（交通信息工程及控制专业论文）高速公路交通控制策略研究.pdf

摘要 随着经济的发展交通流量增加，交通拥挤和事故发生率升高，已经开始严重影响着 人们的生活。高速公路作为一种先进的交通设施，也在面临着巨大的挑战。使现有交通 基础设施提高利用率的有效方法便是采取科学的控制与管理手段。本文以提高高速公路 利用率及服务水平为目的，分析了高速公路交通控制中的几个重要问题，并对几种控制 方法做了研究，详细介绍了基于模糊控制理论的入口匝道控制和可变限速下的主线控制 策略。 本文首先分析了高速公路交通流的特征以及交通流各参数之间的关系，并探讨了高 速公路稳态和动态交通流模型，在此基础上介绍了几种高速公路控制方法。入口匝道控 制方法是高速公路交通控制中最主要最常用的有效控制方法，针对高速公路交通系统具 有非线性和动态性并且很难用一个确切的数学模型来表示的特点，本文采用了模糊控制 方法，通过五个参数来确定高速公路入口匝道的调节率，实现了入口匝道控制的实时性， 并使用m a t l a b 软件对入口匝道控制进行了仿真，通过与实时控制做对比验证了该方法 的可行性。 对于高速公路主线控制，本文主要研究了可变限速控制，选取了对速度影响比较大 的七个限速因素，建立了可变速度控制的数学模型并选择其中的一种模型，通过v b 编 程进行了实现，并与模糊神经网络控制下的可变限速做了对比，验证了该模型的有效性 和实用性。 关键词：高速公路；交通控制；模糊控制；v b ；仿真 a bs t r a c t w i mt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m ei n c r e a s ei i l 仃a 衔cc o n g e s t i o na l l dl l i 曲e ra c c i d e n t r a t e sh a v eb e g u nt os 舐o u s l ya 日e c tp e o p l e sl i v 韶a sa i la d v 锄c e dt r a n s p l o r tf a c i l i t i 鹤， h i 曲w a yf a c e se i l o m l o u sc h a l l e i l g e s t 1 1 ee 仃e c t i v ew a yt o 硫p r 0 v et l l eu t i l i z a t i o no ft h e e x i s t i n gt r a n s p o r ti n 行a u s 讯l c t u r ei st ot a l 【es c i e l l t i 矗cm e 姐so fc o n 缸- 0 la n dm 锄a g 锄e n t i i lt l l i s p a p a j l a l y s i so ft h eh i g h w a y 仃a 伍cc 0 n 仃o li i ls e v e r a li m p o r t 觚ti s s u e si no r d e r t oe 1 1 1 1 a i l c e t l l el e v e lo fm em 曲w a ya n ds e i c eu t i l i z a t i o n ，s e v e m lc o n 仃d lm e t l l o d sw e r e 咖d i e di 1 1d e t a i l a i l dd e t a i l so fc o n t 】lt h e 0 巧b a l s e do nf i l z z y 姗pc o 砷la i l dv 撕a b l es p e e dc o n t 】ls n a t e g y o f t h em a i nl i n e t l l i sa n i c l e 伍s ta i l a l y z 骼m ec h a r a c t 舐s t i c so f 丘优w a y 吼伍cn o w 锄dm er e l 撕o n s h i p b e t 、e e i lv 撕o u sp 娥i m e t e r s ，锄de x p