（系统工程专业论文）高速公路与关联城市快速路匝道控制方法研究.pdf

中文摘要 随着我国城市化、机动化程度的加深，城际高速公路、城市快速路进出城路 段拥堵严重。这部分道路是城市中一类特点鲜明的拥堵常发性路段，主要由于高 峰期的潮汐式交通流以及不同特性的交通流汇合转换，导致了相关区域道路交通 流紊乱、服务水平下降、延误增加等现象。对于全立交、无信号灯控制的高速公 路和快速路，实行匝道控制是国际上普遍采用的提高道路运行效率和服务水平的 方法。由于高速公路、城市快速路进出城路段拥堵的典型性，本文重点研究该区 域的匝道控制方法。 本文研究的主要内容及取得的研究结论如下： 系统总结了国内外高速公路、城市快速路匝道控制方面的研究成果，阐述了 相关理论方法，并对各种匝道控制方法进行了对比分析，确定本文采用的技术方 法。 定义“高速公路与关联城市快速路结合部区域”的范围，以京津塘高速公路 结合部地区为例，对各典型路段交通出行特征、交通流参数特征以及节点特征进 行分析；运用模糊c 均值聚类、模糊神经网络学习调整相结合的方法，对结合部 路网典型断面交通状态进行判别，分析时空关联特征。 论文分析了匝道控制的相关影响因素，建立了匝道模糊神经网络控制模型， 并针对立交桥单匝道控制和双匝道联合控制两种情况进行说明。其中模型的输入 参数为主线交通状态与期望状态之差以及匝道交通状态，模型控制规则按高速公 路转向城市快速路和快速路转向高速公路分别制定。 运用m a t l a b 对京津塘高速公路结合部立交匝道控制进行了仿真分析，取得 了较好的效果，经过匝道控制后的主线交通状态比原始交通状态变化更平滑，基 本实现了维持主线交通流顺畅的目标。主线交通状态与期望状态的差值有较大程 度的降低，平均排队长度不超过5 辆，且消散时间较短。 关键词：结合部；匝道控制；模糊神经网络；交通状态 分类号：u 4 9 1 a bs t r a c t t h ec o n g e s t i o no nt h ef r e e w a ya n du r b a ne x p r e s s w a ys e c t i o n si n t oa n do u to fc i t i e s b e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u sa l o n gw i t ht h es t e po fu r b a n i z a t i o na n dm o t o r i z a t i o n t i d et y p eo ft r a f f i cf l o wi np e a kh o u r sa n dm e r g i n ga n dc o n v e r s i o nb e t w e e nt r a f f i c f l o w so fd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sc a u s e st h ed i s o r d e ri nt h ep e r i p h e r y - r o a d - n e t w o r k ， r e d u c t i o ni nt h el e v e lo fs e r v i c ea n dd e l a yi n c r e a s e a ta b r o a d ，t h er a m pm e t e r i n gi s w i d e l yu s e di nf r e e w a ya n du r b a ne x p r e s s w a yw h i c ha r ea c c o m p l i s h e db ye l i m i n a t i n g a l lc r o s st r a f f i ct h r o u g ht h eu s eo fg r a d es e p a r a t i o n sa n di n t e r c h a n g e sa n dh a v en o t r a f f i cl i g h t s t h u s ，i tc a nb eu s e dt oe a s et r a f f i cc o n g e s t i o ni nt h ej o i n ta r e ao ff r e e w a y a n du r b a ne x p r e s s w a y t h em a i nc o n t e n t sa n dr e l a t e dc o n c l u s i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no fr a m pm e t e r i n go ff r e e w a y a n du r b a ne x p r e s s w a ya