CN102289943A - 一种保证高架桥畅通的交通控制方法 - Google Patents

Abstract

一种保证高架桥畅通的交通控制方法，包括以下步骤：(1)建立高架桥主线实时交通状态模型：在每个匝道入口和匝道出口安装信号灯、交通流量检测器，所述信号灯和交通流量检测器均与信号控制服务器连接；一条高架桥被匝道分隔成N个可控单元，N为自然数，以每相邻两个匝道之间的高架桥主线路段确定为一可控单元；(2)基于通行能力-饱和度入口的入道匝口自适应控制；(3)入口匝道控制过程：可控单元i入口匝道的匝道调节信号周期有两个相位，即允许车辆进入高架桥和禁止车辆进入高架桥分别有绿灯和红灯表示，基确定在时段[KT，(K+1)t]内绿灯时间t_g和红灯时间。本发明实时性良好、控制效果良好、适应性较好。

Description

一种保证高架桥畅通的交通控制方法

技术领域

本发明涉及交通控制方法，尤其是一种高架桥交通控制方法。

背景技术

随着城市化速度的加快，机动车日益普及，人们在享受机动车带来的便利的同时，也面临交通拥堵的困惑。因此在现有道路条件下，实施有效的交通控制方法，合理使用现有交通设施，充分发挥其能力，是解决交通问题的有效方法之一。

城市发展后，交通拥挤，建筑物密集，而街道又难于拓宽，平面立交的道口造成车辆的堵塞和拥挤，已经不能满足人们日常出行需求，因此通过修建高架桥可以形成多层立体的布局，以提高车速和通行能力，疏散交通密度，提高城市路网运输效率。城市高架立交桥已成为现代化城市的重要标志，广泛应用于城市道路中的交通繁忙地段。

城市高架桥一般道路等级为城市快速路，具有连续流，大容量，饱和流等交通特性，但城市高架桥面对持续增加的大流量，期望的畅通，快速效果迅速弱化，道路拥堵问题依旧严峻。以杭州的中河-上塘高架为例，全长20.3公里，沿线设5座互通立交及25对匝道，路宽19米，双向四车道，设计断面的最高通行能力为2200辆/小时，但近期据交通管理部门的数据统计，白天7:00-19:00的平均车流量超过3000辆/小时，其中早高峰期间最大的流量可达4000辆/小时，如此大流量，已让高架桥不堪重负，并车流的行驶速度骤降，拥堵问题严峻，因此迫切需要一种保证高架桥畅通的有效交通控制方法。

入口匝道控制作为缓解高架桥拥堵的有效方法之一。入口匝道控制的原理：通过调节入口匝道进入高架桥的交通流量，使高架桥的主线的交通流饱和度处于一定服务水平，从而使高架桥主线交通运行在最佳的状态，满足出行者的出行要求。目前入匝道控制方法主要采用定时控制：该类方法采用固定的控制策略或者根据一天内不同时段预设不同的控制策略，属于非实时控制方法，存在一定的局限性，适应性较弱，控制效果一般。

发明内容

为了克服已有高架桥交通控制方法的实时性差、控制效果较差、适应性较弱的不足，本发明提供一种实时性良好、控制效果良好、适应性较好的保证高架桥畅通的交通控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种保证高架桥畅通的交通控制方法，所述交通控制方法包括以下步骤：

(1)建立高架桥主线实时交通状态模型：

在每个匝道入口和匝道出口安装信号灯、交通流量检测器，所述信号灯和交通流量检测器均与信号控制服务器连接；

一条高架桥被匝道分隔成N个可控单元，N为自然数，以每相邻两个匝道之间的高架桥主线路段确定为一可控单元，每个可控单元路段的长度Δ_i，i＝1，2，...，N，路段交通流运行状态作为控制对象，采样周期为T，连续时间离散化后，t为采样时间，t＝kT，k＝1，2，...，K，第i路段交通流量、交通密度和平均速度分别q_i(k)，ρ_i(k)，v_i(k)，其入口和出口匝道流量分别记为r_i(k)，s_i(k)

${\mathrm{\ρ}}_i(k+1)={\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)+\frac{T}{{\mathrm{\Δ}}_i}[q_{i-1}\left(k\right)-q_i\left(k\right)+r_i\left(k\right)-s_i\left(k\right)]$

q_i(k)＝αρ_i(k)v_i(k)+(1-α)[ρ_i+1(k)v_i+1(k)-r_i+1(k)]-s_i(k)

