现代交通控制中的高速公路控制

1 现代交通控制 现代交通控制指先进的控制理论与方法 系统 控制设备和高新技术在道路交通控制系统中的综合 应用 是海量交通综合信息采集 传输 处理 应 用和控制决策指令执行的全过程 同时现代交通控 制特别强调利用信息的潜在功能 将信息的应用前 端提前到个人 车辆和企业运输出行以及大型社会 活动的安排 1 1 与传统交通系统的对比 对比传统交通控制系统 现代交通控制的通信 系统传输速度更快 传输质量更高 传输容量更大 传输距离更长 传输成本更低 传输可靠性更强并 且通信站点数量更多 1 2 现代交通控制的应用技术 1 先进的系统控制理论的应用 2 先进的计算机技术 通信与检测技术的应用 3 先进的计算机仿真技术的应用 4 先进的信息处理技术和多源 多层次的信息来源 5 硬件平台标准的应用 6 先进的交通控制软件的应用 1 3 交通控制研究角度的变化 注重控制机的开发转到对控制设备的开发和设 备问互换性的研究 从宏观交通模型的开发到研究 宏观与微观交通模型的匹配 从单一检测设备的应 用到对各种先进的信息检测设备的研究等 信息的 检测范围从只考虑对交通流信息的检测到对影响交 通的所有信息的检测等 针对这些变化 充分把握 现代交通控制的特点 将传统的研究和开发交通控 制的方法进行调整 将更有利于交通控制的发展 2高速公路的管理内容 高速公路安全设施和道路监控系统两大类交通 工程发挥了重要作用 交通安全设施是静态保障系 统 监控系统则是动态保障系统 实施高速公路交 通控制是高速公路安全 畅通的保障 是高速公路 区别于一般公路并能有效地使高速公路基础设施功 能充分 2 1 高速公路交通控制流程 高速公路交通控制由以下三个流程构成 一是 信息采集 即实时采集变化着的道路交通状态 包 括 交通信息 气象信息 环境信息 异常事件信 息等 二是信息分析处理 包括 分析 预测交通 运行状态 交通异常事件 对已经发生或可能发生 现代交通控制中的高速公路控制现代交通控制中的高速公路控制 于寒松 北京交通大学 北京 100044 E mail 10212055 摘 要 介绍了现代交通控制的相关概念和相关的技术 并且强调了交通控制研究角度的转变 简要介绍了现 代交通控制中的主要技术 并且探讨了高速公路的交通控制内容与流程 然后详细介绍了高速公路控制中的 控制与管理系统的总体结构并详细解释了每一层次的功能 之后解释了计算机网络系统结构 策略与发展趋 势 关键词 现代交通控制 交通控制转变 高速公路交通控制 高速公路交通控制总体结构 计算机网络系统 趋势 The highway control of modern traffic control Hansong Yu Beijingjiaotong University Beijing 100044 E mail 10212055 Abstract Modern traffic control concepts and related technologies and emphasized the changes in the angle of the traffic control research a brief introduction of the main techniques in modern traffic control and discusses the content and process of highway traffic control Then details the overall structure of the control and management system in the control of the highway and a detailed explanation of the function of each level and then explain the structure strategy and development trend of the computer network system Key Words Modern traffic control traffic control changes highway traffic control highway traffic control overall structure computer network systems trends 的异常事件制定处置预 案等 三是信息提供 包括对高速公路上正在行驶 的车辆提供道路交通状况信息 对行驶车辆发出限 制 劝诱 建议性指令 对交通事故和其它交通异 常事件的处理职能部门下达处置指令 对信息媒体 或社会提供高速公路 图1 高速公路交通控制流程示意图 2 2 高速公路交通控制与管理系统的总体结构 高速公路控制与管理系统是分层次的分布式大 型综合控制与管理系统 通过各种不同的设备连接 在一起 实现各部分信息的共享和协调工作 从而 完成综合控制与管理功能 高速公路控制与管理系 统的计算机网络和通用的计算机网络既有一致的方 面 又有特殊的要求 首先 它是一个实时网络 