（载运工具运用工程专业论文）高速公路入口匝道与路段协调控制研究.pdf

摘要 随着我国社会和经济的发展，跨区域的交通需求迅猛增加，我国高速公路得 到迅速的发展。由于高速公路入口匝道流量的汇入往往使其成为高速公路网的瓶 颈，从而影响入口匝道与主线路段的正常运行，带来交通安全、交通拥挤等问题。 因此，研究高速公路入口匝道及其所影响主线路段的交通控制理念与技术具有实 际应用价值。 文章以西部交通建设科技项目沪蓉西高速公路隧道( 群) 运营安全与 节能技术研究为依托，研究高速公路入口匝道与主线路段的协调控制技术。文 章采用理论分析和数值解析的方法，首先提出高速公路入口匝道与主线路段协调 控制理念；然后，在分析交通流影响参数关系的基础上，结合安全度的概念，建 立不同交通流状态的安全度模型；以安全度为前提，借助多目标规划理论，建立 以高速公路入口匝道与路段的运输效率最高和环境影响最小为目标的协调控制模 型；最后，对该模型进行数值解析，分析不同交通流状态区间下各变量对模型控 制目标的影响。 文章联合高速公路入口匝道和主线路段为研究对象，考虑一定安全度条件下 的运输效率和环境污染两个控制目标，为高速公路的交通控制研究提供新的思路 和理念。 关键词：高速公路；入口匝道；主线路段；协调控制 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t ya n de c o n o m y , t h ei n t e r - r e g i o n a lt r a f f i c d e m a n d si n c r e a s eq u i c k l ya n df r e e w a yi sd e v e l o p e dr a p i d l y b e c a u s et h e f l o wo f f r e e w a yo n r a m pm e r g e si n t om a i n l i n es e c t i o n , i ta f f e c t sn o r m a lo p e r a t i o no fo n 。r a m p a n dt h em a i n l i n es e c t i o n , t h e n ，i tb r i n g sal o to fp r o b l e m s ，s u c ha st r a f f i cs a f e t y , t r a f f i c i a ma n ds oo n t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt r a f f i cc o n t r o li d e a sa n dt e c h n o l o g i e so ff r e e w a y o n - r a m pa n dm a i n l i n es e c t i o np o s s e s s e sa p p l i e dv a l u e r e l y i n go nw e s t e r nt r a f f i cc o n s t r u c t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya r o j e c t 一 r e s e a r c ho ns a f e t ya n de n e r g ys a v i n go fh u - r o n g x if r e e w a yt u n n e l ( g r o u p ) ，t h e t h e s i sr e s e a r c ht h ec o o r d i n a t ec o n t r o lt e c h n o l o g yb e t w e e nf r e e w a yo n - r a m pa n d m a i n l i n es e c t i o n i nt h i sp a p e r , u t i l i z i n gm e t h o d so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l a n a l y s i s ，f i r s t l y , i tp r o p o s e st h ei d e ao fc o o r d i n a t ec o n t r o lb e t w e e nf r e e w a yo n - r a m p a n d m a i n l i n es e c t i o n ；a n dt h e n ，o nt h eb a s i so fr e l a t i o n s h i po ft r a f f i cf l o wp a r a m e t e r sa n d t h ec o n c e p to fd e g r e eo fs a