（控制理论与控制工程专业论文）高速公路控制与通信技术研究.pdf

摘要 摘要 改革开放后，特别是近十年来，我国高速公路建设取得了前所未有的成就， 高速公路网络智能管理与控制的实践，迫切要求相适应的基础理论与实用技 术。高速公路机电工程设施是以电子、通信和控制等高新技术为主的机电集成 系统，它实施交通监控、公路通行费征收、信息传输、隧道安全运行保障和道 路照明等功能。近十年来我国许多地区的高速公路管理部门已引进不少国外先 进机电系统和设备，如何将国外先进技术与我国道路运行管理的实际需求结合 起来，建设一个有效的实用的高速公路运行管理系统，是需要努力探索和思考 的问题。 本论文结合广东省高速公路的情况，对高速公路交通控制方法和通信技术 进行了深入的分析和研究，并提出了可行的控制方法和通信技术设计方案，为 将来建设高速公路或改造高速公路提供参考依据。本文共分七章，主要讨论了 相互关联的控制和通信两个方面的内容： ( 1 ) 本文在前四章着重进行高速公路控制方面的论述。主要研究成果如 下：由于交通流是一个时变的复杂的系统，对其进行数学建模往往顾此失彼， 不能全面的反映交通状况，出于控制的目的，本文首先分析得出交通密度是控 制输入量或目标量的最佳选择并提出了一个用于预测交通密度的神经网络算 法；由于交通控制是一个复杂的非线性系统，数学建模方法具有很大的局限性， 而依据人的经验往往能达到更好的控制效果，本文将模糊控制应用于入口匝道 控制器，并以交通密度作为输入量和目标量，设计了一个入口匝道模糊控制器； 对于拥挤收费控制，目前研究较多的是拥挤收费控制的原理与定性分析，但如 何定量确定拥挤收费则没有一定的方法可循，本文创造性地提出使用模糊综合 评判的方法来定量确定拥挤收费，为拥挤收费的制定提供了一种可行的方法。 ( 2 ) 针对目前高速公路通信系统在高速公路控制和管理中的重要性，本文 在五六两章对高速公路现场控制技术和通信网的建设及应用方面进行了详细的 分析。主要研究成果如下：由于现场信息的获取与处理是高速公路整个系统集成 的基础性工作，在高速公路中占有极为重要的地位，也是实施高速公路工程应用 中必然会遇到的问题，本文针对高速公路通信网络中的现场控制层信息获取与处 理问题，提出了采用先进的l o n 现场总线作为高速公路隧道现场控制层通信系 统的解决方案，而目前在隧道现场控制中较常使用d c s 系统作为解决方案：另 外通信网的建立不仅能够满足现在高速公路管理和控制系统的需要，而且还可以 在此基础上开发出更多的高效的管理系统，因此本文通过分析最新通信技术，得 华南理工大学工学博士学位论文 出a t mo v e rs d h 是目前高速公路通信系统及其联网技术的首选，并结合广东 省高速公路的情况设计了基于s d h 的省域高速公路通信系统。 基于控制技术和通信网络的高速公路应用系统很多，基于控制技术和通信网 络的高速公路应用系统的开发必将大大提升高速公路的管理效率和控制功能，为 更加充分发挥高速公路的功能奠定基础。本文在最后一章给出了基于高速公路控 制与通信技术的三个应用系统一一城市环路交通监控系统、省域联网收费系统和 视频会议系统的整体方案设计。 作者在研究中始终强调研究成果的实用性与先进性，在高速公路的控制方 面，强调应用先进的控制和预测算法。在高速公路的管理方面，强调通信技术的 先进性和实用性。本文的研究成果对于提高高速公路系统的整体经济效益和社会 效益具有重要的现实意义。 关键词高速公路；神经网络：模糊控制；模糊评判；通信技术 a b s t r a c c a b s t r a c t a f t e rr e f o r m a t i o na n do p e n ，e s p e c i a l l yi nr e c e n tt e ny e a r s ，t h es t r a n g ea c h i e v e m e n t w a sa c q u i r e di nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ef r e e w a yi no u rc o u n t r y t h ep r a c t i c eo f i n t e l l i g e n t m a n a g e m e n ta n dc o n t r o l o n f r e e w a yu r g e n t l yd e m a n dt h ea d a p t i v eb a s a lt h e o r ya n d a p p l i e dt e c h n o l o g y i nr e c e n tt e ny e a r s ，t h em a n a g e m e n td e p a r t m e n to ff r e e w a yi nm a n y r e g i o ni n t r o d u c e ds o m ea d v a n c e dm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n ts y s t e mi n t oc h i n a ， h o wt oc o m b i n es u c hs y s