主动交通管理(ATM

1、 现代交通控制理论与方法课题名称主动交通管理（ATM）学院（系）交通运输工程学院专业交通运输规划及管理学生姓名学号邮箱2011年5月21日1研究背景当前世界各国和众多城市所面临的交通中的主要问题都是“供不应求”，即现有的基础设施难以满足交通需求。与此同时，交通系统的发展还面临着两个约束，第一是资金约束，大量的资金用于维护现有的设施，只有很少的一部分资金可以用来建设新的交通设施；第二是环境约束，建设新的交通基础设施必然对环境产生很大的影响。基于这两点的考虑，如何发挥出现有交通基础设施的最大效益，对目前面临的问题有很大的启发意义。2主动交通管理2.1概念ATM(Active Traffic Man

2、agement，主动交通管理)是欧美国家最近兴起的一种交通管理的理念和方法。主动交通管理包括一系列完整连贯的交通管理措施，它可以对常发和偶发的交通拥堵进行临时的管理，从而可以发挥现有交通设施的最大效益。通过运用高新科技，自动化地进行临时的调度和调整，在优化了交通系统性能的同时，避免了人工调度时间的延误，提高了交通系统的通行能力和安全性。ATM是随着智能交通系统的发展而逐步发展起来的一种交通管理方法1。ATM系统是实时预测交通条件的基础之上的临时交通管理，它包括了自动化控制系统和干预策略来管理交通,以实现道路交通效率的极大化。ATM是一种反馈过程，其中包括：(1)连续交通测量和对测量数据的分析；

3、（2）管理规划，其中包括评估各种条件下的道路网络运行状态，比如需求增加，车道封闭以及其他特殊事件等；运用这些控制策略能够改善运行状况，同时也能够衡量不同控制策略所带来的成本和效益；（3）使这些策略有效的实施需要借助安装一些必要的硬件和软件；（4）ATM的决策支持系统是基于实时的，包括过滤测量数据，提供短期的交通预测，为之后的一个或者两个小时选择最为合适的控制策略2。 图1 ATM工作流程图图2 ATM预期的效益2.2ATM主要目标ATM的主要目标有两个方面：（1）提高用户出行可靠度ATM的理念是把道路使用者看作是客户，强调客户出行时间的可靠度，将道路的状况及时告知道路使用者。例如，德国的目标是

4、2010年要对80%的出行者提供可靠的、充分的、标准的实时交通信息。荷兰的目标是提高预测时间和可接受出行时间的可靠度，使拥挤时段的旅行时间不大于正常情况大旅行时间的2倍。因此在进行交通管理的时候必须加强与使用者的交流，为什么他们应该选择另外的路径？为什么他们应该减速？通过交流，加强道路与使用者的互信机制，由此公众也会更加配合交通管理的实施。（2）致力于改善交通安全ATM通过各种措施在提高安全性的同时，增加了道路的通行能力，德国实施了机动车道排队预警系统，通过提醒道路使用者前方的风险，使驾驶员能够提高注意力，同时还有速度均匀化措施的实施，减少了二次交通事故的发生，这些都提高了安全性能。2.3AT

5、M的主要措施3（1）速度协调控制（Speed Harmonization）：通过实时、自动化的调整拥堵区域的速度，减少由于事故和其他事件引起的拥堵的影响程度，同时减少二次事故发生的可能性，提高安全性。使用专家系统对现场的传感器数据进行分析，当超过拥堵阈值或者排队正在形成时自动调节车速限制。根据不同的交通条件提供车速限制以及一些其他信息。Vissim软件中有专门的速度协调控制模块，对于道路上管理措施的评价，仿真是很重要的。 （2）匝道控制（Ramp metering）：高峰时段，主路上的交通流较大，通过实时的控制匝道汇入主路的交通流，缓解拥堵的发生。 （3）排队预警（Queue warning）