f e t y , d e g r e eo fs a f e t ym o d e lo ft h ed i f f e r e n ts t a t eo ft r a f f i c f l o wi se s t a b l i s h e d ；o nt h ep r o m i s eo fs a f e t y , i te s t a b l i s h e st h ec o o r d i n a t ec o n t r o lm o d e l o nu s i n gm u l t i - o b j e c t i v ep r o g r a m m i n gt h e o r yu n d e rf r e e w a yo n - r a m pa n dt r a n s p o r t a t i o n h i g h l ye f f i c i e n c ya n dt h er e a l i z a t i o ne n v i r o n m e n t a le f f e c t ss m a l l e s t ；f i n a l l y , i ti ss t u d i e d w i t hn u m e r i c a la n a l y s i st oa n a l y z et h ee f f e c t so fv a r i a b l e sa td i f f e r e n tt r a f f i cf l o ws t a t u s t oc o n s i d e rt h ec o n t r o la i mo ft r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n o nt h ed e g r e eo fs a f e t yc o n d i t i o n ，t h ep a p e rt a k e st h ef r e e w a yo n - r a m pa n d m a i n l i n es e c t i o na ss t u d yo b j e c t st op r o v i d en e wc o n c e p t sa n di d e a so nf r e e w a yt r a f f i c c o n t r o lr e s e a r c h k e y w o r d s ：f r e e w a y ；o n - r a m p ；m a i n l i n es e c t i o n ；c o o r d i n a t ec o n t r o l 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：秽魄坤年矽月易日 重庆交通大学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。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 鬣z 静嚣聋：溉 醐：埘年廷月护日醐：1 年 学位论文作者签名： 醐：旰鲈月 垒吣 穸军m一轷嗍 鹕俘l噼卞 教 ：导期指日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文题目来源 论文选题内容属于交通部西部交通建设科技项目研究内容之一，来源于重庆 交通科研设计院承担的科研项目：沪蓉西高速公路隧道( 群) 运营安全与节能技 术研究。 论文主要是课题中关于高速公路入口匝道与路段的交通控制技术研究。 1 2 论文研究的意义 1 2 1 协调控制的基本理念 协调控制是就高速公路路段与入口匝道而言，以这两处的运输效率、交通安 全、运输费用和环境污染为控制目标，在保证一定安全度的前提下，为使控制目 标最优建立控制模型，得出主线路段不同交通工况下所对应的入口匝道调解率。 此理念包含两层含义： 第一层是地点协调：高速公路主线上的路段与单个入口匝道； 第二层是控制目标协调：运输效率、交通安全、运输费用与环境污染。 1 2 2 研究意义 近几十年来，随着我国社会和经济的发展及各区域间联系日益紧密，我国高 速公路路网得到了迅速的发展，这对保证各区域间客货运输的快速、便捷起着极 其重要的作用。我国大陆地区自第一条高速公路诞生以来，在短短的2 0 年的时间 内，高速公路从无到有，发展迅速，截止2 0 0 7 年底我国高速公路通车总里程达到 5 3 万公里，走过了发达国家几十年走过的路程，成绩举世瞩目。高速公路作为国 民经济的”动脉”和”助推器”，对我国经济的发展特别是西部落后地区的经济发展起 到了异常重要的作用。但交通需求增长迅速，必然导致高速公路建设的速度远不 及交通量的增长速度，加上目前我国缺乏对高速公路交通流特性及控制技术的系 统研究，高速公路的交通安全和交通拥挤问题日益突出。