（交通信息工程及控制专业论文）紧急事件下高速公路匝道的动态协调控制.pdf

摘要 摘要 近年来，高速公路在促进经济建设和社会发展的过程中起到重要作用。但是，高速公路 交通紧急事件会产生交通拥堵，造成人员伤亡和财产损失。因此，开展紧急事件下高速公路 匝道动态协调控制研究，对减轻交通拥挤，提高交通紧急事件的管理和控制效率有着十分重 要的现实意义。 在分析了高速公路交通紧急救援决策支持系统建设的必要性和迫切性后，通过大量的资 料查阅和现场调研，从实时性、协调性和高效性三个方面提出了高速公路紧急事件下匝道动 态协调控制的应用需求。 通过对高速公路紧急事件发生、排除至交通流恢复正常过程中，事发点通行能力变化特 性的详细分析，运用交通波理论给出了紧急事件影响范围的计算表达式，为确定匝道协调控 制方案中的匝道个数提供了依据。 通过对高速公路匝道最优控制、状态调节器控制和启发式控制方法应用条件的分析，论 述了启发式协调控制方法在紧急事件下应用的特点与优势，提出了基于改进的b o t t l e n e c k 方 法的启发式匝道协调控制方法，它在达到单点动态控制下无法达到的相邻入1 3 匝道之间协调 运行的同时，又避开了系统最优动态控制中的实时状态预测和最优计算问题，技术复杂性较 低、可实施性较好，很好的满足了紧急事件下匝道协调控制的应用需求，同时，根据紧急事 件引起轻微影响、拥挤、严重堵塞的三种情况提出了匝道协调控制方案。 应用m a t l a b s i m u l i n k ，对本论文所提出的紧急事件下启发式协调控制模型进行了仿 真，仿真结果表明：基于改进的b o t t l e n e c k 法的匝道启发式协调控制方法是可行的。 关键词：高速公路 紧急事件交通紧急救援系统匝道协调控制范围 启发 式动态协调控制 a b s t r a c t a b s t r a c t e x p r e s s w a y sh a v eb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n ge c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n d s o c i a ld e v e l o p m e n to fc h i n ai nr e c e n ty e a r s b u tt r a f f i ci n c i d e n t si ne x p r e s s w a yh a v ec a u s e d t r a f f i cj a m , i n j u r e s ，f a t a l i t i e sa n dp r o p e r t yl o s s a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho nt h ec o o r d i n a t e d r e s p o n s i v eo n - r a m pm e t e r i n gd u r i n gi n c i d e n tg i v e sg r e a ti m p o r t a n c et oq u i c ks u r v e y , d i s p o s a la s w e l la st r a f f i cf l o wg u i d i n gf o rt r a f f i ci n c i d e n t a f t e re l a b o r a t i n gt h en e c e s s i t ya n du r g e n c yo ft h et r a f f i ce m e r g e n c ya s s i s t a n c ed e c i s i o n s u p p o r ts y s t e ma n dt h r o u g ht h ed o c u m e n ts e a r c h i n ga n df i e l dd a t af o rt h ee x p r e s s w a y , t h ep a p e r p r e s e n t e dr e q u i r e m e n ta n a l y s i sd u r i n gi n c i d e n to ne x p r e s s w a yf r o m3a s p e c t s ：r e s p o n s i v e ， c o o r d i n a t i o na n de f f i c i e n c y a f t e ra n a l y z i n gt h et h r o u g hc a p a c i t yi nt h el o c a t i o no ft h et r a f f i ci n c i d e n ts c e n ed u r i n gt h e p r o c e s so ft h et r a f f i cf l o wr e c o v e r e dt ot h en o r m a la f t e rt h ei