t e mw i t ht h ep r a c t i c a ld e m a n do f f r e e w a ym a n a g e m e n ti no u r c o u n t r ya n dc o n s t r u c tae f f e c t i v ep r a c t i c a lm a n a g e m e n ts y s t e mi nf r e e w a yi saq u e s t i o n w o r t h yo fe x p l o r i n ga n dc o n s i d e r i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et r a f f i cc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yo nf r e e w a ya r e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d a n ds t u d i e d ，a n dt h e nt h ef e a s i b l e c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yd e s i g n i n g a r e b r o u g h t f o r w a r da st h er e f e r e n c ef o rt h e c o n s t r u c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o no ff r e e w a yi nt h ef u t u r e t h ep a p e rc o n s i s t so fs e v e n c h a p t e r sr e s p e c t i v e l yb e l o n g i n gt ot w op a r t so fc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n ，t h em a i n r e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h ei m p o r t a n c eo ft r a f f i cd e n s i t yi nt r a f f i cc o n t r o li sa n a l y z e d t r a f f i cd e n s i t yi st h e m e a s u r e m e n to fs e r v i c el e v e lo f f r e e w a ya n d c a ne m b o d yt h ec o n d i t i o no ft r a f f i cf l o w , s o i ti st h ef i n ep a r a m e t e rt ou s ea sc o n t r o li n p u to ro b j e c t t h em e t h o da n dt e c h n o l o g yo f o b t a i n i n gt r a f f i cd e n s i t ya r ea n a l y z e da n dt h a tt h en e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o ni sv a l u a b l e m e t h o dt oo b t a i nt h et r a f f i cd e n s i t yi s p r o p o s e ds i m u l t a n e i t y f u z z yc o n t r o lh a saw i d e a p p l i c a t i o ni nt r a f f i cc o n t r o la n ds u i tt r a f f i cc o n t r 0 1 ao nr a m pf u z z yc o n t r o l l e ri s d e s i g n e di n n o v a t i v e l yw i t ht h eu p s t r e a md e n s i t y d e v i a t i o na n dd o w n s t r e a md e n s i t yd e v i a t i o na si n p u t sa n dt h eb e s td e n s i t ya so b j e c t t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h em e t h o di ss i m p l ea n dv a l u a b l e c o n g e s tp r i c i n gi sae f f e c t i v em e t h o dt ol i g h t e nm a i n l i