本发明涉及城市快速路的交通控制与管理领域，尤其是涉及一种拥挤全链条管理的快速路多匝道协调控制方法。
背景技术：
城市快速路是城市道路中设有中央分隔带，具有四条以上的车道，全部或部分采用立体交叉与控制出入，供车辆以较高的速度行驶的道路。基于以上特点，建成初期的城市快速路在一定程度上缓解了城市交通问题，但随着经济持续发展，汽车需求量的增大，城市快速路也开始出现拥堵现象，且呈逐年加剧趋势。仅依靠增建快速路来缓解交通拥堵的方法并不可行，因此人们逐渐将注意力转移到交通控制与管理这一层面上来。
城市快速路的交通控制是解决当前城市快速路拥堵问题的常用方法，即采用计算机技术等手段，利用道路沿线布设的检测器，对快速路沿线交通状态参数进行实时采集和预处理，按照一定的控制方法调节出入快速路的交通量，以达到平稳、安全、高速、高效的快速路运行效果。城市快速路常规控制方法包括入口匝道控制、出口匝道控制、主线控制、网络路由控制等，其中入口匝道控制是目前效果最好、应用最为广泛的一种控制方法。
入口匝道控制是以快速路主线交通流为控制对象，以匝道入口流量为系统的输入控制量，通过寻求最佳入口匝道流量，使快速路上的交通流量处于最佳状态。基本原理就是限制进入高速路的车辆数目以保证快速路自身的交通需求不超过交通容量，实质即为对交通需求的调节转移及重新分布。入口匝道控制一般有匝道调节和匝道关闭两种方式。匝道调节是指在匝道上利用交通信号灯对进入快速路的车辆进行计量控制，根据控制的空间方式又可分为单点控制和协调控制。匝道关闭是指关闭匝道以限制车辆进入快速路，来维持快速路交通状态的稳定，根据关闭时期又可分为永久性关闭和高峰时期或偶发性拥挤时期临时关闭。
现有技术中，对于快速路匝道的控制往往局限于考虑如何按照一定的控制顺序对入口匝道进行关闭，然而实际生活中，在关闭入口匝道后，还是需要重新对入口匝道进行恢复的，现在对于入口匝道的恢复一般是在入口匝道全部关闭后选取特定时刻进行统一的开放，这种恢复方式并没有充分考虑快速路匝道车流量的实际情况，因此这种恢复方式无法达到较为优秀的效果，因此，如何完整的进行快速路匝道的关闭控制和恢复控制，从而实现对于快速路匝道的拥挤全链条管理调节，是当前亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述问题提供一种拥挤全链条管理的快速路多匝道协调控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种拥挤全链条管理的快速路多匝道协调控制方法，所述方法包括：
1)构建快速路通道上网络交通流的稳定性指标，确定快速路通道的匝道控制时机；
2)对快速路通道进行分区，根据各分区的网络交通流的稳定程度，按照控制顺序关闭各分区匝道；
3)以取优先级控制函数最大值作为目标函数，同时根据快速路各分区匝道的相关参数确定约束条件，通过线性规划方法确定快速路各分区匝道的重新开放时刻。
优选地，所述步骤1)包括：
11)根据交通状态突变的概率，基于风险评估技术，构建快速路通道上网络交通流的稳定性指标；
12)根据步骤11)构建的快速路通道上网络交通流的稳定性指标，在稳定性指标达到峰值对应的时刻，开始对快速路通道的匝道进行控制。
优选地，所述快速路通道上网络交通流的稳定性指标具体为：
其中，s为快速路通道上网络交通流的稳定性指标，a为快速路通道上车辆的累积流量，p为快速路通道上的网络交通流量，f为交通状态突变的概率，w为流量加权。
优选地，所述步骤2)包括：
21)以匝道的连接点作为基准对快速路通道进行分区，并计算每个分区的临界密度标准值；
22)根据步骤21)得到的临界密度标准值，确定每个分区当前状态与临界状态的差值比；
23)根据步骤22)中计算得到的差值比，确定分区匝道的关闭控制顺序，并按照确定的顺序依次对每个分区匝道进行关闭。
优选地，所述每个分区的临界密度标准值具体为：
其中，k0为每个分区的临界密度标准值，li为第i分区的里程长度，as为快速路通道的临界累积流量值。