n c i d e n th a p p e n e d ，a n db yu s i n g t r a f f i c w a v et h e o r yt h ep a p e rc o n f i r m e dt h ec a l c u l a t i o n so ft h ea f f e c t e da r e a s ，a n dp r o v i d e sab a s i s f o rt h en u m b e ro ft h er a m pi nt h ec o o r d i n a t e dr e s p o n s i v er a m pm e t e r i n gs c h e m e a f t e rd i s c u s s e dt h em e t h o d so fc o o r d i n a t e dr e s p o n s i v eo n r a m pm e t e r i n g w h i c h 黜t h e s y s t e m a t i co p t i m a lc o n t r o l ，t h es t a t er e g u l a t o rc o n t r o la n dt h eh e u r i s t i cc o n t r o lr e s p e c t i v e l y , t h e p a p e re l a b o r a t e dt h ea d v a n t a g e so fc h o o s i n gt h eh e u r i s t i cc o n t r o ld u r i n gt r a f f i ci n c i d e n t 。b a s e dt h e c o n d i t i o n so ft h et r a f f i cp r o p e r t i e sd u r i n gi n c i d e n t ，t h ep a p e rp r e s e n t e dt h ea d j u s t e db o t t l e n e c k i t c a nr e a c hac o o r d i n a t e do p e r a t i o nb e t w e e nt h er a m p sw i t h i nt h er a n g ec o m p a r ew i t ht h ei s o l a t e d r a m p - m e t e r i n gm e t h o d a tt h es a m et i m e ，i ta v o i d sd y n a m i cf o r e c a s t i n gt h et r a f f i cs t a t eo ft h e s y s t e m a t i co p t i m a lc o n t r 0 1 i th a st h el o w e rc o m p l e x i t yo ft h et e c h n o l o g ya n de n f o r c e a b i l i t yi s b e t t e r s oi tm e e t st h ea p p l i a n c en e e do ft h er a m pm e t e r i n gd u r i n gt h ei n c i d e n tf o re x p r e s s w a y a n d a c c o r d i n gt ot h et h r e ec a s e sw h i c ha r et h et h ep i l e l e s s 。c r o w d ，s e r i o u sp l u g ，t h ep a p e rp r e s e n t st h e r a m pm e t e r i n gs c h e m ed u r i n gi n c i d e n t t h ep a p e rm a d eas i m u l a t i o nb yu s i n gm a t l _ a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ei m p r o v e dh e u d s t i cc o n t r o l i sf e a s i b l e k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y s ，t r a f f i ci n c i d e n t ，t r a f f i ce m e r g e n c ya s s i s t a n c es y s t e m , t h er a n g e o ft h ec o o r d i n a t e dr a m p m e t e r i n g ，t h eh e u r i s t i cc o o r d i n a t e dr e s p o n s i v er a m pm e t e r i n g i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：园堕塑日 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 签名：j 盟导师签名：刍色牛日期： 第1 章绪论 1 1 选题背景、目的及意义 第l 章绪论 高速公路运输以其方便、快捷的独特优点在我国社会、经济生活中发挥着重要作用。