th o m ea n da b r o a dh a sb e e ns u m m e du ps y s t e m a t i c a l l y a n d r e l a t e dt h e o r ya n da p p r o a c hh a v ea l s ob e e np r e s e n t e di nt h ep a p e r a r e rc o m p a r i s o na n d a n a l y s i so fv a r i o u sr a m pm e t e r i n gm e t h o d s ，t h et e c h n i c a lm e t h o du s e di nt h i sp a p e ri s d e t e r m i n e d t h ep a p e rd e f i n i t e st h es t u d yo b j e c tt h a ti st h ej o i n ta r e ao rp e r i p h e r yr o a dn e t w o r k t a k i n gj i n g - j i n - t a n gf r e e w a yj o i n ta r e aa sa ne x a m p l e ，t h et h r e et r a f f i cp a r a m e t e r so f t y p i c a ls e c t i o n sa n dt u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa tg r a d ei n t e r c h a n g e sa r ea n a l y z e d t h e nt h e m e t h o do ft r a f f i cs t a t ec l a s s i f i c a t i o ni sd i s c u s s e d f i r s t l y , f u z z yc m e a n sc l u s t e r i n gi s u s e df o rt h ei n i t i a lc l a s s i f i c a t i o n t h e n ，f u z z yn e u r a ln e t w o r ki su s e dt om o d e r a t et h e r e s u l t s a b s o r b i n g t h ei d e ao fs u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o n a tl a s t ，s p a t i o t e m p o r a l c o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft r a f f i cs t a t eo ft y p i c a ls e c t i o n sa r ea n a l y z e d t h ep a p e ra n a l y z e st h er e l a t e df a c t o r so ft h er a m pm e t e r i n ga n de s t a b l i s h e sr a m p m e t e r i n gc o n t r o lm o d e lu s i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r k t h em o d e lh a st w oi n p u t p a r a m e t e r s o n ei st h ed i f f e r e n c eo f m a i n l i n et r a 伍cs t a t ea n de x p e c t e ds t a t e ，w h i c hc a n m a k et h em a i n l i n es t a t et e n dt ob es t a b l ea n dh a v eaf e e d b a c ke f f e c to nt h es y s t e m a n d t h eo t h e ri n p u tp a r a m e t e ri sr a m pt r a f f i cs t a t er e f l e c t i n gt h ec h a n g i n go ft r a v e ld e m a n d ， w h i c hi sr a m pt r a f f i cv o l u m ed i v i d e db yr a m pc a p a c i t y c o n t r o lr u l