一种高速公路入口分流及流量协同控制技术的制作方法

本发明涉及高速公路技术领域，尤其涉及一种高速公路入口分流及流量协同控制技术。

背景技术

随着经济社会的发展，城市规模的不断扩大以及机动车的快速增长，造成了年年重大节假日都要反复发作的“高速拥堵病”问题，与外地的大量人口迁徙有关，要实现在节假日期间高速公路上畅行，首要问题就是解决高速公路入口处的堵车现象，而现有技术中缺乏对于高速公路入口分流以及流量协同控制的技术，无法有效预防节假日时高速公路的大面积交通拥堵问题，因此如何提高高速公路通行效率和服务能力，缓解高速公路节假日期间堵车严重的现象，是亟待解决的一个技术难题。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高速公路入口分流及流量协同控制技术。

本发明提出的一种高速公路入口分流及流量协同控制技术，包括如下步骤：

s1：在高速公路节假日交通需求分布信息的基础上，通过多源数据分析技术获取每天不同时间段的高速公路出入口交通需求od信息，之后计算不同时刻高速公路每一个出入口相邻路段内的交通需求量；

s2：计算高速公路每一路段的通行能力cd，将每一段的交通需求dmn与通行能力cd比较，分析各路段交通流运行状态是否过饱和，若交通需求大于通行能力，对应路段通行能力不足；若交通需求小于通行能力，则对应路段未达到通行能力；

s3：对高速公路整体路段进行划分，所述s2中，根据交通需求与通行能力的大小，以交通需求最大的收费站、拥堵区段上游收费站以及终点站为分界点，将整个路网分成不同的区段；

s4：以所述s3中的分界点为行驶方向，通过电子信息板将进入收费站的车辆根据其行驶方向采取预分流，入口收费站根据各方向交通量大小分配收费口数量，电子信息板提示不同行驶方向信息，引导驾驶员通过电子信息板提示信息选择相应的收费口通过收费站，可通过出入口卡口车牌识别来进行执法等，确保车辆按照控制方向排队；

s5：针对达到通行能力cab的路段ab，交通需求量dab，对各收费站时间段t内所有经过该路段的交通量dij(0≤i≤a,j>a)进行控制，以通行能力cab为基准，按dij比例分配交通量，控制各收费口通过率，各收费口控制时间开始于时间段t之前tij，未达到通行能力的路段，不采取控制,以最大通过率通过收费口；

s6：对于上游各入口收费站的栏杆起落周期进行控制，通过核心控制策略来调节控制下各入口通过流量；

s7：通过收费站入口设置的交通流检测器自动获取实时占有率值，根据占有率判断当前收费站交通量是否达到收费站容量，若某一方向排队长度超出收费站容量，则对该方向收费口车辆通过率进行调节，并对该收费站相邻的该方向排队长度未达到容量的收费站进行控制，调节s6中起落杆周期，控制各入口通过流量。

优选地，所述多源数据分析技术包括高速公路卡口数据、手机信令数据，且不同路段交通需求量计算方法为：将整条线路各收费站编号，已知每天不同时间段的高速公路出入口交通需求od信息dij，则mn路段的交通需求量dmn；

优选地，所述高速公路每一路段通行能力计算方法为：

cd＝msvi·n·fw·fhv·fp·fk

msvi＝cb·(v/c)i

其中，cd——高速公路单向车行道设计通行能力(pcu/h)

msvi——第i级服务水平的最大服务交通量(pcu/h)

n——单向车行道的车道数

fw——车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数

fhv——大型车对通行能力的修正系数

fp——驾驶员条件对通行能力的修正系数

cb——基本通行能力

(v/c)i——第i级服务水平最大服务交通量与基本通行能力的比值

fk——基于拥堵路段监控视频数据获取的通行能力修正系数。

优选地，所述s5中各收费站时间段t内所有经过该路段的交通量dij的计算方法为：

其中，sij——路段ij的路程

v——根据历史数据得到的行驶于ij段车辆的85％位车速值

多个路段拥堵的情况下，

其中，(11’为距离收费站i最近的拥堵路段)。

优选地，所述s3中，对高速公路整体路段进行划分，根据交通需求与通行能力的大小，将整个路网分成不同的区段，且s4中以不同分界点为不同行驶方向，通过电子信息板将进入收费站的车辆根据其行驶终点采取预分流，入口收费站根据各方向交通量大小分配收费口数量，电子信息板提示不同行驶方向信息，引导驾驶员通过电子信息板提示信息选择相应的收费口通过收费站，同时可通过出入口卡口车牌识别来进行执法等，确保车辆按照控制方向排队。

