高速公路交通控制讲义总结（139页）

1、高速公路交通控制 1 高速公路的交通特性及存在问题 高速公路定义：4车道以上、双向分隔行驶、完全控制出入口、全部采用立体交叉的公路。 高速公路概述 山区高速公路平原高速公路 我国交通部“公路工程技术标准”规定，高速公路是指“能适应年平均昼夜小客车交通量为25,000辆以上，专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路”。 一般能适应120公里/小时或者更高的速度，要求路线顺畅，纵坡平缓，路面有4个以上车道的宽度。中间设置分隔带，采用沥青混凝土或水泥混凝土高级路面，为保证行车安全设有齐全的标志、标线、信号及照明装置；禁止行人和非机动车在路上行走，与其他线路采用立体交叉、行人跨线桥或地道通过。高速公路

2、主要存在交通安全交通拥挤 问题1）交通拥挤1.交通需求超过容量2.不受限制的入口匝道3.出口匝道排队4.收费站收费交通拥挤的分类运行因素 几何因素 1.车道减少2.交织路段短3.道路横断面窄4.标志短缺5.视线不良6.互通式立交不合标准 1.事件和交通事故2.不利的气候条件3.作业区影响市区高速公路最常见的偶发性问题 常发性交通拥挤偶发性交通拥挤交通需求超过容量驾驶员的判断错误公路的几何特征交通量增大车辆故障交通流的相互作用险恶的气候条件驾驶员不熟悉高速公路驾驶方法2）交通安全问题安全问题安全问题3） 解决高速公路交通问题的方法有两种方案可供选择： 新建高速公路或在原有线路上附加支线，但成本很

3、高。 对高速公路上的交通运行进行控制，成本仅占公路全部投资的5%10%。 高速公路的交通控制，就是对一些主要交通参数，如交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞度以及交通状况、路面状况和气象参数等进行实时观察和测量，根据交通参数及交通条件的历史数据或实时采集的数据，按照某种预定的性能准则来调节高速公路上的交通参数，从而使公路自动地保持最佳的运行状态。 高速公路的交通控制对策常发性交通问题的控制策略高速公路的交通控制策略偶发性交通问题的控制策略偶发性交通问题控制策略：消除或防止引起事件的原因，管理好事件邻近地段的交通需求，并使高速公路尽快恢复到正常服务水平。监视系统事件服务系统驾驶员信息系统控制交通

4、需求控制通过几何改善来提高通行能力管理旅行需求主要技术：1、入口匝道控制2、高速公路干道控制3、优先通行权控制4、通道控制常发性交通问题的控制策略2 高速公路交通控制的基本概念与参数1）道路通行能力 在一定的道路、交通状态和环境下，单位时间内（良好天气情况下），一条车行道或道路的某一段面上能够通过的最大车辆数量，也称为道路（交通）容量，简称容量，单位是veh/h。 车辆多指小客车，当有其他车辆混入时，均采用等通行能力的当量小客车为单位。2）平均交通量 某一时间段内交通量的平均值作为该时间段的代表交通量。一般包括年平均日交通量、月平均日交通量和周平均日交通量。3）高峰小时交通量（PHT） 在观察

5、时段内交通量最大的那个小时，称为高峰小时，该小时的交通量称为高峰小时交通量。一般高峰小时都按整点计算。4）设计小时交通量 第30位最高小时交通量是最合适的。5）车头时距 相邻两车辆经过同一地点的时间间距称为车头时距。6）车头间距 同一时刻相邻两车车头之间的距离称为车头间距。 7）速度 速度是单位时间内车辆行驶的距离。车速分地点车速、行驶车速、区间车速、时间平均车速和空间平均车速等。 85%位车速 15%位车速8）占有率和密度 占有率有空间占有率和时间占有率之分。 在观测路段长度内，行驶车辆总长度占该路段长度的比例称为空间占有率。 在一定时段内，全部车辆通过某一断面所需时间的累计值占该时段的比例