e sa r es e ta c c o r d i n g t ot h et w od i r e c t i o n sa n dc o n t r o lm e t h o du n d e rt w os i t u a t i o n sw h i c ha r es i n g l er a m p c o n t r o la n dd o u b l er a m p sc o n t r o la r ed e s c r i b e d r a m pm e t e r i n gi ss i m u l a t e du s i n gm a t l a ba n dt h ed a t ao fj i n g - ji n - t a n gf r e e w a y i nj o i n ta r e a a n dt h er e s u l t sp r e s e n tas a t i s f y i n ge f f e c t m a i n l i n et r a f f i cs t a t ea f t e rr a m p m e t e r i n gh a sas m o o t h e ra n d b e t t e rc o n d i t i o nt h a no r i g i n t h ed i f f e r e n c eo ft h em a i n l i n e t r a f f i cs t a t ea n de x p e c t e ds t a t er e d u c e d ，a n dt h ea v e r a g eq u e u el e n g t hi sw i t h i n5 v e h i c l e sa n dn e e dl e s st i m et od i s s i p a t e k e y w o r d s j o i n ta r e a ；r a m pm e t e r i n g ；f u z z y n e u r a ln e t w o r k ；t r a f f i cs t a t e c i a s s n o ：i7 4 9 1 v 图目录 图1 1 论文技术路线图8 图3 1 高速公路进出城路段交通出行示意图17 图3 2 北京市京津塘高速公路与城市快速路结合部1 7 图3 3 结合部基本路段双向交通量加和与差值18 图3 4 一周交通量与速度变化1 9 图3 5 一周早高峰交通量与速度变化2 0 图3 - 6 一周晚高峰交通量与速度变化2 0 图3 7 结合部路网交通量与速度变化示意图2 l 图3 8 立交桥示意图2 2 图3 - 9 收费广场( 单方向) 2 4 图3 1 0 三环数据聚类结果2 7 图3 1 1 四环数据聚类结果2 8 图3 1 2 京津塘高速公路数据聚类结果。2 9 图3 1 3 模糊神经网络结构图3 0 图3 1 4 交通状态隶属度函数曲线3 3 图3 1 5 三环、四环交通状态划分隶属度曲线3 3 图3 1 6 京津塘高速公路交通状态划分隶属度曲线3 4 图3 1 7 结合部早高峰和午平峰时段交通状态分布3 4 图4 1 反s 形曲线示意图3 9 图4 - 2p e r = 5 0 平i p c r = 3 0 对比3 9 图4 3 稳态交通流模型拟合结果4 0 图4 - 4 结合部地区道路示意图4 l 图4 5 交通波示意图4 3 图4 - 6 交通流时空变化4 3 图4 7 模糊控制系统组成4 6 图4 8 匝道模糊神经网络控制模型4 6 图4 9 单入口匝道示意图4 7 图4 1 0 立交示意图4 8 图4 1 1 匝道模糊控制系统组成51 图5 1 结合部立交桥匝道控制示意图5 5 图5 2 仿真分析流程图5 6 图5 3 主线交通状态拟合5 7 图5 - 4 早高峰京津塘高速公路右转向东三环匝道交通状态变化5 7 图5 5 匝道调节率变化5 8 图5 - 6 控制前后交通状态变化5 8 图5 7 控制后匝道排队长度变化5 9 图5 8 原始交通状态变化。6 0 图5 - 9 左转匝道及右转匝道调节率6 0 图5 1 0 控制前后交通状态变化6 1 图5 1 1 匝道排队长度变化。6 l 表目录 表2 1 控制方法比较l3 表3 1 分钟寺桥分流率表2 2 表3 2 十八里店桥分流率表2 3 表3 3 二种聚类方案聚类中心对比2 6 表3 4 三环数据聚类中心2 7 表3 5 四环数据聚类中心2 8 表3 - 6 京津塘高速公路数据聚类中心2 9 表3 7 京津塘高速公路交通状态相关系数3 5 表3 8 三环交通状态转移比例3 5 表3 - 9 京津塘高速公路交通状态转移比例3 6 表4 1 稳态交通流模型拟合结果4 l 表4 2 高速公路向快速路转向匝道模糊控制规则表5 0 表4 3 快速路向高速公路转向匝道模糊控制规则表5 0 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) 学位做储躲i 孚坍翩签名 签字日期：年月日签字日期： 日 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注和致谢之处外，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。 