城市快速路匝道關(guān)閉閾值研究

1、高速公路與快速路的匝道控制1目錄1. 序言2. 高速公路匝道控制3. 城市快速路匝道控制4. 城市快速路匝道關(guān)閉閾值研究21. 序言3圖片來源：博乒網(wǎng)4匝道控制的意義隨著我國汽車保有量的增長(zhǎng)，城市部分現(xiàn)有道路已難以承載早高峰與晚高峰時(shí)的交通量。與此同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度越來越快，人與貨物的城際交通量亦越來越大，使高速公路面臨新的挑戰(zhàn)。為保證高速公路與快速路上的交通流保持高速運(yùn)行狀態(tài)，有必要對(duì)入口匝道進(jìn)行開放控制，降低入口車輛對(duì)主要車流的干擾，控制道路上的車輛密度，避免高速公路與快速路發(fā)生擁堵狀況。5匝道控制的效果充分利用道路通行能力減少或消除交通擁堵的發(fā)生減少總旅行時(shí)間，提高服務(wù)水平提高高峰

2、期速度提高安全性62. 高速公路匝道控制7高速公路的定義高速公路為專供汽車分向、分車道行駛并應(yīng)全部控制出入的多車道公路。（公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) JTG B01-2003）高速公路具有高速、安全、便捷等技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。圖片來源：安徽交通網(wǎng)8高速公路匝道控制方法高速公路匝道控制靜態(tài)控制單點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制需求容量差額控制占有率控制ALINEA方法動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)最優(yōu)協(xié)調(diào)控制狀態(tài)調(diào)節(jié)器控制啟發(fā)式協(xié)調(diào)控制9靜態(tài)控制靜態(tài)調(diào)節(jié)是控制策略不受高速公路主干道交通情況影響的控制方法。該方法利用歷史總結(jié)的一天不同時(shí)段的交通特點(diǎn)發(fā)布確定的交通控制策略。其特點(diǎn)是控制方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但其不能根據(jù)突發(fā)事件的發(fā)生自動(dòng)改變控制策略，不

3、能適應(yīng)交通中的突發(fā)事件。10單點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制隨著科技的進(jìn)步，埋置線圈、微波檢測(cè)等交通數(shù)據(jù)采集工具越來越多地被應(yīng)用在各種道路上。單點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制方法就是基于這些數(shù)據(jù)采集工具所獲得的交通數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析、降噪、數(shù)據(jù)融合等過程后，實(shí)時(shí)提供相應(yīng)的交通控制策略。11動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制隨著計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的發(fā)展，在上世紀(jì)70年代末80年代初，一種以高速的、大容量的通信設(shè)備為信息傳輸工具，以計(jì)算機(jī)為控制決策中心，用現(xiàn)代控制理論和系統(tǒng)工程方法對(duì)整個(gè)高速公路進(jìn)行全局優(yōu)化的技術(shù)被開發(fā)出來。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)一般具有監(jiān)視層和調(diào)節(jié)層。監(jiān)視層利用信息技術(shù)對(duì)比每一時(shí)間段內(nèi)高速公路的實(shí)際狀態(tài)與預(yù)期狀態(tài)，當(dāng)兩者不符時(shí)，即通過調(diào)節(jié)層對(duì)高速公

4、路整體進(jìn)行控制調(diào)整，使其恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。123. 城市快速路匝道控制13城市快速路的定義城市快速路在城市內(nèi)修建的，中央分隔、全部控制出入、控制出入口間距及形式，具有單向雙車道或以上的多車道，并設(shè)有配套的交通安全與管理設(shè)施的城市道路。（城市快速路設(shè)計(jì)規(guī)程 CJ129-2009）圖片來源：深圳新聞網(wǎng)14城市快速路與高速公路的區(qū)別1. 高速公路為完全控制出入的交通設(shè)施，城市快速路并非完全控制出入。2. 高速公路的設(shè)計(jì)速度較城市快速路更高，設(shè)計(jì)指標(biāo)也更高。3. 高速公路的入口匝道間距遠(yuǎn)長(zhǎng)于城市快速路的入口匝道間距。15快速路匝道控制的方法快速路入口匝道控制定時(shí)控制交通感應(yīng)控制需求-容量控制占有率控制

5、可接受間隙匯合控制智能控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制分層遞階控制16定時(shí)控制城市快速路入口匝道的定時(shí)控制與高速公路的靜態(tài)控制類似，其入口調(diào)節(jié)率是根據(jù)一天內(nèi)各時(shí)段交通流量的變化預(yù)先設(shè)定的，不需要實(shí)時(shí)交通信息。后有學(xué)者在此基礎(chǔ)上從系統(tǒng)最優(yōu)、用戶平衡等方面進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)優(yōu)化，建立了雙層規(guī)劃模型。入口調(diào)節(jié)率：干線下游通行能力與上游交通需求之差定時(shí)交通設(shè)施圖17入口調(diào)節(jié)率的計(jì)算由圖可知：上游需求+匝道需求=5100+500=5600(輛/時(shí))下游容量=5400(輛/時(shí))故該入口匝道需要進(jìn)行匝道控制。入口調(diào)節(jié)率=下游容量-上游需求=5400-5100=300(輛/時(shí))=5(輛/分)18交通感應(yīng)控制交通感應(yīng)控制通