各国高速公路里程一般 只占公路总里程的l 2 ，但其所担负的运输量占公路总运输量的2 0 - - - 2 5 。 与其他等级公路相比，高速公路有着显著的运输速度快、事故率低等特点。这说 明高速公路在公路运输中起着至为关键的作用n 1 。但是由于其建设造价高，占地多， 因此高速公路建成通车后的运营管理和控制对于其效益的实现就显得尤为重要。 那么，对高速公路交通控制进行深入研究的意义之重之大显而易见。 2 第一章绪论 1 3 研究背景与目的 1 3 1 研究背景 高速公路是一种现代化高速交通设施，具有高速、高效、安全和舒适几个基 本特征。高速公路设计和建造的最初设想是在于给出行用户提供高等级的服务水 平和几乎没有限制的移动性而不需受交通信号控制的干扰。随着经济的快速发展， 车辆急剧增多、出行需求快速增加以及高速公路对出行者的吸引力，大量车辆涌 入高速公路，使得交通需求超过了交通供给乜1 。那么，现有高速公路交通问题主要 集中在以下三个方面： 交通拥挤问题 所谓交通拥挤，是指当交通需求( 一定时间内想要通过道路的车辆数) 超过 某条道路的通行能力时，超过部分的交通滞留在道路上的交通现象。交通拥挤的 具体定义各国尚无统一标准，日本道路公团对城市高速公路段交通拥挤定义为： 在高速公路上以4 0 k m h 以下速度行驶或反复停车、起动的车列连续l k m 以上并持 续1 5 m i n 以上时的状态为交通拥挤。美国芝加哥将交通拥挤定义为3 0 或更大的 5 m i n 的车道占有率。拥挤交通流模型是交通拥挤现象的定量描述，美国运输部公 路局的行车时间流量关系曲线清楚地反映了拥挤交通流的特性，其曲线如图1 1 所示。 行程时间 ( m i n ) 自由流 行程时问 图1 1 行车时间一流量关系图 f i g 1 1t h er e l a t i o n a lg r a p ho fr u n n i n gt i m ea n dt r a f f i cf l o w 由图1 1 可以看出，在拥挤交通流的情况下，交通需求少量增加，就会导致行 程时间大幅度增加。 由于发生交通拥挤的时变规律特征不同，高速公路交通拥挤也可以分为常发 性拥挤和偶发性拥挤两大类。常发性拥挤是由于过大的高峰交通需求超过交通容 第一章绪论 3 量导致的；偶发性拥挤主要是由于突发的交通事件所导致交通容量的减少造成的 口1 。不管是常发性拥挤还是偶发性拥挤，都表现出较低的行驶速度，以走走停停为 特征的不稳定速度，旅行时间长而且波动很大，发生事故的可能性大，燃料消耗 严重，污染物排放量较大，运行效率降低等特征乜，。 高速公路交通拥挤造成的损失巨大。如果是由于交通事故发生的高速公路交 通拥挤现象，则它比一般城市道路更为严重。不仅如此，交通拥挤又导致了延误、 燃料浪费、事故频增及空气污染等一系列问题。据英国工业协会统计，英国每年 因交通堵塞造成的经济损失达到1 8 0 亿英镑。据有关资料，美国一年由于高速公 路交通拥挤带来的时间损失是2 0 亿小时，经济损失是7 0 亿美元，日本每年因拥 挤的损失也高达1 2 3 1 0 。亿日元心1 。 交通安全问题 汽车的发明与汽车运输业的发展，为人类社会的进步、经济的繁荣i 人民生 活水平的提高，做出了重大的贡献，但其所产生的道路交通事故，也成为当前社 会一大公害。 自1 9 8 8 年我国大陆地区的第一条高速公路建成通车，发生交通事故的起数和 死伤人数持续上升，仅2 0 0 1 年 - 2 0 0 3 年3 年间就发生交通事故219 6 万起，造成 3 1 9 万人死亡，直接经济损失9 7 8 亿元。虽然在2 0 0 4 年 - 2 0 0 7 年4 年间道路交 通事故造成的死亡人数和直接经济损失处于微微下降状态，但是绝对值仍很高且 稳居世界第一。高速公路被证明比一般公路和城市道路要安全的多，但是驾驶员 在高速公路上仍易发生事故或受其它事故的影响，并且大部分事故是特大交通事 故。据我国2 0 0 8 年1 月9 月道路交通事故统计，一次死亡1 0 人以上特大交通事 故数中，干线公路、高速公路占7 0 ，其中高速公路发生6 起。高速公路严峻的 交通安全形势再一次说明，我国高速公路交通事故频发需引起高度警惕，同时要 提高高速公路交通安全管理水平，预防和控制交通事故的发生。对重庆市2 0 0 3 年 和2 0 0 4 年高速公路特大交通事故调查表明，超速行驶是造成事故的主要原因，超 速行驶现象的存在不仅是驾驶员主观行为的表现，更应是高速公路管理与控制技 术所要研究的。 4 第一章绪论 口膛垭“靴疲劳钙靴口趟艇越扎 口r ， t 】_ 叫、足操怍小1 1口其他 图122 0 0 3 年特大事故原因分布比例图 f i g12 t h e d i s t r i b u t i o n m a po f c a u s i n g e x t r as e r i o u s a c c i d e n t i n2 0 0 3 超速行驶 口间距不足 疲劳驾驶 操作不当 口超限超载 其他 图132 0 0 4 年特大事故原因分布比例图 f 培13 t h e d i s t r i b u t i o n m a p o f c a u s i n g e x t r a s e r i o u s a c c i d e n t i n2 0 0 4 环境问题与能源问题 交通引起的环境问题主要由道路的几何设计和位置、汽车本身结构和设计以 及汽车的运行状态所产生的。