优选地，所述s5中，针对达到通行能力的路段，对各收费站所有经过该路段的车辆dij(0≤i≤a,j>a)进行控制，以通行能力为基准，按dij比例分配交通量，控制各收费口通过率，各收费口控制时间开始于时间段t之前tij，未达到通行能力的路段，不采取控制,以最大通过率通过收费口，使所有路段利用率最高，通行能力最大化，s6各入口收费站处自动控制收费杆进行通过流量最优控制，以各收费口各方向交通量通过率计算各收费口起落杆最优控制周期，当收费口出现排队长度大于收费口醉倒排队长度时，通过调节相邻收费站车辆通过率达到协调的目的，由于通行能力不足的路段将交通量控制在通行能力范围内，为达到通行能力的路段车辆以最大通过率通过收费口，因此，在保证拥堵路段交通需求不大于通行能力情况下，各入口交通需求最大满足通行需求，最大通行量(对于未达到通行能力的路段，dij’＝dij),n为整条线路入口收费站数目。

优选地，所述s6中的控制算法为：

其中，ri(t)——t时刻收费口i的车辆通过率(辆/小时)

ri(t-t’)——t-t’时刻收费口i的车辆通过率

t’——收费口调节率更新时间，a为自动控制参数

o’——最优通过率，

o(t)——t时刻实际需求量，

n——收费口数量；

对于未达到通行能力的路段，车辆可以以最大通过率通过收费口，对车辆通过率ri(t)的有效取值范围进行设定，考虑取值范围的收费口车辆通过率为：

其中，rmax——收费口最大车辆通过率。

优选地，所述s7中的计算方式为：

nik(tc)＝nik(tc-1)+tc(qik1(tc-1)-qik2(tc-1))

nik(tc)——tc时刻k收费站入口i方向排队长队预测值

tc——控制周期时间

qik1(tc-1)——控制周期[(tc-1)tc,tctc]进入k收费站i方向收费口的交通通过量

qik2(tc-1)——控制周期[(tc-1)tc,tctc]通过k收费站i方向收费口进入匝道的交通通过量

k收费站i方向tc时刻通过率调节量

nmax——收费口最大排队长度

tc时刻每一收费口通过率：

相邻j收费站i方向通过率调节量：

n取最小整数

收费口车辆通过率：ri’(tc)＝ri(tc)-δri(tc)

收费站栏杆的起落最优控制周期计算方式为：

其中，ti(t)为t时刻的i收费口起落杆最优控制周期。

本发明中，针对交通需求大于通行能力的路段，根据交通需求od分布，通过电子信息板对于即将进入收费站车辆进行预分流，并通过收费站入口设置的交通流检测器自动获取交通量，根据交通量判断当前收费站排队长度，对于拥堵区域上游各入口收费站的栏杆起落周期进行控制，通过核心控制策略来调节控制下各入口通过流量，从而避免通行能力不足路段出现交通拥堵，预防拥堵导致的通行能力下降及交通事故风险，从而实现高速公路各路段通行畅通，以实现高速公路主线通行效率最大化，该技术对于节假日高速公路出现大面积交通拥堵情况下的拥堵预防和流量控制具有良好效果，在我国高速公路智能交通管控方面具有广泛的应用范围和良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提出的一种高速公路入口分流及流量协同控制技术流程图；

图2为本发明提出的一种高速公路入口分流及流量协同控制技术入口收费站指示图；

图3为本发明提出的一种高速公路入口分流及流量协同控制技术沪宁高速公路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，一种高速公路入口分流及流量协同控制技术，包括以下步骤：

获取od信息：该技术需要建立在高速公路节假日交通需求分布信息的基础上，可以通过多源数据分析技术(如高速公路卡口数据、手机信令数据等方式)获取每天不同时间段的高速公路出入口交通需求od信息，之后计算不同时刻高速公路每一个出入口相邻路段内的交通需求量。

不同路段交通需求量计算方法：

以沪宁高速为例，如图3所示，将整条线路各收费站编号0，1，2，3，------19，已知每天不同时间段的高速公路出入口交通需求od信息dij，则mn路段的交通需求量dmn

判断交通流是否饱和：计算高速公路每一路段的通行能力cd，将每一段的交通需求dmn与通行能力cd比较，分析各路段交通流运行状态是否过饱和，若交通需求大于通行能力，该路段通行能力不足；若交通需求小于通行能力，则该路段未达到通行能力；

高速公路每一路段通行能力计算方法：

cd＝msvi·n·fw·fhv·fp·fk

msvi＝cb·(v/c)i

式中：cd——高速公路单向车行道设计通行能力(pcu/h)

msvi——第i级服务水平的最大服务交通量(pcu/h)

n——单向车行道的车道数

fw——车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数

fhv——大型车对通行能力的修正系数

fp——驾驶员条件对通行能力的修正系数

cb——基本通行能力

(v/c)i——第i级服务水平最大服务交通量与基本通行能力的比值

fk——基于拥堵路段监控视频数据获取的通行能力修正系数。

对车辆进行预分流：对高速公路整体路段进行划分，根据交通需求与通行能力的大小，可以以交通需求最大的收费站、拥堵区段上游收费站以及终点站为分界点，将整个路网分成不同的区段。

