一种提高高速公路施工区通行效率的控制方法

摘要

本发明公开了一种提高高速公路瓶颈路段通行效率的控制方法，在实时获取高速公路瓶颈路段及其上游交通流运行数据的基础上，计算瓶颈路段上游的可变限速值，在瓶颈路段上游形成人为控制区，在瓶颈路段发生排队时降低进入瓶颈路段的交通流量，从而预防瓶颈路段出现的通行能力瞬间下降现象。本发明提出的协调控制方法缓解了高速公路施工区旁的瓶颈路段的拥堵排队现象，提前减速也提高了车辆在瓶颈路段行驶的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于动态交通控制和智能交通技术领域，特别是针对提高高速公路施工区通 行效率的控制方法。

背景技术

随着改革的深化和城市化、机动化进程的不断深入，我国交通运输业迅速发展，路 网结构得到不断完善，交通基础设施条件不断改善。但是，由于主客观问题导致高速公 路部分路段因遭到破坏而需要修复，故存在高速公路部分路段边施工边运营的状况，此 时施工区旁边就成为高速公路路段的一个瓶颈路段，当上游驶来的交通量较大时瓶颈路 段会出现交通拥堵，而交通拥堵一旦生成则会产生通行能力下降的现象，形成原理可参 考图1，通常在占有率达到17%之后，存在通行能力瞬时下降的现象。

目前我国在高速公路施工区仅设置了警告路标，控制手段十分不健全，易导致施工 区通行能力严重下降、行车延误增加及一系列交通安全隐患。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种提高高速公路施工区通 行效率的控制方法，解决现有技术中在高速公路上一旦遇到施工状况解决会形成大面积 拥堵现象，导致施工区通行能力严重下降的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种提高高速公路施工区通行效率的控制方法，包括执行以下步骤：

第一步：设置交通流检测器、施工区警告柱和路侧可变信息牌，具体设置方法为：

在施工区开始处设置一组施工区警告柱；

在施工区警告柱处设置一组1#交通流检测器；

在施工区上游设置两组交通流检测器，处于下游的一组交通流检测器为2#交通流检 测器，处于上游的一组交通流检测器为3#交通流检测器，2#交通流检测器和3#交通流 检测器之间的快速道路设定为高速公路可变限速控制区；

上述各组交通流检测器每30s检测一次数据，并将数据传递给控制中心，这些数据 中包括长期检测形成的历史交通流数据以及在日后实时控制过程中的实时交通流数据；

在3#交通流检测器上游设置路侧可变信息牌，路侧可变信息牌连接至控制中心，所 述路侧可变信息牌与3#交通流检测器之间的距离L_b的计算公式如下：

$L_b=\frac{{(v_u/3.6)}^2-{(v_p/3.6)}^2}{2a}$

其中，

v_u—高速公路可变限速控制区上游路段实测车流速度的85%分位值，单位为：km/h， 由历史交通流数据获得；

v_p—瓶颈路段的最低限速值，单位为：km/h，由历史交通流数据获得；

a—车辆减速时的加速度经验值，单位为：m/s²；

第二步：判断瓶颈路段道路通行能力是否突然下降，具体判断方法为：

依据瓶颈路段以往的历史交通流数据，确定瓶颈路段道路通行能力下降时对应的占 有率阈值

1#交通流检测器检测到瓶颈路段当前占有率为o_b(k)；

若满足判定瓶颈路段发生道路通行能力下降，转入第三步；

若满足判定瓶颈路段道路通行能力正常，转入第四步；

第三步：控制高速公路可变限速区

a、采用下列公式计算高速公路可变限速值：

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_I[\hat{q}\left(k\right)-q\left(k\right)]$

其中，

v_limit(k)—当前周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

v_limit(k-1)—上一周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

K_I—控制算法的积分增益，取值范围3-8；

q(k)—2#交通流检测器检测到当前周期高速公路可变限速控制区的驶出交通量，单 位为：辆/小时；

(k)—高速公路可变限速控制区的目标交通量，单位为：辆/小时，其 中，q_b(k)为1#交通流检测器检测到瓶颈路段当前交通量，单位：辆/小时，α为控制系数， 满足0<α<1；