学位论文作者虢i 彳醐签字胁 年月同 致谢 本论文工作是在我的导师贾元华教授的悉心指导下完成的，贾元华教授严谨 的治学态度、精益求精的工作态度、科学的工作方法都对我产生极大的影响。在 研究生学习期间，老师给了我充分的信任和学习空间，使我得到了多方位的锻炼， 接触到了不同层面的科研工作。虽然生活忙碌而紧张，但是获得知识和培养技能 的充实和满足感让我有不断前进探索的动力。不仅是学业和科研工作，在生活上， 老师对我们也是倾注了心血，他的谆谆教诲使我获益匪浅，从他那里，我获得了 完善自己的勇气和迎接挑战的信心。两年的时光虽然短暂，却是人生道路上重要 的里程碑，在此衷心感谢两年来贾老师对我的关心和指导。 在项目研究及论文撰写期间，李健师兄、刘奕师姐、陈峰师兄以及曹劲劲、 袁涛、李晓刚、李莹英、郝琪、牛忠海、张磊等同门给了我很大帮助与鼓励。我 们在一起共同钻研、共同讨论，实验室里共同的生活点滴让我的研究生生活绚丽 多彩。此外，还要感谢本科和研究生班的同班同学，在我困难沮丧的时候，他们 给了我信心，在我懒惰、放松的时候，他们给了我督促和激励。祝福这些真挚的 友谊，祝福他们在未来的旅途中事业有成。 在此，还要向我的父母和家人表示诚挚的谢意。感谢他们给了我自我成长的 空间，他们是我生命中永远的依靠和支持，他们无微不至的关怀，是我前进的动 力；他们的殷殷希望，激发我不断前行。 最后，向评审本论文以及参加论文答辩的专家们表示诚挚的谢意，感谢他们 在百忙中审阅并指正我的论文。 1 绪论 1 1研究背景及目的 高速公路是专供汽车分向、分车道行驶，并全部控制出入的干线公路，具有 高速、安全、便捷的技术经济特点。近年来，我国高速公路规模不断扩大，连接 大中城市的城际高速公路发展迅速。城市快速路是城市内部等级最高的道路，其 道路特征与高速公路有很多相似之处：均采用中央分隔带、全线立交、控制出入 的设计方式。快速路主要服务于城市内长距离出行，疏导跨功能区交通，并通过 与城际高速公路直接相连，成为城市对外的主要交通联系通道。 高速公路与快速路的交通流特性差别较大。高速公路为不间断高速交通流， 而快速路由于出入口间距较短，进出主线的交通流与主线车流频繁交织，导致车 速较慢。若这两种交通流汇合交织，必定造成较大的波动，极易导致拥堵。而这 两类道路分别是公路系统和城市道路系统中等级最高的道路，任何拥堵现象的发 生都会产生影响范围较大的后续效应。 随着城市化进程的加快，城市周边的卫星组团逐渐形成。在市郊居住，在市 中心工作，造成居住区与工作区间的交通流发生早晚大规模定向流动，这种现象 可称为潮汐式交通，在大城市中尤其常见。由于潮汐式交通的存在，造成城际及 市郊交通量在高峰期单方向上超常增长，使进出城区的高速公路与快速路衔接路 段负荷日益增加、拥堵严重，其本应具有的干线通道、快速通行的功能没能充分 发挥。根据2 0 0 8 北京市交通发展年度报告，2 0 0 7 年早高峰( 7 ：0 0 9 ：0 0 ) 期间， 北京市五环范围内快速路平均速度为3 1 2 k r n h ；晚高峰( 1 7 ：0 0 1 9 ：0 0 ) 期间，平均速 度仅为2 6 7 k m h 。与2 0 0 6 年相比，2 0 0 7 年早高峰北京市路网严重拥堵里程增加了 0 4 ，晚高峰增加了o 7 1 ；全日严重拥堵持续时间增加了1 5 m i n 。据中国社科院 数量经济与技术经济研究所测算，北京市每天因为堵车造成的社会成本达到4 0 0 0 万元，核算下来相当于每年损失1 4 6 亿元，人均上下班拥堵成本每月为3 7 5 元。 由以上数据可以看出，北京市拥堵状况在逐步加剧，并产生了巨大的经济损失。 不同特性交通流的交汇以及潮汐交通流是高速公路与快速路进出城路段拥堵 的主要原因。在现有交通设施基础上，面临日益增长的交通需求，如何加强交通 管理与服务成为缓解交通拥堵的关键。根据国内外的相关经验，对快速路与高速 公路采用一定的控制措施，包括出入口匝道控制、主线控制等方法，能够很大程 度上提高高峰期道路通行能力，减少总体行程时间。其中，匝道控制是应用较多、 效果较显著的一种控制方法。它利用匝道信号灯调节车辆进入高速道路主线的流 率，以短暂的匝道延误为代价，获得每个道路用户的时间节约。运用匝道控制能 够提升高速道路的整体局部使用效能，增进入口匝道车辆并入主线时的安全，减 少拥塞情形或缩短拥塞时间，减少交通事故。 匝道控制措施的优点可总结为3 个方面。 ( 1 ) 匝道控制措施可充分利用并提高通行能力 城市道路网的有序运行是以城市交通信号控制系统为保障的。