本發(fā)明涉及路網(wǎng)門限控制，具體涉及一種基于宏觀基本圖的路網(wǎng)門限控制。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)今城市機(jī)動(dòng)車的迅速發(fā)展，城市交通面臨著日益嚴(yán)重的交通堵塞問(wèn)題，交通擁堵已成為我國(guó)各大城市的“頑疾”，它制約了城市的發(fā)展，影響了居民的生活與工作。我國(guó)城市交通管理技術(shù)起步晚，落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于城市交通控制管理和交通安全管理的意識(shí)和技術(shù)相對(duì)薄弱，而汽車保有量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了城市交通的承載能力，道路系統(tǒng)逐漸趨向飽和，如何解決交通堵塞和改善交通運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題日益突出。因此對(duì)于區(qū)域性的交通擁堵問(wèn)題，我們必須從全局出發(fā)，從整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)的宏觀角度去分析交通擁堵問(wèn)題。對(duì)于當(dāng)前的道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，從傳統(tǒng)的信號(hào)燈、十字交叉口和路段的研究已經(jīng)不能滿足交通運(yùn)轉(zhuǎn)的需求，因此，研究城市區(qū)域路網(wǎng)的交通流宏觀基本圖(macroscopicfundamentaldiagram，mfd)的模型控制，是解決以上問(wèn)題的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種基于宏觀基本圖的路網(wǎng)門限控制方法,主要內(nèi)容包括mfd及其應(yīng)用研究、路網(wǎng)穩(wěn)定性分析、門限控制方法。首先是彌補(bǔ)了只能根據(jù)局部城區(qū)的信息進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法做到全局范圍的控制；其次設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的門限控制；最后是提高路網(wǎng)性能并減少了路網(wǎng)延時(shí)。

本發(fā)明的總體設(shè)計(jì)思想是：對(duì)于單個(gè)cbd區(qū)域而言，按照傳統(tǒng)的交通控制建模方法，需要采集所有信號(hào)交叉口的基礎(chǔ)交通流信息，當(dāng)路口規(guī)模增加時(shí)此方法實(shí)施的難度太大。采用mfd方法，從理論上而言可以大幅度減少對(duì)檢測(cè)器數(shù)據(jù)的依賴，僅利用35％以下的路段視頻檢測(cè)到的流量、占有率參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)交通流勻質(zhì)分布路網(wǎng)的宏觀狀態(tài)規(guī)律的提取和表征。由于mfd是路網(wǎng)的本質(zhì)屬性，與交通需求無(wú)關(guān)，因此可以將mfd作為交通控制的性能評(píng)估器并將路網(wǎng)分為受保護(hù)區(qū)域與外圍區(qū)域兩大部分，在受保護(hù)區(qū)域的主要入口上設(shè)置紅綠燈或擁堵收費(fèi)站，則控制中心可根據(jù)實(shí)時(shí)交通參數(shù)是否處于受保護(hù)區(qū)域mfd的合理區(qū)間，來(lái)決定延長(zhǎng)紅燈時(shí)間或增加收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)與否，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)阻止外部交通流的進(jìn)入，達(dá)到緩和城市內(nèi)部擁堵車流的效果。

