（交通信息工程及控制专业论文）城市快速路系统主辅路均衡控制研究.pdf

e壅銮丝厶：羔亟上堂i 互途塞 史塞缝堡 中文摘要 摘要：城市快速路在大城市的交通网络中，承担着大量的交通任务。近几年来， 随着经济的快速发展，机动车辆急剧增多，加上快速路对出行者的吸引，大量车 流涌入快速路，致使快速路交通需求超过交通供给，交通阻塞现象屡见不鲜。实 施交通控制的目的在于保证交通安全和期望的服务水平。 并行多路系统任务均衡问题广泛存在于化工、电力、交通及计算机等工程领 域中，本论文主要研究了城市快速路系统主辅路间的交通流均衡控制问题，主要 内容和研究成果包括：一、针对城市快速路频发的拥堵现象，分析了并行的快速 路主辅路交通流特性和主辅间交通流影响因素。二、将交通路网中广泛存在的路 网负载均衡问题，抽象为并行多路系统任务均衡控制问题。研究的重点放在从任 务均衡的角度出发，控制快速路主路、辅路交通量以及相连接的进出匝道的交通 量，达到主辅路间负载均衡的目的。三、在m a t l a b 平台上进行交通流仿真研究， 仿真结果表明均衡控制方法对于平衡交通流密度，提高道路利用率和道路通行能 力，解决或预防拥堵有着很好的效果。 关键词：任务均衡；局部入口匝道控制：a l i n e a 控制；m a t l a b 仿真 分类号：u 4 9 1 5 4 ；t p 3 9 1 9 e 立窑适厶堂亟竺垃泣塞垦i 星! a b s t r a c t a b s t r a c t ：f r e e w a y i sa l li m p o r t a n tp a r to f r o a dn e t w o r ka n dp r o v i d e sh i g he f f i c i e n t s e r v i c ew i t hh i 曲c a p a c i t ya n dh i g hs p e e d i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gt r a f f i c d e m a n d ，h e a v yt r a f f i cd e m a n do f t e nl e a dt ot r a f f i cc r o w dc o n g e s t i o na n dt r a f f i ca c c i d e n t o nt h eu r b a ne x p r e s s w a y t h et r a f f i cc o n g e s t i o nb e c o m e sas e r i o u sp r o b l e mi nm o d e m t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s t r a f f i cc o n t r o li su s e dt og u a r a n t e es a f e t ya n dt og e tt h ef r e e w a y a tad e s i r e dp e r f o r m a n c e t h es y s t e m sw i t hm u l t i p l ep a r a l l e lp l a n t s ( m p ps y s t e m ) e x i s ti naw i d ev a r i e t yo f e n g i n e e r i n gf i e l d s ，s u c ha sc h e m i c a le n g i n e e r i n g ，p o w e rs y s t e m s ，t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ， a n dc o m p u t e re n g i n e e r i n g ，e t c t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e st h et r a f f i cb a l a n c i n gc o n t r o l p r o b l e mo ff r e e w a ya n da u x i l i a r yt r a f f i c t h em a i np r o b l e ms t u d i e da n dt h er e s u l t s o b t a i n e di n t h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m e du pa sf o