高速公路控制与管理系统的计算机网络需要根据现 场通讯的实时性 在确定时限内完成信息的传送 这个时限是根据控制过程的实时性要求来确定的 其次 它也是个管理信息网络 高速公路控制与管 理系统的所有管理信息 收费信息 人事信息 办公 信息 财务信息 路面养护信息等 都需要通过该计 算机网络来传输 高速公路控制与管理系统的发展 方向是管理和控制一体化 一方面向交通控制现场 数据采集设备 可变情况板 限速板 收费数据等 发 展 另一方面向交通管理的高层 运营计划 路面养 护计划 收费管理 交通调度 统计分析 交通控 制等 发展 特别是近几年来开放式系统体系结构的 发展 各种网络通讯规约的标准化 逐步克服了过 去各种计算机系统不能互相通讯的 孤岛 现象 这种高速公路交通控制与管理系统使得交通管理部 门的自动化水平大大提高 不仅能控制和管理某个 交通设备 而且也能控制和管理整个区域的交通设 备 使得整个区域的交通状况得以改善 提高交通 量 减少交通事故 高速公路交通控制与管理系统采用了如图l的系 统结构 每一层作为上一层的基础 接受上一层的 控制和管理指令 同时将控制结果 各控制参数和 管理信息返送到上一层 各层完成的功能如图所示 图2 高速套路变通控制与管理系统结构 第一层 数据采集和控制层 是整个高速公路 交通与控制系统的最低层 这一层直接与交通设备 相连 完成以下功能 交通信息采集 道路交通 量 道路占有率 车辆速度 车型分类 车辆间 距 天气信息 道路截面的温度 湿度 风力 雾天能见度等气象信息 收费信息 各收费车道 的收费资料 交通控制 控制车道控制器 可变 情况板 限速板 路面养护信息 特定点路面参 数 弯说 变形 局部裂缝 平整度 磨耗等 第二层 通讯链路层 提供相应的通讯线路 保证交通信息的相互传递 用光纤 微波组成的 开放式交通管理信息网络 采用 TCP IP NETBEUI IPX SPX等标准网络协议 用光纤 微波或双绞线组成的开放式交通控制网络 采用RS232 RS485 BITBUS CAN BUS等工业标 准协议 第三层 交通管理层 给高速公路交通控制与 管理中心提供交通控制信息 同时给各职能部门提 供交通管理信息 收费管理 办公管理 财 务管理 路面养护管理 路征管理管理 交 通调度计划管理等 交通实时信息管理 交通量 天气等 第四层 交通控制决策层 用高级应用软件分 析整个高速公路的交通信息 提供交通控制和管理 的策略 交通量特征分析 速度 密度 流量特 征分析 车辆跟踪特征分析 车道分布特征分析 以及交通量预测 事故预测 分析 处理等安全 分析决策 交通控制策略的选择 主线控制 进 口或出口控制 交通走廊控制 2 3 高速公路交通控制与管理系统的计算机网络系统 结构 高速公路交通控制与管理系统是分层次的分布 式大型综合控制与管理的交通管理系统 是建立在 计算机网络基础上的 可以说 计算机网是高速公 路交通控制与管理系统的核心 所以一个高速的 可靠的 实用的 分层次的和分布式的计算机网络 系统是高速公路交通控制与管理系统的保证 图3 高速公路交通控制与管理系统的计算机网络 系统结构 2 4 高速公路的交通控制策略 本交通拥挤是高速公路交通控制所要解决的主 要问题之一 为尽量避免和减少交通拥挤 必须采 取相应的措施 如果扩建现有的公路 当然可以提高 通行能力 但通常要受到经济 环境等条件制钩 一般是不可行的 为此 应开发和推广各种控制与 管理措施 更加合理地利用现有高速公路资施 避 免常发性拥挤 及时地处理消除偶发性拥挤 使高 速公路始终运行在畅通 安全的状态 保证其应有 的服务水平 目前高速公路采用的交通控制策略主 要有人口匝道控制 主线控制 通道控制等 此外 还有一系列管理措施 1 建公路入口匝道控制 高速公路人口匝道控制 一种应用最广泛的控制 策略 其基本目标是控制高速公路的交通需求 在 高峰交通量期间控制进人高速公路的车辆数目 使高 速公路交通流能运行在最佳状态附近 其本质是应 用最优控制理论 求解最优人口流量 使特定的性 能指标最优 同时满足特定高速公路交通流量模型 及各状态变量上下界的约束 人口匝道控制可采用 匝道定时调节控制 匝道系统控制 匝道感应交汇 控制和匝道封闭几种方法 1 1 匝道定时调节控制 匝道定时调节控制是在匝道上使用交通信号灯 根据已有的交通流检测数据 把一日分为若干个时 段 每个时段内交通流状况近于不变 在每个时段 内采用一组不变的八日流量 对进人车辆实行计量 控制 匣道 交通量的范围在正常交通量和某个合 理最小变通量之间 其目的是为改善高速公路主线 的交通状况和保证车流汇合时的安全 有效 1 2 匝道系统控制 匝道系统控制就是将一系列匝道集中起来作为 一个整体统一考虑控制的系统 其限流根据整个系 统的交通量与通行能力之差确定 与匝道定时调节 控制相比 匝道系统控制的 优点是能够兼顾整个系 统 1 3 匝道感应交汇控制 匝道感应交汇控制 就是在高速公路主线上和 匝道上安装检测器 根据实时检测数据信息 通过 控制器或中心计算机确定适时的最优人口调节事 它可以预防和消除常发性拥挤及偶发性拥挤 1 4 匝道封闭 匝道封闭通过道栏或交通标志等 