附圖說(shuō)明

圖1總體流程圖；

圖2mfd的流量—占有率基本圖；

圖3三狀態(tài)，雙區(qū)域系統(tǒng)；

圖4三狀態(tài)、雙區(qū)域系統(tǒng)的平衡點(diǎn)；

圖5穩(wěn)定表面邊界；

圖6城市區(qū)域門限控制的技術(shù)原理圖；

圖7城市區(qū)域的門限控制示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

mfd(即宏觀交通流基本圖，或流量-密度關(guān)系圖)，mfd是通過(guò)對(duì)流量與密度之間的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)了路網(wǎng)中存在兩者間的必然關(guān)系，流量與密度會(huì)形成一條拋物線式的關(guān)系圖形。它是道路網(wǎng)絡(luò)的基本屬性，可以描述網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)車輛數(shù)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行水平之間的普遍關(guān)系，并建立道路網(wǎng)絡(luò)中的流量和交通量的關(guān)系。依據(jù)mfd理論，可以通過(guò)道路檢測(cè)器所獲取的交通數(shù)據(jù)得出宏觀基本圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)路網(wǎng)的宏觀描述，并可以用于描述該區(qū)域輸出的流量(目的地和駛出該區(qū)域的流量)與該區(qū)域內(nèi)車輛數(shù)之間的關(guān)系。該理論不僅可以通過(guò)道路檢測(cè)器所獲取的數(shù)據(jù)得出宏觀基本圖實(shí)現(xiàn)對(duì)路網(wǎng)的宏觀描述，還可以根據(jù)宏觀基本圖來(lái)對(duì)路網(wǎng)的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。本發(fā)明通過(guò)對(duì)流量與占有率之間的關(guān)系研究，也發(fā)現(xiàn)了存在同樣的拋物線關(guān)系，從而更有利于我們對(duì)城市交通流宏觀及本土mfd的研究。因?yàn)橥ㄟ^(guò)檢測(cè)器，我們可以更容易地獲取占有率，從而簡(jiǎn)化和方便了我們研究。流量與占有率之間所構(gòu)成的mfd如下圖2所示。

由于實(shí)際交通路網(wǎng)的復(fù)雜性與不均勻性，在解決大規(guī)模城市交通控制問(wèn)題時(shí)，基于模型的門限控制方法的復(fù)雜性將變得非常大。在這種情況下，將大規(guī)模城市路網(wǎng)分成兩個(gè)區(qū)域rii＝1，2。r1是一個(gè)城市的商業(yè)中心區(qū)(cbd)，r2是cbd的外圍區(qū)域，實(shí)現(xiàn)分而治之，以達(dá)到對(duì)整個(gè)路網(wǎng)的門限控制。門限控制的主要目的是為了改善城市商業(yè)中心的路網(wǎng)性能使其有最大的輸出流，例如，完成出行和到達(dá)目的地的總車輛數(shù)。我們假設(shè)雙區(qū)域系統(tǒng)僅有三個(gè)需求：兩個(gè)內(nèi)需求dii(t)[veh/s],i＝1，2,它意味著他們的起點(diǎn)和終點(diǎn)是在同一個(gè)區(qū)域的，另外還有一個(gè)外需求d21(t)[veh/s],它是t時(shí)刻r2到目的地r1。假若在這種情況下，三個(gè)狀態(tài)變量n1(t)，n21(t)和n22(t)[veh]被用于對(duì)應(yīng)著三個(gè)變量的模型動(dòng)力學(xué)方程。在這里，n1(t)是在t時(shí)刻區(qū)域r1的車輛數(shù)、n21(t)是區(qū)域r2到區(qū)域r1的車輛數(shù)、n22(t)是在t時(shí)刻區(qū)域r2到r2的車輛數(shù)，所以n2(t)是t時(shí)刻區(qū)域r2的總車輛數(shù)，即，n2(t)＝n21(t)+n22(t)。

對(duì)于每一個(gè)區(qū)域rii＝1，2存在一個(gè)mfd，它說(shuō)明了車輛總數(shù)ni(t)和出行完成流gi(ni(t))[veh/s]之間的關(guān)系。出行完成流是轉(zhuǎn)移流和內(nèi)部流的總和。例如，出行完成流在區(qū)域r2是轉(zhuǎn)移流m21(t)[veh/s](r2到目的地r1)，加上內(nèi)部流m22(t)[veh/s](r2到目的地r2)。對(duì)于區(qū)域r1，僅存在內(nèi)部流g1(t)[veh/s]。假設(shè)在每個(gè)區(qū)域所有出行的平均出行長(zhǎng)度是相似的，我們能夠計(jì)算轉(zhuǎn)移流和內(nèi)部流對(duì)應(yīng)總車輛數(shù)的比例，如下公式。

區(qū)域rii＝1，2的完成流函數(shù)可以用公式表達(dá)為:

gi(ni(t))＝ani(t)+bni²(t)+cni³(t)(5)