最初，人们认 为高速公路及城市快速路由于全程立交特性，无需进行控制。但相关研究表明， 高峰期的常发性拥挤以及事故造成的拥堵造成了通行能力的损失，而通行能力正 是拥堵时最急需的交通资源。因此，面对日益恶化的高速公路与快速路运行状况， 人们意识到必须采取一定的管理控制措施，保持其通行能力的充分利用，无论是 在高峰时段还是事故发生的情况下，维持有序、协调的交通需求。美国的底特律 曾于1 9 8 2 年在i 9 4 号公路东部的6 个入口设置了匝道控制设施，交通量由5 6 0 0 v p h 上升到6 4 0 0 v p h t 。 ( 2 ) 匝道控制措施可提高高峰期速度，降低旅行时间 尽管在入口匝道实行匝道控制会增加机动车的排队延误时间，但是系统总体 的延误时间是大大降低的。美国休斯敦市的i 1 0 高速公路的入口匝道控制系统建 成后，每日总节省旅行时间估计为2 8 7 5 车小时，折合时间价值计算为1 2 8 8 美元 车小时；纽约的长岛高速公路东部安装了6 0 个入口匝道控制装置，平均速度从 2 6 k m h 提高到3 5 k r n h ，主线旅行时间从2 6 m i n 降低到2 2 m i n 。 ( 3 ) 匝道控制措施可提高安全性 入口匝道控制能够使入口匝道上的车辆排队离散化，减少合流区域的追尾事 故。此外，由于匝道控制缓解了交通瓶颈的拥堵，并使速度分布的离散程度降低， 从而获得更顺畅的交通流以及更安全的交通运行环境。美国西雅图市通过对6 年 的早晚高峰交通流数据进行评估，事故率下降了大约3 9 。 以上反映了国外在入口匝道控制方面的应用成果，一定程度上验证了匝道控 制的有效性，为我国高速公路以及城市快速路采用入口匝道控制措施提供了有益 的借鉴。 面对进出城市的高速公路与关联城市快速路结合部地区交通同益恶化的现 状，研究该区域匝道控制方法能够有助于缓解交通拥挤、提高交通运行效率和质 量，降低事故率，从而产生较好的经济效益。本论文将从城市结合部地区的交通 流特征分析入手，以北京市京津塘高速公路与三环、四环的结合部地区为例，以 实地调研以及交通流检测数据为基础，分析研究高速公路与城市快速路交通流转 换以及状态变化特点。在吸取国内外匝道控制相关成果的基础上，本文研究建立 2 了一种适用于结合部地区的匝道控制方法，通过仿真验证其有效性，为匝道控制 实际应用提供理论方法参考。 1 2国内外研究现状 1 2 1国外研究及应用现状 ( 1 ) 理论研究 国外学者在匝道控制领域很早就做出了尝试，先后经历了三种有代表性的控 制方法的研究静态控制、单点动态控制和动态协调控制，至今仍是一个热点 研究问题。 静态控制是最早研究的方法，其原理是根据历史数据制定不同时段内各个匝 道的协调控制策略，并预置在控制机中，但其不会针对实时检测信息做出响应。 w a t t l e w o r t hj a 首先于1 9 6 5 年提出多匝道调节算法，应用线性规划( l i n e a r p r o g r a m m i n g ，l p ) 方法求解各匝道的最优调节率，保持匝道流量。之后出现了许多 修正演变形式，主要是对模型中的目标函数和约束条件进行调整或补充【2 1 。部分学 者对入口一出口间有多条路径的快速路系统控制问题作了大量研究，将传统的线 性规划方法扩展为非线性的双层规划方法，从系统最优、用户平衡的角度进行系 统的静态优化。 单点动态控制方法是较早运用的动态控制方法，其基本目的是解决单点匝道 交通拥挤，控制范围为某一处匝道，利用匝道及其相邻路段的实时检测预测数据 代替历史数据作为控制决策的基础。经典方法包括需求一容量差额控制、占有率 控制等【3 】。p a p a g e o r g i o um ( 1 9 9 1 ) 提出a l i n e a 方、法【4 ，5 1 ，是利用经典自动控制理论 建立起来的一种反馈控制方法，以入口匝道主线下游占有率作为控制变量与期望 占有率进行比较，确定入口匝道的调节率，使下游主线的密度占有率尽量维持在 理想状态。该算法的特点在于控制方式比较平缓，适合于高速公路的单入口匝道 控制。a l i n e a 方法应用在巴黎、阿姆斯特丹、慕尼黑以及格拉斯哥等地，取得了 良好的效果。近些年来，随着智能控制技术的发展，部分学者尝试将模糊控制、 人工神经网络、遗传算法等运用于单点匝道控制中，并取得了一定的成果【6 丹】。 动态协调控制方法是一种高效的动态控制方法，其兼具协调控制与动态控制 的特征，控制范围为高速道路系统所有或局部区域部分匝道，利用实时检测预测 数据代替历史数据作为控制决策的基础。动态协调控制可以分为系统最优协调控 g u ( s y s t e m a t i eo p t i m a lc o n t r 0 1 ) t 1 0 】、状态调节器控锘l j ( s t a t er e g u l a t o rc o n t r 0 1 ) q 和启发式 协调控锖l j ( h e u r i s t i cc o n t r 0 1 ) - - - 类。