（车辆工程专业论文）高速公路交通控制与诱导方法的研究.pdf

摘要 高速公路是由不同投资主体建设并管理的收费道路，路段管理系统之间缺乏有效的协调机 制。目前，大多数城市的交通管理没有与高速公路交通管理融为一体，尚未把高速公路路网的交 通流运行状态作为城市交通控制的目标，出现了高速公路交通高峰时段的拥堵现象。本文围绕提 高高速公路的交通流量，解决交通拥堵的问题，提出了高速公路交通控制与诱导的方法。 首先，根据高速公路与城市道路的连接关系，对高速公路与城市道路之间的交通流相互影响 进行了分析，应用高速公路的通行能力与城市道路的交通需求平衡的理论，提出了高速公路与城 市道路交通管理系统之间的分层递阶协调方法。应用该方法，通过对诱导效果的检测评价，可以 及时地调整控制与诱导措施，使得控制和诱导协调一致。 其次，针对高速公路双向隔离的交通特点和几何网络相似的特性，运用图论的方法，建立了 高速公路的网络结构，以准确地表达高速公路路段之间的连接关系以及车辆的行驶路径。在所建 立的网络结构的基础上，应用网络可行流理论，按照路网的平衡和容量条件，建立了高速公路及 与之相连接的城市道路的交通流分析模型，并在确定模型参数的基础上，提出了高速公路网络最 大交通流的求解方法。 第三，根据高速公路运行的实时监控信息，在分析计算各个路段通行能力的基础上，建立了 高速公路交通流的控制与诱导模型，主要包括流量预测模型、速度控制模型、路网交通负荷调节 模型和匝道控制模型。应用该模型，根据路网交通流分析的路段最大允许交通流量，结合当前交 通流量以及预测交通流量，对路网的交通流量、车辆行驶路径与运行状态进行控制与诱导，实现 均衡路网交通流分布的目的，以防止交通状态不稳定的路段影响邻接路段甚至整个路网的交通顺 畅。 第四，通过对高速公路收费站与城市道路连接路段交叉口的通行能力及影响因素的分析，建 立了高速公路收费站与交叉口的交通流量和通行能力协调控制模型。该协调控制模型以高速公路 的通行能力作为交通控制与诱导的依据，通过实时的调整信号控制系统的参数，使得交叉口的通 行能力与交通流量适应高速公路的交通状态变化，预防出现高速公路交通拥挤状态。 第五，以m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 作为开发平台，运用e s r i 公司的m a p o b j e c t s 地理信息 系统控件，建立了高速公路交通管理的仿真模型，研制了相应的仿真原型系统软件。所开发的仿 真系统能够根据道路交通信息，实时分析道路网络的交通负荷以及路网中各个路段的通行能力与 允许的交通流量，可以实现对高速公路交通流的控制和诱导。仿真结果表明，该系统可以有效地 维持路网交通运行的稳定状态，从而提高高速公路的通行能力。 关键词：高速公路，交通流，控制与诱导，网络最大流 a b s t r a c t s i n c et h ee x p r e s s w a yi sac h a r g er o a d w a yc o n s t r u c t e da n dm a n a g e db yd i f f e r e n ti n v e s t m e n tb o d i e s ， i ti ss h o r to ft h ee f f e c t i v ec o o r d i n a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h ea d m i n i s t r a t i v es y s t e m s a tp r e s e n t ，m o s t c i t yt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e mh a v en o tt a k e ni t i n t oa c c o u n tt h a tt h et r a f f i cf l o wr u n n i n gs t a t eo ft h e e x p r e s s w a yn e t w o r ki st h eg o a lo fu r b a nt r a f f i cc o n t r 0 1 s ot h et r a f f i cm a n a g e m e n t o ft h eu r b a nr o a d n e t w o r ka n dt h ee x p r e s s w a yh a v e n tb e e ne f f e c t i v e l yi n t e g r a t e d ，w h i c hr e s u l t si n t ot r a f f i cj a m sa tr u s h h o u r t oi m p r o v et h et r a f f i ct h r o u g h o u ta n dr e d u c et h et o t a lv e h i c l et r a v e lt i m e ，t h ec o n t r o la n dg u i d a n c e m e t h o df o re x p r e s s w a yc o m m u n i c a