l l o w s f i r s t ，t h et a s kb a l a n c i n g c o n t r o lm e t h o dw i t hm u l t i p l ep a r a l l e lp l a n t si sa p p l i e dt ot h eb a l a n c i n gc o n t r o lp r o b l e m b e t w e e nt h ef r e e w a ym a i n l i n ea n dt h ea u x i l i a r yv i at h eo n - r a m pa n do f f - r a m pm e t e r i n g s t r a t e g i e s t h e ne x t e n s i v es i m u l a t i o nr e s u l t su s i n gm a t l a bs o f t w a r ea r eg i v e no u tt o d e m o n s t r a t et h ee f f i c a c ya n dt h ec o r r e c t n e s so f t h e p r o p o s e da p p r o a c h k e y w o r d s ：t a s kb a l a n c i n gc o n t r o l ；l o c a lr a m pm e t e r i n g ；a l i n e ac o n t r o l ；m a t l a b s i m u l a t i o n c l a s s n o ：u 4 9 1 5 4 ；t p 3 9 l ，9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：拟丽呻 导师签名： f 矾舛 ， 签字日期： 口7 年n 月2 ，日 签字日期：d7 年公月d 1 ) f 同 e 盛窑遒厶堂亟! ：堂位迨窑蕉剑娃生明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标泣和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；坂丽吟 签字日期： 口7 年，二月弓日 致谢 本论文的工作是在我的导师侯忠生教授的悉心指导下完成的，导师渊博的学 议、严谨求实的治学态度、敏锐的科学思维和丰富的学术研究经验使我终生受益； 在我攻读硕士学位期日j ，无论是从基础学习、论文选题、研究内容及方案的制定， 还是论文的撰写和定稿过程中，始终受到了导师全面的指导和精心培养。对论文 内容提出的高标准严要求，使我培养了严谨而认真的科研态度，为今后的工作打 下了良好的基础。同时导师在工作和学习中也给予了很多的宝贵建议和无微不至 的关怀，在此谨向他表示最诚挚的感谢和崇高的敬意。 感谢先进控制系统实验室所有老师和同学，感谢他们在两年多来对我的支持 和帮助。尤其感谢晏静文师姐，学习过程中，给予了我很大的帮助。感谢我的家 人，感谢他们对我学业的支持和生活上的关心。 在论文的写作过程中参阅了大量的有价值的中外文献资料，在此，向这些专 家、学者表示感谢，感谢前人在这一领域内所做的大量工作。他们的研究成果开 拓了我的思路，拓宽了我的知识面。 另外，衷心感谢在百忙中抽出宝贵时间对本论文进行评审的专家和学者们， 感谢您们对本论文提出的宝贵意见。 些豆盆丝厶堂亟：兰垃淦塞绻 淦 1 1 研究背景与选题意义 第一章绪论 城市的发展离不开道路的发展，便捷高效的交通促进了城市经济发展，城市 的发展反过来又加大了交通需求增长。城市化进程加快，城市人口、车辆同益增 长，对城市交通提出了更高的要求。自8 0 年代开始，很多大型城市如：北京、上 海、广州等地纷纷修建城市快速路。但随着城市的发展，土地资源的有限，交通 需求矛盾日益突出。而现有路网结构的不合理、交通服务水平的低下，监控措施 的不力往往会加重城市交通问题。 城市快速路在大城市的交通网络中，承担着大量的交通任务，在提高大运量、 高效快捷的服务水平方面有着不可替代的作用。如何实现城市快速路的真正高效、 快捷、安全的交通服务功能，一直是国内外学者努力研究的课题。为确保快速路 系统的交通真正高效运行，除了进行科学合理的规划、设计及建设，建成后实施 有效的管理和控制也是及其重要的。 1 9 9 8 年8 月1 3 日建设部发布了中华人民共和国国家标准城市规划基本术语 标准，其中对快速路进行了界定：快速路是指“城市道路中设有中央分割带，具 有四条以上机动车道，全部或部分采用立体交叉与控制出入，供汽车以较高速度 行驶。