《交通管理与控制》第14章 快速道路交通控制系统

快速道路交通控制系统14.1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。

14.1.1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25000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。发展趋势：高速公路的网络化全国高速公路线路14.1.2高速公路的交通问题高速公路主要存在交通拥挤和交通安全问题。

1.交通拥挤问题交通拥挤，是指交通需求（一定时间内想要通过道路的车辆数）超过道路的交通容量时，超过部分的交通滞留在道路上的交通现象。

交通拥挤

交通拥挤

1.交通需求超过容量（图15-1）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因素

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14.1.3解决高速公路交通问题的方法有两种方案可供选择：1、新建高速公路或在原有线路上附加支线，但成本很高。2、对高速公路上的交通情况进行控制，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。

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14.2高速公路交通控制的基本概念与参数1、道路通行能力（1）基本概念

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，均采用等效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

同一地点相邻两车辆经过的时间间距称为车头时距。

（6）车头间距

同一时间相邻两车车头之间的距离称为车头间距。

2、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%位车速速度是用来表示交通通畅程度的量，当交通量的实际速度比较高时，认为交通比较通畅，而当实际速度接近于0时，认为交通出现严重拥挤或堵塞。3、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称为时间占有率。4、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/车道车流密度接近饱和状态>42辆小客车/km/车道车流密度过饱和状态5、其它(1)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。(2)通行能力与服务水平计算

理想最大通行能力是通过对各种类型道路进行观测，取得大量实测资料，绘制车速—流量关系曲线图进行标定估计，其曲线峰值为理想最大通行能力。

当确定了道路理想最大通行能力后，可求出相应的交通量与通行通力比值（q/Ca）。根据实际道路条件、交通条件和管制条件确定各种影响因素校正系数。将理想最大通行能力乘以（q/Ca）得到道路最大服务流量，再乘以各种影响校正系数，即可求得现在道路对应的某一服务水平。14.3高速公路匝道控制

14.3.1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

交通模式必须合适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调节方法：A

定时控制感应（动态）调节B

汇合控制D

整体定时控制C

14.3.2入口匝道定时控制

1、入口匝道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。2、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。(15-3)

匝道调节率r还要受下列条件约束：d(veh/h)--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。

15.3.3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15-3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下游的占有率进行实时测量来估算下游剩余容量Δqc，再来确定入口匝道的调节率。

占有率控制反馈控制入口匝道感应控制的方法有14.3.4汇合控制

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15-4。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。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（调节率约为4～5veh/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14.4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。14.4.1性能指标和调节率的算法入口匝道整体定时的控制是基于交通流每日变化大体一致，因而可以把一天划分为若干时段（大约每段为15min或更长），在一个时段内交通流近似于均匀，可以认为是稳态，进而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。

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下游的容量，按照某种性能指标，在每时段确定一组最佳调节率（常数），使各路段交通状况总体最优。1、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。14.4.2控制算法的建模与求解

总行程时间=道路行驶时间+匝道排队等待时间

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。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下限约束2、约束条件路段容量约束条件3、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。

(15-5)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；4、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，求个匝道的最优调节率。

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。5、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。其流程如图15-6。14.5高速公路主线控制

14.5.1主线控制概述

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