实践表明，汽车的运行状态不同，所造成的空气污 染和噪音污染有着显著的差别。同样，交通对能源的消耗也高度依赖于公路运输 系统的运行状态。可以这样说，在道路竣工通车后，能极大地改善环境污染和降 低能源消耗的关键途径就是保证交通流处于理想的运行状态。 以上四个问题不是孤立，它们作为一个系统，联系密切。交通拥挤的产生可 能会引起交通事故；若交通事故处理不当，又会产生新的交通拥挤：一旦有交通 拥挤或交通事故的发生，必然破坏先前的交通流运行状态，进而加剧环境污染和 增加能源消耗，造成经济损失。其关系如图1 _ 4 、图1 5 所示。 图1 4 交通拥挤、交通事故、环境污染、能源消耗流程图 f i g 1 4t h ef l o wc h a r to ft r a f f i cj a m ，t r a f f i ca c c i d e n t ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n df u e lc o n s u m p t i o n 交通流状况：一一一拥挤流状况 一一一最优运行状况 稀疏交通状况 图1 5 交通流状况与交通安全、环境质量、能耗之间关系 f i g 1 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a f f i cf l o ws i t u a t i o n ，t r a f f i cs a f e t y , e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n d e n e r g yc o n s u m p t i o n 6 第一章绪论 1 3 2 研究目的 交通控制是对道路上的交通流进行合理的引导和控制，交通控制的主要对象 是机动车及其驾驶员，交通控制的目的是缓和、防止或消除交通拥挤和阻塞，减 少尾气排放和噪声污染及能源消耗，并及时为车辆上有关人员及行人提供交通状 况信息以增进交通安全。 研究是针对高速公路入口匝道与其影响的主线路段所展开的，为高速公路瓶 颈之一。研究目的是围绕如何充分发挥高速公路的潜能，对该瓶颈的控制理念和 方法进行探讨，旨在保证该瓶颈的交通在一定安全度的前提下，提高运输效率、 降低能源消耗和减小环境污染。 1 4 主要研究内容 主要研究内容如下： 不同交通流状态区间的安全度模型的建立 环境影响目标函数与运输效率目标函数的建立 高速公路入口匝道与路段协调控制模型的建立及数值解析 1 5 技术路线 论文研究的技术路线如图1 6 所示。 第一章绪论 7 图1 6 技术路线图 f i g 1 6t e c h n o l o g yr o u t ec h a r t 8 第二章研究理论概况及存在的问题分析 第二章研究理论概况及存在的问题分析 2 1 高速公路交通控制研究现状 为了尽量减轻交通拥挤，保证道路应有的通行能力和服务水平，目前高速公 路采用的交通控制策略一般来说可以分为以下几类： 主线交通控制h 1 主线交通控制即路段交通控制，其方法主要是为了取得最佳车速，使瓶颈路 段的服务交通量达到最大和防止交通状态变化而导致追尾等目的。但是这类控制 方法的最大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。该方法包括可变车速控制法、车道封闭控制法等。如采用可变车速控制法， 但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普通道 路的影响。所以，此手段只是作为一种辅助调节手段，需要交通环境的软硬件条 件成熟了以后才能发挥更大的作用。 入口匝道控制 入口匝道控制可以调节驶入高速公路各段的交通量，可以使整个高速公路各 段交通流量分布合理，减少激波避免事故，充分发挥其通行能力，同时可以消除 或减少在匝道车辆与干道车辆交汇过程中的冲突和事故，更重要的是它可以影响 与之相邻的普通道路的交通状态，是高速公路交通控制打的主要手段。实际上， 入口匝道控制系统早在6 0 年代早期就开始使用，并在许多城市得到了成功的应用。 虽然在有的地方应用效果并不太理想，但大家还是达成共识，如果使用恰当，入 口匝道控制方法可极大提高道路流通能力，减少行驶时间和道路堵塞乜1 。由于入口 匝道控制效果显著，有人甚至进一步设想对高速公路段的主要车道实行入口匝道 控制，作为减少和管理阻塞的有力工具。一般来说，入口匝道控制可分为四种基 本控制形式： 1 ) 关闭匝道 当互通式立交间彼此非常接近，交织问题严重，附近有可供通行的道路，可 采用关闭匝道的方法。一般可采取设置人工栅栏或自动栅栏等措施来实现。