又称汽车专用道，【”。城市快速路系统多为环路加放射性联结线组成。城市 快速路承担着城市中大量、长距离、快速交通服务，城市外环还应具有屏蔽过境 交通的功能：由于城市环路在路网中的独特作用，具有同一目的地的多向选择特 点，可以起到截留、汇集和疏导车流作用。 城市地快速路大都嵌入在城市普通道路网络中，经常需要通过快速路辅路以 及进出口匝道，与各级相交道路之间进行交通转换。但随着城市交通量地迅速增 长，以北京市为例，截止到2 0 0 7 年5 月2 6 日北京市机动车已突破3 0 0 万辆。快 速路拥堵现象屡见不鲜，并日趋严重，车辆缓行、行程时间延误逐步增加，影响 了快速路作用的发挥。 按照设计标准，城市快速路应能为车辆提高安全、快速、高效、舒适，方便 的行驶环境，但由于不断增长的交通需求、事故等原因，往往导致经常性的交通 拥堵，在造成拥堵的许多因素中，大部分可归纳为两类【2 j ：一类是常发性拥堵，此 时交通需求超过了快速路的设计通行能力；一类是偶发性拥堵，如发生交通事故 或进行公路养护等。快速路在构造上的最大特点是：进出口间距明显小于高速公 e 立窑堑厶堂亟= ! i 主l i途塞 络途 路，但快速路进出口同时又是主路与辅路之间相叵影响、相互作用的纽带，主、 辅路之i 日j 车流的交换都需要通过进出口来完成。这使得进出口处交通流的迟滞、 拥堵，成为影响快速路通行能力和服务水平的重要因素。快速路主、辅路在进出 口处交通流的迟滞、拥堵现象主要分为两种：在快速路进出1 3 处排队过长导致的 回溢现象影响辅路和与之相关的道路；在出口处排队过长延伸到主路，造成主路 交通迟滞、拥堵。 目i j 国内对快速路系统的研究侧重于城市快速路主路的控制方法，如：入口 匝道控制、主线控制，而对主辅路交通流之间的相互影响以及主辅路之自j 的均衡 控制尚显不足。 本论文在国内外研究基础上，结合国内城市快速路的特点，在分析主、辅路 交通运行相互影响因素的基础上，建立模型，从均衡角度出发，对主辅路实腌均 衡控制，并根据国内外道路控制相关的评价指标，对控制策略的好坏进行评价。 1 2 快速路系统概述 1 2 1 快速路系统的特征 城市快速路系统的特征： ( 1 ) 承担市内主要交通，交通需求比较大 城市快速路一般设置主路、辅路来承担不同的交通功能。一般情况下，在快 速路主路两侧平行布置辅路。辅路车道数与沿线的交通需求有关，一般按两车道 设置。在城市中心区，如条件具备也增加一条车道，便于公交车辆停靠或用于设 置公交专用道，或为临街居民、商业网点临时停车使用。据统计一条全部采用立 交的快速路其汽车行驶的速度和通过量大约是普通道路的2 5 3 倍。 ( 2 ) 车流连续快速 城市快速路系统采用立交进入、进出；主路无平面交叉口；设计车速可以达 到6 0 1 0 0 k m h 的标准，保证车辆连续快速通行。 ( 3 ) 汽车专用、车种变化小 考虑到快速路的道路性质，主路承担大容量的通过性交通，为机动车、公共 汽车服务。辅路主要行驶非机动车辆，为道路沿线的集散性交通服务，并提供部 分公共交通服务。 ( 4 ) 多为放射性环形结构、结点多、进出口多、进出口间距短 城市快速路作为城市道路网的一部分，不是孤立地存在于城市中，而是通过 匝道与周边路网联系在一起，同时也为道路沿线的集散性交通服务。从交通衔接 2 e 丛窑道厶翌亟竺位硷塞绪论 的层次来看，快速路交通衔接主要可分为两个层次：城市快速路t l 郊区高速公路 以及城市快速路内部相互| 日j 的衔接；快速路与周边地面路网之1 h j 的衔接。快速路 系统主辅路之问的交通连接主要靠主、辅路| 日j 的进出口实现。进m 口应在保证快 速路主路交通不受影响，方便沿线车辆进出的情况下合理分布。在满足进出交通 需求的前提下应严格控制快速路主、辅路的进出口数量；另外，主、辅路进出设 置应尽量减小对主路快速交通的影响。 城市快速路系统的特征可以概括为：承担市内主要交通，交通需求大，交通 量接近通行能力，某些路段常发性拥堵频繁发生；多位放射性环状形式，结点多， 进出口较多、问距短；汽车专用、车种构成的变化小；出口匝道与没有富余通行 能力的普通道路相接，车辆在高峰时段从匝道驶出较为困难。 1 2 2 快速路系统主辅路交通流影响分析 城市快速路一般包含主路和辅路，进出口和立交进出口，短距离内有较多的 进出口和出入匝道、交织区较多。快速路的交通流运行特征是主路上既有快速、 连续的交通流，而辅路由于受信号控制的交叉口的影响，为典型的问断流，规律 性的出现排队和消散现象。需要使用主路的车辆通过辅路上的进口和城市干道与 主路相交处互通式立交入1 3 匝道进入主路；需要离开主路的车辆通过辅路上的出 口和立交出口匝道进入辅路或相交干道。