与 此同时，高速公路运输过程中重大、恶性安全事故时有发生，给人民的生命财产造成了严重 危害。公安部公布的数字显示，近年来，国内交通事故数量和死亡人数一直居高不下。2 0 0 5 年全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失 达1 8 。8 亿元。2 0 0 6 年我国道路交通死亡事故人数占全国安全事故死亡人数的7 9 3 。高 速公路主线全封闭，紧急事件一旦发生，因无立即可用的替代道路供车辆疏散，将会产生较 一般道路更为严重的延滞损失，其对交通流及道路通行能力的冲击也远远超过般道路。因 此，采取科学的交通管理措施、建立交通紧急救援系统对于减少高速公路交通事故及其危害 是十分必要的。预防事故的发生，以及降低事故的严重性，事故发生后尽可能的减少其损失， 不仅有利于提高高速公路运营水平，而且有利于提高客、货流及车辆的安全，还可以降低对 环境的危害。 紧急救援系统是目前国内外交通运输领域研究的重点课题一一智能交通系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 中的一个分支。它的研究与开发将深入分析当前我国高 速公路交通安全中存在的各种问题，探讨其内在的规律性，对有效预防我国高速公路交通事 故、提高高速公路行车安全具有重要意义，最终达到减少交通阻塞、提高高速公路使用效率、 促进社会经济发展的目的。发达国家高速公路建设通行较早，已经形成了完善的紧急救援体 系。对于高速公路紧急事件的救援也有了一套比较成熟的处理办法。通过从事故的检测和确 认到事故的最后清理这一全过程开展工作，同时采取先进的i t s 技术，包括了计算机技术、 监控技术、t g i s 技术、g p s 技术和数据库技术，保证了各类救援人员能密切配合和有效 联动，达到快速、有效地开展救援工作的目的1 2 l 。根据调研及查阅大量的相关资料表明，我 国目前对于高速公路紧急事件的救援还没有一套系统的处理办法，也没有一套完善的紧急救 援体系，救援人员的专业化水平不高，救援设施不齐全等这一系列原因导致了我国高速公 路事故死亡率长期高居不下，跟国外高速公路发达国家相比差距很大。 要充分发挥紧急救援系统的功能，关键之一是在于紧急事件发生后采取正确而且及时的 交通控制策略。交通控制是采用人工、电子或计算机技术。如信号监视、计算机智能监控系 统等科学方法和手段，对动态交通流实施控制。实施高速公路交通控制的最终目的是为了使 在高速公路上行驶的汽车获得最小的停车次数、最短的运行时间、最低的消耗、最低的事故 率，使高速公路的使用者最安全、快速、经济、舒适地完成在高速公路路段上的运行任务。 与此同时，高速公路经营者也可以获得最大的经济效益。 高速公路交通控制具有以下特点1 3 j ： ( 1 ) 强制性：实施高速公路交通控制多以执行有关法规、制度的形式出现，具有强制 管理的性质； ( 2 ) 较强的技术性：实施高速公路交通控制需要采用现代化的监控、通讯等技术手段 辅助，因而具有技术密集的特点： ( 3 ) 指导性：实施交通控制可以指导交通流重新分配，疏散拥挤，避免事故，调整已 紊乱的交通秩序，改变交通管理被动的局面： ( 4 ) 协调性：即通过各种控制方法协调人、车、路、环境的关系，充分发挥高速公路 路网和道路设施的作用： 高速公路的交通控制策略包括主线控制、匝道控制、通道控制以及相关的交通管理措施。 其中匝道控制是最为有效的控制方法。它通过调节进入高速公路的交通总量及其时空分布， 东南大学硕士学位论文 来避免消除高速公路的交通拥挤。它实际上是把高速公路主线上的延误转移到入口匝道， 从而在高速公路上维持一种良好的交通运行状态。 在交通控制系统中，控制对象是交通流，这意味着交通流被视为一个可控的过程，该过 程有着自身的特定的运动规律( 确定性或随机性) 。认识这个规律，即建立其数学模型，是 分析和综合控制系统的基础工作。事实上，被控过程即交通系统的特性是由道路、车辆、驾 车人及环境条件共同决定的。交通控制系统的简化结构图如图1 1 所示。 指示及 图卜1 交通控制系统简化结构图 控制设备主要包括交通信号灯( 高速公路入口处的控制信号灯) 、可变限速标志、驾驶 员信息系统( 包括通信、引导和各种可变信息标志等) 。控制设备所遵循的控制策略是由交 通控制器( 一般采用微型计算机。老式的控制器有电子线路式的，甚至机械一电气式的) 提 供的。交通控制器根据交通模型和特定的性能指标以及实际的约束条件，做优化计算，即可 确定出特定的控制策略。它们把客观的交通需求在时间及空间上进行合理的调节与分布，在 整体上使车辆运行速度提高，车辆密度下降( 减少了拥挤) ，行驶时间节省，交通流量增加， 即改善了交通流运行，提高了道路的效用和社会、经济效益。 