n et r a f f i cc o n g e s t ，q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o fc o n g e s t p r i c i n ga r em a i n l yd i s c u s s e dc u r r e n t l y t h er e s u l t so fq u a l i t a t i v e a n a l y s i sa r es u m m a r i z e d ，t h e naq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o db a s e do nf u z z yj u d g ei s p r o p o s e di n n o v a t i v e l y d u et ot h ee x c e l l e n c eo fv d s li nt r a n s p o r td i s t a n c ea n dr a t e ，t h ea p p l i c a t i o np r o j e c t o fv d s li nt r a f f i cs u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e mi s p r o p o s e di n n o v a t i v e l y i na d d i t i o n ， t h ef c si su s e di nt u n n e ls u r v e i l l a n c ea n dc o n t r o ls y s t e m ，h o w e v e r c u r r e n t l yt h ed c s i s w i d e l yu s e d m 华南理工大学工学博士学位论文 t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e l sa r e b r o u g h t f o r w a r d r e s p e c t i v e l ya c c o r d i n g t ot h e c o n s t r u c t i o no fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n df u n c t i o no fc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，w h i c h h a ss i g n i f i c a n c et oi n s t r u c tt h ec o n s t r u c t i o no fc o m m u n i c a t i o ni nf r e e w a y t h ec o n c l u s i o n t h a ta t mo v e rs d h c u r r e n t l yi sp r i m a r yt e c h n o l o g yi sd r a w n ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m i nf r e e w a yi ng u a n g d o n g p r o v i n c ei sd e s i g nc o m b i n e d w i t ha t mo v e rs d h i nt h e l a s t c h a p t e r ，t h et y p ea p p l i c a t i o n s b a s e do nc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa n dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki nf r e e w a ya l ed i s c u s s e d ，t h e e x p l o i t u r eo fa p p l i c a t i o ns y s t e m w i l lb d n gi n t op l a y t h ef u n c t i o no f f r e e w a y b e t t e l d u r i n g t h ew h o l er e s e a r c ht h ea u t h o ra l w a y se m p h a s i z e st h er e s u l t sp r a c t i c a l i t ya n d a d v a n c e i nt h er e s p e c to f f r e e w a yc o n t r o l ，a u t h o rl a y ss t r e s so na p p l y i n ga d v a n c e d c o n t r o l t h e o r ya n dp r e d i c t i o na l g o r i t h