高速公路瓶頸通行效率的可變溫差控制研究

高速公路瓶頸通行效率的可變溫差控制研究

近年來(lái)，科學(xué)家們開發(fā)出了一系列可替代的速度控制算法，以提高道路擁堵的效率。據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)，可減少車輛總行駛時(shí)間的10%30%。大多數(shù)研究將復(fù)雜自動(dòng)控制算法植入仿真模型中,根據(jù)仿真交通流狀態(tài)進(jìn)行算法實(shí)時(shí)最優(yōu)化求解,得出可變限速提高瓶頸區(qū)通行效率的控制策略及效果。但此類控制算法較復(fù)雜,本身包含較多無(wú)現(xiàn)實(shí)意義的參數(shù),無(wú)法直觀地對(duì)控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié),最優(yōu)控制算法通用性不強(qiáng)。文獻(xiàn)提出了基于反饋控制的可變限速算法,有效簡(jiǎn)化了控制復(fù)雜度,提高了適用性,但沒有對(duì)通行能力下降幅度進(jìn)行標(biāo)定,導(dǎo)致仿真結(jié)果與真實(shí)情況存在一定差異。本文闡明了高速公路常發(fā)瓶頸區(qū)域通行能力下降現(xiàn)象是導(dǎo)致車輛行駛延誤的關(guān)鍵因素,提出了一套旨在阻止瓶頸區(qū)通行能力下降,從而提高車輛通行效率的可變限速控制策略,針對(duì)不同瓶頸類型討論了可變限速控制的應(yīng)用方法與理論效果,并通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證了該控制策略的有效性。研究結(jié)果可為高速公路可變限速控制技術(shù)工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。1車輛累積數(shù)與通行能力高速公路常發(fā)瓶頸的通行能力小于普通路段,當(dāng)需求大于瓶頸通行能力時(shí),瓶頸位置產(chǎn)生排隊(duì)且向上游傳播。瓶頸區(qū)域排隊(duì)車輛消散過(guò)程中,消散流率通常低于瓶頸區(qū)通行能力,即“通行能力下降”(Capacitydrop)現(xiàn)象。研究證實(shí),瓶頸區(qū)擁堵產(chǎn)生后排隊(duì)車輛消散流率通常低于瓶頸通行能力約10%～30%。圖1繪制了通過(guò)瓶頸的車輛累積數(shù)隨時(shí)間的變化,線段斜率表示車輛通行流率。通行需求曲線和實(shí)際車輛消散曲線圍成的封閉面積表示車輛通行延誤總和。tdelay為通行能力下降后車輛n行駛延誤,Tdelay為無(wú)通行能力下降情況下車輛n行駛延誤,車輛n的行駛延誤tdelay>Tdelay。通行能力下降后車輛總通行延誤大于無(wú)通行能力下降的總通行延誤。圖1表明,給定交通需求條件下路段內(nèi)車輛通行延誤僅與瓶頸區(qū)車輛消散流率有關(guān),瓶頸區(qū)通行能力下降是導(dǎo)致通行效率降低的關(guān)鍵因素。瓶頸位置沒有排隊(duì)并不代表整體通行延誤減少,以消除瓶頸區(qū)域排隊(duì)為目標(biāo)的可變限速控制策略可能過(guò)度限制流入瓶頸的流量。增加瓶頸區(qū)車輛通過(guò)流率是提高瓶頸區(qū)通行效率的唯一途徑。可變限速控制技術(shù)能夠挽回由于瓶頸通行能力下降導(dǎo)致的通行延誤。2必然條件二:交通流體系內(nèi)助力設(shè)計(jì)可變限速控制核心思想為通過(guò)人為降低上游路段限速值,生成一個(gè)低流量、高密度區(qū)域,從而控制流入下游瓶頸區(qū)域的車輛流率,消除瓶頸區(qū)車輛排隊(duì)現(xiàn)象,并將車輛通過(guò)流率控制在通行能力狀態(tài)附近,阻止通行能力下降現(xiàn)象。如圖2交通流基本圖所示,瓶頸流量隨占有率(或密度)增加而突然下降表示通行能力下降現(xiàn)象產(chǎn)生。通行能力下降產(chǎn)生前交通流狀態(tài)具有一定規(guī)律,交通流占有率(或密度)達(dá)到一定閾值后產(chǎn)生通行能力下降現(xiàn)象。因此,交通流占有率(或密度)可作為通行能力是否下降的指示變量。當(dāng)瓶頸區(qū)交通流狀態(tài)達(dá)到閾值時(shí),即通行能力下降現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí),啟動(dòng)可變限速控制系統(tǒng)。