（交通信息工程及控制专业论文）城市高速道路入口匝道动态协调控制方法研究.pdf

摘要 城市高速道路是适应大城市汽车交通需求发展和土地利用特征而出现的，并 通过其较大的服务容量和较高的服务水平对城市汽车交通出行做出了积极的贡 献。但随着汽车交通需求的不断增长，各高速道路先后出现了交通拥挤，且拥挤 程度日益加剧。根据国外经验，入口匝道控制是应用最广泛、也最有效的一种缓 解高速道路拥挤的交通控制形式。 针对城市高速道路中的常发性交通拥挤，并考虑到目前实际可用的交通信息 采集和处理技术条件，本论文选取一种曾得到成功应用的局部区域入口匝道动态 协调控制方法一b o t t l e n e c k ( 瓶颈) ，在交通状态分析和仿真实验的基础上，对 其进行研究和改进，从而提出更适合于城市高速道路的入口匝道动态协调控制方 法。 b o t t l e n e c k 方法将单点与系统协调两个层面的控制相结合，本论文首先从单 点控制入手进行研究。选取需求。容量差额控制( d e m a n d c a p a c i t ys t r a t e g y ，d c ) 和线性状态调节( a s s e r v i s s e m e n tl i n 6 a i r ed e n t r & ：a u o t r o u t i 6 r e ，a l i n e a ) 两种 典型的入口匝道单点动态控制方法进行研究；对其中的排队约束模型进行细致的 参数解析，提出一种更适合于城市高速道路的入口匝道到达交通需求预测方法， 并在排队约束模型中加入对高速道路主线服务水平的保障机制。然后，对 b o t t l e n e c k 方法进行研究，在不纳入预测机制的前提下，针对协调层面调节率 ( b o t t l e n e c km e t e r i n gr a t e ，b m r ) 振荡、流量数据随机波动引起的主线拥挤状 态漏检以及对上游入口匝道调整过度等问题分别进行研究，并提出相应的改进模 型和方法。 本研究成果适用于目前交通信息采集和处理技术条件下的城市高速道路交 通控制，并且能够随着相关技术的发展而得到进一步完善。 关键词。城市高速道路，入口匝道动态协调控制，入口匝道单点动态控制，入口 匝道排队约束，主线拥挤控制，交通状态分析，交通仿真。 a b s t r a c t u r b a nf r e e w a y , d e s i g n e dt oc o p ew i t ht h ef e a t u r e so fa u t o m o b i l et r a f f i cd e m a n d 觚dl a n du s ei nm e t r o p o l i s ，c o n t r i b u t e sp o s r i v e l yt ou r b a n a u t o m o b i l et r i p sw i t hi t s l a r g ec a p a c i t ya n dh i g hl o s ( 1 e v e lo fs e r v i c e ) w i t ht h e c o n t i n u o u si n c r e a s i n go f t r a m cd e m a _ r l d m a n yu r b a nf r e e w a y sb e c a m ec o n g e s t e da n d t h es i t u a t i o n sa r eg e t t i n g e v e nw o r s e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e si nf o r e i g nc o u n t r i e s ，o n - r a m pm e t e r i n gl s o n eo ft h em o s tf r e q u e n t l yu s e da n dt h em o s te f f e c t i v ef r e e w a yc o n t r o l m e a n s i n t e n d e dt or e d u c ec o n g e s t i o n a i m i n ga tr e c u r r e n tc o n g e s t i o ni nu r b a nf r e e w a y s ，c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a l l y e x i s t i n gt e c h n o l o g i e so ft r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g ，as u c c e s s f u l l y u s e dc o o r d i n a t e dr e s p o n s i v em e t e r i n gm e t h o d o l o g yf o rn e i g h b o r i n go