基于绕城高速公路交通流特征的匝道控制模型

摘要

我国绕城高速公路目前存在以下问题：(1)绕城高速公路内部车流组成从原有绝大多数为城市过境车辆转变为大部分为出入城市车辆；(2)车辆由原来的绝大多数为大中型货车转变成了由小轿车为主要组成的车流；(3)绕城高速公路时常发生上下班高峰期、节假日出行交通拥堵。针对这一亟需解决的交通问题，国内外尚无有效的绕城高速公路交通流或者环形路网交通流的控制成果。绕城高速公路内部可以视为一个封闭的系统，仅与出、入口匝道的车流量大小及入口匝道是否得到控制有关。因此：本文的重点研究内容如下：
　　对单匝道控制的基础理论进行了分类研究，单匝道控制是利用交通流流量守恒关系，车流速度、密度关系，动态车流转移方程等物理模型描述交通流状态，通过控制入口匝
　　道控制率，使主线车流、匝道车流总延误时间TTS达到最小的控制模型。
　　分析了绕城高速公路结构特点及交通流特征，速度-流量-密度之间的关系，建立了考虑多区间单匝道控制的META改进模型，认为匝道车流汇入主线车流之后的短时期车流密度增大会随着车流后续运行得到自我调节，入口匝道控制率的确定应考虑当前匝道至下一出、入口匝道之间的多个运行区间内的自我调节能力。
　　通过对西安绕城高速曲江立交段无匝道控制状态下主线车流及入口匝道车流总延误时间TTS及匝道排队时间TWT进行控制前后的对比，发现该改进模型在非拥挤状态以及低车流密度状态下有较好的控制结果，并分析出控制效果不佳的原因为任意单匝道控制共性。这种共性是：主线车流密度较低时，单匝道控制效果趋近于无控制状态；主线车流密度较大时，入口匝道控制律均很小，TTS基本决定于主线车流状态，TWT的可控制空间极有限。并且任意单匝道控制属于被动控制，无法决定匝道上游车流密度大小与下游匝道是否形成新交通延误。
　　考虑绕城高速公路构成封闭系统的结构特点，提出一个适用于环形有限出入口路网的匝道控制模型，以单向环线上司机选择出口不会超过距入口1/2总环线长度为原则，得到主线上所有出入口匝道OD需求对应矩阵，结合各出入口匝道车流及主线区间车流量得到所有入口匝道在各出口匝道流出车流所占比例，这样主线任意区间车流以及出口匝道车流均能利用入口匝道车流量表达。当主线车流发生拥堵或者出口匝道能力不足时，均能反推出车流源头，通过联合匝道控制模型，以TTS最低为控制目标实现绕城高速公路主线车流的高效运行及降低入口匝道的排队时间。
　　通过对西安绕城高速公路单向环线的控制结果，表明本文的控制模型是有效的。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2国内外相关研究现状

1.3 主要技术路线图

第二章 匝道控制基础理论

2.1 匝道基本控制理论

2.2 宏观交通流匝道控制模型

2.3 匝道控制模型评价方法

2.4 小结

第三章 绕城高速公路入口匝道多目标协同控制

3.1绕城高速公路交通流特性分析

3.2单匝道多目标控制

3.3 连续交通流模型简化方法

3.4 无控制单匝道交通流状态

3.5 单匝道控制效果对比

3.6 小结

第四章 绕城高速公路单向路网多匝道协调控制

4.1单向路网多匝道协调控制目标

4.2单主线多匝道控制多目标分解

4.3环形单向路网多匝道控制模型

4.6 小结

第五章 西安绕城高速公路匝道控制分析案例

5.1 西安绕城高速公路结构分解

5.2下行方向出入口匝道分布

5.3 车流OD组成分析及反推

5.4 全路无控制车流状态

5.5环形道路单向多匝道控制结果

结论与展望

绕城高速公路匝道控制简要总结

致谢

参考文献

附录A（单匝道无控制区间流量表）

附录B（绕城高速公路各区间流量表）