t i o nm a n n g e m e n ta r ep u tf o r w a r di nt h i sr e s e a r c h f i r s t l y , a n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft r a f f i cf l o ww h i c he x c h a n g eb e t w e e ne x p r e s s w a ya n du r b a nt r a f f i c s y s t e mb a s e do nt h et h e i rr e l a t i o n ，t a k ea d v a n t a g eo ft h ee q u i l i b r i u mt h e o r yo ft r a f f i cd e m a n do fu r b a n r o a da n dt r a f f i cc a p a c i t yo fe x p r e s s w a v ah i e r a r c h i c a lm e t h o di su s e dt oc o o r d i n a t et h et r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e mo ft h ee x p r e s s w a ya n dt h a to fu r b a nr o a d b yt h i sm e t h o d ，t h r o u g hm o n i t o r i n ga n d e v a l u a t i n gt h ee f f e c to ft h eg u i d a n c es y s t e m ，t h ec o n t r o la n dg u i d a n c es t r a t e g ym e a s u r ec a nb ea d j u s t e d a n dh a r m o n i z e d s e c o n d l y , s i n c et h ee x p r e s s w a yi so fs e p a r a t eb i - d i r e c t i o n ，w i t ht h ed i g r a p ht h e o r yt h ee x p r e s s w a y n e t w o r kc a l lb ee s t a b l i s h e d ，w h i c he x p r e s s e st h es t r u c t u r ea n dv e h i c l er o u t eo fe x p r e s s w a y o nt h eb a s i s o fe x p r e s s w a yn e t w o r k ，a p p l y i n gt h ef e a s i b l ef l o wt h e o r y , at r a f f i cf l o wa n a l y s i sm o d e lo ft h e e x p r e s s w a ya n dt h ec i t yr o a dt h a tc o n n e c t e dt oi t i ss e tu p a c c o r d i n gt oe q u i l i b r i u mc o n d i t i o na n d c a p a c i t yr e s t r i c t i o n ，t h em e t h o do fm a x i m u mf l o wi su s e dt oa n a l y z et h em a x i m u mp e r m i t t e dt r a f f i c f l o wo nt h eb a s i so ft h en e t w o r kp a r a m e t e r ss e t e d t h i r d l y , b a s e do nt h er e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n ，t h et r a f f i cc a p a c i t yo fe a c hr o a ds e c t i o n sa r e c a l c u l a t e d ，t h et r a f f i cf l o wc o n t r o la n dg u i d a n c em o d e li sb u i l t ，w h i c hi n c l u d ef o r e c a s t i n gm o d e l ， s p e e d i n gm o d e l ，r o u t em o d e l ，a n dr a m pc o n t r o lm o d e l t h et r a f f i ca d m i n i s t r a t i o ns y s t e ms h o u l db e c o n t r o l l e da n dg u