本發(fā)明涉及智能交通領域，尤其涉及一種高架匝道智能信號調控方法。

背景技術：

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，越來越多的人和家庭選擇駕車出行，這導致了已經(jīng)惡化的城市交通擁堵愈發(fā)嚴重，尤其是作為城市快速交通設施和城市交通主軀干而承擔了城市交通大部分流量的高架道路，擁堵情況日益嚴重，大大延誤了公眾出行時間，造成了資源的浪費。高架道路運行情況的好壞直接影響整個城市交通網(wǎng)的運行狀態(tài)以及公眾出行體驗。為了有效調控高架道路交通流量，緩解高架道路擁堵情況，優(yōu)化高架道路運行狀態(tài)，在高架入口匝道布設信號燈，對信號燈進行調控成為研究者和交通管理者的應對措施。

傳統(tǒng)的高架入口匝道信號調控大多是通過人工方式在高架流量較多、交通較擁堵時進行匝道的限行關閉，這種方式需要人力成本，且存在延遲。通過智能交通信息采集和分析技術，實現(xiàn)高架入口匝道的智能信號調控，是匝道控制管理發(fā)展的方向和研究的重點。

匝道智能信號調控分為單點調控和協(xié)調調控，單點調控方法只調節(jié)單個入口匝道，不考慮匝道之間的協(xié)調，包括有ZONE算法、ALINEA算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法等，其中ZONE算法參數(shù)調整復雜，ALINEA算法和神經(jīng)網(wǎng)絡算法實時性差。協(xié)調調控方法結合單點調控方法和多匝道協(xié)作控制，進一步調整各匝道流量調控率，避免主要匝道塞車，包括有HELPER算法、LINKED-RAMP算法等，上述兩種算法沒有提供如何給不同匝道分配調節(jié)率，且LINKED-RAMP算法不適合用于擁堵時的交通情況。另外，BOTTLENECK算法、SWARM算法、模糊邏輯算法線性規(guī)劃算法、DMCS算法等存在沒有基于OD信息、模型復雜、求解過程繁瑣等缺點。已有專利《一種基于陣列雷達的高架匝道智能信號控制方法及裝置》需要在高架道路上安裝新的設備，而基于微波、線圈等方式的方法數(shù)據(jù)本身的延時較大。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服已有高架匝道信號調控方法的模型復雜、成本較高、實時性較差的不足,本發(fā)明提供了一種簡單有效、成本較低、實時性良好的高架匝道智能信號調控方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種高架匝道智能信號調控方法，包括如下步驟：

步驟1：高架橋面交通狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

采集高架橋面的實時交通流量數(shù)據(jù)，設置周期為T。

步驟2：判斷高架橋面是否堵塞

對采集的高架橋面流量與設定的流量閾值進行對比，若實時流量超過閾值，則判斷橋面堵塞；否則橋面處于未堵塞狀態(tài)；

步驟3：創(chuàng)建出口截面

當高架橋面堵塞時，其下游的通行能力下降，設堵塞斷面下游為目標斷面，目標變?yōu)樘岣吣繕藬嗝娴耐ㄐ心芰Γ蛊浣咏畲笕萘?；在目標斷面上游?chuàng)建出口截面，使出口截面的流量接近目標斷面的通行能力，速度接近自由速度，所述自由速度為暢通情況下的自由行駛速度；出口截面的長度為從速度為0加速到理想速度時所需要的長度，如下式所示：

其中，L_dis為出口截面長度，單位為米，V_dir為理想速度，a_ave為平均加速度，L_add為考慮到車輛變道等因素而附加的長度；

步驟4：采用可變限制速度與匝道控制融合算法計算出口截面上游各段可變限制速度及各入口匝道控制率，設高架可分為多個路段，每個路段帶一個入口匝道，出口匝道數(shù)不限，過程如下：

4.1)確定目標函數(shù)：匝道控制的目標為恢復目標斷面的通行能力、最小化總耗費時間、最大化總旅行距離，在第t時間步的目標函數(shù)由下式表示：

R＝TTS-TTD (2)

