（模式识别与智能系统专业论文）基于十里河路段智能交通诱导方法研究.pdf

摘要 摘要 快速路的拥堵已成为城市交通面临的重要问题 其成因是多方面的 主要有 快速路交通负荷超过其通行能力 突发交通事故 进出口匝道不畅等 通过匝道 调节 主线速度控制 可变信息板诱导等策略可以有效缓解交通拥堵状况 本文 以北京市三环路十里河路段为背景 研究将匝道控制和基于可变信息板诱导相结 合的交通控制和管理策略应用其中 以缓解该区域交通拥堵问题 论文的主要工 作包括如下几个方面 首先 对分钟寺匝道的数学模型和道路结构特征进行分析 得出该匝道可采 取分时段的匝道和主线同时控制的结论 再根据快速路交通流的数学模型具有复 杂 非线性的特点 提出主线和匝道的两相位分时模糊控制 其次 为配合这种特殊主线控制方案 考虑了驾驶员的视觉与车速的关系 驾驶员的行为习惯和具体路况等多个因素 采用了三级逐级引导 保障把要控制 的车辆引导进入控制区域 第三 采用神经网络模型对交通流进行短时预测 并根据预测数据采用三种 交通拥堵自动判别算法融合判断交通拥堵状况 向周边路网发布信息 同时提供 经过该路段的预测旅行时间 关键词 快速路 匝道控制 交通诱导 短时预测 北京工业大学工学硕士学位论文 i i 宣薯i i i i i i i i i i i i 宣i i i 1 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i 鼍 a b s t r a c t t h ef r e e w a y sc o n g e s t i o nh a sb e c o m eo n ep r o b l e mf o ru r b a nt r a f f i c t h ec a u s e s l i ei ns e v e r a lw a y s s u c ha st r a f f i co v e r l o a d s u n e x p e c t e da c c i d e n t s c o n g e s t i o ni n e n t r a n c ea n de x i tr a m p a n ds oo n a c c o r d i n g l y t h ep r o b l e mm a yb ee f f e c t i v e l y r e s o l v e db yr a m pm e t e r i n g m a i nl i n es p e e dc o n t r o l a n dr o u t eg u i d a n c ew i t hv a r i a b l e m e s s a g es i g n s b a s e do nt h ec o n d i t i o no fs h i l ir i v e rs e c t i o no fb e i j i n g st h i r dr i n g r o a d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n ts t r a t e g i e sb yc o m b i n a t i o n o fr a m pc o n t r o la n dr o u t eg u i d a n c ew i t hv a r i a b l em e s s a g es i g n s t oi m p r o v et h et r a f f i c c o n g e s t i o ni nt h er e g i o n t h es t u d yw o r ki n v o l v e sf o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s f i r s t l y t h e m a t h e m a t i cm o d e lo f f e n z h o n g s ir a m pa n dr o a d s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e dw i t ht h ec o n c l u s i o nt h a tt h et i m e s h a r i n gr a m pa n dm a i n l i n em a yb ec o n t r o l l e ds y n c h r o n o u s l y t h e nt h em a i nl i n ea n dr a m p sc o u p l e p h a s e t i m e s h a r i n gf u z z yc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t ya n d n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co f h i g h s p e e dw a y st r a f f i cs t r e a mm o d e l s e c o n d l y t h i r d c l a s sg u i d a n c em