l o r 懿t h es t e a d y - s t a t ea 1 1 dd y i l 锄i c 丘e w a y 仃a m cf l o w m o d e l ，b a s e do nm i si n 的d u c e ss e v e r a lc o n t r o lm e t h o d s r 锄1 pc o n t r o lm e m o di s t 1 1 em o s t c 0 埘【m o n l yu s e di n 廿1 em o s te 行文：t i v ec o n t r o lm 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i o n 觚d c o m p a r e dw i t l lm e 如z z ) rn e u r a ln 咖o f k s 丽mv a r i a b l es p e e dc o n t r o l ，t 0v 耐匆l ev a l i d i t yo f m em o d e la n d p r a c t i c a l k e yw b r d s ：f r e e w a y ； t r a m cc o n t r o l ； f u z z yc o n t m l ；： s i m u l a t i o n n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：互灞华 日期：。7 年岁月叩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：土遣华日期：伪。肛岁月 7 目 导师签 队 日期：阳。夕年岁月f 7 日 f 。 第一章绪论弟一早珀 t 匕 1 1 引言 高速公路作为一种现代化的高速交通设施，具有安全、快速、高效、舒适、 方便等几个特征。发展高速公路的目的，就是要消除车辆与车辆之间、车辆与行 人之间的冲突，减少交通延误现象。高速公路要提供高水平服务，相比普通的公 路而言，高速公路已经取得了很大成功，交通服务的水平得以提高，并且带来了 巨大的经济与社会效益。但随着经济的发展交通需求不断增加，交通问题也开始 越来越严重地影响着现代人的生活，尤其是交通拥挤和堵塞现象，另外交通事故 和污染问题也越来越引起人们的重视。通常情况下，当交通量接近或超过道路的 通行能力时会发生交通阻塞现象。解决该问题可以采用减少交通需求或者提高该 道路通行能力的方法。对高速公路而言，可采用分流的方法将该道路的交通量调 节到其它有剩余通行能力的道路上去；另外也可以扩建道路，这样会使通行能力 直接得以提高。然而，道路的扩建要受到很多条件的限制，比如城市结构、土地 资源以及资金等多个方面，是不可能随意扩建的。所以只能去实施其它的解决办 法使现有交通设施的利用率最大化。进行科学有效的交通控制和管理则是提高 现有交通设施利用效率的关键方法。 高速公路完善与否的的重要标志便是其交通控制方法是否合理。高速公路控 制技术的实施必须基于通信和信息技术的应用，随着科学技术的发展已经为高速 公路控制技术的创新提供了有利的条件。解决一系列交通问题的有效方法就是利 用现代信息与通讯技术等高新科学技术手段，把使用者和车辆、道路等紧密结合 起来使现有的道路运输系统及其管理体系得以改变，提高交通系统的管理水平， 使其现代化科学化，最终形成一种及时、准确和高效的先进高速公路交通管理体 系。例如：进行交通诱导自动化控制会使一条普通高速公路每车道的通行能力由 2 0 0 0 辆h 增加到6 0 0 0 辆h 。 1 2高速公路交通控制研究现状 为了保证高速公路的高速、高效、安全和舒适性，必须妥善解决高速公路中 存在的交通问题，为此，有两种方案可以选择：一是新建高速公路或者在原有路 段基础上附加支线。这样做，当然可以缓和交通拥挤状况，事故率也会减少，但 是成本很高，特别是在城市内修建高速公路，不仅拆迁费用大，而且会破坏居住 环境，经济和环境均难以承受。二是对高速公路上的交通状况进行控制，以期望 达到合理的组织交通，减少交通事故，缓和或消除交通拥挤，提高道路利用效率 的目的。