m i nt h er e s p e c to ff r e e w a ym a n a g e m e n t ，a u t h o rl a y ss t r e s s o na p p l y i n ga d v a n c e da n dp r a c t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e r sr e s e a r c h o u t c o m eh a sp r a c t i c a lo ri n t e r m e d i a t es i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h ee c o n o m i ce f f e c ta n d s o c i a le f f e c to ft h ew h o l e f r e e w a ys y s t e m k e y w o r d s ：f r e e w a y ；n e u r a ln e t w o r k ；f u z z yc o n t r o l ；f u z z yj u d g e ：c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i v 华南理工大学 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，均己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： 贺敬灿 日期：哆年占月彦日 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。本人授权华南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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：贺1 | 5 j ( 凯 日期：捌一；年占月8 日 跏签名：绷日期：知萨月9 日 第一章缝论 第一章绪论 。 研究繁景 _ i 履年来，我国的公路建设迅猛发展。到2 0 0 1 年底，全国公路通车总里穰 为1 6 9 8 万k m ，屠馓界第四位。篡中，罄级公路里程1 3 3 6 万k m ，占总里程 的7 8 + 7 ：级以一e 公路愿程2 2 7 万k m ，占1 3 4 ；高速公路通车总里獠 1 9 万k m ，黼整界第二位。 但是随麓国民经济的高速发展以及城市化进程的推进，机动车辆迅猛增多， 大多数公路与城市遂路都国现了严蓬静交逶拥挤及堵塞醮象。交通拥挤静致时间 延误，交通事故增多，环境污染加剧，燃油损耗上升。并由此产生了一系列的环 境污染、资源浪费等相关社会经济阏题，严重影舔了我国城乡入陡生活承乎的撵 高及备项事业的现代化进程。尽管过去我们采取了系列行之有效的交通管制措 薤，稳仍然纛法解决霹益突蹬貔交暹闯题。 高速公路是连接城市与城市之间、城市与地区之间的纽带，是交通的大动脉 之一，为健逶城乡经济瓣发矮超蓑燕要熬揆粱律稀。高速公路豹建成，萼| 起潜线 地区缀济加速发展，汽车拥有量及货物运输量不断增加；间时引起附近地区土地 使臻方式熬改交，大麓豹工厂、亵瘸、住宅区在沿线绝区建残，馨致窭孬入数迅 速增加，所以有些高速公路上交通阻塞现蒙时有教生。因此对高速公路实施交通 控剿怒嚣豢螫要豹。 商速公路控制是涉及交通工程学、自动控制璎论、交道心理学和电子技术等 多学辩豹边缘季萼学，矮子鑫动控制联论豹一个瑟载分支。疼速公路交逶掇鞠系绞 是一个包含人、车、路交互作用的复杂的社会系统，其控制包括臌道控制、主线 控割、通道控制等。戆罄控割理论豹发展，技剃策旗魏馥纯方法经历了线性援划、 最优控制、次优控制、分层递阶控制。从数学动力模型来考察交通控制系统是一 个非线性、聪变系统，交遥控铡系统可强实瑷优他交逶豹嚣款，键是一跫出现嚣 正常交通时，交通控制系统往往无法适从，甚至出现交通混乱的情况。 镑毙控制系统的坦现绘熹速公鼹交通控制系统带来了薪的希望。锗娩控制 系统一般具有以知识表示的非数学广义模溅和以数学模溅混合表示的混合控制 过程，它适用于含复杂性、不完全性、模糊性、不确定和不存在融知算浚的生长 过程。 另方面，高速公路通髅系统是嵩速公路现代他管理嬲支撑系统，它簧实现 监控系统和收费系统的数据、语音和图像等信息准确而及时的传输，保持高速公 华南理工大学工学博士学位论文 路各管理部门之间业务联络通讯的畅通，并要为高速公路内部各部门和外界建立 必要的联系；同时高速公路通信系统作为交通专用通信网的重要组成部分，是交 通信息的主要传输载体，为各种网络服务( 如i n t r a n e t 、i n t e r n e t ) 及会议电 视系统提供传输通道。 随着计算机技术、网络技术和通信技术的迅速发展，高速公路通信技术也从 简单的无线对讲系统发展到8 0 0 m h z 无线集群系统，从小容量微波通信发展到s d i i 系列数字光纤传输系统，从单纯的电话业务发展到包括语音、数据和图像等多种 信息的综合通信，并从模拟通信向数字通信演变，开始组建先进的宽带综合业务 数字( b i s d n ) 通信系统。 