e t h o da r ei n t r o d u c e dt om a t c ht h es p e c i a lm a i n l i n ec o n t r o ls t r a t e g y a n dt oi n s u r et h a tt h ev e h i c l e st ob ec o n t r o l l e da r eg u i d e dt ot h e c e r t a i nr e g i o n s b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ef o l l o w i n gf a c t o r s t h er e l a t i o n b e t w e e nv e h i c l ev e l o c i t ya n dd r i v e r sv i s i o n d r i v e r sb e h a v i o rh a b i t sa n dc o n c r e t e t r a f f i cc o n d i t i o n f i n a l l y t h en e u r a ln e t w o r km o d e li su s e dt of o r e c a s tt h es h o r t t e r mt r a f f i cs t r e a m b a s e do nt h ef o r e c a s td a t a t h r e ek i n d so fa u t o m a t i cj u d g ea r i t h m e t i ca b o u tt r a f f i c c o n g e s t i o na r ei n t e g r a t e dt oe s t i m a t et h ej a ms t a t u s t h e nt h ei n f o r m a t i o ni sp u b l i s h e d t os u r r o u n d i n gr o a d sa n d t a r g e tt i m et op a s st h r o u g ht h er e g i o ni sa l s os u p p l i e d k e yw o r d s f r e e w a y r a m pc o n t r o l t r a f f i cg u i d a n c e s h o r t t e r mf o r e c a s t i n g i i 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 也不包含为获得北京工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 签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 导师签名 遗 鸟日期 掣多 第1 章绪论 i i i i i i i 置i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣i 宣i 萱i i i i 萱i i 置i i i i i i i i i 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 纵观世界上的发达国家 在其经济高速发展进程中 都曾经历过交通拥堵这 个阶段 这是历史发展的一个必然阶段 我国目前也正处于这个时期 路年递增 不足4 车年递增超过1 0 供需矛盾不断激化 交通拥堵日益严重已成为不争 的事实 北京 上海等大城市交通拥堵问题尤为严重 1 1 1城市快速路拥堵的原因 1 城市道路结构的不合理现有城市道路交通系统模式的基础是城市道 路的级配结构 在这个级配结构中将城市道路分为四级 快速路 主干路 支干 路 支路 国际上通行的城市道路级配结构是金字塔形的 即四级道路的比例为 l 2 3 6 n 而我国城市道路的结构不是这样 特别是北京市 由于市区路网 稀 即主干路 支干路 支路配备不够 在快速路上车流散势必会集中在几座立 交桥上 而快速路网的特点是车流积累速度快 一旦发生车流积累速度超过车流 消散速度的状况时 其结果正是交通堵塞 2 车辆的迅速增加据2 0 0 5 年统计 北京市在过去的5 年时间里 新增 机动车1 3 6 万辆 预计2 0 1 0 年将达到3 5 0 万辆 市区交通已出现饱和 修建立 交桥 快速路都是为了解决非饱和交通问题 一旦道路饱和 由于快速路上没有 交通信号灯 缺少交通流量调控的基本手段 交通拥堵是在所难免的 3 快速路进出口的无序城市快速路的主要功能为承担城市组团间长距 离的通过性交通 但其作为城市道路网的一部分 同时也为道路沿线用地的集散 性交通服务 因此 城市快速路一般需要设置主 辅路来实现不同的交通功能 快速路辅路设置后 主 辅路之间的交通联系主要靠主 辅路间的出入口来实现 在北京市 快速路还与高速路相联结 成为高速路上车流的主要集散路线 我国 的城市快速路的出入匝道口为全部不控制 这些地方就是北京交通的秩序乱点和 堵点 这种秩序混乱造成通行能力下降 