6、：排队预警是对速度协调控制的一个重要补充，在速度协调控制的指示牌处显示拥堵象形图片，有时也会设置在DMS上方。排队预警系统是为了帮助减少常发和偶发交通拥挤下的二次事故发生的可能性，信息装置每隔1km建设一个，当发生一起事故的时候在前面第三个和第四个装置之间减少车辆的行驶速度。（4）临时信息板和路径引导（Rerouting information on a dynamic message sign）：通过交通控制中心，实时为驾驶员提供可供选择的其他路径，从而避免发生交通拥堵，减轻已经拥堵地区的交通压力。（5）汇入控制（merge control）：一般用于匝道入口处或者汇入点处。即匝道控制和匝道

7、上的车辆控制的结合。这项措施往往实施在上游路口比较多，下游路口比较少。这种策略为交通量大的提供了优先，也称为节点控制或者主线汇入控制。（6）车道管理（managed lanes）：对高速公路设施或者车道进行实施的管理，以相应不断变化的交通条件来维持交通的畅通。区别于传统的车道管理的是，往往会涉及使用一种以上的管理策略来达到畅通的目标。（7）增加车道（plus lane）：增加路内侧的路肩作为车道，或者临时使用来改善拥挤时期的高速网络瓶颈。路肩只有在速度协调控制时或者车辆限度降低时才可以使用。（8）匝道汇入（ramp metering）：通过管理上匝道交通流来缓解拥堵。在匝道入口处设置信号灯，使

8、车辆在一定的时间间隔进入主线。（9）临时路肩使用（temporary shoulder use）：临时路肩的使用往往和速度协调控制结合在一起，在道路通行能力瓶颈路段，临时路肩的使用提高了道路的通行能力同时也降低了车速。临时路肩的使用不仅仅要受到数据的影响，还要经过交通管理中心控制人员慎重的权衡才能开始实施。总体上，通过临时路肩的使用，增加了一条临时的车道，在增大通行能力的同时速度有略微的减小，减小了拥堵发生的几率。（10）货车限制（truck restrictions）：限制货车或者重型车辆的车速和使用的车道。在速度协调控制的过程中，重型货车要求只能在最右边的车道上行驶，而且不能阻碍同一条车道

9、上超越低速行驶的重型货车。（11）可变车速限制（variable speed limits）：根据已知的道路、交通、天气等状况来限制车速。图3 ATM系统组成部分（a）图4 英国M12 ATM系统组成部分（b）2.4ATM与TDM的联系与区别ATM与交通需求管理的区别4：主动交通管理是一种通过对路上现有交通流的实时控制和诱导，最大限度的发挥道路基础设施的作用，提高安全性。ATM包括了一系列的实施策略，极大化适应已建成的交通设施，为交通网络提供更有效的管理方法。ATM和TDM的理念在本质上是不同的，交通需求管理是从源头上对交通出行进行管理。不去考虑出行者是否独自驾车，是否有其他的出行选择，比如工

10、作地点、路径、出行时间和出行方式。从广义上说，需求管理也可定义为向出行者提供可能的选择来提高可靠性。影响出行需求可以从TDM的层面上考虑，ATM则关注与如何有效解决车辆对于交通设施的需求。这两种管理措施并非是相对的，而是能够很好的结合在一起。连续的减少需求和管理拥挤路段上的交通是一个双赢的建议。如果TDM降低了整个路段上的交通量，通过改变出行方式提高个人的吞吐量；ATM增加了设施的通行能力，极大化车辆的吞吐量，这种结合的策略是非常明智的一种选择。两种策略的结合使用比单独的使用效果要好的多。2速度协调控制策略52.1速度协调控制策略基本原理对速度协调的成功的最重要的因素之一就是控制策略。也就是确