进入”九五”以来，我国的高速公路建设发展非常迅速，高速公路网正在逐 步形成。在某些高速公路建设发达的省份已经开始着手进行区域内高速公路网交 通机电工程( 通信、收费、监控) 的方案论证及工程实践。这样，高速公路通信 系统已开始从单条路的内部通信向路网环境的广域通信转变，其组网技术也会有 很大区别。 因此本文对交通控制中的智能控制方法进行了深入的研究，提出了高速公 路智能控制策略，并根据目前高速公路监控通信系统的实际情况，提出了可用于 高速公路的各种先进通信技术及其实现。这对于更加充分发挥高速公路的作用具 有现实意义。 1 2 高速公路交通流模型评述 因高速公路交通控制依赖于交通流特性描述，因此下面首先综述交通流模 型的研究现状，并对一些交通流理论的有效性与局限性进行分析和评述。 交通流模型是描述交通流状态变量随时间与空间而变化、分布的规律。交 通流理论的研究始于2 0 世纪3 0 年代，经历了从自由流到非自由流两个研究阶段。 3 0 4 0 年代主要为自由流理论研究即研究交通密度低、各车之间的车头间距较 大、车辆处于自由行驶状态下的交通流特征，这一阶段多采用概率论和数理统计 的方法进行研究。k i n z e r 川于1 9 3 3 年提出并论述了p o i s s o n 分布应用于交通的可 能性；1 9 3 6 年a d a m s t m 发表了有关的数值例题：1 9 4 7 年g r e e n s h i e l d s 等人【3 1 在其 有关交叉口的交通分析中采用了p o i s s o n 分布。 从5 0 年代起，随着世界汽车工业的发展和交通量骤增，交通流中各种车辆 的独立性越来越弱，也即交通现象的随机性变弱，交通流研究进入了非自由流理 论研究阶段，即主要研究对象转变为密度较高、各车间距很小、车辆行驶受头车 影响和限制的非自由流交通。1 9 5 3 年p i p e s 【4 】发表了交通动力学的研究论文，1 9 5 9 年1 2 月在美国底特律举行了首届国际交通流理论学术讨论会。这一时期的主要 2 第一章绪论 理论成果有车辆跟驰理论，流体动力学模拟理论以及车辆排队理论。7 0 年代， 上述理论得到了进一步发展和完善，g e r l o u g h 和h u b e r l 5 系统全面地阐述了这一 时期交通流理论的研究成果。 8 0 年代以来，交通流理论研究进展缓慢，本质上仍为沿用跟驰模型和流体 动力学模型方法，虽在具体细节上有所改进，但总体上未见重大突破。这一时期 有一些应用数学、力学和控制理论工作者介入交通流的研究，比较有代表性的有 将交通流看成不可压缩流体的p a y n e 模型、p a p a g e o r g i o u 模型，与流体动力学相 一致的c a r l o s f d a g a n z o 的元胞传输模型。这些模型各有其使用范围，都有其优 越性和局限性。 交通流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。 1 2 1微观交通流模型 跟驰理论最早由p i p e s 于1 9 5 3 年提出。它是运用运动学的方法，探究在单一 车道上车辆排队行驶时，后车跟随前车的行驶状态，并用数学模型加以分析阐明的 一种理论。交通流跟驰理论仅研究非自由行驶状态下车队的行驶特性，此状态的 车队具有制约性、延迟性和传递性等特点，这些特点决定了交通信息沿车队向后 传递不是平滑连续而是象脉冲一样间断连续的。跟驰模型是一种“刺激一反应” 问题，从驾驶员接收某种刺激后作出的反应来分析和研究车辆列队行驶时发生的 追随现象，其表现形式为：跟踪反应= 敏感度刺激因素。 跟驰理论又可分为线性跟驰理论、非线性跟驰理论和模糊推理跟驰理论。 ( 1 ) 线性跟驰模型 r e u s c h e 和p i p e s 4 1 根据刺激反应模式提出了一个线性跟车模型 x n + l ( f - i - 2 - ) = m i n ( f ) 一矗+ l ( f ) 】 ( 1 - 1 ) 其中为孟。( t ) 第n + l 辆车( 跟随车) 的速度，x n ( f ) 为第n 辆车( 前导车) 速度， a 为反应灵敏度系数( 常数) ，矗+ o - i - f ) 为延迟时间f 后第n + l 辆车( 跟随车) 的加速度，f 一般取为1 0 2 2 秒。式( 1 1 ) 表明刺激因素是相对车速，跟踪反 应是跟随车速的变化，即加速度置。+ 。( f + f ) 。 c h a n d l e r 和h e r m a n n 1 对式( 1 - 1 ) 进行了稳定性分析，导出关系式c = 2 2 ， 其中c 为反映两车车头间距摆动特征的一个参数，c 越小，间距的摆动值越小， 1 车队越稳定；c = 妄为交通稳定的临界值。与此对应，在速度一密度v = i ( o ) 关系 z 1 中也存在临界密度p 。，若p 去为不稳定区域，否则为稳定区域。 华南理工大学工学博士学位论文 ( 2 ) 非线性跟驰模型 非线性跟驰理论的代表有：g m 模型7 1 ，基于安全车头间隔的模型哺1 、基于驾 驶员心理的模型9 “1 1 和基于期望车头间隔的模型1 2 3 1 。 