n - r a m p s ，n a m e l y b o t t t l e n e c k i sc h o s e n t h e ni t s s t u d i e da n di m p r o v e do nt h eb a s i so ft r a f f i c s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n dt r a f f i cs t a t u sa n a l y s i s f i n a l l y , ac o o r d i n a t e dr e s p o n s i v e o n r a m pm e t e r i n gm e t h o d o l o g y , w h i c h i sf i t t e rf o ru r b a nf r e e w a y , i sb r o u g h tu p i nb o t t l e n e c km e t h o d o l o g y , l o c a lm e t e r i n ga n dc o o r d i n a t e dm e t e r i n g a r e c o m b i n e d t w ot y p i c a ll o c a lr e s p o n s i v eo n r a m pm e t e r i n gm e t h o d o l o g i e s ，n a m e l yd c ( d e m a n d - c a p a c i t ys t r a t e g y ) a n da l i n e a ( a s s e r v i s s e m e n t l i n 6 a i r ed e n t r d e a u o t r o u t i 6 r e ) ，a r ef i r s t l ys t u d i e d t h e i ro n r a m pq u e u er e s t r i c t i o nm o d e l i sa n a l y z e d a n di m p r o v e d t h e nb o t t l e n e c km e t h o d o l o g yi s d i s c u s s e di nd e t a i l u n d e rt h e p r e c o n d i t i o no fn op r e d i c t i n gm e c h a n i s m ，t h em e t h o d o l o g yi sa d j u s t e da g a i n s tm e f l u c t 帆t i o no fb m r ( b o t t l e n e c km e t e r i n gr a t e ) ，t h e m i s d e t e c t i o no fm a i n l i n e c o n g e s t i o nc a u s e db yf l u c t u a t i o no ff l o w d a t aa n dt h eo v e r r e d u c t i o nt om e t e n n gr a t e s o ft h eu p s t r e a mo n r a m p s 1 1 1 es t u d vr e s u i t sa r ef i tf o ru r b a nf r e e w a yc o n t r o lu n d e r t h ec o n d i t i o no fe x i s t i n g t e c h n o l o g i e so ft r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g ，a n dc a nb e1 m p r o v e d w i t ht h ep r o g r e s so fr e l e v a n tt e c h n o l o g i e s k e y w o r d s ：u r b a nf r e e w a y , c o o r d i n a t e dr e s p o n s i v eo n r a m p m e t e r i n g ，l o c a l r e s p o n s i v eo n r a m pm e t e r i n g ，o n r a m pq u e u er e s t r i c t i o n ，m a i n l i n e c o n g e s t i o nc o n t r o l ，t r a f f i cs t a t u sa n a l y s i s ，t r a f f i cs i m u l a t i o n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文竺越壶高速道路日匝道动态 协调控制友法研究= = ，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 签名：承舞千 年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：掌海翠 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：方扬毖毙 学位论文作者签名： 年月日年 月日 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 。