CN113947929B - 一种针对高速公路改扩建连续施工区的可变限速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对高速公路改扩建连续施工区的可变限速控制方法，包括以下步骤：步骤1：连续施工区的判断步骤2：连续施工区限速约束条件分析；步骤3：速度实时控制模型的构建；步骤4：目标函数的构建；步骤5：期望车速的更改；步骤6：连续施工区可变限速方法效果评价；本发明考虑了限速层级与运行速度一致性，限制了车辆在连续施工区的速度波动范围，提高了车辆的行驶安全性和舒适性。本发明针对移动瓶颈处通行能力突然下降这一现象做出相应改进，更准确的对限速路段的流量进行了预测，瓶颈路段流量的合理预测优化了7％左右的车均停车次数。

Description

一种针对高速公路改扩建连续施工区的可变限速控制方法

技术领域

本发明涉及一种施工过程中高速公路改扩建连续施工区的可变限速控制方法，属于智能交通与智慧高速领域。

背景技术

随着国民经济的进一步发展，居民出行的交通需求进一步增大，早期建成的高速公路已经不能满足现有的交通需求，相对于新建高速公路，改扩建工程具有工期短、投资少、对通车影响较小等特点，因此，高速公路改扩建已经逐渐成为高速公路发展的热点。此外，伴随着交通需求的逐步增加，传统的固定限速无法根据施工区的动态交通流做出调整，限速效果不明显等问题也愈加严重。可变限速控制作为一种实时引导车辆速度的限速技术，当前主要是基于交通安全、运行效率等多指标对单一施工区进行限速控制，对连续施工区的研究较少；此外，在连续施工区方面，当下的研究主要是针对连续施工区可变限速模型的优化，并未提出完整的高速公路改扩建连续施工区可变限速方法。

本发明致力于以运行效率最大化为目标提出高速公路改扩建施工区的可变限速方法，并且提出了连续施工区的判断方法和连续施工区的可变限速方法，进一步提高改扩建施工区的运行效率和安全性。

发明内容

本发明的目的是在高速公路改扩建施工期间，基于实时的道路交通数据提出改扩建施工形式下的高速公路连续施工区的可变限速方法，包括以下步骤：

步骤1：连续施工区的判断

实际施工过程中，当上下游两个施工区间距较近时，车辆在施工区之间换道、加减速频繁、无法恢复正常的行驶状态，路段运行效率大大降低时，一般将这两个施工区称为连续施工区。连续施工区是指位于同一道路上的两个或多个距离较近同时存在相互影响的邻近施工区，如图1所示。因此，根据车辆通过连续施工区的速度变化特性，当两个相邻施工区间距满足如下条件时，即为连续施工区。

S＜L_w+L_j+L_x+L_s (1)

式中，S为两个施工区之间的间隔距离，L_w为车辆恢复车速后进入稳定行驶状态所需要的距离，L_j为下游施工区警告区长度，L_x为下游施工区过渡区长度，L_s为上游施工区的过渡长度。

步骤2：连续施工区限速约束条件分析

速度管理作为道路交通组织中最直接有效的管理手段，合理确定施工区限速值、控制施工区各个主要区段的运行速度对提高施工区的运行效率与降低施工区的行车延误具有重要意义。施工区限速值的调整与确定应该在初始限速值的基础上综合考虑各种影响因素进行确定。

施工区限速值的确定首先需要考虑的是道路的几何条件，为了更全面的描述问题，考虑几何条件下的施工区限速值约束条件为：

约束1.1：平纵曲线约束。平纵曲线是车辆主要安全速度的瓶颈点，平曲线一般考虑车辆侧翻与侧滑等因素，竖曲线主要考虑停车视距等要求；

约束1.2：中间开口带约束。改扩建施工区过程中，中间开口带的长度应该保证车辆可以以一定的速度安全的通过；

约束1.3：其他相关约束条件。为了确保改扩建施工区车辆行驶的安全性，长直线、道路加宽、超高等因素同样决定施工区的最大安全速度；

安全条件同样也是影响改扩建施工区限速值的重要因素之一，限速安全条件的影响因素如下：

约束2.1：车辆制动距离影响。如图2所示：实际施工过程中，为了避免车辆失控驶入工作区，车辆在上游施工区的速度应该满足下述要求。

限速层级与运行速度一致性同样也是影响改扩建施工区限速值确定的重要因素之一，其约束条件如下所示：

约束3.1：限速层级的限制。实际调查表明:过多的限速层级将会导致驾驶员产生烦躁心理，从而造成交通事故；因此，施工区应该保证最优的限速层级，实行梯度减速，限速层级数不应该大于3；