局部交通拥堵在快速路上迅速扩散 最 终影响整个路网的畅通 4 立交桥下交叉口拥堵北京快速路上的立交桥下聚集着大量等待疏散 的车辆 这些地方大多数是车多路少通行能力不足 在这种情况下 由于一次绿 灯无法放空路口积累的全部车辆 以路口信号绿波带协调为主要手段的各类信号 1 北京工业大学工学硕七学位论文 i i 控制系统其效果受限 这就形成了只要遇立交桥就拥堵 不论是桥下还是主路 1 1 2 解决问题的方法 如何解决这一难题 最直接 最彻底的方法那就是加快相配套道路的建设 这样做不仅受许多条件的制约 如密集城区有限土地资源的限制 资金限制及短 时间无法实现等 而且 随着城市车辆进一步增加 在逐步改善快速路进出1 3 道 路之后 城市就会出现第二阶段的交通拥堵 这就是在城市的快速路上普遍出现 了交通拥堵现象 目前 北京正处于第二个交通拥堵局面之中 即交通高峰期二 环路 三环路都处于交通拥挤的局面 平均时速常常在1 0 公里 时左右 这 个交通拥堵现象又会促使人们得出一个新的结论 必须增加快速路的道路密度 以提高快速路的通行能力 按照这个推论 当城市汽车数量越来越多时 快速路 的道路密度也越来越高 这样循环下去就会演绎成 增加支路和支干路比例的努 力将导致减少支路和支干路比例的结果 增加快速路比例的努力将导致减少快速 路比例的结果 最终会陷入到 道路悖论 中不能自拔n 1 因此建设道路不是解 决交通拥堵的最佳办法 目前行之有效的方法是充分利用现有的道路设施 引入智能交通控制系统 以提高道路设施的使用效率 随着自动控制 计算机和通讯技术的发展 将交通 控制和交通诱导相结合的交通智能管理会逐渐成为解决快速路运行的主要手段 本文以十里河路段为研究背竟 根据十里河路段的道路结构和现有设施 进 行交通信号控制 交通信息动态显示与交通诱导综合的智能交通控制的方案设计 的研究 1 2 快速路匝道控制的研究现状 1 2 1匝道控制简述 匝道控制的主要方式有两种 匝道调节和匝道关闭 匝道调节是在匝道上使 用交通信号灯对进入快速路的车辆实行计量控制 它以快速路主线交通流为控制 量 以匝道入口流量为系统的输入量 通过寻求最佳入口匝道流量 使得快速路 的交通流处于最佳状态 匝道关闭分为高峰时段或交通事故关闭和永久性关闭 其定义为不允许辅路 的车辆进入快速路主线 保障快速路不拥堵 2 第1 章绪论 1 2 2 国外研究现状 国外对快速路的交通控制起始于上世纪5 0 年代 大都借用高速路的控制方法 对快速路进行控制 主要有入口匝道控制 主线控制 进出口匝道控制以及辅路 控制等 其中匝道控制应用最广泛 效果最好 按照控制算法分类 大体上有固定配时调节和匝道感应控制两种方案 固定 配时调节是根据历史统计数据 利用线性规划优化方法求解调节率 实现开环控 制 它属于静态调节方式 匝道感应控制是在匝道上设置感应检测器 根据实时 检测到的信息 以快速路主线的通行能力为约束条件 将主线上的交通密度控制 在略低于临界密度 实现动态闭环控制 按控制匝道数量分类 又可分为单匝道局部控制和多匝道协调控制 匝道局 部控制常常采用的方法有三种 需求一容量差额控制 占有率控制 查 a l i n e a 控制 其中a l i n e a 算法是p a p a g e o r g i o u 等在1 9 9 1 年提出的 这种算法已在在巴黎 阿姆斯特丹 慕尼黑以及格拉斯哥等地应用 效果良好 多匝道协调控制的算法较多 最有代表性的为动态最优控制算法 在a l i n e a 控制上扩展的m e t a l i n e 控制算法以及系统网络联动控制 1 2 3 国内研究现状 国内对高速公路和快速路匝道控制方法的研究起步较晚 随着城市快速路交 通拥堵越来越严重 近两年的研究逐步多了起来 但大多数进展都是在国外研究 的基础上 提出一些修正和改进 也有一些提出了自己的思路 其控制方法主要 分为 模糊控制 基于宏观交通模型的入口匝道协调控制和入口匝道的神经网络 控制等 1 3 交通诱导的研究现状及发展趋势 按照诱导信息发布的空间分布不同可以将城市交通诱导系统分为车内诱导 系统和车外诱导系统 车内诱导系统通常有交通广播系统 热线电话服务和车内 显示终端等 驾驶员通过它们了解行车前方的交通状况 为驾驶员制定出行计划 以及选择行驶路径提供参考 车外诱导系统主要有电话 电视 寻呼机 个人数字助理 因特网以及可变 信息板 v a r i a b l em e s s a g es i g n s v m s 等 电视和交通广播一样是最早使用的信 息发布技术之一 而电话 寻呼机 个人数字助理等方式都有其技术难点没能被 3 北京工业大学下学硕士学位论文 广泛使用 目前使用更多的还是因特网和公共信息亭等信息查询方式 它可以方 便出行者在出发前了解各种实时信息 制定相应的出行计划 可变信息板是一种随交通 道路 气候等状况的变化而改变显示内容的标志 可显示道路状况 交通状况 气象状况以及其他内容 显示形式可以是文字 数 字 符号或图形等 既是 种信息发布手段 又是一种交通控制策略 目前车外诱导系统主要是通过可变信息板来发布诱导信息 向驾驶员提供道 路交通状况信息 路况 拥挤程度 排队长度 交通事件等信息 为交通拥挤 路段提供替代路径 指引驾驶员避开拥挤 使驾驶员选择最佳路线 达到路线畅 通 安全行车 