（交通信息工程及控制专业论文）高速公路全程监控系统的研究.pdf

摘要 随着经济的发展和社会的进步，高速公路交通需求迅速增长，交通事故频繁发生， 传统的监控技术己无法满足在高速公路这种大规模环境下的应用。如何解决这一问题， 己经成为长期困扰人们的难题。作为智能交通运输系统一部分的高速公路全程监控系统 为有效解决该问题给出了可行的方案。 本文通过分析高速公路交通流模型，讨论了高速公路交通流特点和各交通参数间的 关系，并探讨了高速公路入口匝道控制、主线控制、路网控制等3 种交通控制方式，为 全程监控系统的设计开发提供了基础。同时，分析了高速公路全程监控系统的目标和功 能作用，确定了监控系统的功能需求和结构组成。结合杭徽高速公路的具体情况，研究 了全程监控系统的系统构成和功能需求，给出了监控系统外场设备布设方案。 论文提出了应用b p 神经网络进行高速公路事件检测的方法，并对b p 神经网络理 论进行分析和阐述，分析了检测算法的基本原理，给出了一种基于b p 神经网络的交通 事件检测算法。通过实例采集到的数据，利用数学工具m a t l a b 及其神经网络工具箱， 建立仿真模型，对其进行仿真，给出了相应的仿真结果。 最后在交通事件检测和交通事件分析的基础上，给出了全程监控系统事件处理策 略。 关键词：高速公路，交通控制，全程监控，交通事件，b p 神经网络 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n d t h es o c i a l p r o g r e s s ，t h en e c e s s i t yf o r e x p r e s s w a yt r a n s p o r tr a i s e dv e r yr a p i d l y t r a f f i cc o n g e s t i o ni sb e c o m i n gm o r es e r i o u sd a yb y d a y , w h i c hl e a d st of r e q u e n ta c c i d e n t s t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gt e c h n i q u ec a n ts a t i s f yt h en e w a p p l i c a t i o nd e m a n d si nh i g h w a ye n v i r o n m e n t i th a sl o n gb e e nad i l e m m at os o l v es u c ha p r o b l e md i s t u r b i n gp e o p l e a sap a r to ft h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，e x p r e s s w a y w h o l e m o n i t o r i n gs y s t e mp r o v i d e saf e a s i b l es c h e m et os o l v es u c ha b o t h e r t h i sa r t i c l e ，b ya n a l y z i n gt h et r a f f i cf l o wm o d e lo fe x p r e s s w a y , d i s c u s s e sr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt r a f f i cc h a r a c t e r sa n de v e r yt r a f f i cp a r a m e t e r s ，a n de x p l o r e st h en o r m a lc o n t r o l l i n g s t r a t e g y ，s u c ha st h eo n - r a m pc o n t r o l ，t h em a i nl i n eo fc o n t r o l ，n e t w o r kc o n t r o l ，e s t a b l i s h i n ga b a s ef o rt h ed e v e l o p m e n to fw h o l em o n i t o r i n gs y s t e m w h i l e ，b ya n a l y z i n go b j e c t i v ea n d f u n c t i o no ft h ee x p r e s s w a ym o n i t o r i n gs y s t e m ，w ed e t e r m i n et h er e q u i r e m e n to ft h ef u n c t i o n s a n ds t r u c t u r a lc o m p o s i t i o no ft h es y s t e m t a k e ni