优选地，所述每个分区当前状态与临界状态的差值比具体为：
其中，di为第i分区当前状态与临界状态的差值比，ki(k)为k时刻第i分区的密度值，k0为每个分区的临界密度标准值。
优选地，所述分区匝道的关闭控制顺序具体为：
231)统一关闭所有差值比为正值的分区；
232)对于余下的分区，首先确定差值比最大的分区，判断该差值比最大的分区中可放行车辆数ni是否大于快速路通道可放行车辆数n1，若是则进入步骤233)，若否则进入步骤234)；
233)按照差值比从大到小的顺序，依次在第i分区中放行ni辆车辆后对第i分区进行关闭；
234)对差值比最大的分区放行n1辆车辆后进行关闭，其余分区按照差值比从大到小的顺序，依次在第i分区中放行ni辆车辆后对第i分区进行关闭。
优选地，所述步骤3)包括：
31)确定快速路通道开放的优先级控制函数，以取优先级控制函数最大值作为目标函数；
32)根据快速路通道各分区匝道的可放行交通量、交通状态突变概率和快速路通道的主线平均速度，确定约束条件；
33)在满足步骤32)中确定的约束条件的情况下，通过线性规划方法对步骤31)中的目标函数进行求解，得到快速路各分区匝道的重新开放时刻。
优选地，所述优先级控制函数具体为：
z＝∑di(k)×ni
其中，z为优先级控制函数，di为k时刻第i分区当前状态与临界状态的差值比，ni为第i分区从k时刻到临界状态时可放入的车辆数。
优选地，所述约束条件包括：快速路通道各分区匝道的可放行交通量不大于临界状态各分区匝道可放行的车辆数、交通状态突变概率小于0.1和快速路通道的主线平均速度大于70km/h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)在按照控制顺序关闭各分区匝道后，以取优先级控制函数最大值作为目标函数，并根据快速路各分区匝道的相关参数确定约束调节，通过线性规划方法确定快速路各分区匝道的重新开放时刻，通过这种方法，可以利用在进行各分区匝道关闭控制时提出的评价交通状态不稳定性的定量指标，来同时实现对开放时刻的控制，因而本发明中提出的快速路多匝道协调控制方法，对于匝道关闭的控制和开放的控制具有一致性，从而保证了匝道关闭和开放的时刻相互呼应，从而使得本发明提出的控制方法具有拥挤全链条管理，可以循环进行匝道关闭和开放的控制，符合对于快速路多匝道控制的实际情况，具有极强的实用性和准确性。
(2)从优先级控制函数的公式可以看出，该优先级控制函数是以分区中当前状态和临界状态的差值比来作为各匝道在快速路通道控制中的权重系数，同时以可放行的车辆数来作为自变量，因此，在该优先级控制函数取得最大值时，说明当前的控制时刻可以保证该匝道在满足约束条件的情况下达到最大放行量，因此基于本优先级控制函数，可以保证匝道的开放时刻达到最优，快速路通道的车辆通行数量达到最大，保证了快速路匝道的最优通行性能，适合普遍推广。
(3)约束条件包括快速路通道各分区匝道的可放行交通量不大于临界状态各分区匝道可放行的车辆数：通道可放行交通量不大于临界状态的交通量这一约束条件使得匝道是在车流量达到完全稳定后才开始恢复的，避免了开放匝道后立刻再次发生拥堵的情况。
(4)约束条件包括交通状态突变概率小于0.1：交通突变概率小于0.1时才能开放匝道，这一突变概率临界点的确定是通过大量实验证明得到的，在小于0.1的时刻开放匝道，可以充分保障交通流的稳定性，使得开放时的快速路通车性能达到最优。
(5)约束条件包括快速路通道的主线平均速度达到70km/h：这是由于高快速路的通行能力分为2类，第一类是拥挤产生前通行能力(pre-queuecapacity)，第二类是拥挤消散通行能力(queue-dischargecapacity)。判断这两类通行能力的关键变量是车速。基于大量实际采集的交通流数据表明，第一类通行能力，从自由流到拥挤流的临近车速通常在50km/h，而第二类通行能力，从拥挤流到自由流的临近车速通常在70km/h；因此，本发明提出的开放匝道车速为70km/h。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提出了一种拥挤全链条管理的快速路多匝道协调控制方法，包括：