约束3.2：运行速度一致性的影响。考虑到驾驶员的驾驶特性，限速值应该为10的倍数，相邻路段的限速值不得超过20km/h；

约束3.3：相邻周期速度变化的影响。考虑到车辆在相邻周期内频繁的加减速容易造成失控，因此，相邻限速周期内车辆的限速值之差也不得超过20km/h。

运行效率等因素同样是影响改扩建施工区限速值确定的重要因素，其约束条件应该满足下列条件：

约束4.1：运行效率值的提高。改扩建施工区限速方案的变更应该统筹考虑上下游施工区的通行能力，以提高交通运行效率。

步骤3：速度实时控制模型的构建

为了准确的描述交通流的动态分布，实现各个限速区域速度的实时控制；本发明引进了一种改进的METANET交通流模型对下个限速周期内每个预测步骤的改扩建施工区基础交通流数据进行预测分析。如图3所示，传统的METANET交通流模型将连续施工区划分为m个长度为L_i、车道数量为λ_i的限速路段，每个限速路段采取相同的限速值进行速度控制。施工区路段i在时刻kT的交通流状态分别用车流密度ρ_i(k)，平均速度V_i(k)以及交通流量q_i(k)来描述，T为交通流状态预测的时间步长，i＝1,2,3…m；k＝1,2,3…n。各限速路段的交通流参数基本表达式为

q_i(k)＝λ_i(k)v_i(k)ρ_i(k) (4)

式中：ρ_i(k)、ρ_i+1(k)分别为路段i、i+1在k时刻的车流密度，q_i(k)、q_i-1(k)分别为路段i、i-1在k时刻的交通流量，v_i(k)，v_i(k+1)分别表示路段i在k、k+1时刻的平均速度，ρ_jam,i+1(k)为调查路段的拥堵密度，ρ_cr,m为调查路段的临界密度，V_e,i(ρ_i(k))为路段i上的驾驶员在时刻k的期望车速，a_m、τ、ν、k_kappa为相关参数。

本发明考虑到连续施工区交通流中行驶车辆加减速、换道频繁，易产生移动瓶颈，通行能力存在突然下降的现象，如图3所示：式(4)车流预测模型应该为：

q_i(k)＝λ_i·min{v_i(k)ρ_i(k),Q’_b,w_bottleneck(ρ_{jam,bottleneck}-ρ(k))} (5)

Q’_b＝(1-θ)Q_b (6)

式中：Q_b为修正前的路段交通量，Q’_b为修正后的交通量，w_bottleneck为拥堵状态下交通波波速，ρ_{jam,bottleneck}为拥堵路段最大阻塞密度。

考虑到车辆的期望车速不仅受到交通流状态变化的影响，同时还与驾驶员的驾驶习惯有关，本发明认为改扩建施工区行驶车辆的期望车速模型为：

式中：v_f,m为路段自由流速度，ρ_i(k)为k时刻路段i的交通密度，v_limit为路段限速值，β为不遵守限速的车辆比例(％)。

在搭建符合实际车辆运行情况的连续施工区仿真模型基础上，对车辆进行二次控制。METANET交通流模型预测原理主要是根据相邻限速路段的平均车速、交通密度以及交通流量进行参数预测。因此，基于首尾两个施工区的基础交通流数据，采用下述代码可以得到相应限速周期、相应步长内各限速路段的预测数据。对于每个限速周期，迭代的主要代码为：

步骤4：目标函数的构建

本发明的目标函数主要包含车辆总行驶距离与车辆总行驶时间，为了减少连续施工区的行车延误，目标函数以车辆总行驶距离T_TTD与车辆总行驶时间T_TTT之间的差值最小为优化目标，具体可以表示为：

J(x,y)＝min(α_TTTT_TTT-α_TTDT_TTD) (8)

式中：

式中：T_TTT是车辆通过连续施工区的总行驶时间/车·h；T_TTD是车辆通过施工区总行驶行驶距离/车·km；α_TTT，α_TTD为相关参数，m为连续施工区的路段数,n为预测步骤。根据上式可以得出下一周期的最优限速值，开始下一步仿真。