在高峰交通 流量或特殊情况下把某些人口匝道关闭 匝道封闭 缺乏灵活性 缺点多于优点 一般情况下不宜采用 2 高速公路主线交通控制 高速公路主线交通控制就是当道路交通需求接近 通行能力时对主线上交通流进行调节与诱导 使之 比较均匀 稳定 这种主线控制对常发性和偶发性 交通拥挤都是有效的 常用的主线控制l方法有主线 调节 速度控制 车道使用控制设驾驶员信息系统 等 2 1 主线调节 主线调节主要是根据输入的交通需求和上游的 通行船力 对经由主线入口进人高速公路控制路段 的交通实行控制 使该段下游高建公路能保持期望 的服务水平 或对载客率较高的公共汽车 合用客 车给予优先通行权 2 2 车道使用控制 车道使用控制不仅是一种紧急控制手段 而且也是 合理分流车辆 减少拥挤 提高道路通行能力和向 公共交通 合用车辆提供优先服务的手段 常用的 有 a 车道关闭控制 当某车道上发生交通事故或安排 施工作业时 暂时关闭该车道 措施是在车道上方 显示红 标志 根据需要设置路栏等 b 可逆车道变向控制 在交通高峰期间 交通量会 呈现较大的方向不平衡性 为了 有效地利用道路空间和通行权 把反方向的某一条 车道临时用作逆向车道 井通过交通标志发生车道 变向信息 c 专用车道控制 为鼓励乘用公共交通工具 降低 高峰期间的交通总需求 在高峰时间里从同方向或 反方向的车道中辟出一条车道作为专用车道 高峰 时间过后 可恢复为通用 2 5 高速公路交通控制系统的发展趋势 交通控制系统的控制策略经历了从静态到动态 从局部到全局的发展历程 对于高速公路来说 全 局 动态是解决高速公路交通问题的主要手段 我 们不难看出 高速公路如采用静态控制策略 实现 较为简单 但控制效果不理想 如遇到突发事件 交通控制系统根本无法适应 高速公路动态控制虽 然有较强的适应能力 但设备众多 实现复杂 交 通控制系统的实时性和鲁棒性都需进一步的提高 由于我国高速公路的建设起步较晚 其设计能力 远大于目前的交通量 道路本身的调节能力比较强 虽然匝道控制的静态控制设计方法比较简单 但通 过和交通量预报相结合的静态控制方案比较适合我 国高速公路的控制现状 交通控制理论随着自动控制理论的发展而不断 进步 因为 自动控制理论本身也是一门新兴的学 科 它涉及数学 计算机 信息 电子等众多领域 交通控制系统是将自动控制理论 检测技术 通信 术以及视频技术等在交通领域进行综合应用 交通 控制理论的发展是随着上述学科的发展而发展的 特别是随着自动控制理论的发展而发展 自动控制 理论发展6o多年来 经历了经典控制理论到现代控 制理论 又发展到现在的智能控制 交通控制理论 也从当初的定时控制 发展到全局动态 并朝智能 化的方向发展 而复杂的交通控制问题 凭单一的 控制模式 仅采用数学工具或计算机仿真是难于解 决的 人们在实际控制过程中看到熟练的调度人员 技术人员或专家均能较好地控制交通 如果把调度 人员 技术人员或专家的经验知识和控制理论相集 成 就相当于人直接参与交通控制 使控制效果达 到或超过人的管理水平 这种方法就称为智能交通 控制 是当前和今后交通控制发展的方向 智能控制器具有分层信息处理和决策机构 它 实际上是对人的神经结构或专家决策机构的一种模 仿 在复杂的大系统中 通常采用任务分块 控制 分散的方式来处理 智能控制的核心在高层 它对环境或过程进行 组织 决策和规划 实现广义求解 要实现此任务 需要采用符号信息处理 启发式程序设计 运用知 识表示及自动推理和决策的相关技术 这些问题的 求解与人脑思维接近 低层控制也是智能控制系统 中不可缺少的一部分 一般采用常规控制 智能控制器具有非线性 这是因为人的思维具 有非线性 作为模仿人的思维进行决策的智能控制 也具有非线性特点 智能控制器具有变结构特点 在控制过程中 根据当前的偏差及偏差变化率的大 小和方向 在调整参数得不到满足时 以跃变方式 改变控制器的结构 以改善系统的性能 智能控制器具有总体自寻优特点 由于智能控 制器具有在线特征辨识 特征记忆和拟人特点 所 以 在整个控制过程中 计算机在线获取信息和实 时处理并给出控制决策 通过不断优化参数和寻优 控制器的最佳结构形式 以获取整体最优控制性能 由此可见 智能控制系统适合于含有复杂性 不完 全性 模糊性 不确定和不存在已知算法的生产过 程 而高速公路交通控制系统的动力模型 就是具 有上述的特性 现在许多学者都致力于智能交通控 制策略的研究 虽然智能控制理论本身还处于发展 阶段 但交通控制的研究表明 智能控制是解决交 通控制问题的有效途径 同时通过在交通控制系统 中的应用反过来促进智能控制理论的发展 下面简 要介绍在交通控制系统中具有广阔应用前景的变结 构智能控制 模糊控制和神经元网络控制 2 6 高速公路交通控制具体应用举例 一 建立高速公路交通控制与交通管理共用信息 平台 共用信息平台首先是规划概念 在系统规划阶 段明确逐步扩展系统各部分之间的相互衔接关系 确定接口和功能衔接要求 共用信息平台也是管理 控制概念 在系统建设阶段明确的目标 可以通过 投资建设要求等方式加以保证 共用信息平台又是 一种技术概念 以此提供系统整合的技术依托 二 开发高速公路交通事