1 1 实践背景 第1 章绪论 ( 1 ) 高速道路的发展 汽车的出现给人们的交通出行带来了巨大的便利，为人类社会的发展作出了 不可磨灭的贡献。但随着人们交通需求的不断增加和汽车总量规模的不断扩大， 道路交通拥挤以及能源、环境、安全等方面的问题越来越严重。道路交通拥挤促 使人们建设运输效率更高的道路。1 9 3 2 年，德国的波恩至科隆之间出现了世界 上第一条高速道路( f r e e w a y ) ；从此，高速道路在世界范围内兴起，目前全世界 已有8 0 多个国家和地区拥有高速道路，通车总里程超过2 3 万公里；我国高速道 路始建于1 9 8 8 年，目前总里程已突破3 万公里u j 。 高速道路采取限制车种、限制出入、对向分离行驶等设计标准，为汽车提供 了一个大容量、高效率、连续流、快速、安全、舒适的运行环境，成为汽车交通 运输的主动脉。在国际上通常将高速道路分为两类【2 3 】：一类是城市间的高速道 路，国内一般称之为高速公路( f r e e w a y ) ，如沪宁高速、沪杭高速、沈大高速等。 另一类是城市内的高速道路，即城市高速道路( u r b a nf r e e w a y ) ，国内也常称之 为城市快速路( u r b a ne x p r e s s w a y ) ，如上海的申字型高架快速路，它往往由“城 市干道升级，高速公路进城 演变发展而来【4 j 。 与城市问高速道路相比，城市高速道路在周边路网衔接、道路构造、交通流 运行特性等诸多方面有其自身的特点： 网络化程度较高，出入口匝道布置较密集，匝道间距较短，匝道距离地 面道路交叉口较近，由此而引发的车流交织问题更为严重，高速道路与 地面道路之问交通运行的相互影响更为快捷和显著； 承担城市内部的交通出行，交通需求在时间上和空问上的分布更具规律 性，交通供需矛盾更集中，常发性交通拥挤问题更严重；另一方面，交 通出行者的出行距离相对较短，对交通延误的敏感性更高。 近十多年来，我国大城市高速道路发展迅猛：北京市快速环路已发展到五环， 现正在建设六环；上海市快速环路已有内、外两环，现正在修建中环；广州、天 申请同济大学博士学位论文城市高速道路入口匝道动态协调控制方法研究 津、济南、杭州等城市也正在积极筹划扩大城市高速道路的规模【5 l 。各大城市的 实践表明，城市高速道路是适应大城市汽车交通需求特征、利用有限土地资源迅 速提高路网容量的有效途径，并通过其较大的服务容量和较高的服务水平对城市 交通出行做出了积极的贡献。 ( 2 ) 高速道路的交通拥挤嘶，7 ，8 ，9 ，1 o 】 随着汽车交通需求的不断增长，各高速道路先后出现了交通拥挤，且拥挤程 度日益加剧。交通拥挤产生的根本原因是交通需求超过了道路设施的通行能力。 交通拥挤的基本特点是交通密度较大( 如大于4 0 - - 5 0 辆标准车公里车道) ，平 均车速较低( 如低于4 0 公里j 、时) ，交通流量较小( 如低于1 5 0 0 辆标准车小时 车道) ，行车延误较大；拥挤严重时，出现停停走走的现象、甚至完全堵塞。交 通拥挤造成车辆运行成本增大、事故频率提高、燃油消耗增加、废气排放加剧等 不良后果。 根据产生原因的不同，交通拥挤可以分为常发性交通拥挤( r e c u r r e n t c o n g e s t i o n ) 和偶发性交通拥挤( n o n r e c u r r e n tc o n g e s t i o n ) 。 常发性交通拥挤是由于日常交通需求超过道路设施物理瓶颈的通行能力造 成的。高速道路沿线的物理瓶颈主要包括入口匝道下游路段，道路横断面突然变 窄的路段，收费站所在路段，交织区段尤其是比较短的交织区段，线形不合标准、 视距不够的弯道等；此外，出口匝道下游相邻地面交叉口也可能会成为高速道路 驶离交通的瓶颈。通过反复考察研究，常发性交通拥挤发生的时间、地点以及性 状等是可以从一定程度上进行预测的，从而对其加以防范。 偶发性交通拥挤是由于异常事件( 如交通事故、车辆抛锚、恶劣气候等) 引 起道路设施通行能力降低、形成动态交通瓶颈所致。事件性质及严重程度、事件 发生位置、上游交通需求、事件对策措施等因素共同决定着偶发性拥挤的严重程 度和时间、空问范围。由随机事件引起的偶发性拥挤是无法预测的，我们能够做 到的只是在事件检测的基础上对策之。 ( 3 ) 高速道路的拥挤对策 实践经验表明，在承担城市内部交通出行的城市高速道路上，其交通需求更 为集中，高峰期间的交通供需矛盾更为突出，常发性交通拥挤发生得更为频繁， 因此，针对常发性交通拥挤的对策尤为重要。