式为：

其中，Q_C为主线下游流量，r_min为最小预设匝道调节率，o_out为主线下游占有率，为主线下游占有率期望，N为合流区域车辆总数量，C^len为合流区域车辆平均长度，a为合流区域车辆平均加速度，Δt为车辆经过预设区域的时间，L为合流区域长度，v₀为合流区域车辆初速度。

可选地，所述合流区域车辆平均长度的计算公式为：

其中，为合流区域第I辆车的长度；

所述主线下游占有率的计算公式为：

其中，n为所述预设区间车辆总数，为预设区域第i辆车的长度。

可选地，所述合流区域车辆平均加速度的计算公式为：

a＝v/Δt；

其中，v为预设区域的车辆速度；

所述车辆经过所述预设区域的时间的计算公式为：

Δt＝x/v；

其中，x为预设区域长度；

其中，M为预设区域的数量。

本发明所提供的匝道合流控制方法，具有如下有益效果：

本发明实施例所提供的匝道合流控制方法，根据信号控制周期和匝道调节率计算得到交通灯的灯色持续时长，并根据交通灯的灯色持续时长来控制匝道出口处交通灯的灯色变换，进而调节合流区域的交通量，在不降低车辆在合流区域的通行效率的同时，提高了驾驶舒适性。

第二方面，本发明提供一种匝道控制系统，用于实现上述任一项所述的匝道合流控制方法，所述系统包括：

信息采集模块，用于获取合流区域车辆数据，所述合流区域车辆数据包括信号控制周期和匝道调节率；

主控制模块，用于根据所述合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长；

信号控制模块，用于根据所述灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换。

由于该匝道控制系统采用上述匝道合流控制方法，故具有上述匝道合流控制方法中的有益效果，在此不再赘述。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述任一项所述的方法中的有益效果，在此不再赘述。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时，实现上述任一项所述的方法中的有益效果，在此不再赘述。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种匝道合流控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种匝道合流控制系统架构图；

图3为本发明实施例提供的高速公路匝道-合流区域示意图；

图4为本发明实施例提供的一种匝道合流控制系统工作流程图；

图5为本发明实施例提供的一种匝道合流控制方法的车辆加速度比较效果图；

图6为本发明实施例提供的一种匝道合流控制方法的车流量比较效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例所提供的匝道合流控制方法，应用国际标准ISO 2631-1驾驶舒适性指标，实现对匝道调节率的约束，相比于现有技术，提高了合流区域车辆驾驶舒适性，具体实现方式如下所述。

如图1所示，本发明实施例所提供了一种匝道合流控制方法，该方法包括以下步骤：

S102，实时获取合流区域车辆数据，合流区域车辆数据包括信号控制周期和匝道调节率；

S104，根据合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长；

S106，根据灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换。

本发明实施例提供的匝道合流控制方法，根据合流区域车辆数据(信号控制周期和匝道调节率)计算得到交通灯的灯色持续时长，并根据交通灯的灯色持续时长来控制匝道出口处交通灯的灯色变换，进而调节合流区域的交通量；其中，由于匝道调节率是通过国际标准ISO 2631-1驾驶舒适性指标进行性约束的，所以由匝道调节率和信号控制周期计算得到的灯色持续时长也受到该舒适性指标约束，进而使匝道出口处的交通灯的灯色也受到该舒适性指标的约束。采用该方法可以在不降低车辆的通行效率的同时，提高驾驶舒适性。

具体的，上述步骤S104中，灯色持续时长包括：绿灯持续时长和红灯持续时长；绿灯持续时长与信号控制周期正相关，且与匝道调节率正相关。

在一种实施方式中，上述步骤S104，包括如下子步骤：

A1，计算绿灯持续时长：

T_green＝T*r(t)； (1)

其中，T_green为绿灯持续时长，T为信号控制周期，r(t)为匝道调节率；

A2，计算红灯持续时长：

T_red＝T-T_green； (2)

其中，T_red为红灯持续时长，T_green为绿灯持续时长，T为信号控制周期。

由上述子步骤A1中的公式(1)可知，绿灯持续时长由匝道调节率决定，由于匝道调节率受到驾驶舒适性评价指标约束，所以绿灯持续时长也受到驾驶舒适性评价指标约束；由上述子步骤A2中的公式(2)可知，红灯持续时长由绿灯持续时长决定，由于绿灯持续时长受到驾驶舒适性评价指标约束，所以红灯持续时长也受到驾驶舒适性评价指标约束。

具体的，上述步骤S106，包括如下子步骤：

B1，若当前灯色为绿灯，且保持绿灯持续时长，则控制匝道出口处交通灯变换为红灯；

B2，若当前灯色为红灯，且保持红灯持续时长，则控制匝道出口处交通灯变换为绿灯。

与此可知，采用该方法可以根据受驾驶舒适性评价指标约束的绿灯持续时长和红灯持续时长变换匝道出口处的交通灯的灯色，来对匝道中的车辆进行放行和禁行，使驾驶员在舒适驾驶状态下通过合流区域。