将计算所得高速公路可变限速值通过路侧可变信息牌实时发布；

b、进行完步骤a后返回步骤二判断下一周期瓶颈路段道路通行能力是否突然下降；

第四步：对当前高速公路可变限速控制区进行控制，具体控制方法为：

依据当前高速公路可变限速控制区以往的历史交通流数据，确定高速公路可变限速 控制区的临界占有率阈值o_C；

3#交通流检测器检测到的当前周期快速道路可变限速控制区的占有率o_vsl(k)；

若满足o_vsl(k)>o_C，判定当前高速公路可变限速控制区车辆饱和，转入第五步；

若满足o_vsl(k)≤o_C，判定当前高速公路可变限速控制区车辆未饱和，转入第六步；

第五步：采用下列公式计算高速道路可变限速值：

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_{\mathrm{II}}[\beta ·{\hat{o}}_b-o_b\left(k\right)]$

其中，

v_limit(k)—当前周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

v_limit(k-1)—上一周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

K_II—控制算法的积分增益，取值范围1-3；

β—控制系数，取值范围0.5-2；

o_b(k)—当前周期瓶颈路段占有率；

—瓶颈路段道路通行能力下降时对应的占有率阈值；

将计算所得高速公路可变限速值通过路侧可变信息牌实时发布；

返回第四步判断下一周期高速道路可变限速控制区车辆是否饱和；

第六步：采用下列公式计算快速道路可变限速值：

v_limit(k)=v_free

其中，

v_free—高速公路自由流速度，单位为：km/h；

将计算所得快速道路可变限速值通过路侧可变限速牌实时发布；

返回第二步判断下一周期施工区的道路通行能力是否突然下降。

进一步的，在本发明中，2#交通流检测器与1#交通流检测器为600-800米。使得车 辆在高速公路上有足够的时间可以减速，以免加重施工区的交通压力。

进一步的，在本发明中，所述K_I=5，α=0.9；所述K_II=2，β=1。根据不同情况，合 理控制高速公路可变限速区的目标交通量和车速。

进一步的，在本发明中，路侧可变信息牌发布的高速公路可变限速值是5km/h的倍 数，当计算结果不是5km/h的倍数时，以计算结果最接近的5km/h的倍数值作为发布的 高速公路可变限速值。以5km/h的倍数作为高速公路可变限速值，适合在高速行驶中的 驾驶员准确快速接收到提示信息。

有益效果：

本发明基于实时检测所得的高速公路瓶颈路段及其上游的交通流数据，判断瓶颈路 段道路通行能力瞬间下降现象，通过瓶颈路段上游的高速公路可变限速控制形成人为控 制区预防此现象，调整上游驶入瓶颈路段的交通流量从而预防瓶颈路段通行能力瞬间下 降现象的出现，当瓶颈路段的排队完全消散后再缓慢提高高速公路可变限速值，使高速 公路可变限速控制区因驶入交通量大于驶出交通量而导致的排队得以消散。本发明与以 往施工区的管理方法相比，解决以往高速公路施工区旁的瓶颈路段通行能力下降却缺乏 相应管理方法的问题，提高了高速公路施工区旁的瓶颈路段行车的安全性和便捷性。

附图说明

图1瓶颈路段道路通行能力下降现象原理图；

图2本发明的控制流程图；

图3本发明的高速公路设置结构示意图；

图3中，路侧可变信息牌1，高速公路可变限速控制区2，1#交通流检测器3-1，

2#交通流检测器3-2，3#交通流检测器3-3，施工区警告柱4，施工区5，

瓶颈路段6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图2和图3所示，一种提高高速公路施工区通行效率的控制方法，包括以下步骤：

第一步：设置交通流检测器、施工区警告柱4和路侧可变信息牌1，具体设置方法 为：

在施工区5开始处设置一组施工区警告柱4；

在施工区警告柱4处设置一组1#交通流检测器3-1；

在施工区5上游设置两组交通流检测器，处于下游的一组交通流检测器为2#交通流 检测器3-2，2#交通流检测器3-2与施工区5的间距为600-800米，处于上游的一组交通 流检测器为3#交通流检测器3-3，2#交通流检测器3-2和3#交通流检测器3-3之间的高 速公路设定为高速公路可变限速控制区2；