同城市交通控制一样，高速公路交通控制系统具有显著的非线性、时变性、空间分布性、 不确定性以及抗干扰能力较差等特点。传统的交通控制策略通常是由基于精确数学模型的最 优算法产生的，为简化问题和解决某些数学技术上的具体限制，在建模时通常需对模型进行 理想化以及对一些不确定条件加以认为设定。而这种简化与现代化交通系统所具有的非线 性、动态时变性和病态性特征相悖，从而使这种传统控制策略在用于复杂多变的实际环境时 并非最优，反而经常出现不合理的结果。对紧急事件以及交通量状况的迅速变化，系统无法 及时地调整适应。 在匝道控制研究方面，以往的研究主要侧重于单个匝道的控制率的算法或者实施依次封 闭匝道的流入交通控制措施。这些控制方法一方面由于缺乏系统性和实时性，其效果有限； 另一方面缺乏有效地维持紧急事件下高速公路控制方法的考虑。因此本论文在启发式控制方 法研究的基础上对紧急事件下的匝道协调控制方法进行研究，为紧急救援决策支持系统的建 设提供理论和技术支持。 1 2 国外研究现状 国外高速公路交通控制发展较早，交通建模与控制研究在五十年代开始于美国，主要的 控制方式有：入口匝道控制、出口匝道控制、主线交通控制。其中入口匝道流入控制已经被 国外3 0 余年的成功应用证明是解决高速公路交通拥挤的基本方法。控制算法主要有线性规 划、最优控制、次优控制、分层递阶控制等。下面按照单匝道和多匝道协调控制对国外的匝 道控制方法进行介绍并总结分析。 1 2 1单匝道控制方法( i s o l a t e dr a m p m e t e r i n ga l g o r i t h m s ) 在单匝道控制方法中，单个匝道的调节率是由局部的交通状态决定的，如流量、占有率、 行驶速度和被调节匝道的排队溢出流。国外运用的较好的方法有z o n e 方法( s t e p h a n e d e s ， 2 第1 章绪论 1 9 9 4 ) ，a l i n e a ( p a p a g e o r g i o ue ta 1 ，1 9 9 7 ) ，神经控制方法( z h a n ge ta 1 ，1 9 9 6 ：z h a n ga n d r i t c h i e ，1 9 9 7 ) 。 a l i n e a 方法是利用经典自动控制理论建立起来的一种反馈控制方法，其基本思路为： 将匝道控制视为一状态调节器。通过调整匝道流入率使得其下游主线的密度，占有率尽量维 持在理想状态。a l i n e a 方法基本模型如下： ，- ( 足) = r ( 七一1 ) + k r e p a p o ( 七) ( 1 1 ) 式中： r ( k ) ：第k 个控制时段中的匝道调节率； r ( k 一1 ) ：第k 一1 个控制时段中的匝道调节率； ( k ) ：第k 个控制时段匝道下游主线占有率； 最：匝道下游理想状态下的占有率： k 足：变换系数； 在这里，k 。是唯一需要调整的参数。式( 1 1 ) 表示，k p 越大，反映时间越短，且反 馈越强。a l i n e a 是p a p a g e o r g i o u 等人在慕尼黑技术大学研制的，并且已在巴黎、阿姆斯特 丹等城市成功应用。 在这三种单匝道控制方法中，a l i n e a 和神经控制方法都是运用的反馈控制调节以保持 所要求的占有率水平或者目标占有率( 通常选择临界占有率) ，以及运用波动理论作为基本 的交通流模型。在中等拥挤程度下，两种方法都比较有效，适应性好。它们又都容易实现， 因为唯一的参数就是控制目标和目标占有率。但是，两种方法都没有直接考虑匝道排队回溢 问题，因此当交通量较大，主线较拥挤时无法平衡主线拥挤和匝道排队。此外，当在线调节 无法实现时，神经控制方法在自适应控制方面有限制；而a l i n e a 方法中没有考虑模型中 参数的时变性和大系统自适应控制问题。 z o n e 方法1 4 是把高速公路主线分成若干个区域，且每个进口匝道分别属于一个区。基 于交通守恒条件，每个进口匝道的调节率可由进入和流出每个区的平衡方程求出。调节率的 进一步修正可由环境因素和其它约束做出。这个方法的关键在于适当的区域划分，瓶颈通行 能力的适当估计，区域流进流出的交通流量的精确计算。z o n e 方法在明尼苏达州应用多年， 由于可对不同的情况作适当的调整，此方法较灵活。但是，因为在这个方法中控制参数和控 制目标之间的关系不是很清楚，所以该方法参数须根据高速公路交通特性作相应的调整是比 较难的。这个方法的另个较明显的缺陷是没有考虑交通流的动态特性，因此在紧急事件情 况下，当交通流发生急剧变化时不能取得好的控制效果。 1 2 2 匝道协调控制方法( c o o p e r a t i v er a m p m e t e r i n ga l g o r i t h m s ) 合作方法根据相邻匝道之间的排队均衡原则对单点层面得出的调节率进行调整，包括 h e l p e r ( 应用于美国的丹佛) 、l i n k e d - - r a m p ( 应用于美国加州的圣地亚哥) 等。 