设置高速公路控制系统，其成本仅占高速公路投资的5 1 0 。因此方案 二是解决高速公路交通问题的有效方法。 高速公路的交通控制策略通常分常发性交通问题的控制策略和偶发性交通问 题的控制策略。由于偶发性交通事故发生的位置和时间是不可预测的，因而它的 影响优势可能会很大，如某一主要车道发生阻塞事件；优势也可能影响不大，如 某辆车坏在车道上。对于引起延误的事件，它所造成的延误大小取决于事件处理 时间的大小。发现事件时间、对事件的反应时间，以及排除事件的时间越短，它 对高速公路交通流的影响越小。因此，对于这类事件，主要控制策略是消除和防 止引起事故的原因，管理好事件邻近路段的交通需求，并使高速公路尽快恢复到 正常的服务水平。为了实现这一控制策略，需要建立监视系统、事件服务系统和 驾驶员信息系统。近年来有关高速公路交通控制的研究主要有以下几个方面：高 速公路交通流建模、高速公路入口匝道控制、主线控制、优先通行权控制和通道 控制【l 】。 ( 1 ) 高速公路交通流建模 作为交通工程界的一个重要的研究课题交通流建模是智能交通自动控制、分 析、设计、仿真和决策的前提。高速公路交通流一般是用数学模型来描述交通流 状态变量随时间与空间变化、分布规律及其与交通控制变量之间的关系的。进行 交通自动控制系统设计、分析、仿真、运行的基础便是准确的交通流模型，同时 它也是某些交通设施的交通分析、设计、预报以及评价所需要的。 ( 2 ) 高速公路入口匝道控制 作为目前高速公路主要控制手段的入口匝道控制是为了防止因大批车辆涌入 高速公路而造成常发性交通拥挤甚至会导致突发性交通拥挤而进行的控制方法， 它是通过调节驶入高速公路各路段的交通量来进行控制的，科学的入口匝道控制 可以将整个高速公路各段交通流量进行合理分配，使道路的通行能力得以充分发 挥，并且还能降低交通事故的发生率，这在高速公路交通控制中是一种应用最为 广泛的控制策略。该方法是以控制高速公路的交通需求为基本目标，即控制进入 高速公路的车辆数目，尤其是在高峰期间，使高速公路交通流的运行能够达到最 佳的状态，同时某种性能指标也要达到最佳，并能减少在匝道交通流交汇时发生 冲突和事故的发生率。常用的入口匝道控制方法有：入口匝道定时控制、入口匝道 感应控制和入口匝道系统控制。 ( 3 ) 高速公路主线交通控制 为了取得最佳车速，使道路瓶颈路段的服务交通量达到最大并且防止因交通 状态变化而导致的追尾事故等一般采用主线交通控制的方法。这种控制方法只是 一种辅助调节手段，因为它有一个最大缺点就是不能对整条高速公路交通流量产 生重大的影响，还有就是也没有考虑到对与之相邻的普通道路的影响。并且较高 的交通环境软硬件条件是主线交通控制的实施的前提。 ( 4 ) 通道控制策略 高速公路主线、匝道以及与其相连的普通道路就是高速公路的通道。通过通 道控制，使高速公路上交通需求与通行能力达到平衡。通道控制策略一般采用的 是交通感应式来监控通道线路交通状况，适当调节交通流量，或者把车辆进行分 流，引导到其它有剩余同行能力的道路上去。 1 2 1国外研究现状 国外对于交通控制策略的研究比较早，已经提出了多种控制方法，比如利用 可变信息标志，入口匝道控制方法，可变限速控制方法等。国外对于交通流建模的 研究已经有了很大成就。流体动力学模拟理论是l i g h t h i n l l 和w h i h t a m g 首次提出 的，文中采用流体动力学理论来模拟交通流，尽管其速度一一密度关系式不太合 理，但是经过不断改进，速度一一密度关系式被动量方程取代，多种高阶连续介 质模型就是根据所取的动量方程的具体形式不同而形成的【2 】。k o t s i a l o s 和 p a p a g e o r 百o u 对宏观交通流模型进行了总结【3 l 。k a r amk 等人提出了考虑驾驶员 心理、气象条件等因素对交通流影响的模型，该模型分几种类型考虑了驾驶员在 自由流时自己的期望自由速度，这几种类型的驾驶员同样在拥挤时，也会有不同 的期望间距和期望速度【4 ，】。近年来，出现了一些智能建模方法，h of ，i o a n n o up 用 人工神经网络建立了交通流模型f 6 l ；s h i n y ak ，p a r t h ac 提出了基于由驾驶规则的 直接自然语言组成模糊推理系统跟驰模型【7 】。