i d e do nt h eg r o u n do ft h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h en e t w o r kt r a f f i cf l o w t h i sc o n t r o la n d g u i d a n c es y s t e mc a na v o i dt h ep r o b l e mt h a tt h et r a f f i cc a p a c i t yo fs o m es e c t i o n si sa f f e c t e dw h e no t h e r s e c t i o n sa r eo p t i m i z e d c o m b i n e dw i t hc o n t r o la n dg u i d a n c e ，t h i ss t r a t e g yc a nb a l a n c et h eu r b a nt r a f f i c d e m a n d sa n dt r a f f i cc a p a c i t y , a v o i di n s t a b i l i t yo fr u n n i n gs t a t e ，w h i c hi m p a c t st h es e c t i o na n de v e n w h o l eu r b a nt r a f f i cs y s t e m f o u r t h l y , t h r o u g ha n a l y z i n gt h et r a f f i cc a p a c i t ya n di n f l u e n c ef a c t o ro fe x p r e s s w a yt o l ls t a t i o na n d t h ec r o s s i n go fu r b a nr o a d ，t h em o d e lt h a tc o o r d i n a t e st h ef r a f f i cf l o wa n dt h ec a p a c i t yi sb u i l t t h e u r b a nt r a f f i ca d m i n i s t r a t i v es y s t e ms h o u l dt a k et h et r a f f i cf l o wa n dc a p a c i t yo fe x p r e s s w a ya st h e f o u n d a t i o no ft h et r a f f i cc o n t r o la n dg u i d a n c es y s t e m t h em a n a g e m e n ts y s t e ma d j u s t st h er u n n i n gs t a t e a n dt h ev e h i c l et r a v e l i n gp a t hb a s e do nt h eu r b a nt r a f f i cd e m a n d ，s ot h et r a f f i cl o a d sa r er e g u l a t e da n d t h ed e m a n d so ft h ec i t yr o a da c c o r d i n gt ot h et r a f f i cc a p a c i t yo ft h ee x p r e s s w a y , p r o v e n t i n gt h et r a f f i c j a mo fe x p r e s s w a y , f i n a l l y , o nt h em i c r o s o f tv i s u a lb a s i cp l a t f o r m ，t h ea d m i n i s t r i v es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li sb u i l t ， w h i c ha d o p e t e dm a p o b j e c t so fe s r i ，a n dt h ea r t i f i c i a lp r o t o t y p es y s t e m ss o f t w a r ei sd e v e l o p d ，s oa st o a n a l y z et h et r a f f i cl o a da n dt h et r a f f i cc a p a c i t ya n ds u p p o r tt h ee x p r e s s w a yt r a f f i cm a n a g e m e n t i tc a n b ec o n c l u d e df r o mt h es i m u l a t i o nt h a tt h i sm o d e lc a ne f f e c t i v e l ym a i n t