（交通信息工程及控制专业论文）快速路集总式匝道控制系统建模与算法.pdf

摘要 摘要 城市快速路是大城市道路网络的重要组成部分。随着交通需求的快速增长， 快速路交通拥挤现象屡见不鲜。入口匝道控制作为缓解快速路交通拥挤最为有效 的措施之一，已经得到广泛地应用。因此以入口匝道控制为基础，综合考虑与其 它交通控制措施的集成，对集总式匝道控制系统进行全面的研究，具有重要的理 论意义和实用价值。 首先回顾了各种入口匝道控制算法，提出了本文的研究方向。根据上海外环 线的实际交通数据，对交通量、交通密度和速度之间的关系进行了分析，提出了 符合实际交通状况的宏观交通流改进模型，并对模型的参数进行了标定。 在单匝道控制方面，本文综合考虑快速路主线交通密度、入口匝道排队长度 两个因素，对入口匝道实施了模糊控制，仿真结果表明模糊控制优于定时控制， 具有良好的控制效果。 在多匝道协调控制方面，本文提出了基于m u l t i a g e n t 的多匝道协调控制系 统，对协调控制系统模型的构建及算法进行了详细的阐述，仿真结果表明多匝道 协调控制有利于均衡利用各个入口匝道，有利于延缓快速路交通拥挤的形成和有 利于加速快速路交通拥挤的消散。与单匝道控制相比，能取得更好的控制效果。 在入口匝道与地面道路交叉口协调控制方面，本文提出了一种自适应协调控 制算法。该算法主要包括入口匝道控制模块和交叉口控制模块，其中入口匝道控 制模块能根据入口匝道排队长度情况自适应地调整入口匝道调节率；交叉口控制 模块能根据出入口匝道的排队长度、交叉口各进口道的车辆排队长度自适应地改 变配时计划。利用v i s s i m 微观仿真模型对本文提出的协调控制算法进行了仿真 实验，实验结果表明协调控制不仅改善了快速路的交通状况，同时也改善了地面 道路的交通状况。 最后对快速路交通通道控制问题进行了研究，提出了交通通道控制的一般分 析框架。建立了一个在事件状态下的交通通道集成优化控制模型，通过对优化控 制模型中目标函数的评述，表明该优化控制模型具有简单实用的特点。 关键词：快速路，匝道控制，交叉口信号控制，协调控制，通道控制 a b s t r a c t a bs t r a c t u r b a nf r e e w a yi sa ni m p o r t a n tp a r to fr o a dn e t w o r ki nm e t r o p o l i s t r a f f i c c o n g e s t i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h er a p i dg r o w t ho ft r a f f i cd e m a n d r a m p m e t e r i n g , o n e o ft h em o s te f f e c t i v em e a s u r e st oc o m b a tc o g e s t i o n ，h a sm a n y a p p l i c a t i o n si n t h ef i e l d b a s e do nr a m pm e t e r i n g , s t u d y i n go ni n t e g r a t e dc o n t r o l s y s t e mf o rf r e e w a yi ss i g n i f i c a n tn o to n l yi nt h e o r yb u ta l s oi np r a c t i c e a f t e rr e v i e w i n gt h ee x i s t i n gr a m pm e t e r i n gm e t h o d s ，r e s e a r c hf o c u s e so ft h e d i s s e r t a t i o na r ed e t e r m i n e d b a s e do nr e a lt r a f f i cd a t a ，am o d i f i e dt r a f f i cm o d e li sp u t f o r w a r d t h ep a r a m e t e r so ft r a f f i cm o d e la r ev a l i d a t e d i ns i n g l er a m pc o n t r o l ，af u z z yc o n t r o li su s e dt or e a l i z er a m pm e t e r i n g t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tf u z z yc o n t r o lh a sb e t t e re f f e c tt h a np r e - t i m e dc o n t r 0 1 a s t ot h ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e m ，an e wm e t h o db a s e do nm u l t i - a g e n ti sp u tf o r w a r d m o d e lc o n s t r u c t i o na n da l g o r i t h mo fc o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e l y e x p o u n d e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tc o o r d i n a t e dc o n t r o li sb e t t e rt h a n n o c o n t r o lc a s ea n di s o l a t e dr a m pc o n t r o l ，e s p e c i a l l yi nb a l a n c i n gt h et r a v e lt i m ei na l l r a m p s a st ot h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lb e t w e e no n - r a m pa n ds i g n a li n t e r s e c t i o n ，ap r a c t i c a l a p p r o a c hi sp r e s e n t e d t h ep r o p o s e d c o n t r o ls y s t e mc o n t a i n st w om o d u l e s ：t h e m e t e r i n gm o d u l ec o n t i n u o u s l ya d j u s t st h ea d a p t i v ep o l i c yd e p e n d i n go nt h eq u e u eo f o n r a m pa n dd e n s i t yo ff r e e w a y ；t h ei n t e r s e c t i o ns i g n a lm o d u l ea d j u s t st h et i m i n gp l a n i nl i g h to fv e h i c l eq u e u eo ft h ei n t e r s e c t i o n ，o n r a m pa n do f f - r a m p t h es i m u l a t i o n r e s u l t sw i t hv i s s i ms h o wc o o r d i n a t e dc o n t r o ln o to n l yi m p r o v et h et r a f f i cc o n d i t i o no f f r e e w a y , b u ta l s oi m p r o v et h et r a f f i cc o n d i t i o no ft h es u r f a c er o a d i nt h ee n d ，t h ep r o b l e mo fi n t e g r a t e dc o n t r o lf o raf r e e w a yc o r r i d o ri sd i s c u s s e d ， a n da no p t i m a lc o n t r o lm o d e lf o rac o r r i d o ri sp r e s e n t e du n d e ri n c i d e n tc o n d i t i o n ， w i t c hi ss i m p l ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：f r e e w a y , r a m pm e t e r i n g ，i n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o l ，c o o r d i n a t e dc o n t r o l ， c o r r i d o rc o n t r 0 1 1 1 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：却菇必内 御年月a 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：学位论文作者签名： 年月日年月 日 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，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。 签黛筹i 份 叩年1 月 第1 章绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 交通是城市的血脉，交通便捷促进了城市经济的发展，城市的经济发展又刺 激了交通需求的增长。