建立可變限速控制策略如圖3所示:①依據(jù)歷史交通流數(shù)據(jù)標(biāo)定瓶頸通行能力下降幅度和下降前交通流閾值;②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓶頸位置交通流運(yùn)行狀態(tài),判斷是否達(dá)到通行能力下降閾值;③如無(wú)通行能力下降,則進(jìn)入下一周期繼續(xù)檢測(cè)交通流狀態(tài);如發(fā)生通行能力下降,則啟動(dòng)位于上游位置的可變限速控制;④降低上游路段限速值以減少流入瓶頸的車輛流率,消除瓶頸區(qū)車輛排隊(duì);⑤排隊(duì)消散后,調(diào)整限速值維持流入下游瓶頸的車輛流率在瓶頸通行能力附近;⑥當(dāng)交通需求變小、路段擁堵狀態(tài)完全消散后,恢復(fù)默認(rèn)限速值。3控制策略與期望效果高速公路上不同類型交通瓶頸附近交通流運(yùn)行特征存在差異。本文分析了3類單獨(dú)瓶頸和1類交錯(cuò)瓶頸的可變限速控制策略與期望效果。單獨(dú)瓶頸指瓶頸區(qū)車輛消散流率不受下游交通流狀態(tài)影響;交錯(cuò)瓶頸指瓶頸車輛消散流率受下游其他瓶頸影響。四類交通瓶頸如圖4所示。3.1可變速率控制試驗(yàn)如圖4(a)所示,該類瓶頸是高速公路最基本的交通瓶頸。由車道關(guān)閉、施工區(qū)、橋梁、隧道等導(dǎo)致的瓶頸亦可歸于此類。通過(guò)監(jiān)測(cè)車道變少位置交通流狀態(tài),判斷是否啟動(dòng)可變限速控制?？勺兿匏倏刂坡范蔚能囕v通過(guò)流率應(yīng)滿足:Qd<qVSL(v)≤QC(1)Qd<qVSL(v)≤QC(1)式中:qVSL(v)為限速值為v時(shí)車輛通過(guò)流率;QC為通行能力下降前瓶頸通行能力;Qd為通行能力下降后瓶頸車輛消散流率?？勺兿匏倏刂铺岣咂款i區(qū)域車輛消散流率為qVSL(v)-QdqVSL(v)?Qd3.2可變速率控制路段該類瓶頸如圖4(b)所示,當(dāng)主線與匝道交通需求大于交織區(qū)通行能力時(shí),車輛在右側(cè)車道排隊(duì)并蔓延到其他車道,產(chǎn)生通行能力下降?？勺兿匏倏刂坡范蝺?nèi)車輛通過(guò)流率應(yīng)為Qd<qVSL(v)+qon≤QC(2)Qd<qVSL(v)+qon≤QC(2)式中:qon為入口匝道流量?？勺兿匏倏刂坡范蔚南匏僦涤善款i位置通行能力及匝道流量共同決定。由于匝道上交通流量實(shí)時(shí)變化,可能導(dǎo)致可變限速控制路段限速值變化過(guò)于頻繁。因此,此類瓶頸條件下,將可變限速控制與匝道控制相結(jié)合,可以起到穩(wěn)定匝道流量及穩(wěn)定可變限速值,從而穩(wěn)定主線交通流的作用。3.3可變速率控制計(jì)算該類瓶頸如圖4(c)所示,當(dāng)離開高速公路的交通需求大于出口匝道通行能力時(shí),車輛在右側(cè)車道排隊(duì)并蔓延到其他車道。如提高主線及出口匝道通過(guò)車輛流率之和(系統(tǒng)消散流率),則該類瓶頸的通行效率可得到提高。令R為主線車輛中離開高速公路的比例,qoff表示離開的車輛流率,Qoff表示出口匝道通行能力,假設(shè)排隊(duì)產(chǎn)生后主線通過(guò)的車輛流率降低至qd。為了阻止出口匝道位置車輛排隊(duì),可變限速控制區(qū)域通過(guò)車輛流率應(yīng)滿足:qVSL(v)=Qoff/R(3)由于主線車輛中離開的百分比R在實(shí)際中難以觀測(cè),導(dǎo)致主線中可變限速值難以確定。此外,即使可變限速控制阻止了出口匝道位置車輛排隊(duì),但同樣阻止了主線車輛的通過(guò),因此降低了主線車輛的通行效率。當(dāng)出口匝道排隊(duì)導(dǎo)致上游排隊(duì)車輛為先入-先出系統(tǒng)時(shí),上游主線流率則被出口匝道通行能力控制:qm=Qoff/R(4)此情況下可變限速控制并沒有提高整個(gè)系統(tǒng)的消散流率,而是僅將出口匝道位置車輛排隊(duì)轉(zhuǎn)移到了可變限速控制路段。因此,可變限速控制不能提高出口匝道導(dǎo)致的交通瓶頸通行效率。3.4各類高速車輛不確定性強(qiáng)多個(gè)瓶頸交錯(cuò)時(shí)交通流運(yùn)行情況更為復(fù)雜。