11、定给定路段下何时以及如何限速的控制算法。这种控制算法主要分为两组，一组是在线控制策略，最佳车速基于当时的交通条件进行实时控制；另一组是脱机控制策略，最佳速度的确定是以历史资料为基础。在理想的条件下，人们更喜欢使用在线控制，因为可以根据当时的交通条件进行实时的控制。然而速度协调策略需要大量密集部署ITS基础设施。可能在一个道路网络当中某些区域无法做到实时的信息，因此这时就需要使用离线控制。2.2交通流基本变量介绍由于控制算法在很大程度上基于交通流理论计算，因此这里首先对几个重要的基本变量进行介绍。1) q-流量2) k-密度3) u-速度4) 时间平均速度-ut（ut=1ni=1nui）5) 空

12、间平均车速-us（ni=1n1/ui）6) 流密速关系-q=kusk7) 空间平均速度和密度的关系-usk=uf-ufkjk8) 密度和流量的关系-q=k(uf-ufkjk)实证的流量-密度曲线可以通过监测数据来建立，来校准式7）和式8）。举例说明如下图5所示图5 流量与密度的关系示意图2.3速度协调离线控制算法算法如下所示:Input (us ,q)-curves for each of the n road segments for time t of the dayOutput “Speed-harmonized road segments” for time t of the dayS

13、tep 1. Pick the most downstream road segment k for which the flow almost reaches capacity.Step 2. FOR all road segments r = k-1, k-2, 1DO select a speed for segment r such that q(r) c(r +1)set c(r) q(r)ENDENDStep 3. When flow reduces to normal, off-peak values, reinstall original speed limits.注意：l 在

14、步骤一中假设能够找到一条路段接近通行能力，也就是说在这种情况下不需要速度协调控制的的路段是不存在的。在离线控制策略中，认为瓶颈是已知的。l 在步骤二中所选择的速度可以通过很多种方式获得，包括主观（例如根据交通条件的判断）和客观（例如通过仿真）。一般情况下，更多的采用后一种方法来选择最佳的限制车速。l 总之，只有在高峰时期才采用速度协调控制策略，因为这种算法是基于离线的控制策略，假定步骤三需要持续的时间，即什么时候恢复速度限制达到原始值。2.4速度协调在线控制算法算法如下所示：Inputl (us ,q)-curves for each of the n road segments. Note

15、that we can extract the maximum capacities c0(k), k = 1, 2, ., n of the road segments from these curves.l Current speed limits s0(k), k = 1, 2, ., n of the road segments.l The minimum intervention duration Tmin , i.e., the minimum time interval in which the speed limit remains constant.OutputA set o

16、f dynamically changing speed limits for each of the road segments.INITIALIZATION c(k) c0(k) , s(k) s0 (k)FOR k = n, n-1,., 2IF q(k) c0 (k)FOR all road segments r = k-1, k-2, 1DO select a speed u(r) for segment r using the online VSL algorithm.END DOEND FOREND IFset c(r) c0 (r)END FORDisplay new spee

17、d limit vector s(r)Wait for Tmin time units, set s(r) s0 (r) and repeat the algorithm注意：l Tmin 的取值范围为5到10分钟l 当对于一个给定的迭代算法满足条件q(k) c0 (k)时，车速限制将返回原始值l 和离线算法一样，速度的选择有两种方式，包括主观（工程性的判断）和客观（观察基本的图形）。l 在给定迭代次数时，s(k)是一个非递增的序列。这样可以防止速度限制增加下游的瓶颈的消除。l 如果我们做出额外的假设，即能见度信息和道路条件是已知的，我们也能够将这些信息纳入到算法的计算当中。具体操作是给速度的

18、选择过程增加规则，比如“能见度小于x英尺时，设置限制速度每小时为y km”.2.2速度协调控制应用案例从1960 到1970 年, 欧洲开展了第一个实验性的速度协调控制项目。然而, 直到1989 年自动化系统的产生，才开始在速度协调控制上开始得到较好的应用。德国是第一批使用和部署大规模速度协调控制的国家之一。在荷兰, 速度协调管理概念被应用在60 英里的道路设施上, 包含了交通最为拥挤的几段道路。研究发现, 这种技术车道流量分布更加均匀, 平均车距也更加安全，见图6。在英国, 自1995 年以来, 速度协调控制已经在伦敦周边高速路上的14 英里长的路段上( M25)实施, 以降低拥挤并增加通行