因易 引起公众的不满，故一般不采用。 2 ) 定时调节 是最简单的控制方法，用来限制进入高速公路主线的交通量，可以改善主线 上的交通状况，增进行车的安全。 3 ) 独立的交通感应调节控制 通过埋设在高速公路主线上、匝道上和汇合区的各种检测器测得各种交通参 数。根据这些不同的交通参数调整信号配时进行控制。 第二章研究理论概况及存在的问题分析 9 4 ) 整体系统的运行调节控制 在一系列匝道集中考虑到情况下，根据交通量和通行能力的情况进行调节。 考虑的是整个系统而不仅仅是限于直接的上游和下游的匝道。其优点可兼顾整个 系统。 出口匝道控制 该方法是以缓解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 而导致快速干道上的交通阻塞为根本出发点的控制方法，包括调节驶出高速公路 的车辆数和封闭出口匝道。这种强迫限制车辆离开高速公路的方法通常会导致行 车时间增长圆。若有时没有相应的可替代路径选择，会导致车辆不能正确到达目的 地，因此会遭到驾驶员和出行者的强烈反感和反对，所以一直以来，除非发生重 大交通事故或其它人为不可抗拒的情况外都极少采用此控制手段。 通道控制策略 高速公路的通道是指高速公路主线，匝道以及与其相连的普通道路。通过通 道控制，使高速公路上交通需求和通行能力达到最佳平衡，一般采用交通感应式 通道控制，借助于对通道上各路线交通状况的监视，适当地限制交通流量，使其 低于通行能力。或者通过上述各种控制的协调配合和驾驶员情报系统，把车辆从 超负荷的道路上引导到有剩于通行能力的道路上去。 管理措施 以上介绍的各种方法均属技术性措施。而一系列的行政与管理措施对于优化 交通流运行同样有着重要的意义和明显效果。例如，提高时间处理效能。一旦检 测到交通事件，通知相关部门尽快处理，避免是事故带来的交通拥挤和恶化。同 时可以借鉴到国外的经验，根据国内具体情况做适当调整，应用于国内高速公路 的管理与控制等。 2 2 入口匝道控制研究理论概况 入口匝道控制研究早在2 0 世纪6 0 年代就已经开始。经过将近半个世纪的发 展和研究，入口匝道控制策略层出不穷，其理论体系已经较为成熟。根据前入的 研究，入口匝道控制策略大体上可分为三类： 2 2 1 定时控制策略 定时控制策略是1 9 6 5 年w a t t l e w o r t h 最先提出的。它是一种针对一天中特定时 段的离线控制，依据的仅仅是固定的历史交通需求，没有利用实时测量措施。模 型皆为简单的静态模型。其模型建立过程如下啼1 ： 把高速公路分为若干段，每段包含一个入口匝道，则有： 1 0 第二章研究理论概况及存在的问题分析 q | = 2 a i j r i ( 2 1 ) - i = t 式中，q j 第j 段的主线流量； r i 第i 段入口匝道的交通量； a i 广第i 段的入口匝道进入高速公路且到达第j 段的交通量所占的比例， a 堙【o ，l 】。 为了避免拥挤的产生，须满足： 嗨卵毒y l 飞l l n i n r j r n i n r 函出，龟) ( 2 z ) ( 2 3 ) 式中，q c 彤；第j 段通行能力； 血第j 段的交通需求； 麟入口匝道j 的通行能力； r j 。m i n 允许进入高速公路的最小流量。 其目标函数可以为多种情况，例如，使高速公路为匝道提供服务的交通量最 大( 等价于最小化总耗时) r j 一 j 或使总的旅行距离最大 龟- m a x j 式中：广第j 段的长度， 或平衡匝道的排队长度 ( 呜一r | ) 2 - ，m i n j 上述这些计算公式就转换成了线性规划或二次规划问题。 定时控制策略的主要缺点是它的优化参数是以历史数据为基础， 时数据。由于以下原因这样的简化会不符合交通系统动态性的特点： 交通需求并不是一直不变的，即使是在一天的2 4 小时之中； 交通需求可能由于交通事件的产生而在每天之间不同； 交通需求的长期变化会导致最优化设置的“老化 ； ( 2 毒) ( 2 。s ) ( 2 6 ) 而不是以实 第二章研究理论概况及存在的问题分析 a i ；也会随着交通需求的变化而在一些路段发生改变，此外，它也可能随着 驾驶员对于新的优化设置的反应不同而发生变化，因为驾驶员的心理始终是在努 力最小化他们自己的旅行时间； 交通事件的发生或其他意外干扰都会使交通状态在无先兆的情况下发生 改变。 因此，由于实时测量措施的缺乏，定时控制策略可能会导致拥挤的高速公路 更加拥挤或没有充分利用高速公路。事实上，入口匝道控制是个有效但又要求很 精密的控制措施。如果入口匝道控制策略不是足够的精确，就可能阻止不了交通 拥挤或主线道路通行能力没有得到充分利用。 2 2 2 反应性控制策略 反应性控制策略是基于实时测量的数据，来保持高速公路交通状态接近于预 先设定的值。 局部匝道控制 局部匝道控制是利用一个匝道及其附近的交通状态来计算合适的匝道调节 率。其控制方法如下： 1 ) 需求容量控制法7 3 嘲9 3 1 0 1 需求容量控制策略是在实时比较匝道上游交通量和下游交通量的基础上 选择匝道调节率，其目标是充分利用有效的道路容量。