6、称为时间占有率。9）服务水平 该标准通常以行驶的通畅程度，行驶的自由度、连续性、方便性、舒适性和安全性等来表征。 高速公路运输的服务水平包含了行程速度、交通流量、交通密度等指标。A级B级C级D级美国将高速公路基本路段的服务水平划分为6级E级F级8辆小客车/km/车道车流密度自由流12辆小客车/km/车道车流密度低密稳定流19辆小客车/km/车道车流密度中密稳定流26辆小客车/km/车道车流密度高密稳定流42辆小客车/km/车道车流密度过饱和状态10）服务流量 在通常道路条件、交通条件和管制条件下，在给定的时间周期内保持规定的服务水平，合理地期望车辆通过一条车道或道路某一断面的最大小时流量。3

7、高速公路匝道控制 3.1 入口匝道控制概述 入口匝道控制的基本原理就是限制进入高速公路的车辆数目以保证高速公路自身的交通需求不超过其交通容量。 高速公路出/入口高速公路立交匝道增加高速公路实际通行能力（增加匝道整体的驶入量）减少高速公路主线上行驶车辆总的行程时间减少通道内全部行驶车辆的行程时间在高速公路主线和入口匝道上，消除或减少车辆中的冲突和事故改善交通流的平稳性，减少车辆的不舒适感和环境干扰1、入口匝道控制的目标入口匝道控制的目标是上述的一个或全部在通道区域内必须有可供使用的附加容量（即可替换的路线、时段或其他运输方式） 在入口匝道上应有足够的停车空间可供等待匝道交通信号的车辆使用 交通模

8、式必须适合在高速公路下游出口处必须有可能利用的容量 匝道与主线有足够的交织区且视距良好 2、入口匝道控制的条件 匝道调节 在匝道上使用交通信号灯对进入车辆实行计量控制，也可通过收费站的收费车道开放数来调节进入高速公路的车辆数 。匝道关闭 匝道关闭可通过自动路栏、交通标志、人工设置隔离墩把某些入口匝道关闭。 3、入口匝道控制方法入口匝道控制入口匝道的关闭 匝道关闭就是对所有交通都实行关闭，不允许车辆进入高速公路，维持高速公路不拥挤。 匝道关闭分：永久性关闭；在高峰期以及偶发性拥挤期短期关闭.永久性关闭主要用在立交非常接近、交织问题十分严重的地方，永久性关闭方法一般缺点多于优点。只在下述几种情况下

9、可以考虑使用匝道关闭：1）由于大雾、大雪等异常天气，导致高速公路失去通行能力。2 ）入口匝道上游的高速公路的交通需求已达到下游道路容量，而可替换道路上还有足够的容量可供使用。3 ）潜在进入高速公路的车辆很少。4 ）在入口匝道上没有足够的停车空间。 匝道关闭方法自动路栏关闭设立关闭标志人工设置路栏 在关闭匝道控制中，要解决的关键问题是关闭时机的选择，需要采集高速公路上的交通流量数据及气象数据，以经验数据为参考，综合判断匝道关闭的时机。入口匝道调节方法：A定时控制感应控制B汇合控制C整体定时控制DA、入口匝道定时控制 定时控制是指根据历史情况的调查掌握交通流的统计情况，把一天划分为若干时段。假定每

10、个时段内，交通流状况基本不变，以此作为依据来确定每个时段内一组不变的入口调节率，使某项性能指标最优。 路面标记定时控制系统包含信号灯控制器检测器 在定时控制系统中，匝道信号以固定的周期运行，周期中红黄绿信号的配时取决于所使用的调节形式是单车调节还是车队调节。（1）单车调节 匝道调节信号配时规定在每个绿灯时段只允许放一辆车进入高速公路。（2）车队调节 当要求调节率大于900veh/h时，必须采用每周期允许两辆或两辆以上的车辆进入高速公路，称这种方式为车队调节方式。 周期内各灯色间隔时间还要取决于所使用的车队调节类型，即串行的或双列的。 串行调节：在这种方式下，车辆是一辆接一辆放行的，因此要有足够