而在城市间高速道路上，交通需求 则一般相对分散一些，也较少发生常发性拥挤，因此，针对偶发性拥挤的对策就 变得更为重要1 2 j 。 由于拥挤产生的原因不同，两类交通拥挤的对策方法也有较大的差异。针对 2 第l 章绪论 常发性交通拥挤，其对策方法不外乎扩大交通供给、抑制交通需求以及运行管理 几个方面，参下图。针对偶发性交通拥挤，则需要在常发性拥挤对策策略的基础 上，引入专门的事件对策措施，包括事件监视和检测、紧急救援服务、信息发布 等，以降低事件的破坏性，使交通系统快速、稳定地恢复到正常状态。 图1 1 1 高速道路常发性拥挤的对策策略 3 申请同济大学博士学位论文城市高速道路a h 匝道动态协调控制方法研究 根据国外经验，入口匝道控制是应用最广泛、也最有效的一种缓解高速道路 拥挤的交通控制形式 2 , 6 , 8 1 。它通过调节进入高速道路的交通总量及其时空分布， 来避免消除高速道路主线的交通拥挤。它实际上是把高速道路主线上的延误转 移到入口匝道，从而在高速道路主线上维持一种良好的交通运行状态。 1 1 2 理论研究背景 关于高速道路交通建模与控制较为系统的研究始于1 9 6 0 年代瑙j ，相关理论 逐步成熟并在实践中得到较为普遍的应用；目前国外许多大城市都建有较为完善 的高速道路交通监控系统，但也有相当多的问题尚未解决。在我国，由于高速道 路建设起步较晚，相关研究也比国外相对滞后，相关理论还远未完善；除台湾外， 尚没有匝道控制的实际应用案例，而要将国外的成熟方法直接运用到国内城市高 速道路上还存在适应性方面的问题，正如专家所言，这一领域“尚有堆积如山的 课题急待研究1 3 j 。 就入口匝道控制而言，依据控制范围可分为单点控制( l o c a l i s o l a t e d m e t e r i n g ) 与协调控制( c o o r d i n a t e dm e t e r i n g ) ；依据对实时信息响应的不同，入 口匝道控制可分为静态控制( p r e t i m e dm e t e r i n g ) 和动态控制( r e s p o n s i v e m e t e r i n g ) 。静态控制方法，如静态线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，l p ) 方法， 是在1 9 6 0 年代缺乏现代交通检测技术和计算机技术背景下发展起来的，控制策 略根据历史数据制定并预置在控制机中，不会针对实时检测信息作出响应；具有 简单易行、投资省等优点，但灵活性很差。而动态控制方法，如a l i n e a ( a s s e r v i s s e m e n tl i n 6 a i r e d e n t r 6 ea u o t r o u t i 6 r e ) 方法 1 2 1 、动态l p 方法例、 b o t t l e n e c k 方法【13 1 、a m o c ( a d v a n c e dm o t o r w a yo p t i m a lc o n t r 0 1 ) 方法【1 4 j 等，主 要是利用实时检测信息( 和预测信息) 作为控制策略生成的依据，灵活性较好， 应付偶发性拥挤的能力相对较为强大，但同时技术复杂性和设备投资费用也比较 高。随着现代科学技术的不断进步，动态控制方法也逐步得到完善，同时也代表 着目前以及未来的研究方向。 入口匝道动态控制方法研究中，有三个重要的研究方向：单点动态控制、系 统最优动态协调控制以及启发式动态协调控制。 单点动态控制方法是基于单个入口匝道附近状态检测数据的一种控制方法。 与动态协调控制相比，它没有考虑区域或系统的优化问题，不论是技术复杂性还 是投资费用都要低得多；由于在相当多的情况下，高速道路的局部问题远比系统 问题要严重，因此，单点动态控制仍有相当大的研究和发展空间。 4 第1 章绪论 系统最优动态协调控制方法是基于实时检测数据和预测数据的一种开环控 制方法。它有清晰的系统优化目标函数与控制策略紧密相联，其优化问题最终可 以转化为线性规划或非线性规划问题。其主要优点为：具有理论上的明快性和先 进性，考虑的范围较为周全，系统性较强；从理论上讲，可以使得高速道路交通 流始终运行在最优状态。其缺点也比较明显：模型复杂，实时求解过程繁琐， 并可能产生无最优解或无法收敛的情形；对于实时推估和预测的系统状态信息 和o d 信息的依赖性很强，且不具备反馈机制，而根据p a p a g e o r g i o u 分析指出l l 5 ， 除非能精确预测出系统未来的状态，否则开环控制往往无法达到理想的控制结 果，而这一点相当之困难、近期难以实现；一般默认并通过约束条件竭力维持 主线交通处于非拥挤状态，针对严重拥挤和异常事件条件下的控制模型难以建 立。鉴于其较强的理论性，随着相关技术的进步，这类控制方法在远期应具有广 阔的发展前景。 启发式动态协调控制方法是基于经验和实时检测数据的一种控制方法。与系 统最优控制相比，它尽管具有概念上的控制目标，如避免消除主线持续拥挤， 但没有明确的目标函数，不进行系统状态预测，也不进行实时最优求解。