n t oa c c o u n tt h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so f h a n g z h o u h u a n g s h a ne x p r e s s w a y , t h ea r t i c l em a k e sas t u d yo f t h es y s t e m a t i c a lc o m p o n e n t ， r e q u i r e m e n to f t h ef u n c t i o n s ，a r r a n g e m e n ts c h e m eo fs i t ee q u i p m e n to fh a n g z h o u - h u a n g s h a n e x p r e s s w a yw h o l em o n i t o r i n gs y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h et h e o r yo fb pn e u r a ln e t w o r k ，a ni n c i d e n td e t e c t i o na p p r o a c hb a s e d o nt h eb pn e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t e d i tu s e st h eb pn e u r a ln e t w o r ka n di t si m p r o v e d a l g o r i t h m t oe s t a b l i s ht h es i m u l a t i o n m o d e l t h r o u g ht h e c o n c r e t ee x a m p l e ，u s i n g m a t h e m a t i c a li n s t r u m e n tm a t l a ba n di t sn e u r a ln e t w o r kt o o l b o x ，i th a sp r o d u c e dt h e c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nc u r v e f i n a l l y , b a s e do nt h ei n c i d e n td e t e c t i o na n di n c i d e n ta n a l y s i s ，t h i sa r t i c l ep r o v i d e sa s t r a t e g yf o rd e a l i n gw i t ht h ei n c i d e n ti nt h ew h o l em o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y , t r a f f i cc o n t r o l ，w h o l em o n i t o r i n g ，a u t o m a t i ci n c i d e n td e t e c t i o n ， b pn e u r a ln e t w o r k 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：李遗、沁略年r 月h 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 曲i 论文作者签名：弓支京、o 晚年x - 月铀日 导师签名： 哔 加彩年r 月w 日 长安大学硕十二学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论弟一早殖t 匕 改革开放以来，我国国民经济持续高速发展，交通基础设施建设飞速增加，高速公 路通车里程日益增加。特别是2 0 世纪9 0 年代以后，公路建设进入历史最快时期，路网 建设步伐加快，服务水平大幅度提高，以高速公路为主体的国道主干线建设取得了重大 进展，初步形成连接一些重要城市及地区的高速公路通道，部分经济较发达地区的高速 公路网开始形成规模效益，路网通达深度不断增加，站场设施明显改善。根据交通部的 规划，到2 0 2 0 年，将建成国家骨架公路网，总规模将达到3 0 0 万公里，全国高速公路 总里程预计将达到8 5 万公驯1 1 。 但是，由于各种主客观原因，近年来高速公路安全事故也有大幅上升。据国家公安 部交通管理部门统计，2 0 0 7 年全国共发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡， 直接财产损失1 2 亿元。其中高速公路上的交通事故就造成5 9 2 5 人死亡，比2 0 0 6 年下 降1 1 4 ，平均每万公里死亡1 1 1 8 人，远远高于二、三级公路的水平【2 1 。