但由于城市机动车辆的迅速增长，交通供需矛盾日益突出， 城市交通拥挤现象频繁发生交通拥挤不仅造成巨大的经济损失，由此导致的交 通事故、环境污染等也给人们的生活带来了巨大的伤害。 据统计，美国1 9 8 4 年由交通拥挤造成的交通延误大约有1 2 亿车时，由此对 用户造成的损失在1 9 9 0 年估计达1 0 0 0 亿美元之巨【l l 。据估计到2 0 0 5 年，美国的 交通延误会达到每年6 9 亿车时，由交通拥挤引起的燃料浪费将达7 3 亿加仑；到 2 0 1 0 年，美国由于交通拥挤而浪费的行驶时间将上升5 7 ，每年因交通拥挤造成 额外燃料消耗将高达9 0 亿美元1 2 。 在我国，百万人口以上的大城市每年因交通拥挤造成的经济损失约达1 6 0 0 亿人民币，相当于我国国内生产总值的3 2 1 3 1 。为了解决或缓解城市交通拥挤问 题，一些大城市，如北京、上海自舳年代后期纷纷修建城市快速道路，这在一 定程度上缓解了城市交通拥挤问题 城市快速路( u r b a ne x p r e s s w a y ) 是指在城市修建的、具有单向双车道或以 上的多车道城市道路；具有中央分隔、全部控制出入、且设有配套的交通安全和 管理设施，以及能保证连续流的交通设施，是适应机动车快速通行的交通干道。 它具有全程无交叉口，以互通式立体交叉或进出口匝道与城市地面道路相连接， 且匝道间距比城市间高速公路短、只允许机动车行驶、车辆行驶速度高等特点。 城市快速路主要为城市内中大量、快速交通服务，在城市交通中起着主导性的作 用。按照设计标准，城市快速路应能为车辆提供快速、高效、舒适、安全的行驶 环境，但随着经济的快速发展，机动车辆急剧增多，加上快速路对出行者的吸引 力，大量车流涌入快速路，致使快速路交通需求超过交通供给，交通阻塞现象屡 见不鲜，表现出行驶速度降低、交通事故增加、燃料消耗加大，空气污染加剧、 运行效率降低等特刎4 j 。 快速路交通拥挤可分为常发性交通拥挤( r e c u r r e n tc o n g e s t i o n ) 和偶发性交 第1 章绪论 通拥挤( n o n r e c u r r e n tc o n g e s t i o n ) 两大类。常发性交通拥挤主要是由于过大的高 峰期交通需求超过交通通行能力( c a p a c i t y ) 而导致的；偶发性交通拥挤则是由 于突发的交通事件( 如交通事故、车辆抛锚、货物散落等) 而导致的交通通行能 力的临时降低，从而引发的交通拥挤。不管是常发性交通拥挤还是偶发性交通拥 挤，都给整个城市交通系统的正常运行带来严重的影响。在上海和北京，城市快 速路交通拥挤已成为城市交通拥挤的主要组成部分，因此对快速路进行有效的交 通控制和管理已势在必行。 在研究快速路交通控制和管理方法之前，有必要了解快速路交通拥挤产生的 主要原因，以便我们采取强有力的措施。总的来说，快速路产生交通拥挤主要有 以下三个方面的原因： 1 ) 道路设计的不合理。如车道的减少导致交通瓶颈( b o t t l e n e c k ) 的产生， 上下匝道的形状及蓄车能力，车辆交汇车道的长度等，这些因素都对快速路的交 通拥挤产生影响。 2 ) 交通流运行的不均匀性和不稳定性。不均匀性主要是指车辆在各路段( 或 路线) 分配的不均匀性，导致有的路段( 或路线) 交通拥挤，有的路段( 或路线) 交通稀少，没有充分利用道路资源：不稳定性主要是指交通缺乏有效的控制，导 致车流运行的无序性，致使车辆时走时停。 3 ) 突发的交通事件。如车辆抛锚、车辆追尾、货物散落等导致通行能力下 降而引起的交通拥挤。 为了减少或消除城市快速路交通拥挤，国内外学者对其进行了大量的研究， 采取的措施主要有以下三种： 1 ) 通过新建或扩建道路来增加交通供给。这种方法是道路发展初期所经常 采用也非常有效的方法，但道路建设周期长、耗资巨大，随着城市交通系统的完 善，修建城市道路的空间变的非常有限。在发达国家，城市道路增长已接近停滞， 而1 9 9 5 年世界汽车的增长率仍然有3 5 。在我国，虽然修建道路仍是解决城市 交通问题的重要方式之一，但是车辆的增长速度远远超过道路里程的增长速度， 1 9 7 8 年到1 9 9 6 年间，我国机动车增加了2 7 倍，而道路里程只增加了3 2 【引。在 大城市，如上海和北京，机动车的增长速度更是迅猛，远远超过了道路里程的增 长。 2 ) 采用交通管制措施，如限制某些类别车辆行驶、实行单双号行驶、实行 高密度车辆优先( h o v ) 等。该方法比较有效，但容易引起公众的反对和不满， 2 第1 章绪论 一般很少采用。 3 ) 采用先进的通信技术、计算机技术和控制技术，对快速路的交通进行有 效的管理和控制，是目前最经济有效的办法，也是智能交通系统( i t s ) 的根本 目标。因此，快速路交通管理和控制成为近年来众多国内外交通学者的研究热点 之一。 快速路在整个城市道路网络中起着主导性的关键作用，是整个城市交通的动 脉，在城市交通中主要起着“流通性 的作用，而普通道路主要起着“可达性 的作用。