g a z i s 等人 1 4 1 认为灵敏度系数不是一常数而与车头间距以及后随车本身速 度有关，间距越近，尾撞的危险越大，因而要求后随车作出的反应需更加迅速有 效；后随车速度越高，一旦发生尾撞时后果会更严重，要求作出的反应需更加迅 速有效，进而提出下述一般形式的非线性跟车模型： 枷竹) = 九揣删 ( 1 - 2 ) 其中指数z 一般在0 3 范围内取值，l 取为0 或1 。实际上对于f ，m 取不同 的值时，可以推导出宏观模型中不同的速度一密度关系。 以往的跟驰模型都是以明确的数学模型来描述驾驶员的行为，实际上驾驶 员对前导车变化的反应不是明确的一对一关系，而是基于经验得出一组潜意识的 驾驶规则。近几年来，s h i n y a k u c h i 【l 5 提出基于模糊推理系统的跟驰模型，其中的模 糊推理系统是由基于驾驶规则的直接自然语言组成。 评述：跟驰理论的有三方面的不足：( 1 ) 跟驰理论将交通流处理成分散的粒子 本质上是一种微观模型，难以在实际交通规划和交通管理控制中得到应用。( 2 ) 跟 驰理论成立的假设条件是车辆处于交通流密度较高的非自由状态，仅仅适用于单 车道没有超车行为的交通流情形，而在实际交通流中大量存在超车、改道现象，因 此应用中有较大的局限性。( 3 ) 跟驰理论的思想基础是一种机械式的“伺服机制”， 仅简单地将刺激反应归为与前车车速和车距变化有关，并以此“伺服”改变跟随 车速；而实际驾驶过程中接受到的刺激和作出的反应的程度还应与道路拓扑特性 ( 车道数、路面情况、交通信号) 、驾驶员本身的感知能力、判断力以及理性程度 相关。因此跟驰理论仅仅是一种理想化的、较简单的理论描述，与实际车辆行为 相差较远。 1 2 2 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 , t ) 、空间平均车速v 。( 工，t ) 与时间f 无关时，我们称其为宏观稳态交通流。严格理论意义上的稳态交通流是 不存在的，但若在某个特定时段内，交通的变化较小较慢，则可以近似用稳态模 型来描述。由于高速公路宏观稳态交通模型是线性模型，用该模型进行控制，具 有简单易行的特点，可有效预防常发性拥挤，与无控制相比具有显著效果。 宏观稳态交通模型是描述q ( x ) 、p ( x ) 、v s ( 曲随道路位置坐标工分布规律的 模型。由于稳态时q p 关系、v p 关系都是固定的，则知道了交通量口随z 变化 规律，就可以推算出密度p 的特性，从而由v p 关系，又可以推算出v 的分布。 4 第一章绪论 蓄先薅q 随道路坐标戈连续变化戆援簿凑数他，鄂把条道路按照其实甄几 何情形和交通状况划分为若千段，使得在每一段内交通状态可近似看成是均 豹，鄹在每一段蠹窜( 力、矿 砖、毪 0 称为预期指数。式( 1 - 1 5 ) 右边第一项表示驾驶员调节 d d 其速度以达到平衡的速度密度关系的加速过程，第二项为预期项，表示驾驶员 对其前方交通状态产生反应的过程。式( 1 1 l 、1 2 、1 3 、1 5 ) 联立构成p a y n e 模 型。 p a y n e 模型考虑了车辆的惯性、加速度，但由于仍然采用速度一密度的平衡 关系v 。) ，在实际应用中出现了一些问题。r a t h i l 2 0 等人指出，p a y n e 模型中从 车流速度到平衡速度的调节过程过于缓慢；当道路拓扑特性和交通量在短时间急 剧变化时，由于车流速度到平衡速度调节过程的缓慢使得该模型无法捕捉到真实 的交通流动态特性。 p a p a g e o r g i o u 2 3 1 在p a y n e 模型的基础上将动量方程式写为： i d p = 詈+ v 罢- 一一v 。( p ) ) 一去警一警 c - - s ， 其中s 为进出匝道的流率，0 占_ - s 1 为参数。 p a p a g e o r g i o u 模型中增加了进出口匝道流量变量项，因而在交通流仿真尤其 是在高速公路交通流仿真中比较有用，但p a p a g e o r g i o u 模型仍然未解决在高密度 情况下稳定性差的问题。 上述这些模型并没有考虑驾驶员心理、天气条件等因素对交通流模型的影 响，于是k o c k e l m a n 提出了考虑各种因素影响的交通流模型 3 0 , 3 1 。在k o c k e l m a n 模型中，把驾驶员分为几种类型，每一种类型的驾驶员在自由流时都有自己的期望 自由速度，同样在拥挤时，也有自己的期望间距和期望速度。 评述：流体动力学模型适用范围有限，它似乎更适合用于稠密、均匀、稳 态的交通流模型，而对于自由流和间歇流情形无能为力。即使对于非自由流情形， 流体动力学模型也不能完全解释交通拥挤、走走停停交通、交通堵塞和车流不 稳定现象。 综上所述，全面准确的描述高速公路交通流特性的研究仍在进行，但是研究 结果表明，目前得到的交通流模型均具有一定的局限性，完全依据交通流模型的 控制方法自然也具有一定的局限性。 1 3 高速公路交通控制研究现状与发展趋势 目前高速公路采用的交通控制策略主要有四种1 6 】：高速公路主线控制、匝 篱蠢绪论 道控制、通道控制、收费控制。 。3 。高速公路匿遘控制 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。