另外，希腊的a p o t o s l o sk a t s i a l o 、 m a r k o sp a p a g e o r g o u s 用事实证明了m e t a n e t 模型的工具性和正确性，他们将该 模型应用于荷兰的a m s t e r d a m 圆形路网中，并取得了很好的效果【8 ，l 。 对于匝道控制的研究国外也比较成熟。1 9 6 5 年，w a t t l ew 6 r t h 提出了匝道控制 方案。1 9 7 5 年，m a s h e r 提出了根据需求容量关系计算匝道调节率的方法。1 9 8 0 年，p p a g a o c 鲥o u 通过引进区间分段的方法把静态模型动态化。m a r k o s p a p a g e o r g i o u 、cj a m et a y l o r 、p a u lgm c k e n n a 、p e t e rcy o u n g 等人都对匝道控制 进行了深入的研究，并且获得了理想的效果吣1 2 】。对于主线控制和通道控制的研究 文献还比较少，s m u l d e r ss 等人在对高速公路交通可变速度进行了研究，给出了 总体的主线控制思路【1 3 1 。通过在通道系统内分配和管理交通流来平衡和利用通行 能力的通道控制实现了高速公路和普通公路的综合有效控制，现在也成为研究的 热点【1 4 1 5 】。 1 2 2国内研究现状 我国高速公路监控系统起步较晚，随着我国高速公路建设的迅速发展和相应 问题的日益显现，国内很多学者和研究机构也开始对高速公路交通控制进行研究， 3 并取得了一些研究成果。宫晓燕等人对交通流建模的发展做了详细的介绍并对其 今后的发展进行了展望1 。王亦兵、韩曾晋等人对几种高速公路交通流模型做了 比较并从流体动力学和随机过程角度对交通流动力学属性和统计的特点进行了分 析1 1 7 l 。郑应平，张冬梅研究了智能交通系统在建模与控制，以相互关联的高、中、 低三个层次的将交通系统模型进行了研翘l s 】。 在匝道控制领域我国学者也取得了一定的成绩，陈德望教授首先对国外几种 应用比较广泛的先进匝道控制算法进行了总结与比较，并分析了每一种控制算法 的适用场合和局限性，并提出了新的高速公路与替代公路的综合集成控制方法f 1 9 l 。 姜紫峰提出了中低密度下的可变速度控制及高密度下的出口匝道分流和入口匝道 协调控制的方法【：叭吴建平教授采用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，认为高速公路入口匝道控制影响着主干线上的车流、辅 路上的车流以及高速公路右侧车道汇合前的区域1 2 i l 。谭满春等人对宏观动态交通 模型m a c k 模型进行了改进，构造了入口匝道最优控制问题并得到了良好的效果 i ：】。陈德望、工飞跃、陈龙对入口匝道的智能控制进行了研究，把模糊控制和神 经网络算法结合起来实现控制并与a l i n e a 算法通过仿真做了对比，证明了该算 法的有效性【2 3 l 。 对于主线控制和通道控制我国的文献也是比较少的，卢凯等修正了高速公路 宏观动态交通流模型，给出了新的矩阵方程用来求解控制率，对主线速度实施模糊 控制方法，为主线速度控制问题提供了一种新方法【z ，。翟润平等对限速控制的重要 性进行阐述的基础上探讨了道路上不同条件下的速度计算关系和修正系数，为限 速控制的实际应用提供了理论依据】。 1 3 本论文研究目的及意义 1 3 1 研究目的 所谓的高速公路交通控制，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、阻塞度以及交通状况、路面状况和气象参数等实现观察和测 量，根据交通参数及交通条件的历史数据或实时采集数据，按照某种预定的性能 准则来调节高速公路上的交通参数，从而使公路自动的保持最佳的运行状态。