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城市快速路入口匝道协调控制方法研究 摘要 随着社会经济的发展，城市交通问题日益严重，特别是大城市的道路通行 能力已经不能满足交通量日益增长的需要。城市快速路作为一种快速、舒适且 安全行驶的道路，在一定程度发挥了重要的作用，但是单纯采取修建道路的方 法并不能从根本上缓解交通交通拥堵的问题。 快速路的入口匝道控制是解决交通拥堵的最直接、有效的方法之一。入口 匝道控制的实质是通过限制进入快速路主线的交通量，使快速路自身的需求不 超过自身的通行能力，理想目标是在快速路上形成和保持无中断、无阻塞的交 通流。动态o d 矩阵描述了交通路网中时变的交通需求，是对路网交通状况进 行准确预测并提供有效交通控制信息的基础。而预测准确的o d 出行矩阵是进 行快速路匝道控制的前提，本文利用出口匝道交通量推算出行o d 矩阵作为快 速路入口匝道控制的数据输入。其次，本文通过分析各种典型的快速路匝道控 制方法，提出了基于最优协调控制的快速路匝道控制方法，并以“动能”最大 为控制目标，以期获得快速路网的最优服务交通量。最后运用m a t l a b 对控制实 例进行了仿真验证，结果表明该方法具有较好的控制效果。 关键词：入口匝道控制；动态o d 矩阵；交通需求；最优服务交通量 r e s e a r c ho nm e t h o do fc o o r d i n a t e do n r a m pm e t e r i n gi n u r b a ne x p r e s s w a y 一 - a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y ，t r a f f i cj a mh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e m e s p e c i a l l yi nb i gc i t i e s ，t h er o a dc a p a c i t yh a sb e e n u n a b l et om e e tt h eg r o w i n gt r a f f i cd e m a n d a saf a s t ，c o m f o r t a b l ea n ds a f e a p p r o a c h ，u r b a ne x p r e s s w a yp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nr e l i e v i n gt h i sp r o b l e ma ta c e r t a i ne x t e n t ，b u ts i m p l yc o n s t r u c t i n gm o r er o a d sc a n ts o l v et h ep r o b l e mo ft r a f f i c j a m s o n r a m pm e t e r i n gi so n eo ft h em o s td i r e c ta n de f f i c i e n tm e t h o d st oa v o i d t r a f f i cj a m si ne x p r e s s w a y t h ee s s e n c eo fo n r a m pm e t e r i n gi st or e s t r i c tt h ea c c e s s t r a f f i cv o l u m et oa v o i dt h et r a f f i cd e m a n de x c e e d i n gt h ec a p a c i t y t h ei d e a lg o a li s t op r o d u c ea n dm a i n t a i naf l u e n ta n dn o n - b l o c k i n gt r a f f i cf l o wi nt h ee x p r e s s w a y d y n a m i co dm a t r i xw h i c hd e s c r i b e sv a r i a b l et r a f f i cd e m a n di sab a s i cp a r a m e t e rt o a c c u r a t ep r e d i c tt h et r a f f i cc o n d i t i o n sa n dp r o v i d ee f f i c i e n t l yt r a f f i cc o n t r 0 1 t h e a c c u r a t ep r e d i c t i o no ft h eo dm a t r i xi st h ep r e m i s eo fr a m pm e t e r i n g t h i s d i s s e r t a t i o ni n p u t st h eo