目前快速路的交通拥挤状况给城市交通带来了巨大的压力，由于地理空 间、建设费用、环境问题等限制，进一步扩展城市道路已变的异常艰难。八十年 代以来，发达国家已从主要依靠修建更多的城市道路、扩大路网规模来满足日益 增长的交通需求，转移到采用高新技术来改造现有的道路系统及其管理系统，从 而达到大幅度提高道路网络的通行能力。随着研究的不断深入，系统的功能扩展 到道路交通运输的全过程及其相关的服务部门，发展成为带动道路交通运输现代 化的智能交通运输系统( 1 1 r s ) 。据初步估计，i t s 技术的应用可减少1 0 的汽车 废气排量，2 0 的交通延误，3 0 的停车次数1 6 1 。据报道，美国l o sa n g e l e s 和t e x a s 在i t s 技术方面投资的效益成本比率分别为1 6 ：1 和2 2 ：1 ，收益非常显著【。丌。 目前国际上公认的智能交通系统的服务领域主要包括七个方面： 先进的交通管理系统( 删s ) 幸先进的交通信息服务系统( 加s ) 掌先进的公共交通系统( 椰) 先进的车辆控制系统( a v c s ) 商用车辆运营管理系统( a i c v o m s ) 电子收费系统( e t c ) 紧急救援系统( e m s ) 交通管理系统作为i t s 最基础的领域之一，其重点在于如何针对实时变化的 交通状况采用先进的交通控制和诱导策略，最大限度地利用现有道路设施。解决 城市快速路交通拥挤问题，首要的任务就是研究如何采用有效的交通管理和控制 措施，以最大限度地利用快速路交通系统。 入口匝道控制被公认为是解决快速路交通拥挤最为有效的措施之一，在许多 国家已得到广泛地应用。入口匝道控制的基本原理是通过调节进入快速路的交通 量，使快速路本身的交通需求不超过它的容量，从而保证快速路依据某一性能指 3 第1 章绪论 标运行在最佳状态附近。这样一来，期望进入快速路的车辆，在允许进入快速路 之前将要在入口匝道处排队等待，若不想在入口匝道上等待，可选择其它替代路 线，从而实现交通转移。可见，入口匝道控制是直接控制进入快速路的交通量， 使快速路上的交通流量分布合理，充分利用其通行能力，同时可减少或消除匝道 处交通流交汇时的冲突和事故，是快速路交通控制的主要手段。 实践证明，入口匝道控制是解决快速路交通拥挤最为有效的措施，早在6 0 年代就得到成功应用。据统计，在美国的2 1 个大城市都实施了入口匝道控制， 其中以l o sa n g e l e s 最多，有1 3 8 2 个入1 3 匝道处于控制之下l s i 。从美国各大城市 入口匝道控制的效果来看，入口匝道控制极大地减少了旅行时间、降低了事故的 发生率和减少了车辆对燃料的消耗l 引。在法国巴黎的环城高速公路现场实验中， 实测数据表明采用入口匝道控制对高速公路总的旅行时间改善了8 1 ，对普通道 路的旅行时间也有所改善，达到6 1 ，对整个交通网络的旅行时间改善达到 6 9 【1 0 l 。 综观国内外的大量研究，入口匝道控制的主要作用可概括为以下几个方面： 1 ) 减少或消除交通拥挤的发生； 2 ) 降低事故率，提高交通安全； 3 ) 减少总的旅行时间，提高服务水平； 4 ) 有效的使用道路容量，改善整个城市交通系统。 城市交通系统的各个组成部分是相互影响、相互制约的。采用合理的入口匝 道控制策略对改善快速路和地面道路的交通状况都有益处；然而，采用不合理的 入口匝道控制策略也有可能产生负面影响，甚至对整个交通系统没有带来任何改 进【3 1 。因此，如何采用有效的入口匝道控制策略，以及与其它交通控制措施的相 互协调和集成是本文研究的任务，也是智能交通系统的一个重要组成部分，具有 重要的现实意义。 1 2 文献综述 由于快速路在构造上与高速公路相似，而与其他等级的城市道路有较大的区 别，因此城市快速路控制方法与高速公路控制方法的原理基本相同，但快速路交 通控制也有自己的某些特点。城市快速路的交通控制方法主要包括入口匝道控 制、出口匝道控制、主线交通控制、网络路由控制和通道集成控制等。 4 第1 章绪论 1 ) 主线交通控制是对主线上交通流进行调节与诱导，使交通流在时间和空 间上都比较均匀、稳定。主线控制对常发性交通拥挤和偶发性交通拥挤都是有效 的，常用的主线交通控制方法主要包括可变车速控制、车道使用控制和驾驶员信 息系统1 1 1 】。 可变速度控制：快速路在交通需求接近通行能力时，即使交通流密度小于 临界密度，交通流的不均匀性( 如交通流密度的空间分布不均、车辆速度相差较 大) 所产生的扰动，也会导致交通流不稳定而引发交通拥堵。可变速度控制是通 过设置可变限速标志来限制行车速度，主要目的是为了取得最佳车速从而使交通 流更加均匀稳定，同时还可以提高快速路的通行能力。国外运行经验，尤其是西 欧国家所进行的试验证明了这一控制效果。 车道使用控制：车道使用控制是一种紧急控制手段，它通过对车辆在使用 车道的时间和空间限制，从而达到对交通流的控制。车道使用控制是偶发交通拥 挤情况下经常采用的措施之一，主要包括车道关闭、可逆车道变向控制，公共汽 车和合用小汽车专用道。车道使用控制是提高道路通行能力，以及向公共汽车、 合用车辆提供优先服务的手段。 