与单点 动态控制相比，它通过相邻若干入口匝道而非仅仅依靠单个入口匝道来避免消 除主线持续拥挤。它在达到单点动态控制下无法达到的相邻入口匝道之间协调运 行的同时，又避开了系统最优动态控制中的实时状态预测和最优计算问题，技术 复杂性较低、可实施陛较好。其主要缺点在于：由于没有纳入预测机制，时滞问 题带来的影响难以消除，随之而来的就是系统状态与控制之间的时空一致性问 题，这也就决定了其相对较低的控制精度。总的来看，启发式协调控制由于其实 用性和灵活性，在近期甚至中远期都具有较强的生命力。 1 1 3 相关技术发展背景 高速道路动态交通控制需要利用实时检测的系统状态信息( 和相关预测信 息) 作为控制策略生成的依据，这包括主线交通流量、密度占有率、车速、行 程时间，匝道排队长度、交通需求，以及车辆路径选择率和o d 分布，等等。由 于交通流的运行状态受到诸多随机因素的影响，呈现出强非线性变化【1 6 , 1 7 】，因此， 准确地把握交通状态的实时变化( 及其变化趋势) ，即交通状态实时判别( 和预 测) ，对控制优化目标的实现而言至关重要，同时也是其中的关键技术难点。 下面，对交通状态信息采集和处理技术进行总结。 交通状态信息采集是指采集原始的交通流数据，如流量、车速、密度占有 5 申请同济大学博士学位论文城市高速道路入口匝道动态协调控制方法研究 率、车头时距、车型、行程时间、o d 分布等，为各种处理和应用提供信息源。 传统的交通状态信息采集依靠设置在道路沿线的环形线圈检测器( 或超声波检测 器) ，采集其所在断面的车型、车头时距、流量、占有率、速度等。环形线圈检 测器是目前高速道路监控系统中应用最广泛、费用相对低廉、效果也较好的一种 信息采集设备；其主要缺点在于：采集到的是一个断面而非一段道路区间的交通 状态数据，线圈老化会引起状态检测精度的降低，且其安装和维修旌工对正常交 通运行影响较大。为克服环形线圈检测器的缺点，自动车辆识别( a u t o m a t i c v e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，a v i ) 技术【1 8 1 应运而生，它结合图像识别技术，可以直接 采集车辆行程时间，并能够得到o d 分布信息。此外，近些年来，在各国政府的 强力支持下，移动定位系统也逐渐发展起来，如美国的g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，全球定位系统) 0 9 1 、俄罗斯的g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t e s y s t e m ，全球导航卫星系统) 1 2 0 j 及欧洲的g a l i l e o 卫星导航系统【2 1 】等。尽管价 格昂贵，a v i 、图像识别以及移动定位系统但却是极具应用前景的信息采集技术。 交通状态信息处理是通过对同源或多源异构化的原始的交通数据进行有效 地组织、提炼、集成、融合、挖掘，获得当前和后续一段时问内的交通流一密一速 状态、行程时间、事件、o d 分布等基本信息。就其中的状态预测而言，主要包 括交通流量预测、交通密度预测、行程时间预测以及路径选择和o d 分布预测等。 预测方法主要有时间序列法、回归分析法、卡尔曼滤波法、神经网络法等等。文 献 2 2 2 3 】中认为，对于短时交通流，随着观测尺度的缩短，交通流所受随机因 素的影响加大，其统计行为将不再是定常、周期或准周期的，甚至表现为纯随机 的过程。如果交通流是纯随机的，则交通流在这一尺度下是不可预测的，只能用 概率论加以描述。文献 2 4 1 对不同拥挤条件下的预测效果进行研究后认为，交通 拥挤越严重，预测偏差越大。总的来看，由于交通系统的动态性、时变性及预测 技术本身的复杂性，这类技术与实际应用尚有一定的距离。 高速道路动态交通控制是依托于日新月异的信息采集和处理技术、通讯技 术、计算机处理技术以及控制技术等发展起来的。相关技术的发展都会对控制的 最终实现产生一定的影响。目前来看，交通状态信息采集和处理技术的相对滞后 已经对相当部分控制方法的实现形成障碍，这就催生了两个不同的研究走向： 致力于改善交通状态信息采集和处理技术，尤其是其中的状态预测技术，以达到 系统最优控制的要求；避开其中的技术难点，基于目前的交通信息采集和处理 技术条件，在控制技术方法领域“另辟蹊径”。 6 第1 章绪论 1 2 研究目的 针对城市高速道路中的常发性交通拥挤，并考虑到目前实际可用的交通信息 采集和处理技术条件，本论文选取一种曾得到成功应用的局部区域入口匝道动态 协调控制方法叫o t t l e n e c k ( 瓶颈) ，在交通状态分析和仿真实验的基础上，对 其进行研究和改进，从而提出更适合于城市高速道路的入口匝道动态协调控制方 法。 b o t t l e n e c k 方法将单点与系统协调两个层面的控制相结合，本论文首先从单 点控制入手进行研究。