专利名称：一种在交通瓶颈处的控制方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于交通控制领域，具体来说，涉及一种在交通瓶颈处增加 车辆通过量的控制方法及其控制装置。
背景技术：
交通瓶颈问题是制约交通流量的最主要问题之一，并且非常频繁地 出现在城市交通中。交通瓶颈有些来自于硬件设施的不足，例如立交桥 入口，几条道路汇入一条道路等。也有些是由突发事件导致的，例如在 多道公路上出现一起事故，使得原有的多道公路必须封锁一道或者两道， 此时该处就形成一个瓶颈。瓶颈处特别容易堵车，而且堵塞现象还会从 瓶颈处向后传播，造成更大范围的堵塞。所以，对于这些交通瓶颈必须 重点处理，否则会极大地束缚车辆行驶，从而影响整个交通网络的流畅。 目前，在交通瓶颈处唯一有效的控制方法为入口匝道控制方法[参见文 献郑建湖，董德存，陈洪，城市快速路入口匝道控制策略比较分析，计
算测量与控制14， 196 (2006);陈德望，李灵犀，刘小明，宫小燕，王 飞跃，城市高速道路交通控制方法研究的回顾与展望，信息与控制31， 341 (2002)]及其改进版。这一方法的基本原理是限制进入瓶颈区域的车 流量，使交通瓶颈处维持在较高的流量状态。原始的入口匝道控制方法 对进入瓶颈区域的车辆限制比较粗糙，缺乏统一的理论标准。七十年代 Masher等人提出了需求-容量控制方法[参见D. P. Masher et al.， Guidelines for design and operating of ramp control systems, Stanford Research Institute, R印ort NCHRP3-22， SRI Project 3340， (1975)]。该方法通过测量瓶颈处的占有率，并以其为依据判断该处是否
堵塞，进而决定允许进入该区域的车流量。此后Parageogiou等人对需求 一容量控制方法做了进一步的改进，增加了实时反馈机制[参见M. Papageorgiou， H. Haj-Salem, J. Blosseville， ALINEA: A Local Feedback Control Law for On—Ramp Metering, Transportation Research Record 1320， 58 (1991)]。现今需求一容量控制方法及其改进版是最有 效的控制方法，并已在北美等国家广泛的应用。
此类方法是以限制各入口处进入的车流量为基本手段，当发现瓶颈 区域有堵塞发生或有堵塞发生的迹象时，增长红灯的时间间隔以减少单 位时间进入的车辆，达到缓解堵塞的目的。但这种用入口流量控制的方 法对车流中的扰动的监测速度较慢，发生堵塞后自我恢复能力也较差。 如当一驾驶技术较差的司机使瓶颈区域暂时堵塞，系统通常需要经过 一段时间才能发现堵塞出现，并需大幅度减少进入的车流量以使其恢复 高流量状态。而在这段时间内系统处于低流量状态。恢复了最大流量的 状态后，交通状态的扰动还会再次使瓶颈区域发生堵塞，这时需要再次 调整入口流量以使其恢复。这样，瓶颈地段的流量始终在大流量状态和 小流量状态(堵塞状态)之间波动，严重地影响了运输效率。而现今对 需求一容量控制方法的改进仍然局限于如何更好地利用高科技手段，及 早地发现堵塞征兆，以便适时进行疏导。
最近，我们在交通流的研究中发现交通流的状态(包括最大流量的 状态)在固定车辆数的条件下是稳定的。这为我们提出了另一种控制交 通流量的新方法——用瓶颈地区的车辆数来控制交通流。这种控制方法 更符合交通流的基本规律，在它的控制下流量的波动很小。而且它也不 需要大量的测量和历史数据的支持，对原有的交通道路也没有特殊的要 求，因而几乎适用于所有的交通瓶颈问题。此外，这种控制方法的装置 和规则都是可实际操控的，能够迅速地投入应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高交通瓶颈处的车辆通过量的控制装