一方面，交通 基础设施的改善带来了高等级公路数量的增加，相应地造成了行车速度的不断提高、车 流量增大；另一方面，机动车驾驶员总量的增加造成了驾驶员素质的良莠不齐，加剧r 交通事故的严重性，每万人死亡率开始上升。随着交通安全事故发生频率的上升和事故 破坏性的增加，交通事故带来的经济损失也在逐年增加。由于高速公路上的行车速度很 快，车流量大，一旦发生事故，容易造成群死群伤的特大恶性道路交通事故【3 】。 为了减少交通事故的发生，保证道路畅通，提高道路的使用率，交通部要求各地相 关部门加强高速公路机电工程的建设，采用先进监控技术手段，减少并及时处理交通事 故，在保证高速公路畅通的同时，为高速公路的养护及堵截漏逃费行为提供辅助手段， 使监控系统功能发挥实现最大化。保障交通安全和道路畅通已成为目前高速公路提高运 营服务质量的首要任务。因此，对高速公路全程监控系统进行研究具有极其现实的意义。 1 2 全程监控系统国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在高速公路监控系统的研究领域，国外起步比较早，发展到现在已经比较完善，美 国、欧洲和日本等经济强国已经走在世界的前列。美国自2 0 世纪5 0 年代开始大规模修 建高速公路，1 9 6 0 年以后把注意力集中在高速公路的运行和管理上，芝加哥、休斯顿、 洛杉矶、纽约等一些主要城市的高速公路都设置了不同规模的监视控制系统。芝加哥在 第一章绪论 1 9 6 1 年制定了区域高速公路监视计划，采用存在型车辆检测器获得的数据来研究高速公 路上的一些交通现象。1 9 6 2 年在阿依赞快速公路的两端设置了监视系统，安装了近7 0 0 只电感环式车辆检测器，用电话线与中心计算机连接，全线安装了3 0 0 部紧急电话，配 置了2 5 辆巡逻车，并在4 处设置了道路信息板。在中心控制室里有图形显示器，显示 全线交通情况。1 9 6 5 年又通过车辆检测器、遥测装置和电子计算机自动地控制入口匝道 处的交通量和信息标志，从而达到了线路的最佳运行状态【4 】。 在美国运输部组织下，从1 9 9 3 年开始开发美国统一的i t s 体系结构( n a t i o n a l a r c h i t e c t u r ef o ri t s ) ，历时三年，于1 9 9 7 年1 月公布了美国国家n s 体系结构，随后又 对i t s 体系结构进行了修改，围绕标准化问题做了详细阐述。近几年来，美国制定了一 系列旨在推进全国性的智能运输系统计划，包括与交通信息系统及服务相关得数据通讯 标准、数据输入和交换标准、电子地图和信息传输标准等。智能运输系统是一项涉及众 多组织协调合作，共同研究、开发、实施和调控的大系统，它由先进交通信息系统( a t i s ) 、 先进交通管理系统( a t m s ) 、先进车辆系统( a v c s ) 、先进公共交通系统( a p t s ) 和商用车 辆运营系统( c v o s ) 等系统构成。其中心思想就是利用最先进的计算机、通讯、监视及 控制等科学技术，使交通运输达到人一车一路综合协调的新境界，提高道路的使用效率， 以保障安全、节约能源和保护环境【5 j 。 在欧洲，也有许多国家在高速公路上配置功能完善的监视控制系统【6 】。意大利的那 不勒斯收费公路上的t a n a 系统就是一个典型例子。该公路全长2 0 k m ，双向6 车道。 t a n a 系统在公路和匝道上安装了大量的车辆检测器、气象监测器和道路信息板。在控 制室里图形显示面积为4 5 m x 2 5 m ，显示板上共有7 6 7 只显示灯，形象的表示出交通状 态信息。全系统采用了3 台计算机，双机备份，因而大大减少了停机时间【_ 7 1 。其他国家 如德国英国等也都在高速公路上设置了类似完善的监控设施。高速公路实时监控的实现 给这些国家带来了很高的社会效益和经济效益。 日本高速公路监控系统的研究是1 9 6 8 年开始的。日本高速公路监控系统采取三级 管理体制。全国共有6 个管理局，每个局下属若干个管理处，对所管辖外场终端设备进 行监视和控制。高速公路交通管制系统的出发点是以j 下确把握交通状况为先决条件，通 过设置各种形式的车辆检测器测量通过的车辆数目，并计算出速度、密度和占有率等交 通参数，借助紧急电话、巡逻车和闭路电视等对交通状况进行监视。将这些参数和状况， 经人工或计算机处理并做出综合判断，选择最佳控制方案，通过道路信息板、无线电台 广播等手段，对高速公路的交通情况进行调节和控制【8 】。 长安大学硕上学位论文 日本建设省在8 0 年代后期开始先进道路交通系统( 越玎s ) 项目研究，现在正在进 行自动收费系统项目。随后开发了车辆信息和通信系统( v i c s ) ，它通过路侧设置标识 或用调频广播向驾驶员提供旅行时间、堵车信息、停车场信息等，1 9 9 6 年4 月东京地区 开始运行，现在东京、大阪和7 个县及全国的高速公路都已开通运行车辆信息和通信系 纠9 1 。1 9 9 3 年警察厅研究开发了全方位交通管理系统( u t m s ) 。它由以下几个子系统 构成：交通信息提供系统向驾驶员提供交通信息；图像系统，交通堵塞等交通情况由电 视摄像机收集，提供交通图像信息；安全驾驶系统；低交通公害系统；紧急通报系统， 事故、紧急情况下的自动或手动情况通报系统；动态导航系统；车辆运行管理系统和公 共车辆优先系统【1 0 】。 