dm a t r i xc a l c u l a t e df r o mt r a f f i cv o l u m ea sap a r a m e t e ro f o n - r a m pm e t e r i n ga n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fv a r i o u st y p i c a lm e t h o d so fr a m p m e t e r i n gi ne x p r e s s w a y ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sar a m pm e t e r i n gm e t h o db a s e do n o p t i m a lc o o r d i n a t i o na n dc o n t r o l ，a n dm a k et h em a x i m u m k i n e t i ce n e r g y ”a st h e m a i no b j e c t i v ef u n c t i o nt oo b t a i no p t i m a lt r a f f i cs e r v i c ev o l u m ei nt h ee x p r e s sw a y f i n a l l y , m a t l a bi su s e di ne x a m p l e st oa c c o m p l i s ht h es i m u l a t i o na n de v a l u a t i o n ， a n dt h er e s u l tp r o v e st h a tt h em e t h o du s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sg o o dc o n t r o l e f f e c t k e y w o r d s ：o n - r a m pm e t e r i n g ；d y n a m i co dm a t r i x ；t r a f f i cd e m a n d ；o p t i m a l t r a f n cs e r v i c ev o l u m e 插图清单 图2 一l 快速路段示意图1 1 图3 一l 典型匝道控制算法分类1 6 图3 2 瓶颈路段算法流程1 9 图3 3 模糊逻辑控制算法流程图2 l 图3 4 “动能”与“动量”两种不同性能指标的比较2 6 图3 5 路段上下游交通流关系2 8 图4 1 仿真对象3 6 图4 2 无控制条件下路段密度与速度变化三维视图3 7 图4 3 “动量”最大目标下的路段密度与速度变化三维视图3 8 图4 4 “动能”最大目标下的路段密度与速度变化三维视图3 8 图4 5 不同控制条件下路段速度变化3 9 图4 6 不同控制条件下路段密度变化3 9 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金8 曼王些盔堂 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谢意。 学位论文作者签名：蜡毋签字日期：岬年月谚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权垒壁埋达 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：五笾予婷 签字日期：乙矿缸乒月w 日签字日期：芴炉7 年矽月肜日 ! 学位论文作者毕业后去向： ：作单位： 通讯地址： i 导师签名：f j 签字日期：加6 夕年年月 电话： 邮编： 犯如 ， f 致谢 日月如梭，三年的硕士学习生活转眼就要结束，匆匆之中就要毕业了。此 时此刻，谨向在我求学及论文完成期间给予莫大关心、支持和帮助的师长、朋 友和亲人们致以深深的谢意。 在论文完成之际，首先要感谢我尊敬的指导老师一张代胜教授、张卫华副 教授，是他们的悉心指导，才使得我的论文顺利完成。衷心的感谢他们在我的 研究生阶段给予的学习和生活上的关心和帮助。二位老师在教学和科研工作中 表现出的对知识的精益求精、对事业的执着追求、对治学的一丝不苟以及敏锐 的洞察力和对问题的独到见解与看法，对我的学习生涯产生了巨大的影响，并 将继续对我以后的工作与生活产生积极的影响。 其次还要感谢在硕士学习阶段给自己传授知识和帮助的交通工程系的其他 老师，他们是：温千虹、方锡邦、石琴、谭继锦、李智超、杨伟华、姜平、黄 文娟、丁恒、郑小燕、黄志鹏、姜康等以及很多其他老师，他们的辛勤努力和 无私帮助使自己的专业知识得到完善，奠定了坚实的专业基础。 同时，我还要感谢和我一起学习和努力的同学，感谢唐丽娜、李静、董瑞 娟、林丽凡、孙浩、王钊和林明涛在学习中给予的帮助。和他们一起学习和生 活的时间让我感受到了学习的乐趣，团体合作的快乐以及课题组融洽的科研氛 围，使我在三年的学习中，得到了提升，并顺利完成了学业。 