如圖4(d)所示,當(dāng)上游瓶頸通行能力小于下游瓶頸時(shí),車輛消散流率受到下游瓶頸限制。如制定可變限速控制策略時(shí)便忽略了下游瓶頸的存在,則旨在消除上游瓶頸位置通行能力下降的控制策略無(wú)法提高整體路段的通行效率,因?yàn)橄掠纹款i位置的通行能力下降仍然存在?？勺兿匏倏刂茮]有提高整體系統(tǒng)的車輛消散流率,通行效率沒有提高。制定可變限速控制策略時(shí)需系統(tǒng)檢查整個(gè)道路交通系統(tǒng)的交通流特征,仔細(xì)鑒別制約整個(gè)高速公路交通車輛通行流率的關(guān)鍵瓶頸。旨在提高通行效率的可變限速控制策略必須針對(duì)關(guān)鍵瓶頸來(lái)實(shí)施,否則即使消除了某瓶頸的車輛排隊(duì),可變限速仍無(wú)法提高關(guān)鍵瓶頸的車輛通過(guò)流率,無(wú)法提高整體高速公路系統(tǒng)的通行效率。4仿真模型參數(shù)標(biāo)定以高速公路入口匝道交通瓶頸為例,采用仿真技術(shù)對(duì)本文提出的可變限速控制策略的效果進(jìn)行分析。采用細(xì)胞傳輸模型(Celltransmissionmodel)建立可變限速控制仿真路段,如圖5所示。仿真路段總長(zhǎng)10km,包含11個(gè)主線細(xì)胞和2個(gè)匝道細(xì)胞,細(xì)胞M5、M6為入口匝道瓶頸區(qū)域,細(xì)胞M3為可變限速控制路段,細(xì)胞M4為車輛加速路段,仿真時(shí)長(zhǎng)共3h。仿真測(cè)試前,需對(duì)細(xì)胞傳輸模型參數(shù)標(biāo)定,特別是針對(duì)通行能力下降幅度和閾值標(biāo)定,保證仿真結(jié)果符合實(shí)際。本文采用美國(guó)加利福尼亞州I-5高速公路上某入口匝道瓶頸附近真實(shí)交通流數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定,相關(guān)交通流參數(shù)如表1所示。圖6(a)描述了瓶頸區(qū)車輛消散流率隨時(shí)間的變化。無(wú)控制時(shí),瓶頸通行能力下降導(dǎo)致車輛消散流率較低,可變限速控制有效消除了通行能力下降,使瓶頸區(qū)車輛通過(guò)流率保持在通行能力附近。圖6(b)描述了消散車輛累積數(shù)隨時(shí)間的變化,可變限速控制有效提高了單位時(shí)間通過(guò)瓶頸區(qū)的車輛數(shù),減少了車輛行駛延誤。高速公路瓶頸路段車輛排隊(duì)與消散過(guò)程受到瓶頸車輛消散流率影響。因此,可變限速控制對(duì)于改善瓶頸路段交通流擁堵狀況具有一定效果,如表2所示。由表2可見,本文提出的可變限速控制策略可有效改善高速公路常發(fā)瓶頸區(qū)域交通擁堵狀況,減少車輛行駛延誤并提高通行效率。本文仿真實(shí)驗(yàn)中入口匝道交通需求較穩(wěn)定,而實(shí)際情況中入口匝道交通流量實(shí)時(shí)變化,可能導(dǎo)致可變限速值實(shí)時(shí)變化,無(wú)法滿足實(shí)際高速公路運(yùn)行管理需求。因此,需要將可變限速控制技術(shù)與匝道控制技術(shù)相結(jié)合,從而使可變限速控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效。將可變限速控制技術(shù)與匝道控制技術(shù)相結(jié)合的高速公路常發(fā)瓶頸交通流管理與控制策略將在未來(lái)研究中深入探索。5訴訟路徑下可變速率控制策略仿真與分析針對(duì)可變限速控制提高高速公路常發(fā)瓶頸區(qū)域通行效率的控制策略和效果進(jìn)行了研究,闡述了瓶頸區(qū)通行能力下降現(xiàn)象與通行效率的關(guān)系,提出了一套可變限速控制策略,監(jiān)視瓶頸區(qū)交通流運(yùn)行狀態(tài),判斷通行能力下降是否產(chǎn)生,通過(guò)調(diào)整上游路段限速值限制進(jìn)入瓶頸路段的車輛流率,從而消除通行能力下降,將瓶頸區(qū)車輛通過(guò)流率保持在通行能力附近,減少車輛行駛延誤。分析了不同交通瓶頸類型下可變限速控制方法與效果。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的控制策略的有效性,結(jié)果表明,該控制策略可以顯著減少瓶頸區(qū)車輛行駛延誤56.1%,減少總通行時(shí)間