选取需求容量差额控制( d e m a n d c a p a c i t ys t r a t e g y ，d c ) 和线性状态调节( a s s e r v i s s e m e n tl i n 6 a i r ed e n t r 6 ea u o t r o u t i 6 r e ，a l i n e a ) 两种 典型的入口匝道单点动态控制方法进行研究；对其中的排队约束模型进行细致的 参数解析，提出一种更适合于城市高速道路的入口匝道到达交通需求预测方法， 并在排队约束模型中加入对高速道路主线服务水平的保障机制。然后，对 b o t t l e n e c k 方法进行研究，在不纳入预测机制的前提下，针对协调层面调节率 l ( b o t t l e n e c km e t e r i n gr a t e ，b m r ) 振荡、流量数据随机波动引起的主线拥挤状 态漏检以及对上游入口匝道调整过度等问题分别进行研究，并提出相应的改进模 型和方法。 本研究的物理范围仅限于城市高速道路主线路段及其出入口匝道，适当考虑 相邻地面交叉口对匝道交通运行的影响，没有考虑途中路径选择问题。 1 3 技术路线与章节安排 基于上述的研究背景和研究目的，本论文研究的技术路线如下图所示。 7 申请同济大学博士学位论文城市高速道路入口匝道动态协调控制方法研究 高速道路入口匝道动态控 制方法总结归纳 城市高速道路交通拥 挤特征分析 选取b o t t l e n e c k 入口匝道动态协调控制方法作为研究对象 搭建仿真实验平台，并进行交通状态特征分析 入口匝道单点动态控制方法 研究和改进 d c 与 a l i n e a 方 法特性分析 和比较 入匝排队约 束模理研究 和改进 仿真验证ii 仿真验证 y 改进的d c a l i n e a 入口匝道 单点动态控制方法 b o t t l e n e c k 入口匝道动态协调 控制方法研究和改进 入匝排队约 束模型研究 和改进 仿真验证 协调层面控 制模型研究 和改进 结果满意否? 、墨 y 改进的b o t t l e n e c k 入口匝道动 态协调控制方法 图1 3 1 本论文研究的技术路线 8 第1 章绪论 基于本论文的研究目的，并与研究技术路线相对应，本论文各章的内容安排 如下： 第1 章：绪论。主要阐述本研究的背景、目的，以及总体研究框架。 第2 章：高速道路入口匝道控制方法研究综述。对几种基本的高速道路入口 匝道控制方法进行总结和优缺点分析，并对相关研究的发展趋势和有待进一步研 究的问题进行论述。 第3 章：城市高速道路主线交通状态特征分析。为对几种入口匝道控制方法 进行研究，以国内城市高速道路的布设形式和交通特征为参考背景，利用v i s s i m 微观交通仿真软件【2 5 l 搭建一个实验平台。在所搭建的实验平台上，在无匝道控制 条件下，以入匝下游主线瓶颈为例，分析交通拥挤发生时瓶颈上下游不同区段的 交通状态特征，为交通控制提供必要的数据分析支撑。 第4 章l 两种入口匝道单点动态控制方法研究和改进。对d c 和a l i n e a 两种典型的入口匝道单点控制方法进行研究和比较，包括系统控制与状态之间的 时空一致性、入口匝道调节率的稳定性等方面。然后，对其中的排队约束模型进 行细致的参数解析，提出一种更适合于城市高速道路的入口匝道到达交通需求预 测方法，并在排队约束模型中加入对高速道路主线服务水平的保障机制。 第5 章：b o t t l e n e c k 入口匝道动态协调控制方法研究。首先，对其控制模型 进行描述，对其控制机理进行探讨。进一步，结合仿真实验分析，将其与系统最 优控制、单点匝道控制进行优劣比较；并深入研究b o t t l e n e c k 方法的基本特性， 分析其中存在的问题和有待改进的方面。 第6 章：b o t t l e n e c k 入口匝道动态协调控制方法改进。在不纳入预测机制的 前提下，首先针对协调层面调节率( b o t t l e n e c km e t e r i n gr a t e ，b m r ) 振荡、流 量数据随机波动引起的主线拥挤状态漏检以及对上游入口匝道调整过度等问题 分别进行方法改进调整。然后，借鉴第4 章的研究成果，对入匝排队约束模型 进行改进。 第7 章：结语。总结论文的研究成果，得出主要的研究结论，并对后续相关 研究进行展望。 9 申请同济大学博士学位论文城市高速道路入i s i 匝道动态协调控制方法研究 本章参考文献 【1 】 【2 】 【3 】 【4 】 5 】 f 6 】 【7 】 8 世界高速公路建设情况排序 e b o l 【2 0 0 5 5 1 2 h t t p ：i n f o c m h c 3 6 0 g o m 刘伟铭，杨兆升高速公路系统控制方法【m 】北京：人民交通出版社，1 9 9 8 杨晓光城市高速道路交通系统动态控制方法研究【d 】上海：同济大学博士学位论文， 1 9 9 6 刘迁城市快速轨道交通与快速路网络 e b o l 【2 0 0 3 1 】h t t p ：w w w y e 2 0 0 0 c o m 张海军，杨晓光，赵建新城市快速路交通衔接组织研究【j 】城市交通，2 0 0 5 ，v 0 1 3 ( i ) - 5 1 5 4 荆便顺道路交通控制t 程 m 】北京：人民交通出版社，1 9 9 5 全永橥城市交通控制 