最后，我还要感激远在家乡的父母和亲人，他们含辛茹苦的劳作维持了我 二十年的学业，他们无微不至的牵挂是我心的方向，他们殷切的期盼是我奋斗 的动力，他们目光将见证我努力的汗水和前行的足迹9 作者：王婷婷 2 0 0 9 年0 4 月10 日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着我国社会经济的不断发展，城市道路的交通问题日益严重，特别是大 城市的道路通行能力已经不能满足交通量增长的需要，城市道路的交通拥挤和 阻塞情况尤为突出，如何提高城市道路运输的效益，是众所关注的问题【l 】。在 交通运输中，速度是一个重要的因素，速度体现了旅程时间的长短，而时间意 味着运输效应和经济价值。为了满足日益增长的交通需求，提高交通运输效益， 我国从二十世纪九十年代开始建造城市快速路。快速路是一种快速、舒适且安 全行驶的道路，根据我国城市道路交通的特征，城市快速路的具体含义如下 2 1 ： ( 1 ) 严禁拖拉机及非机动车行驶，专供机动车行驶； ( 2 ) 具有四个( 含) 以上的车道，对向行驶车道间必须设置中央分隔带； ( 3 ) 相交路1 2 应设置立体交叉，但尚可允许保留一些只准右转弯车辆出入 的平交路口； ( 4 ) 严格控制沿线单位车辆出入，除特殊情况外，原则上不准留口； ( 5 ) 各条车道应限制最低车速，以保证较高车速的行驶及较高的通行能力； ( 6 ) 严格控制非机动车和行人进入和穿越道路，彻底消除横向干扰； ( 7 ) 沿线需设置必要的交通工程设施和交通管理设施。 基于以上特点，快速路在一段时间内发挥了重要的作用，但是随着城市规 模的不断扩大，以及经济的发展，相应的交通量增长更快，我国大部分快速路 的交通量处于预计的水平之上，在经济发达的沿海地区，许多快速路也相继出 现了交通拥挤的现象，例如，如上海的内环线，外环线的部分路段，北京的二 环、三环等快速路。由交通堵塞造成的时间和能源浪费而带来的经济损失每年 高达上百亿人民币，还带来了大量的人员伤亡和环境污染。 从世界发达国家对道路建设的管理经验来看，单凭修建更多的道路、扩大 路网规模难以满足日益增长的交通需求。纵观国内外，交通量大固然是造成交 通拥堵的重要原因，但是缺乏足够的引导和管理，未采取有效措施对快速路的 运行进行控制也是造成快速路交通拥堵的重要原因之一。如何有效的利用道路 资源，使交通量均衡的分布在快速路网上，实现道路资源的高效利用，避免交 通拥挤的发生和缓解交通拥挤的程度是国内外交通工程学者研究的重要课题之 一o 快速路的交通控制是利用高新技术，如现代的信息和通讯技术等手段，来 改造现有的道路运输系统及其管理体制，把车辆、道路和使用者紧密结合起来， 从而形成一种及时、准确和高效的先进管理方法，因此快速路的交通控制是解 决交通拥堵的最直接、最有效的方法之一。 在城市快速路研究中，一般是将快速路视为服从某种确定或随机规律的非 线性大系统，利用自动控制、计算机和通信技术进行优化控制，最大限度提高 系统的性能。快速路控制的方法主要包括入口匝道控制、主线控制、网络路由 控制、通道控制等。其中匝道控制是应用最广的、效果最好的一种控制形式。 匝道控制( r a m pm e t e r i n g ) 一般指入1 3 匝道调节，是将快速路交通状态从混 乱无序转变到较好状态的有效控制措施。它的基本控制目标是控制快速路的交 通需求，以快速路主线交通流为控制对象，以匝道入口流量为系统的输入控制 量，通过寻求最佳入口匝道流量，使快速路的主线交通流处于最佳状态。入口 匝道控制的基本原理是通过把快速路上的延误因素转移到入口匝道，从而在快 速路上维持一个既不间断也不拥挤的交通流，以最大效率利用快速路相应服务 水平的交通能力。当快速路主线上的交通量较少时，入口匝道控制可以保证主 线上的交通流均匀行驶，消除交通流中的不稳定性；当快速路上的交通量较大 时，入口匝道控制使交织区的车辆汇合安全，减少交通拥挤和事故，确保快速 路主线运行于期望的速度和密度；当快速路上某段交通量接近饱和或由事故引 起交通阻塞时，通过某些入口匝道的控制可以防止阻塞的进一步扩大及过饱和 的发生。 由此可见，入口匝道控制的作用主要包括以下几点： ( 1 ) 减少快速路上车辆在主线上运行的平均行程时间； ( 2 ) 消除或减少车流汇合中的冲突和事故： ( 3 ) 由于改善了交通流的平稳性，减少了车辆运行的不舒适感和对环境的 干扰，提升了快速路系统的服务水平。 匝道控制主要有匝道调节和匝道关闭两种方式。匝道调节是在匝道上使用 交通信号灯对进入快速路的车辆实行计量控制。按时间方式分为静态调节和动 态调节，按空间方式分为单匝道局部调节，多匝道协调控制，系统网络联动控 制等。静态调节基于每天不同时段内交通需求历史数据有一定的统计规律、变 化不大的特点，在不同时段内按预先设定的固定调节率进行匝道调节，没有利 用实时检测的信息。动态调节考虑了偶发事件引进的交通需求变化，或者短时 间交通需求有较大波动的情况，利用实时检测信息，根据交通需求变化随时间 调整匝道调节率。 匝道关闭就是对所有交通都实行关闭，不允许车辆进入快速路，维持快速 路不拥挤。匝道关闭可以是永久性关闭，也可以是在高峰期以及偶发性拥挤期 临时关闭。