上述各组交通流检测器每30s检测一次数据，并将数据传递给控制中心，这些数据 中包括长期检测形成的历史交通流数据以及在日后实时控制过程中的实时交通流数据。

在3#交通流检测器3-3上游设置路侧可变信息牌1，路侧可变信息牌1连接至控制 中心，所述路侧可变信息牌1与3#交通流检测器3-3之间的距离L_b的计算公式如下：

$L_b=\frac{{(v_u/3.6)}^2-{(v_p/3.6)}^2}{2a}$

其中，

v_u—经记录累计的历史交通流数据，得到高速公路可变限速控制区2上游路段实测 车流速度的85%分位值，单位为：km/h；

v_p—经记录累计的历史交通流数据，得到瓶颈路段6最低限速值，单位为：km/h；

a—车辆减速时的加速度经验值，单位为：m/s²；这里a的大小通常与天气有关，这 是本领域技术人员的公知常识，不同的天气对应的路面状况不一样，所以导致车辆减速 时的加速度大小不一样，直接影响路侧可变信息牌1与3#交通流检测器3-3之间的距离 L_b的大小，故本发明可以针对不同天气情况安排多个与3#交通流检测器3-3距离不同的 路侧可变信息牌1，根据每天不同的天气情况选择启用对应的路侧可变信息牌1，这样 本发明可以适用于不同天气条件下的控制。

第二步：判断瓶颈路段6道路通行能力是否突然下降，具体判断方法为：

依据瓶颈路段6的以往的历史交通流数据，确定瓶颈路段6道路通行能力下降时对 应的占有率阈值

1#交通流检测器3-1检测到瓶颈路段6当前占有率为o_b(k)；

若满足判定瓶颈路段6道路通行能力下降，转入第三步；

若满足判定瓶颈路段6道路通行能力正常，转入第四步；

第三步：控制高速公路可变限速区2：

a、采用下列公式计算高速公路可变限速值：

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_I[\hat{q}\left(k\right)-q\left(k\right)]$

其中，

v_limit(k)—当前周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

v_limit(k-1)—上一周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

K_I—控制算法的积分增益，取值范围3-8，优选为5

q(k)—2#交通流检测器3-2检测到当前周期高速公路可变限速控制区2的驶出交通 量，单位为：辆/小时；

(k)—高速公路可变限速控制区2的目标交通量，单位为：辆/小时，其中，q_b(k)为1#交通流检测器3-1检测到瓶颈路段6当前交通量，单位：辆/小时，α为 控制系数，满足0<α<1，优选为0.9；

将计算所得高速公路可变限速值通过路侧可变信息牌1实时发布；路侧可变信息牌1 发布的高速公路可变限速值是5km/h的倍数，当计算结果不是5km/h的倍数时，以计算 结果最接近的5km/h的倍数值作为发布的高速公路可变限速值。

b、进行完步骤a后返回步骤二判断下一周期瓶颈路段6道路通行能力是否突然下降；

第四步：对当前高速公路可变限速控制区2进行控制，具体控制方法为：

依据当前高速公路可变限速控制区2以往的历史交通流数据，确定快速道路可变限 速控制区2的临界占有率阈值o_C；

3#交通流检测器3-3检测到的当前周期高速公路可变限速控制区2的占有率o_vsl(k)；

若满足o_vsl(k)>o_C，判定当前高速公路可变限速控制区2车辆饱和，转入第五步；

若满足o_vsl(k)≤o_C，判定当前高速公路可变限速控制区2车辆未饱和，转入第六步；

第五步：采用下列公式计算高速道路可变限速值：

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_{\mathrm{II}}[\beta ·{\hat{o}}_b-o_b\left(k\right)]$