其中，R為目標函數(shù)，TTS是總耗費時間，TTD是總旅行距離，α_ttd,K表征最大化路段K流量的重要性，α_ttd,0表征最大化路段0流量的重要性，路段K為臨界可變限制速度區(qū)域，為使其輸出流量接近目標斷面通行能力，令α_ttd,K＞＞α_ttd,0>0，ω_k為路段k的入口匝道排隊長度。ρ_k為路段k的密度，L_k為路段k長度，l_k為路段k車道數(shù)，T_s為密度從堵塞密度恢復到理想密度所耗費時間，q_k為路段k的流量，q_K為路段K的流量，l_Kq_K≈Q_b，Q_b為目標斷面通行能力；TTS的前一項表示各路段車輛旅行時間之和，后一項表示入口匝道車輛排隊時間；

q_k根據(jù)下式計算得到：

其中，為前一時間路段k-1的流量，s_k(t)為路段k總出口匝道流量(單位veh/h)，d_k(t)為入口匝道k的需求，Q_k為路段k通行能力，Q_k,o為入口匝道k通行容量，R_k(t)為入口匝道k估計流量，取入口匝道需求、通行能力及主干道能接收流量的最小值；

4.2)ρ_k(t+1)根據(jù)密度動態(tài)預測公式得到：

其中，r_k(t)為路段k入口匝道控制率，u_k-1為堵塞區(qū)域上游路段的可變限制速度，u_k為堵塞區(qū)域內路段的可變限制速度，ρ_k(t)為前一時間路段k密度。

4.3)計算u_k(t)，計算公式如下：

α_k(t)＝H(Q_k-q_k(t)) (9)

其中，u_k(t)為可變限制速度，V_f為自由速度，α_k(t)為入口匝道需求參數(shù)，β_k為入口匝道長度參數(shù)，0≤ε≤1為平衡入口匝道需求與入口匝道容量優(yōu)先順序的參數(shù)，v_ac為滿足駕駛員接受程度所設置的速度變化量限制，γ為增益參數(shù)，u_K(t)為臨界可變限制速度，是最上游路段的可變限制速度，為出口截面速度，ρ_c為臨界密度，為出口截面密度；

4.4)計算u_k-1(t)

堵塞區(qū)域為流量存儲段，當上游流量需求較大時，堵塞區(qū)域可能反向傳播至上游導致流量存儲段變大，因此上游路段按同理設置可變限制速度：

其中，V_st(t)為流量存儲段的速度，V_st(t)根據(jù)下式確定：

V_st(t)×ρ_st(t)≥Q_b (15)

ρ_c≤ρ_st(t)≤ρ_J (16)

其中，ρ_st(t)為流量存儲段的密度，ρ_c為臨界密度，ρ_J為堵塞密度，ρ_st(t)根據(jù)經(jīng)驗值選?。?/p>

當確定ρ_st(t)和V_st(t)后，可對上游路段是否應該加入流量存儲段進行判斷，通過比較ρ_st(t)與上游路段密度ρ_k(t)，若ρ_st(t)≤ρ_k(t)，則路段k加入流量存儲段，否則不加入；

4.5)T_s為密度從堵塞密度ρ_J恢復到理想密度ρ_b所耗費時間，設在最大通行能力Q_b時的理想速度為V_b，則理想密度為

堵塞密度ρ_I恢復到理想密度ρ_b所耗費時間T_s為

其中，u_K、ρ_K分別為臨界可變限制速度區(qū)域的速度和密度，滿足u_Kρ_K＜＜Q_b，l_dis為出口截面的車道數(shù)，l_b為目標斷面車道數(shù)，L_b為目標斷面長度；

4.6)ω_k(t+1)根據(jù)以下公式計算得到：

ω_k(t+1)＝ω_k(t)+T_s[d_k(t)-q_k,o(t)] (19)

其中，d_k為入口匝道k需求，q_k,o為入口匝道k估計流量。

結合式(6)、(7)、(13)、(17)和(18)，TTS為關于r_k(t),k＝1,…,K的函數(shù)，最小化TTS，即計算r_k(t),k＝1,…,K的組合使得TTS最小，通過線性規(guī)劃方法計算r_k(t),k＝1,…,K，則得到各入口匝道控制率。

