城市快速路合流区主线与入口匝道协调控制系统及方法

本发明涉及智能交通管理与控制技术领域，综合考虑实时检测到的入口匝道排队长度、合流区起讫点交通量等数据，对城市快速路合流区主线与入口匝道实施合理的动态控制，为一种城市快速路合流区主线与入口匝道协调控制系统及方法。

背景技术：

入口匝道作为城市快速路主辅路的衔接路段，是快速路系统的重要组成部分，而入口匝道合流区也是快速路系统中交通状况复杂瓶颈节点，主要体现在入口匝道车流汇入合流区主线时需要进行频繁的换道，尤其是在交通流较大的情况下经常导致合流区交通拥堵，成为快速路系统常发性拥堵点，同时合流冲突严重时会引发交通事故，降低了快速路的行车安全性。

针对上述问题，研究出快速路合流区主线与入口匝道协调控制系统，对于改善快速路合流区交通安全，提高快速路通行效率都具有重大意义；直至目前，国内外不少学者对此也进行了研究，也提出了相应的改善措施，如可变限速控制、匝道控制以及车道控制等。

当前，随着智能交通管理与控制设备的应用，快速路合流区主线与入口匝道协调控制系统可以先利用交通量检测器实时检测出合流区起(包括主线上游和入口匝道)讫点交通量，以及利用排队检测器实时检测出入口匝道排队长度；然后利用中心计算机对这些数据进行处理，得出合理的控制方法，并通过无线网络将最终的信息传达给信息发布系统；最后信息发布系统及时发布可变限速信息或启动信号灯控制。该控制系统涉及的设施容易获取，应用较为便捷，对于提高我国快速路通行效率以及改善交通安全具有很重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，现有快速路限速值仅以主线为对象，且基本保持不变，但入口匝道车流的汇入使得合流区交通状况复杂，容易导致合流区发生交通拥堵，甚至引发严重的交通事故，因此，需要构建综合考虑城市快速路合流区主线与入口匝道协调控制系统及方法，根据入口匝道排队长度以及合流区交通流的变化，对快速路合流区主线与入口匝道进行实时的动态控制，提高快速路合流区车辆运行安全以及通行效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种城市快速路合流区主线与入口匝道协调控制系统，包括三个协调作业的子系统：

1)信息采集系统：主要用于采集入口匝道排队信息以及合流区交通量信息。

2)信息处理系统：主要用于及时处理采集系统收集到的信息，并及时传送处理后的信息到相应的信息发布系统。

3)信息发布系统：主要用于第一时间发布可变限速信息或启动信号灯控制，使道路使用者能够根据发布的信息及时采取对应的措施，从而有效地降低合流区交通冲突，提高车辆在合流区运行的安全性以及快速路的通行效率。

所述信息采集系统主要包括排队检测器以及交通量检测器。排队检测器主要设置在入口匝道前端，用于检测车辆排队情况；交通量检测器主要设置在合流区的起讫点位置，用于检测合流区主线上游及入口匝道驶入的交通量和合流区下游驶出的交通量。

所述信息处理系统主要为中心计算机。中心计算机主要用于处理由信息采集系统收集到的信息数据，确定最终需要采取的控制方法，并将最终结果通过无线网络传送给信息发布系统。

所述信息发布系统主要包括可变限速板和交通信号控制设备。可变限速板主要设置在快速路合流区上游的主路路段，将具体限速值情况及时反馈给主路车辆使用者，使车辆使用者及时地根据自身车速情况加以调整；交通信号控制设备主要设置在快速路合流区入口匝道末端，通过信号控制机驱动信号灯来动态地控制入口匝道车辆驶入合流区。

一种城市快速路合流区主线与入口匝道协调控制方法，具体步骤如下：

(1)交通量检测器检测合流点处主线与入口匝道驶入的交通量q1-主和q1-匝道(pcu/h)以及合流区下游驶出的交通量q2(pcu/h)；排队检测器检测入口匝道车辆排队长度l米；为使得每次检测数据更为精确，一般为5分钟检测一次。

(2)将检测到的各项数据传送给中心计算机，中心计算机首先将交通量检测器检测到的小时交通量q1＝q1-主+q1-匝道与q2做比较；如果q1≤q2＜qm(qm为合流区下游路段通行能力，pcu/h)，则主线和入口匝道均不启动相应控制，此时主路车辆仍按当前车道给定的安全限速v1km/h行驶；如果q1＞q2，需要对合流区采取相应控制，先计算出此时对应的限速值v2km/h，显然v2＜v1，然后通过步骤(3)给出具体的控制策略。