交 通控制的主要对象是机动车及其驾驶员，交通控制的目的是： ( 1 ) 通过提高高速公路的通行能力来缓和或消除交通拥挤和阻塞，提高了交 通经济效益的同时也增加了驾驶员以及乘客的舒适度，提高了高速公路的服务水 平满足了行者的需求； ( 2 ) 减少尾气排放和噪声污染及能源消耗，保护了环境； ( 3 ) 为车辆上的有关人员及行人提供最及时的交通信息情况，减少了交通事 4 故的发生，降低交通事故发生率以增进交通的安全性【2 6 1 。 1 3 2研究意义 交通运输是国民经济和现代社会发展的基础。由于现代社会城市化速度越来 越快、国民经济的高速增长、全球经济的一体化进程加快、个人旅行与休闲时间 的不断增加以及人们对交通需求越来越高，智能交通便成为现代社会经济发展的 客观要求。随着计算机技术、电子技术、通讯技术、网络技术、传感器技术、智 能控制技术的飞速发展，这些新技术在高速公路控制中的实际应用越来越广泛。 现在高速公路控制中大量采用人工智能理论，例如模糊逻辑、遗传算法、神经网 络等，这为人工智能的控制策略提供了一个良好的实验和检验对象，通过对高速 公路的研究，可以进一步检验人工智能理论的有效性，在实践中推动着人工智能 理论的进一步发展。我国智能交通控制的研究起步较晚，智能交通控制技术与发 达国家的差距较大。近年来我国己经开始重视交通控制的研究，这有助于提高我 国的交通控制理论与应用水平，对促进我国智能交通向自主知识产权的方向发展 也具有一定的战略意义和现实意义。 1 4本论文研究的主要内容 在当前的高速公路发展状况下，我国高速公路造成交通阻塞主要原因还是由 于突发性事件而引起的，解决此类问题，最有效的方法就是采用先进的智能交通 控制技术，为此，本文在对高速公路交通流模型进行分析的基础上，重点研究了 基于模糊控制原理的入口匝道控制和高速公路主线控制中的可变限速控制策略。 本论文主要研究内容包括： 1 介绍了交通流的概念，交通流的特征和交通流的基本参数。并探讨了高速公 路交通流的两种模型：宏观稳态交通流模型和宏观动态交通流模型。 2 高速公路入口匝道控制的研究。交通拥挤是高速公路当前面临的最重要的交 通问题。入口匝道控制是高速公路交通控制中使用最广泛的方式，在本论文中将 对入口匝道控制做详细地阐述。 3 高速公路入口匝道模糊控制及其仿真的研究。模糊控制是智能控制中最常用 的方式，本论文中将采用模糊控制实现高速公路入口匝道的交通控制。通过车辆 检测器对高速公路中的交通状态参数进行实时检测，利用模糊控制的理论将这些 参数最终转化为入口匝道调节率，对匝道控制起到非常重要的作用。使用模糊控 制中的模糊推理系统要经过大量的计算才能得到最终的精确值。为了简化计算， 更形象的构造模糊推理系统，本论文使用m a t l a b 模糊工具箱的图形界面工具建 立模糊推理系统，并对入口匝道的定时控制和模糊控制作以比较。 4 详细研究了高速公路主线可变速度控制。基于国内对可变速度控制研究较少 的现状，论文建立了可变限速控制的三个数学模型并对每一种算法进行了详细的 介绍，参考了大量资料选取了七个速度影响因素，同时选取了其中一个算法通过 v b 编程验证了该算法的实用性，并与模糊神经网络限速控制做了对比。 6 第二章高速公路交通流理论 2 1交通流概念及要素 交通流是指汽车在道路上连续行驶形成的车流。广义上还包括其他车辆的车 流和人流。在某段时间内，在不受横向交叉影响的路段上，交通流呈连续流状态； 在遇到路口信号灯管制时，呈现断续流状态。由于它在道路上的流动与液体的流 动有相似之处，因此国外许多学者利用了液体的数学模型，并加以修正，以此来 描述道路上的交通现象。 2 2交通流的三要素 车( 车辆) 、人( 行人) 和路( 道路) 是构成交通流的三个要素。 2 2 1车辆特性 道路上的车辆按其使用性能分为客运车辆和货运车辆，前者主要包括公共汽 车、无轨电车、有轨电车、大客车和小轿车，后者主要包括载货卡车、拖挂车、 平板车等。车辆的交通特性主要包括车辆尺寸、动力性能和制动性【：，】。 ( 1 ) 车身主要是指车辆的外形尺寸，车身的长度和宽度决定了车辆的载容量 它与交通控制有效合理的实施有着密切的联系。 我国常用的车辆的主要技术参数如表2 1 所示： 表2 1 设计车辆外形尺寸 ( 2 ) 车辆的动力特性 车辆的动力特性是汽车最近本、最重要的一种性能，汽车运输效率的高低， 在很大程度上取决于车辆的动力性能。 