基于北京三环的匝道系统特性分析与拥堵控制策略研究

摘要

随着经济的不断发展，机动车拥有量的迅速增加，城市道路的拥堵也日益严重。交通拥堵会带来了很多的负面影响，因此如何缓解交通拥堵已经成为交通领域的一个重要课题。而匝道系统作为一个典型的交通瓶颈，是造成交通拥堵的主要原因之一，因此匝道控制就成为缓解交通拥堵的最有效的措施之一。本文在对北京市三环道路的实际交通流数据进行分析的基础上，分别以交通流预测以及元胞传输模型为基础分析了交通拥堵的不同机理，并据此提出了相应的不同的匝道控制策略。
　　论文首先在基于短期交通流预测方法的基础上，分析了不同时间间隔下交通流状态转移的特性，然后基于交通流数据多步时间的相关性提出了多步预测的概念，并以两步预测为例分析其交通流状态的演化特性，最后将系统下一时刻的预测状态与道路的临界状态进行对比就可以分析出下一时刻道路的拥堵状况;若是下一时刻系统拥堵就可以减少入口匝道的调节率，从而减少拥堵;若下一时刻系统不拥堵就可以适当增加入口匝道调节率，提高系统的利用效率。
　　其次将北京三环部分路段简化为具有一个瓶颈元胞的双元胞匝道系统，分析了在固定需求下双元胞匝道系统不同初始状态的收敛演化过程以及具体的收敛结果，并据此提出了需求调整的控制策略。若瓶颈元胞在上游，那么固定需求下随着道路初始状态的不断增加，系统上游元胞的拥堵程度要大于下游元胞的拥堵程度，这时候适当将上游的需求调整到下游来减少系统拥堵的产生;若瓶颈元胞在下游时，系统的拥堵是先出现在下游元胞处的，并且向上传播导致上游元胞也开始拥堵，适当调整下游的需求到上游就减少下游拥堵的产生，从而减少拥堵向上游的传播。
　　最后基于原CTM模型（Cell Transmission Model，元胞传输模型）中有关出口匝道流量占主路的总流量一定比例关系的假设具有一定的局限性的基础上，提出了一种新的基于出入口匝道流量差值△的CTM模型。在该模型下系统恰好存在一个临界的(△)值，使得道路处于上游元胞释放的流量可以恰好被下游元胞完全接收的临界状态。在进行控制时，可以将道路现有的△值向临界值靠拢，若实测的△高于临界状态就控制入口匝道需求使系统拥堵状况减轻，若实测的△低于临界状态则不需要进行入口匝道需求的控制。
　　仿真以及实测结果表明，本文提出的不同的匝道控制策略都能够很好地减少系统的拥堵，提高系统的运行效率。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．3 匝道控制的研究现状

1．3．1 匝道控制的发展史

1．3．2 基于预测的匝道控制策略

1．3．3 基于拥堵机理的匝道控制策略

1．4 研究内容和技术路线

1．5 本章小结

2 基于北京三环实测数据的预测控制方法

2．1 数据路况及特点介绍

2．1．1 数据路况

2．1．2 三环实测数据的提取

2．1．3 交通流数据的拟合

2．2 基于实际数据的短期交通流预测控制方法

2．2．1 基于状态转移概率的交通预测方法

2．2．2 不同时间间隔对状态转移矩阵的影响分析

2．2．3 基于两步预测状态转移概率预测方法

2．3 控制策略的应用

2．3．1 控制策略

2．3．2 实证控制

2．4 本章小结

3 基于双元胞匝道系统收敛状态的匝道控制方法

3．1 匝道系统及其CTM模型的收敛特性

3．1．1 双元胞匝道系统及其CTM模型

3．1．2 CTM的收敛特性

3．2 实测数据的分析

3．2．1 数据来源

3．2．2 不同初始状态下的收敛特性

3．2．3 结论

3．3 双元胞匝道系统平衡状态分析

3．3．1 固定需求下的平衡流量

3．3．2 瓶颈—非瓶颈

3．3．3 非瓶颈—瓶颈

3．3．4 两种系统的比较

3．3．5 实例分析

3．4 匝道系统的控制策略

3．4．1 瓶颈—非瓶颈系统的控制方法

3．4．2 非瓶颈—瓶颈系统的控制

3．4．3 仿真控制

3．4．4 实证控制

3．5 本章小结

4 基于出入口匝道流量差的CTM模型及其匝道控制方法

4．1 实测数据中流量关系的分析

4．1．1 CTM模型中出入匝道口流量与主路流量的关系分析

4．1．2 基于北京三环实测数据的流量关系检验

4．2 基于出入口匝道流量差值的CTM模型

4．2．1 基于出入口匝道流量差值的CTM模型

4．2．2 拥堵形成机理分析

4．3 控制策略的应用

4．3．1 基于拥堵机理的控制方法

4．3．2 仿真控制

4．3．3 实证控制

4．3．4 结论

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 本文工作总结

5．2 不足与展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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