(3)中心计算机将排队检测器检测到的入口匝道排队长度l与预先设置的阈值lcr米作比较：①l≤lcr，则先启动入口匝道信号灯控制，此时在一个检测周期内，如果q1'≤q2(q1'为重新检测的合流点处主线与入口匝道驶入交通量)，则不需要启动主线可变限速控制，即让主路车辆仍采用速度v1优先通过合流区，如果q1'＞q2，则需要同时启动主线可变限速控制；②l＞lcr，此时既要确保入口匝道车辆安全汇入合流区，又要减小因入口匝道车辆排队长度过长对辅道车辆通行造成影响，则不启动入口匝道信号灯控制，而启动主线可变限速控制；上述主线可变限速控制均取v2作为新的安全限速值。

(4)中心计算机确定最终的控制结果，并经无线网络及时传达给信息发布系统，信息发布系统发布可变限速信息或启动信号灯控制，从而实现合流区车辆的安全运行，提高快速路的通行效率。

(5)对于含有多个合流区的快速路路段，可采用元胞传输模型进行分段处理，即将该路段划分为多个元胞，各个元胞都含有一个主路与入口匝道，按照前面步骤(1)～(4)分别协调控制各个元胞，确定适合各自情况的协调控制方法。但是如果是对主线进行可变限速，相邻两个元胞之间的限速值之差一般不能超过20km/h，否则很有可能由于两个元胞前后限速差过大而造成主路交通流严重扰动，甚至产生连锁交通事故。

(6)在一个周期5分钟的检测完成之后，协调控制系统将重复以上步骤，自动进行下一个周期的检测，以确定是否需要进一步调整当前协调控制方法。

所述(2)中限速值v2的计算方法如下：

由于q1＞q2，即合流点主线和入口匝道驶入的总交通量超过了合流区下游驶出交通量，合流区的交通密度会逐步增大，此时交通密度和速度之间的关系并非单纯的线性关系，因而考虑交通密度较大的情况，结合greenberg模型和交通流三参数关系，可确定如公式(1)所示的交通量-速度模型。

式中：q表示交通量，pcu/h；v表示速度，km/h；vm表示最大交通量对应的速度(最佳速度)，km/h；kj表示阻塞密度，vel/km。

结合(1)式，令得v＝vm，则此时交通量达到最大则

由于qm是vm对应的交通量，因而对于一个已知路段，可以通过实测交通量数据确定二者的值，此处应令qm＝qm，同时结合①式及kj关系可以确定v2，如公式(2)所示。

式中：q'表示待控制的交通量，且不包含入口匝道到达合流区交通量，pcu/h；其余字母意义同上。

对于q'，应分两种情形加以确定：①当qm＞q1＞q2时，合流区逐步出现拥堵，但由于没有超出下游通行能力，拥堵程度相对较低，但为了避免后续拥堵加重，此时应该以当前的q2-q1-匝道作为待控制的交通量，即令q'＝q2-q1-匝道，进而求出对应的v2；②当q1＞q2＝qm时，合流区拥堵非常严重，为了缓解当前的拥堵，同时也为了减小因控制程度过大而引发合流区上游的交通混乱，先以qm作为待控制的交通量，即令q'＝qm-q1-匝道，求出此时的v2，此后，若q1≤q2，则主线不需要再采取控制，若qm＞q1＞q2，则按情形①求出v2。

本发明的优点是：

本发明的信息采集系统以一定的周期实时收集合流区起讫点驶入驶出交通量以及入口匝道驶入交通量和车辆排队信息数据，信息处理系统及时处理这些数据，确定最终采取的控制方式，即采取主线可变限速控制或入口匝道信号灯控制，信息发布系统根据确定的控制方式，实时发布可变限速信息或启动入口匝道信号灯。本发明的优势在于综合考虑了入口匝道车流排队长度以及合流区起讫点驶入驶出交通量，克服了以往仅考虑主线限速且限速值固定不变或仅考虑入口匝道控制等方面的不足，因此本方法在动态限速与控制方面具有较高的工程实用价值。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为车辆合流示意图。

图3为协调控制流程图。

图4为本发明工作原理框图。

具体实施方式

本发明所述城市快速路合流区主线与入口匝道协调控制系统，如图1、4所示，包括三个协调作业的子系统：

1)信息采集系统1：主要用于采集入口匝道排队以及合流区交通量信息。

2)信息处理系统2：主要用于及时处理采集系统收集到的信息，并及时传送处理后的信息到相应的信息发布系统。

3)信息发布系统3：主要用于第一时间发布可变限速信息或启动信号灯控制，使道路使用者能够根据发布的信息及时采取对应的措施，从而有效地降低合流区交通冲突，提高车辆在合流区运行的安全性以及快速路的通行效率。

所述信息采集系统1主要包括排队检测器4以及交通量检测器5，如图2所示，排队检测器主要设置在入口匝道前端，用于检测车辆排队情况，交通量检测器主要设置在合流区的起讫点位置，用于检测主线及入口匝道驶入的交通量和下游驶出的交通量。