在一种实施方式中，上述子步骤A1的公式(1)中匝道调节率的计算公式如下：

其中，Q_C为主线下游流量，r_min为最小预设匝道调节率，o_out为主线下游占有率，为主线下游占有率期望，N为合流区域车辆总数量，C^len为合流区域车辆平均长度，a为合流区域车辆平均加速度，Δt为车辆经过预设区域的时间，L为合流区域长度，v₀为合流区域车辆初速度。

由上述公式(3)可知，若a∈[0,0.8]且则匝道调节率为最小预设匝道调节率，说明该情况下通过合流区域的车辆的驾驶员的驾驶状态为舒适驾驶状态。

在一种实施方式中，上述公式(3)中合流区域车辆平均长度的计算公式为：

其中，为合流区域第I辆车的长度；

上述公式(5)中主线下游占有率的计算公式为：

其中，n为预设区间车辆总数，为预设区域第i辆车的长度；

上述公式(6)中合流区域车辆平均加速度的计算公式为：

a＝v/Δt； (7)

其中，v为预设区域的车辆速度；

上述公式(7)中车辆经过预设区域的时间的计算公式为：

Δt ＝ l/v； (8)

其中，l为预设区域的长度；

上述公式(7)中预设区域的长度的计算公式为：

其中，M为预设区域的数量。

本发明实施例提供一种匝道控制系统，用于实现上述任一项的匝道合流控制方法，系统包括：

信息采集模块，用于获取合流区域车辆数据，合流区域车辆数据包括信号控制周期和匝道调节率；

主控制模块，用于根据合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长；

信号控制模块，用于根据灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换。

由于该匝道控制系统采用上述匝道合流控制方法，故具有上述匝道合流控制方法中的有益效果，在此不再赘述。

本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现上述任一项的方法中的有益效果，在此不再赘述。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时，实现上述任一项的方法中的有益效果，在此不再赘述。

下面以更加具体的示例，对本发明实施例所提供的匝道合流控制方法进一步进行说明，具体如下：

为了便于理解，这里举例说明。如图2所示，该方法中，通过匝道控制系统对匝道出口处的车辆的状态进行控制，该匝道控制系统包括：信息采集设备、匝道控制器、信号控制器和信号灯；其中，信息采集设备包括：相机和雷达。

具体的，合流区域布设信息采集设备及信息采集的过程如下：

按照GB/T 20609-2023要求，信息采集设备的最大检测距离不小于45米，如图3所示，在合流区域L内每间隔50米布设一个信息采集设备，其中，合流区域L分为加速路段L₁和渐变段L₂，L＝L₁+L₂；将合流区域L划分为M个等长度的区间路段x，共布设M个信息采集设备，其中，x＝50。信息采集设备获取每个区间路段x内的车辆平均速度Δv_m，用区间路段x内的车辆平均加速度a_m代替合流区域L内的车辆加速度a_n。则第m(m＝1,2,…,M)个区间路段x内的车辆平均加速度a_m的计算公式为：

a_m＝Δv_m/Δt_m；

其中，Δt_m为车辆经过区间路段x的时间。

通过信息采集设备识别经过合流区域L的车辆平均长度C^len和经过区间路段x的车辆数量n，计算合流区域下游车辆空间占有率，合流区域下游车辆空间占有率计算公式为：

其中，为经过区间路段x的第i辆车的长度，n为经过区间路段x的车辆数，C^len为经过合流区域L的车辆平均长度，经过合流区域L的车辆平均长度的计算公式为：

其中，为经过合流区域L的第I辆车的长度，N为经过合流区域L的车辆数。

合流区域的信息分析过程如下：

如图4所示，信息采集设备将合流区域下游车辆空间占有率o_out、合流区域L车辆平均长度C^len、合流区域L内的每个车辆加速度a_n(区间路段x内的车辆平均加速度a_m)、合流区域L内经过的车辆数N、区间路段x内的车辆平均速度Δv_m、合流区域的车辆出速度v₀和车辆经过区间路段x的时间Δt_m发送至匝道控制器，以使匝道控制器计算匝道调节率，匝道调节率的计算公式为：

其中，r(t)为匝道调节率，r_min为预设最小匝道调节率，为合流区域下游车辆空间占有率期望，Q_C为合流区域下游主线流量，Q_in为合流区域上游主线流量。

该计算公式通过比较合流区域下游主线流量和合流区域上游主线流量得交通需求，并根据交通需求计算匝道调节率，以保证匝道车辆汇入主线后，合流区域下游交通量不超过通行能力，保证道路资源的充分利用。

具体的，合流区域上游主线流量的计算公式为：

Q_in＝ρ*Δv_m；

其中，Δv_m为区间路段x内的车辆平均速度，区间路段x内的车辆平均速度的计算公式为：

Δv_m＝v₀+a_n·Δt_m；

ρ为合流区域车辆密度，合流区域车辆密度计算公式为：

由合流区域车辆密度ρ可知，匝道控制的目的是为了保证主线交通流优先通行权，即保证主线交通的自由流状态。

由上述计算公式可知，匝道调节率的计算公式为：

表1示出了舒适性等级表。在表1中，舒适性等级3、舒适性等级4、舒适性等级5均为舒适驾驶状态等级。其中，舒适性等级所对应的舒适性指标的计算公式为：

其中，C为舒适性指标。

表1

由上述舒适性指标的计算公式可知，即a_n＝C，所以，由表1可知，若需保证驾驶车辆的舒适性，合流区域L内的每个车辆加速度a_n的范围需为[0,0.8]。由此可知，匝道调节率的计算公式为：

s.t.a_n＝[0,0.8]

