一种快速道路上可变限速与匝道控制协调优化控制方法

摘要

本发明公开了一种快速道路上可变限速与匝道控制协调优化控制方法，通过判断快速道路瓶颈路段交通状态以及入口匝道上排队车辆长度，自动开展入口匝道控制及快速道路可变限速控制的协调优化控制，并通过匝道信号控制灯的颜色及时长、可变信息提示牌等实现对车辆的控制和车速提醒，充分发挥各个控制方法的优势。本发明与以往方法相比，更加全面的对瓶颈路段进行协调优化控制，适用范围更广，控制效果更好。

说明书

技术领域

本发明属于交通控制和智能交通技术领域，特别是针对快速道路路段实行可变限速与匝道控制协调优化控制的方法，提出一种新的降低快速道路行驶延误的协调优化控制方法。 

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，自20世纪80年代中期开始，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，近年来交通需求急速增长，快速道路上交通流量迅速增加，道路基础设施已经逐渐满足不了机动车交通需求，导致了快速道路上出现频繁的交通拥堵。快速道路交通瓶颈路段在占有率较高时存在通行能力瞬时下降的现象，具体现象如图1所示，加剧了瓶颈交通拥堵严重程度，成为制约整条道路通行效率的关键。快速道路上最普遍的交通瓶颈即由于入口匝道与主线交汇处交通流量过高而导致。 

现有快速道路入口匝道交通瓶颈区域交通控制最常用技术为匝道控制技术。近年来可变限速控制技术也逐渐应用于缓解快速道路交通拥堵中，主要有匝道控制何可变限速控制两种控制方法。匝道控制优点为使主线交通流量保持在较高值，因此整条高速公路主线上通过出口匝道流出的车辆较多，但缺点为匝道上车辆排队长度收到匝道长度限制；可变限速控制优点为无车辆排队限制约束，但缺点为由于限制主线交通流，导致从主线上通过出口匝道流出的车辆较少。 

在某一路段以往的控制方法仅采用匝道控制或可变限速控制其中一种控制方法，没有充分挖掘两种算法的优势从而将两种算法合理的融合在一起。以往的算法并没有考虑到如何根据实时交通流特征来判断仅启动匝道控制或者可变限速控制，或是同时启动两种控制算法。故面对越来越复杂的交通状况时，原有的控制方法无法很好地实现控制，应用范伟不够全面且协调性能差，导致瓶颈区域通行能力下降和匝道上车辆溢出到地方道路的不良后果出现。 

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种一种快速道路上可变限速与匝道控制协调优化控制方法，解决现有技术中的单一控制方法不能全面协调控制复杂路况的技术问题。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种快速道路上可变限速与匝道控制协调优化控制方法，包括以下步骤： 

第一步：设置交通流检测器、匝道信号控制灯和路侧可变信息牌，具体设置方法为： 

在入口匝道与地方道路相连位置处设置一组4#交通流检测器； 

在入口匝道与快速道路主线交汇的入口处设置一组5#交通流检测器； 

在入口匝道入口处下游的快速道路瓶颈路段设置一组1#交通流检测器； 

在入口匝道入口处上游的快速道路主线上设置两组交通流检测器，其中处于下游的一组为2#交通流检测器，处于上游的一组为3#交通流检测器为，2#交通流检测器和3#交通流检测器为之间的快速道路设定为快速道路可变限速控制区； 

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； 

在入口匝道入口处设置匝道信号控制灯，缺省灯色为绿灯，在整个交通没有出现拥堵状况的情况下，保持放行； 

在3#交通流检测器上游设置路侧可变信息牌； 

第二步：判断快速道路瓶颈路段的道路通行能力是否突然下降，具体判断方法为： 

依据快速道路瓶颈路段以往的历史交通流数据，确定快速道路瓶颈路段的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快速道路瓶颈路段的当前占有率为o_b(k)； 