目前国内外许多城市已有的智能交通系统 i t s 中都配有交通诱导系统 而 v m s 也得到了广泛的运用 国内外对动态交通诱导系统的研究情况总的来说分为 系统开发 诱导理论 布点方法三方面 交通诱导系统及其理论发展都已相对比 较成熟 完善 但多停留在静态诱导领域 在动态诱导领域的动态交通分配理论 仍是一个难点 1 3 1国外研究现状 可变信息板在路网交通管理中的作用早已被世界上许多国家所重视 尤其是 美国 英国 日本 澳大利亚等发达国家 在美国 v m s 作为一种交通监控策略使用已经有很长的历史乜1 2 0 世纪7 0 年代以后 无论是城市道路 还是高速公路和城市快速路 都已经广泛地使用 s 例如 美国菲尼克斯高速公路管理系统就是1 9 9 0 为亚利桑那州运输部设计 了一个地区性的高速公路监视和控制系统 这一系统包括主线及匝道检测 闭路 电视监控 匝道仪控 可变信息板 首要目标是最大限度地利用现有和规划中的 高速公路基础设施 2 0 0 3 年 由h u y n h n a t h a nc h i u y i c h a n g m a h m a s s a n i h a n is 等人研究提 出并评价了在实时交通运输管理路网找到可变信息板最佳地点的算法程序 该程 序在一个相对短的时间 找到解决数学规划模型的算法 程序靠的是一种启发式 引导研究和基于仿真的动态交通分配模型 以评估算法的有效性 为对所建立的 算法和程序进行评估 在美国的沃斯堡进行了四套实验 最终证实了算法的有效 性嘲 英国在v m s 信息发布方面做了大量的研究 m i l l e r 等人研究v m s 发布信息 最大相位不应超过两个 他们提议用单相位 原因是驾驶员反映 当有大量拥堵 车辆停在视线范围内 了望条件不好 其他分心的东西存在或者信息板放在相对 4 第1 章绪论 的一侧时 很难读多屏信息 d u d e k 等人在1 9 8 1 年做了一系列的v m s 发布频率 的实验 他提出这样的问题 一个两相位信息到底应该以慢的频率发布以便驾驶 员驶过时可以读取一次信息 还是以快的频率显示以便驾驶员驶过时可以读取两 次信息 在他做的众多实验中 其中一个实验表明 对两相位信息 最多4 个字 或两个单位的信息可以以每秒两个字的速度最快显示 而没有任何损失 在另一 个实验中 他利用模拟交通负荷条件进行实验 目的是确定重复发布信息和不重 复发布有何不同 基于他在实验中的分析表明 在一个相位中即使有足够的时间 重复显示信息 也没有必要重复显示 虽然重复显示的确比不重复更能保证使驾 驶员看清信息 但是在相位时间有限的情况下 重复显示就意味着显示时间被缩 短 所以重复的优点被简短的显示时间这一缺点抵消h 日本是最早在城市快速路交通管理中使用可变信息板的国家之一 其研究和 应用水平相当成熟 日本对v m s 的布设位置一般根据实际地形 经验和当地的土 地利用布局进行安装 v m s 通常设置在路口以前适当位置 使驾驶员在看到标志 之后行驶至路口之前有足够的反映时间 日本在快速道路网使用v m s 的典型例子就是东京的首都快速道路交通控制 系统 在7 0 年代 开始使用的是文字式v m s 后来到了8 0 年代 使用图形式v m s 以图形的方式来动态显示路网内的服务水平等交通信息 对交通实施诱导 到了 9 0 年代 系统已经能够提供行程时间 拥挤警告 通过拥挤区域所需时间等信 息 使得道路使用者和道路管理者对紧急事件的响应更加迅速 更加灵活 高架桥上使用的图形式v m s 分为两类 大板和小板 小板设置在大板之前 以保证驾驶员能够正确理解大板的内容 标志的固定信息部分采用反光材料 动 态部分 道路的交通状况 则用l e d 点阵表示 其中红色表示堵塞 橙色表示拥 挤 红闪的 x 表示事故 红 x 表示道路关闭 路网由一定数量的路段单元 组成 每个路段单元表示的实际路段长度约为1 公里 信息刷新周期为1 分钟陌1 目前 以规范图形来设计v m s 用颜色来表示路网中的服务水平已成为日本的国 家标准 2 0 0 5 年 澳大利亚w o n j a i m u l e e s o o i1 l e e s o o b e o m 等人提出基于遗 传算法以延误最小来确定可变信息板的最佳布设地点 根据对成本与效益进行经 济分析得出可变信息板的最佳布设数目 为了反应实时状况 仿真考虑了交通量 的变化 事件发生频率和持续时间 以及交通转换瞄吲 1 3 2 国内交通流诱导系统 我国从2 0 世纪8 0 年代中期开始建设高速公路 1 9 8 8 年突破零的历史 并 5 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 开始在沈大等高速公路中使用v m s 进人9 0 年代后 国内愈加重视高速公路和 城市快速路的交通监控和管理 v m s 也得到了更大范围的应用 从理论研究方面 来看 我国的v m s 系统研究和开发处于起步阶段 已有学者进行了有关理论研究 如同济大学的杨佩昆 陈建阳等学者提出了动态路线导行系统 此外还有上海科 委 八五 重点项目 上海交通路线引导系统导行系统 等研究 但是总的来看 与v m s 系统研究密切相关的交通信息传输网络 交通路线引导系统的测试系统 路线引导系统技术等支持技术的研究还很薄弱 上海的 申 