進一步，將式(8)、(14)代入式(7)，式(5)、(19)代入式(4)，然后將式(7)、(18)、(19)代入式(3)，則求得TTS和TTD。

再進一步，所述步驟2中，流量閾值的選取根據(jù)歷史一段時間內的高架橋面流量與流速關系得到，當流速下降時的流量為臨界流量，流量閾值大于臨界流量。

本發(fā)明的技術構思為：對高架橋面的流量、流速等交通狀態(tài)進行分析，當橋面流量需求過度、路段交通堵塞導致下游的目標斷面通行能力下降時，在目標斷面上游設置出口截面，通過可變速度限制(VSL)方法控制從出口截面上游駛入的流量，并設置上游入口匝道的流量控制率，從而使目標斷面恢復瓶頸流量，接近其通行能力。本發(fā)明方法能在實時獲取高架交通狀態(tài)的基礎上不斷更新，能實時對高架匝道進行調控；同時本發(fā)明方法兼顧主干道交通流及入口匝道排隊情況，能極大避免入口匝道因排隊過長產(chǎn)生的流量回溢現(xiàn)象。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：(1)低成本。本發(fā)明方法是基于已有交通數(shù)據(jù)采集設備，無需安裝新設備，且摒棄了人工調控操作，使人力、物力成本達到最低。

(2)可行性強。在分析高架交通狀態(tài)基礎上對高架橋面和入口匝道進行管控，以便恢復高架通行能力，原理簡單、可行性強。

(3)實時性強。本發(fā)明方法能采集高架實時交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，并做出實時高架截面和入口匝道管控策略，具有較好的實時性。

(4)可靠性高。本發(fā)明方法兼顧入口匝道的排隊情況，能有效防止入口匝道排隊引起的流量回溢現(xiàn)象。

附圖說明

圖1是高架匝道智能信號調控方法的流程圖。

圖2是流量流速關系示意圖。

圖3是高架橋面示意圖，其中，(a)表示目標斷面上游出現(xiàn)堵塞時的狀態(tài)，(b)表示在目標斷面上游創(chuàng)建出口截面。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖3，一種高架匝道智能信號調控方法，包括以下步驟：

步驟1：高架橋面交通狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。采集高架橋面的實時交通流量數(shù)據(jù)，采集周期一般選為5分鐘。

步驟2：判斷高架橋面是否堵塞。對采集的高架橋面流量與設定的流量閾值進行對比，若實時流量超過閾值，則判斷橋面堵塞；否則橋面處于未堵塞狀態(tài)。流量閾值的選取根據(jù)歷史一段時間內的高架橋面流量與流速關系得到，當流速下降時的流量為臨界流量，流量閾值略大于臨界流量。以圖2所示杭州市中河高架慶春路南向北方向卡口設備流量流速關系圖為例，黑色實線為流量，黑色虛線為流速，當流量為150時，流速明顯下降，因此流量閾值可設為160veh/5分鐘。

步驟3：創(chuàng)建出口截面。當高架橋面堵塞時，其下游的通行能力下降，設堵塞斷面下游為目標斷面，則本發(fā)明方法的目標變?yōu)樘岣吣繕藬嗝娴耐ㄐ心芰?，使其接近最大容量。如圖3(a)所示，目標斷面上游出現(xiàn)堵塞時，將導致從上游流入目標斷面的流量變小，使得目標斷面通行能力降低，為恢復目標斷面通行能力，如圖3(b)所示在目標斷面上游創(chuàng)建出口截面，使出口截面的流量接近目標斷面的通行能力，速度接近自由速度(暢通情況下的自由行駛速度)，出口截面上游設置可變限制速度，通過限制上游速度及入口匝道流入量，使得臨界可變限制速度區(qū)域的流量接近出口截面流量。

出口截面的長度為從速度0加速到理想速度時所需要的長度，計算公式如下：

其中，L_dis為出口截面長度，單位為米，V_dir為理想速度，a_ave為平均加速度，L_add為考慮到車輛變道等因素而附加的長度。V_dir可根據(jù)高架實際情況設定，以杭州市高架的理想速度80為例，平均加速度設為10，附加長度為100，則

步驟4：采用可變限制速度與匝道控制融合算法計算出口截面上游各段可變限制速度及各入口匝道控制率。設高架可分為多個路段，每個路段帶一個入口匝道，出口匝道數(shù)不限。計算過程如下：

4.1)確定目標函數(shù)。匝道控制的目標為恢復目標斷面的通行能力、最小化總耗費時間、最大化總旅行距離，在第t時間步的目標函數(shù)可由下式表示：

R＝TTS-TTD (2)