p a p a g e o r g i o um ( 1 9 8 3 ) 设计了递阶匝道控制系统 【l i 】，试图将开环优化的计算可行性与闭环控制的鲁棒性及分散控制的可靠性结合 起来。该递阶结构包括自适应层、优化层和控制层。优化层根据实时交通信息在 线计算上述简化后的问题，为控制层提供标称点。控制层负责将系统状态和匝道 调节率保持在标称点的邻域内，抑制适度随机扰动与模型误差的影响。当交通特 性改变、出现较大扰动时，自适应层为优化层提供符合实时交通状况的模型参数 或约束条件，使优化层重新启动运算，修改期望轨线。 在各类匝道控制方法的基础上，一些专家学者分析研究了入口匝道控制的实 际效果。a b d e l a t ym ( 2 0 0 7 ) 等仿真评价了采用a l i n e a 匝道控制方法能产生的效 果，其分别比较了一段城市快速路上不同数目的匝道控制装置，不同参数方案的 控制效果，得到了以下结论：设置较多的匝道控制器能得到更多的效益，只有单 一匝道控制器时，信号周期越长效果越好，当网络中有多处匝道控制器时，较短 的信号周期效果好【1 2 】。s a r i n t o mw ( 2 0 0 7 ) 币1 j 用a i m s u n n g 微观仿真软件，对澳大 利亚昆士兰的太平洋大道进行了仿真分析，分别采用了5 种匝道控制策略，包括没 有控制、定时控制、a l i n e a 、f l o w 和z o n e 算法。仿真结果表明，采用入口匝道 控制比没有控制效果平均改进4 0 ；对于道路网以及高速公路主线交通情况， a l i n e a 算法无论在正常还是高交通需求条件下都是最有效的；对于入口匝道的交 通情况，z o n e 算法效率最古【b 】。 ( 2 ) 应用现状 美国是最早应用入口匝道控制策略的国家。入口匝道控制装置于1 9 6 3 年第一 次被安装在芝加哥的“艾森豪威尔高速公路”上，交通管理者通过事先设定控制 比例来释放入口匝道处的车辆进入高速公路主线，在一定程度上确保车辆的行车 安全和平滑主线车流。此后，入口匝道控制在美国许多城市得到了快速发展，如 洛杉矶、圣地亚哥、旧金山、西雅图等等，至今已有超过2 0 0 0 座匝道控制设施运 行。2 0 0 0 年，明尼苏达州花费6 5 万美元在明尼阿波利斯进行了一项实验，关闭了 这一地区所有4 3 3 个入口匝道控制设施以验证入口匝道控制的有效性。实验结果表 明，在入口匝道控制设施关闭的八周中，高速公路通行量降低了9 ，旅行时间增 加了2 2 ，速度降低了7 ，事故数量增加了2 6 。但由于匝道控制仍然给车辆进 入高速公路带来了一些不便，并受到很大争议，明尼苏达交通局采用了新的匝道 控制策略，并有选择性的减少了一部分设施，保证司机在匝道处的等待时间不超 过4 分钟【14 1 。 匝道控制在欧洲的一些国家也得到了应用，如英国、德国和荷兰。荷兰1 9 8 9 年设立了第一座入口匝道控制设施，到2 0 0 6 年已有5 0 座设施投入使用，并以每 年4 5 座的速度增长【”】。2 0 0 4 年3 月，欧盟资助的一项入口匝道控制研究计划 e u r a m p 开始启动，定于2 0 0 7 年完成，第一阶段设计匝道控制算法，并在4 个城市 4 的若干路段进行仿真测试，第二步是实地测试，最后进行核查修正。此外，日本、 澳大利亚、新西兰、南非等国家也将匝道控制投入实际应用【1 6 】。 1 2 2国内研究及应用现状 我国对高速公路和城市快速路控制方法的研究起步较晚，但经过十几年的理 论研究和积累，取得了一定的成果。随着国外入口匝道控制的广泛应用，我国j 下 积极地将匝道控制方法运用到实际道路控制中，例如在奥运期间，北京市对部分 快速路匝道安装入口控制信号系统并进行试运行，但仍处于静态固定周期控制阶 段，并没有起到很大的作用。 ( 1 ) 高速公路交通控制 姜紫峰、荆便顺等是我国最早一批研究高速公路入口匝道控制的专家学者。 荆便j 1 顷( 1 9 9 5 ) 系统总结了国内外学者在交通控制领域的研究和应用成果研究了高 速公路和城市交通中的最优控制问题【l 7 1 。姜紫峰分别对高速公路低密度、中密度 和高密度情况下的高速公路控制进行了研究，并针对中密度和高密度两种状态， 分别建立了基于宏观交通流模型的入口匝道控制最优模型，利用理论数据进行了 仿真验证了模型的有效性【1 8 珈】。 谭满春、徐建n ( 2 0 0 0 ) 等针对p a p a g e o r g i o um ( 1 9 9 0 ) 所建立的交通流模型在高 速公路某路段发生阻塞现象时不能反映这一路段交通流真实状态的局限性，对流 量动态函数进行了修正，建立了入口匝道最优控制模型，其目标函数综合考虑了 行程时间、总服务流量和入口匝道总等待时间三个因素【2 1 1 。 