计算各收费口车辆通过率：以所述步骤中的分界点为行驶方向，通过电子信息板将进入收费站的车辆根据其行驶方向采取预分流，入口收费站根据各方向交通量大小分配收费口数量，电子信息板提示不同行驶方向信息，引导驾驶员通过电子信息板提示信息选择相应的收费口通过收费站，可通过出入口卡口车牌识别来进行执法等，确保车辆按照控制方向排队

调节各收费口车辆通过率：针对达到通行能力cab的路段ab，交通需求量dab，对各收费站时间段t内所有经过该路段的交通量dij(0≤i≤a,j>a)进行控制，以通行能力cab为基准，按dij比例分配交通量，控制各收费口通过率，各收费口控制时间开始于时间段t之前tij。未达到通行能力的路段，不采取控制,以最大通过率通过收费口。

sij——路段ij的路程

v——根据历史数据得到的行驶于ij段车辆的85％位车速值

多个路段拥堵的情况下，

(11’为距离收费站i最近的拥堵路段)。

栏杆起落周期控制：对于上游各入口收费站的栏杆起落周期进行控制，通过核心控制策略来调节控制下各入口通过流量。

所述控制算法为：

ri(t)——t时刻收费口i的车辆通过率(辆/小时)

ri(t-t’)——t-t’时刻收费口i的车辆通过率

t’——收费口调节率更新时间，a为自动控制参数

o’——最优通过率，

o(t)——t时刻实际需求量，

n——收费口数量；

对于未达到通行能力的路段，车辆可以以最大通过率通过收费口，对车辆通过率ri(t)的有效取值范围进行设定，考虑取值范围的收费口车辆通过率为：

rmax——收费口最大车辆通过率。

控制各入口通过流量：通过收费站入口设置的交通流检测器自动获取实时占有率值，根据占有率判断当前收费站交通量是否达到收费站容量，若某一方向排队长度超出收费站容量，则对该方向收费口车辆通过率进行调节，并对该收费站相邻的该方向排队长度未达到容量的收费站进行控制，调节栏杆起落周期控制步骤中的起落杆周期，控制各入口通过流量。

nik(tc)＝nik(tc-1)+tc(qik1(tc-1)-qik2(tc-1))

nik(tc)——tc时刻k收费站入口i方向排队长队预测值

tc——控制周期时间

qik1(tc-1)——控制周期[(tc-1)tc,tctc]进入k收费站i方向收费口的交通通过量

qik2(tc-1)——控制周期[(tc-1)tc,tctc]通过k收费站i方向收费口进入匝道的交通通过量

k收费站i方向tc时刻通过率调节量

nmax——收费口最大排队长度

tc时刻每一收费口通过率

相邻j收费站i方向通过率调节量

n取最小整数

收费口车辆通过率ri’(tc)＝ri(tc)-δri(tc)

起落杆最优控制周期：

其中ti(t)为t时刻的i收费口起落杆最优控制周期。

本发明中，如图2所示，对高速公路整体路段进行划分，根据交通需求与通行能力的大小，将整个路网分成不同的区段，以不同分界点为不同行驶方向，通过电子信息板将进入收费站的车辆根据其行驶终点采取预分流，入口收费站根据各方向交通量大小分配收费口数量，电子信息板提示不同行驶方向信息，引导驾驶员通过电子信息板提示信息选择相应的收费口通过收费站，可通过出入口卡口车牌识别来进行执法等，确保车辆按照控制方向排队。

针对达到通行能力的路段，对各收费站所有经过该路段的车辆dij(0≤i≤a,j>a)进行控制，以通行能力为基准，按dij比例分配交通量，控制各收费口通过率，各收费口控制时间开始于时间段t之前tij。未达到通行能力的路段，不采取控制,以最大通过率通过收费口。使所有路段利用率最高，通行能力最大化，所述栏杆起落周期控制步骤中各入口收费站处自动控制收费杆进行通过流量最优控制，以各收费口各方向交通量通过率计算各收费口起落杆最优控制周期，当收费口出现排队长度大于收费口醉倒排队长度时，通过调节相邻收费站车辆通过率达到协调的目的。由于通行能力不足的路段将交通量控制在通行能力范围内，为达到通行能力的路段车辆以最大通过率通过收费口，因此，在保证拥堵路段交通需求不大于通行能力情况下，各入口交通需求最大满足通行需求，最大通行量(对于未达到通行能力的路段，dij’＝dij),n为整条线路入口收费站数目。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。