置，从而提高整个交通网络的效率。本发明的另一目的是提高交通瓶颈
处的车辆通过量的控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案 本发明的提高交通瓶颈处的车辆通过量的控制装置，包括 车辆通过探测器和计数器，分别设置在瓶颈出口处和缓冲区的入口
处，探测器探测到有车辆通过后，向计数器发送信号；
单车放行信号灯，设置在缓冲区入口处并显示出本条道路可驶入的
车辆数；
标识符，设置在缓冲区的各个入口处或缓冲区内的各条车道上以使 驾驶者了解当前所处的车道性质是主道还是辅道，并遵守缓冲区内的驾 驶规则，即主道车辆不允许换到辅道，而辅道中的车辆不允许超越主道 中的车辆，并应伺机并入主道；
以及与计数器和单车放行信号灯电通信的控制单元；其中，计数器 在缓冲区内没有车辆时取零，当计数器接到瓶颈出口处的信号时，进行 减一的运算，接到缓冲区的入口处的信号时，进行加一的运算；其特征 在于，控制单元根据缓冲区中主道的总长度和最大车辆行驶速度设定有 一个临界车辆数，当现有车辆数小于临界车辆数时，控制单元将剩余值 即临界车辆数与现有车辆数的差值数平均分配给每条驶入的道路或交替 分配给每条驶入的道路，并在入口处用单车放行信号灯显示；当现有车 辆数等于临界车辆数时，各条道路均不再放行，也由单车放行信号灯显 示，直至有车辆驶出瓶颈出口处，使现有车辆数小于临界车辆数。
其中，临界车辆数一般情况下由缓冲区中主道的总长度与最大车速 下的最小安全距离的比值的75%来确定，在特殊的复杂路段可由实地测量
进行修正。这里，最小安全距离被定义为车辆在控车反应时间例如2秒内 所走的距离。
进一步地，所述计数器内的数值代表缓冲区内的现有车辆数。 进一步地，当临界车辆数与现有车辆数的差值数较大时，平均分配
给每条驶入的道路，当临界车辆数与现有车辆数的差值数较小时，交替
分配给每条驶入的道路。
进一步地，所述单车放行信号灯在可驶入的车辆数大于零时，数字
用绿色显示，表示可以通过；当可驶入的车辆数等于零时，数字变为红 色，表示不可以通过。
进一步地，所述单车放行信号灯有数值显示，驾驶者可提前判断本 车是否可快速通过，从而当缓冲区内车辆较少时不影响驾驶者的行驶速 度。
本发明的提高交通瓶颈处的车辆通过量的控制方法，包括设置缓冲 区，限制缓冲区内车辆的行驶规则，和控制缓冲区内的车辆数；
1) 设置缓冲区将瓶颈处前一定长度的道路设为缓冲区，其长度约 为400-2000米；缓冲区内分为主道和辅道，主道为不需换道即可通过瓶 颈处的道路，辅道为在瓶颈处终止的道路，辅道上的车辆必须换道才可 通过瓶颈处。
2) 限制缓冲区内车辆的行驶在缓冲区内，主道中的车辆不允许换 到辅道，辅道中的车辆不允许超越主道中的车辆，且应伺机并入主道；
3) 控制缓冲区内的车辆数设置好缓冲区后，将缓冲区内的车辆数 限制在一个临界值之下，监测缓冲区内的车辆数，当其未达到临界值时， 缓冲区的入口处放行，而当其达到临界值时，缓冲区的入口处仅在有车 辆驶离缓冲区后才放行相应数量的车辆。
上述控制方法中，缓冲区的长度在高速道路(80km/小时以上)上为 1000-2000米，在一般快速道路(60-80km/小时)上为800-1500米，而在 普通道路(60km/小时以下)上为400-IOOO米。
上述控制方法中，所述临界值一般情况下由缓冲区中主道的总长度 与最大车速下(即道路上规定的最大时速)的最小安全距离的比值的75% 来确定，在特殊的复杂路段由实地测量进行修正。这里，最小安全距离 的定义为车辆在控车反应时间例如2秒内所走的距离。