入口匝道的排队长度p_i(k)满足：

p_i(k+1)＝p_i(k)+T[d_i(k)-r_i(k)]

式中，d_i(k)表示入口匝道的到达流量；

所述r_i(k)的约束条件

$\max \{{\mathrm{\γ}}_{i\min },d_i\left(k\right)-\frac{1}{T}[p_{i\max }-p_i\left(k\right)\left]\right\}\≤r_i\left(k\right)\≤\min \{{\mathrm{\γ}}_{i\max },d_i\left(k\right)+\frac{1}{T}{p}_i\left(k\right)\}$

式中，γ_imax，γ_imin分别为入口匝道的预设的调节率的上下限值，p_imax为入口匝道i的排队容量；

(2)基于通行能力-饱和度入口的入道匝口自适应控制过程：

高架桥可控单元i的实际条件下的通行能力：

C_i＝C₀×f_CW×f_SW×f_HV

C₀表示基本通行能力；

f_CW——行车道宽度对通行能力的修正系数；

f_SW——侧向净空对通行能力的修正系数；

f_HV——交通组成对通行能力的修正系数；

γ(k)表示时段[KT，(K+1)T]内入口匝道调节率，其计算公式为

$\mathrm{\γ}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{c}_i\×v/c-q_{i-1}(k-1)& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)\≤{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\min }& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)>{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\end{array}\right.$

式中，v/c为邻近可控单元的饱和度，ρ_cr为交通密度的临界值；

(3)入口匝道控制过程：

可控单元i入口匝道的匝道调节信号周期有两个相位，即允许车辆进入高架桥和禁止车辆进入高架桥分别有绿灯和红灯表示，基确定在时段[KT，(k+1)T]内绿灯时间t_g和红灯时间t_r：

$t_g=\frac{3600\×n}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}$

$t_r=\frac{C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}\×t_g=\frac{[C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)]3600\×n}{\mathrm{\γ}{\left(k\right)}^2}$

n为该周期内允许进入高架桥主线的车辆数，且n＝[ρ_imax-ρ_i(k)]×Δ_i。

进一步，所述步骤(3)中，在整个信号周期中两个相位的交替期间增加黄灯时间。

再进一步，所述交通控制方法还包括以下步骤：

(4)出口匝道邻近地面交叉路口的协调控制：

设定出口匝道满溢判断准则q_i(k)-ρ_i(k)×Δ_i-s_i(k-1)≥p_imax(k)，若满足，则触发协调控制，增加邻近地面交叉路口的绿性比；若不满足，则邻近地面交叉路口的绿性比恢复到原始状态。

本发明的技术构思为：以保证高架桥全局畅通为前提的高架桥快速路出入口匝道控制方法：以每相邻两匝道组成的高架桥主线路段为控制单元，通过交通检测设备实时检测高架桥主线及各个匝道的交通的交通流信息，获取控制单元的实时交通运行状态，通过通行能力-饱和度自适应控制确定实时的入口匝道调节率，并将其作为输入通过预设的模型得到入口匝道控制方案，并实施设置在入口匝道的信号灯和自动收缩门，控制进入高架桥主线的车流量，并与出口匝道邻近地面交叉路口协同控制，使驶离高架桥的车流及时疏散，使主线的交通状态畅通并运行效率达到最高。该交通控制***由信号灯、信号控制器、交通流检测器、服务器等组成。

本发明的有益效果主要表现在：1、实时性良好、控制效果良好、适应性较好；2、不仅能提高高架桥高峰期间的车辆行驶速度，增加高峰期间的交通量，减少交通拥堵和车辆行驶的延误时间，同时能大大减少交通事故和节约能源等，具有显著的社会的效益。

附图说明

图1是交通控制***拓扑图。

其中，1——地埋线圈；2——信号灯；3——信号控制器；4——交通数据服务器；5——交通管理中心；6——信号控制服务中心；7——入口匝道；8——高架桥；9——出口匝道；10——地面道路。

图2是保证高架桥畅通的交通控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种保证高架桥畅通的交通控制方法，所述交通控制方法包括以下步骤：

(1)建立高架桥主线实时交通状态模型：

在每个匝道入口和匝道出口安装信号灯、交通流量检测器，所述信号灯和交通流量检测器均与信号控制服务器连接；

一条高架桥被匝道分隔成N个可控单元，N为自然数，以每相邻两个匝道之间的高架桥主线路段确定为一可控单元，每个可控单元路段的长度Δ_i，i＝1，2，...，N，路段交通流运行状态作为控制对象，采样周期为T，连续时间离散化后，t为采样时间，t＝kT，k＝1，2，...，K，第i路段交通流量、交通密度和平均速度分别q_i(k)，ρ_i(k)，v_i(k)，其入口和出口匝道流量分别记为r_i(k)，s_i(k)