m 】北京：人民交通出版社，1 9 8 9 美国运输部联邦公路局编，李海渊、秦吉玛、王彦卿译交通控制系统手册【m 】北京： 人民交通出版社，1 9 8 7 【9 】杨佩昆，张树升交通管理与控制 m 】北京：人民交通出版社，1 9 9 5 【1 0 】郭冠英交通工程【m 】上海：同济大学出版社，1 9 9 1 【1 1 】j a w a t t l e w o r t h a n dd s b e r r y p e a kp e r i o dc o n t r o lo faf r e e w a y s y s t e m s o m e t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n s j h i g h w a yr e s e a r c hr e c o r d ，n o 8 9 ，p p 1 2 5 ，1 9 6 5 【1 2 】m p a p a g e o r g i o u , h s h a b i b ，a n dj m b l o s s e v i l l e a l i n e a ：al o c a lf e e d b a c kc o n t r o l l a wf o ro n r a m pm e t e r i n g j t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hr e c o r d13 2 0 ，p p 5 8 6 4 , 19 91 【13 】l j a c o b s e n ，k h e n r ya n do m a h y a r r e a l - t i m e m e t e r i n ga l g o r i t h m f o r e n t r a l i z e d e o n t r o l j t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hr e c o r d1 2 3 2 ，p p l 7 - 2 6 ，1 9 8 9 【1 4 】k o t s i a l o s a ，p a p a g e o r g i o u m ，m a n g e a s 地e ta 1 c o o r d i n a t e da n di n t e g r a t e dc o n t r o l o f m o t o r w a yn e t w o r k sv i an o n - l i n e a ro p t i m a lc o n t r o l j t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hp a r tc ，v 0 1 1 0 ， p p 6 5 - 8 4 ，2 0 0 2 【15 】p a p a g e o r g i o u m ah i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rf r e e w a yt r a _ f f i c j 】t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c hb v 0 1 1 7 b ，n o 3 ，p p 2 5 1 2 6 1 ，1 9 8 3 【1 6 】h j p a y n e m o d e l so f f r e e w a yt r a f f i ca n dc o n t r o l j s i m u l a t i o nc o u n c i lp r o c e e d i n g s ，v 0 1 1 ， p p 5 1 - 6 1 ，1 9 7 1 【17 】m a r k o sp a p a g e o r q i o u , j e a n - m a r cb l o s s e v i l l e m o d e l l i n ga n dr e a l - t i m ec o n t r o lo f t r a f f i cf l o w o nt h es o u t h e r np a r to fb o u l e v a r dp e r i p h e r i q u ei np a r i s ：p a r ti ：m o d e l l i n g j t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c hp a r ta ，v 0 1 2 4 ，p p 3 4 5 - 3 5 9 ，1 9 9 0 【18 】a u t o m a t e dv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ( a v i ) t r a n s g u i d em o d e ld e p l o y m e n ti n i t i a t i v e e b o l 第l 章绪论 h u p ：w w w t r