若满足o_b(k)＞，判定快速道路瓶颈路段道路通行能力下降，转入第三步； 

若满足o_b(k)≤，判定快速道路瓶颈路段道路通行能力正常，转入第四步； 

第三步：对当前入口匝道和快速道路可变限速控制区进行控制，具体控制方法为： 

a、控制入口匝道： 

依据入口匝道与地方道路相连位置处以往的历史交通流数据，确定入口匝道排队车辆溢出时对应的车辆平均运行速度阈值v_cri和占有率阈值o_cri； 

4#交通流检测器检测到的当前周期车辆平均运行速度v_r和道路占有率o_r； 

若满足v_r<v_cri且o_r>o_cri，判定入口匝道排队车辆溢出；否则判定入口匝道排队车辆没有溢出； 

当入口匝道排队车辆没有溢出时，匝道信号控制灯通过相位调节控制当前周期入口匝道驶入快速道路主线的流量q_r(k)满足下式； 

$q_r\left(k\right)=q_r(k-1)+K_I[{\hat{o}}_b-o_b\left(k\right)]$

其中， 

q_r(k)—当前周期入口匝道驶入快速道路主线的入口匝道流量，单位：辆/小时； 

q_r(k-1)—上一周期入口匝道驶入快速道路主线的入口匝道流量，单位：辆/小时； 

K_I—控制算法的积分增益，取值范围50-70； 

o_b(k)—当前周期快速道路瓶颈路段占有率； 

—快速道路瓶颈路段道路通行能力下降时对应的占有率阈值

当入口匝道排队车辆溢出时，匝道信号控制灯为绿色，直至满足入口匝道排队车辆没有溢出时的判定条件，则按照入口匝道排队车辆没有溢出时的控制方法控制当前周期入口匝道驶入快速道路主线的流量。 

b、控制快速道路可变限速控制区： 

采用下列公式计算快速道路可变限速值： 

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

其中， 

v_limit(k)—当前周期快速道路可变限速值，单位：km/h； 

v_limit(k-1)—上一周期快速道路可变限速值，单位：km/h； 

K_II—控制算法的积分增益，取值范围0.1-1； 

q_r(k)—当前周期入口匝道驶入快速道路主线的入口匝道流量，单位：辆/小时； 

q(k)—当前周期快速道路可变限速控制区的驶出交通量，单位：辆/小时； 

—快速道路可变限速控制区的目标交通量，单位：辆/小时，其中，q_b(k)为快速道路瓶颈路段通行能力，即最大交通流量，单位：辆/小时，α为控制系数，满足0.9<α≤1，保证快速道路可变限速控制区的目标交通量低于瓶颈路段的通行能力； 

将计算所得快速道路可变限速值通过路侧可变信息牌实时发布； 

c、进行完步骤a和b之后返回步骤二判断下一周期快速道路瓶颈路段的道路通行能力是否突然下降； 

第四步：对当前快速道路可变限速控制区进行控制，具体控制方法为： 

依据当前快速道路可变限速控制区以往的历史交通流数据，确定快速道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，判定当前快速道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，判定当前快速道路可变限速控制区车辆未饱和，转入第六步； 

第五步：采用下列公式计算快速道路可变限速值： 

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

其中， 

v_limit(k)—当前周期快速道路可变限速值，单位：km/h； 

v_limit(k-1)—上一周期快速道路可变限速值，单位：km/h； 

K_III—控制算法的积分增益，取值范围2-4； 

β—控制系数，取值范围0.5-2； 

o_b(k)—当前周期快速道路瓶颈路段占有率； 

—快速道路瓶颈路段发生道路通行能力下降时对应的占有率阈值； 

将计算所得快速道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快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—快速道路自由流速度，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，匝道信号控制灯为绿色； 

返回第二步判断下一周期快速道路瓶颈路段的道路通行能力是否突然下降。 

进一步的，在本发明中，1#交通流检测器和2#交通流检测器的距离为600-800m。。使得车辆在快速道路上有足够的时间可以减速，以免加重快速道路瓶颈路段的交通压力。 