关闭方法主要有人工设置路栏、自动路栏和标志三种方法。匝道关 闭是在一般控制措施已无法改善交通状况时才不得不采取的极端措施，对整个 交通系统的影响较大，一般难以被公众接受，所以尽量避免使用。 此外，还有一种以安全为原则的微观控制方法一汇合控制。它的基本目标 是通过入口匝道车辆最佳地利用快速路间隙来改善快速路交通流的分布及运 行。该控制方法主要是根据快速路主线的外侧的车道间隙的长度来决定能否放 2 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 道车辆进入主线。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。这种方法适用于因视距不良、不适应的加速车道、坡度等造 成的交汇困难的高速公路和快速路。由于汇合控制的排队等待时间较长，违章 率较高，系统设备较多，成本昂贵，国外已较少使用。 为了确保匝道控制的有效使用，国内外学者经过四五十年的努力总结了各 种各样的匝道几何设计方案和控制策略。总之，入口匝道控制系统的研究是快 速路保持最佳运营以及最大利用交通资源的有效方法，也是先进的交通控制系 统的一个重要组成部分。 1 2 国内外研究概况及存在问题 1 2 1 国外研究概况 国外最先开始匝道控制研究，19 6 3 年美国芝加哥就出现了匝道控制的技 术，芝加哥市借助于交通警察在快速路入口匝道处管理交通流，按照控制比例 来释放进入快速路主线的交通量，达到了很好的效果。由此，这一成功事例引 发了美国各州以及其他国家的纷纷效仿，并且在此基础上产生了各种各样的匝 道控制算法。这些经典的匝道算法主要包括：定时匝道控制算法、感应控制算 法、z o n e 匝道控制算法、a l i n e a 匝道控制算法、瓶颈路段匝道控制算法等 3 1 。 定时控制算法主要适用于单点的入口匝道控制，其主要是在入口匝道处设 置一个信号灯，信号灯的周期的确定是根据该入口匝道的交通情况而预先设定 好的；感应控制方法根据车流实时检测信息来调节匝道入口流量，使主线上的 交通状态保持在最优设定点的区域内；z o n e 匝道控制算法经过长期实践，因 此得到了较多的经验调节算法，以尽可能适应各种交通状况；a l i n e a 匝道控 制算法已经在巴黎b o u l e v a r dp e r i p h e r i q u e 快速路的b r a n c i o n 入口匝道和阿姆斯 特丹a 1 0 线的c o e n t u n n e l 入口匝道分别进行了试验，试验结果证明该匝道控制 方法能够有效的改善交通状况，尤其是在发生异常交通事件的情况下；瓶颈路 段匝道控制算法被认为是比较复杂的匝道控制算法之一，这主要是由于其内部 的几个调整，其中包括交通量的下降和区域关于车辆排队的调整。另外已经实 施的匝道控制算法还有c o m p a s s 匝道控制算法、帮助型匝道控制算法、瓶颈路 段匝道控制算法以及相连匝道控制算法( b a n k s ，1 9 9 3 ) 等。 除了上述已经实施的匝道控制算法以外，还有一些没有得到实际应用的新 的匝道控制算法也不断出现，例如，人工神经网络匝道控制算法( w e ia n d w u ，1 9 9 8 ) 、基于模糊逻辑的匝道控制算法( t a l ea n ds l a g e r ，1 9 9 9 ) 以及通行能 力最大化匝道控制算法( e m m a n o u i l ，2 0 0 3 ) 、最小有利行驶时间匝道控制算法【4 l 、 基于模糊逻辑的匝道控制算法( t a l ea n ds l a g e r ，1 9 9 9 ) 以及基于节点平衡的匝道控 制算法【卯。 以上简单的介绍了几种国外典型的匝道控制算法，在以后的章节中会给出 详细的介绍。 1 2 2 国内研究概况 目前，国内对快速路匝道控制方法的研究尚处于起步阶段，但是我国学者 也作了一定的研究，也取得一些成果。 同济大学杨晓光教授的“考虑进出口匝道排队约束的城市快速道路交通系 统动态控制方法 ( 1 9 9 9 ) ，提出城市快速路进口匝道的超长排队对地面道路交 通所造成的障碍影响，以及因出口匝道的排队，而产生的主线交通自然阻塞的 交通问题不可忽视，文章以线性规划方法为基础，提出同时考虑进出口匝道排 队约束，主线通行能力的约束以及行驶速度的城市快速道路流入交通的动态的 控制手法【6 1 。 华南理工大学谭满春等的“高速公路入口匝道模糊控制 ( 1 9 9 9 ) ，根据快 速路及其车辆组成的系统复杂多变，很难找到准确描述交通流的模型特点，对 快速路入口匝道的模糊逻辑控制进行了研究，利用模糊逻辑控制器实时地调节 快速路入口匝道，此外，谭满春等还针对p a p a g e o r g i o u 所建立的宏观交通流模 型，在快速路段发生拥堵现象时不能反映路段的交通流真实状态的局限性，给 出了一个改进的交通流模型【7 】，在新模型上构造了入口匝道最优控制问题。 哈尔滨工业大学裴玉龙教授和杨振兴的“高速公路入口匝道模糊控制研究 ( 2 0 0 2 ) ，采用模糊控制对快速路入口匝道汇合控制进行了研究【8 】，有效的提高 了快速路入口匝道车辆汇入快速路主线的实时性。 