a i nt h er u n n i n gs t a b l es t a t ea n d i m p r o v et h et r a f f i cf l o wo ft h ee x p r e s s w a ys 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 cf l o w , t r a f f i cc o n t r o la n dg u i d a n c e ，m a x i m u m f l o w 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 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。 研究生签名： 弓长五缝兹 时间： 9 啻f 年参月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：弓臣 皱友 时间： 卯歹年，月矽日 导师签名：时间：m 年占月咿臼 第一章绪论 交通是指运输工具以某种确定的目标，按照一定的方式在运输网络上的流动。道路作为交通 基础设施，按照所在区域分为公路、城市道路等。公路习惯上是指连接城市之间、城乡之间的各 种道路，在城际、城市交通中处于重要的地位【1 1 2 1 。 1 1 城市道路交通存在的问题 城市是人类活动的中心，各种生产活动都是围绕城市展开的，是综合交通运输枢纽。城市道 路交通系统是包括人、车辆、城市道路、城市对外的公路及交通管理与控制系统等组成的复杂系 统。由于规划、建设等历史原因造成城市道路功能层次划分不明确、主干道与次干道不匹配等问 题，导致交通流分布不均衡，过分集中在主要道路上。交通拥堵已经成为影响城市可持续发展的 一个全局性问题，交通问题表现为如下几点： 1 ) 道路负荷过重导致了严重交通拥堵。由于城市用地紧张、在城市中规划新的交通设施投 入较大，城市道路长度、面积增长一般相对较慢，而机动车一直以较高速度增长，使某些路段发 生经常性的交通堵塞。交通拥堵的直接经济损失占国民生产总值的1 ，有的大城市可能达到所 在城市国民生产总值的1 0 左右【3 j 。 2 ) 交通安全。由于交通拥挤发生的交通事故给人民的生命财产带来了巨大的损失。 3 ) 交通拥挤造成环境污染，能源浪费。交通拥挤导致车辆频繁的起动、制动，废气排放与 噪声比正常行驶时高。 在飞速发展的当今社会，高教成为人们共同追求的目标，因此解决道路的堵塞，保障道路的 畅通显得尤其重要。 1 2 高速公路建设与管理 为了提高城市道路的通行能力，国内很多大城市逐渐建设了覆盖全市的高速公路网络，如北 京、上海、广州、深圳等大城市修建的连接各个城区的高速路网。城市高速公路连接市中心、次 中心，主要是服务于城市对外交通，是实现城区之间、城区内外以及城市对外交通的快速通道。 城市高速公路与城际高速公路不同，出入口较多，服务的范围广，与城市道路联系紧密。政府投 资和主导修建高速公路，主要是追求广泛的社会效益，特别是为改善投资环境、加快地区经济和 社会发展、改善人民生活创造了良好的条件。 1 2 1 高速公路的建设特点 高速公路具有四条以上车道，路中央设有隔离带，分隔双向行驶。高速公路一般是全封闭， 全立交，规定车辆只能从指定的互通式立交匝道进出，从而排除了横向干扰；同向道路划分车道， 使快慢车分道行驶，从而排除了纵向干扰。通过实行分隔行驶和严格控制出入，保证高速公路比 普通公路更安全。 一般我国高速公路行车速度规定：最低时速不低于6 0 k m h ，晟高不超过1 1 0 k m h 。一条车道 的通行能力为2 2 0 0p c u h ，比一般公路高出3 4 倍。车辆在高速公路上行驶，车速比较稳定， 油耗少，运行效率高【4 j 。 1 2 2 高速公路交通面临的问题 随着交通量的快速增长，一些城市的高速公路或者是连接城市比较密集地区的高速公路，如 京津塘高速、广深高速、沪宁高速等，由于交通量基本达到了饱和，每天有很长一段时间的行车 速度已经低于设计最低速度，并在收费站出入口形成了排队。 1 2 2 1 高速公路交通拥挤问题 随着城市道路交通需求不断增加，当高速公路的交通量接近或超过道路通行能力时，即可能 发生交通阻塞，造成交通拥挤因素可归纳为鼯类： ( 1 ) 常发性交通拥挤。常发性交通拥挤主要用来描述在某些特定时期经常发生的交通拥挤 现象，引起常发性交通拥挤晟普遍的原因是过大的交通需求，即交通需求超过高速公路的设计通 行能力，就会发展成为运行上的瓶颈，如图1 - 1 所示。 盔 流 量 0 t。tb时间 图1 1 交通需求、通行能力和延误之间的关系 由图1 - 1 可知，在一段高速公路上只要交通需求小于或等于这段高速公路的通行能力，就不 会发生交通拥挤。如果路段上的车流量开始超过通行能力时( 即时间为毛时的交通流量) ，交通 即开始拥挤，车辆开始在上游聚积，直到所有聚积的延误车辆通过瓶颈后才恢复自由交通流运行。 事实上，一个城市的交通堵塞和拥挤往往是一种“瓶颈效应”，即堵塞或拥挤首先发生在某些交 叉口或某些路段，由于这些交叉口或路段的“多米诺”效应( 即车队上溯到上游交叉口而导致上 游交叉口堵塞) 导致由点到线到面的交通堵塞。实际上，通常这类交通拥挤出现的地点和时间均 能完全准确地加以预测。