1)利用风险评估技术，构建了网络交通流稳定性控制指标，当通道上累积车辆数达到指标阈值，确定通道匝道控制时机：
11)计算通道交通状态突变的概率，量化交通流的不稳定性：
基于宏观基本图描述的网络交通流量和累积流量平均关系，以此为基础交通状态突变的概率可利用生存函数来估算，是以累积流量为变量的方程，计算方法如下式所示：
式中，f(a)为交通状态突变一个以累积流量a为变量的函数；mk为累积流量大于ak的记录数；dk为累积流量为ak时发生突变的记录数；{b}为k时刻发生突变的记录集，即k时刻交通流处于自由流状态，但在k+1时刻交通状态发生突变，处于拥挤状态。
12)利用风险评估技术，构建网络交通流稳定性控制指标；
将交通突变视为一种风险，交通流无损失的概率即交通流稳定性，风险评估方法中的收益即为网络交通量与累积交通流量，利用网络交通量、累积流量和交通流不稳定性三者乘积表征多匝道协调控制的效率，作为风险评估方法的新指标即网络交通流稳定性指标，如下式：
13)当通道上累积车辆数达到指标阈值时即为通道匝道控制时机，得到多匝道协调控制时机；
起始阶段，网络交通流量和累积流量比较小，交通流也较为稳定，因此就相对较小。随着网络交通流量和累积流量逐渐增大，交通流也越来越趋于不稳定，当其处于峰值时，快速路交通流既保持高通过量也维持相对较高的稳定性，此时即为最佳匝道控制时机，如下式所示：
2)利用定量层次分析法将快速路通道的复杂性按层次分配到子分区中，以交通流稳定性为控制指标确定优先级控制矩阵，确定各分区匝道的控制顺序：
21)对通道进行分区；
对通道进行分区应保证各子分区均包括一组出入口匝道组合，并以出入口匝道为分区划分的边界。一般对于区域的划分是鉴于匝道汇入车流对主线交通的影响，参考美国《道路通行能力手册》中匝道连接点或交织区的影响范围建议标准。设计车速为80km/h时，从匝道连接点起，上匝道向上游102m，向下游508m，下匝道向上游508m，向下游102m。确定匝道影响范围后，将快速路基本路段均分到相邻的匝道区域，由此建立通道子分区。
22)根据通道的临界累积流量值a，消除各子分区在交通特性等方面的差异，按下式标准化分区属性；
式中：li：第i个分区的里程长度，m；a：临界累积流量值，veh；k0：临界累积流量值对应的临界密度，veh/km。
23)利用下式，采用作差法得到各分区当前状态与临界状态的差值比；
式中：di：差值比；ki(k)：k时刻i分区的密度值；
24)利用差值比确定匝道的先后控制次序，即多匝道的控制次序优先级矩阵：
若某分区差值比d>0，则意味该分区的稳定性已超过了自身临界阈值。因此在此时刻应关闭所有差值比d>0的分区入口匝道；若某分区差值比d<0，则意味着该分区尚未达到临界状态，d值越大，分区越不稳定。因此未关闭的分区匝道按差值比s值从大到小的顺序依次采取控制措施，进而得到多匝道控制次序矩阵；
25)借鉴单点匝道控制的需求差额法，按下式确定从控制时刻到临界状态之前各分区入口匝道可放行的车辆数，差值比d最大的分区j先放行车辆，若此分区j可放行车辆数nj大于通道可放行车辆数n1，则控制时刻不采取控制措施，分区控制依然服从主线控制目标，按照控制次序，各分区入口匝道依次放行ni辆车后关闭；若nj小于n1，则该分区放行n1辆车后关闭入口匝道：
ni＝|ki(k)-k0|×li
式中：ni：分区i从控制时刻k到临界状态可放入的车辆数；
3)以优先级控制函数的最大值为目标函数，同时以可通行交通量、通道交通突变概率、主线平均速度设定约束条件，利用线性规划方法确定匝道关闭后重新开始的时机，具体包括以下步骤：
31)差值比能够表征匝道先后控制次序的优先级，以差值比确定各匝道在通道控制中的权重系数，以可放入的车辆数为自变量确定优先级控制函数，取优先级控制函数最大值为目标函数：
maxz＝∑di(k)×ni