字型高架道路是该市的主要交通通道 分担了全市2 0 以上的 机动车交通 为了保障高架道路网的畅通和安全 引导交通流在路网中更合理的 分布 同济大学与上海市市政工程管理处对整个高架道路网的监控进行了研究 提出了上海市高架道路交通监控系统方案 其中的v m s 系统构成了监控系统中的 a t i s 系统 向驾驶员发布实时的交通诱导信息 延安路高架示范工程中首先在 高架路及相关地面道路上设置不同规模的文字式v m s 或图形式u s 对车辆进行 多方位实时诱导 以缓解高架道路的拥挤程度 充分发挥其快速道路的作用 上 海外环线 a 2 0 公路 监控系统工程中 安装a 型情报板1 9 块 单色8 块 双色9 块 全彩色2 块 f 型情报板1 9 块 单色1 1 块 双色8 块 口1 北京市二环路内已建成2 9 块室外显示屏 2 块车载移动显示屏 在王府和 西单两个主要商业区建设了9 7 块停车诱导电子显示牌 控制2 1 个停车场 3 6 0 0 多个停车位碡1 国内大部分v m s 的安装位置距交叉口很近 不一定能达到理想的 诱导效果 尤其是当事故很严重或不能迅速处理时 v m s 就不能充分发挥其诱导 作用 1 3 3 发展趋势 综上所述 v m s 作为一个解决动态交通分配问题的设备 在国内外许多城市 得到广泛的应用 但是关于 s 具体的布点 信息以怎样的形式发布的研究都处 在实验阶段 发达国家对v m s 的研究起步较早 也取得了比较显著的成果 但是 它涉及到的技术较多 投入较大 仅靠单一的机构来研究开发是不现实的 因此 以国家机关 民间企业 特别是汽车 电子企业 学术团体紧密配合 通过协作 完成项目的研究 开发和实施是其研究方式的发展趋势 再就是通过信息发布的 诱导途径对驾驶员能起到多大的作用 明显的与被诱导者的受教育程度 心理以 及行为习惯等不可控因素有很大的关系 这也是今后的一个研究方向 另外 在技术方面 y m s 在今后发展中主要解决的问题如下 1 在通讯设施局部受损或发生故障的境况下 如何保障信息仍能准确无误 6 第1 章绪论 i i i 的发布 2 如何更简单的避免b r a e s s 矛盾效应 提高系统效率 使路网能被更充 分利用 所谓b r a e s s 矛盾效应是指如果被诱导的车辆都接收到相同的交通信息 它们会被派遣到相同的 以前不拥挤的道路 这条道路可能很快变的拥挤 交通 甚至更糟 3 如何让信息简明 清晰 易懂 使之在我国更广泛的被应用 4 如何更有效的使用可变标牌 1 4 本文研究的主要意义和内容 1 4 1本文研究的意义 城市交通信号控制系统和车辆的线路诱导系统是现今城市道路交通流实时 管理的两大主要途径和手段 随着一些技术的成熟 如计算机技术 信息采集 数据通信等用户端和执行级产品的开发和应用 各种车载设备 数字地图 自动 收费系统 车辆安全系统 可变标志 路边标杆以及先进的检测系统将纷纷投入 使用 为以基于路网实时路况信息的车辆线路诱导系统和路网信号控制系统为中 心的中央控制系统研究和应用打下了坚实的基础 而这一方面恰恰是当前研究的 薄弱环节 交通诱导系统的主要功能是根据当前路网上的交通流量和状况及路网上行 驶的或将要进入路网的车辆的目的地 经过优化计算 为每辆车提供最佳的行驶 路线 同时根据交通参数的预测 应用基于交通检测装置的自动判别方法 a c i 实现道路交通状况的自动判别 向路网中有关的动态可变信息板发布诱导信息 使路网上的交通流量均衡 最充分的利用路网的综合通行能力 达到缩短辆车行 驶的距离 减少行驶时间的目的 交通控制系统是利用计算机软件和先进的控制理论 通过对路网上的交通信 号灯的配时方案进行优化控制 使路网上的车辆有序流动 保证被控范围内道路 的通畅 从控制手段上讲 交通控制是通过对交通信号灯相位的直接控制 从而 达到对车辆的行或停的强行控制 使现有的道路通行能力得到充分的发挥 减少 交通堵塞的发生 缩短旅行时间 目前国内的研究大都停留在只研究信号控制或者是车辆路径诱导 特别是快 速路匝道的研究就更是如此了 当前大多数的控制研究是将入口匝道控制 主线 控制 辅道控制等分开孤立地进行 很少考虑它们的相互影响与相互作用 就更 别谈匝道控制和交通诱导相结合了 7 北京t 业大学工学硕士学位论文 本课题研究的对象为北京市十里河路段 十里河桥位于三环路东南拐弯处 在它的南边与京津塘高速路相连 从高速路进入三环路匝道口的车流与从南向东 主路上的车流在此形成交汇点 另外 十里河桥下交通拥堵使得三环主路车流无 法消散 形成每天交通高峰时的三环主路方庄桥到国贸桥的从南到北的交通拥堵 该路段高峰时期的交通流为饱和交通流 一旦道路处于饱和状态 单纯的信 号控制就无法解决 为了避免该现象的出现 就应在此之前向与之相关的路口发 布信息 引导车辆不进入该路段 北京市三 四环路上相似结构的路段有十一处 因此 解决好十里河路段交通问题对于解决快速路的拥堵问题具有普遍意义 1 4 2 本文研究的主要内容 本论文以十里河路段为研究背竟 根据十里河路段的道路结构和现有设施 为缓解交通拥堵研究智能交通控制策略 它包括交通信号控制 交通信息动态显 示和交通诱导 主要研究内容为 1 首先根据实际背景引出了城市快速路匝道的控制和诱导问题 根据实际情 况设计控制和诱导的总体方案 2 根据互通立交系统合流区通行能力模型 