调节率的计算公式为： m ，= 三二纵砷爱暑至爱 仁7 ， 【i n 名t 纠2 式中，( 后) 第k 个时段的调节率； c 匝道下游容量； 一 q 。( 尼) 第k 时段内匝道上游交通流量； p 匝道下游占有率阈值，即匝道下游交通量为最大时的占有率值； 0 d ( 七) 第k 个时段匝道下游车辆占有率； 缸预设的匝道最小调节率值。 需求容量控制法是通过检测下游占有率值来计算匝道调节率，如果匝道 下游检测器处的占有率比临界占有率小，则下游剩余的通行能力为正，否则为负。 下游剩余的通行能力为负说明该段主线的交通量超过了通行能力，应采用最小调 节率。下游剩余的通行能力为正则增大调节率。需求容量控制法是一种开环 控制方法，不能把控制后的微小变化反馈给系统进行再优化控制，其抗干扰能力 和稳定性较差。 2 ) 占有率控制法叫洲1 0 1 1 2第二章研究理论概况及存在的问题分析 占有率控制法是通过对下游占有率的实时测量来估计匝道下游的剩余容量， 再用匝道下游的剩余容量来确定入口匝道的调节率。匝道下游剩余容量用公式 ( 2 8 ) 进行估算。 - 三善；：掣箍 亿8 ， 计算得到匝道下游剩余容量后，再用公式( 2 9 ) 来计算入口匝道的调节率。 i 缸o ( k 1 ) 号q ，( 后) = a q ( k )吾o 。 o c 式中，( 后) 第k 个时段的调节率； c 匝道下游容量； a q ( k ) 匝道下游剩余容量的估计值； d 匝道下游占有率阈值，即匝道下游交通量为最大时的占有率值； o ( k 一1 ) 第k - 1 个时段内匝道下游占有率； 缸，。预设的匝道最大、最小调节率。 占有率控制法和需求容量控制法一样，是一种开环控制，抗干扰能力和 稳定性相对较差。 3 ) a l i n e a 7 8 9 】1 阳 a l i n e a 法的控制原理是预先给定一个接近临界占有率的期望值，然后根据 实测得到的下游占有率值来调整原有的调节率。使新的调节率在每次实测到的调 节率的基础上增大或减小。调节率的调整公式为： ，( 尼) = r ( k - 1 ) + k r 【d c o ( k 1 ) 】 ( 2 1 0 ) 式中， ，( 后) 第k 个时段的调节率； k 。控制参数； 匝道下游占有率阈值，即匝道下游交通量为最大时的占有率值； o ( k 一1 ) 第k _ 1 个时段内匝道下游占有率。 根据p a p a g e o r g i o u 的研究表明，值的大小对系统性能有影响，值越大， 系统的调节速度越快，调节率的波动越大；反之，k 足值越小，系统的调节速度越 慢，调节率的波动也越小。当k 足值取7 0 时得到最佳的控制效果。 a l i n e a 不需要最大和最小调节率，对于任何交通条件都适用。而且调节率 的调整是采用一种渐变方式，对占有率的细微变化都能做出平滑的调整，既能防 止拥挤的形成，又能使路网在高流量下运行。在无需输入上游流量值的情况下就 可使系统自动平衡于饱和状态。 第二章研究理论概况及存在的问题分析1 3 多匝道调节器策略口儿8 儿们n 们 多匝道调节器与局部匝道控制策略的优化目标相同：它们都是试图维持高速 公路的交通状态接近于期望状态。与局部控制策略中各个匝道独立控制不同的是 该策略综合利用每个路段上的占有率来计算匝道调节率。显然，该策略比局部匝 道控制策略有了一定的提高。典型控制方法是m e t a l n e 方法，可以看作是 a l i n e a 方法的扩展和推广。m e t a l n e 法的调节率计算公式为： ，( 后) = r ( k - 1 ) 一q d ( 尼) 一o ( k 一1 ) 卜k d ( 尼) 一d c 】( 2 1 1 ) 式中，( 后) 第k 个时段内，入口匝道的调节率向量； d ( 动第k 个时段内，受控入口匝道下游主线占有率向量； q 受控入1 ：3 匝道下游主线占有率阈值向量； k ，k 反馈增益矩阵： m e t a l n e 控制法的控制思想和求解简单，实际应用较为广泛。其优点在于 调节率计算公式本身含有反馈机制，具有减少系统误差，自动调整增益，保持系 统稳定性和减少外来噪声干扰等。m e t a l n e 控制法适应于在预先设定的系统理 想状态附近控制，若系统发生强烈扰动时，系统远离理想状态，有可能导致控制 失败。 一些实践和仿真比较了m e t a l n e 法和a l i n e a 法的有效性，其结论如下： 1 ) a l i n e a 法几乎不需要设计工作，而m e t a l n e 法的应用需要比较复杂的 以先进的控制方法为基础的设计过程； 2 ) 对于交通密度都较大的入口匝道而言，若为常发性拥挤，m e t a l n e 法相 对于a l i n e a 法优势并不明显； 3 ) 对于偶发性拥挤的情况，m e t a l n e 法的应用效果要好于a l i n e a 法。 2 2 3 非线性最优控制策略 阻止或减少高速公路网的交通拥挤最重要的就是提高基础设施的运营效率。 