式中：di(k+1)：分区i在控制时刻k的差值比；ni：分区i从控制时刻k到临界状态可放入的车辆数；
32)以可通行交通量设定约束条件，各分区入口匝道可放行交通量不大于临界状态各分区入口匝道可放行的车辆数；
33)利用实际数据对通道突变概率进行研究发现，当通道突变概率为0.1时交通状态急剧地发展成为不稳定状态。因此选取通道突变概率为0.1的时刻为快速路主线交通状态恢复平稳的时刻，确定该时刻通道的交通网络流量；
34)同时结合城市快速路实际运营经验，以主线平均速度为70km/h为约束条件，确定通道交通状态恢复平稳的时刻；满足上述约束条件时，利用线性规划方法确定匝道关闭后重新开始的时机。
根据上述方法，选择上海市内环高架快速路两条通道a101(内环高架内圈，鲁班路立交至延安西立交，长8.8公里)和a102(内环高架内圈，延安西立交至共和新路立交，长9.0公里)。快速路通道中每隔300到500米埋有环形感应线圈，以20秒的时间间隔采集车速、流量等交通数据。为了获取较为可靠的交通数据，将20秒间隔的数据聚合成5分钟间隔的流量和车速。数据获取的时间段为2011年4月到2012年5月，共计389天。在数据使用之前，利用数据修补技术对流量和速度数据的异常或缺失部分进行了预处理，则进行快速路多匝道的协调控制过程包括如下步骤。
步骤一：确定通道多匝道协调控制的时机。
具体包括以下步骤：由于高交通流量下交通状态突变的概率也高，将导致不稳定的交通流。本发明将交通流不稳定性进行量化，计算通道的交通状态突变概率。利用网络交通量、累积流量和交通流不稳定性三者乘积表征多匝道协调控制的效率，作为风险评估方法的新指标即网络交通流稳定性指标。在开始阶段，值随着累积流量的增大而增大，直到一个峰值。对于两条快速路通道来说，都存在一个网络交通流量稳定的最大值，该最大的值即为临界累积流量值，即as，在该峰值下，快速路通道即保持高通过量同时也维持着相对较高的稳定性，这个峰值就可以作为多匝道协调控制时机。
步骤二：对通道分区并确定各分区匝道的控制次序，具体包括以下步骤：视快速路路段a101、a102为两条通道，视其出入口匝道为子分区边界点，利用模型按出入口匝道位置对通道进行简单的一次递归分区的划分。介于匝道加速驶入的车流对主线交通的影响，分区的划分在入口匝道上游和出口匝道下游的一定的距离处进行。由上述划分原则，将通道a101和通道a102分别划分出四个子分区。通道a101、a102累积流量分别为450veh、360veh时，达到通道多匝道协调控制时机。利用以交通流稳定性为指标的分区控制，可以分别确定两条通道各四个子分区的临界状态。根据各分区的临界累积流量值a计算出临界密度k0。为得到匝道控制次序优先级矩阵，采用作差法得到，每个分区当前状态与临界状态的差值比。利用差值比确定匝道的先后控制次序，为更直观表述各分区匝道性质，对两条通道各分区控制次序进行了统计，在389天共82079组数据中，经计算得到通道a101有1806个控制时刻，通道a102有1647个控制时刻。在控制时刻，首先直接关闭交通流最不稳定匝道，再按控制次序对其余匝道定量放行车辆。放行完成后，所有匝道将均处于关闭状态。此时通道上仅有匝道流出量和主线流量，没有匝道流入量，通道累积流量减小，拥堵逐渐消散。
步骤三：确定各分区匝道关闭后重新开放的时机，具体包括以下步骤：以差值比确定各匝道在通道控制中的权重系数，以可放入的车辆数为自变量确定优先级控制函数，取优先级控制函数最大值为目标函数。以可通行交通量设定约束条件，各分区入口匝道可放行交通量不大于临界状态各分区入口匝道可放行的车辆数；通道a101交通突变概率为0.1时网络交通流量为3600veh/h，在通道a101主线平均速度大于70km/h且网络交通流量小于3600veh/h时，交通状态恢复稳定。此时，通道a101主线上累积流量为410veh，同理，通道a102主线上累积流量为300veh。满足上述约束条件的情况下，利用线性规划方法求解当前时刻优先级控制函数最大值。最终确定既能够满足最大放行量，又能够保持交通流稳定的匝道开放控制时刻。