11、长的绿灯加黄灯时间，以便允许每个周期内要求放行的车辆均能通过。 双列调节：在这种方式下，每个周期并列放行两辆车。双列调节可以达到的最大调节率约为1100veh/h。 入口匝道调节率主要依据匝道上游需求、下游容量、匝道需求以及调节率的上下约束条件、道路条件等因素来确定，主要用于预防高速公路上的常发性拥挤。 匝道调节率r(veh/h)的计算公式为 r = qc - qd (15-1) qc (veh/h)为匝道下游容量; qd (veh/h)为匝道上游交通需求。匝道调节周期长度C(s)为(15-2) n为每个调节周期允许进入的车辆数，n=1，2，3。匝道调节率r还要受下列条件约束：d(veh/h)

12、-匝道到达率T（h）-时段长度PMAX-匝道上允许的最大排队车辆数P0-匝道上初始排队车辆数Rmin-调节率下限值，一般取180veh/hRmax-调节率上限值，单车调节900veh/h，车队调节为1100veh/h。 B. 入口匝道感应控制 以交通量实时检测数据为依据来确定匝道调节率，因而能响应交通流的随机变化。 感应调节系统构成如图所示 为了实时反映车辆构成、气候条件等因素对交通流的影响，增加感应调节系统的适应性，可在系统中安装用来确定交通组成和气候条件的检测器。 实时比较匝道上游交通量和下游容量的基础上选择匝道调节率，其目标是更好地利用有效道路容量。 交通需求-通行能力控制对匝道的上游或

13、下游的占有率进行实时测量来估算下游剩余容量qc，再来确定入口匝道的调节率。 占有率控制入口匝道感应控制的方法有C. 汇合/交汇控制 汇合控制是一种微观控制方法，以安全为控制原则 汇合控制的基本目标是通过使入口匝道车辆最准确利用高速公路间隙来完成合流，改善高速公路交通流的分布及运行。 汇合控制方法是当检测到外侧车道车流间隙长度不小于可插车间隙时，才允许匝道车辆进入高速公路，这样能保证匝道车辆及时安全汇入高速公路车流中。 汇合控制系统实现的入口匝道调节率完全取决于检测到的主线车流间隙数目。 检测高速公路上的可插间隙 估计这个可插间隙到达入口匝道汇合点的时间 引导匝道车辆进入这个可插间隙汇合控制运行

14、的工作过程汇合控制系统可插间隙汇合控制系统移动汇合控制系统1）可插间隙汇合控制构成如图 某个绿灯时间允许通过的车辆数取决于可插间隙的大小。 最小可插间隙是指两个相随的车辆的车头间隙时间足够一个入口匝道车辆汇合进入的最小车头间隔时间。天气条件高速公路和入口匝道的几何形状车辆加速特性驾驶员水平交通条件影响最小可插间隙的因素停在匝道信号灯前的车辆到达汇合点预计行驶时间可插间隙移动速度放行时间的计算依据 汇合地点到间隙/速度检测器之间的距离2）移动汇合控制 利用匝道左侧面带有绿色光带的显示器，向匝道车辆提示高速公路外侧车道的可插间隙移动情况。车辆跟随光带的移动，则有助于掌握加速度和速度，有利于顺利汇合

15、。 移动汇合控制模式移动模式适合于高速公路流量较小的情况停车的可插间隙模式随着高速公路交通量的增加，速度下降到某值时，此时控制系统换用停车的可插间隙状态定时调节模式当高速公路流量继续增加，超过某一标准，该系统转为定时调节方式3）可插间隙和需求容量控制 匝道调节率按照交通需求容量差额原理来确定，但以此调节率放行的匝道车辆要与可利用的可插间隙相符合。4）汇合控制系统的评价汇合控制系统与交通需求容量差额感应调节系统比较如下: 汇合控制可得到比较平滑的交汇运行，车辆由匝道调节信号处到达交汇区所需时间短 汇合控制的匝道车辆放行是根据检测到的可插间隙来确定的，因而控制运行方式没有规律，排队等待时间较长（调