以及信号控制对道路的基本要 求 分析分钟寺桥匝道结构特征 确定匝道入口的控制方案 以及为配合控制对 车道的划分及诱导牌的设置 3 根据十里河地区路网情况确定感应检测器的个数和位置以保障数据采集 的合理性 根据诱导系统的体系结构和特点 确定了基于交通参数短时预测的诱 导系统总体方案 并对其主要功能 动态交通数据预处理 短时交通量预测以及 道路交通状态自动判别 a c i 的算法进行讨论 设计各主要算法的流程 最后对本论文进行总结 并指出下一步的工作 第2 章快速路入口匝道控制及诱导策略 第2 章快速路入口匝道控制及诱导策略 2 1整体方案的论述 目前对快速路网的研究 或者侧重于匝道控制器的优化设计 或者偏重于路 线诱导 一般很少考虑这两种控制策略对系统的综合影响 在正常繁重的交通需 求下 通过匝道控制能缓解快速路的拥挤状况 提高快速路的性能 但当快速路 受突发事件 高峰小时大流量冲击时 匝道控制对缓解交通拥挤的能力就有限了 如果仅采用匝道控制或路线诱导 效果不一定理想 只有同时采用两种控制策略 才能解决问题 本课题研究的十里河路段正是高峰时间交通流量处于饱和 解决 该问题的方法为匝道控制和交通诱导相结合的智能控制 其解决方案框架结构如 图2 1 所示 图2 1智能控制系统的体系结构简略图 f i g 2 1i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r eb r i e fm a p 2 1 1京津塘高速与三环交汇路段交通状况 三环路是北京重要的交通主干道之一 每天约有6 0 9 6 的车辆经过 分钟寺桥 位于东三环与南三环交界处 即是京津塘高速的起始点 也是终点 道路结构如 图2 2 所示 虽然分钟寺桥附近住宅小区不多 但是周边家具城及建材城较多 在大力开发南城的口号下 由此再往西南建设了许多大型住宅小区 这里居住的 9 至三些奎茎三茎些圭 兰 苫 图2 2 分钟寺桥至十里河桥周边道路 f i 9 2 2s u r r o u n d i n gr o a d s f r o m f c n z h o n g s ib r i d g e t os h i l i h e b r i d g e 大多都是年轻人 并在北部地区上班 他们都是开车族 另外京津塘高速在此汇 合进入三环路 过往车辆众多 驾驶员对此地区路况不熟悉 再由于地理环境和 道路设计的不合理 分钟寺桥的辅路不是紧靠主路 而是绕行 虽然从分钟寺桥 到十里河桥走主路和辅路分别约为11 2 公里和1 3 2 公里 相差不多 但是该路 段标志不清晰让司机感到不安 几乎选择主路行驶 车辆只要上主路 就只有过 了分钟寺桥以后 才有出口上辅路 而分钟寺桥下桥与十里河上桥之间只有大约 5 0 多米 再加上经过此处的公交车线路多达2 0 几条 在此并道 造成直行的车 辆无法行走 被堵在后面 另外从京津塘高速下来的车辆要进入三环主路 行成 堵塞 图2 3 为实景拍摄的交通拥堵状况 图24 为拥堵示意图 图2 3 分钟寺桥交通拥堵实景拍摄图 f i 9 2 3 t r a f f i c j a r a s l i v e m a p o f f e n z h o n g s i b r i d g e 耄譬詈兰全 暑耋 篁墨譬 图2 1 4 分钟寺桥交通拥堵示意图 f i 9 2 4 t r a f l l c j a m ss c h e m a t i c d i a g n u no f 岫f e n 曲o n g s i 删d 肚 分钟寺周一至周五拥堵时段为早高峰 并且持续时间长 主要是上班出行造 成的 周末多从上午十点左右开始 这是北京市民到此购买家具造成的 2 1 2 分钟寺桥匝道结构特征 分钟寺桥路段京津塘高速路与三环快速路采用的是常见的高架桥联结方式 即互通立交系统 图2 5 为互通立交系统上匝道合流区示意图 圈2 5 互通立交系统上匝道合流区示意图 f i g 2 5 i n t e m h a o g es y s t e mr a m pc o n v e r g e n c ez o n es c h c m a t i c d i a g r a m 北京t 业大学工学硕士学位论文 合流区内交通流量无论如何分布其必须遵循如下约束条件妇1 1 车辆转化车道时 目标车道有足够的安全车头时距 2 每一车道的交通量不能超过该车道作为同等道路条件的基本路段的通行 能力 b f c 3 匝道交通量不超过匝道通行能力 r c 并且匝道车辆汇入交通量不能超过 最大汇入能力c 一 c m 戤 j c x c l x 2 1 其中 c 石 k o f f t x g o x d x 2 2 式中 工 加速车道长度 c z 匝道合流区加速车道x 处能汇入主路l 车道的最大交通量即通行 能力 g f x 主干道车流间隔为t 时上匝道合流区加速车道x 处车流能够汇入 主路的交通流 f t x 上匝道合流区主线1 车道x 出车头时距分布的概率密度函数 k x 上匝道合流区主线1 车道x 处的交通流 这些约束变量如图2 6 所示 图2 6 互通立交系统合流区交通量示意图嘲 f 培 2 6m a r i es c h e m a t i cd i a g r a mo fi n t e r c h a n g