本发明具有如下优点
(1) 由于对车辆数进行控制自动引入了反馈机理，使体系的自我恢 复能力变强。因而，它所控制的车流量能够长时间的稳定在固定值，避 免了入口匝道控制方法所带来的流量波动。
(2) 在拥挤状态下，通过限制进入缓冲区的车辆数，使通过瓶颈处 的车流量始终维持在最高流量状态，达到最好的总体效率。
(3) 在入口流量较低时，由于使用了单车放行信号灯，使驾驶者能 提前判断。这样在进入缓冲区入口时无需停车，从而不影响单车的通过 时间。
(4)控制方法明确，无需人工介入。装置和设备也相对简单，能 够迅速地投入应用。
图l.本发明的控制装置的示意图。
图2.使用本发明后通过瓶颈处的车流量随时间的变化关系。其中图 (a), (b)， (c)和(d)分别对应缓冲区内的车辆数为13， 14， 15和16辆。
图3.入口匝道控制方法(用于限制进入缓冲区的车流量)所得的通 过瓶颈处的车流量随时间的变化关系。其中图(a)， (b)和(c)分别对应
进入缓冲区的车流量为0.57， 0.60和0.64辆/秒。不同的符号代表不同的 随机样本。
图4.使用本发明的控制方法后通过瓶颈处的车流量随缓冲区内车辆 数的变化关系。
具体实施方式
实施例
以下结合实施例对本发明进行详细说明。
图l示出了本发明最典型的实施例，为在一条由双道道路转变为单道 道路的瓶颈处利用本发明的控制装置的示意图。这种道路形式频繁地出
现在支道汇入主导的地段上，例如北京市从西直门北大街汇入西二环 路的地段。此外，当一条双道道路在某处发生意外事故后封锁一道，这 时也会形成一个这样的瓶颈地段。其中，本发明的提高交通瓶颈处的车 辆通过量的控制装置，包括分别设置在瓶颈出口处和缓冲区的入口处 的车辆通过探测器和其相应的计数器，每个探测器探测到有车辆通过后， 分别向相应的计数器发送信号；在缓冲区入口处多个车道上可设置一个 或多个单车放行信号灯(显示装置)，该信号灯可显示出本条道路可驶 入的车辆数；同时在缓冲区的各个入口处或缓冲区内的各条车道上设置 标识符，以使驾驶者了解当前所处的车道性质是主道还是辅道，并遵守 缓冲区内的驾驶规则，即主道车辆不允许换到辅道，而辅道中的车辆不 允许超越主道中的车辆，并应伺机并入主道；以及与计数器和单车放行 信号灯电通信的控制单元；上述计数器在缓冲区内没有车辆时取零，当 计数器接到瓶颈出口处的信号时，进行减一的运算，接到缓冲区的入口 处的信号时，进行加一的运算；上述控制单元根据经验设定有一个临界 车辆数，该临界车辆数一般情况下设定为缓冲区中主道的总长度与最大
车速下的最小安全距离的比值的75%，其中最小安全距离的定义为车辆在 控车反应时间(例如2秒)内所走的距离。当现有车辆数小于临界车辆数 时，控制单元将剩余值即临界车辆数与现有车辆数的差值数平均分配给 每条驶入的道路或交替分配给每条驶入的道路，并在入口处用单车放行 信号灯显示；当现有车辆数等于临界车辆数时，各条道路均不再放行， 也由单车放行信号灯显示，直至有车辆驶出瓶颈出口处，使现有车辆数 小于临界车辆数。上述典型实施例中道路的最大时速设定为72公里/小 时，缓冲区的距离设定为800米，我们用计算机模拟各个车辆的行为，并 最终计算出通过瓶颈处的车流量。在应用了本控制装置后，采用了本发 明的控制方法来控制车流量，具体来说，该方法包括设置缓冲区，限制 缓冲区内车辆的行驶规则，和控制缓冲区内的车辆数；
1) 设置缓冲区将瓶颈处前一定长度的道路设为缓冲区，其长度约 为400-2000米。缓冲区的长度在高速道路(80km/小时以上)上为 1000-2000米，在一般快速道路(60-80km/小时)上为800-1500米，而在 普通道路(60km/小时以下)上为400-1000米。本实施例对应一般快速道 路，缓冲区的长度设定为800米。缓冲区内分为主道和辅道，主道为不需 换道即可通过瓶颈处的道路，辅道为在瓶颈处终止的道路，辅道上的车 辆必须换道才可通过瓶颈处。