驾驶员信息系统：驾驶员信息系统是通过可变信息情报板、路侧无线传输 装置、车载设备等对驾驶员提出行车速度、车辆间距限制的警告，提供行程时间 和行驶路线等实时交通信息进行路线引导，使其选择合理的行驶路线，保证交通 畅通。军 2 ) 入口匝道控制是应用最为广泛的一种控制策略，其基本目标是控制进入 快速路的交通量，使整个快速路的交通流流量、密度、速度等参数运行在最佳状 态，从而使某种性能指标达到最佳。入口匝道控制的实质是将入口交通流在时间 和空间上重新进行分配，其中一部分车辆准予进入，另一部分车辆在匝道上等待， 伺机进入，还有一部分车辆则选择其它替代路线行驶。实践表明，入口匝道控制 是改善快速路交通状况最有效的方法，美国在2 0 个大城市实施了入口匝道控制， 控制后极大地减少了旅行时间、降低了事故发生率和节省了燃料消耗【1 2 l 。鉴于快 速路入口匝道控制的重要作用，许多学者对其进行了研究，文献 1 3 1 5 1 从不同的 角度对入口匝道控制方法进行了归纳。 3 ) 出口匝道控制的目的是缓解与出口匝道衔接的平面交叉口的交通阻塞， 以及防止出口匝道排队长度过长而导致快速路主线交通阻塞的发生。出口匝道控 制主要包括调节快速路流出的车辆数和关闭出口匝道【1 6 l 。这种强迫限制车辆离开 5 第1 章绪论 快速路的车辆数通常会使行车时间增长， 路线，导致车辆无法正确地到达目的地， 很少采用。 更糟糕的是，有时由于没有相应的替代 所以经常遭到出行者的强烈反对，一般 4 ) 网络路由控制是近年来的研究热点之一，即研究动态交通分配问题，其 目的是实现路网通行能力和交通需求的空间匹配，而不是实现道路通行能力和交 通需求的时间匹配。在以往的交通模式下，出行者在出行途中很难得到实时交通 信息，因而无法及时选择最优行车路线，以最小旅行时间到达目的地。网络路由 控制是根据驾驶员的路线选择行为，以某个性能指标最优为目标，为路网中的车 辆实时分配路径。主要通过可变信息标志v m s ( v a r i a b l em e s s a g es i g n s ) 来实现， 按所选取的交通分配原则分为用户最优问题和系统最优问题。 5 ) 快速路通道由一条快速路、辅路、出口匝道和入口匝道组成。通道控制 是一种区域性的集成控制策略，它综合集成了匝道控制、主线控制、网络路由控 制以及地面道路的信号控制等多种交通控制措施，其基本原理是监测通道系统中 的所有道路，将拥挤道路上的交通转移到通行能力过剩的道路上，使整个交通通 道系统整体性能最优。由于交通通道控制系统变量多，结构复杂，是典型的大系 统控制问题。目前付诸使用的通道控制技术，一般是采用交通诱导与交通控制相 结合的方法。 1 2 1 入口匝道控制的作用 关于城市快速路入口匝道控制的作用主要有两种不同的观点。一种观点认为 入口匝道控制非常重要，能在很大程度上提高快速路的利用效率，从而提高整个 城市交通网络的运行效率。另一种观点则对入口匝道控制的作用持怀疑态度，其 主要理由如下： 1 ) 城市快速路入口匝道一般都与地面道路的交叉口相衔接，实施入口匝道 控制导致部分交通流从快速路向地面道路分流，使地面道路的交通负荷增加，从 而加剧了地面道路交叉口的交通拥挤，抵消了快速路上所取得的成效。 2 ) 虽然入口匝道控制能提高快速路的运行效率，但会造成入口匝道车辆排 队延误的增加，从而抵消了快速路上所取得的成效。 其实对入口匝道控制的作用持这种怀疑态度是完全没有必要的，以下将讨论 入口匝道控制对快速路及地面道路的影响。 6 第1 章绪论 首先看一个简单的快速路交通系统，如图1 1 所示。 _一i一 d o 叫。l | - s o l 7 ( 、7 厂7 厂 $ c a f f _ 道s l d l 入口匝道s 2 d a s 噍d n 图1 1 快速路交通系统 假设d ；为交通需求，毛为从快速路流出的交通量( 流出量) ，在一天内快速 路交通系统的交通需求之和等于从交通系统流出的交通量之和，即流量守恒定 律，可得： 乏小荟毛 因此，车辆越早离开快速路交通网络，车辆所花费的总时间就越少。入口匝 道控制的目的就是增加整个快速路系统的流出量，从而达到减少总的花费时间。 车辆在快速路系统内总的花费时间t 可用式( 1 1 ) 来表示： t r 荟任) ( 1 1 ) 其中： ) 一七时段内快速路系统的车辆总数： 卜控制周期。 根据流量守恒定律： n ( k ) f f in ( k 一1 ) + 丁p 伍一1 ) 一s 仅一1 ) 】 一( 。) + 丁荟k - i k 伍) 一5 取) 】 1 2 ) 联合式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) ，可得系统总的花费时间z 如下： t l r 耋 ( 。) + 丁薹d ( 七) 一丁薹s ( 七) 】 c1 3 ) 式( 1 3 ) 的前两项不受交通控制措施的影响，因此最小化系统总的花费时间 相当于最大化快速路系统的流出量。 7 第1 章绪论 当快速路上游交通需求印扭与入1 3 匝道交通需求d 之和小于快速路路段的交 通容量q 一，快速路不会产生交通拥挤，也就不需要交通控制。 