1 2 2 国内研究现状 我国高速公路发展起步较晚，在刚开始建设高速公路时，由于受到经费和高速公路 上交通量不大等因素的影响，刚开通就有完善监控系统的几乎没有。但是随着高速公路 安全问题的日益突出，建设主管部门对监控系统的重要性有了进一步的认识，现在已经 在各高速公路上建成了一定规模的监控系统【1 1 】。 广佛高速公路全线长1 5 9 7 k m ，它的监控系统是国家“七五”攻关项目“高速公路监控 系统研究”的依托工程。该系统采用总线传输，双机冷备份，全线布设9 组车辆检测器， 每组问隔5 0 0 m 1 5 0 0 m 不等，主线设置7 块可变限速标志，4 块可变情报板，每1 公里 1 部紧急电话，4 台摄像机和l 块模拟地图屏，是我国第一条有比较完善的监控系统的 高速公路。 国内较为典型的监控系统沪宁高速公路江苏段全长共2 5 8 4 6 k m ，全线有一个交通 监控中心、5 个分中心、2 0 个收费站、6 个服务区和2 0 个互通式立交。考虑到交通流量 大及复杂的地理、气候因素影响，沪宁高速公路全线共设置了9 6 套车辆检测器，5 个监 控分中心的管辖段内各设置了能见度检测器，在水网地区( 苏州) 和丘陵地区( 镇江) 各布设了1 套气象检测器，沿线设置了3 6 台闭路电视摄像机，3 6 块可变限速标志。在 主要进出口匝道处设置了2 9 块可变情报板，按每公里l 对的原则，设置了紧急电话2 5 8 对。监控中心设有大屏幕投影系统、监控分中心计算机系统、闭路电视监控系统和紧急 电话系统。该监控系统具有多方面检测手段，实现图像监视和完善的紧急电话报警功能， 能够及时、动态的发布警示和诱导信息【12 1 。 总体说来，由于我国在高速公路全程监控方面的研究起步较晚，我国的发展现况与 国外差距较大，高速公路车辆检测器、摄像机、情报板的布设密度偏低，加上我国地理 3 第一章绪论 条件多变，交通组成复杂，导致很难实现高速公路的全程、全天候、全方位的监控功能， 所以在学习国外先进经验的同时必须结合我国国情，研究适合我国国情的全程监控系 统。 1 3 论文课题来源及研究内容 本课题来源于浙江省“高速公路全程监控系统的研究”项目，该项目中的杭徽高速公 路浙江留下至汪家埠段全线长1 8 2 9 8 k m ，全线双向四车道，其中在中泰乡处搭建高架桥， 高架桥长1 2 2 k m 。全线共设置2 处互通立交。该系统采用二级管理体制：省监控中心一 玲珑监控分中心，玲珑监控分中心设在汪家埠至昌化段，负责浙江段公路管理运营业务， 并能将监控信息上传至省监控中心。在余杭收费站设置高架桥监控站，负责1 2 5 k m 连续 高架桥的监视和交通控制，直接受玲珑分中心管辖。 本文委托上述项目，并结合浙江省高速公路的实际情况，对高速公路全程监控系统 进行深入的研究，从技术角度分析高速公路实现全程监控的可行性，通过研究视频监控 与车辆检测器、信息发布系统、监控员主动监视、夜间监控和计算机分析软件等手段的 有效结合，实现全程、全天候、全方位的监控功能。 1 4 论文结构 第一章概述了课题背景和研究意义，介绍了国内外发展现状，以及课题来源、论文 的研究内容等相关内容。 第二章分析了高速公路交通流模型，对高速公路交通控制技术进行深入的研究，具 体研究了匝道控制、主线控制和路网控制等3 种控制方式的控制策略及其控制方法。 第三章分析了高速公路全程监控系统的目标和作用，对高速公路全程监控系统的结 构进行了分析、设计，论述了各子系统的功能。 第四章具体分析研究了杭徽高速公路全程监控系统，给出了系统总体构成，给出了 监控系统外场设备布设方案。 第五章提出了一种基于b p 神经网络的高速公路交通事件检测的方法，并对该检测 算法中涉及到的有关技术进行讨论与研究，最后对实例路段采集到的交通流数据进行仿 真实现。 最后，对本文所做工作进行了总结，并预测了系统的发展前景，提出了下一步的研 究目标。 4 长安大学硕士学位论文 第二章高速公路交通控制系统 2 1 高速公路交通流模型 2 1 1 交通流基本参数模型 交通流运行状态的定性、定量特征及其随时间、空间变化的规律称为交通流特性。 用来描述和反映交通流特性的物理量称为交通流参数【1 31 4 】。交通流参数在宏观上主要描 述交通流作为整体表现出来的特性，包括交通流量、车辆速度和交通密度等三种参数。 不难发现，交通量、密度、车速三者之间存在着某种函数关系。而表达交通流特性的三 参数的函数关系式，叫做交通流基本参数模型【1 5 7 1 。 根据调查观测得到的交通资料，假设车流均匀，车种单一时，三者之间的理论关系 式为： p = 旦 ( 2 1 ) = 二 【2 1 _ ) 屹 1 、车速与密度模型 车速与密度间有许多种模型，最常用的线性模型是格林希尔茨速度一密度模型【1 8 1 9 1 ，即： 匕= 口+ b p( 2 2 ) 式中口，6 为待定参数，当密度p 趋于0 时，车速，接近自由流车速y ，f h _ k 式得 口= l p ，。当密度很大时，车辆无法行驶，这时的密度称为阻塞密度乃2 们，当p = 岛时， ，= o ，得6 ：一皇，将口，6 代入上式得速度一密度线性公式： p i k ：1 ，( 1 一旦) ( 2 3 ) p j 速度一密度的关系，即匕一p 曲线如图2 1 。 