為了描述上面區(qū)域的不均勻性，我們能夠?qū)⑺鼊澐殖蓭讉€(gè)相似的子區(qū)域h,i,j,k,l,m,o,p,r.(圖3)

此外，邊界控制器u(t),0＜u(t)≤1,安裝在兩個(gè)區(qū)域的邊界用來(lái)限制區(qū)域r2到區(qū)域r1的轉(zhuǎn)移流。而局部控制器urj(t),0＜urj(t)≤1，安裝在子區(qū)邊界來(lái)控制子區(qū)間的車流。值得注意的是，沒(méi)有車輛從區(qū)域r1到區(qū)域r2，即uki＝0。利用局部控制器通過(guò)交叉口信號(hào)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)分流，采取可變信息牌或者利用擁堵收費(fèi)方案。值得注意的是，一個(gè)合適的門限控制策略是保障路網(wǎng)不會(huì)堵塞的情況下使盡可能多的車輛進(jìn)入cbd區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

如果u(t)＝0，在區(qū)域2的所有車輛數(shù)禁止進(jìn)入?yún)^(qū)域r1(即cbd)。這可能造成邊界附近交叉口的倒流式大堵塞，并增加路網(wǎng)延時(shí)。結(jié)果表明，分流率u(t)在非特殊情況下應(yīng)大于零。

路網(wǎng)穩(wěn)定性分析

一個(gè)區(qū)域的路網(wǎng)密度不均勻性可能導(dǎo)致一個(gè)不穩(wěn)定的控制條件，在這種情況下的控制策略對(duì)于高需求下的擁堵系統(tǒng)是沒(méi)有改善作用的。本發(fā)明定義了系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，即dn/dt＝0，并提出了一個(gè)算法來(lái)計(jì)算邊界曲線，即一個(gè)感興趣區(qū)域(ra)，在基于動(dòng)態(tài)方程的相位圖下的穩(wěn)定和不穩(wěn)定區(qū)域之間。

值得注意的是，穩(wěn)定區(qū)域是穩(wěn)定軌跡上點(diǎn)的集合。在有著合適的控制輸入量u(t)的控制下，穩(wěn)定軌跡最終到達(dá)或接近于平衡點(diǎn)。然而在不穩(wěn)定區(qū)域下，點(diǎn)的軌跡可能沒(méi)有控制量u(t)讓他們?cè)诂F(xiàn)有的交通需求下達(dá)到穩(wěn)定平衡點(diǎn)。

為了研究三狀態(tài)、雙區(qū)域宏觀基本圖系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在假設(shè)三角mfd的情況下，我們將推導(dǎo)出的完成流函數(shù)簡(jiǎn)化成一個(gè)分段函數(shù)：

其中γ1[veh/s]是區(qū)域1在臨界車輛n1，c[veh/s]是的通行能力，n1，j[veh/s]是區(qū)域1的堵塞車輛數(shù)，它們可以通過(guò)公式(5)計(jì)算得到。β1是一個(gè)正參數(shù)決定了不均勻性對(duì)區(qū)域1的影響程度，也決定了路網(wǎng)的類型，0＜β1≤1。針對(duì)三狀態(tài)、雙區(qū)域系統(tǒng)的數(shù)量守恒方程如下：

dn1/dt＝d1(t)+u(t)·m21(t)-g1(t)(7)

dn21/dt＝d21(t)-u(t)·m21(t)(8)

dn22/dt＝d22(t)-m22(t)(9)

由不穩(wěn)定平衡點(diǎn)的穩(wěn)定流形成的穩(wěn)定曲面邊界是狀態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的必要元素所以最重要的是，我們必須計(jì)算所有的平衡點(diǎn)和確定它們的屬性。

現(xiàn)在，將公式(6)分別代入式(7)(8)(9)，可得到八個(gè)平衡點(diǎn)，即dn/dt＝0，圖4所示。但這些平衡點(diǎn)并非全部有效，因?yàn)橛屑s束條件0≤n21(t)+n22(t)≤n2，j，在圖3-1中用青色平面表示。因此，像在這個(gè)平面外的p7和p8是無(wú)效的。然而，約束僅僅取決于區(qū)域2的堵塞車輛數(shù)n2，j。