中科院自动化研究所的陈德望对国外先进的匝道控制算法进行了回顾与展 望，该文章选择几种应用比较广泛的入口匝道控制方法进行了探讨，并详细地 说明了这几种入口匝道控制方法的适用范围和局限性，提出了采用分层递阶智 能控制理论和多目标优化的方法来实现高速公路与替代公路的集成控制，以取 得综合交通体系的效益最优的研究方向【9 】。 2 0 0 3 年北京交通大学吴建平教授在交通运输系统工程与信息发表“南 安普敦市高速公路入口控制方案案例研究”一文 1 0 1 ，采用a l i n e a 方法研究了 英国南安普敦市高速公路入口匝道控制的案例，通过对有无入口匝道控制策略 的详细数据分析，认为高速公路入口匝道控制系统对辅路上的车流、高速公路 主干线上的车流，尤其是对高速公路右侧车道汇合前的区域存在一定潜在的影 响，并认为入口匝道控制系统确实能改良高速公路车流汇合区的交通条件，但 同时也会导致高速公路的主干道的车流量和速度的轻微减小。 长安大学姜紫峰利用计算机仿真的方法对匝道控制系统进行了研究 i l l ，针 对m a r k o sp a p a g c o r g i o u 的高速公路交通流宏观、动态、确定性交通流模型，从 入口匝道流量对高速公路主线交通流影响的实质出发，通过对入口匝道和汇入 4 量影响因素的详细分析，提出了独立的入口匝道控制和入口匝道联合控制两种 策略，并以高速公路总行程时间、总服务流量计算入口匝道平均等待时间作为 入口匝道控制控制效果评价的目标函数，利用计算机仿真技术对上述两种策略 进行了仿真，其结果表明上述两种入口匝道控制策略的确能够提高道路的服务 水平、减少行程时间，控制效果较好。 华南理工大学的贺敬凯等的“基于b p 神经网络的入口匝道控制器的设计” ( 2 0 0 2 ) ，提出入口匝道控制系统是一种复杂的非线性时变系统，难以用数学准 确建模，该文根据入口匝道控制原理分析了交通控制中所需的交通量参数，并 据此设计了神经网络控制器，并对这一控制器进行了仿真，仿真结果显示神经 网络用在入口匝道控制中可取得良好效果1 1 2 。 目前，匝道控制的发展趋势是采用集成的控制形式。所谓集成的控制形式 是指匝道控制结合其它一些i t s 控制方法如( 可变限速系统以及先进的出行信 息系统等) ，这样可以发挥各种控制方法的优点，更好的控制交通流。 在这方面的研究主要有：吉林大学杨兆升教授等的“城市快速路匝道调节 与动态速度引导的协同策略”( 2 0 0 6 ) ，同济大学常云涛的“高速公路动态o d 矩阵估计及匝道与路由协调控制 。 杨兆升在“城市快速路匝道调节与动态速度引导的协同策略 中1 1 3 1 ，建立 了以主线服务流率最大和匝道排队延误最小为目标的匝道调节与速度引导的协 调函数，模拟验证该控制方法可以更好的从时间上、空间上组织好快速路上的 交通流，可以增加主线实际通行能力1 0 以上，节约路线平均行程时间3 0 以 上。 常云涛在“高速公路动态o d 矩阵估计及匝道与路由协调控制 中，提出 了高速公路网路由一匝道联合控制，阐述了高速公路网路由一匝道联合控制的 基本思想和最优联合控制求解方法。 通过对现有文献的研究，总结出一些关于匝道控制方法研究方面的不足之 处，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 常见的控制方法一般取系统总通行时间最小、系统总通过量最大或各 入口匝道总流入量最大等作为目标函数，在仅仅追求单一的最优目标的同时却 忽略了其它性能指标。例如：当追求入口匝道总流入量最大时，一味的把入口 匝道的车流放入快速路主线，势必会增加主线的交通压力，甚至导致交通拥堵 出现： ( 2 ) 在以匝道间o d 分配流量作为数据输入的快速路匝道控制方法，往往 忽略了车辆在快速路系统内的走行时间，而是简单的认为车流的走行时间在一 个周期之内可以忽略不计； ( 3 ) 匝道控制方法多数只追求系统目标最优，忽略了用户的公平性。 1 3 本文主要研究的内容 本文的主要研究内容按章节可分为以下五个方面： 第一章绪论。首先阐述了快速路匝道控制研究的意义。随着社会经济的 发展，交通拥挤已经成为我们必须面对的问题。对于解决快速路交通拥挤，匝 道控制是其中一个重要的方面，实施匝道控制是解决快速路交通拥挤的有效方 法；其次对快速路匝道控制的国内外研究现状进行了简要的介绍，最后提出了 在快速路匝道研究领域当中所存在的问题。 第二章快速路o d 矩阵估计与匝道协调控制的相关关系。快速道路入口匝 道控制方法一般将路网当前的各种交通数据作为周期输入变量，作为控制决策 的基础，综合各种输入变量一般可以分为两大类：一种是以直接采集的交通数 据作为输入变量，如流量、速度以及占有率等；另外一种是依据现有数据间接 计算生成的二次处理交通数据作为协调控制的输入变量，如o d 分布矩阵等。 分析了基于不同类型的数据作为输入的快速路匝道控制方法，及其方法的优缺 点，最后提出本文的o d 估计算法。 第三章快速路匝道控制方法研究。首先介绍了匝道的基本定义以及匝道 控制基本方法，其次对匝道控制的方法进行了分类，对于不同类型的匝道控制 方法，详细介绍了这些快速路匝道控制方法的内容，并分析了不同快速路控制 方法的优缺点以及所适合应用的条件，最后给出本文的核心内容，以“动能” 最大为主要目标函数的快速路最优协调匝道控制方法，以及该控制方法的约束 条件。 