2) 限制缓冲区内车辆的行驶在缓冲区内，主道中的车辆不允许换 到辅道，辅道中的车辆不允许超越主道中的车辆，且应伺机并入主道；
3) 控制缓冲区内的车辆数设置好缓冲区后，将缓冲区内的车辆数 限制在一个临界值之下，监测缓冲区内的车辆数，当其未达到临界值时， 缓冲区的入口处放行，而当其达到临界值时，缓冲区的入口处仅在有车 辆驶离缓冲区后才放行相应数量的车辆。上述临界值在一般情况下由缓 冲区中主道的总长度与最大车速下的最小安全距离的比值的75%来确定，
而在特殊的复杂路段由实地测量进行相应的修正。其中最小安全距离的
定义为车辆在控车反应时间(例如2秒)内所走的距离。在本实施例中缓 冲区的长度为800米，对于由双道道路转变为单道道路的情况主道为一 条，所以缓冲区中主道的总长度为800米X1二800米。本实施例中最大车 速设为72公里/小时=20米/秒。此时，最大车速下的最小安全距离为20米 /秒X2秒=40米。这样缓沖区内的临界车辆数为800米/40米X 75%=15。
实施例中通过瓶颈处的车流量随时间的变化关系如图2所示。从图2 中可以看出，对于缓冲区内不同的车辆控制数，流出的车流量均长时间 地维持在稳定状态。且车辆数为15辆时，通过的车流量最大(平均约0.69 辆/秒)。而如用现今流行的入口匝道控制方法(即限制进入缓冲区的车 流量)来控制，则通过瓶颈处的车流量随时间的变化关系如图3所示。图 3显示当进入缓冲区的车流量超过0. 60辆/秒后，通过瓶颈处的车流量只 能在短时间内维持在与进入流量相等的高流量状态，此后转变为堵塞状 态(通过的车流量仅为0.47辆/秒左右)，且进入的车流量越大，此转变 发生的越早。这与我们前面提到的入口匝道控制方法的缺陷相符合。在 固定进入缓冲区的车流量的计算中，我们还没有考虑存在有驾驶技术差 的司机，如果考虑这一因素，从高流量状态向堵塞状态的转变会大幅度 提前。比较图2和图3，我们容易发现入口流量控制方法的这一缺陷在应 用本发明后被克服。本控制装置可根据具体情况改变缓冲区内的车辆数。 对于本实施例，不同车辆控制数会导致不同的流出车流量(图4)。从图 4可以看到流出的车流量随车辆控制数的改变有一个极大值，在这一车辆 控制数下，本装置有着最好的效果。此时本控制装置能使瓶颈处的车流 量提升40-50% [由(0. 69-0. 47)/0. 47=0. 468计算得出]。
上述的实施例只是用具体的实例来说明本发明，它不应该理解为是 对本发明的保护范围进行任何限制。而且，熟悉该技术的人们可以明白，
在不脱离本发明精神和原理下，对本发明所进行的各种等效变化、变型 以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。
权利要求
1、一种提高交通瓶颈处的车辆通过量的控制装置，包括车辆通过探测器和计数器，分别设置在瓶颈出口处和缓冲区的入口处，探测器探测到有车辆通过后，向计数器发送信号；单车放行信号灯，设置在缓冲区入口处并显示出本条道路可驶入的车辆数；标识符，设置在缓冲区的各个入口处或缓冲区内的各条车道上以使驾驶者了解当前所处的车道性质是主道还是辅道，并遵守缓冲区内的驾驶规则，即主道车辆不允许换到辅道，而辅道中的车辆不允许超越主道中的车辆，并应伺机并入主道；以及与计数器和单车放行信号灯电通信的控制单元；其中，计数器在缓冲区内没有车辆时取零，当计数器接到瓶颈出口处的信号时，进行减一的运算，接到缓冲区的入口处的信号时，进行加一的运算；其特征在于，控制单元根据缓冲区中主道的总长度和最大车辆行驶速度设定有一个临界车辆数，当现有车辆数小于临界车辆数时，控制单元将剩余值即临界车辆数与现有车辆数的差值数平均分配给每条驶入的道路或交替分配给每条驶入的道路，并在入口处用单车放行信号灯显示；当现有车辆数等于临界车辆数时，各条道路均不再放行，也由单车放行信号灯显示，直至有车辆驶出瓶颈出口处，使现有车辆数小于临界车辆数。