车辆的动力性能主要可由三方面的指标来评定，即： 1 ) 最高速度： 2 ) 加速时间； 3 ) 最大爬坡度。 7 ( 3 ) 车辆的制动性能 车辆的制动性能主要的评价指标是制动效能，主要体现在制动力和制动距离 上。 车辆的制动力由两部分组成，一部分是汽车制动器内制动力矩所产生的摩擦 力另一部分是抵抗轮胎滑移的阻力。 汽车的制动距离：是指驾驶员开始制动踏板到完全停车所需要的距离，它的 计算公式如下： s ： 生： 2 9 ( 缈f ) s 。一丝( 2 1 ) 2 5 4 ( 缈f ) 式中：s 一一制动距离( m ) v ，y 一一制动开始的车速( m s ，k m h ) ； 七一一制动器的安全系数。 由上式可知，车速增高，使得制动距离增长很快；同时，另一面与轮胎的附 着系数及车辆的制动器效能与制动距离有直接关系。应该尽量改进汽车的制动效 能和增强附着力。对于路面较差或者天气恶劣情况下，必须限制车速，保证行车 安全。 2 2 2 驾驶员特性 在人的交通特性中，驾驶员的心理和生理特征尤其重要。在驾驶车辆过程中， 驾驶员总是遵循着刺激专感觉斗判断_ 行动这样一个活动规律。驾驶员通过自己 的感官接受外部刺激信息，产生感觉。不同类型的感觉相互联系综合成为直觉， 对驾驶员来说，如何目测距离，估计时间，判断车速等，以此来判断交通状况， 因此，视觉特性和反映特性是驾驶员最重要的生理特性。 以发现情况并紧急制动为例：一般情况下，驾驶员的制动反应可分为几个阶 段： ( 1 ) 从发现情况到大脑进行判断再支配手脚进行操作，这段时间称为反射时 间，约需o 3 8 秒； ( 2 ) 脚离丌加速踏极转移到制动踏板上的时间约为o 2 3 秒； ( 3 ) 脚踩下制动踏板到制动器起作用达到制动效果，即制动传递延迟时间【2 8 l 。 2 2 3道路特性 道路是指供各种车辆和行人等通行的工程设施。公路按行政等级可分为：国 家公路、省公路、县公路和乡公路( 简称为国、省、乡道) 以及专用公路五个等 级。一般把国道和省道称为干线，县道和乡道称为支线。 高速公路是为专供汽车分向分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路。我 国交通部“公路工程技术标准”规定，高速公路是指“能适应年平均昼夜小客车 交通量为2 5 0 0 0 辆以上，专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路 。一般 能适应1 2 0 公里小时或者更高的速度，要求路线顺畅，纵坡平缓，路面有4 个以 上车道的宽度。中间设置分隔带，采用沥青混凝土或水泥混凝土高级路面，为保 证行车安全设有齐全的标志、标线、信号及照明装置；禁止行人和非机动车在路 上行走，与其他线路采用立体交叉、行人跨线桥或地道通过。 高速公路的主要特征为： 1 高速公路对交通实施限制，不仅能做汽车专用，而且对某些机动车( 如： 农用车、装载危险品等特殊货物的车辆等) 也作了限制： 2 高速公路根据普通公路中间无分隔带，对向车辆在行驶中超车、占道的客 观现象，不仅在对向车道中间设有较宽的中央分隔带，还对同向车道也严格划分， 真正做到分道行驶，提供一个宽敞的行使环境。 3 高速公路采用全封闭、全立交，路段两侧均设置禁入栅，交叉口全立交， 避免横向穿越，使车速的提高和安全有了保证。 4 高速公路除道路本身的设施质量较好外，还设有许多附属设施，如：安全 设施( 防撞护栏、反光标志等) 、监控设施、紧急电话和服务区等。这些高质量的 设施使车辆快速、安全、舒适地行驶有了充分保障，另一方面也使公路所适应的 运输距离变得越来越长。 正是因为以上几项特点，致使车辆司机在思想上有一定的放松，行驶速度过 快，遇到紧急情况又不能很好的处理，容易引起交通安全事故。 2 3 交通流特征参数 交通流是整体的、宏观的概念，通过对大量观测数据的分析，发现交通流具 有一定的特征性倾向，为此提出了交通流特性的概念。交通流特性是指交通流运 行状态的定性、定量特征。用来描述和反映交通流特性的物理量称为交通流参数。 