其基本目标是 控制高速公路的交通需求，即在高峰交通期间控制进入高速公路的车辆数目，使 蕊速公鼹交邋滚戆滚羹、密度、速度簿参数运行袭最娃状态，健菜耱洼能攒稼达 到最佳。入溜碰道调节的窳质是将入麟交通流在时间和空间上震新进行分配，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，或沿饕蔼速公路斡平行道路裁遴，扶下游的入墨 驻道进入高遥公路。 入口匝邋控制包括暾道调节和圃i 道关闭两种形式，匝道调节是在匝邋上使 用交通信号灯、对进入车辆实行计量控制，单位时间内允许进入的车辆数称为匝 邀调节率，爨遴关爱哥番佟是匿遂调节懿投壤猿獯，或筏惫一耱b a n g b a n g 控 制。近l o 多年来人们还敬力于入口控制的另一方案一一入口汇合控制的研究， 汇合控制系统的目的是帮助匝道车辆顺利地汇入主线的高密度率流，保持主线交 通滤的稳定和欠饱积状态。 常蠲静入口匝道调节方法有：邋邋定时限流羧渤；睡道率辆感应限流控制； 避道系统控制。 ( 1 ) 匝邋定时限流控制：定时调节系统的暇遒信号在个时段的运行中实 瑷嚣定不交戆入鑫漏节率。藏是萃爱彗雩阍墨准许逡入毫速公路戆车囊数。定嚣幸疆 节系统的调节率是根据过去已有的交斌统计与测擞数据经过静态优化计算丽确 定的，基本上能适应交通流的稳态变化规律，对预防常发性交通拥挤方面能达到 缀好靛效果，德不能最佳魄逶应交逶菇求的蘑态交纯，不能对镁发性交逶拥挤佟 獭响应和控制。 ( 2 ) 匝道车辆感应限流控制：越遒信号是根据邻近上、下游主线交通检测 器所提供的实时交通数据幼态地确定鲍、而不是预先确定的恒值。匝道信号只考 懑本匾遘及上游邻遥鼹段鹣霰求窝下游邻逶籍羧戆遥褥髭匀，麓箕穗蓬遥翁控镄 觅联接，不能达到大范围缄全局最优控制 ( 3 ) 匝邋系统控制：这种系统把包含若干个入口匝道的羧条或一节崮速公 黪警俸一个赘俸，著把它慰分鸯善于令鼹段，每段簸多奄含一个入霜秘一个逛日， 长度约数百米至l k m 左右，实时采鬃备路段交通信息，并进行动态优化计算， 确定各入口匝邋的最佳调节率。一般这种系统又可分为两种结构形式：集中控制 结构与分层递阶控制结构。 按照茬簇豢理筑不嗣，入强匝遥控翱又可分为：基予摸蘩豹控割；分强递 阶控制；智能控制。 9 华南理工大学工学博士学位论文 ( 1 ) 基于模型的控制 高速公路入口匝道数学规划模型( 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。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。单入口匝道控制中比较典型的有：需求一容量 ( d e m a n d c a p a c i t y ) 模型3 2 瑚】，线性二次模型3 4 。3 9 1 。全局控制比较典型的有： 静态线性规划模型4 0 。4 1 】，序列( s e q u e n t i a l ) 模型4 2 郴】，动态分析模型【4 4 挪】，动 态仿真模型【4 引。建立优化控制模型思路很清晰，但对于路段多、o d 矩阵维数高 的高速公路网络，其求解是很繁琐的。 ( 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是很复杂的，所以常常采用分解 一协调的方法( 即递阶的方法) 求解。比较典型的有：文【4 3 】中把高速公路交通 控制系统分解为直接控制层、优化控制层、自适应层。直接控制层采取适当的入 口控制量及限速系数，使交通状态变量( 密度、速度、入口排队长度) 等保持在 期望最优值附近。优化控制层确定状态和控制变量的期望轨线，以便于直接控制 层进行在线控制。自适应层为优化控制层提供符合实时交通状况的模型参数或约 束条件。文 4 9 提出了一个两层反馈高速公路入口匝道控制系统，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。 ( 3 ) 智能控制 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。因为高速公路及其车辆组成的 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。 模糊逻辑和神经元网络都不依赖于精确的数学模型，都兼有逻辑推理和数 值计算的功能，都有较强的非线性函数近似能力。由于交通系统是强非线性的， 而且与之有关的许多概念具有模糊性，因此采用智能控制方法是解决交通控制问 题的有效途径。如s a s a k i t 5 0 1 和c h e n t 5 1 1 曾研究孤立交叉口的模糊控制，文 5 2 5 3 利用神经元网络设计入口匝道控制器。 1 3 2高速公路主线控制 匝道控制的基本目标是控制高速公路的交通需求。它以高速公路主线交通流 为控制对象，以匝道入口流量为系统的输入控制量，通过计算匝道上游交通需求 1 0 第一章绪论 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处于最佳状态，最传状态也可由最 佳密度来淡征。 事实上，车辍进入高速公蹲酷最，车辆的遮发是根据驾驶受煞饔好睫意诱节 兹，这襻并不一定会使毫遮公鼹交通滚平稳，莠虽容易造藏交通攀敬静发生，雨 主线控制则有助于车流的稳髭，有助于高速公路维持在一定的服务水平上。 