第四章基于动能最大的匝道协调控制方法仿真评价。主要对“动能”最 大为目标的匝道协调控制方法进行了仿真，同时与无控制条件和以“动量”最 大为目标的匝道协调控制方法进行了对比，可以看出，以“动能 最大为目标 的匝道协调控制方法可以维持快速路上的交通状态的稳定，该控制方法具有一 定的优越性。 第五章总结与展望。概述本文的主要结论，指出将来需要进一步研究的 问题。 6 第二章快速路o d 矩阵估算与匝道协调控制的相关关系 2 1 面向匝道控制的快速路o d 矩阵估算方法研究 快速道路入口匝道控制方法一般将路网当前的各种交通数据作为周期输入 变量，作为控制决策的基础，综合各种输入变量一般可以分为两大类：一种是 以直接采集的交通数据作为输入变量，如流量、速度以及占有率等；另一种是 依据现有数据间接计算生成的二次处理交通数据作为协调控制的输入变量，如 o d 分布矩阵等。 2 1 1 面向单匝道控制的快速路交通数据与控制策略 基于直接采集的交通数据( 如流量、占有率、速度) 确定匝道调节率的模 型一般用于单点匝道控制方法，利用直接采集交通数据通常只考虑某个匝道或 匝道局部区域的交通特性，无法代表整个路网中匝道与匝道之间的交通关联特 性【1 4 】。回顾这些控制策略较为经典的有：a l i n e a 控制、神经网络控制和需求 容量差额控制 1 5 1 。 1 人工神经网络控制策略 人工神经网络是近几十年来发展起来的十分热门的交叉学科，它涉及了生 物、电子、计算机、数学和物理等学科，有着非常广泛的应用背景，该学科的 发展对目前和未来的科学技术发展将有重要的影响1 1 6 1 。 其方法的本质是将神经网络嵌套于匝道反馈控制器中，神经网络的参数通 过反馈传播算法( b p ) 确定。 下式是基于神经网络的非线性控制模型： ， ) = i a a 【岛一户 ) 】+ 兄( 厂( p ) ) 一q 。 ) ) y ( p ) - - v f b p 2 f p 椭1 ：空间步长。 阮：是指临界密度； 兄：为主线车道数目； 吼忙) ：主线上游流量； p ( k ) ：第k 个控制时段中的交通密度； v ，：为自由流速度，p j a m 为阻塞密度； r ( k ) ：第k 个控制时段中的匝道调节率。 该策略的主要输入一般取能够描述交通状态的基本变量： 及流量等，对于神经网络来说，输入量越少，网络规模越小， 7 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 如速度、密度以 训练速度更快。 2 需求一容量差额控制策略 该控制方法的基本原理是通过实时比较匝道上游交通量和下游通行能力来 确定入口匝道的调节率，需求容量差额控制方法的基本模型如下【1 7 j ： ，( 1 ) = q c o p - q u o o u t ( k ) o 甜c r ( 2 4 ) ：是临界占有率； q o 是匝道上游的路段流量； ：是预设的匝道最小流入量； o o u t ：是匝道下游地车道占有率； g 。：匝道下游的快速路段的饱和容量5 ，( 七) ：第k 个控制时段中的匝道调节率。 该控制方法的实质是通过调整匝道调节率避免交通瓶颈影响的加剧，但该 方法存在一定时滞性，无法迅速实时响应即将发生的交通拥堵。 2 1 2 面向多匝道协调控制的快速路o d 矩阵与控制策略 依据现有数据间接计算生成的二次处理交通数据，作为输入变量的控制模 型一般为协同性控制模型，该模型的控制范围为快速道路系统所有、部分( 多 个) 匝道，由于该模型的描述对象是多个匝道，相对于单点匝道控制的范围更 大、关联性更强，无法通过直接采集的交通数据描述匝道间交通流的特性，一 般需要将现有的路网上采集的交通数据间接转换成o d 等二次处理的交通数 据。 回顾这些控制策略较为经典的有线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 方法，该 方法是w a t t l ew o r t h 于1 9 6 5 年最早提出的，该方法将匝道系统控制最佳化为资 源分配问题，该方法基本模型如下： 入口匝道加权流入总量最大j 胍a i r i ( 2 5 ) 1 = 1 主线容量约束： 如c k ( 2 6 ) 扣- l 匝道需求约束： 0 皿 ( 2 - 7 ) 其中： c r ：路段k 之容量； d ：匝道f 的流入需求。 一：入口匝道，的调节率； a ，：入口匝道f 的权重系数； a r k ：由匝道i 进入主线的流量中，经过路段k 的流量所占比例； 该方法尽管利用了历史o d 作为匝道交通需求的输入量，但没有考虑到流 入交通需求( 流入需求量与o d 特征) 和路网上交通状态随时间的变化对控制解 的影响，也没有考虑到路网上交通状态的变化。模型使用的是离线的o d ，适用 于交通状态较为稳定且没有发生异常变化的情况，但其灵活性较差，不会针对 实时检测信息作出响应。若有突发异常事件( 如交通事故、大型活动等) 时， 该控制方法可能会失效甚至导致大范围的交通拥堵。 