进一步的，在本发明中，所述K_I=60。控制由入口匝道驶入快速道路的流量q_r，合理缓解入口匝道的溢出情况。 

进一步的，在本发明中，所述K_II=0.5，α=0.98；所述K_III=3，β=1。根据不同情况，合理控制快速道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快速道路可变限速值是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快速道路可变限速值。以5km/h的倍数作为快速道路可变限速值，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：本发明根据不同控制手段对于交通流影响的不同，提出了一种快速道路入口匝道路段可变限速与匝道控制的协调控制方法，通过判断快速道路瓶颈路段交通状态以及入口匝道上排队车辆长度，自动开展入口匝道控制及快速道路可变限速控制的协调优化控制，并通过匝道信号控制灯的颜色及时长、可变信息提示牌等实现对车辆的控制和车速提醒，充分发挥各个控制方法的优势。本发明与以往方法相比，更加全面的对瓶颈路段进行协调优化控制，适用范围更广，控制效果更好。 

附图说明

图1为道路通行能力瞬间下降现象原理图； 

图2为快速道路入口匝道路段协调控制流程图； 

图3为快速道路入口匝道协调控制配套硬件设置图； 

其中：路侧可变信息牌1、快速道路可变限速控制区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、4#交通流检测器3-4、5#交通流检测器3-5、快速道路瓶颈路段4、地方道路5、匝道信号控制灯6、入口匝道7、快速道路主线8。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

一种快速道路上可变限速与匝道控制协调优化控制方法，包括顺序执行以下步骤： 

第一步：设置交通流检测器、匝道信号控制灯6和路侧可变信息牌1，具体设置方法为： 

在入口匝道7与地方道路相连位置处设置一组4#交通流检测器3-4，用于判定入口匝道7上的车辆排队是否溢出至地方道路5； 

在入口匝道7与快速道路主线8交汇的入口处设置一组5#交通流检测器3-5，用于检测计算由入口匝道7驶入快速道路主线8的入口匝道流量； 

在入口匝道7入口处下游的快速道路瓶颈路段4设置一组1#交通流检测器3-1，用于判定快速道路瓶颈路段4是否出现道路通行能力下降现象； 

在入口匝道7入口处上游的快速道路主线8上设置两组交通流检测器，其中处于下游的一组为2#交通流检测器3-2，处于上游的一组为3#交通流检测器为3-3，2#交通流检测器3-2和3#交通流检测器为3-3之间的快速道路设定为快速道路可变限速控制区2，2#交通流检测器3-2检测当前周期快速道路可变限速控制区的驶出交通量，这两组交通流检测器用于判定进出快速道路可变限速控制区2的交通流的运行状况；1#交通流检测器3-1和2#交通流检测器3-2的距离为700m。 