这里研究入口匝道在快速路交通拥挤的情况下，即+ d q c , , ，入口匝道。 控制对减少系统总的花费时间所产生的作用。在快速路交通拥挤的情况下，如果 没有入口匝道控制，快速路主线将产生交通拥挤，如图1 2 ( a ) 所示。快速路交 通拥挤导致快速路服务水平下降，快速路的实际通行能力q 硼小于q 泖。在施加 入口匝道控制的情况下，由于入口匝道控制限制进入快速路的交通量，使快速路 上的交通运行在最佳状态附近，快速路主线不会产生交通拥挤，此时入口匝道将 产生排队现象，如图1 2 ( b ) 所示。 q h q c 豫 q h q a p dd ( a )( b ) 图1 2 快速路交通拥挤示意图：( a ) 无控制：( b ) 有控制 采用入口匝道控制，如采用a l i n e a 1 7 】控制策略，此时虽然在入口匝道处产 生排队现象，增加了入口匝道车辆等待时间，但能减少整个快速路交通系统( 包 括入口匝道) 的总花费时间。系统总的花费时间的减少量t ( ) 可用下式表 示【1 8 】： z 。生! 竺_ 宰1 0 0 ( 1 4 ) 日i ，i + 口一q “ 假设q 加+ d 一1 2 口卿( 即总的交通需求超过快速路通行能力2 0 ) ， q 。一0 9 5 q 印( 由于交通拥挤导致实际通行能力下降5 ) ，由式( 1 4 ) 可得 a l t 2 0 ，即快速路系统总的花费时间减少2 0 。由此可见入口匝道控制虽然 增加了入1 3 匝道的交通延误，但对改善整个快速路交通系统是有益的。 实际上，入1 3 匝道控制对地面道路交通的影响是两面的： 1 ) 入口匝道控制通过限制进入快速路的交通量，导致部分驾驶员不选择快 8 第1 章绪论 速路而选择地面道路行驶，增加了地面道路的交通负荷，从而造成地面道路交通 的拥挤。 2 ) 采用有效的入口匝道控制策略使得快速路上的交通运行在良好的状态， 快速路的流出量将增大，这会从地面道路吸引更多的车辆利用快速路，减少了地 面道路的交通负荷，从而减轻了整个交通系统的拥挤。 在交通高峰时期的开始，由于入口匝道控制导致入口匝道的车辆排队现象， 给地面道路带来一定的负面影响。但是由于快速路的高效利用，使得快速路能承 担更多的交通需求，从而吸引更多的地面道路车辆驶向快速路，这样良性循环， 导致整个交通系统得到改善。在巴黎的环城高速公路现场实验表明【1 0 】：入口匝 道控制对快速路的总花费时间改善8 1 ，对地面道路的总花费时间改善达6 1 ， 对整个交通系统的总花费时间改善为6 9 。 1 2 。2 入口匝道控制的分类 国外对入口匝道控制的研究始于5 0 年代1 1 9 l 。入口匝道主要有匝道调节和匝 道关闭两种方式，按入口匝道控制是否响应实时的交通状况，可把入口匝道控制 分为定时控制( f i x e d t i m es t r a t e g i e s t i m e o f - d a yc o n t r 0 1 ) 和交通感应控锘l j ( t r a f f i c r e s p o n s i v ec o n t r 0 1 ) 两大类。交通感应控制按照控制范围的大小又可分为单匝道控 制、多匝道协调控制和集成控制三大类。 定时控制的入口匝道控制率是固定的或者是根据一天内时段的变化而预先 设定的几个固定控制率，通常是根据历史交通数据制定的。入口匝道定时控制系 统的构成如图1 3 所示。 _ _ _ _ - - _ 。一 一 快速路 - - - _ - _ - _ 。一 地面道路 图1 3 入口匝道定时控制系统 9 志器器器灯标测测测号告线检检检信警车入出队节制停检检车调控目口回团覃oi 第1 章绪论 早在1 9 6 5 年w a t t l c w o r t h 就提出定时控制方法1 1 6 1 ，其基本思想是以快速路主 路上的交通量不超过其通行能力为约束，流入快速路的交通量最大为目标函数。 该法将快速路分为段，每段最多只有一个入i = 1 匝道和一个出i = 1 匝道，第f 个路 段流量口，的稳态模型为： q s - 罗口拳， j t1 ，刀 。三口寥o ，刀 最优控制策略如下： m a x j 一 s i ：t 口可墨q 刚 厂l 呱，s sr l m i 其中：吒一入口匝道调节率； a 0 一在匝道i 进入快速路并通过路段的车辆比例，因此0s 口百s1 ； 留唧，j 一第j 个路段的通行能力： ，一第个入口匝道最小调节率； r m a x , ，一第j 个入口匝道最大调节率。 定时控制方法建模简单，计算方便，但只是一种理想的数学模型，没有考虑 到交通状况随时间的变化对控制解的影响，因此不具有实用性。定时控制是一种 静态调节方法，不需要实时的交通信息，算法简单，因而控制系统容易实现、成 本低，主要应用于周期为1 0 至3 0 分钟的时间间隔。 定时控制的主要缺点是：不能适应交通状况的快速变化，对交通事故、突发 的交通事件，系统缺乏相应的处理能力【刎，虽然城市快速路的交通状况变化具有 一定的规律性，但也具有很强的随机性和不确定性，从而使得定时控制的效果较 兰1 2 1 1 z o 由于入口匝道定时控制的局限性，许多学者开始研究可以适应交通状况变化 的交通感应控制，其控制系统的构成如图1 4 所示。