16、节率约为45veh/min），违章车辆率较高 需求容量差额感应调节可得到较高的调节率和较大的入口匝道容量 当驶入匝道具有良好的加速车道等几何形状时，采用定时调节、需求容量差额感应调节，可获得良好的经济效果，无需采用汇合控制系统 对于因视距不良、加速车道、坡度缺陷等造成的交汇困难的高速公路，采用汇合控制是有利的 汇合控制需增加较多设备，系统成本昂贵4 入口匝道整体定时控制 入口匝道定时整体控制是指每个入口匝道定时调节时必须对其上、下游匝道运行的相互依赖性给予考虑。 这时，各个匝道的调节率是根据整个系统的交通需求容量差额来计算的。1)概念 基本假定： 入口匝道整体定时的控制是基于交通流每日变化大体

17、一致，在一个时段内交通流近似于均匀，可以认为是稳态。 根据实际情况把高速公路分成若干段，每段内交通流近似认为稳定均匀。 方法概述： 建立一个描述交通流状态只随道路空间变化的稳态模型，然后根据主线和各入口匝道的交通需求和每个入口匝道的下游容量，按照某种性能指标，在每时段确定一组最佳调节率，使各路段交通状况总体最优。性能指标 要达到系统总行程时间最小，既需要车速尽量高，又要求在匝道处排队等待时间尽量小。 2)控制算法的建模与求解 在稳态入口调节系统中，总行程时间最小等价于总驶入量最大。 总行程时间 = 道路行驶时间 + 匝道排队等待时间 舒适性也可采用总服务流量最大主线入口流量匝道排队容量调节率上

18、下限约束约束条件路段容量约束条件建模 其性能指标和约束函数一般均为线性，可表述为一线性规划问题。T:时段长度；li0:本时段本初始时刻匝道i排队长度；lmax:匝道i最大允许排队长度；rmin,rmax:分别表示第i路段内入口匝道调节率的最 大值和最小值； aij:从入口i进入的车辆到达路段j的百分比；Cj:路段j的道路容量；di:路段i内入口匝道的交通需求；第一路段无匝道 入口,主线始端流量被视为第一匝道口ri调节率； 实例 有一段5个入口匝道组成的高速公路，主线入口的交通需求量为D1=4000veh/h,其余各入口匝道的需求为D2=D4=800veh/h，D3=D5=600veh/h，起始

19、到达矩阵位： 各路段容量为：C1=5400veh/h，C2=4800veh/h，C3=C4 =5200veh/h，匝道最小调节率为240veh/h，最大调节率为960veh/h，若采用系统总行程时间最小指标，求各匝道的最优调节率。 对上述问题建立LP模型如下：将r1=4000 令xi = ri - 240（保证xi 0）化为标准型：应用单纯形法解得：即： 故各匝道允许进入高速公路的交通量总和为2248veh/h。3)基本算法流程 在实际应用中，需要整体考虑的匝道数量不多时，也可采用需求-容量差额控制计算方法，按照“就近调节”的原则，从上游到下游逐一确定各匝道的调解率，也可达到整体最优的效果。其

20、流程如下图。 5 高速公路主线控制 主线控制的对象是高速公路本身即路段上的交通流，通过对高速公路主线的交通进行调节、诱导和警告，达到优化交通流状态的目的。 通过主线控制可以改善高速公路运行的安全和效率，缓解主线上的交通拥挤和交通瓶颈对交通的影响。这种控制对常发性和偶发性交通拥挤都是有效的。 1)主线控制的主要目的保持交通流均匀性和稳定性，增加舒适程度，提高利用率、预防拥挤使瓶颈路段达到最大通行能力改进交通运行，防止冲撞事故保证特殊气候条件下高速公路的运行安全当出现交通事故或因维修而使主线通行能力下降时，要提高道路的使用效率改变高速公路不同方向上的通行能力将驾驶员诱导到交通状况较好的道路上2)主