美国交通学者海脱，曾将道路上的交通归纳为三个基本属性：其一是两重性，即 驾驶员既收到交通控制的约束，又可有自由地改变车速和车辆间的相对位置；其 二是局限性，驾驶员受到车辆和道路条件的限制，以致发生车辆间的相互干扰和 道路交通阻塞；其三是车辆间的时间和空间变化属性。从以上三个特性出发，将 道路上的交通流用车流量、密度、速度三个最重要的参数加以描述【z 。l 。 1 车流量 在指定时间内通过道路某地点或某断面的车辆数量。它是随时变化的。常以 平均交通量、高峰小时交通量和设计小时交通量作为有代表性的交通量。 2 密度 9 是指在单位长度( 1 k m ) 路段上，一个车道上某一瞬时的车辆数。 3 车速 车速是指车辆在单位时间内通过的距离。车速分为地点车速、行驶车速、区 间车速、时间平均车速和空间平均车速等。 流量、速度、密度之间的关系叫做交通流模型。根据调查感测到的交通资料 假设车流均匀、车种单一时，得到的车流速度、密度、流量之间的理论关系式， 这就是交通流基本模型，可用下式表示： k ：垒 ( 2 2 ) y l 式中：k 一一交通密度( 辆k m ) ； p 一一交通量( 辆h ) ： 矿一一空间平均车速( k m ，1 1 ) 。 密度与速度关系： 在三十年代，格林希尔兹在研究美国俄亥俄的公路车流中，提出了速度与密 度的线性关系，可用下式表示： 圪= 旅+ 6 ( 2 3 ) 上式中：a 、b 是待定系数，当密度趋近于0 时，空间平均车速接近于自由行 车速度，即k = o 时，圪= 。将此关系式代入上式得b = 0 。密度很大时，车辆 无法行驶时，这时的密度称为阻塞密度，以k f 表示，即k = k ，圪= o ，代入上式 得口：一善三。将a 、b 系数代入上式可以得到速度密度曲线关系式： k j 吲l 专) ( 2 4 ) 将上式绘制速度一一密度曲线，如图2 1 所示。 图2 1 流量一密度，速度一流量，速度一密度曲线 1 0 o 嘶 o 流量与密度的关系： 将速度一一密度的关系式代入速度、密度、流量关系式，得到流量密度关系 式： q 刊肛譬) ( 2 5 ) 将上式绘制成流量密度曲线，如图2 1 所示。 如果将流量q 对密度k 微分，并令其等于o ，可得到流量q 极大值及其相对应 的密度，此时的密度称为最佳密度，以k 。表示。即： 塑：，一塾 ( 2 6 ) 兰= v 一上 lz 0j d k j k j 令塑：o ，此时k = k 。，q = q 。， 枨 代入上式得： 矿，：堡墨：o ( 2 7 )以= 旦= 0( 2 7 ) | k j k k 。= 将上式代入( 2 6 ) ，得： q 一= 竽 ( 2 8 ) 流量与速度的关系： 足= 即一鲁) ( 2 9 ) 将上式代入( 2 6 ) ，得到流量与速度关系式： q 瑙形一争 ( 2 1 0 ) 将上式绘成流量一一速度曲线见图2 1 。 将流量对速度微分，并令其等于0 ，即得到流量q 的最大值及相应的速度，此 时的速度称为最佳车速，以y 。表示，即： 塑：k ；一坠 ( 2 11 ) d y j vf 令塑：o ，此时， 圪= 圪，q = q 一， d 代入( 2 1 1 ) 得： k j 一当益：o ，( 2 1 2 )k j 一旦= o ，( 2 1 2 ) 。 ：生 2 将上式代入( 2 1 0 ) ，同样可以得到q 一：墨竺。 2 4 高速公路交通流模型研究 高速公路交通流的建模研究始于2 0 世纪5 0 年代。学者们陆续提出了多种描 述高速公路交通流运动性态的模型根据不同的分类标准可分为：微观模型与宏观 模型，稳态模型与动态模型，确定模型与随机模型等。其中，确定性模型有微观 跟驰模型和宏观流体模型；随机模型有排队模型和离散时间点过程模型。 2 4 1 高速公路交通流特征 高速公路及其组成部分是在非间断交通流的形式下运行的，不仅对交通流没 有固定问断，而且车辆进出高速公路也受匝道位置的限制与管制。 任何己知交通流的运行状态都是由速度、交通量或者流率以及密度这二种主 要指标来确定的。他们之间的基本关系可以表示为： q = k y ( 2 1 3 ) 式中：足一一交通密度( 辆k m ) ； q 一一交通量( 辆h ) ； y 一一空间平均车速( k m h ) 。 