其中，R為目標函數(shù)值，TTS是總耗費時間，TTD是總旅行距離，α_ttd,K表征最大化路段K流量的重要性，α_ttd,0表征最大化路段0流量的重要性，路段K為臨界可變限制速度區(qū)域，為使其輸出流量接近目標斷面通行能力，令α_ttd,K＞＞α_ttd,0>0。ω_k為路段k的入口匝道排隊長度。ρ_k為路段k的密度，L_k為路段k長度，l_k為路段k車道數(shù)，T_s為密度從堵塞密度恢復到理想密度所耗費時間，q_k為路段k的流量，q_K為路段K的流量，l_Kq_K≈Q_b，Q_b為目標斷面通行能力。TTS的前一項表示各路段車輛旅行時間之和，后一項表示入口匝道車輛排隊時間。q_k可根據(jù)下式計算得到：

其中，為前一時間路段k-1的流量，s_k(t)為路段k總出口匝道流量(單位veh/h)，d_k(t)為入口匝道k的需求，Q_k為路段k通行能力，Q_k,o為入口匝道k通行容量。

4.2)計算ρ_k(t+1)。ρ_k(t+1)可根據(jù)密度動態(tài)預測公式得到：

其中，r_k(t)為路段k入口匝道控制率，u_k-1為堵塞區(qū)域上游路段的可變限制速度，u_k為堵塞區(qū)域內路段的可變限制速度，ρ_k(t)為前一時間路段k密度。

4.3)計算u_k(t)。計算公式如下：

α_k(t)＝H(Q_k-q_k(t)) (9)

其中，u_k(t)為可變限制速度，V_f為自由速度，α_k(t)為入口匝道需求參數(shù)，β_k為入口匝道長度參數(shù)，0≤ε≤1為平衡入口匝道需求與入口匝道容量優(yōu)先順序的參數(shù)，v_ac為滿足駕駛員接受程度所設置的速度變化量限制，γ為增益參數(shù)，u_K(t)為臨界可變限制速度，是最上游路段的可變限制速度，為出口截面速度，ρ_c為臨界密度，為出口截面密度。

4.4)計算u_k-1(t)。堵塞區(qū)域為流量存儲段，當上游流量需求較大時，堵塞區(qū)域可能反向傳播至上游導致流量存儲段變大，因此上游路段按同理設置可變限制速度：

其中，V_st(t)為流量存儲段的速度，V_st(t)可根據(jù)下式確定：

V_st(t)×ρ_st(t)≥Q_b (15)

ρ_c≤ρ_st(t)≤ρ_J (16)

其中，ρ_st(t)為流量存儲段的密度，ρ_c為臨界密度，ρ_J為堵塞密度。ρ_st(t)可根據(jù)經(jīng)驗值選取，V_st(t)可根據(jù)ρ_st(t)值確定。

當確定ρ_st(t)和V_st(t)后，可對上游路段是否應該加入流量存儲段進行判斷，通過比較ρ_st(t)與上游路段密度ρ_k(t)，若ρ_st(t)≤ρ_k(t)，則路段k加入流量存儲段，否則不加入。

4.5)計算T_s。T_s為密度從堵塞密度ρ_J恢復到理想密度ρ_b所耗費時間，設在最大通行能力Q_b時的理想速度為V_b，則理想密度為

堵塞密度ρ_J恢復到理想密度ρ_b所耗費時間T_s為

其中，u_K、ρ_K分別為臨界可變限制速度區(qū)域的速度和密度，滿足u_Kρ_K＜＜Q_b，l_dis為出口截面的車道數(shù)，l_b為目標斷面車道數(shù)，L_b為目標斷面長度。

4.6)計算ω_k(t+1)。ω_k(t+1)可根據(jù)入口匝道隊列動態(tài)模型公式計算得到：

ω_k(t+1)＝ω_k(t)+T_s[d_k(t)-q_k,o(t)] (19)

其中，d_k為入口匝道k需求，q_k,o為入口匝道k估計流量。

將式(8)、(14)代入式(7)，式(5)、(19)代入式(4)，然后將式(7)、(18)、(19)代入式(3)，則求得TTS和TTD；TTS為關于r_k(t),k＝1,…,K的函數(shù)，最小化TTS，即計算r_k(t),k＝1,…,K的組合使得TTS最小，通過線性規(guī)劃方法計算r_k(t),k＝1,…,K，則可到各入口匝道控制率。

通過調控各入口匝道控制率及上游路段速度，能使得目標斷面通行能力達到最大，并實現(xiàn)最小化總耗費時間、最大化總旅行距離的約束目標，方法實際可靠，可行性較強。