t a n g h s i e nc h a n g 与z h u n g - - y i hl i 提出以实时的动态o d 作为匝道控制 的输入变量，该方法运用动态的o d 估算出口匝道的交通需求，作为输入变量， 以实现更优的控制效果。基于实时o d 的出口匝道流量估计模型如下 i s t ： - 1m ，、 对= 忸? k 州喏叫 ) ( 2 - 8 ) i - - 0m = 0 式中： y k , ”：k m 时段； s ；：k 时段出口匝道，的流量： 群一：k m 时段入口匝道f 的调节率； 锘” ：k 时段由o d 对f ，j f 在k 一朋时段产生的流量的比例。 该控制方法尽管考虑了行程时间的因素，但是由于假设车辆出行服从一个 队列，最多只影响出口匝道的两个时段，不符合实际交通流的运行状况。此外 尽管实时动态o d 能够反映当前交通状况，但当交通拥堵时匝道间o d 量往往 波动较大，基于实时检测的数据无法估计下一控制时段可能出现的变化，最终 匝道控制无法达到理想的控制结果。 一般情况下o d 矩阵是当前时段或是过去时段的o d 矩阵估计值，如果能 够对路网的o d 需求进行一步或多步预测，则可以更为有效的对快速路段实施 控制。杨晓光等提出对匝道流量进行预测的控制方法，其基本模型如下0 9 ： 流入交通总车公里数最大： 尬x d 5 v s ，v k( 2 9 ) _ j i e l 主线区间容量约束： 鳓阱q ， v s ，v k( 2 1 0 ) r - ( si e ， 出口匝道约束： 啄吖q + 零一f v s ，w( 2 - 1 1 ) 入口匝道需求约束： d ；一避一l 1 s u s d ；+ l v s ，v i q - 1 2 、) 其中： 础：主线第k 个区段的通行能力； 9 c ? ：第，个出口匝道的通行能力： 凹：入口匝道f 最大允许排队车辆数； z ? ：出口匝道，最大允许排队车辆数； 研：第s 个单位控制时段内，入1 ：3 匝道f 到达车辆数t r ：第s 个单位控制时段初始，出口匝道j 排队车辆数； f ：第s 个单位控制时段初始，入口匝道f 排队车辆数。 ：第s 个单位控制时间段内，入1 ：3 匝道f 流入主线车辆数； 孑。：第s 个单位控制时间段内，入口匝道f 流入车辆平均行驶历程； 簖：区间影响系数，第r 个单位控制时段内入口匝道f 流入主线的车流 中，到第s 个单位控制时段时行经主线k 个区段的车流所占比例； 桦：出i ：3 匝道影响系数，第，| 个单位控制时段内入口匝道j 流入主线的 车流中，到第s 个单位控制时段时到达第，个出口匝道的车流所占 比例； 该控制方法在进行o d 估计时假定主线行程时间较短，即行程时间在一个 o d 估计周期内，所以不考虑交通流的时滞影响，但实际上对于动态o d ，车辆 在快速道路上的行程时间相对于o d 统计周期来说并不是唯一对应的，车流也 不是简单的维持一个队列到达的，特别是在车速相对较快的快速路上，行驶的 队列必然存在的车队离散的现象，最终车队中车辆到达出口匝道的时间可能对 应多个时间周期。 2 2 快速路动态o d 预测方法研究 本文通过预测未来时段的o d 流量，则可以更为有效的对快速路段实施控 制，尽管路网中某一o d 对之间在一天中同一时段的流量可能存在着较大的变 化，但是相对来说，其o d 分流比例关系是较为稳定的，预测起来较为容易和 准确，o d 流量可以由快速路网的各入口匝道的流量以及o d 分流比例相乘得 到，入口匝道流量之间可以认为是相互独立的，没有耦合关系，o d 流量的预测 的形式如下1 2 0 1 ： 职= g 嚣口留 ( 2 13 ) 式中： 口彦：预测的o d 比例矩阵t g 掣：入口匝道的预测流量； 钟甲：入口匝道的预测o d 流量。 以下对入口匝道流量的预测和o d 比例的预测分别作出了阐述。 2 2 1 入口匝道流量的预测 入口匝道流量的预测过程包括对先验流量的更新和观测流量与先验流量差 1 0 值的预测，令： g 。o b s ：第n 天时段k 内的入口匝道观测流量； g ：第n 天时段k 内的入口匝道流量先验值： g 鬟：第刀天时段k + f 内的入口匝道流量的预测值； 其中，入口匝道流量先验值羹。的更新可以通过指数平滑法完成： q o = a q o 一l + ( 1 一口月 、。o b s ( 2 - 1 4 ) 预测的输入量由当前时段的观测值与前一天的同一时段的先验值之差给 出： a q 。，i = 吼o b s g = - l ( 2 - 15 ) 式中， 幻础：第n 天时段k 内前一天的同一时段的先验值之差； g 。：之前一天时间段k 内的入口匝道先验流量。 接下来可以采用p 阶自回归法来计算吼。在下一时段的预测值： g 搿= p ( i ) a q 咖，q ( 2 - 1 6 ) i = l 式中p ( f ) 为回归系数，可通过递归最t j 、- - 乘法计算。 完成上述计算后，入口匝道流量的一步预测值可由下式计算得到： g 搿= a q 础p r e + d l + 口曼l 州 ( 2 - 17 ) 2 2 2 匝道间o d 分配比例估计 多数o d 估计方法均假设走行时间小于观测时间长度，因此走行时间可以 忽略不计，但是当走行时间较长时，或是车速较快，车队出现离散现象时，应 该在模型中加以考虑，提高模型的精确度。 