es y s t e mr a m pc o n v e r g e n c ez o n e 互通立交系统合流区通行能力模型为线性规划模型阻3 c m a x 咯1 2 l 珞2 1 2 第2 章快速路入口匝道控制及诱导策略 r c c 一 咋l b f c 2 b f c 咋1 2 咋2 b f c 珞l l b f c 咋l 咋1 2 咋 b f c 式中 互通立交合流区上游主路1 车道的交通流量 互通立交合流区上游主路2 车道的交通流量 互通立交合流区匝道的交通流量 咋 合流区内主路1 车道变换车道汇入2 车道的交通量 职 主路1 车道没有变换车道的交通量 k f 匝道汇入合流区1 车道的交通量 由此可见分钟寺桥京津塘高速路匝道汇合路口为可控匝道 最佳控制方案采 用分段控制 当c 幻嗍时 不控制 当c k c m 缸时 采用控制 由于经过分钟寺桥的车辆 有很大部分是去往该地区家具市场的 必须经过 十里河桥下的交叉口 该交叉路口的结构不合理严重的影响车辆通行 拥堵严重 常常使得三环主路的车辆出主路难 出现车流回益现象 如果仅对分钟寺桥匝道 采取控制而不对三环主线控制 那么匝道上的车辆排队长度会较长 影响京津塘 高速路的通行能力 因此采用对匝道和部分主线车道采取控制 三环主线只对外 侧两条道路进行信号控制 而中间两条车道不受控 始终保持通行 中间用白实 现隔开 控制方案为两相位模糊控制 在对快速路主干道路进行信号控制时一定要注意以下问题 主干道是否有 足够的停车空间 车道标示一定清晰 驾驶员不易产生违章行为 对这种特 殊路段一定要有明显易懂的引导标示 引导牌一定要简单明了 不易产生误解 本文采用三级预报逐级引导 图2 7 为现行的京津塘高速出口与三环交汇点实拍图 从图中可见 为了避 免三环主路车辆与高速路出口进入三环的车辆发生冲突 在此之前三环路行驶车 道已由四车道变成三车道 实际上已造成此路段最大允许车流量减少 阻碍了三 虿 銮茎 銮圭茎篓兰圭 环路畅通行驶 在改为信号控制后 将此车道作为停车等待通行信号区域 由此 可见 三环主干道有足够的停车空间 因此 可以设置信号控制装置 对匝道和 部分主线进行两相位分时段控制 图2 7 京律塘高速出口与三环交汇点实拍图 f i g2 7 l i v e 呲po f m e e f i 雌p o h l t o f e x p o r th i 加 删b e 0 g 币柚j l n 抽 m d t h e t h i r d r i n g 图2 8 为改进后的京津塘高速入口匝道控制示意图 在三环主路和高速路八 r a 匝道分别设置信号控制 采用分段控制 当c 虹曲时 不控制 减少停车次 数 当c 虹一时采用两相位绿灯延时模糊控制 匣2 8 改进后的京津塘高速入口匝道控制示意图 f i g 2 g i m p r o v e dr a m pc o n h o ld i a g r a mo f h i g h s p e e d 8 e i j i n g t i 删i n t a n g g u 2 13 动态诱导信息牌的设置 从图2 9 可以看到 在分钟寺桥周边没有可利用的道路对主路车辆进行分 1 4 盏 譬盒 暑 量 流 特别是从南三环去往东三环的辅路被京津塘高速路隔开 要解决该路段交通 拥堵问题只能采用将匝道控制和实时动态可变信息牌的群体诱导相结台的智能 控制方法 引导车辆避开拥挤路段 充分利用其它可选路径的剩余通行能力 加速 已有的排队消散和减少不必要的匝道捧队 本文的匝道控制主要是指京津塘高速 进入三环的匝道与主线相结合的模糊控制 调节进入快速路的车流量 h t 1 1 h 0 1 i r 图2 9 分钟寺至十里河周边路网 f i g e 2 9 t h es t n m t m d i n gr o a d n e t w o r k f r o mf c n z l l o n g s i i o s h i l i h e 为了疏导高峰时期的交通流 缓解交通的拥堵状况 现将十里河路段划分为 三个区域 即三环主路 京津塘高速路以及其周边路两 交通诱导牌主要设置在周边道路的交叉口前和京律塘高速路段 如蒲方路 口 紫芳路口 左安门桥下交叉路口以及二环路主路上 京津塘高速出口 通往 五环和四环路口前 该信息牌上显示两类信息 分钟寺桥至华威桥交通状况 畅 通 轻微拥堵 中度拥堵和严重拥堵 通过此路段预计旅行时间 但不显示 最佳选择路径 因为该地区没有联网的城市干道 都是一些次干道 一旦提供最 佳路径就不可避免地出现b r a e s s 矛盾效应 造成新的拥堵点 2 2 快速路匝道控制 2 21 快速路匝道控制方法综述 入口匝道控制方法按自动控肯悝论可分为传统控制和智能控制 按入口匝道 1 5 北京工业大学工学硕士学位论文 宣i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i 萱i i i i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i 鼍 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 e s t r a t e g i e s t i m e o f d a yc o n t r 0 