由于连接主路和辅路的进出口处、立交 的出口匝道处分、合流现象频繁，会出现排队，从而影响主路和辅路的交通。 快速路主辅路交通流相互影响，最直接的表现是造成主、辅路的拥堵、迟滞 或缓行。快速路系统的辅路由于进出口车辆，沿线的集散性交通以及信号交叉口 的影响，导致在高峰时段，辅路的交通拥堵会影响到主路和辅路相连的其他道路。 这种情况在北京二环、三环较为严重。主辅路间交通流影响因素主要有以下几方 面【3 1 ： ( 1 ) 主路承担交通比重偏高、路网布局与交通需求分布不匹配。 ( 2 ) 匝道布设不合理。如：连续设置入口匝道引起匝道与主线车道数不匹配， 造成局部拥堵；相邻出、入口匝道间距过小，车辆汇入、汇出引起交织严重，主 线通行能力骤降，形成交通瓶颈；匝道与地面交叉口间距过小，由于匝道横向不 止为外侧式，进出匝道车辆与地面车辆之间交织严重，影响到地面交叉口交通流 的运行。 ( 3 ) 出口匝道相邻地面交叉口的相应疏散能力不足。主要原因有：进出口车 辆与地面车辆交织、交叉口信号控制设计不合理等。 ( 4 ) 交通监控不足。 i e 丞塞鲤厶堂亟堂位淦塞绪 淦 选取北京二环、三环若干各路段观测发现主路的交通拥堵重要发生在进口 主路交织区段。而辅路的交通拥堵主要发生在路段的两端，即：辅路进 口段，出口辅路段；在进出口之| 日j 的辅路路段较少出现交通棚堵，但当进口 与辅路上游交叉口、出e l 与辅路下游交叉口距离较近时，高峰时段的拥堵车辆也 会蔓延到进出口问的辅路路段。 1 3 城市快速路系统交通控制方法 快速路控制就是对一些主要的交通参数，如交通量、交通密度、速度、占有 率、拥塞度以及交通状况、路面状况和气象参数等的实时观测和测量，根据交通 参数及交通历史数据或实时采集的数据，按照某种预定的性能准则来调节快速路 的交通参数，从而使快速路自动地保持在最佳的运行状态。经验表明，对快速路 实行交通控制，不仅能提高高峰期间车辆的行驶速度，增加高峰期间的交通量， 减少交通拥塞和车辆行驶的延误时间，同时也能大大减少交通事故，节约燃料和 减少车辆的尾气排放，具有显著的经济效益。 由于城市快速路在设计标准和服务功能上，都与高速公路相似，而与其它等 级的城市道路区别较大，因此城市快速路控制方法也基本与高速公路相似，主要 包括入v i 匝道控制、出口匝道控制、主线交通控制、网络路由控制和通道集成控 制。其中入口匝道控制使应用最为广泛，也是最为有效的控制措施。随着智能交 通技术的发展，通道集成控制将逐渐成为控制的重点。 1 3 1 入口匝道控制 入口匝道控制的基本原理是通过调节进入快速路的交通量，使快速路本身的 交通需求不超过它的容量，从而保证快速路依据某一性能指标运行在最佳状态附 近。为保证快速路主路运行在最佳状态，在入口匝道上设置信号灯，当入口匝道 上游的主路交通需求和入口匝道进入主路交通需求总和大于下游主路的通行能力 时，对匝道进入主路交通需求进行控制，减少匝道进入主路的交通量，使下游主 路交通流维持在低于但接近其通行能力的最大服务交通量。这样以来，期望进入 快速路的车辆，在允许进入快速路之前将要在入v i 匝道处排队等待，若不想在入 口匝道上等待，可选择其它替代路线，从而实现交通转移。采用合理的入口匝道 控制策略对改善快速路和普通道路的交通状况都有益处；然而采用不合理的入口 匝道控制策略也有可能产生负面影响，甚至影响到整个交通系统的运行状态【4 1 。 按入口匝道控制是否响应实时的交通状况，可把入口匝道分为定时控制 t 丝立窒通厶堂亟! ：f ：位途塞 绪 途 ( f i x e d t i m es t r a t e g i e s t i m e - o f - d a yc o n t r 0 1 ) 和交通感应控制( t r a f f i cr e s p o n s i v ec o n t r 0 1 ) 两大类。 ( 一+ ) 定时控制 定时控制是最简单的一种入口匝道调节控制，属于静态调节方式，定时控制 的入口匝道调节率是固定的或者时根据一天内各时段的变化而预先设定的，不需 要实时的交通信息，通常根据历史交通数据估算得到。入口匝道定时控制系统由 信号灯、控制器、检测器、匝道控制标志和路面标记组成，构成如图l 一1 所示。 图1 - 1 入口匝道定时控制系统 f i g ，1 1 ，t i m e - o f d a yc o n t r o l 定时控制算法早在6 0 年代就已被提出。其基本思想是以快速路上的交通量不 超过其通行能力为约束，流入快速路的交通量最大为目标函数。该法将快速路分 为n 段，每段最多只有一个入口匝道和一个出口匝道，第j 个路段流量g ，的稳态 模型为： q = 啪 最优控制策略如f ： m a x ，= “：口 0 调节参数。 