交通感应控制通过对快速路 1 0 第1 章绪论 的交通参量( 流量、占有率、速度、进出口匝道排队长度等) 进行实时检测，利 用检测到的实时交通信息进行动态闭环最优控制1 2 2 l 【2 3 1 。交通感应控制是根据实时 采集的交通数据，来决定实时变化的入口匝道控制率。显然，相对于定时控制而 言，交通感应控制能够适应实时变化的交通情况，能更好地利用快速路，但交通 感应控制需要检测设备来获取实时的交通信息，系统相对复杂，成本也比较高。 因其控制效果良好，在国外得到广泛地应用。 口一 口 一一旦一一= = = 一一l 遵暨一i 1 d 一 口 地面道路 团 图1 4 入口匝道交通感应控制系统 志 交通感应控制的分类方法比较多，根据其控制范围的大小又可分为以下三 大类： 1 ) 单( i s o l a t e d0 1 l a e a l ) 匝道控制系统。各匝道控制相互独立，互不影响， 每个匝道都只根据自己匝道周围的局部交通状况来决定自身的控制率： 2 ) 多匝道协调( c o o r d i n a t e d ) 控制系统。每个匝道的控制率不仅仅取决于自 己匝道周围的交通状况，还受其它匝道交通状况的相互影响。多匝道协调控制系 统能综合考虑整个快速路交通系统的运行状况，充分利用快速路的交通资源，从 而使整个快速路的交通系统达到最优； 3 ) 集成( i n t e g r a l ) 控制系统。协调控制系统是指多个采用同种控制方式的 系统之间的相互协作，而集成控制系统是指不同控制方式之间的综合集成，它不 仅包括入口匝道控制，还包括地面道路的信号控制、主线的限速控制、路径诱导 等。集成控制系统是目前快速路控制中最为复杂的系统，也是众多交通学者研究 的热点。 单匝道控制系统是其它类型匝道控制系统的基础，也是快速路交通控制的最 器器器器器灯标测测测测测号告线检检检检检信警 车入出队线合节制 停检检车主汇调控 =口回回口回t 第1 章绪论 基本方法。根据控制参量的不同，单匝道控制系统又可分为需求容量控制 ( d e m a n d c a p a c i t yc o n t r 0 1 ) 、占有率控制( o c c u p a n c yc o n t r 0 1 ) 和可接受间隙汇合 控制( g a p a c c e p t a n c ec o n t r 0 1 ) 三大类 2 4 1 。 可接受间隙汇合控制是利用快速路上车辆间隙，使入口匝道车辆能安全地汇 入快速路主路，当快速路交通量很大时，该控制策略几乎不起任何作用。因而汇 合控制不是一种解决交通拥挤的控制策略，目前很少被采用。 入口匝道控制的分类可归结为图1 5 所示。 图1 5 入口匝道控制算法分类 1 2 3 单匝道控制算法 需求一容量篁法 m 兜a 篁法 智能控制 i i a t t x _ t e 篁法 h e l p e r 算法 甜 硼篁法 瓶颈簋法 智能控制 入口匝道与地面道路 交叉口的集成控制 入口匝道控制与快速路 其它控制方法的集成 通道集成控制 单匝道控制是入口匝道控制系统的基本组成部分，也是最早发展起来且技术 非常成熟的部分，单匝道控制是多匝道协调控制和集成控制的基础。现有的单匝 道控制算法很多，其中具有代表性的算法有需求容量算法( d e m a n d c a p a c i t y a l g o r i t h m ) 、a l i n e a 算法和智能控制算法。 1 2 3 1 需求一容量控制 需求容量算法是以交通量为控制参量，通过调节进入快速路的交通量厂仅) ， 1 2 第1 章绪论 使得进入快速路的交通量厂任) 与上游交通量仅) 之和不超过入口匝道下游的通 行能力口呷，即，取) 一q 唧一( 七) ，从而保证快速路下游主路交通量维持在其通行 能力g 唧的负领域内，以最大限度地利用快速路 需求容量控制策略在北美等国家得到广泛应用，其典型算法如下【2 5 l ： 捌= k c a p - - “d f ，e l s e 蟠 lk 其中，d 删为下游测量得到的占有率，0 。为下游临界占有率( 此时对应的交 通流量最大) ，该控制策略使匝道下游主路交通量始终维持在其通行能力g 呷的负 领域内，当下游占有率d 俐超过下游临界占有率d 。时，采用最小调节率。如 图1 6 所示，需求容量控制方法不是一个闭环反馈控制策略而是一个开环扰动抑 制控制策略，对外在不可测量的扰动非常敏感。 q h快速路00,i _ - - t - 1一1 i 需求容量簋法 1 2 3 2 占有率控制 + lg 。孽 图1 6 需求容量开环控制策略 a l i n e a 是最有代表性的占有率控制方法，它是一种基于经典闭环反馈控制 的匝道控制策略，其算法如下1 2 6 1 ： ，( k ) - r 仅一1 ) + k 月f 一。喇 ) 】 其中：，( 七) 咄时段入口匝道调节率； d 砌( 七) 时段快速路下游测量到的占有率； 1 3 第1 章绪论 0 - 入口匝道下游期望占有率，一般来说它等于临界占有率或略小于临界占 有率； k 詹一调节参数。 