1 和交通感应控制 t r a f f i cr e s p o n s i v e c o n t r 0 1 两大类 0 1 1 定时控制 定时控制的入口调节率是固定的或是根据一天内各时段的 变化而预先设定的 不需要实时的交通信息 通常根据历史数据估算得到的 早在1 9 6 5 年w a t t l e w o r t h 就提出定时控制方法n 们 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n 段 每段最多只有一个入口匝道和一个出口匝道 第j 个路段流量g 的稳态模型为 g i 1 刀 2 3 i 0 最优控制策略如下 m a x j 2 4 j 1 s t a p q c a r w 式中吒 入口匝道调节率 r n u n j 馘 口 在匝道f 进入快速路并通过路段 的车辆比例 因此o a t 1 q c a p 第j 个路段的通行能力 r m i n f 第j 个入口匝道最小调节率 第j 个入口匝道最大调节率 此方法建模简单 计算方便 但只是一种理想的数学模型 没有考虑交通量 随时间变化的影响 不具实用性 2 交通感应控制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2 1 0 所示 交 通感应控制通过对快速路的交通参量 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 交通 感应控制可分为需求一容量控制 占有率控制和可接受间隙汇合控制3 类n 1 1 在 此只讨论前两类 1 f 第2 章快速路入口匝道控制及诱导策略 口一 d 一 一 旦 t i n j 壁 錾萤龟 一旦 一 一 凸一 d 夕 图2 一1 0 入口匝遭交通感厦控制系统 f i g 2 10r a m pt r a f f i cs e n s o rc o n t r o ls y s t e m 需求一容量控制 需求一容量控制是以交通量为控制参量 通过调节进入快速路的交通量 七 使得进入快速路的交通量r k 与上游交通量g 加 尼 之和不超过匝道下游的通行 能力q 泖 即 尼 g 唧一日加 后 从而保证下游主路交通量维持在其通行能力g 印 的负领域内 以最大限度地利用快速路 需求一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n 幻 嗽 卜 g d乡 如仃 2 5 r m i a e l s e 式中 口删 为下游测量得到的占有率 d 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日 的负领域内 当下游占有率d 超过下游临界占有率d 时 采用最小调节率 显然 该控制 方法不是一个闭环反馈策略而是一个开环扰动抑制策略 对外在不可测量的扰动 非常敏感 占有率控制 a l i n e a 是最有代表性的占有率控制方法n 1 3 1 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 后 七一1 五0 1 6 一d 七一1 l 2 6 1 7 东嚣器器罱器灯标测测测测测导告缝捡缝捡捡缝信警车入出队缝台节制溶捡缝窜王汇璃控 匝渤回q回 昔 北京工业大学工学硕士学位论文 式中 后 后时刻入口匝道调节率 6 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 o k 一1 前一时刻下游占有率 k 尺 调节参数 根据p a r a g e o g i o u 研究表明 k r 值的大小对系统性能是有影响的 k r 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 r 时可以得到最佳控制效果n 2 1 研究还表明 即使k 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 该控制算法实现简单 只需要一个下游检测器 算法中参数6 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 但是这种方法只考虑控制某一种交通状态 如a l i n e a 控制方法只是对占有 率进行控制 使其能够达到期望值 交通流量一通行能力控制策略也只是通过对 于道上的流量进行控制来保证对干道容量的充分利用 高速公路上的交通状态如 车流速度 密度 流量 匝道排队长度等等都是相互影响的 只考虑某一种状态 会影响控制效果 因此感应控制方法对高速公路上 由意外事件引起的偶发性拥 挤的控制效果不明显 3 动态最优控制动态最优控制能够很好地解决上述问题 j a y a k r i s h n a n 和l e v i n s o n 用这种方法对高速公路交通状态进行控制n 4 1 6 1 仿真 结果表明 该方法对突发性交通事故的控制效果非常显著 其主要控制策略是以 交通通行能力为约束条件 将主线交通流密度限制在临界密度的负邻域内 以总 行程时间最小化为目标函数的非线性最优控制 也有人选用其它的控制策略 把 行程时间 排队和限速作为约束条件 如考虑一条包含n 个路段的高速公路 其 动态交通最优的目标函数可以写成 j 目 反 七 v