交通管理常采取控制交通需求或者提高通行能力等措施减少拥挤发生的 机率。 ( 2 ) 偶发性交通拥挤。偶发性交通拥挤是由于事故或公路养护等特殊事件引起的交通拥挤 现象。由于一条或多条车道阻塞，或者由于导致其他交通流障碍而降低这段高速公路的通行能力， 将会引起交通流量的减少。由于随机事件的位置和时间都是无法预测的，因而所引起的交通拥挤 问题难以采用常发性交通拥挤问题的对策来处理。 2 发生交通拥挤后，车辆行驶速度降低、时开时停不稳定，容易引起交通事故。交通拥挤导致 高速公路的交通量降低，加剧了城市交通紧张，并且使得交通出行者的行程时间长与运行费用的 增加。 高速公路常见的特殊路况是指高速公路路面冰冻、湿滑；恶劣天气造成的低能见度通行状况； 交通事故引发的高速公路严重堵塞；高速公路专项维修或大修施工；自然灾害造成高速公路损毁 中断。高速公路常见的交通事故如下 1 0 5 ： 1 ) 追尾事故：即前车遇险情减速或制动，后车未保持足够安全距离，在高速下来不及减速 而发生尾撞，并可能导致失火，爆炸。 2 ) 超车事故：两车超车时发生刮擦，这主要是因驾驶员未能正确使用灯光和没有很好确认 车前和车后的交通状况就变更j 亍车路线所致。 3 ) 侧滑事故：因气候不良，路面较滑，在转向或制动时发生的侧滑事故。 根据有关统计资料，高速公路上的交通事故，因驾驶员采取避让措施不当占了3 6 ，雨天路 滑且高速行驶发生侧滑的占了2 4 ，违章超车、超速发生事故的占1 6 。由此可见，加强高速公 路的交通运行管理，对于保障行车安全具有非常重要的意义。 1 2 2 2 高速公路管理问题 经验和实践证明，传统的交通发展模式是通过增加基础设施来满足快速增长的交通需求无 法从根本上摆脱交通紧张的状况。交通系统是一个复杂的动态系统必须从系统的观点出发，把 人、车、道路与环境、管理综合起来考虑，发展智能的交通管理系统，保证路网上的交通处于最 佳状态，最大限度的提高道路的通行能力。 随着覆盖全市的高速公路逐渐连接成网，各地的高速公路管理部门采取了系列管理措施如 高速公路综合管理系统、智能监控、联网收费、不停车收费等智能交通手段，实现对高速干道的 最大利用，以充分发挥交通干道的作用。例如：上海市高速公路网监控系统的目标是：优化交通 管理，缓解突发事件引起的交通拥塞和阻塞，保障通行安全，保证整个高速公路路网的正常运行 ”1 。根据北京市高速公路交通分析，规划在2 0 1 0 年前实现高速公路联网监控控肯4 方式将采用“主 线控制、路网协调控制、以及闭路电视监视”的综合监控策略【”。 高速公路管理中虽然加强了对道路运行状况的监控，但是对于交通流的管理控制还存在以卜 问题： 1 ) 高速公路建设与管理是公司化经营，与城市道路之间是分开管理的，二者之间缺乏有效 的沟通机制。高速公路虽然是城市道路系统的一个子系统，但由于其收费使用与独立管理的特点， 没有与城市道路网的交通管理有效的融合为一体【7 】。在大多数城市的高速公路网管理过程中，虽 然高速公路内部基础设施建设非常完善，各种监控、检测设备齐全，但是交通管理都是局限在路 网与路段内部，尚未与城市交通管理系统建立信息共享以及管理决策协调机制。高速公路与城市 道路网络管理不协调。引起了二者之间交通流交换时的波动而导致了交通堵塞，表现为某些收费 站在高峰时段经常性的出现排队堵塞现象，而有的收费站还有剩余交通能力。 2 ) 高速公路的路段之间通过互通立交、匝道连接而成为城市快速通道网络。营运管理是由 投资建设单位负责实施的，由于投资主体不同而使得管理系统各自为政，相互之间缺乏协调。即 使是同一公司投资建设管理的高速公路，也可能出现因管理上的问题而没有采取整体管理方式的 3 问题。 3 ) 管理系统中监控、收费、养护、路政等运营子系统是独立运行、自成体系，使得相互之 间不能共享信息。发生紧急情况时不能及时的疏导交通流，容易造成道路网部分路段的交通拥挤， 影响了道路网的通行a & 力。 传统的交通分析方法是将系统内的各单元单独进行研究的，例如在设计交叉路口信号灯的变 化周期时，就只针对一个交叉路口的交通情况进行，至于这种周期设置对相邻路口的影响就被略 去不计。如果整个系统内单元之间的相互影响很小，这种分析方法是可行的，否则就会产生较大 的偏差。交通系统管理必须从整个城市的交通运输系统着眼，探求能使现有的系统发挥其晟佳效 益的综合治理方案，可避免各个局部措施把交通矛盾转移到其它地点的弊端，可以得到系统效益 最优的管理系统。 1 3 高速公路常用的交通控制方法 高速公路交通管理是对一些主要交通参数，如交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞程度 以及交通状况、路面状况和气象参数等进行实时监测，根据交通参数及交通条件的历史数据或实 时采集的数据，按照某种预定的性能准则来调节高速公路上的交通参数，从而使公路自动地保持 最佳的运行状态。高速公路的控制方法主要有以下几种： 1 3 1 主线控制 主线控制就是对高速公路主线的交通进行调节、诱导和警告，按照路段下游的通行能力控制 路段上游的交通需求。主线控制的基本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。主线控制方法包括可变车速控制法、车道封闭控制法、驾驶员 信息系统等。