h e l p 匝道控制方法( l i p pe ta 1 ，1 9 9 1 ) 在这个方法中，高速公路划分成六个组，每组 包括l 7 个匝道。在单点层面，每个匝道的调节率根据各自上游主线占有率计算；在协调 层面，如果某个匝道入口排队超过一定长度，那么超出的那部分车辆排队将由其上游匝道分 3 东南大学硕士学位论文 担。当应对较拥挤情况时，h e l p 方法的这种二层结构使得其更加有效和灵活。因为这个方 法在单点层面计算调节率和协调层面决定调节率的分配方面没有系统的思想，所以要发挥该 方法的效果需要交通模式的经验以及进行试算。尽管如此，当不具有精确的交通流模型和 o d 信息时，h e l p 方法是比较灵活的一种方法。 l i n k e d 匝道控制方法( b a n k s ，1 9 9 3 ) 这个方法是基于需求容量概念，单个匝道调节 率由上游交通流量计算决定： 匝道调节率= 目标流率一上游流率 该方法的协调层面在功能上与h e l p 方法类似，优缺点也与h e l p 方法相同。除此之外， 它的单点层面控制逻辑也与拥挤交通的情况非常不合适，因为交通越拥挤，上游流率越低， 按上述控制逻辑，匝道调节率越高，这与实际应该采取的调节率是相反的。 1 2 3 匝道竞争控制方法( c o m p e t i t i v er a m p m e t e r i n ga l g o r i t h m s ) 在竞争控制方法中，由单点层面和协调层面计算得出两组调节率值相比较，更合适的值 将作为实际采用的调节率值。针对排队回溢和其它约束还会对这个值作进一步的修正。竞争 方法包括c o m p a s s ( 应用于加拿大的多伦多) 、b o t t l e n e c k ( 应用于美国的西雅图) 、s w a r m ( s y s t e mw i d ea d a p t i v er a m pm e t e r i n g ) ( 应用于美国加州的奥伦奇) 等。 c o m p a s s 匝道控制方法单点层面，c o m p a s s 方法通过对照专门设定的表( 表格针对每 个匝道设定1 7 个不同的级别) 来确定调节率，具体由局部主线占有率、下游主线占有率、 上游主线流量以及预设的参数( 包括局部、下游占有率和上游流量的临界值) 。协调层面， 调节率根据全系统信息优化生成。单点层面的调节率和协调层面的调节率相比较，选择小值。 c o m p a s s 方法通过超出限制值来解决回溢问题：当检测到匝道排队处占有率超出临界值，匝 道调节率增加直至检测到匝道排队处占有率低于临界值。该方法可考虑多种约束，灵活且易 于实施。但是，由于使用的查表方法得到的是预设的调节率值而适应性不强。 b o t t l e n e c k 匝道控制方法单点层面匝道调节率由上游需求与下游容量之差确定；协调 层面，先判定瓶颈，根据流量守恒决定每个瓶颈的降低流量，然后按照预设的权重值把降低 的流量值分配到上游匝道，从而得到协调层面的调节率值。比较单点层面的调节率和协调层 面的调节率，选择小值。b o t t l e n e c k 方法是启发式方法中应用最好的。它是动态协调的方法， 且逻辑简单( 基于需求一容量和流量守恒) 和灵活( 只需微调参数) 。 s y s t e mw i d ea d a p t i v er a m pm e t e r i n g 方法( s w a r m ) 和其它启发式协调控制方法一 样，s w a r m 有两个层面：单点层面调节率由局部密度决定；协调层面，从匝道上游瓶颈得 到整个流量的下降值，然后根据一系列预先确定的系数分配到上游各个匝道而得到一组匝道 调节率值。比较单点层面的调节率和协调层面的调节率，选择小值。s w a r m 有个内置的故 障管理模块以清除从检测器测得的错误输入数据，而且允许对排队溢出问题作进一步的修 正。这些都增加了该方法的灵活性。s w a r m 判定瓶颈是根据预测交通状态数据，而不是检 测得到的交通状态数据。因此可以说该方法具有预防拥挤发生的能力，另一方面，如果预测 不好的话，相比较其它不含预测机制的方法( 如b o t t l e n e c k 方法) ，它可能获得较差的效果。 好的预测模型和精确的o d 信息是s w a r m 方法成功应用的关键。 1 2 4 集成匝道控制方法( i n t e g r a lr a m pm e t e r i n ga l g o r i t h m s ) 集成匝道控制方法有清晰的控制目标，与控制过程有着明确的或者隐含的关联性。目标 函数通常为行驶时间或者整个系统的车辆通过率。在考虑系统约束的同时，通过优化目标函 数得到匝道调节率，如允许匝道排队、瓶颈通行能力最大化等。概念上说这种方法非常有吸 引力，因为其坚实的理论基础和能够处理各种调节和模型约束。但是，这种方法逻辑上非常 复杂且对计算要求非常高。它们的实施效果取决于输入要数据的质量( 如o d 信息，估计的 4 第1 章绪论 瓶颈通行能力和预测的需求) 以及所用的交通模型。 模糊逻辑方法首次应用于西雅图和荷兰。模糊逻辑方法将关于交通流和匝道控制的经 验知识转化成模糊逻辑。交通状态如占有率、流率、速度和匝道排队分成若干类型，如小、 中和大，并根据交通状态和调节水平的关系产生规则。