此方法控制原理简单，只需预先给定一个接近临界占有率的期望值，每个采 样周期内如果实测到下游占有率低于或高于期望占有率，就调整原有的调节率， 使新的调节率在每次实测到的调节率的基础上增大或减小。 研究结果表明，a l i n e a 的鲁捧性很好。其主要缺点是由其局部控制的特点造成 的，因为在拥堵未到达匝道控制的区域时该控制器没有响应，所以不足以消除拥 堵。采用a l i n e a 方法控制时需要注意期望占有率、检测器位置、k 。和周期的选 取。期望占有率在临界值附近或者略小于临界值时控制效果最好，如果外部交通 条件变化，只需调整；的值；检测器位置应设在下游主线拥堵刚好发生的地方，检 测到的占有率才能够较好的反映实际的交通情况：置，用来调节反馈的量；周期表 示每一次对调节率进行调整的时间。 根据p a r a g e o g i 0 1 1 研究表明，k 。值的大小对系统性能是有影响的，k 。值越大 对系统调节速度就越快，但调节率波动越大；反之，k 。越小，系统调节速度就越 慢，但调节波动越小；当k r = 7 0 v e b h r 时可以得到最佳控制效果i l ”。研究表明 7 瘟窑适厶堂麴：! i 兰i 互逾塞 缝淦 a l i n e a 的成功应用j i 要依赖于颅先合理的对这些参数进行选抒，虽然a l i n e a 受这些因素的影响并不显著，但是参数的选取更多的来源于以扎的经验值，并i ；主 在实际中进行微调比较困难。 在以有的基础上，一些学者对a l i n e a 的参数优化和控制律形式进行了改进。 如( 1 ) 基于遗传算法的g a a l i n e a 控制律，对a l i n e a 控制律中涉及的四个参 数同时进行实时的优化和微调，提供了四个参数选取的最佳范围j 13 】；( 2 ) 结合自适 应控制原理，对临界占有率进行实时估计的a d a l i n e a ，获得实时变化的期望占 有率o 。( t 1 ，增加了控制策略的实时适应性1 1 4 】；( 3 ) 适应实际中道路控制系统中检 测器位置可能安放在匝道上游路段的需要提出了利用道路上游占有率检测值的 u p a l i n e a ；( 4 ) 以流量为控制对象的f l a l i n e a 控制律：( 5 ) 利用道路上游流 量检测值的u f a l i n e a 控制律：( 6 ) 基于无模型自适应控制理论的m f a c a l i n e a l l 舢。 文献【l o 】中p a p a g e o r 西o u 等人在法国b o u l e v a r dp e r r i p h i q u e ( b p ) 大道上，应用 不同控制方法对单个入口匝道进行控制，以静态控制作为参照标准，结构表明， a l i n e a 控制方法最优。在减少系统的旅行时间和提高车辆的平均速度方面， a l i n e a 算法比定时控制算法和需求容量算法更有效。 从控制原理上来看，需求一容量方法和占有率方法是一种简单的开环控制， 基于反馈的a l i n e a 策略是一种闭环控制，其控制效果从长期的理论研究和实际 应用中都己验证，显著高于需求一容量方法、占有率方法等方法。而对于a l i n e a 方法的一系列改进g a a l i n e a 、a d a l i n e a 、u p a l i n e a 、f l - a l i n e a 、 u f - a l i n e a 、m f a c a l i n e a 等也都不断提高了这种局部入口匝道控制方法的适 应性和实用性。 对于以上提到的需求容量方法、占有率方法、a l i n e a 方法是常用的局 部动态控制方法，匝道调节率都是根据匝道上下由主线交通检测器所提供的实时 交通数据动态地确定，随实际的交通情况地改变而改变，而不是预先给定的恒值， 统称为局部动态感应控制。 局部交通响应控制算法地缺点是：各个局部控制器之间缺乏统筹协调；没有 考虑局部优化对整个路网的影响。 ( 三) 全局动态调节 这种调节系统是全局性的，把包含若干个入口匝道的整条或一段快速路当作 一个整体，在实时采集各路段交通信息的基础上进行动态优化计算，确定各入口 匝道的最佳调节率。 各匝道均有单独的微型计算机对自己信息进行直接控制，它与本路段及控制 中心计算机保持通信联系。控制中心计算机完成各匝道控制的协调优化计算。 8 盛窑丝厶堂鲤l 堂僮睦塞 垡论 全局动态凋符实行总体胁调，以全局最佳运行为e l 标，追求全局。h 能指标最 优，而不是某个匝道、某个路段最优。对事件等作f 常交通现象做出反应，町避 免或迅速消除常发性与偶发性拥堵| z j 。 ( 四) 智能控制 在入口匝道控制方面，出于交通系统是个非常复杂的强非线性大系统，首先 交通系统是一个肓人参与的主动系统，驾驶员的行为必然会对交通系统产生影响， 并且影响是复杂的、随机的，难以用精确的数学模型加以描述；其次，突发的交 通事件更是给交通系统的建模带来困难，由于快速路上交通流的复杂性、非线性 和动念性，传统的控制理论显的力不从心，难以取得满意的控制效果。许多学者 开始将模糊控制、神经网络控制、迭代学习控制等智能控制理论应用到交通中， 并取得了一系列成果。 1 、模糊控制 文献【1 7 】中，提出了单个匝道口的模糊控制问题；文献 1 8 1 1 9 1 将模糊控制 应用于高速公路的匝道控制，现场实验表明模糊控制比定时控制和需求容量控制 的控制效果都好，模糊控制的优点在于它不需要控制对象的精确数学模型，同时 可利用各位专家的经验，允许不精确的数据输入，能有效地克服原始数据的误差 问题。模糊控制的缺点在于模糊规则的获取比较困难，控制参数的设定需要大量 的工作，且不具备在线学习功能。对于多个匝道控制，其模糊规则将呈指数增加， 这是导致模糊控制没有成功地推广到多个匝道控制的原因。 2 、神经网络控制 神经网络是模拟人脑的自学习功能，具有很强的非线性映射能力，具有三层 或三层以上的神经网络可以逼近任何非线性函数。文献【2 0 】中对神经网络在入口匝 道控制上的应用进行了研究，研究表明神经网络控制能取得很好的控制效果。 神经网络控制的优点在于它的自学习能力，能直接应用于非线性系统，不需 要对非线性系统进行线性化。它的不足之处在于神经元数目的确定没有一个合理 的标准，对实时性要求较高的交通控制系统来说，其学习时间相对较长，难以满 足匝道控制的高实时性要求。 3 、迭代学习控制 文献【2 1 】【2 z 】中，侯忠生教授将迭代学习控制引入到交通控制领域，提出了基 于迭代学习控制的入口匝道控制、主线控制以及迭代学习和a l i n e a 相结合的控制 方法。通过严格的数学论证了控制算法的收敛性，仿真结果表明迭代学习控制在 平滑交通流密度、提高道路利用率和道路通行能力方面有着很好的控制效果。 9 e 立銮丝厶笙亟堂位途塞 绪 盈 1 3 2 主线控制 兰线交通控制的对象就是快速路本身的交通流，当道路交通需求接近通行能 力时，对主线e 的交通流进行调节、诱导和警告。主线控制的目的是改善城市快 速路的安全和效率，缓解主线上的交通拥挤和交通瓶颈对交通的影响。主要方法 有可变限速控制、车道控制、驾驶员信息系统。 在交通需求小于通行能力时，即交通流密度小于临界密度，交通流的不均匀 性，车辆空问分布不均、车辆速度相差比较大等因素，所产生扰动也会导致交通 流不稳定而引发拥堵。可通过速度调节改善交通流的稳定性，有助于保证达到最 大的交通流量；在交通需求大于通行能力时，可变速度控制能延缓拥挤的出现。 实施可变限速控制可使主线交通流保持均匀和稳定，改善交通流运行状态。 车道控制是通过对车辆在使用车道的时阊和空闯的限帛4 对交通流进行控制。 驾驶员信息系统是通过可变信息情报板、路测无线传输装置，车载设备对驾 驶员提出行车速度、车辆间距限制的警告，提供行程时自j 和行驶路线等实时交通 信息进行路线引导，使其选择合理的运行状态，保证交通畅通。此外还有优先控 制，对一定种类的车辆在使用交通设施时分配优先通行权或特别使用权，如救护 车、公共汽车、警用车辆的优先控制。 1 3 3 网络路由控制 网络路由控制是近年来的热点研究动态交通分配问题。在现有交通模式 下，由于出行者在出行途中很难得到实时交通信息，因而无法及时选择最优行车 路线，以最小费用抵达终点。交通需求与供给不平衡从而导致无法充分利用路网 资源，导致高峰期时问比较长。在驾驶员路径选择行为在很大程度上是可以预测 的前提下，网络路由控制以某个性能指标最优为目标，根据驾驶员路径选择行为， 为路网中的车辆实时分配路径；主要信息通过可变信息标志v m s ( v a r i a b l em e s s a g e s i g n s ) 实现。与匝道控制和区域交通信号控制不同，网络路由控制目的是实现路网 通行能力和交通需求的空间匹配，而不是实现道路通行能力和交通需求的时间匹 配。 1 3 4 通道控制 通道控制是一种区域性的集成控制策略，以多层分级控制的方式实施，高层 主要功能是指定和调整全区域的控制战略，协调各子区域的控制，各中闻层负责 些瘟銮适厶堂亟堂位途塞缝途 各区域内的短期控制策略，低层实施局部的实时控制。快速路通道由。条快速路、 辅路、互通立交、平行主干道，连接快速路和主干道的交叉道路组成。控制方法 综合了快速路的匝道控制、主线控制，网络路由控制和城市道路的信号控制等多 种控制措施。在实施时根掘具体情况可以有选择地进行各种控制方法的集成，文 献【2 3 】中，对快速路系统采用了三个控制层：直接控制层、协调控制层和适应层。 