${\mathrm{\ρ}}_i(k+1)={\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)+\frac{T}{{\mathrm{\Δ}}_i}[q_{i-1}\left(k\right)-q_i\left(k\right)+r_i\left(k\right)-s_i\left(k\right)]$

q_i(k)＝αρ_i(k)v_i(k)+(1-α)[ρ_i+1(k)v_i+1(k)-r_i+1(k)]-s_i(k)

入口匝道的排队长度p_i(k)满足：

p_i(k+1)＝p_i(k)+T[d_i(k)-r_i(k)]

式中，d_i(k)表示入口匝道的到达流量；

所述r_i(k)的约束条件

$\max \{{\mathrm{\γ}}_{i\min },d_i\left(k\right)-\frac{1}{T}[p_{i\max }-p_i\left(k\right)\left]\right\}\≤r_i\left(k\right)\≤\min \{{\mathrm{\γ}}_{i\max },d_i\left(k\right)+\frac{1}{T}{p}_i\left(k\right)\}$

式中，γ_imax，γ_imin分别为入口匝道的预设的调节率的上下限值，p_imax为入口匝道i的排队容量；

(2)基于通行能力-饱和度入口的入道匝口自适应控制过程：

高架桥可控单元i的实际条件下的通行能力：

C_i＝C₀×f_CW×f_SW×f_HV

C₀表示基本通行能力；

f_CW——行车道宽度对通行能力的修正系数；

f_SW——侧向净空对通行能力的修正系数；

f_HV——交通组成对通行能力的修正系数；

γ(k)表示时段[KT，(k+1)T]内入口匝道调节率，其计算公式为

$\mathrm{\γ}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{c}_i\×v/c-q_{i-1}(k-1)& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)\≤{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\min }& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)>{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\end{array}\right.$

式中，v/c为邻近可控单元的饱和度，ρ_cr为交通密度的临界值；

(3)入口匝道控制过程：

可控单元i入口匝道的匝道调节信号周期有两个相位，即允许车辆进入高架桥和禁止车辆进入高架桥分别有绿灯和红灯表示，基确定在时段[KT，(k+1)T]内绿灯时间t_g和红灯时间t_r：

$t_g=\frac{3600\×n}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}$

$t_r=\frac{C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}\×t_g=\frac{[C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)]3600\×n}{\mathrm{\γ}{\left(k\right)}^2}$

n为该周期内允许进入高架桥主线的车辆数，且n＝[ρ_imax-ρ_i(k)]×Δ_i。

所述步骤(3)中，在整个信号周期中两个相位的交替期间增加黄灯时间。

所述交通控制方法还包括以下步骤：(4)出口匝道邻近地面交叉路口的协调控制：设定出口匝道满溢判断准则q_i(k)-ρ_i(k)×Δ_i-s_i(k-1)≥p_imax(k)，若满足，则触发协调控制，增加邻近地面交叉路口的绿性比；若不满足，则邻近地面交叉路口的绿性比恢复到原始状态。

本实施例中，高架桥主线实时交通状态建模：与城市道路交通不同的是：高架桥没有平面交叉口，因而其交通流的是连续的，这一特点与高速公路的交通类似，因此借鉴高速公路交通模型的MACK模型，对高架桥交通流状态进行建模。

考虑一条高架桥被匝道分隔成N个可控单元，以每相邻两个匝道之间的高架桥主线路段确定为一可控单元，每个可控单元路段的长度Δ_i(i＝1，2，...，N)，路段交通流运行状态作为控制对象，采样周期为T，连续时间离散化后，t＝kT(k＝1，2，...，K)第i路段交通流量、交通密度和平均速度分别q_i(k)，ρ_i(k)，v_i(k)，其入口和出口匝道流量分别记为r_i(k)，s_i(k)。

${\mathrm{\ρ}}_i(k+1)={\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)+\frac{T}{{\mathrm{\Δ}}_i}[q_{i-1}\left(k\right)-q_i\left(k\right)+r_i\left(k\right)-s_i\left(k\right)]$

q_i(k)＝αρ_i(k)v_i(k)+(1-α)[ρ_i+1(k)v_i+1(k)-r_i+1(k)]-s_i(k)