例如，规则可以是：如果局部占有率 小，匝道排队小，则调节率高。因此这些小、大等的类属性值根据隶属函数被转化成了精确 的数。从某种程度上说，模糊逻辑方法就是一个专家系统。如果使用的规则准确，那么它是 一种强大且稳健的方法。对单匝道控制而言，几个规则就可以满足需要；对全系统控制丽言， 规则库是非常复杂的。建立一套能够反映控制目标的规则并不简单。而且还需要校准参数( 调 整规则和隶属函数) 。这个方法在校准后的参数条件下效果很好，而当交通状态发生改变， 又需要再次校准参数，否则运行效果很差。 线性规划方法匝道控制的线性规划方法在研究和应用领域都是比较早的。在自动控制 动态方法应用前，匝道控制的线性规划方法就已经广泛应用。下面将要提到在日本提出并实 行的线性规划方法的基本思路。首先，从匝道流入高速公路的交通量取权重和最大为目标函 数，而权重值的选取反映了实施控制者对于匝道重要性不同的认识；其次，该方法计算了高 速公路每段实时的通行能力。这使得该方法在拥挤条件下也能工作。匝道排队长度约束以及 调节的边界条件易嵌入进该方法，这对匝道控制的线性规划方法是必不可少的。虽然和上述 方法比较，线性规划方法在数学上比较复杂，但是线性规划方法有固定解决办法，因此是比 较高效的。这个方法的缺陷在于它的效果取决于精确的o d 数据，且它是静态的，忽略了在 计算匝道控制调节率行程时间的变化。 m e t a l i n e 方法它是单匝道控制方法a l i n e a 方法的延伸，在法国、美国和荷兰的 一些道路上应用。m e t a l i n e 是比例积分反馈控制。匝道调节率由每个路段检测到的占有 率变化以及所求匝道调节率路段实测占有率与临界占有率之偏差求出，如下式所示： rr rr 11 ( 尼) = 产( 忌- 1 ) 一k 1 ( b ( k ) 一b ( k 一1 ) ) 一k 2 ( d ( 七) 一o ) ( 1 2 ) 式中： 第k 个单位控制时段内，入口匝道调节率向量： 6 ( 七) ：第k 个单位控制时段内，主线重要路段占有率向量； i o ( k ) ：第k 个单位控制时段内，受控入口匝道下游主线路段占有率向量： i o 。：受控入口匝道下游主线路段理想占有率向量： k 、砭：反馈增益矩阵。 在m e t a l i n e 方法中，没有直接考虑排队溢出流和瓶颈影响。但是可以通过一种专门 的方式对此问题进行调整。 b a l la e r o s p a c e f h w a 方法由联邦高速公路管理局资助，b a l la e r o s p a c e 方法提 出全系统匝道控制，这是通道控制系统的一部分。至今，该方法仍在发展完善。b a l l a e r o s p a c e 尝试建立一种复杂匝道控制系统，其逻辑结构非常复杂。 w e i 和w u 在1 9 9 6 年开发了此方法，该方法使用人工神经网络学习并记忆由交通仿真 模型( f r e e q l 0 p c ) 产生的调节策略和匝道控制专家系统。正因为如此，该方法没有开发 出人工神经网络的全部性能( 如自适应能力) ，能基本实现专家系统的所有功能。在c a l t r a n s 的协助下，发展了一种更好的人工神经网络协调控制方法。从某种意义上说，这些方法是典 型的自适应方法，且它的神经网络控制器实时调整控制增益。 5 东南大学硕士学位论文 a d v a n c e dr e a l t i m em e t e r i n gs y s t e m 方法( a r m s ) a r m s ( l i ue ta l 。，1 9 9 3 ) 由德克萨 斯交通运输研究院的专家提出，它有两个层面。在第一个层面，全系统控制理念使得保持自 由流状态。总的控制流量由最大化包括通过率和拥挤风险在内的目标函数得出，然后根据 o d 信息分配到各个匝道，同时提出了一个预测和模式识别的方法来实时预测偶发性拥挤发 生的可能性。第二个层面解决拥挤出现的问题。最小化拥挤清除时间和受控匝道排队后，计 算第二个层面的总的调节流量并根据o d 信息分配到各个匝道。这个方法的创新之处在于其 加入了拥挤风险因素。同样该方法通过交通状态来确定潜在瓶颈，使得该方法具有前馈性。 d y n a m i cm e t e r i n gc o n t r o la l g o r i t h m 该方法由c h e n 、h o t z 和b e n a j ( i v a ( 1 9 9 7 ) 提出， 有四要素：单匝道控制、区域控制、状态识别和o d 预测。单匝道控制保持交通状态接近目 标交通状态，而目标交通状态值由区域控制提供。区域控制的动态调节模型是一个预测( 滚 动式) 优化控制算法。通过最小化系统总的行驶时间( 包括高速公路主线的行驶时间和匝道 延误) 来计算得到调节率，并考虑需求和排队通行能力约束。为了得到将来的交通需求和交 通状态，提出状态识别模型和o d 预测模型。 ，：= r k k ( d 一d i ) ( 1 3 ) 式中： ，：、研分别是在t 时刻单匝道控制率和占有率； r k 、0 t 分别是区域控制方法中设置的匝道调节率和占有率。 