所述信息处理系统2主要为中心计算机。中心计算机主要用于处理由信息采集系统收集到的信息数据，确定最终采取的控制方法，并将确定的结果经无线网络传送给信息发布系统。

所述信息发布系统3主要包括可变限速板6和交通信号控制设备7，如图2所示，可变限速板主要设置在快速路合流区上游的主路路段，及时发布具体的限速信息，使车辆使用者及时地根据自身车速情况加以调整，交通信号控制设备主要设置在快速路合流区入口匝道末端，及时启动信号灯来动态地控制入口匝道车辆驶入合流区。

一种城市快速路合流区主线与入口匝道协调控制方法，如图3所示，主要包括以下实施步骤：

(1)交通量检测器检测合流点处主线与入口匝道驶入的交通量q1-主和q1-匝道(pcu/h)以及合流区下游驶出的交通量q2(pcu/h)；排队检测器检测入口匝道车辆排队长度l米；为使得每次检测数据更为精确，一般为5分钟检测一次。

(2)将检测到的各项数据传送给中心计算机，中心计算机首先将交通量检测器检测到的小时交通量q1＝q1-主+q1-匝道与q2做比较；如果q1≤q2＜qm(qm为合流区下游路段通行能力，pcu/h)，则主线和入口匝道均不启动相应控制，此时主路车辆仍按当前车道给定的安全限速v1km/h行驶；如果q1＞q2，需要对合流区采取相应控制，先计算出此时对应的限速值v2km/h，显然v2＜v1，然后通过步骤(3)给出具体控制策略。

(3)中心计算机将排队检测器检测到的入口匝道排队长度l与预先设置的阈值lcr米作比较：①l≤lcr，则先启动入口匝道信号灯控制，此时在一个检测周期内，如果q1'≤q2(q1'为重新检测的合流点处主线与入口匝道驶入交通量)，则不需要启动主线可变限速控制，即让主路车辆仍采用速度v1优先通过合流区，如果q1'＞q2，则需要同时启动主线可变限速控制；②l＞lcr，此时既要确保入口匝道车辆安全汇入合流区，又要减小因入口匝道车辆排队长度过长对辅道车辆通行造成影响，则不启动入口匝道信号灯控制，而启动主线可变限速控制；上述主线可变限速控制均取v2作为新的安全限速值。

(4)中心计算机确定最终的控制结果，并经无线网络及时传达给信息发布系统，信息发布系统发布可变限速信息或启动信号灯控制，从而实现合流区车辆的安全运行，提高快速路的通行效率。

(5)对于含有多个合流区的快速路路段，可采用元胞传输模型进行分段处理，即将该路段划分为多个元胞，各个元胞都含有一个主路与入口匝道，按照前面步骤(1)～(4)分别协调控制各个元胞，确定适合各自情况的协调控制方法。但是如果是对主线进行可变限速，相邻两个元胞之间的限速值之差一般不能超过20km/h，否则很有可能由于两个元胞前后限速差过大而造成主路交通流严重扰动，甚至产生连锁交通事故。

(6)在一个周期5分钟的检测完成之后，协调控制系统将重复以上步骤，自动进行下一个周期的检测，以确定是否需要进一步调整当前协调控制方法。

所述步骤(2)中限速值v2的计算方法如下：

由于q1＞q2，即合流点主线和入口匝道驶入的总交通量超过了合流区下游驶出交通量，合流区的交通密度会逐步增大，此时交通密度和速度之间的关系并非单纯的线性关系，因而考虑交通密度较大的情况，结合greenberg模型和交通流三参数关系，可确定如公式(1)所示的交通量-速度模型。

式中：q表示交通量，pcu/h；v表示速度，km/h；vm表示最大交通量对应的速度(最佳速度)，km/h；kj表示阻塞密度，vel/km。

结合(1)式，令得v＝vm，则此时交通量达到最大则

由于qm是vm对应的交通量，因而对于一个已知路段，可以通过实测交通量数据确定二者的值，此处应令qm＝qm，同时结合①式及kj关系可以确定v2，如公式(2)所示。

式中：q'表示待控制的交通量，且不包含入口匝道到达合流区交通量，pcu/h；其余字母意义同上。

对于q'，应分两种情形加以确定：①当qm＞q1＞q2时，合流区逐步出现拥堵，但由于没有超出下游通行能力，拥堵程度相对较低，但为了避免后续拥堵加重，此时应该以当前的q2-q1-匝道作为待控制的交通量，即令q'＝q2-q1-匝道，进而求出对应的v2；②当q1＞q2＝qm时，合流区拥堵非常严重，为了缓解当前的拥堵，同时也为了减小因控制程度过大而引发合流区上游的交通混乱，先以qm作为待控制的交通量，即令q'＝qm-q1-匝道，求出此时的v2，此后，若q1≤q2，则主线不需要再采取控制，若qm＞q1＞q2，则按情形①求出v2。

本发明不仅仅局限于上述实施方式，本领域普通技术人员采用与本发明所述实施步骤相同或相近的结构，或与发明相同或相近的方法及核心思想，在没有做出创造性劳动前提下得到其他的设计结果，均属于本发明的保护范围。