对于高架桥的首末端，即i＝1和i＝N的情况有

ρ₁(k+1)＝ρ₁(k)，v₁(k+1)＝v[ρ₁(k)]

入口匝道的排队长度p_i(k)满足：

p_i(k+1)＝p_i(k)+T[d_i(k)-r_i(k)]

式中，d_i(k)表示入口匝道的到达流量

上述状态方程，入口匝道流量r_i(k)约束于入口匝道调节率γ

γ_imax≥γ_i(k)≥γ_imin

γ_imax，γ_imin分别为入口匝道的预设的调节率的上下限值。

并且入口匝道i的排队车辆数也不能超过其排队容量p_imax，即

p_i(k)+T[d_i(k)-r_i(k)]≤p_imax

显然排队长度p_i(k+1)≥0即

p_i(k)+T[d_i(k)-r_i(k)]≥0

整理得r_i(k)≤d_i(k)+p_i(k)/T

综上所述r_i(k)的约束条件

$\max \{{\mathrm{\γ}}_{i\min },d_i\left(k\right)-\frac{1}{T}[p_{i\max }-p_i\left(k\right)\left]\right\}\≤r_i\left(k\right)\≤\min \{{\mathrm{\γ}}_{i\max },d_i\left(k\right)+\frac{1}{T}{p}_i\left(k\right)\}$

基于通行能力-饱和度入口匝道自适应控制：这种控制方法的特征是高架桥的主线的饱和度作为可控参数，在实时控制入口匝道邻近可控单元的饱和度即v/c的基础上并根据可控单元的实时的交通状态确定匝道调节率，其目标是以保证高架桥的畅通的前提下，满足不同时段的道路服务水平，满足出行者的需求。

高架桥可控单元i的实际条件下的通行能力：

C_i＝C₀×f_CW×f_SW×f_HV

C₀——基本通行能力(pcu/h)，一般

t为最小安全车头时距(s)，设计速度为100km/h、80km/h、60km/h的基本通行能力分别为2200pcu/h/ln、2000pcu/h/ln、1800pcu/h/ln；

f_CW——行车道宽度对通行能力的修正系数；

f_SW——侧向净空对通行能力的修正系数；

f_HV——交通组成对通行能力的修正系数。

γ(k)表示时段[KT，(k+1)T]内入口匝道调节率，其计算公式为

$\mathrm{\γ}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{c}_i\×v/c-q_{i-1}(k-1)& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)\≤{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\min }& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)>{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\end{array}\right.$

ρ_cr为交通密度的临界值。

入口匝道控制方案的设计：入口匝道控制方案包括入口匝道的车道数的调整及入口匝道的信号配时的设计两方面。

匝道调节率的确定之后，若主线的交通流趋于饱和，调节率偏小时，此时允许进入可控单元的车流量较小，为了避免车辆过多积聚在匝道，较长等待时间容易导致驾驶员焦虑的心理，因此要调整入口匝道的车道数，通过匝道入口的自动收缩门，适时关闭车道，实行单车道通过匝道，同时也是对地面车流中意图进入高架车流起到了一定的警示和提醒作用：当前高架交通流趋于饱和。使其考虑适时选择其他的出行的路径。反之，当主线的交通流较小时，调节率偏大时，此时允许进入主线的车流量较大，因此开启所有匝道上的车道，并行放行车流，缩短进入可控单元的时间，及时高架桥主线道路资源。

可控单元i入口匝道的信号配时方案设计，匝道调节信号周期有两个相位，即允许车辆进入高架桥和禁止车辆进入高架桥分别有绿灯和红灯表示，基于入口匝道的调节率这一重要参数，因此要确定在时段[KT，(k+1)T]内绿灯和红灯时间。

$t_g=\frac{3600\×n}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}$

$t_r=\frac{C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}\×t_g=\frac{[C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)]3600\×n}{\mathrm{\γ}{\left(k\right)}^2}$

n为该周期内允许进入高架桥主线的车辆数，且n＝[ρ_imax-ρ_i(k)]×Δ_i，考虑到道路安全，不易引起车流的紊乱，因此在整个信号周期中两个相位的交替期间增加黄灯时间，预设为5秒。

4.出口匝道邻近地面交叉路口的协调控制

当出口匝道流量s_i(k)处于较高的水平，且在出口匝道排队满溢现象，并导致高架桥主线交织区出现过饱和现象，则需与出口匝道邻近地面交叉路口进行协调控制，适当增加相应进口道的各方向的绿性比，加快出口匝道车流驶离高架桥，避免高架桥道路时空资源的浪费，提高主线的运行效率。