2 、交通量与密度模型 速度一密度关系式( 2 3 ) 代入基本关系式( 2 1 ) ，得交通量一密度模型： g ：o ( p - 尘) ( 2 4 ) p j 该关系式可作交通量一密度曲线，q 与p 是二次抛物线的关系，g p 曲线如图2 1 。 当流量取极大值时，对应的密度称为最佳密度成( 也称临界密度) 2 1 1 ，即： 5 第二章高速公路交通控制系统 非拥挤流 一一一一一拥挤流 图2 1 速度一卺度、文通量一番厦和变通量一运度关系图 d q ：1 ，一2 p v i ：o a9 |pi 。o ，p = 成 ( 2 5 ) 成= 譬 将上式代入( 2 4 ) 得： = 了p i v l ( 2 6 ) 式中q 。为最大交通量。由交通量一密度关系曲线可知，当p 成时，交通流处于拥挤状斜2 2 1 。 3 、交通量与车速的关系 将关系式( 2 3 ) 移项得：p = 夕，( 1 一与，代入g = 眺关系式，得到g 一匕模型： v 1 1 1 g = p ，( 叱一芏) ( 2 7 ) 、f 该关系式可作交通量一车速曲线，如图2 1 所示。同理，可求出最大交通量q 。所对 应的最佳车速 ，。( 临界车速) ： 6 长安大学硕士学位论文 = ( 2 8 ) 二 由此可知，临界车速为自由车速的一半。当o v v 。时，所对应的q q 。，交通流 处于拥挤状态；当 v v - 时，交通流处于自由流状裂2 3 1 。 2 1 2 高速公路交通流模型 交通流模型是指道路上人、车从甲地到乙地的流动形态，它是描述交通流状态变量 随时间和空间而变化、分布的规律及其与交通控制变量之间关系的数学方程式，是交通 控制系统设计、分析、仿真的基础。交通流模型可分为微观模型和宏观模型两大类【2 4 】。 微观模型描述单个车辆的运行规律：宏观模型描述车流的运行规律，反映一些总体变量 如流量、车速、密度等变量的变化过程。 高速公路交通流主要指车流的运行状态，具有随机性和稳定性的双重特性。高速公 路交通流在时间上和空间上是随机变化的，特别是在事故状态下的高度非线性的随机 性、时变性，不可能实时准确地模拟或定量化；另一方面，高速公路上运行的车辆有它 各自的速度，车与车之间可以用车头时距或车头间距等参数进行描述。交通控制系统所 采用的是宏观模型，以下的分析均以交通流的宏观模型为出发点【2 52 6 1 。 1 、高速公路宏观稳态交通流模型 当宏观交通流变量：交通流量q ( x ，f ) 、交通密度p ( x ，f ) 、车速v ( x ，f ) 与时间r 无关时， 我们称其为宏观稳态交通流。一般我们用这种理想状况下的稳态模型来描述特定时间段 内，变化较小较慢的交通状况。 宏观稳态交通模型描述q ( x ) 、p ( 工) 、v ( x ) 随道路位置坐标x 分布规律的模型。一般， 将坐标x 离散化，即把一条道路按照其实际几何情形和交通状况分为若干段，使得在每 一段内交通状态可近似看作是均一的，即q ( x ) 、p ( x ) 、v ( x ) 在每一段内均取常数值，且 每一段内车道数不变，最多只有一个入口和一个出口，如图2 2 所示。 路段l路段2路段i ( 1 ) 递推模型 图2 2 高速公路分段 7 第二章高速公路交通控制系统 设路段f 的交通流量为q ，入口、出口流量分别为小s f ，则 吼= q i l + ，；+ s i ( i = l ，2 ，忉 ( 2 9 ) 只要知道始端主线流量及各入i = 1 、出口匝道的流量，可用式( 2 9 ) 依次计算出各路段 的流量g ，式( 2 9 ) 即为稳态交通流量模型，我们称其为递推模型。 ( 2 ) 起始一到达模型 设从路段f 的入口匝道进入的车流当中，有口i f 1 0 0 到达路段，则有： i 鼋j = ( = 1 ，2 ，) ( o 口l 口f ， ，一l 口f ，f + l o ，运动波顺流传播； 在拥挤的情况下，c o ，运动波逆向传播。 确定路段f 的动态流量g ，( 尼) 时，应考虑该路段交通密度房( 七) 和下游相邻路段内的 l o 长安人学硕十学位论文 交通密度岛+ 。( 七) 【3 0 】，即： g f ( 尼) = 口g 屏( 七) 】+ ( 1 一口) g 【辟+ l ( 尼) 】 其中口为加权系数，取值与肛+ 。( 后) 有关。 若路段f 末端有一个出口匝道，相邻下一路段有一个入口匝道，则上式应该修正为： g f ( 七) = 口g 【房( 七) 】+ ( 1 一c t ) q ( p i + l ( 尼) ) 一，；+ 。( k ) - s i ( k )( 2 2 0 ) 又由基本关系式有吼( 七) = 辟( 尼) k ( 尼) ，代入上式有： g ，( 七) = c t p , ( k ) v i ( k ) + ( 1 一c z ) 岛+ l ( 七) u + l ( 七) 一+ 1 ( 七) 卜墨( 后)( 2 2 1 ) ( 3 ) 动态速度模型 高速公路上行车时，驾驶员根据前方交通状况对车速做出调整，但这样的调整和交 通密度相比有一个时间上的滞后，故速度的变化与前方交通密度变化相比有一个时间滞 后，即： v ( x ，t + f ) = p o + 缸，f ) 】( 2 2 2 ) 式中，x 为位置变量；t 为时问变量；r 时间滞后量：a x 为位置距离。 