鲁棒性强的控制策略应用于直接控制层，解决单匝道控制问题，控制一段快速路 交通流；自适应模糊控制应用于协调层，根据多段快速路的交通状况胁调多个匝 道的调节率；逻辑控制应用于适应层预测可能的拥堵情况，更新协调层控制参数 和依据不同的交通状况做出决策。 集成的目标是保证通道的整体性能最优，即各种控制策略应相互协调，其应 用效果不会相互抵消，以减少整个系统的拥堵。 目前的通道控制研究主要是结合快速路匝道控制与城市区域交通信号控制， 对整个通道实现某一性能指标的最优控制。其控制策略是以减少快速路上行驶时 间来补偿在受控匝道上的延误时自j ，结果是虽然系统中局部交通恶化但整个通道 系统总行程时间有显著改善，控制效果依赖于主路和替换道路的交通状况以及驾 驶员转换路线的倾向。通道最优控制的效果依赖于不拥堵的替换路线上的行程车 速和拥堵的快速路上反向传播波速。 文献【2 4 】中根据w a r d r o p 网路均衡原理p a y n e 研究入口匝道排队对通道系统的 影响；文献【2 5 】综合已有研究方法从系统最优角度讨论集成交通控制系统设计设计 问题；文献 2 6 中通过仿真定量评估匝道控制、路由控制和路口信号灯的集成控制 效果，结果表明合理运用集成控制可以显著减少通道行程时间。 1 4 研究内容及目标 论文的主要研究目标是：针对路网中广泛存在的并行道路中，由于道路需求 不同，而出现的一条路出现比较严重的拥堵状况，但与其并行的其它道路的通行 能力没有得到充分的利用的现象，引进并行多路任务均衡控制方法，结合局部入 口匝道控制，提出基于任务均衡的局部入口匝道控制算法，目的在于提高道路利 用率和道路的通行能力。 本文主要讨论以下几个方面的内容： 1 快速路系统的特征；主、辅路问交通流的影响因素 快速路承担着大部分的城市交通，具有大容量、快速等特点。快速路系统一 般由主路和辅路组成，主辅路之间通过进出口匝道进行交通交换，进出匝道的位 置和数量是否合理对主辅路的交通有着较大的影响；与快速路系统衔接的周边道 e 立銮道厶堂亟= ：i 兰垃途塞 缝迨 路的交通需求和疏散能力等因素影响着快速路的运行状况。 2 城市快速路系统交通控制方法 概述了现有的交通控制方法：匝道控制、主线控制、通道控制、智能控制等， 分析了每种控制方法的优缺点和使用条件。重点介绍目前实际应用中最常见的局 部入口匝道控制，其中a l i n e a 控制因其算法简单，能有效地解决拥堵成为目前 应用最广泛的控制策略。 3 并行多路系统任务均衡控制综述及其在快速路系统主辅路中的应用 简单介绍并行多路系统任务均衡及控制方法。重点研究其在快速路系统主辅 路间局部匝道控制中的应用，给出了基于占有率的任务均衡控制律，结合实际， 以流量为控制目的更直观，又提出了基于流量的任务均衡控制律。 4 仿真分析 在m a l t a b 仿真环境下，验证了任务均衡控制在解决拥堵，提高道路通行能力 方面有着很好的控制效果。 t 2 e 立套适厶堂亟鲎垃迨塞荭堑童蹬丕筮廷筮塑衡蕉剑直选匣盆 第二章并行多路系统任务均衡控制方法简介 2 1 引言2 8 1 在工业过程中，常见的加热炉是典型的并行多路系统。化工领域中对原油的 加热时，为了提高热交换效率、防止原油炭化结焦从而提高装置的使用寿命和连 续工作时间，通常将待加热的原油输送进有若于个并行通路的加热炉内加热之后， 再重新汇合，送到蒸馏塔进行分馏处理。尽管各个并行通路在加热炉内是按几何 对称分布的，但是由于工业现场的各种扰动存在而使得各并行通路的出口温度存 在差异。对加热炉这类并行多路系统进行均衡控制的目的就是在扰动存在的情况 下、在原油总加工量保持不变的前提下如何控制各并行通路的原油流量以使它们 的出口温度保持一致 2 9 1 。 因特网中的w 曲服务群负载均衡问题【3 0 】通过应用负载均衡技术，使应用服务超 过了一台服务器只能为有限用户提供服务的限制，可以利用多台服务器同时为大 量用户提供服务，当某台服务器出现故障时，负载均衡服务器会自动进行检测并 停止将服务请求分发至该服务器，而其它工作正常的服务器继续提供服务。 实际中涉及到并行多路任务均衡问题的还有很多，并行多路系统任务均衡问 题广泛存在于化工、电力、交通及计算机等工程领域。本章主要对并行多路系统 及其任务均衡控制方法做一简单介绍。 2 2 并行多路系统的一般描述 由引言中的例子中可以看出并行多路系统具有的一般特征：系统包含多个并 行处理单元，每个处理单元有一定的任务分配。因此，并行多路系统可以用图2 一l 所示的统一模型来表示。 ，p n 三臣m 勾j 璺卜y ： 幺匝量卜蜥 图2 1 并行多路系统的统一描述 f i g ，2 - i m u l t i p l ep a r a l l e lp l a n t sm o d e l 在图2 - 1 中，n 个并行的单输入单输出( s i s o ) 处理单元被记为 e 盛銮婆厶：羔亟堂位途塞荭i 墨蹬丕筮壁箜塑煎焦型直垄匦佥 p l a n t l ，p l a n t n ，而输出h ，y ，表示各并行单元的任务负荷，九，“表示并 行单元的扰动。记并行单元p l a n ti 的任务分配为，系统的总任务处理量为0t 则： ：。= o ( 2 - 1 ) 2 3 并行多路系统任务均衡控制方法 2 3 1 差值控制方法( d i f f e r e n c ec o n t r o lt e c h n i q u e ) 差值控制方法是一种采用适当控制结构而使用经典p i d 控制实现两路并行系 统任务均衡的方法，原理如图2 2 。 图2 - 2 差值控制方法原理示意图 f i g 2 - 2 d i f f e r e n c ec o n t r o lt e c h n i q u es t r u c t u r e 两个并行支路p l a n t l 和p l a n t 2 的负荷状态分别为y t ，弘，负荷状态之差记为 d , f f = m - y 2 。两个单元的负荷状态之差d 矽作为被控制量，和零输入r 比较后作 为控制器c o n t r o l l e r 的输入，控制器的输出舻是负载输入偏移值，它分别加、减到 两路负载的设定值乙，如上。对于同构两单元系统，常把流量设定值取成 = 屯= 岛，：。图中4 。，4 ：分别是两支路p l a n t l 和p l a n t 2 上的确定性扰动。 差值控制方法用一个控制器对两个单元进行控制，它把两输入两输出、具有 约束的控制问题转化为单变量常规控制问题，使问题得到大大的简化。在本文的 后续章节中将把该方法应用到交通控制中，目的是实现主辅路间交通负载均衡。 2 3 2 重复差值控制方法( r e i t e r a t i v ed i f f e r e n c ec o n t r o lt e c h n i q u e ) 当并行多路系统具有两个以上的单元时，可以采用反复差值控制( r d c t ) 的 策略实现对多个单元的均衡控制。例如，对于具有四个单元的系统。可以采用如 下的策略：先对单元1 、2 和单元3 、4 分别使用d c t 方法进行均衡控制从而形成了 两个广义单元，然后再对这两个广义单元使用d c t 方法，从而达到对四个单元进 行平衡控制的目的。 1 4 e 瘟銮道厶堂亟堂位迨塞苴红墨堕丞缝廷筮塑煎撞型直鎏西金 r d c t 的缺点是对于具有个单元的并行多路系统，需要重复使用d c t 方法 一1 次，特别是当| v 较大的情形，给控制系统设计带来不便，且反复差值控制只 能适用于n = 2 ”的情况。 2 3 3 多差值控制方法( d i f f e r e n c e sc o n t r o lt e c h n i q u e ) 多差值控制方法( d s c t ) 又称为广义差值控制方法( g e n e r a l i z e dd i f f e r e n c e c o n t r o lt e c h n i q u e ) ，该方法是对差值控制方法d c t 的推广，它克服了d c t 茅u r d c t 的不足，但保留了它们的优点。 d s c t 任务均衡控制方法是对个并行s i s o 单元的负载取平均值，把每个单元 的负载与平均值的差作为该单元控制器的输入。该方法把系统分解成个相对独 立的单输出( s i s o ) 控制系统，方便了控制系统的分析和设计；适用于有任意个 单元的系统，且无需多次重复使用d c t 方法以实现对多个单元的任务均衡控制。 d s c t 不足之处是，对于个单元的并行多路系统，采用d s c t 方法实现系统 均衡控制需要个控制器；此外系统每个单元的任务分配量都需要时刻调节。 2 3 4 切换差值控制方法( s w i t c h i n gd i f f e r e n tc o n t r o lt e c h n i q u e ) 切换差值控制方法是以d c t 控制的两个单元中的s i s o 控制器为切换单元，根 据一定的控制策略，在不同的时间段内选择不同的切换单元进行d c t 控制，即在 任意时刻有且只有两个单元被控制。为了获得更好的控制性能，可以实现多个控 制器控制一个控制对象：在控制器资源受限，或基于其它考虑( 如希望控制机构尽 可能少动作) 时对系统进行有效控制时，可以实现一个控制器控制多个对象。切换 差值控制实际上是一种分时切换控制策略。 除了以上介绍的几种并行多路系统任务均衡控制方法，许