其中，

v_limit(k)—当前周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

v_limit(k-1)—上一周期高速公路可变限速值，单位为：km/h；

K_II—控制算法的积分增益，取值范围1-3，优选为2；

β—控制系数，取值范围0.5-2，优选为1；

o_b(k)—当前周期瓶颈路段6占有率；

—瓶颈路段6道路通行能力下降时对应的占有率阈值；

将计算所得高速公路可变限速值通过路侧可变信息牌1实时发布；

返回第四步判断下一周期高速道路可变限速控制区2车辆是否饱和；

第六步：采用下列公式计算高速公路可变限速值：

v_limit(k)=v_free

其中，

v_free—高速公路自由流速度，单位为：km/h，一般为120km/h；

将计算所得高速公路可变限速值通过路侧可变限速牌1实时发布；路侧可变信息牌1 发布的高速公路可变限速值是5km/h的倍数，当计算结果不是5km/h的倍数时，以计算 结果最接近的5km/h的倍数值作为发布的高速公路可变限速值。

下面结合附图进行实例说明：

假设某一由西向东的四车道高速公路路段，其中外侧两个车道处于施工状态，停止 服务，按照本发明的方法将交通流检测器和施工区警告柱4布设完毕，其中1#交通流检 测器3-1和2#交通流检测器3-2间距为700m，各组交通流检测器每30s检测一次数据 传输给控制中心。在缺省状态下，高速公路车辆限速值为120km/h，根据以往历史交通 流数据得到瓶颈路段6道路通行能力下降时对应的占有率阈值的参考值为17%，高速 公路可变限速控制区2的临界占有率o_C为17%。由历史交通流数据可知，该高速公路可 变限速控制区2上游路段实测车流速度的85%分位值为110km/h，瓶颈路段6的最低限 速值v_p为20km/h，晴天条件下车辆减速时的加速度值a为5m/s²。

首先计算路侧可变信息牌1与3#交通流检测器3-3之间的距离L_b，计算公式如下：

$L_b=\frac{{(v_u/3.6)}^2-{(v_p/3.6)}^2}{2a}=\frac{{(110/3.6)}^2-{(20/3.6)}^2}{2\times 5}=90.28m$

兼顾安装方便和安全，故在3#交通流检测器3-3上游距离其95m处布设一个路侧可 变信息牌1。

某日9时30分0秒1#交通流检测器1-1检测到瓶颈路段6当前占有率o_b(k)为20%， 20%>17%，故判定瓶颈路段6发生道路通行能力下降，1#交通流检测器3-1检测到瓶颈 路段6当前交通量q_b(k)为1500辆/小时，2#交通流检测器3-2检测到高速公路可变限速 控制区2驶出交通量为1340辆/小时。

将各变量带入下式计算高速公路可变限速值：

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_I[\hat{q}\left(k\right)-q\left(k\right)]=120-5[0.9\times 1500-1340]=70\mathrm{km}/h.$

控制中心将控制信号发送给路侧可变信息牌1，路侧可变信息牌1显示“当前限速 70km/h”。

重复上述过程，直到9时40分0秒，1#交通流检测器3-1检测到瓶颈路段6当前占 有率o_b(k)为10%，10%<17%，2#交通流检测器3-2显示当前周期高速公路可变限速控制 区2的占有率o_vsl(k)为21%，21%>17%,将各变量带入下式计算高速公路可变限速值：

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_{\mathrm{II}}[\beta ·{\hat{o}}_b-o_b\left(k\right)]=70+2[1\times 17-10]=84\mathrm{km}/h,$

又因为高速公路可变限速值必须是5km/h的倍数，故确定高速公路可变限速值为 85km/h。

控制中心将控制信号发送给路侧可变信息牌，路侧可变信息牌显示“当前限速 85km/h”。

重复上述过程，直到9时50分0秒，2#交通流检测器3-2显示当前周期高速公路可 变限速控制区2的占有率o_vsl(k)为15%，15%<17%，故用下列公式计算高速公路可变限 速值：

v_limit(k)=v_free=120km/h。

控制中心将控制信号发送给路侧可变信息牌1，路侧可变信息牌1显示“当前限速 120km/h”。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。