这些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。主线控制主要用于下述目的： ( 1 ) 当交通需求接近道路通行能力时，使主线的交通流保持均匀性和稳定性，以增加驾驶 员的舒适程度，提高高速公路的利用率并预防拥挤发生； ( 2 ) 改善交通流运行状态，使其在主线上的瓶颈路段上能达到最大通行能力 ( 3 ) 如果发生交通拥挤，或因车速、车流密度发生变化而在车流中产生冲击渡时，需要改 进交通运行使其从拥挤状态恢复到正常状态，并防止事故的发生； ( 4 ) 在雨、雪、雾等特殊气候条件下，保证高速公路的运行安全； ( 5 ) 当出现交通事故或因维修而使主线通行能力下降时，要提高道路的使用效率； ( 6 ) 当高速公路交通需求在方向上有很大差别时，需改变高速公路不同方向上的交通负荷； ( 7 ) 减少驾驶员的不满，将驾驶员诱导到交通状况较好的道路上。 主线控制方法的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。如 采取可变车速控制法时并不是所有司机都严格遵守限速指示，而且该方法没有考虑与之相邻的城 市道路的影响，并不是真正意义上的控制方法。 4 1 3 2 入口匝道控制 入口匝道控制可以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虽允 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。 入口匝道控制方法的基本目标是控制高速公路的交通需求，通过限制车辆进入高速公路的速 率，使高速公路交通流能依据某一性能指标运行在最佳状态附近。它的主要功能就是减少事故发 生瓶颈，抑制事故冲击波的传播，降低道路阻塞的可能性。 1 3 2 1 入口匝道控制的基本方法 入口匝道控制的基本原理是平筏入口匝道处高速公路上、下游交通量。一般来说，如果上游 交通景与从匝道进入的交通量之和大于下游的通行能力就会发生交通拥挤。根据上游的交通需求 与下游通行能力之差来限制进入匝道的交通流量便可减轻高速公路上的交通拥挤，车辆在高速公 路上的总延误时间及在匝道上等待进入高速公路的时间也都会减少。简言之，入口匝道控制是限 制进入高速公路的车辆数目以保证高速公路自身的交通需求不超过其交通容量的一种方法。其基 本目标可以根据具体的交通问题加以选择： 1 ) 减少高速公路干道上行驶车辆总的行程时间； 2 ) 减少通道内全部行驶车辆的行程时间； 3 ) 在商速公路干道和入口匝道上，消除或减少交汇处的冲突和事故； 4 ) 改善交通流的平稳性。从而减少不舒适感或环境干扰。 入口匝道控制在提高高速公路的服务水平的基础上，不能减少进入高速公路的交通量，否则 必然影响到路费的收入。高速公路匝道控制与其他替换道路上的交通问题是相辅相成的，只有维 持路网畅通，才能获得城市道路的良好效益，实施入口匝道控制的成功与否取决于下列条件是否 得到满足： 1 ) 替代道路必须有足够的附加容量可供利用，不仅能满足由高速公路转移来的交通，而且 也能适应正常水平的交通。如果通道中没有额外的交通容量，那么即使入口匝道控制可以防止交 通拥挤在高速公路上发生，它也可能被转移到高速公路的连接道路上去，交通拥挤的转移将减少 甚至抵消高速公路交通控制所得到的效益。 2 ) 在入口匝道处必须有足够的停车空间可供等待匝道交通信号的车辆使用，匝道上的车队 不允许延伸到堵塞引道或平交街道的程度，这样才能保证等待车队不会影响非高速公路的交通。 入口匝道控制包括匝道调节和匝道关闭两种形式，入口匝道调节一般包括定时控制、感应控 制和集中控制等方式。 1 3 2 2 入口匝道定时控制 定时控制是最简单的一种入口匝道调节方法。定时控制系统由信号灯、控制器、检澳4 器、匝 道控制标志和路面标记组成。 在定时控制系统中，匝道信号以固定的周期运行，这些周期是根据为特定的控制时段规定的 调节率计算的。定时控制对于预防备匝道处的交通堵塞，提高交通安全有重要意义，但是无法确 5 保道路系统的交通效益达到最佳状态。 l 3 2 3 入口匝道感应控制 定时调节是根据历史交通量数据，按照预先给定的调节率进行控制的，因此不能响应交通量 的及时变化，难以排除交通拥挤。为了克服定时调节不能响应上游的交通需求变化的缺点，可采 用交通感应匝道控制方法。 1 3 2 4 入口匝道集中控制 一般来说，一条高速公路多个入口匝道的调节对交通流的影响是相关的，当改变一个入口匝 道调节率时，就会对高速公路的交通量产生作用，从而影响其他匝道的调节率。集中控制试图统 筹考虑各个匝道的调节率，从而使某种性能指标达到最优。 可以控制进入高速公路的交通量，可以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，更熏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。 1 3 2 5 入口匝道控制的优点 1 ) 减少干道用户的总旅行时间； 2 ) 有效的使用干道的容量； 3 ) 限制使用社会成本大的路段； 4 ) 减少干道弯曲段的事故发生率等等。 入口匝道控制的优点依赖于是否存在较好的替代路径，尤其是在没有对入口排队进行有效管 理的时候。 