对式( 2 2 2 ) 左右进行泰勒级数展开，略去高阶项，得到： ，( x ，f ) + f d v _ ( x , t ) ：v p ( x ，) 】扣o v p ( x , t ) 0 一9 ( 2 2 3 ) a r t o o 0 x 对微观交通的研究和观察发现，取止为车头间距的一半为宜，即： 缸= 亡 ( 2 2 4 ) z p 同时，昙可以近似地看作一个常数，故可以定义常值参数，： u p 忙一薏 ( 2 2 5 ) 根据全导数有： d v ( x , t ) ：一o v v + 一o v ( 2 2 6 ) d l 瓠 a t 、。 根据式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) ，可推导出连续时间的动态速度方程： _ = o i v ：，o ，v + ! 【埙p ) 一1 ，一so 。p 】 ( 2 。2 7 ) 百_ v 苏+ 了【埙p ) 一v _ p 缸】 ( 2 - 2 7 ) 为达到离散化的目的，将下列关系式代入上式( 2 2 7 ) ， 第二章高速公路交通控制系统 生：昙屹(尼+1)一h(尼)】ot 。亍【屹( 七+ 1 ) 一h ( 丘) j 妻：m 垆味纠 一= 一i u i 庀 一 i 庀 融：“1 q 。 罢：魄，( 炉舭) 】 = 一l 仃i 尼- 一，盯i i 苏 ：“h 1 、7 几、“ 可得 哆( 七+ 1 ) 2 _ ( 七) + 二：t , x a _ ( 七) m 一- ( 七) 一哆( 七) 】i + 手t v c 以c 七，一v c 七，卜旦r a 兰觜 2 2 8 f d i 庀l + 九 上式中引入了修正系数孝可以调整该项的权重，使得式子更符合实际情况。引入名可 以避免交通密度肛值很小的情况下该项值太大，与实际情况偏差过大。调整参数f ，d 可 以调整其他两项的权重。 式( 2 2 8 ) 表明，在动态过程中某路段的空间平均速度m ( 七+ 1 ) 由以下几个方面的因素 决定： 前一时刻该路段平均速度m ( 尼) 。 前一时刻该路段交通密度辟( 七) 及该路段的p 一1 ，特性。m ( 七+ 1 ) 要按照p v 特性 朝着与肛( 后) 相适应的方向变化。p - v 特性是路段交通流基本特性，描述1 ，随着p 增加 而降低的规律，一般可以用下列表达式描述。 v ( p ) ：v 艇一( 旦) f ) 卅或v ( p ) ：l ，re x p 一三( 旦) a 】 p i 1 ap c 其中，吁表示自由行驶速度；乃表示交通堵塞( 1 ，= 0 ) 时的最低密度；反表示流量 最大时的密度( 临界值) 。模型参数，、m 、a 应根据实测交通数据加以估计。 叶( 后+ 1 ) 要与上游相邻路段在前一时刻的平均速度m 一，( 七) 相适应。 v i ( k + 1 ) 与下游相邻路段的交通密度以，( 七) 有关，即行车前方密度较大时，车速 将降低。 2 2 交通控制系统的性能指标 高速公路控制系统常用的性能指标有总行程时间最小、总服务流量最大、总延误最 小和入口匝道平均等待时间最小等嘲。 1 、入口匝道平均等待时间最小指标 1 2 长安人学硕士学位论文 驾驶员总希望到达入口匝道后立即进入高速公路，而采用匝道调节控制可能会使匝 道处等待车辆形成排队，排队过长将会导致车辆分流，影响其他平行道路上的交通，因 而通过提高调节率，使车辆平均排队等待时间为最小。 设第f 个入口匝道的交通需求为d i ( f ) ，可汇入流量为( f ) ，y l d 心) ( f ) ，若高速公路 有n 个入口匝道，则在i t 。，t ： 期间总的入口匝道平均等待时间最小的性能指标为： 羔2 西( f ) 一，；( f ) j 出专m i n ( 2 2 9 ) 2 、总行程时间最小的性能指标 驾驶员总希望以较快的速度行驶，尽快到达目的地，这就要求主线行驶时间和入口 匝道排队时间总和为最小。这是最常用的性能指标。它意味着交通延误最小、服务水平 较高，按此指标设计的交通控制系统可有效地预防和限制常发性拥挤及偶发性拥挤。 设在t 时刻，已知路段i 长度为a i ，路段车辆的平均密度和速度分别为房( f ) 和( f ) ， 可知路段i 上有a ，p ，( f ) 1 ，心) 辆车，则在【t it ：】内路段i 上车辆的行驶时间为 a ，岛( f ) m o ) d r ，分成段的高速公路上车辆的总行驶时间为： 芝j 1 2 嗡( f 渺 ( 2 3 0 ) 设在f 时刻，路段入口匝道上排队车辆数为l j ( f ) ，在 f ，t ： 内有个入口匝道的总 的排队等待时间为： 芝2 ( r 渺 因此系统总的行程时间为最小的性能指标为： 粪：2 ，肛。渺+ 兰j = if o 渺啼i i l i n ( 2 3 1 ) 3 、行程时间延误最小指标 延误是指当前通过时间与期望状态下平均通过时间之差。设 ，p 为期望状态下的平均 速度，高速公路分为段，则在i t 。