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； 

在入口匝道7入口处设置匝道信号控制灯6，缺省灯色为绿灯； 

在3#交通流检测器3-3上游设置路侧可变信息牌； 

第二步：判断快速道路瓶颈路段4的道路通行能力是否突然下降，具体判断方法为： 

依据快速道路瓶颈路段4以往的历史交通流数据，确定快速道路瓶颈路段4的道路通行能力下降时对应的占有率阈值如图1所示，占有率阈值经验值为17%； 

1#交通流检测器3-1检测到快速道路瓶颈路段4的当前占有率为o_b(k)； 

若满足判定快速道路瓶颈路段4道路通行能力下降，转入第三步； 

若满足判定快速道路瓶颈路段4道路通行能力正常，转入第四步； 

第三步：对当前入口匝道7和快速道路可变限速控制区2进行控制，具体控制方法为： 

a、控制入口匝道7： 

依据入口匝道7与地方道路5相连位置处以往的历史交通流数据，确定入口匝道7排队车辆溢出时对应的车辆平均运行速度阈值v_cri和占有率阈值o_cri； 

4#交通流检测器3-4检测到的当前周期车辆平均运行速度v_r和道路占有率o_r； 

若满足v_r<v_cri且o_r>o_cri，判定入口匝道7排队车辆溢出；否则判定入口匝道7排队车辆没有溢出； 

当入口匝道7排队车辆没有溢出时，匝道信号控制灯6通过相位调节控制当前周期入口匝道7驶入快速道路主线8的流量q_r(k)满足下式； 

$q_r\left(k\right)=q_r(k-1)+K_I[{\hat{o}}_b-o_b\left(k\right)]$

其中， 

q_r(k)—当前周期入口匝道7驶入快速道路主线8的入口匝道流量，单位：辆/小时； 

q_r(k-1)—上一周期入口匝道7驶入快速道路主线8的入口匝道流量，单位：辆/小时； 

K_I—控制算法的积分增益，取值为60； 

o_b(k)—当前周期快速道路瓶颈路段占有率； 

—快速道路瓶颈路段4道路通行能力下降时对应的占有率阈值

相位调节为本领域技术人员所熟知的现有技术，最常见的是一个绿灯相位为2s，只能放行1辆车。通过两个绿灯信号之间的红灯间隔来控制流量。例如，红灯间隔为4s，那么一分钟可以放行10辆车；如果红灯间隔为8s，那么一分钟可以放行6辆车。通过调节匝道信号控制灯的配时，减少入口匝道驶入快速道路主线的流量； 

当入口匝道7排队车辆溢出时，匝道信号控制灯6为绿色；优先放行入口匝道7上的车辆，直至满足入口匝道7排队车辆没有溢出时的判定条件，则按照入口匝道7排队车辆没有溢出时的控制方法控制；此后如果再次溢出，则再次将匝道信号控制灯6变为绿色。以此方法持续控制。 

b、控制快速道路可变限速控制区2： 

采用下列公式计算快速道路可变限速值： 

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

其中， 

v_limit(k)—当前周期快速道路可变限速值，单位为km/h； 

v_limit(k-1)—上一周期快速道路可变限速值，单位为km/h； 

K_II—控制算法的积分增益，取值为0.5； 

q_r(k)—当前周期入口匝道7驶入快速道路主线8的入口匝道流量，单位：辆/小时； 

q(k)—当前周期快速道路可变限速控制区2的驶出交通量，单位：辆/小时； 

—快速道路可变限速控制区2的目标交通量，单位：辆/小时，其中，q_b(k)为快速道路瓶颈路段4的通行能力，即最大交通流量，单位：辆/小时，α为控制系数，取值为0.98； 

将计算所得快速道路可变限速值通过路侧可变信息牌1实时发布； 

c、进行完步骤a和b之后返回步骤二判断下一周期快速道路瓶颈路段4的道路通行能力是否突然下降； 

第四步：对当前快速道路可变限速控制区2进行控制，具体控制方法为： 

依据当前快速道路可变限速控制区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检测到的当前周期快速道路可变限速控制区2的占有率o_vsl(k)； 

若满足o_vsl(k)＞o_C，判定当前快速道路可变限速控制区2车辆饱和，转入第五步； 

若满足o_vsl(k)≤o_C，判定当前快速道路可变限速控制区2车辆未饱和，转入第六步； 

第五步：以第三步中计算得到的快速道路可变限速值进行控制过程中，快速道路可变限速控制区2由于驶入交通量大于驶出交通量，故在快速道路可变限速控制区2会产生拥堵排队。当快速道路瓶颈路段4的拥堵排队完全消散时，即时，只要当前周期快速道路可变限速控制区2的占有率o_vsl(k)与快速道路可变限速控制区2的临界占有率o_C满足o_vsl(k)>o_C，此时采用下列公式计算快速道路可变限速值： 

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

其中， 

v_limit(k)—当前周期快速道路可变限速值，单位：km/h； 

v_limit(k-1)—上一周期快速道路可变限速值，单位：km/h； 

K_III—控制算法的积分增益，取值为3； 

β—控制系数，取值为1； 

o_b(k)—当前周期快速道路瓶颈路段占有率； 

—快速道路瓶颈路段4发生道路通行能力下降时对应的占有率阈值； 

将计算所得快速道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快速道路可变限速控制区2车辆是否饱和； 

第六步：伴随交通需求的减少，快速道路瓶颈路段4拥堵状况消失且当前周期快速道路可变限速控制区2未达到饱和状态，则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—快速道路自由流速度，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1实时发布，匝道信号控制灯6为绿色。 