随着模糊控制在国外的成功应用，国内的专家学者对入口匝道控制问题的研 究也转向了模糊控制领域。谭满春等( 1 9 9 9 ) 利用模糊逻辑控制器实时地调节高速公 路入口匝道 2 2 】。张洋( 2 0 0 2 ) 分析了交通流的构成和自然条件对交通的影响，设计了 基于模糊控制的匝道自动控制系统的基本结构【2 3 1 。丁建梅、王可崇( 2 0 0 2 ) 应用系统 中高速公路车辆之间可插间隙及可插间隙的变化为系统的输入变量，可插间隙到 入口交汇处的时间作为输出变量，并利用沈大高速公路的实测数据进行仿真，结 果表明采用该方法可以使车辆比较平滑地交汇运行【2 4 1 。徐建1 n ( 2 0 0 4 ) 对模糊控制器 进行了设计，选用上、下游时间占有率、车速及排队长度等五个模糊量为输入量， 根据实际情况分别采用三角形和梯形隶属度函数，建立了包含1 2 条模糊控制规则 的规则库，并使用m a t l a b 工具进行系统仿真，结果表明该控制器用在高速公路 入口匝道控制中具有良好的效果【2 5 】。张燕( 2 0 0 5 ) d a 速度、占有率、匝道排队长度等 因素为模糊输入量，以控制周期为输出变量，制定了1 2 条模糊规则，从而对控制 信号灯周期时间做出决策，同时确定了信号灯动作变换的转换函数，构成了一个 完整的匝道模糊控制器【2 6 1 。温凯歌等( 2 0 0 7 ) 针对传统a l i n e a 算法在需求交通流出 现大幅变化时的局限性，结合模糊逻辑理论，以入口匝道下游的流量偏差和流量 变化量作为输入，以交通流量为控制目标，根据所设定4 9 条的模糊规则给出匝道 控制率的调节量，最后通过实例对控制器进行了评价【2 7 1 。 同时，学者们利用神经网络能够表示任意非线性关系和学习能力的特性，对 入口匝道控制方法进一步发展。贺敬凯、徐建闽( 2 0 0 2 ) 选择上下游车流速度和上下 游时间占有率作为检测量，建立了3 层b p 神经网络，以匝道调节率为输出结点，使 用由实验数据和专家知识确定的匝道调节率选择表对网络进行训练，仿真结果较 好【2 引。任黎立( 2 0 0 5 ) 设计了直接型和积分型两种神经网络控制器，同时，考虑到入 1 2 匝道排队长度对控制效果的影响，提出了两种可抑制排队长度增长的方法【2 9 1 。 张玉梅等( 2 0 0 7 ) 选取7 个时点的交通密度作为神经网络输入，建立3 层b p 神经网络， 隐层神经元4 9 个，输出为匝道调节率，仿真比较了无控制、a l i n e a 控制和b p 神 经网络控制3 种方法的有效性，表明后者性能较优【3 0 】。 另外，一些学者综合了模糊控制和神经网络的优点，研究模糊神经网络控制， 如梁新荣( 2 0 0 6 ) 、赵跃峰( 2 0 0 6 ) 、樊晓平( 2 0 0 8 ) 等，还有利用混沌控制方法解决匝 道控制问题，具有一定的创新性【3 1 0 4 1 。除了单一匝道控制的改进方法外，多匝道 协同控制方法也在不断发展完善中。梁新荣( 2 0 0 5 ) 提出了三层多匝道控制方法：局 部控制层，通过建立交通动态变化的有限差分模型计算匝道调节率；协调控制层 根据上下游交通流情况确定期望密度【3 5 1 。 ( 2 ) 城市快速路交通控制 相比高速公路的入口匝道控制，城市快速路受建设时间较晚的影响，入口匝 道控制研究起步较晚。但是由于近几年修建的快速路普遍配置了比较完善的交通 信息采集系统，网上实时路况信息可以随时被广大民众查询，从而保证了对城市 快速路入口匝道控制进行研究的技术条件。从目前国内研究成果来看，现有城市 快速路入口匝道控制的研究方法与高速公路相似。 陈学文等( 2 0 0 8 ) 洲g 京快速路为研究对象，基于典型路段调查数据对快速路的 交通流特性进行了分析，提出了入口匝道优化控制方法，采用时间占有率与速度 两个参数作为控制变量实现入口匝道的反馈控制机制，以两者的综合控制效果确 定入口匝道的调节流量，利用v i s s i m 对提出的控制方法进行了模拟验证，并得到 较好的结果【3 6 1 。陆克丽霞等( 2 0 0 8 ) 将经典a l i n e a 算法应用于快速路入口匝道控 制，并以上海市内环内侧武夷路上匝道为例进行模拟评价，认为该算法比较适用， 可以改善匝道的交通拥挤状况【37 1 。范立权( 2 0 0 7 ) 用微观交通仿真软件p a r a m i c s 建立入口匝道控制仿真模型，利用北京大望桥地段的实际数据对三种入口匝道控 制算法( a l i n e a ，n e w c o n t r o l 和m i x e d c o n t r o l ) 进行仿真对比研究，指 6 出m i x e d c o n t r o l 在优化主线交通流的同时减少了入口匝道的车辆排队长度， 其在高需求时的总体性能优于其它两种算法，是比较适合于实际应用的匝道感应 控制算法【3 8 1 。 