，t ：】时间内，整条高速公路上车辆的总行程时间延误 最小的性能指标为： 善j ：2 ，m 泖删一半”m i n ( 2 3 2 ) 4 、总的服务流量最大的性能指标 1 3 第一二章高速公路交通控制系统 对于整条高速公路而言，总希望道路容量得到最大限度的利用，以缓解周围路网的 交通紧张状况，这就要求服务流量最大，适用于交通高峰期的设计优化目标函数。 设在f 时刻，已知路段，车辆的平均密度和速度分别为p j ( t ) 和v j ( f ) ，路段，长度为 a ；则该路段在 f 。，f ：】内的服务流量为2 p j ( t 砂j ( t ) a ，出，分成段的高速公路总服务 流量最大的性能指标为： 兰f 磅( f ) 匕( f ) 出寸m a x ( 2 3 3 ) 2 3 高速公路交通控制方式 在高速公路全程监控系统中，通过前端设备将高速公路上的交通信息采集到监控系 统之后，如何分析这些数据，用什么方法改善交通流的状况就成为监控系统的关键任务。 在高速公路管理中，常用来改善交通流状态的方法有入口匝道控制、主线控制、路网控 制等3 种控制方式，这些控制方式在实际中根据使用条件的不同，效果各异，既可以单 独使用，也可以混合使用，因此在选择控制方法时，应结合具体道路的特剧2 7 2 8 2 9 1 。 2 3 1 高速公路入口匝道控制 l 、入口匝道控制策略 高速公路入口匝道交通控制是应用最广泛的一种控制策略。它可控制进入高速公路 的交通量，使进入高速公路的车流量在道路最大容量允许的范围内运行，使整个高速路 网上的交通流量分布合理，充分利用其通行能力，同时可以消除或减少匝道处交通流交 汇时的冲突和事故，更重要的是它可以影响与之相邻的城市道路的交通状况，是高速公 路交通控制的主要手段。 入口控制方法的基本目标是通过限制进入高速公路的车辆数量和流入高速公路的 节奏，计算匝道上游交通需求与下游道路容量差额来寻求最佳入口匝道流量控制，从而 使高速公路本身的交通需求不超过它的容量，使高速公路主线交通流的流量、密度、速 度等参数处于最佳状态。入口匝道调节的实质是将入口交通流在时间和空间上重新进行 分配，其中一部分车辆被准予进入，另一部分车辆在匝道上等待，伺机进入，还有一部 分车辆须自行选择替代路线行驶，或沿着高速公路的平行道路前进，从下游的入口匝道 进入高速公路。 2 、入口匝道控制方法 入口匝道控制包括匝道调节和匝道关闭两种形式。匝道调节是在匝道上使用交通信 1 4 长安大学硕上学位论文 号灯对进入车辆实行计量控制，也可通过收费站的收费车道开放数来调节进入高速公路 的车辆数。匝道关闭可看作匝道调节的极端情况，通过自动路栏、交通标志、人工设置 隔离墩把某些入口匝道关闭。 常用的入口匝道调节方法有：匝道暂时关闭、匝道定时调节、匝道动态调节、匝道 汇合控制和匝道系统控制。 ( 1 ) 匝道暂时关闭 暂时关闭入口匝道是一种简单、可靠的控制方式，可将交通量转移到并行的其它道 路上去。这种方式只有开和关两种状态，缺乏灵活性，若使用过于频繁或关闭时间过长 将使替代的道路超负荷运行，也可能导致本路段通行能力得不到充分利用。 导致实施这一控制方法的因素一般包括以下几个方面： 由于大雾、大雪等异常天气，导致高速公路失去通行能力，此时的放行将导致严 重的安全事故，并且无法救援。 入口匝道上游的高速公路的交通需求已达到下游道路容量而可替换道路上还有 足够的容量可供使用。关闭入口匝道就能防止下游路段上交通需求超过容量，并且能把 匝道上的交通需求转移到可替换道路上。 虽然理论上应该是匝道的进入交通量等于下游容量和上游交通需求之差。但在实 施调节控制时，如允许进入高速公路的车辆很少，会使驾驶员以为匝道调节信号已坏， 致使违章事件发生，即不经允许闯入高速公路。 在入口匝道上没有足够的停车空间，为防止等待进入高速公路的排队车辆妨碍平 交街道交通，此时关闭匝道能消除车队积存问题。 在高速公路交通需求严重超过道路通行能力的情况下，不得不采用关闭匝道的方法 来禁止车辆进入高速公路。匝道关闭一般采用人工设置路栏、自动路栏关闭、设立关闭 标志三种方法。实践中，一般采用自动路栏自动关闭和打开一个入口匝道。在简单匝道 控制中，要解决的关键问题是关闭匝道的时机选择问题。在匝道控制中，需要采集高速 公路上的交通流量数据及气象数据，以经验数据为参考，综合判断匝道关闭的时机。 ( 2 ) 匝道定时调节 入口匝道定时调节是一种限制交通流的方法，就是在入口匝道上使用信号灯，以限 制进入高速公路的交通流量，保证高速公路以较高的服务水平运行或改善车流汇合时的 安全。 定时调节是指调节率预先给定，在某一段时间的运行是固定不变的。这种控制方式 第一二章高速公路交通控制系统 的特点是它根据历史情况调查掌握交通流的统计情况，把一天划分为若干时段，假定每 个时段内，交通流状况近乎不变，以此作为依据来确定每个时段内一组不变的入口调节 率，使某项性能指标最优。显而易见，这种控制方式不能适应交通流的随机变化。但是， 当交通流在一段时间内波动不大时，这种控制是十分有效的，而且定时调节很容易实现 多个匝道口协调控制。此外，这种控制运行安全可靠，使用设备少，是目前应用最广的 匝道控制形式。 定时调节最重要的优点是它能为驾驶员提供一种可靠的能迅速适应的情况。