2. 如权利要求l所述的控制装置，其特征在于，所述临界车辆数为缓冲 区中主道的总长度与最大车速下的最小安全距离的比值的75%，而在特殊的复杂路段由实地测量进行相应的修正，其中最小安全距离的定义为车 辆在控车反应时间2秒内所走的距离。
3. 如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述计数器内的数值 代表缓冲区内的现有车辆数。
4. 如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述临界车辆数与现 有车辆数的差值数较大时，平均分配给每条驶入的道路；临界车辆数与 现有车辆数的差值数较小时，交替分配给每条驶入的道路。
5. 如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在子.，所述单车放行信号灯 在可驶入的车辆数大于零时，数字用绿色显示，表示可以通过；在可驶 入的车辆数等于零时，数字变为红色，表示不可以通过。
6. 如权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述单车放行信号灯 有数值显示，驾驶者可提前判断本车是否可快速通过，从而当缓冲区内 车辆较少时不影响驾驶者的行驶速度。
7. —种提高交通瓶颈处的车辆通过量的控制方法，包括设置缓冲区，限 制缓冲区内车辆的行驶规则，和控制缓冲区内的车辆数；1) 设置缓冲区将瓶颈处前一定长度的道路设为缓冲区，其长度约 为400-2000米；缓冲区内分为主道和辅道，主道为不需换道即可通过瓶 颈处的道路，辅道为在瓶颈处终止的道路，辅道上的车辆必须换道才可 通过瓶颈处。2) 限制缓冲区内车辆的行驶在缓冲区内，主道中的车辆不允许换 到辅道，辅道中的车辆不允许超越主道中的车辆，且应伺机并入主道；3) 控制缓冲区内的车辆数设置好缓冲区后，将缓冲区内的车辆数 限制在一个临界值之下，监测缓冲区内的车辆数，当其未达到临界值时， 缓冲区的入口处放行，而当其达到临界值时，缓冲区的入口处仅在有车 辆驶离缓冲区后才放行相应数量的车辆。
8. 如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述缓冲区的长度在高 速道路上为1000-2000米；缓冲区的长度在快速道路上为800-1500米；缓 冲区的长度在普通道路上为400-IOOO米。
9. 如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述临界值由缓冲区中 主道的总长度与最大车速下的最小安全距离的比值的75%来确定，而在特 殊的复杂路段由实地测量进行修正，其中最小安全距离的定义为车辆在 控车反应时间2秒内所走的距离。
全文摘要
本发明公开了一种提高交通瓶颈处的车辆通过量的控制方法，包括设置缓冲区，限制缓冲区内车辆的行驶规则，和控制缓冲区内的车辆数的步骤，本发明由于对车辆数进行控制自动引入了反馈机理，使体系的自我恢复能力变强。因而，它所控制的车流量能够长时间的稳定在固定值，避免了入口匝道控制方法所带来的流量波动；该控制方法明确，无需人工介入。本发明还提供了一种实现上述控制方法的控制装置。
文档编号G08G1/08GK101344989SQ200810117959
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者刚 孙, 彭子晖 申请人:中国科学院物理研究所