由于过多的车辆无序地使用这些基础设施，那么，在有限容量的高速公路上就会 产生交通拥挤。一旦拥挤出现，从拥挤区域流出的交通量就会减少，拥挤的出口 匝道与互通立交就会堵塞，有时甚至会引起交通全面大堵塞。反应性控制策略只 能在一定程度上有效，但是，它们首先需要合适的设定值，其次，它们或多或少 只是局部控制。基于这些情况，得出了非线性最优控制策略，该控制策略应考虑 如下六点m 1 ： 高速公路和入口匝道的当前交通状态； 足够长时间段的交通需求预测； 入口匝道的有限容量； 1 4 第二章研究理论概况及存在的问题分析 匝道调节的约束条件； 非线性交通流的动态性，包括基础设施的有限容量； 高速公路网发生的交通事件。 基于以上六点考虑，为了以下两点该策略应该给出高速公路网未来一段时间 的设定值： 考虑目前所有约束条件； 目标函数的最小化，例如，整个路网的总耗时( 包括入口匝道) 。 非线性交通流的动态性可以用以下动态模型表示： x ( k + 王) = f 【x ( k ) ，r ( k ) ，d ( k ) 】( 2 1 z ) 式中，卜状态向量，由交通密度、平均速度( 5 0 0 m 长的高速公路路段) 、匝道 排队长度组成； r _ 控制向量，由所有可控匝道的控制量组成； d 扰动向量，由所有入口匝道的交通需求和在网络分叉点或出口匝道处 的转向率组成。 匝道调节的约束条件由式( 2 3 ) 与式( 2 1 3 ) 构成。 鼍( k ) 冬l i # 础 ( z 。1 3 ) 式中，k 匝道的排队长度( 以车辆数计) 。 整个系统在时段序列k 的总耗时由下式表示： krnm 1 r , - t i p i ( k ) 唾+ d ( k ) l ( 2 1 q k = 01 1 = ii = 1 j 式中，p i 第i 段时刻为k t 的交通密度； 卜周期时间。 于是，对于给定的初始状态x ( o ) 与交通需求预测d ( k ) ，k = 0 ，1 ，k 一1 ， 问题就在于指定匝道流量r ( 妁，l k = 0 ，1 ，k 一1 ，并且符合非线性交通流动态 性和约束条件( 2 3 ) 与( 2 1 3 ) 使式( 2 1 4 ) 最小。 2 3 入口匝道控制存在的问题概况 经过将近半个世纪的研究与实践，入口匝道控制的效果得到了人们的肯定， 但是，入口匝道控制也存在一些负面影响，例如，对可替代道路的影响以及入口 匝道排队过长等。当然，通过在控制算法中加入一些约束条件，现有入口匝道控 制的一些副作用可以缓解或消除。但是随着社会经济的发展和人们对出行质量要 求的日益严格，交通控制的理念应该向着人性化与环保化方面转变，目前关于这 方面的研究已经开始。 第二章研究理论概况及存在的问题分析 1 5 2 3 1 公平与运输效率的平衡 公平是针对入口匝道处的出行人来说，效率是针对入口匝道控制的效果来说 的。基于公平与效率的平衡的控制策略是以总加权出行时间最少为控制目标，而 以往只注重效率的控制策略一般是以总绝对出行时间最少为控制目标，这样，通 常会使公平性最小( 通常入口匝道控制为了使效率最高，只会选择离瓶颈最近的 一个或几个匝道进行控制，对被控匝道的车辆并不公平) ，不符合人性化理念n 帅别。 嗍t = w f l 陌+ w r d ( 2 1 5 ) 式中，n 册卜主线路段和匝道的总加权出行时间； w f i 卜主线路段加权出行时间； w r 卜匝道加权延误。 假设不允许高速公路主线出现拥挤或排队情况，即交通量低于道路容量，且 交通需求固定，那么，主线的出行时间固定，即w 胛1 固定。其控制目标可以转化 为： m i n ( t w t t ) = m i nc w r d )( z 1 6 ) 同理， m i n ( 唧) = m i n c r d )( 2 。1 7 ) 式中，t ”卜总绝对出行时间； r 一匝道绝对延误。 此策略中公平性调整是采用协调因子x 进行调整，x 表示协调程度的大小，即 瓶颈上游x 个入口匝道进入协调组。根据前面的假设，得出两个约束条件： 高速公路主线的任何路段在任何控制时段的交通量必须低于道路的容量； 匝道的调解率非负且低于实际的交通需求量。 每个控制时段的协调过程( 如图2 1 所示) 如下： 第0 步：任意给定一个过渡变量e ，e 表示从上游协调的入口匝道组到下游要 进入主线的最大可允许流量，e 的值设定为大于任何高速公路路段的容量； 第1 步：入口匝道协调。从路段l 开始，设x = 3 ，路段1 的有效容量c 为实 际容量和e 两者之间的最小值，入口匝道1 、2 、3 的公平性体现是通过三个匝道延 误相等来实现的，那么： i m z ：警：孕：re 1 t 【0 j l 】 ( 2 1 8 ) 一= 二= 上= l n1lf 2 18 、 d ld zd 3 1、7 式中，m 1 、m z 、m 3 入口匝道l 、2 、3 的调解率； d l 、d 2 、d 3 入口匝道1 、2 、3 的交通需求量。 