根据p a r a g e o g i o u 研究表明，k 足值的大小对系统性能是有影响的，k 胃值越 大，系统调节速度就越快，但调节率波动越大；反之，k r 值越小，系统调节速 度就越慢，但调节率波动越小；当k r ；7 0 v e b h 时可以得到最佳控制效剁2 7 1 。 研究还表明，即使k 矸值在很大范围内变动系统也能保持一个良好的性能，说明 a l i n e a 算法的鲁棒性较好。目前a l i n e a 算法在许多国家都已得到成功的应 用 2 s - 3 0 j 。 a l i n e a 控制算法是一种基于经典闭环反馈控制策略，如图1 7 所示。 口虹快速路 o o ! i 。r i ：d 图1 7a l i n e a 闭环反馈控制策略 该控制算法实现简单，只需要一个下游检测器，算法中参数o 的值可由实际 检测到的占有率流量曲线得到。控制方式比较平缓，当下游占有率超过期望占有 率时，就降低入口匝道调节率；反之，就增加入口匝道调节率。这样就把快速路 匝道下游的占有率维持在期望占有率附近，从而使快速路运行在最大容量附近。 多年实践经验表明，在减少系统的旅行时间和提高车辆的平均速度方面，a l i n e a 算法比定时控制算法和需求容量算法更为有效1 3 l 】。不过a l i n e a 算法没有考虑入 口匝道因排队引起的回溢( s p i l l b a c k ) 现象，通常采用的处理策略是通过设置在 入口匝道前端的检测器来检测入口匝道是否有回溢现象发生，若有回溢现象发 生，则增加入口匝道调节率，直至消除回溢现象。这种控制策略在匝道上游交通 1 4 第1 章绪论 需求和入口匝道交通需求都比较大的情况下，往往会导致回溢与快速路交通拥挤 的反复振荡现象。 1 2 3 3 智能控制 控制理论的发展经历大致可分为经典控制理论、现代控制理论和智能控制理 论三个阶段，经典控制理论和现代控制理论( 一般统称为传统控制理论) 都是建 立在控制对象的精确模型基础上的，对控制目标的描述也比较简单，如保持稳定 的输入、输出；在给定的性能指标下求最优化等。虽然鲁棒控制、自适应控制等 方法能够在一定程度上适应系统模型的不确定性，不完全依赖控制对象的精确模 型。但是，对于复杂的高非线性交通系统，传统控制方法就显得力不从心。 首先交通系统是一个非常复杂的非线性大系统，是一个有人参与的主动系 统，驾驶员的行为必然会对交通系统产生影响，而该影响具有复杂性和随机性， 难以用精确的数学模型加以描述。 其次，突发的交通事件( 如车辆抛锚、货物散落、交通事故等) 更是给交通 系统的建模带来困难。由于快速路上交通流的复杂性、非线性和动态性，采用传 统的控制方法很难取得满意的控制效果。 智能控制不需要建立系统的精确模型，非常适用于非线性强的复杂大系统。 因此许多学者开始将智能控制理论应用于城市快速路入口匝道的控制，并取得了 一系列研究成果，其中以模糊控制、神经网络控制的应用最为广泛。 1 ) 模糊控制：2 0 世纪8 0 年代，c h e n 提出了单个匝道口的模糊控制问趔3 2 l 。 t a y l o r 和m e l d r u m 将模糊控制应用于s e a t t l e 高速公路的匝道控制，算法采用了5 个检测器，分别检测8 个交通变量，使用的模糊控制规则为1 9 条，现场实验表 明模糊控制比定时控制和需求容量控制的控制效果都好1 3 3 j 模糊控制的优点在于它不需要控制对象的精确数学模型，同时可利用各位专 家的经验，允许不精确的数据输入，能有效地克服原始数据的误差问题。 模糊控制的缺点在于模糊规则的获取比较困难，控制参数的设定需要大量的 工作，且不具备在线学习功能；对于多个匝道控制，其模糊规则将呈指数增加， 这是导致模糊控制没有成功地推广到多个匝道控制的原因。 2 ) 神经网络控制：神经网络是模拟人脑的自学习功能，具有很强的非线性映 射能力，具有三层或三层以上的神经网络可以逼近任何非线性函数。文献1 3 4 、 【3 5 对神经网络在入v i 匝道控制上的应用进行了研究，研究表明神经网络控制能 第1 章绪论 取得很好的控制效果。 神经网络控制的优点在于它的自学习能力，能直接应用于非线性系统，不需 要对非线性系统进行线性化。 神经网络控制的不足之处在于神经元数目的确定没有一个合理的标准，对实 时性要求较高的交通控制系统来说，其学习时问相对较长，难以满足匝道控制的 高实时性要求。 1 2 4 多匝道协调控制 单匝道控制仅根据自身匝道周围的交通状况来确定入口匝道调节率，而没有 考虑快速路上其它入口匝道交通状况的相互影响。事实上，快速路各匝道间的交 通状况是相互影响，互相作用的，因而人们开始研究多匝道协调控制算法。早在 1 9 6 5 年w a t t e r w o r t h 就提出多匝道定时控制策吲1 6 1 ，把多匝道协调控制问题看成 是在快速路主线流量约束和入口匝道排队约束等条件下的线性规划( l p ) 问题。 该定时控制方法只是一种理想的数学模型，对预防快速路常发性交通拥挤有一定 的作用，但实际快速路系统与上述的理想假定系统有很大的差别： 首先，交通需求不是恒定的，而是不断变化的，尤其是在特殊