21、线控制涉及到的几个方面A车道使用控制B警告和诱导C优先控制3)主线控制实现目标的基本原理 依据交通 流模型判断交通 流运行状态 确定控制目 标状态值及控 制方法，使交通 流趋于目标状 态由统计资料或采用交通感应方法获得当前交通流状态变 量值 主线控制方式可以是定时控制，也可以采用感应式控制。 控制配时和等级根据一天时间内的交通流变化规律预先确定定时主线控制 控制变量值是基于实时测量到的现时交通条件下的交通参量感应主线控制主线控制方法4)主线控制方法驾驶员信息系统公共汽车、合用车优先控制可变速度控制可逆车道控制主线调节车道关闭可变速度控制是在高速公路主线上设置可变限速标志来限制行车速度，从而使主

22、线上的交通流的速度能随车流密度的改变而变化，以保证交通流的均匀、稳定，同时还能提高道路通行能力。可变速度控制的主要作用表现在以下几个方面：增加交通量减少追尾事故一种提前报警系统延缓拥挤的出现 改善交通流的稳定性，有助于保证达到最大交通量 依据道路、交通、气候等条件对高速公路主线交通流安全高效运行的限制要求和路段交通流的流量、速度、密度的关系； 确定能够允许的最大交通量下的最佳速度和最佳密度； 采用可变限速标志等方法对高速公路主线交通流进行速度控制。可变速度控制的基本原理最佳目标速度的确定方法有两种：经验统计法；数据模型法。可变速度控制的指标主要是速度指标。可变速度控制策略和方法 主线可变速度控

23、制主要通过主线上交通流的速度在空间和时间上的分布进行控制，以保证交通流的稳定、均匀，或实现将交通流从不稳定状态、拥挤状态调控到稳定状态。 基本依据是实际服务水平和由实测交通状态数据确定的速度流量关系； 目标是使主线交通流流量最大或保持在一定的服务水平上。可变速度控制的基本依据和目标 主线服务水平可以通过将实测的交通流状态变量值与理想的速度流量关系特性曲线对比来确定 交通流运行状态变量与服务水平的关系图路旁无线电广播主线可变速度控制实现方式可变信息标志驾驶员信息系统电子道路交通诱导和控制系统 实现主线可变速度控制的方法是在主线上建立由可变限速标志组成的系统，即在主线沿线上每间隔一定距离设置一个可

24、变限速标志。标志间隔在城市地区一般为2-3km。可变限速标志系统 根据交通状况（拥挤、低速、正常）、路面条件（车道数变化、坡度、弯道、结冰、积雪）及气象条件（雾、雨、雪）的各种组合确定最佳速度目标值， 比较主线实际检测的车流速度值与目标值， 判断当前车流运行状态是否符合控制目标， 若不符合则将速度目标值通过可变限速标志告诉驾驶员，实现对主线可变速度控制。 可变限速标志系统中的每一个可变限速标志都与中央控制室相联中央控制室检测内容包括车速、车队长度、车流密度。 主线交通状况的检测可用设在主车道上的环形线圈检测器来进行，也可以用设在路旁的紧急电话作为事故发生、特殊气候等信息的来源。检测和执行 检测

25、到车队的存在或车流密度过大时，可由控制中心决定速度限制的时间和速度限制值在沿线上的空间序列分布，并自动显示。 主线计算机控制系统主线计算机控制系统由局部控制器和主线控制中心构成 减少了交通事故频率及降低事故的严重程度交通量增大改善了速度分布，使速度偏差控制在714km/h可变速度控制方法的有效性主要表现在： 可变速度控制存在的问题是，驾驶员不认为可变限速标志所显限速值具有约束力；另一方面是在增加关键瓶颈路段的通行能力上，可变速度控制是不太成功的。可逆车道控制 可逆车道控制又称变向车道控制。可逆车道控制的目的在于改变高速公路主线不同方向上的通行能力以适应高峰时某一方向的交通需求。 采用可逆车道控