這些平衡節(jié)點(diǎn)的屬性分別由雅克比矩陣決定。如果所有特征值為正或負(fù)時(shí)，平衡節(jié)點(diǎn)漸進(jìn)穩(wěn)定或不穩(wěn)定。否則，它是不穩(wěn)定的鞍點(diǎn)。

平衡點(diǎn)的必要充分條件如下：

d1+d21＜β1·γ1(10)

d21+u·d21＜u·β2·γ2(11)

如果(10)和(11)不成立，那么交通路網(wǎng)可能已經(jīng)堵塞。

門限控制是一種有效的交通控制和管理措施。它的目的是通過(guò)限制外圍區(qū)域車輛過(guò)飽和的流入中心保護(hù)區(qū)域以防止擁堵發(fā)生。然而，門限控制輸入可能導(dǎo)致外圍擁堵，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)路網(wǎng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因而，我們應(yīng)該確定控制輸入的邊界來(lái)創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定條件。

通常，由于對(duì)特定交通區(qū)域的基本參數(shù)的了解，我們可以得到控制輸入的集合，它使交通狀態(tài)處于一個(gè)穩(wěn)定控制狀態(tài)下?？尚薪獾募嫌胹′{u(t)}表示，并且對(duì)于有效的邊界控制值umin(t)和umax(t)分別是最小和最大的邊界。對(duì)于每次的最優(yōu)控制輸入u(t)，u(t)∈s′{u(t)}，我們能夠計(jì)算吸引域的表面邊界。然而，這種控制輸入在需求很高的擁擠情況下可能是找不到的。因此，在這種情況下，我們必須減少需求使得擁堵交通系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)定控制條件下。

對(duì)于一個(gè)交通系統(tǒng)，通過(guò)給定一個(gè)控制參數(shù)u可以計(jì)算出交通狀態(tài)的穩(wěn)定邊界。例如，天河區(qū)的基本交通狀態(tài)如下所示：交通需求是d1＝0.17[veh/s]，d21＝0.097[veh/s]，d22＝0.243[veh/s]，門限值u＝0.8，γ1＝1.17[veh/s]，n1，c＝2150[veh]，n1，j＝3510[veh]，γ2＝1.067[veh/s]，n2，c＝1200[veh]，n2，j＝2570[veh]。穩(wěn)定的表面邊界如圖5所示。

基于穩(wěn)定性分析，有效邊界控制的范圍可以計(jì)算得到。對(duì)于一個(gè)給定的交通系統(tǒng)(mfd參數(shù)是已知的)，我們通過(guò)在t時(shí)刻輸入交通狀態(tài)和需求進(jìn)而計(jì)算出umin(t)和umax(t)，即為門限控制的最小輸入量和最大輸入量。

門限控制方法

當(dāng)保護(hù)區(qū)域的交通路網(wǎng)開(kāi)始擁堵時(shí)，就需要進(jìn)行mfd模型中的門限控制，即針對(duì)區(qū)域邊界的交叉路口，通過(guò)紅綠燈控制與動(dòng)態(tài)收費(fèi)等控制方法對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行流量控制，限制車流進(jìn)入，并對(duì)其他車流進(jìn)行誘導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)交通疏堵，如圖6所示

基于mfd的控制理論，在擁堵時(shí)段可以對(duì)城市核心區(qū)域采取相關(guān)的控制(門限控制)，即在路網(wǎng)邊界上的交叉路口，通過(guò)紅綠燈控制、擁堵收費(fèi)，以限制進(jìn)入城市核心區(qū)域的車流量，達(dá)到緩和城市內(nèi)部擁堵車流的效果。見(jiàn)圖7。

本發(fā)明詳細(xì)介紹了宏觀基本圖的定義及其應(yīng)用研究。同時(shí)重點(diǎn)介紹了在門限控制中需要以宏觀基本圖為工具對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在具體的實(shí)施方案中主要介紹了通過(guò)紅綠燈控制和擁堵收費(fèi)實(shí)現(xiàn)限流。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。