为了满足约束条件，则有： 1 6 第二章研究理论概况及存在的问题分析 m 1 + m 2 + m 3 c 丑( 2 1 9 ) c 丑= c a + x u( 2 。2 0 ) 式中，e 量入口匝道交通需求可利用的容量； a 当前协调组的上游主线流量； 卜当前协调组中出口匝道流出的流量总和； l 卜当前协调组未受控制的流量总和。 通过式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) 可以得出： r i 而c i ( 2 2 1 ) r i 而 ( 2 2 1 ) 这样，就出现以下三种情况： 情况i ： qs 可毒面sl ( z l z z ) r 2志d1 d - 4 - 皿z 3 ) = ! 一 f z 。z 3 1 + zd 3 、7 e 不变 此种情况意味着路段1 是瓶颈，通过当前协调组的入口匝道调解能够缓解路段1 的拥挤； 情况2 ： i d 盅瓦 1 ( z 2 1 + d 2 + d 3 。7 r=1 ( 2 z s ) e 不变 此种情况意味着路段1 不是真正的瓶颈，可以允许放行当前协调组的车辆进入高 速公路。 情况3 ： 币鼍面 0 。当n = 1 时，可以得到g r e e n s h i e l d s 线性模型。 1 9 6 7 年，m a y 和k e l l e r 根据车辆跟驰理论的一般表达式，选取不同的m 和1 ， 得到了一组模型曲线族，如表3 1 所示啪1 。 表3 1 基于车辆跟驰理论得出的速度一密度模型 t a b 3 1s p e e d d e n s i t ym o d e lo nt h eb a s i so fc a r - f o l l o w i n gt h e o r y m = 0l i l t = l l = o = 三g 一书，s 为常数 l = 1 u k l = l 。s 。】 一 1 = 2 r ( 卜习 x 。t 。一 u = 珏f ek 8 l = 3 = u f e 矧2 再根据式( 3 1 ) 就可以得到流量密度关系。流量一密度曲线有几个重要的特征： 当密度为零时，流量为零，于是曲线一定通过坐标原点； 曲线中有一个表示阻塞密度而流量为零的点； 在两个零点之间必然有一个或几个流量峰值点； 曲线不定是连续的。 但是，密度为零意味着道路中没有车辆，就不能构成交通流，那么就将只有 一辆车在道路上行驶时的密度为趋近于零，因此，特征应为：当密度趋近于0 2 2 第三章交通流影响参数分析 时，流量也趋近于0 。此时，曲线趋近于坐标原点，但不通过坐标原点。 此外，有些研究表明口妇乜羽：当流量达到最大时，不是一个或几个流量峰值点， 而是一条直线段。 3 2 交通流影响参数之间的关系 3 2 1 基本定义 交通量 交通量是指选定时间段内，通过道路某一点、某一断面或某一条车道的交通 实体数。就高速公路而言，由于高速公路只供汽车行驶，因此，这里的交通实体 数即车辆数。交通量随时间空间的不同而发生变化。 车速 1 ) 地点车速 地点车速是指车辆通过某一点时的瞬时车速。 2 ) 行驶车速 行驶车速表示从行驶某一区间所需时间( 不包括停车时间) 及其区间距离求 得的车速。 3 ) 运行车速 运行车速是指中等技术水平的驾驶员在良好的气候条件、实际道路状况和交 通条件下所能保持的安全车速，用于评价道路通行能力和车辆运行状况。 4 ) 行程车速 行程车速又称区间车速，是车辆行驶路程与通过该路程所需的总时间( 包括 停车时间) 之比。 5 ) 临界车速 临界车速是指道路达到理论通行能力时的车速，对于选择道路等级具有重要 作用。 6 ) 设计车速 设计车速是指在道路交通与气候条件良好的情况下仅受道路物理条件限制时 所能保持的最大安全车速，用作道路线性几何设计的标准。 7 ) 时间平均车速 在单位时间内测得通过道路某断面各车辆的点车速，这些点速度的算术平均 值即为该断面的时间平均车速。 8 ) 区间平均车速 在某一特定瞬间，行驶于道路某一特定长度内的全部车辆的车速分布的平均 值，当观测长度为一定时，其数值为地点车速观测值的调和平均值。 第三章交通流影响参数分析 2 3 密度 车流密度是指某一瞬间内单位道路长度上的车辆数目。密度有两个特征值： 最佳密度和阻塞密度。最佳密度k m 是指交通流量达到最大时的交通密度，阻塞密 度k 是指交通流密集到车辆无法移动时的密度。 空间占有率 在道路的一定路段上车辆总长度与路段总长度之比的百分数称为空间占有 率。车流密度只能表示车流的密集程度，而空间占有率则能反映某路段上车队的 长度。 时间占有率 在道路的任一路段上，车辆通过时间的累计值与观测总时间的比值，以百分 数表示，即为时间占有率。 车头间距和车头时距 车头间距是指一条车道上前后相邻车辆之间的距离。车头时距是前后相邻两 辆车通过车道上某一点的时间差。与宏观参数的关系如下： 10 0 0 k 。i ( 3 7 ) ：136-00a ( 3 8 ) 。百 t & 唧 一3 五鼍 。 ( 3 9 ) 式中，h 厂平均车头间距( m ) ；