从上式中可以看出，流量为零值时会在以下两种截然不同的条件下出现：一是 当道路上没有车辆时，密度为零，流量也为零。在这一条件下的速度是纯理论的， 是第一个驾驶者可能选择的任何速度。一是当密度高达所有车辆停驶的程度时( 速 度为零) ，流量也是零。因为没有活动，车辆不能通过道路上任何一点。在这两个 极端之间，交通流的动态特性才产生最大的影响。当密度由零增加时，因为道路 上行驶的车辆增多了，所以流率也在增加。此时，由于车辆之间的十扰，速度开 始下降。在低密度和低流率时，这种下降实际上可以不计。然而，当密度持续增 加，达到某一值时，会使速度急剧下降。当密度增加和速度下降而引起流量减少 时，流率达到最大值i ，o 】。 2 4 2高速公路基本路段交通流运行特征 由于基本路段是不受匝道附加合流、分流及交织流影响的路段，所以基本路 段上的车辆从纵向来看主要是加速、减速、或匀速行驶；从横向来看主要是不换 车道或换车道行为。从车辆之间行驶关系来看，车辆的运行又可以分为跟驰、自 由行驶、停车、换车道( 超车) 几种状态。这几种状态之间的关系如下图所示： ： 调整过程：稳定状态：调整过程 ii 一 停车卜 一 跟驰 丁一百n 条件满足 完成 ： ii 图2 2 车辆行驶模型 在车流量较小的高速公路基本路段上行驶的车辆速度主要受道路横断面、平 曲线、纵断面线性的影响。由于没有匝道影响，因此基本路段中的更换车道现象 主要发生在快速车辆跟随慢车行驶时，快速车辆为使自己车速不致于下降很多而 采取变换车道或者超车情况下。这种换车道行为是在当前车道行驶状态不能满足 司机的要求，而目相邻车道行驶条件比当前车道优越情况下发生的，具有更换车 道需求产生过程，是一种判断型换车道行为。 基本路段上的车辆在几条车道上的分布也不同。这种不同体现在车型、车速、 车流密度。 2 5 高速公路交通流模型 考虑一条高速公路，假设按照实际集合去年概况和交通情况分为若干路段， 每一段内交通状态可近似认为是均匀的，即g ，p ，1 ，不变，且每一路段内车道数目 不变，至少包含一个入口和一个出口，如图2 3 所示： 路段l r l 路段i q i 1 路段n 1 j s ir n s n 图2 3 高速公路分布图 2 5 1 高速公路宏观稳态交通流模型 考虑一条高速公路，加入按照实际几何情况交通状况分为n 个路段，每个 路段内的交通状态近似认为是均匀的，且每段车道内的道数不变，至多包含一个 入口匝道和一个出口匝道，则有： f g f = 口 ，夕， f = l ，2 ，n ( 2 1 4 ) 卢i ( o 口彬口( 一1 ) 口( p 1 ) 口= 1 ) 式中：( 1 ，2 ，n ) 表示第i 路段入口匝道交通量， 匝道进入的车辆中到达路段f 的百分比。 式( 2 1 4 ) 也可以写成向量形式： g = 彳， 口，表示路段的入口 ( 2 1 5 ) 式中，g = 【g ，g ：，厶g 】r ，= k ，r 2 ，厶厂】r ，彳= ( 口。) ，f - ，i ，j = 1 ，2 ，为一 个下三角阵。称为起始一到达矩阵。 2 5 2 高速公路宏观动态交通流模型 城市的道路特点是具有很多交叉路口，而高速公路则没有，这也就使得在高 速公路上行驶的交通流，它们不是间断的，而是连续的。目前，高速公路的交通 模型有很多，由于本论文篇幅的问题，我们主要介绍m a c k 模型。 m a c k 模型的创始人是佩恩，他在上世纪6 0 年代创建了此模型。m a c k 模 型是一个宏观动态交通流模型，主要由守恒方程和动态速度一一密度方程组成。 假设高速公路各段的长度是；( f = l ，2 ，厶) 。车辆守恒关系方程为： rr1 户f ( 七+ 1 ) = p f ( 尼) + 一k 卜l ( 后) 一g f ( 七) + ( 尼) 一s f ( 尼) j ( 2 1 6 ) 凸f 吼( 后) 一一f 路段高速公路交通流量； 肛( 七) 一一f 路段高速公路交通密度； ，：( j | ) 一一高速公路入口匝道交通流量； 墨( 七) 一一高速公路出口匝道交通流量。 t 一一采样周期。 在实际的应用过程中，我们得出的结论是：“工，f ) 并不是随时的随着p