6、過對(duì)快速路的交通參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，利用檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)閉環(huán)最優(yōu)控制。其中北美等地區(qū)多采用需求容量控制策略，其核心為通過改變?nèi)肟谡{(diào)解率，使得上游交通量與匝道交通量之和不超過下游路段的通行能力，從而最大限度地利用快速路。我國對(duì)占有率控制方面研究較多，特別是其中的ALINEA控制方法，原因在于ALINEA方法魯棒性較好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制方式較平緩。該方法的核心是對(duì)下游占有率進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)占有率高于期望占有率時(shí)，就降低入口調(diào)解率，減少車輛的進(jìn)入，反之則增加入口調(diào)解率。19交通感應(yīng)控制需求容量控制設(shè)施圖ALINEA控制方法設(shè)施圖20占有率控制方法占有率感應(yīng)控制方法首先需要通過道路主線上埋置的檢測(cè)器獲得各路

7、段在發(fā)生擁擠前交通量Q與單車道占有率的歷史數(shù)據(jù)，繪制流量占有率圖。利用流量占有率圖估計(jì)交通量最大時(shí)以及自由流條件結(jié)束時(shí)的占有率值，再根據(jù)路段的通行能力與匝道歷史交通流數(shù)據(jù)確定最大與最小入口調(diào)節(jié)率。當(dāng)占有率小于自由流條件結(jié)束時(shí)的占有率時(shí)，采用最大入口調(diào)節(jié)率；當(dāng)占有率接近交通量最大時(shí)的占有率時(shí)，采用最小入口調(diào)節(jié)率。當(dāng)占有率處于兩者之間時(shí)，再確定數(shù)個(gè)調(diào)節(jié)率與之對(duì)應(yīng)。21智能控制交通系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性大系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制理論難以對(duì)其復(fù)雜性與隨機(jī)性進(jìn)行解釋分析。因此許多學(xué)者開始將智能控制理論應(yīng)用于城市快速路入口匝道的控制，并取得了一系列成果，其中以模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和分層遞階控制的應(yīng)用最為廣泛

8、。22模糊控制模糊控制是利用人們的操作和控制經(jīng)驗(yàn)，模仿人腦的邏輯推理和決策過程，能夠較好地處理語言信息和數(shù)據(jù)信息，因而適用于含有模糊性、復(fù)雜性和不確定性因素的交通系統(tǒng)。對(duì)于單匝道模糊控制，輸入量可以是主線平均速度與速度變化率、上游交通量與速度等多種形式。模糊控制的關(guān)鍵在于模糊控制器。其設(shè)計(jì)過程包括：1. 確定輸入輸出變量；2. 定義所有變量的隸屬函數(shù)3. 設(shè)計(jì)控制規(guī)則庫；4. 設(shè)計(jì)模糊推理結(jié)構(gòu)；5. 確定反模糊化方法。23神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常常與模糊系統(tǒng)一同進(jìn)行匝道控制，其原因在于模糊系統(tǒng)中參數(shù)的選取需要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，而不能根據(jù)不同的交通狀況進(jìn)行在線學(xué)習(xí)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有在線學(xué)習(xí)功能

9、，但其學(xué)習(xí)時(shí)間較長(zhǎng)，若在初期提供定性知識(shí)則可大幅縮短其學(xué)習(xí)時(shí)間。右圖所示為一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一個(gè)與模糊系統(tǒng)結(jié)合的具有6層，8神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。24分層遞階控制分層遞階控制的思路來源于電氣自動(dòng)化方面，近年剛剛引入交通領(lǐng)域，國內(nèi)尚未進(jìn)行深入的研究。分層遞階控制結(jié)構(gòu)包括組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)與執(zhí)行級(jí)。其控制精度由執(zhí)行級(jí)向上逐級(jí)遞減，而其智能程度則由執(zhí)行級(jí)向上逐級(jí)遞增。由其結(jié)構(gòu)圖可以看出，在交通領(lǐng)域，分層遞階控制方法適用于入口匝道的聯(lián)合控制方面。254. 城市快速路匝道關(guān)閉閾值研究26匝道車流控制閾值的確定根據(jù)交通流三要素之間的關(guān)系圖可知，隨著密度的增加，速度隨之降低，流量逐漸上升。當(dāng)速度達(dá)到最佳速度時(shí)，流量