1 3 3 出口匝道控制 出口匝道控制方法是以缓解与出口匝道衔接的平面交叉口的交通阻塞和防止出口排队过长 而导致高速干道上交通阻塞为目的的控制方法，包括调节高速公路流出的车辆数和封闭出口匝 道。强迫限制车辆离开高速公路的做法通常会使行车时间增长，除非是发生特殊交通事故等长时 间影响道路开放的异常现象，一般极少采用。 1 3 4 通道控制 高速公路通道系统由高速公路、匝道以及与高速公路相关的侧道、干道、城市街道等组成。 它是一个以高速公路为核心的、沟通两个或两个以上地区之间交通的通路网络。城市高速公路在 构造上的特点，决定了城市高速公路的交通状况必然受高速公路与城市道路耦合处( 即进出口匝 道) 的交通状况的影响。 高速公路通道控制就是对通道系统交通流进行协调、管理、诱导和警告，采用总行程时间最 小的控制策略，可以使城市交通运行状态达到最佳嗍。基本原理是监测通道系统中所有道路及交 叉口，将超载道路上的交通转移到通行能力尚有剩余的道路上去。通道控制是一个综合控制系统， 它集中了高速公路监控系统、驾驶员信息系统、匝道控制、侧道控制、主线控制、交叉口控制、 干道控制以及城市道路控制和区域交通控制的原理、策略和方法。 6 1 4 国内外研究现状 1 4 1 交通控制系统的发展现状 交通控制策略的改变会导致交通流的变化，这些变化将改变整个系统的交通流模式和拥挤情 况从而进一步影响着人们的出行决策，交通流的分布情况也将随之发生一些变化州。近年来各 种智能化的交通控制系统得到了发展。智能交通信号控制系统的主要控制方法主要有单点定配时 多相位信号协调控制、车辆感应实时自适应协调控制、用户优先无电缆干线协调控制以及实时自 适应区域控制等。 由于交通信号控制系统的建设是与城市规划及道路规划休戚相关的，设施建设及完善有一定 的制约，一步到位是不切实际的。因此，智能交通信号控制系统的管理模式就是集中管理，分级 控制，充分利用现有设旖。按实际交通现状，一般是首先实现单个交叉路口的自适应协调，在交 通条件允许的情况下进行主干线的协调控制，实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的 系统最优。 绿信比、周期和相位差优化技术( s p l i tc y c l ea n do f f s e to p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e ，s c o o t ) 是 由英国运输研究所在t r a n s y t 基础上研制的自适应控制系统，上个世纪9 0 年代s c o o t 系统 进行了多次升级。s c o o t 系统有一个灵活、准确的实时交通模型，不仅用于制订配时方案，还 可以提供各种交通信息；s c o o t 采用对下一周期的交通进行预测的方法，提高了结果的可靠性 和有效性；s c o o t 调整参数时采用频繁的小增量变化，既避免了信号参数突变给路网上车辆带 来的延误损失又可通过频繁的累加变化来适应交通条件的变化；s c o o t 的车辆检测器埋设在上 游路口的出口处，为下游交叉口信号配时预留了充足的时间，且有足够时间做出反应以预防车队 阻塞到上游交叉口。s c o o t 系统存在相位不能自动增减、相序不能自动改变、饱和流率的校核 未自动化等问题，使得现场的安装调试相当繁琐。 由新南威尔士州道路交通局( r t a ) 研究开发的s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e d a d a p t i v et r a f f i c s y s t e m ) ，是目前世界上少有的几个先进交通控制系统之一。s c a t s 采用先进的计算机分层递阶、 模块化结构形式。s c a t s 系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案 容易修改。在需要的情况下，s c a t s 能自动进行子区的分离与结合，也可允许各路e l 自主实行车 辆感应控制。经悉尼市的对比实验表明：s c a t s 与t i a n s y t 相比，在总旅行时间相同的情况f 停车次数明显减少。但s c a t s 实际上是一种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度，s c a t s 选择相位差方案时，无车流实时信息反馈，可靠性低【l 。 我国近几年也开发出了一些适用于我国交通状况的交通信号控制系统，主要有上海交通大学 的s u a t s 系统。s u a t s 系统是由上海交通大学和上海交警总队合作开发，作为具有2 0 世纪9 0 年代水平的自适应交通信号控制系统，它是在深入研究国外先进系统的基础上，融合了大量变警 实际控制经验而产生的。s u a t s 以开放型为前提，并增加了符合中国国情的特殊功能。该系统可 与其他交通控制系统进行连接和协调控制 1 1 1 。 桑达s e d z h g g 系统是最新推出的一套新型交通综合管理系统，它主要利用g i s 技术建设 成为城市交通集成管理平台，可以作为整个城市的交通管理集成指挥调度的基础。