这个方法是以上方法中最复杂和综合的控制方法。它具有一个理想的匝道控制方法的所 有要素，它是全系统的、自适应的预测控制。c h e n 、h o t z 和b e n a k i v a 的仿真结果显示单 点控制区域控制联合模型比单个控制模型独自运行有效。但是，该方法在实际中的应用还 要等待验证，因为它的有效性取决于状态识别和o d 预测模型的精确性。 以上所提到的这些匝道控制方法是目前国外具有代表性的匝道控制方法，主要是以预防 主线交通的自然性阻塞为目的，很少系统的考虑紧急事件的匝道控制问题以及高速公路与一 般城市道路的关联性。对于高速公路上的突发状况，不能很好的解决其引起的拥挤问题，有 时反而得剑相反的控制效果( 如l i n k e d 匝道控制方法) 。虽然国外发达国家在高速公路紧急 事件管理的软、硬技术研究方面处于比较先进的地位，高速公路紧急救援系统的建设也比较 完善，但是针对紧急事件的匝道动态控制方法仍然缺乏系统的研究，在高速公路中这方面的 应用很少。 w a n g ，m u h a n l 5 1 1 9 9 4 年在论文中提出了针对紧急事件引起的拥挤( 偶发性拥挤) 的匝 道动态控制的改进方法，描述了一种响应高速公路系统时变运行状况的在线调节控制框架， 这个框架包含两个重要的功能：( 1 ) 优化匝道控制率的标准决策过程；( 2 ) 事件持续时问估 计的动态过程( d ) 。同时开发了在一系列交通运行情况下的计算机程序r a m pc o n t r o l p r o g r a m ( r c p ) 。 s h a w t 6 j 比较早的阐明了在事故区的基于模型的确定性排队理论的交通阻塞问题。假设在 事故发生期间以及其他理想条件，s h a w 提出任意给定匝道的预测排队时间与预先确定的临 界值，来决定新到来的车辆是否被准许进入高速公路主线。美国现在所用的需求一容量方法 和百分比占有方法这两种经典模式，都是基于事件响应，并基于相同的原理，即被控匝道上 游的流量和占有率与临界值相比较来决定匝道调节率。由于在车道阻塞的紧急事件条件下交 通流模式的多样性，前面提到的两种动态算法中确定这些临界值是一个比较难解决的问题。 c h e n t 7 1 提出引进模糊控制原理的匝道控制方法，试验结果表明，用精确的方法对各种紧 急事件快速响应将有望取得更高的匝道控制效率。最后，s h e u 在研究随机模型和车辆变换 6 第1 章绪论 车道行为后，提出了一种基于实时事件响应的随机优化的单匝道控制惮引，可以说是填补了 这方面控制研究的空白。这种时间离散的非线性随机系统描述了车道交通状态，控制变量和 检测数据之间的时变关系，改进了随机优化控制算法来更新时变匝道控制变量以及实时的车 道交通状态信息，并进行了仿真试验。 由以上分析可看出，由于紧急事件下的交通状况非常复杂，对紧急事件下匝道控制方法 的研究也局限于在某些特殊具体的情况( 如车道阻塞) 下进行条件假设后的方法研究，尚未 形成系统全面的理论。而且由于紧急事件条件下交通流模式的多样性，建立的交通流模型非 常复杂，求解算法过程非常繁琐，其在高速公路上的实际应用效果还有待进一步验证。 1 3 国内研究现状 国内道路交通紧急救援工作刚起步。目前我国处于交通紧急救援系统建设的雏形阶段， 与国外交通发达国家相比存在较大差距。国内对道路交通紧急救援管理的研究内容包括：异 常事件的检测方法研究、交通信息提供、救援方案的确定、交通控制与管理方案的优化、紧 急救援预案编制等。由于研究的基础和实验条件的限制，对紧急救援的方法和策略的研究尚 不够深入，硬件系统的建设水平也不够规范，规模具有局限性。从总体的发展水平看，国外 正着力于在先进的硬件水平基础上进行高速公路交通紧急救援的软技术研究；而国内在进行 高速公路交通紧急救援体系结构方面的研究，无论是在硬件水平还是决策支持算法等软技术 方面都还有待于进一步加强。 目前，国内已经开始了高速公路交通控制方面的理论研究，部分进展是在国外研究的基 础上，提出一些修正和改进，也有一些提出了自己的思路。 同济大学的杨晓光研究了城市快速路交通动态控制问题，提出了对应于入口匝道的交通 需求和路网上交通状态实时变化，以及多路径条件下驾驶员选择路径行为影响的流入交通系 统控制方法和模型i l o i 。但由于利用复杂数学模型考虑不确定因素，建模和计算复杂，导致 不能准确地反映实际的交通状况，而且预测交通状况也比较困难。 暨南大学的谭满春等人根据高速公路及其车辆组成的系统复杂多变，很难找到能准确描 述交通流的模型的特点，对高速公路入口匝道的模糊逻辑控制进行了研究，给出了一个改进 的交通流模型，在新模型的基础上构造了入口匝道最优控制问题。 西安公路交通大学的姜紫峰利用宏观交通流模型，利用仿真和优化方法对模型参数辨 识，提出了低密度区的可变速度控制、中密度区的可变限速和匝道联合控制及高密度区出口 匝道分流和入口匝道协调控制方法| l 引，并进行了仿真研究。 华南理工大学的贺敬凯根据高速公路的非线性特性，以及人工神经元网络具有表示非线 性关系和学习的能力，使用神经网络技术构造了一个高速公路入口匝道神经网络控制器川， 并进行了仿真。 华南理工大学的撒元功利用递阶结构和神经网络进行高速公路入口匝道控制驯，其基 本思想是：把高速公路作为一个大系统问题。