返回第二步判断下一周期快速道路瓶颈路段4的道路通行能力是否突然下降。 

以上路侧可变信息提示牌1发布的快速道路可变限速值都为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快速道路可变限速值。以5km/h的倍数作为快速道路可变限速值，适合在高速行驶中的驾驶员准确快速接收到提示信息。 

下面通过具体的实例对本发明方法进行说明。 

假设某一南北向双向四车道快速道路路段，包含一个入口匝道7，交通流检测器、匝道信号控制灯6和路侧可变信息牌1已布设完毕，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，各交通流检测器每30s检测一次数据。根据历史交通数据，设定在整个道路通行顺畅的情况下，匝道信号控制灯6的缺省灯色为绿灯，快速道路上车辆默认限速值为120km/h，瓶颈路段的通行能力为1500辆/小时，瓶颈路段道路通行能力下降时对应的占有率阈值给出参考值17%，2#交通流检测器3-2检测到快速道路可变限速控制区2驶出交通量为1400辆/小时，入口匝道7上车辆溢出判定时车辆平均运行速度临界值v_cri为80km/h，占有率临界值o_cri为17%，快速道路可变限速控制区2的临界占有率o_C为17%。 

某日8时30分0秒1#交通流检测器3-1检测到快速道路瓶颈路段4当前占有率o_b(k)为20%，20%>17%，故触发对快速道路入口匝道7的控制和对快速道路可变限速区2的控制，此时4#交通流检测器3-4检测到入口匝道7上车辆平均运行速度v_r为90km/h，道路占有率o_r为10%，表明入口匝道7上的车辆没有溢出。则启动位于入口匝道7上的匝道信号控制灯6的相位调节，来降低入口匝道7驶入快速道路主线8的流量，使1#交通流检测器3-1检测到占有率o_b(k)维持在17%，即交通流处于通行效率最大的状态。此时入口匝道信号控制灯6的控制下入口匝道流量为100辆/小时。将各变量带入下列公式计算快速道路可变限速值： 

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_{\mathrm{II}}[\hat{q}\left(k\right)-q\left(k\right)-q_r\left(k\right)]=120+0.5[0.98\times 1500-1400-100]=105\mathrm{km}/h$

因此，主线上可变限速控制区域限速值为105千米/小时。 

当8时50分0秒时4#交通流检测器3-4检测到入口匝道7上车辆平均运行速度v_r为30km/h，道路占有率o_r为25%，故入口匝道7排队车辆溢出，匝道信号控制灯6保持绿灯状态，优先放行入口匝道7上的车辆同时对快速道路主线8上的车辆进行限制。此时由5#交通流检测器3-5检测到入口匝道7驶入快速道路的交通量q_r(k)为200辆/小时，1#交通流检测器3-1检测到快速道路瓶颈路段4当前占有率为30.3%，2#交通流检测器3-2检测到快速道路可变限速控制区2驶出交通量为1400辆/小时，上一周期快速道路可变限速值为105km/h，控制算法的积分增益K_III取3。 

将各变量带入下列公式计算快速道路可变限速值： 

$v_{\mathrm{limit}}\left(k\right)=v_{\mathrm{limit}}(k-1)+K_{\mathrm{III}}[\beta ·{\hat{o}}_b-o_b\left(k\right)]=105+3[17\%-30.3\%]=65\mathrm{km}/h.$

路侧可变信息牌1显示“当前限速65km/h”。 

重复上述过程，直到9时30分0秒，3#交通流检测器3-3显示当前周期快速道路可变限速控制区2的占有率o_vsl(k)为10%，10%<17%，故用下列公式计算快速道路可变限速值： 

v_limit(k)=v_free=120km/h。 

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。