主要缺 点是系统不能适应在一时段内下游道路可能因某种事件引起容量有所下降，上游需求可 能超过预定值等变化。所以一般设定的定时调节率都要使运行的交通量略低于道路容 量，例如可取下游容量为正常值的0 9 倍，以防止因交通的随机变化所带来的拥挤。 ( 3 ) 匝道动态调节 入口匝道动态调节在一定程度上可以克服匝道定时调节的缺点。其特点是调节率变 化不再依赖过去观测到的交通状况，而是依赖现场检测的实际交通状况以及对交通流变 化趋势的分析，以实时检测到的交通数据为依据来确定匝道调节率因而能适应交通流的 随机变化。 匝道动态调节就是根据速度、交通量、占有率这三者之间的关系实时测定高速公路 的运行状态，通过调节入口匝道流量，使反映高速公路的运行状态的基本交通变量的值 保持在交通流曲线上的不拥挤交通流区域的规定点上，防止或消除高速公路上的拥挤。 因此，入口匝道动态调节的基本方法为：实时测量以获得高速公路上交通运行参量； 用测量的结果分析确定高速公路路段此时工作在基本交通流曲线的哪一部分；根据容量 计算允许进入高速公路而又不致引起拥挤的最大匝道交通流量。 ( 4 ) 匝道汇合控制 入口匝道汇合控制是一种微观控制方法，以安全为控制原则。根据高速公路外侧车 道车流间隙的长度来决定能否放行匝道车辆，只有当检测到上述车流间隙长度不小于可 插车间隙时，才允许匝道车辆进入高速公路，这样能保证匝道车辆及时安全汇入高速公 路车流中。汇合控制系统实现的入口匝道调节率完全取决于检测到的主线车流间隙数 目。这种控制使高速公路上的车流间隙得到最佳利用。 汇合控制的基本目标是通过使入口匝道车辆最佳地利用高速公路间隙来改善高速 公路交通流的分布及运行，期望使大量的入口匝道车辆安全地汇合而不引起高速公路交 通的明显间断。汇合控制希望通过向驾驶员提供他进入高速公路时需要配合的时间、地 1 6 长安大学硕士学位论文 点方面的信息来改善入口匝道处的汇合运行。其运行的工作过程为：首先检测高速公路 上的可插车间隙，接着估计这个可插间隙到达入口匝道汇合点的时间，最后合理引导匝 道车辆进入这个可插间隙。 ( 5 ) 入口匝道整体定时控制 入口匝道定时整体控制是指把单个入口匝道定时调节应用于必须对匝道运行的相 互依赖性给予考虑的一系列入口匝道。它的特点是交通流每日变化大体一致，因而可以 把一天划分为若干时段( 大约每段为1 5 m i n 或更长) ，在一个时段内交通流近似于均匀， 可以认为是稳态，进而根据实际情况把高速公路分成若干段，每段内交通流近似认为均 匀无异，这样可建立一个描述交通流状态只随道路空间变化的稳态模型，然后根据主线 和各入口匝道的交通需求和每个入口匝道下游的容量，按照某种性能指标，即在每时段 确定一组最佳调节率( 常数) ，使各路段交通状况总体最优。 显然这种方法提供的系统灵活性较大，能较好预防整条高速公路的常发性拥挤，但 不能适应偶发性拥挤。由于该控制系统具有简单易行特点，与无控制相比有显著效果， 因而至今仍广为应用并不断改进。 2 3 2 高速公路主线控制 1 、主线控制策略 主线控制的对象是高速公路本身即路段上的交通流，通过对高速公路主线的交通进 行调节、诱导和警告，达到优化交通流状态的目的。控制目标是改善高速公路运行的安 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。主线控制方法主要是为了 取得最佳车速，使其瓶颈路段的服务交通量达到允许的最大，防止交通状态变化而产生 追尾等交通事故。这种控制对常发性和偶发性交通拥挤都是有效的。其缺点是不能对高 速公路的交通量产生重大影响，改善交通的效果不明显。 2 、主线控制方法 通常采用的主线控制方法有可变速度控制、可逆车道控制、主线调节控制、主线车 道控制、防倒车警示系统、车道关闭等几种方法。 ( 1 ) 可变速度控制 可变速度控制是在高速公路主线上设置可变限速标志来限制行车速度，从而使主线 上的交通流的速度能随车流密度的改变而变化，以保证交通流的均匀、稳定，同时还能 提高道路通行能力。它依据道路、交通、气候等条件对高速公路主线交通流安全高效运 行的限制要求和路段交通流的流量、速度、密度的关系，确定能够允许的最大交通量下 1 7 第二章高速公路交通控制系统 的最佳速度和最佳密度并据此采用可变限速标志等方法对高速公路主线交通流进行速 度控制。 主线可变速度控制主要通过对主线上交通流的速度在空间上和时间上的分布进行 控制，以保证交通流的稳定、均匀，或实现将交通流从不稳定状态、拥挤状态调控到稳 定状态。可变速度控制的基本依据是实际服务水平和由实测交通状态数据确定的速度 流量关系。主线可变速度控制的目标是使主线交通流流量最大或保持在一定的服务水平 上。 实现主线可变速度控制的方法是在主线上建立由可变限速标志组成的系统，即在主 线沿线上每间隔一定距离设置一个可变限速标志。可变限速标志系统中的每一个可变限 速标志都与中央控制室相联，中央控制室将交通状况( 拥挤、低速、正常) 、路面条件 ( 车道数变化、坡度、弯道、结冰、积雪) 及气象条件( 雾、雨、雪) 的各种组合所确 定的最佳速度目标值与实际检测出的主线上车流速度值进行比较，判断当前车流运行状 态是否符合控制目标，若不符合则将目标速度值通过可变限