下面论述了考虑走行时间的o d 矩阵估计方法，问题的描述与变量定义【2 l 】 如下，快速路段变量定义见图2 1 所示： 图2 1 快速路段示意图 w ( 七) ：时段k 由上游截面进入快速路段的车辆数； ( 尼) ：时段k 由进i = 1 匝道f 进入快速路段的车辆数f _ 1 , 2 ，以； s j 依) ：时段k 由出口匝道j 流出快速路段的车辆数，= 1 , 2 ，力； j 。( 尼) ：时段k 由的下游截面流出快速路段的车辆数； 6 1 f ， ) ：匝道间o d 分配比例，w f ) 中以出1 ：1 匝道，为目的地的车辆占w ) 的比例，为保持系统静定，假设包，( 七) 在k 个时段内保持不变，即： 6 f ) = b o ( k 一1 ) = b q 一2 ) = = 一m ) ( 2 - 1 8 ) 由于快速路段各节点问均有一定的距离，车辆在路段上走行的时间不能忽 略，因此在模型中必须考虑走行时间的影响，引入变量硝( 忌) 表示时段k m 的 o d 量 一m ) b o , 一，z ) 中对s ， ) 有贡献的比例，则系统方程为： i - im _ ) = 硝 h - m ) b 扩( k - m ) ( 2 1 9 ) i - 0m = 0 其中，m 为各上游节点。的发生量对下游节点的吸引量 ) 有影响的之前 时段数的最大值，可以把整个快速路段范围内最大走行时间相应的时段数。 因此，得到快速路段问题中的动态o d 反推模型为： k j肼，一i ，= m i n i j ) 一硝 h 一m ) b u ( k m ) l ( 2 - 2 0 ) k = l = l m = oi - i l s t b q = 1b q 0 j c - - j 1 该o d 矩阵估计方法提出了动态路径走行时间的完善，考虑了走行时间的 重要因素，很大程度提高了匝道间o d 分配比例计算的精度。 2 3 本章小结 本章介绍了基于不同类型的数据作为输入的快速路匝道控制方法，一种是 基于直接采集的交通数据( 如流量、占有率、速度) 确定匝道调节率的控制方 法，该控制方法一般为单点匝道控制方法。这种利用直接采集的交通数据通常 只考虑某个匝道或匝道局部区域的交通特性，无法代表整个路网中匝道与匝道 间的交通关联特性；另外一种是依据现有数据间接计算生成的二次处理交通数 据作为协调控制的输入变量，如o d 分布矩阵等，该控制方法称为协调控制方 法，控制范围为快速路系统所有、部分( 多个) 匝道，由于该控制方法的描述 对象是多个匝道，相对于单点控制的范围更大、关联性更强。通过对以上两种 控制方法的比较，本文选择第二种，即基于二次处理的交通数据( o d 分布矩 阵) 作为输入的控制方法，最后分析了快速路动态o d 预测方法，并进行了详 细的阐述。 1 2 第三章快速路匝道控制方法研究 3 1 快速路匝道控制概述 快速路最初作为自由路提出和设计，其基本目的是使车辆快速、高效、舒 适、便捷地行驶，而不受任何交通信号控制 2 2 1 ，但随着汽车交通需求的日益加 剧，由于投资和环境等方面因素的限制，纯粹靠增建快速道路设施来缓解交通 拥挤的策略变得越来越不可行。于是，人们逐渐把目光转向对交通需求和运行 进行管理和控制这一层面上来。根据国外经验，快速路入口匝道控制是应用最 广泛、也最有效的一种缓解快速路拥挤的交通控制形式【2 3 】【2 4 】。 匝道控制系统包括入口匝道控制和出口匝道控制，但在匝道控制中很少对 出口匝道进行控制，主要是由于出口匝道控制不是一种有效的方法，如果采用 出口匝道控制，那么等待在快速路出口匝道上的车辆会从信号灯向后延伸到快 速路主线，干扰主线的交通，并且驶出匝道的车辆由于在信号灯前停车而急剧 减速，存在着向前滑行和造成尾端碰撞的危险，这些都是与快速路交通控制目 标背道而驰的，因此在这里讨论的匝道控制主要是入口匝道控制。 3 1 1 匝道的定义 匝道是专供主线转弯车辆行驶的连接道，是互通式立体交叉主要的组成部 分 2 5 1 ，根据匝道上交通流的运行特性不同，可以把匝道分成三部分，即：匝道 与快速路的连接点、匝道行车道以及匝道与普通道路的连接点。 匝道在快速路系统中主要起连接作用，与快速路段基本路段相比有很多不 同之处： ( 1 ) 匝道的长度和宽度是有限的； ( 2 ) 匝道的设计车速低于与之相连接路段的设计速度； ( 3 ) 在不可能超车的单车道匝道上，货车和其他慢速车辆带来不利影响比 基本路段严重的多； ( 4 ) 匝道上车辆加减速现象频繁。 3 1 2 入口匝道控制的涵义 入口匝道控制是在快速路入口匝道处放置交通信号装置，通过信号灯的周 期变化，控制快速路的交通需求。入口匝道控制以快速路主线交通流为控制对 象，以匝道入口流量为系统的输入控制量，通过寻求最佳入口匝道流量，使快 速路上的交通流处于最佳状态。其基本原理是通过把快速路上的延误因素转移 到入口匝道，从而在快速路上维持一个既不间断也不拥挤的交通流，以最大效 率利用快速路相应服务水平的交通能力求得最佳入口匝道流量，使快速路的交 通流处于最佳状态。 入口匝道控制可以直接控制进入快速路的交通量，可使整个快速路网上的 交通