主线摭制就是对高速公路主线的交通进行调节、诱导和警告。主线控制的基 本目标是敬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 交通的影姨，这种控制对常发憔掇挤帮偶发瞧掇挤都是有效兹。主线控裁是高速 公路交逶羧鬻镌静基本羧翻策噻，荬控裁砖象是毫逮公路零赛瑟薅莰豹交逶 流。 常用的主线控制技术包括可变限速标志、率道使用控制及驾驶员信息系统。 ( 1 ) 烹线速度控制通过设置可变限速标志来限制行车速度，从而使交通 高峰时闻攥的交通流更加均匀稳定，同时还提赢了道路通行能力。阂豁运行经验， 跨爱是嚣歉强家囊遽嚣豹试验涯绢了这效巢。嚣蔫国肉终文麸美予主线车速控 制的讨论较少，文【5 4 运用确定数学模型方法讨论了良好环境与恶劣道路气象环 境下可变限速的确定问题，文 5 5 】则使用模糊羧制方法来确定可变限速，并取得 了良好的效果，这也说明将智能控制方法用于主线车速控制的可行性。 ( 2 ) 车道使用控制车邋使用控制不仅仅蹩一种紧急控制学段，而且也是 提毫道路潦簿魅力帮蠢公共交通、合曩车辘据供俊先簸务匏手段。鬻溪戆骞：车 道关闭控潮，可遵车道交离羧制，公共汽车、龠璃小客车专用车j 撬。 ( 3 ) 驾驶员信息系统踟用标志板或通信工具向行车者提供宵关道路、交 通或气象等信息，促使它们采取适当措施，例如继续按原来路线行驶或从高速公 路转移等。 。3 3 离遮公路逶遭控制 高速公路通道控制的对象是由高速公路、侧道和其它平行千邋所组成的通 道系统上的交通流。 高速公路通道的通行能力是由高速公路的通行能力和能为高速公路交通需 求提供可蛰抉服务静平西道鼹及交叉日的通行能力组成黪。逶道控制是通过在逶 遂系统内蠢效缱分嚣蠢蓉瑾交遥滚滚这弱在交遴露求与逶遴逶季j ：魏力之潺获褥 最往平衡和究分利用通道通行能力的目的，使熬个通道系统处于最佳运行状态。 通道控制可分为限制和分流两种方式。限制是控制各道路上的交通需求使 其低于通行能力。分流则是抱车辆从超负荷的道路上引到尚有剩余通行能力的道 路e 去。 华南理工大学工学博士学位论文 通道控制常用措施包括：采用临时性分流标志、优化各类道路交通信号配 时方案，统筹制定各匝道的调节率以及运用驾驶员信息系统和实行公共汽车、合 用车优先控制等。例如通道控制中的驾驶员信息用于促进交通必要的转向，以实 现通道容量的最佳利用。例如通知驾驶员某条道路拥挤，这样驾驶员可以避开拥 挤道路，进入通向目的地的其他非拥挤道路行驶。 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、交叉口控制、 干道控制以及城市道路控制和区域控制的原理、策略和方法。 1 3 4 高速公路收费控制 拥挤收费是为控制交通需求，采用浮动收费标准，如在高峰时间提高原收 费标准，以减少高峰时的交通量：也有在交通量少的路段、时间降低收费标准： 或对合用车、公共汽车减免通行费用。 一般说来，高峰期拥挤是由于用户对出行时间和旅行路线选择不当所致， 为此，最优拥挤道路使用收费应当反映出时间和空间上需求的分布，但是多数已 有的研究为避开交通配流和网络结构的复杂性，而将拥挤道路使用收费的时间维 和空间维分开处理。拥挤道路使用收费从时间维和空间维上可以分为静态收费和 动态收费两大类。仅考虑空间维的拥挤道路使用收费称为静态收费 5 6 - 5 9 1 ，仅考 虑时间维而忽视网络拓扑的拥挤道路使用收费称为时变收费( 如瓶颈道路收费 6 0 “u ) ，而将时间维和空间维综合考察的拥挤道路使用收费，称为动态收费 m 2 。6 州( 时变收费亦属于动态收费) 。静态拥挤道路使用收费适用于稳态( 即o d 矩 阵是固定的，不具有时变性) 条件下的交通网络，它不考虑收费的时变性，即是说静 态收费模型不考虑当前的收费对将来的交通拥挤水平的影响。动态拥挤道路使用 收费考察的是旅行需求和旅行费用都是时变的，因而拥挤道路使用收费也是时变 的。 作为一项交通需求管理政策，拥挤道路使用收费在理论上是控制交通需求、 缓解交通拥挤的最为有效的措施之一。它可以引导和调节交通流量，达到缓解交 通拥挤的目的，同时也增加了财政收入。拥挤收费带来的财政收入还可以作为交 通项目建设的资金来源，收费削减了交通量，从而也就减少了城市的环境和噪声 污染。目前，静态收费理论研究得相对成熟，但其严格的限制条件使其不能很好 地反映交通系统的现实特征，近来关于动态收费的研究开始活跃起来。 1 4 高速公路通信技术现状与发展趋势 1 4 1 高速公路三大系统的基本内容与发展 我国在2 0 世纪9 0 年代末期，对高速公路的建设进入高涨期，其中每年的资 第一章绻论 金投放量都在1 8 0 0 亿至2 0 0 0 亿人民币之间，丽其中用于高速公路机电工程“三 大系统”建设的资金约在5 0 亿至1 0 0 亿之问。随着高速公路网的逐步形成，传 统意义上的通信系统、收费系统、黢控系统必须采用先进的技术和管理手段才能 满足商速公路发展的需要。 袭1 - 1 给出了三大系统的基本内容与发展情7 兄哺”。从表1 1 中我们可以看出， 高速公路管磷的监务内容，已经明鼗魄由荦一电话传输而逐步发展成了综合各类 i t 技术的综合性技术管理体系，而其中最为核心的内容就是基