19、量。2 年以上的分析数据显示车速分布更加均匀, 换道的数量明显减少, 慢速道提升了15% 的通行能力, 并有效减少了噪音和空气污染水平。在欧洲其它已经实施速度和谐的国家包括法国、芬兰、比利时、丹麦、瑞典。图6 荷兰的速度协调控制3临时路肩使用策略3.1临时路肩使用策略基本原理临时路肩使用, 也叫动态路肩使用, 是指暂时的开放路肩作为道路使用。这样能在需要的时候提供额外的通行能力,而不需要额外的建设。这样能够非常好地缓解拥挤, 同时合理的管理措施又能保证交通安全不被破坏。事实上, 路肩通常是比普通的道路要窄, 这也限制了安全性。所以, 很多附加的管理措施例如限制路肩上的车速和限制通行车辆的种类等

20、都被采用以加强安全性。和使用速度协调控制策略的理由一样，临时路肩使用也是简单而有效的主动交通管理策略之一。与速度和谐相似的是, 高峰期的路肩使用也需要大量密集的智能交通系统的支持。从交通流理论的角度讨论临时路肩的使用，图 7 所示的是一个典型的交通流曲线。这条曲线是由路段的最大通行能力而确定的，路肩的使用相当于增加了容量。因此可以得到预期的最大通行能力将向右方移动。此外，根据假设限制车速是降低的，这样直接导致了速度流曲线向下游传播。这个过程见图8 。可以看出当曲线扩展到右方和垂直方向时，速度降低到100km/h。由此通行能力增加超过1000vph。图7 典型速度-交通量曲线图8 由于临时路肩的

21、使用速度-交通量曲线变化3.2临时路肩使用在线控制算法Step1 检查路肩上是否有车辆或者障碍物，如果路肩是空余的，转到步骤2，否则等待一段时间后重复步骤1；Step2 开放路肩使用；Step3 如果车道的平均流量小于预先指定的值，则关闭路肩使用用于动态路肩使用的控制算法应该能完成如下两项任务：( 1) 决定路肩开放的起始时间, 这通常是一个交通拥挤情况和路肩状况的函数。( 2) 决定路肩开放的时间长度。3.3临时路肩使用应用案例在英国的M42 上, 路肩在交通拥挤和事故多发的地段是开放的。50 英里/ 小时的限速是为了保证交通在安全的水平内。另外, 在每三分之一英里处就设有安全区用来处理受损

22、车辆。荷兰和德国分别于1996 年和1999 年建立了高峰期路肩使用来减少交通拥挤。在荷兰至少有七个地点使用了路肩来改善交通。在英国不仅有紧急避难所和相应的监测软件和手机服务系统, 还有严格的限速和禁止超车等相关措施，见图9。图9 英国临时路肩使用图10 临时路肩使用的两种方式4案例分析-德国（速度协调控制和临时路肩使用结合）临时路肩使用和速度协调控制策略均是为了减少高速公路瓶颈路段而设置。在德国这种方法能够在拥挤的时段增加通行能力降低车速。当速度降低时，信息才显示可以使用右侧路肩。见图11。图11临时路肩使用和速度协调控制信息板图12临时路肩使用图13显示的是临时路肩使用开始处的标志设置,图

23、14显示的是临时路肩使用结束处的标志设置.图13 临时路肩使用放行图14 临时路肩使用关闭图15为速度协调控制策略、排队预警以及临时路肩使用信息门设置情况。图15信息门设置速度协调控制和临时路肩使用结合效果评价框架如图15所示。仿真结果见视频1。图16 速度协调控制和临时路肩使用结合效果评价框架5 Smarter Highways华盛顿目前建立了Smarter Highways ，这项举措能够提高道路的有效性，同时也让驾驶更加安全和智能（/smarterhighways/）。具体内容请参考视频2。参考文献1李瑞敏, 城市道路交通管理M,人民交通出版社.2FHWA. (2007) Active