a n s g u i d e d o t s t a t e 饮u s m d i a v i h t m l 【1 9 】卫星导航系统 e b o l h t t p ：w w w s h i n c o c o m g p s s t u d y p h p 【2 0 】g l o n a s s 系统简介 e b o l h t t p ：w w w s h i n c o c o m j g p s g l o n a s s p h p 【2 1 】欧洲g a l i l e o ( 伽利略卫星导航系统) 【e b o l 2 0 0 4 1 0 3 1 h t t p ：n e w s s o h u c o m 2 0 0 4 1 0 31 n 2 2 2 7 6 6 3 5 7 s h t r a l 2 2 】黄中祥，王正武，况爱武短期交通流可预测性分析与比较 j 】土木工程学报，2 0 0 4 ，v 0 1 3 7 ( 2 ) ：1 0 1 - 1 0 4 1 2 3 】马寿峰，贺国光，王世彤一种基于状态空间重构的交通流短期可预测性判别方法f j 】土 木工程学报( 交通工程分册) ，2 0 0 1 ( 1 ) ：4 2 4 7 2 4 】欧晓凌，裘刚，张毅等城市交通流信息相似性分析研究【j 】中南公路工程，2 0 0 3 ，v 0 1 2 8 ( 2 ) ：4 - 7 【2 5 】p t vp l a n u n gt r a n s p o r tv e r k e h ra g v i s s i mu s e rm a n u a lv 3 7 0 e b o l g e r m a n y , 2 0 0 3 第2 章高速道路入口匝道控制方法研究综述 第2 章高速道路入口匝道控镧方法研究综述 2 1 概述 高速道路最初是作为自由路提出和设计的，其基本目的是使车辆快速、高效、 舒适、方便地行驶，而不受交通信号控制。但随着汽车交通需求的不断增长， 各高速道路先后出现了交通拥挤，且拥挤程度日益加剧。由于投资和环境等方面 因素的限制，纯粹靠增建高速道路设施来缓解变通拥挤的策略变得越来越不可 行，于是，人们逐渐把日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，入1 2 1 匝道控佑惺应用最广泛、也最有效的种缓解高速道路拥挤 的交通控制形式i 】2 _ ”。 关于高速道路交通建模与控制较为系统的研究始于1 9 6 0 年代川，相关理论 逐步成熟并在实践中得到较为普遍的应用；目前国外许多大城市都建有较为完善 的高速道路交通控制系统。 注：1 9 9 9 年统* 资料圈中精宁表示相麻e 域实施控制的i t 道总数。 除了羹匾乞井 片它实施m 道控制的圊家和地区有：英国的辑拉斯、法国的e 黎、荷! 的阿姆m 特丹 自l 拿 、丹麦、德国、瑞典、新西兰、月车台湾等等。 图2l i美国匝道控制麻片j 区域分布i 申请同济大学博士学位论文城市高速道路入i s i 匝道动态协调控制方法研究 入口匝道控制方法多种多样，本章着力于对其进行分类归纳，并选取最具代 表性的控制方法来分析各类方法的优缺点和适用性。其中，静态控制中，分析了 线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，l p ) 方法；单点动态控制中，主要分析了a l i n e a 方法；动态协调控制中，重点分析了动态l p 、m e t a l i n e 、b o t t l e n e c k 三种方法。 最后，对入口匝道控制过程中难以克服的基本问题及其改善方法进行分析，并对 相关研究的发展趋势和有待进一步研究的问题等进行论述。 2 2 入口匝道控制简介 2 2 1 入口匝道控制的基本概念 入口匝道控制是基于历史经验数据或实时检测数据，通过位于入口匝道下游 端附近的信号灯来调节进入高速道路主线的车流率，使主线上的交通需求不超过 其容量，从而达到缓解高速道路拥挤、减少交通事故的目的。 一般来看，入口匝道控制有如下一些潜在的效益： 限制进入高速道路的交通量，使部分交通量转移到较不拥挤的地面道 路，避免减轻高速道路上的拥塞情形、缩短拥塞时间； 使得进入高速道路的交通量在空间上和时间上分布更为均匀，提高系统 运行的可靠性； 降低高速道路短途交通比例，从而提升高速道路的使用效能； 增进入口匝道车辆并入主线时的安全，从而减少交通事故； 通过在入口匝道控制中给予h o v ( h i g ho c c u p a n c yv e h i c l e ，高占有率 车辆) 一定的优先权，可以促进出行者由个体交通转移到公共交通，提 高城市汽车客运效率。 在提高高速道路交通运行质量的同时，入口匝道控制也有其负面影响，主要 包括： 在入口匝道处，车辆排队延误增加，且行车不顺，人为干预了车辆行驶 的自由度，会引起出行者反感。 难以避免的入口匝道排队溢出可能会干扰地面道路交通运行； 为保障高速道路的交通通畅，可能会使得过多的高速道路交通压力转移 1 4 第2 章高速道路入口匝道控制方法研究综述 到地面道路，如果发生这种情况，那对于已然拥挤的地面