步骤5：期望车速的更改

在步骤4确定最优限速值的基础上，将其存入特定的数组中，采用python语言调用Vissim仿真软件中的DesiredSpeedDecisions功能进行期望车速的更改从而进行下一个限速周期的仿真，仿真结束后进行数据的收集，DesiredSpeedDecisions更改的核心代码如下：

//期望车速的更改

DesiredSpeedDecision.SetAttValue()

步骤2-步骤5是每个限速周期最优限速值确定与更改的必要流程，在依据最初设定好的限速周期完成仿真后，进行可变限速方法效果评价。

步骤6：连续施工区可变限速方法效果评价

为了直观的表现可变限速的实施效果，采用延误和停车次数作为施工区车辆行驶的直观指标，采用基于车辆延误的综合评价指标(PI)进行仿真效果的评价。

PI＝t_delay+ηN_stops (11)

式中：t_delay为每个限速周期车辆的平均延误，η为停车惩罚系数，考虑到频繁的停车会造成加减速延误与事故的发生，取10s/次，N_stops为每个周期内车辆的停车次数。

本发明提出的是一种针对高速公路改扩建连续施工区的可变限速方法，研究表明：当前高速公路改扩建施工区限速研究的对象主要是单个施工区，在考虑交通安全、驾驶舒适性等影响因素的基础上，结合具体的交通流模型对施工区车辆进行限速控制；其对于连续施工区这一特殊形式的施工区考虑较少，也未考虑施工区上下游速度之间的相互协调，本发明正是基于这样的应用背景下提出的，相比较于传统的限速方法，本发明存在以下优点：

1：为了避免较大的限速值波动、方便限速标志的布设，本发明考虑了限速层级与运行速度一致性，限制了车辆在连续施工区的速度波动范围，提高了车辆的行驶安全性和舒适性。

2：现有限速技术中车辆的期望车速主要与交通流状态相关，研究表明：拥挤状态下，驾驶员期望车速主要受到交通流状态影响；自由流状态下，驾驶员期望车速主要受到道路限速值影响；本发明合理的应用了这一技术特点，微观上更细致的描述了驾驶员的驾驶特征；期望速度的合理预测降低了7％左右的车均综合延误。

3：现有限速技术中并未考虑施工区瓶颈路段等特殊路段，实际施工中，受到复杂的道路环境影响，行驶车辆加减速、换道频繁，易产生移动瓶颈。本发明针对移动瓶颈处通行能力突然下降这一现象做出相应改进，更准确的对限速路段的流量进行了预测，瓶颈路段流量的合理预测优化了7％左右的车均停车次数。

附图说明

图1：连续施工区限速策略示意图。

图2：工作区车辆行驶示意图。

图3：可变限速控制示意图。

图4：瓶颈路段通行能力下降示意图。

图5：施工区开口示意图。

图6：可变限速方案确定流程图。

具体实施方式

给出一个具体的单向三车道改扩建施工区案例，施工区采用中央开口带过渡，如图5所示：调查高速公路改扩建施工区的基础数据，确定其为连续施工区。

参考《限速规范》以及图6所示的可变限速方案确定流程图，在确定施工区各限速区段限速值约束条件的基础上，如表1所示：分别在100s,180s,300s等限速周期下进行改扩建高速公路连续施工区可变限速方案优化设计，模型中的相关参数设置为：T＝20s,仿真时长3600s，仿真流量Q＝1500pcu/h，自由流速度V_f,m＝100km/h、V_f,m＝100km/h、ρ_cr,m＝97veh/(lane·km^-1)、β＝1.15、τ＝0.015、v＝60veh/(lane·km^-1)、k_kappa＝64veh/(lane·km^-1)。

表1：各限速区域速度推荐值

基于Python语言对Vissim微观仿真软件进行车辆的二次控制，采用改进的METANET交通流模型对施工区交通流进行仿真，在参数标定的基础上，以目标函数最小为优化目标不断进行迭代，最后得到路网运行效率最大情况下的可变限速方案，如表2所示：采用步骤5提出的评价方案进行不同周期下的可变限速方法评价。

表2：不同限速周期下的限速效果评价

Claims (1)

1.一种针对高速公路改扩建连续施工区的可变限速控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：连续施工区的判断；

连续施工区是指位于同一道路上的两个或多个距离较近同时存在相互影响的邻近施工区，根据车辆通过连续施工区的速度变化特性，当两个相邻施工区间距满足如下条件时，即为连续施工区；