1 3主要研究内容 本论文结合交通流理论、交通控制理论，应用系统工程理论与方法，研究高 速公路与关联城市快速路结合部地区的交通流特点，在对现有匝道控制模型总结 对比以及我国道路监控系统实际运行条件分析的基础上，提出结合部地区在双方 向上的单点匝道控制方法，并仿真验证模型效果。论文共分为6 章，具体内容如下。 第1 章为绪论。简要阐述了论文研究的背景及目的，交通流入口匝道控制的国 内外研究现状及应用现状，论文的主要内容及技术路线等内容。 第2 章为高速公路与城市快速路交通控制基本理论与方法。分3 部分阐述了与 高速公路与城市快速路交通控制的相关理论与方法。一是交通状态划分，从评价 指标、类别划分和划分方法3 个方面进行了阐述，这部分是进行交通流控制的前提 基础：二是高速公路与城市快速路控制理论与方法，主要包括出匝道控制和主线 控制，其中匝道控制是本论文研究的重点；三是智能控制方法，从具体应用方法 上为本论文研究提供技术基础。 第3 章为高速公路与关联城市快速路结合部地区交通流特征分析。首先阐述本 论文的研究对象结合部的含义；然后通过实地调查和交通流数据采集系统的 基础数据，分析结合部地区潮汐式交通出行特征、基本路段速度流量特征以及立 交转向特征、主线收费站的相关特征：最后基于模糊c 均值聚类和模糊神经网络提 出对交通流状态进行有监督的分类方法，并根据结合部地区的实际交通流数据分 析交通状态的时空变化特性。 第4 章为匝道模糊神经网络控制模型。首先介绍较成熟的宏观交通流模型，并 以结合部实际数据为基础，对主要参数进行识别，得到结合部地区三环、四环和 京津塘高速公路的自由流速度和临界密度等参数；然后详细描述匝道模糊神经网 络的建模过程，通过对匝道控制影响因素( 即控制系统输入) 的系统分析，建立 适用于结合部立交匝道的模糊神经网络控制模型，综合考虑不同转向、不同立交 匝道情况下的控制方式，并针对城市快速路与高速公路提出各自的匝道控制实现 方式。 第5 章为案例分析。利用京津塘高速公路与相交的三环、四环快速路交通流数 据，运用m a t l a b 对第4 章建立的匝道模糊神经网络控制模型，从交通状态改善和 排队长度方面等对其有效性进行分析。 7 题。 第6 章为总结与展望。对论文的研究成果进行总结，提出需要进一步研究的问 1 4 论文技术路线 图1 - 1 论文技术路线图 f i g l 一1t e c h n i c a lp r o c e e d i n go ft h es t u d y 8 2 高速公路及城市快速路交通控制的基本理论与方法 2 1交通状态划分 交通状态是表征交通流时变特性的一个概念，包含3 层含义：交通运行的 客观状态，即随着交通状态的变化，交通流特征参数也随之变化；取决于驾驶 员的心理感觉，对于不同的道路状况等条件，驾驶员对交通状态的尺度也是不一 样的；不同的路网交通流特征将对应不同的交通状态。因此，交通状态应该是 伴随交通系统运行产生的一种动态的交通流状态或网络模式。从本质上看，交通 拥挤也是一种交通状态，因此可以认为交通拥挤的判别等相关研究是交通状态分 析的一个子集【3 9 】。 道路交通状态具有以下特性： 1 ) 层次性。交通状态与道路等级结构的层次性相对应，具有明显的层次性， 同等交通量、速度情况下，高速公路、快速路、城市主干道等的交通状态判别结 果存在差异，判别标准也有所侧重。一般来说，高速公路交通状态判别指标侧重 流量与通行能力之比( v c ) ，时间占有率等：城市快速路一般侧重考察速度指标； 城市主干路等由于受平面交叉口的影响，一般侧重交叉口延误、饱和率、行程时 间等指标。 2 ) 动态性。交通状态的动态性是由交通系统的动态性所决定，往往与时间空 间有着紧密相关的联系，并呈现一定的规律性。 3 ) 客观性。交通状态描述了交通流客观运行情况，无论将交通状态划分成多 少类，交通状态的变化特点是基本一致的。同时对于同等级道路来说，交通状态 的划分应该依据一个通用的标准，这个标准不随时间空间的变化而随意改变。 4 ) 相对性。道路交通状态与一定的环境因素有关，如天气、路段位置等，不 同交通环境下的交通状态与其基本描述及划分情况存在着不一致性。但是为了保 证状态划分的易操作性，可先设定评价标准，再对特殊情况进行判断分析。 5 ) 数据的多样性和复杂性。道路交通状态可以选择多种数据和指标进行表征， 并且数据来源、格式也均有差异。 交通状态分析能够从全局角度实时地反应路网的服务水平，是交通控制系统 与交通流诱导系统协同的重要依据。首先，由于它反映了交通流客观运行状态可 以向交通管理者提供准确的交通运行状况信息，可以作为交通控制系统的输入参 数优化区域路网运行；其次，由于交通状态能够反映出行者的心理，在确定诱导 9 策略及发布交通信息时，科学地进行交通状态分析能够更好地被出行者接受。 交通状态分析的前提要解决三个问题交通状态评价指标、交通状态类别 划分和划分方法。 1 ) 交通状态评价指标 交通状态的评价指标比较多，到目前为止，国际上尚无统一的城市交通状态 或交通拥挤的判别定义。