通过该平台可 实现交通调度处理、交通控制及分析、业务管理、系统管理、信息发布等工作，在此管理平台上， 7 将交通信号控制系统、交通预案管理、交通电视监控系统、交通流信息采集、交通信息发布、紧 急救援系统和交通管理信息系统进行功能集成，实现信息共享和统一指挥。 1 4 2 高速公路控制系统研究现状 高速公路管理是城市道路网的一部分，与城市交通流管理有较多的相似之处，但也有本身的 特点。 1 4 2 1 匝道控制系统研究现状 匝遭控制是高速公路管理静基本结构，w a t t l ew o r t h 在1 9 6 5 年首先提出了匝道控制方案， m a s h e r 于1 9 7 5 年提出了在单匝道口上游附近测量交通量，下游测量占有率，根据需求容量关系 计算匝道调节率。p a p a g e o r g i o u 在1 9 8 0 年通过引进区间分段，把静态模型动态化。文献【1 2 】基于 接受间隙理论综合考虑加速车道对车辆汇合的影响，得出了高速公路干道流量与匝道流量间的关 系模型，并且对各种服务水平f 的实际流量进行了具体的计算，为匝道控制和高速公路管理提供 了依据。文献【1 3 】采用了一种输出隶属度离散化的模糊神经网络实现了入1 3 匝道的智能控制算法。 仿真结果表明：在维持设定的主线交通流密度、抑制入口匝道排队长度和入口匝道调节率波动等 方面，该算法比不加控制的经典反馈算法取得了更好效果。丁建梅等深入讨论了入口匝道交通模 糊控制修正因子函数型的参数标定方法i l ”。 由于单个匝道控制不能取得高速公路的整体效益，国内外对入口匝道集中控制进行了广泛的 研究，就是根据实时监测的道路信息( 占有率、流量、速度等) 取得各入口的调节率达到高速 公路的全局最优。性能指标为总行程时间最小、总服务流量最大、入口匝道平均等待时间最短、 总延误最小以及动能( 流量与速度乘积) 最大等。目前比较流行的有基于模型的控制、分层递阶 控制、智能控制等【l “。 1 ) 基于模型的控制 高速公路入口匝道数学模型( 最优控制模型) 可以表述为：在主线交通、入口匝道通行能力、 排队长度等约束条件下，求实现控制目标的入口匝道调节率。其中控制目标是旅行时间最短、延 误最小、服务流量最大、入口排队最短、消耗燃料最少等指标中的一个或多个。数学模型经历了 从线性到非线性的过程。基于模型的控制按照其控制区域分为：单入口匝道控制和全局控制。单 入e 1 匝道控制中比较典型的有：需求容量( d e m a n d - c a p a c i t y ) 模型和线性二次模型【1 6 2 0 。全局控 制比较典型的有：静态线性规划模型、序列( s e q u e n t i a l ) 模型、动态分析模型以及动态仿真模型。 2 ) 分层递阶控制 由于交通大系统最优控制问题的计算往往很复杂的，所以常常采用分解一协调的方法( 即递 阶的方法) 求解。文献 2 1 1 提出了一个两层反馈高速公路入1 3 匝道控制系统。下层作为局域控制， 上层则是全局控制。控制系统分成四个模块：状态估计、o d 预测、局域控制和全局控制。 m a r k o s 提：出高速公路多匝道的非线性优化控制算法，采用了时问和空闯离散化的高速公路宏 观交通流模型，并考虑了入口排队长度的约束，采用最优控制中的经典算法进行求解。仿真结果 表明，该方法比不加控制的姗减少了3 0 - 4 0 ，有效遏制了交通拥挤和入口匝道回溢的发生 【捌。 3 ) 智能控制 8 无论采用经典控制理论还是现代控制理论设计一个控制系统都需要事先知道被控对象( 或生 产过程) 的精确数学模型，然后根据数学模型及给定的性能指标。选择适当的控制规律，进行控 制系统的设计。因为高速公路及车辆组成的系统非常复杂多变，很难找到能准确描述交通流的模 型，所以根据数学模型提出的最优控制策略只能是相对的，不会是绝对最优的。文献 2 3 】提出了 基于神经网络的非线性状态反馈的多匝道协调控制优化控制方法，采用b p 神经网络实现了多匝道 控制中的状态反馈策略，利用神经网络的学习能力，动态调整网络参数。仿真结果表明，该算法 比常用的线性二型反馈算法有了一些改善，比不加控制可减少交通延误2 0 左右。但是该算法在 简化时认为交通流服从l w r 模型，没有考虑交通流的时变特性和入口排队的影响，并且神经网络 的学习时间较长，难以满足实时控制的需要。 1 4 2 2 高速公路与城市道路协调控制模型研究现状 研究表明，单独研究高速公路的匝道控制与城市交通控制，无法保证城市道路系统的畅通， 交通工作者对于协调控制高速公路与城市交通进行了许多有益的尝试，并取得了丰硕的成果。高 速公路控制必须既要考虑路段之间的相互影响，又要考虑基于驾驶员行为对路网交通状态随时间 变化的影响，因此必须在高速公路管理中引入诱导系统，加强对高速公路的交通管理。 1 ) 匝道控制与诱导控制相结合的集成控制策略 k o t s i a l o s 提出了一个将入口匝道控制与诱导相结合的集成控制策略，可以采用考虑路径诱导 因素的时问、空间离散化之后的高速公路宏观模型】【2 ”，并采用了非线性优化的方法对其进行求 解。利用a m o c 软件仿真的结果表明，相对不加控制的情况而言，匝道协调控制可以减少旅行 时间1 6 ，而集成控制可以减少3 0 5 ；在拥挤的交通状况下，集成控制可以取得更好地效果。 由于该仿真模型的道路网络规模很小，对于较大规