S＜L_w+L_j+L_x+L_s (1)

式中，S为两个施工区之间的间隔距离，L_w为车辆恢复车速后进入稳定行驶状态所需要的距离，L_j为下游施工区警告区长度，L_x为下游施工区过渡区长度，L_s为上游施工区的过渡长度；

步骤2：连续施工区限速约束条件分析；

施工区限速值的调整与确定应该在初始限速值的基础上综合考虑各种影响因素进行确定；

施工区限速值的确定首先需要考虑道路几何条件，施工区限速值约束条件为：

约束1.1：平纵曲线约束；平纵曲线是车辆安全速度的瓶颈点，平曲线考虑车辆侧翻与侧滑因素，竖曲线考虑停车视距要求；

约束1.2：中间开口带约束；改扩建施工区过程中，中间开口带的长度保证车辆能够以一定速度安全通过；

约束1.3：为了确保改扩建施工区车辆行驶的安全性，长直线、道路加宽、超高因素同样决定施工区的最大安全速度；

限速安全条件的影响因素如下：

约束2.1：车辆制动距离；

限速层级与运行速度一致性同样也是影响改扩建施工区限速值确定的因素；

约束3.1：限速层级的限制；施工区保证最优的限速层级，实行梯度减速，限速层级数不大于3；

约束3.2：运行速度一致性的影响；考虑到驾驶员的驾驶特性，限速值应该为10的倍数，相邻路段的限速值不得超过20km/h；

约束3.3：相邻周期速度变化的影响；考虑到车辆在相邻周期内频繁的加减速容易造成失控，相邻限速周期内车辆的限速值之差也不得超过20km/h；

运行效率因素同样是影响改扩建施工区限速值确定，约束条件满足下列条件：

约束4.1：运行效率值的提高；改扩建施工区限速方案的变更应该统筹考虑上下游施工区的通行能力，以提高交通运行效率；

步骤3：速度实时控制模型的构建；

引进METANET交通流模型对下个限速周期内每个预测步骤的改扩建施工区基础交通流数据进行预测分析；

考虑到连续施工区交通流中行驶车辆加减速、换道频繁，易产生移动瓶颈，通行能力存在突然下降的现象，车流预测模型为：

q_i(k)＝λ_i·min{v_i(k)ρ_i(k),Q′_b,w_bottleneck(ρ_{jam,bottleneck}-ρ(k))} (5)

Q′_b＝(1-θ)Q_b (6)

式中：Q_b为修正前的路段交通量，Q′_b为修正后的交通量，w_bottleneck为拥堵状态下交通波波速，ρ_{jam,bottleneck}为拥堵路段最大阻塞密度；λ_i为车道数量；v_i(k)表示路段i在k时刻的平均速度；ρ_i(k)为k时刻路段i的交通密度；q_i(k)为施工区路段i在时刻k的交通流量；

改扩建施工区行驶车辆的期望车速模型为：

式中：v_f,i为路段自由流速度，v_limit为路段限速值，β为不遵守限速的车辆比例；ρ_cr,m为调查路段临界密度；a_m是相关参数；

步骤4：目标函数的构建；

目标函数包含车辆总行驶距离与车辆总行驶时间，目标函数以车辆总行驶距离T_TTD与车辆总行驶时间T_TTT之间的差值最小为优化目标，具体表示为：

J(x,y)＝min(α_TTTT_TTT-α_TTDT_TTD) (8)

式中：

式中：T_TTT是车辆通过连续施工区的总行驶时间；T_TTD是车辆通过施工区总行驶行驶距离；α_TTT，α_TTD为相关参数，m为连续施工区的路段数，n为预测步骤；T为交通流状态的预测时间步长；L_i为在连续施工区划分为m个长度；得出下一周期的最优限速值，开始下一步仿真；

步骤5：期望车速的更改；

在步骤4确定最优限速值的基础上，将其存入数组中，采用python语言调用Vissim仿真软件中的DesiredSpeedDecisions功能进行期望车速的更改从而进行下一个限速周期仿真，仿真结束后进行数据收集；

步骤6：连续施工区可变限速方法效果评价；

采用基于车辆延误的综合评价指标PI进行仿真效果的评价；

PI＝t_delay+ηN_stops (11)

式中：t_delay为每个限速周期车辆的平均延误，η为停车惩罚系数，N_stops为每个周期内车辆的停车次数。