10、達(dá)到最大值。隨后密度增加所伴隨的是速度與流量同時(shí)下降。27根據(jù)郝媛等人在城市快速路交通擁擠分析及擁擠閾值的確定一文中的分析，將城市快速路的交通情況分為6種狀態(tài)，包括穩(wěn)定自由流、準(zhǔn)自由流、臨界流、擁擠流和嚴(yán)重?fù)頂D區(qū)，最后一種是特殊的交通狀態(tài)。6種狀態(tài)的關(guān)系見下圖。28但根據(jù)前人的數(shù)據(jù)總結(jié)分析，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作得的流率密度圖中，當(dāng)流率接近最大流量（通行能力）對(duì)應(yīng)流率時(shí)，仍然有機(jī)會(huì)提高流率，但此交通流不穩(wěn)定，交通流中任意微小的干擾（隨機(jī)噪聲）都將產(chǎn)生交通瓶頸，導(dǎo)致交通流進(jìn)入擁擠狀態(tài)，流率迅速降低。29由于隨機(jī)噪聲難以消除，因此對(duì)匝道車流進(jìn)行控制，就是避免車流進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)分支。所以，對(duì)匝道車流進(jìn)行控制的閾值

11、就是車流即將進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)分支的流率與密度。30擁擠閾值的確定1. 點(diǎn)平均法2. 擬合趨勢(shì)線法3. 基于元胞自動(dòng)機(jī)的方法31點(diǎn)平均法受到地面交叉口“脈沖式”交通流及統(tǒng)計(jì)時(shí)間的影響，交通流存在短期波動(dòng)，故取數(shù)據(jù)突變過程中速度大于臨界速度的最后幾個(gè)連續(xù)點(diǎn)，以其流率的平均值作為改組數(shù)據(jù)的流量閾值。因?yàn)閾頂D是在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，因此認(rèn)為擁擠所敏感的流量也是瞬間達(dá)到的，故數(shù)據(jù)點(diǎn)不宜太多，郝媛等人推薦覆蓋時(shí)間約10min。32擬合趨勢(shì)線法對(duì)每組數(shù)據(jù)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)前的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行趨勢(shì)擬合，擬合趨勢(shì)線的盡頭便是主線與匝道的擁擠閾值。郝媛等推薦對(duì)早高峰可采用二次曲線擬合，其他時(shí)段采用一次曲線擬合。33點(diǎn)平均法與擬合趨勢(shì)線法的

12、評(píng)價(jià)1. 可以根據(jù)直接讀取的數(shù)據(jù)獲取具有代表性的擁擠閾值。2. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是快速路設(shè)施條件、匝道需求、與上下游匝道距離等因素的綜合反映，但不能將各種因素對(duì)擁擠閾值的影響相分離。3. 難以排除下游擁擠向上游反溯的現(xiàn)象，要求數(shù)據(jù)可靠度高。34基于KKW模型的方法該方法是基于Kerner等人在Cellular automata approach to three-phase traffic theory 一文中給出的元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)交通流的模擬。在此采用上文中建立的KKW-2與KKW-4模型進(jìn)行計(jì)算。Kerner在經(jīng)過對(duì)交通流數(shù)據(jù)的總結(jié)分析后，第一個(gè)提出了三相交通流理論，并據(jù)此建立KKW模型。該模型不但具

13、有一般元胞自動(dòng)機(jī)模型的更新機(jī)制，還引入了車輛跟馳理論中兩車之間存在作用范圍的概念。35KKW模型更新規(guī)則確定性部分：其中，vmax為車輛的最大速度，vs,n(t)為當(dāng)前時(shí)刻安全行駛速度，vc,n(t)為期望速度。其中：36KKW模型更新規(guī)則隨機(jī)性部分：其中隨機(jī)部分為an，其他參數(shù)保證了車輛速度滿足速度限制并且確保沒有碰撞發(fā)生。隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)n定義為：37流率密度關(guān)系圖下圖為兩種KKW模型的流率密度關(guān)系圖。38上圖中，界線F、U、L的公式如下：由圖可知，F(xiàn)線與L線的交點(diǎn)即為所要求的閾值。將兩條線段的函數(shù)聯(lián)立，即可解出對(duì)應(yīng)的流量q與密度。采用感應(yīng)線圈等交通流檢測(cè)手段測(cè)得流量或密度接近閾值時(shí)，即開始進(jìn)行

14、匝道控制。39KKW模型方法的缺陷1. KKW模型是單車道CA模型，對(duì)多車道相互影響情況未能充分考慮2. KKW模型中各參數(shù)的標(biāo)定需要依據(jù)歷史交通流數(shù)據(jù)，當(dāng)歷史數(shù)據(jù)缺失時(shí)不能對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。3. 該方法僅考慮了快速路上交通流的情況，而未對(duì)匝道車輛的到達(dá)情況以及相連的其他道路的交通情況進(jìn)行綜合考慮。40參考文獻(xiàn)1. 邵春福. 魏麗英. 賈斌. 交通流理論M. 電子工業(yè)出版社 2012年5月第一版.2. Boris S Kerner, Sergey L Klenov and Dietrich E Wolf. Cellular automata approach to three-phase trafficJ. J. Phys. A: Math. Gen. 35(2002) 9971-10113.3. 郝媛. 孫立軍. 徐天東. 杜豫川. 城市快速路交通擁擠分析及擁擠閾值的確定J. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. Vol36 No.5 609-614.4. 鄭建湖. 董德存. 陳洪 城市快速路入口匝道控制策略比較分析J. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2006.14(2) 196-199.5. 陳建陽. 高速公路入口匝