出口匝道满溢判断准则q_i(k)-ρ_i(k)×Δ_i-s_i(k-1)≥p_imax(k)，若满足这一准则，则触发协调控制：出口匝道车流驶入的交叉口的所属的进口道，并确定该所属该进口道的相位，以该进口的平均延误时间最少为优化控制目标，动态调整周期及所属相位的绿性比。

Claims (3)

1.一种保证高架桥畅通的交通控制方法，其特征在于：所述交通控制方法包括以下步骤：

(1)建立高架桥主线实时交通状态模型：

在每个匝道入口和匝道出口安装信号灯、交通流量检测器，所述信号灯和交通流量检测器均与信号控制服务器连接；

一条高架桥被匝道分隔成N个可控单元，N为自然数，以每相邻两个匝道之间的高架桥主线路段确定为一可控单元，每个可控单元路段的长度Δ_i，i＝1，2，...，N，路段交通流运行状态作为控制对象，采样周期为T，连续时间离散化后，t为采样时间，t＝kT，k＝1，2，...，K，第i路段交通流量、交通密度和平均速度分别q_i(k)，ρ_i(k)，v_i(k)，其入口和出口匝道流量分别记为r_i(k)，s_i(k)

${\mathrm{\ρ}}_i(k+1)={\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)+\frac{T}{{\mathrm{\Δ}}_i}[q_{i-1}\left(k\right)-q_i\left(k\right)+r_i\left(k\right)-s_i\left(k\right)]$

q_i(k)＝αρ_i(k)v_i(k)+(1-α)[ρ_i+1(k)v_i+1(k)-r_i+1(k)]-s_i(k)

入口匝道的排队长度p_i(k)满足：

p_i(k+1)＝p_i(k)+T[d_i(k)-r_i(k)]

式中，d_i(k)表示入口匝道的到达流量；

所述r_i(k)的约束条件

$\max \{{\mathrm{\γ}}_{i\min },d_i\left(k\right)-\frac{1}{T}[p_{i\max }-p_i\left(k\right)\left]\right\}\≤r_i\left(k\right)\≤\min \{{\mathrm{\γ}}_{i\max },d_i\left(k\right)+\frac{1}{T}{p}_i\left(k\right)\}$

式中，γ_imax，γ_imin分别为入口匝道的预设的调节率的上下限值，p_imax为入口匝道i的排队容量；

(2)基于通行能力-饱和度入口的入道匝口自适应控制过程：

高架桥可控单元i的实际条件下的通行能力：

C_i＝C₀×f_CW×f_SW×f_HV

C₀表示基本通行能力；

f_CW——行车道宽度对通行能力的修正系数；

f_SW——侧向净空对通行能力的修正系数；

f_HV——交通组成对通行能力的修正系数；

γ(k)表示时段[KT，(k+1)T]内入口匝道调节率，其计算公式为

$\mathrm{\γ}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}{c}_i\×v/c-q_{i-1}(k-1)& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)\≤{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\min }& {\mathrm{\ρ}}_i\left(k\right)>{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cr}}\end{array}\right.$

式中，v/c为邻近可控单元的饱和度，ρ_cr为交通密度的临界值；

(3)入口匝道控制过程：

可控单元i入口匝道的匝道调节信号周期有两个相位，即允许车辆进入高架桥和禁止车辆进入高架桥分别有绿灯和红灯表示，基确定在时段[KT，(k+1)T]内绿灯时间t_g和红灯时间t_r：

$t_g=\frac{3600\×n}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}$

$t_r=\frac{C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)}{\mathrm{\γ}\left(k\right)}\×t_g=\frac{[C_i-\mathrm{\γ}\left(k\right)]3600\×n}{\mathrm{\γ}{\left(k\right)}^2}$

n为该周期内允许进入高架桥主线的车辆数，且n＝[ρ_imax-ρ_i(k)]×Δ_i。

2.如权利要求1所述的一种保证高架桥畅通的交通控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在整个信号周期中两个相位的交替期间增加黄灯时间。

3.如权利要求1或2所述的一种保证高架桥畅通的交通控制方法，其特征在于：所述交通控制方法还包括以下步骤：

(4)出口匝道邻近地面交叉路口的协调控制：

设定出口匝道满溢判断准则q_i(k)-ρ_i(k)×Δ_i-s_i(k-1)≥p_imax(k)，若满足，则触发协调控制，增加邻近地面交叉路口的绿性比；若不满足，则邻近地面交叉路口的绿性比恢复到原始状态。

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