26、制的条件1）采用可逆车道控制的条件交通需求在方向上的不平衡具有明显的差别交通需求主流与次流在方向必须定期或不定期地经常相互转换上述不平衡交通需求在未来若干年内会继续存在没有其他可替代的或更经济有效的解决方向不平衡交通需求的办法2）可逆车道控制的两种基本运行方式可变向车道运行可逆性单向通行方式 可逆车道控制3）实施可逆车道控制的方法 可逆车道控制技术是使用可移动的交通设施、可变信息标志来改变车道通行方向。这些装置可以由现场人工操作，也可由中央控制室远距离操纵。主线调节控制 主线调节控制是根据输入的交通流和下游的通行能力，对经由主线入口（例如收费站、隧道或桥梁入口）进入高速公路控制路段的交通流实行

27、一些限制的方法，使该路段下游高速公路主线能保持期望的服务水平。 除专门设置主线调节控制设施外，利用设置在主线上的收费站也是实现主线调节控制的主要手段之一。 6 高速公路通道系统控制 通道控制的对象是由高速公路、侧道和其他平行干道所组成的通道系统上的交通流。 高速公路通道系统由高速公路、匝道以及与高速公路相关的侧道、干道、城市街道等组成。以高速公路为核心的、沟通两个或两个以上地区之间交通的道路网络。1）通道系统的概念2）通道控制原理 高速公路通道控制就是对通道系统交通流进行协调、管理、诱导和警告。 基本原理是监测通道系统中所有道路及交叉口，将超载道路上的交通转移到通行能力尚有剩余的道路上去。通道

28、控制系统高速公路监控系统驾驶员信息系统匝道控制侧道控制主线控制交叉口控制干道控制城市道路交通控制区域交通控制的原理、策略和方法目的：通道控制是通过在通道系统内有效地分配和管理交通流，以达到在交通需求与通道通行能力之间获得最佳平衡和充分利用通道通行能力的目的，使整个通道系统处于最佳运行状态。 3）通道控制的目的与特点3）通道控制的目的与特点特点：高速公路通道的通行能力是由高速公路的通行能力和能为高速公路交通需求提供可替换服务的平面道路及交叉口的通行能力组成的。 4）通道控制方式和措施 通道控制可分为限制和分流两种方式。限制控制各道路上的交通需求使其低于通行能力分流把车辆从超负荷的道路上引到尚有剩

29、余通行能力的道路上去 当高速公路上的交通需求超过或接近其通行能力时再用通道分流方法，这样可以提高通道系统的总体运行效率。 当发生常发性或偶发性交通拥挤以及在道路维修情况下，可用通道分流控制方式来缓解或消除交通拥挤。 措施E公共汽车、合用车优先控制A采用临时性分流标志B优化各类道路交通信号配时方案D运用驾驶员信息系统C统筹制定各匝道的调节率通道控制的常用措施 能否有效监测系统内各条线路的交通状态是控制效果好坏的关键因素。 影响通道控制效果的另一基本因素是适当的方法。 按控制对象分，通道控制系统可由下列子系统构成高速公路（包括主线和匝道）控制系统侧道、干道控制系统城市道路交通控制系统驾驶员信息系统

30、交通监视系统中央控制系统5）通道控制系统构成按控制功能分，通道控制系统可由下列设备组成1提供通道系统内各道路运行情况实时信息的检测系统2对上述信息进行处理，在此基础上做出控制决策的中心控制设备3执行控制策略的外场控制设备4连接检测设备、中心控制设备、外场控制设备及车载设备的通信系统6）通道控制战略概念:通道控制战略是指从通道系统整体利益出发，为实现提高通道系统的效率和安全的目的，而对通道控制系统的控制目标、评价指标、系统组成、控制功能、控制结构、控制技术和方法以及控制逻辑的一个优选组合方案。 制定通道控制战略是一项交通控制系统工程。包括下列内容：明确通道控制系统的要求通道系统的设计和综合评价和选择系统设计、实施和管理通道控制战略中的主要技术包括：系统控制技术协调技术通道