如图4所示，匝道控制器根据匝道调节率计算出灯色持续时长，并根据灯色持续时长生成信号灯控制信号，其中，灯色持续时长包括绿灯持续时长和红灯持续时长；该方法具体步骤如下：

计算绿灯持续时长：

T_green＝T*r(t)；

其中，T_green为绿灯持续时长，T为信号控制周期，T＝5min，r(t)为匝道调节率；

计算红灯持续时长：

T_red＝T-T_green；

其中，T_red为红灯持续时长，T_green为绿灯持续时长，T＝5min，T为信号控制周期。

匝道出口处信号灯的灯色变换过程如下：

如图4所示，信号控制器每个信号控制周期(5min)从匝道控制器获取信号灯控制信号，并根据信号灯控制信号的灯色变换，以此来完成对匝道车辆的放行和禁行的调控，实现高速公路匝道控制，具体步骤如下：

若当前信号灯的灯色为绿灯，且保持绿灯持续时长，则控制匝道出口处的信号灯变换为红灯；

若当前信号灯的灯色为红灯，且保持红灯持续时长，则控制匝道出口处的信号灯变换为绿灯。

本发明实施例所提供的匝道合流控制方法，以国内某条高速公路为例，该高速公路为双向六车道，其匝道为平行式单向双车道，如图5所示，将考虑舒适性约束的匝道控制方法的车辆加速度和未考虑舒适性约束的匝道控制方法的车辆加速度相比，车辆的加速度变化范围(加速度差)降低；如图6所示，将考虑舒适性约束的匝道控制方法的车流量和未考虑舒适性约束的匝道控制方法的车流量作比较，车流量(道路通行效率)未降低；由此可知，本发明实施例所提供的匝道合流控制方法在考虑驾驶舒适性约束后加速度变化范围降低，提升了驾驶舒适性，并且未降低车流量。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种匝道合流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时获取合流区域车辆数据，所述合流区域车辆数据包括信号控制周期和匝道调节率；

根据所述合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长；

根据所述灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换。

2.根据权利要求1所述的匝道合流控制方法，其特征在于，所述灯色持续时长包括：绿灯持续时长和红灯持续时长；所述绿灯持续时长与所述信号控制周期正相关，且与所述匝道调节率正相关。

3.根据权利要求2所述的匝道合流控制方法，其特征在于，所述根据所述合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长，包括以下步骤：

计算绿灯持续时长：

T_green＝T*r(t)；

其中，T_green为所述绿灯持续时长，T为信号控制周期，r(t)为匝道调节率；

计算红灯持续时长：

T_red＝T-T_green；

其中，T_red为所述红灯持续时长。

4.根据权利要求1所述的匝道合流控制方法，其特征在于，所述根据所述灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换，包括以下步骤：

若当前灯色为绿灯，且保持所述绿灯持续时长，则控制匝道出口处交通灯变换为红灯；

若当前灯色为红灯，且保持所述红灯持续时长，则控制匝道出口处交通灯变换为绿灯。

5.根据权利要求2所述的匝道合流控制方法，其特征在于，所述匝道调节率的计算公式为：

其中，Q_C为主线下游流量，r_min为最小预设匝道调节率，o_out为主线下游占有率，为主线下游占有率期望，N为合流区域车辆总数量，C^len为合流区域车辆平均长度，a为合流区域车辆平均加速度，Δt为车辆经过预设区域的时间，L为合流区域长度，v₀为合流区域车辆初速度。

6.根据权利要求5所述的匝道合流控制方法，其特征在于，所述合流区域车辆平均长度的计算公式为：

其中，为合流区域第I辆车的长度；

所述主线下游占有率的计算公式为：

其中，n为所述预设区间车辆总数，为预设区域第i辆车的长度。

7.根据权利要求5所述的匝道合流控制方法，其特征在于，所述合流区域车辆平均加速度的计算公式为：

a＝v/Δt；

其中，v为预设区域的车辆速度；

所述车辆经过所述预设区域的时间的计算公式为：

Δt＝x/v；

其中，x为预设区域长度；

其中，M为预设区域的数量。

8.一种匝道控制系统，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述的匝道合流控制方法，所述系统包括：

信息采集模块，用于获取合流区域车辆数据，所述合流区域车辆数据包括信号控制周期和匝道调节率；

主控制模块，用于根据所述合流区域车辆数据，计算得到交通灯的灯色持续时长；

信号控制模块，用于根据所述灯色持续时长，控制匝道出口处交通灯的灯色变换。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1-7任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述权利要求1-7任一项所述的方法的步骤。