子系统为高速公路的路段，协调控制层负责计 算各路段的期望轨线。应用神经网络对各路段交通状态进行预测，并根据预测结果实施控制。 给出了匝道控制器的构造方法并进行了仿真实验，实验结果表明，该方法能够有效地消除交 通拥挤和维持主线车流稳定。 华南理工大学的梁新荣采用大系统分解和协调的方法研究商速公路多匝道的协调控制 问题【l5 ，建立了反映高速公路交通动态变化的有限差分模型，结合交通系统的特点提出改 进的多层控制方法。控制结构分三层：局部控制层决定匝道调节率，协调控制层为局部控制 层确定期望密度；自适应层根据实时检测交通状况选择模型和调整模型参数。仿真结果表明， 控制系统具有良好的动态性能，该方法能有效地消除交通拥挤和维持主线车流稳定，能提高 主线的通行能力，实现车辆在高速公路上高效、安全地运行。 7 东南大学硕士学位论文 西北工业大学的仉亚男提出了基于人工免疫算法的高速公路匝道协调控制方法l l6 1 。针 对高速公路实际情况，采用字符编码方式对所有匝道依次编码，以高速公路最大流量、全局 最小行程时间和入口平均等待时间三者作为抗原：搜索求得当某段意外堵塞情况时多个匝道 协调控制的全局最优控制序数；最后结合高速公路实际数据分别用免疫算法和遗传算法进行 了仿真，结果表明本算法的有效性以及实时性。 同济大学的郑建湖以快速路和干道交叉口的交通需求与通行能力的方差和最小为优化 目标，提出事件状态下城市快速路交通通道优化控制模型【i7 1 ，并对目标函数的可行性进行 了评述。这个模型所研究的是快速路与主干道相互控制的情况，通过调节快速路匝道与主干 道交叉口信号灯来达到优化的目的。 除此以外，还有一些其它研究者对包括匝道控制方法在内的整条高速公路的控制进行了 研究0 1 8 1 。 纵观国内外关于匝道控制的研究情况，可以看出匝道控制问题是一个高度非线性、非稳 定、大干扰的动态控制系统，特别是在紧急事件下以及考虑多个匝道( 如整个路网中) 肘更 是如此。至今还没有一个有效的理论和方法解决这个问题。在正常交通情况下，以上所述控 制策略都能取得较好的控制效果，但是一旦出现例如车祸、货物跌落等造成的意外交通堵塞 等紧急事件时，上述控制算法无法达到有效的控制效果。综上所述，国内在正常交通状况下 的匝道控制的理论研究虽然已有很多，但是紧急事件下高速公路动态匝道协调控制这方面的 研究却很少。因此，寻求紧急事件下高速公路匝道协调控制方法已成为高速公路交通控制的 重要课题。 1 4 研究内容与技术路线 1 4 1 研究内容 1 、紧急事件下高速公路匝道控制的需求分析 论文分析了高速公路交通紧急救援决策支持系统建设的必要性和迫切性后，对高速公路 交通紧急救援系统进行了需求分析，然后从实时性、协调性和高效性三个方面提出了高速公 路紧急事件下匝道动态协调控制的应用需求，而启发式协调控制方法在高效性方面能够很好 的满足交通紧急事件快速控制的需求。 2 、紧急事件下高速公路交通特性分析 本章首先介绍宏观交通流模型，对紧急事件进行定义并进行分类，分析紧急事件对交通 的三种主要不同影响( 轻微影响、引起偶发性拥挤以致造成车辆延误、引发严重交通事故以 致车道堵塞) 以及紧急事件对通行能力的影响。对紧急事件时间影响进行了分析，运用交通 波理论给出了紧急事件影响范围的计算表达式，为确定匝道协调控制方案中的匝道个数提供 了依据。 3 、紧急事件下匝道动态协调控制方法研究 本章对高速公路匝道最优控制、状态调节器控制和启发式控制方法应用条件的分析，指 出启发式协调控制方法在紧急事件下匝道动态协调控制的特点与优势，它在达到单点动态控 制下无法达到的相邻入口匝道之间协调运行的同时，又避开了系统最优动态控制中的实时状 态预测和最优计算闯题，技术复杂性较低、可实施性较好，在紧急事件影响范围内确定匝道 数n 的基础上，提出了紧急事件下的匝道协调控制方案，并对b o t t l e n e c k 方法协调层面匝道 调节率的计算进行了改进。 4 、紧急事件下匝道动态协调控制的仿真研究 本章用m a t l a b s i m u l i n k 对紧急事件下高速公路启发式动态协调控制进行了仿真。在 对宏观交通流模型进行选定后，再进行参数设置与仿真模型构建，得出仿真结果后，对控制 8 第1 章绪论 效果进行了分析，并分别与单匝道控制( 占有率控制) 以及不加控制情况进行了比较，验证 了该方法的可行性和有效性。 1 4 2 技术路线 论文研究的主要思路：通过基础资料的收集以及实地调研，考察目前高速公路对紧急 事件下匝道控制的应用需求，并结合目前匝道控制方法的研究现状，选择启发式控制方法用 于紧急事件下的匝道控制。在研究过程中以交通工程学、交通流理论和交通控制理论为基础， 汲取国内外研究成果，研究紧急事件下高速公路动态协调控制方法。具体的技术路线如下： l 、通过查阅国内外相关文献，不断搜集整理国内外关于匝道控制的研究成果，明确本 论文的研究背景、目的意义及国内外研究现状。 2 、在收集资料和实地调研的基础上，从分析高速公路交通紧急救援系统的需求入手， 从实时性、协调性和高效性三个方面提出了紧急事件下高速公路匝道控制的应用需求。 3 、对紧急事件对交通产生的影