高速公路主线瓶颈区域的协调控制模型

发布时间：2019-09-26 06:25

【摘要】：针对高速公路主线瓶颈区域交通拥挤严重、道路通行效率下降以及延误增加等问题,提出协调控制模型.分析高速公路主线瓶颈区域交通运行和交通拥挤特点,根据瓶颈区域上游主线路段和匝道的车辆排队长度参数构建拥挤程度指标.考虑瓶颈区域上游匝道和主线车辆通行权分配问题,构建以提高道路总体通行交通量和平均行程速度为最优控制目标的高速公路主线瓶颈区域的协调控制模型.采用3种控制方案对比分析的方法对协调控制模型的有效性进行验证.实验结果表明:所提出的协调控制模型能够有效提升道路的最大通行交通量;相对于无控制和主线控制方案,最大通行交通量分别提升5.04%和4.09%.
【图文】：

瓶颈区,主线,高速公路,交通流量

ｖｍ，ｉρｍ，ｉ（［ｋ）］＝ｍｉｎｖｆ，ｍｅｘｐ－１αｍρｍ，ｉ（ｋ）ρｃ，（）ｍα［］ｍ，ｖｖｓｌ，ｍ（ｋ｛｝）．（５）式中：ｖｖｓｌ，ｍ（ｋ）为在第ｋ个时间间隔内基本路段ｍ的可变限速值．根据式（１）～（３）、（５）实现对可变限速条件下高速公路基本路段交通运行情况描述．２．２对瓶颈区域交通运行情况的描述高速公路主线瓶颈区域定义为主线瓶颈路段及上游辐射路段共同构成的区域，如图１所示．图１中路段ｍ＋１和路段ｍ＋２构成瓶颈区域．其中，路段ｍ＋１为辐射路段，路段ｍ＋２为瓶颈路段．ｑｏｕｔ，ｍ为流出主线路段ｍ的交通流量，ｑｒｍ为匝道ｒｍ的交通流量，ｑｉｎ，ｍ＋１为流入主线ｍ＋１的交通流量，ｑｉｎ，ｍ＋２为流入路段ｍ＋２的交通流量，ｑｃ，ｍ＋２为路段ｍ＋２的通行能力．结合图１对瓶颈区域交通运行机理进行分析．图１高速公路主线瓶颈区域Ｆｉｇ．１Ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｚｏｎｅｏｎｆｒｅｅｗａｙｍａｉｎｌｉｎｅ当交通流量ｑｉｎ，ｍ＋１＜ｑｃ，ｍ＋２时，瓶颈区域尚未被激活，瓶颈区域内交通处于自由流状态，此时ｑｉｎ，ｍ＋１≈ｑｉｎ，ｍ＋２．当交通流量ｑｉｎ，ｍ＋１≈ｑｃ，ｍ＋２时，瓶颈区域交通处于饱和状态，此时ｑｉｎ，ｍ＋２≈ｑｃ，ｍ＋２．当交通流量ｑｉｎ，ｍ＋１＞ｑｃ，ｍ＋２时，辐射路段ｍ＋１产生排队现象，且排队现象随着ｑｉｎ，ｍ＋１的不断增加而越发严重，此时，ｑｉｎ，ｍ＋２＜

瓶颈区,上游区

，，Ｎｍ＋１（ｋ）·ｖ２ｍ＋１，Ｎｍ＋１（ｋ）·λｍ＋１－λｍ＋（）２Ｌｍ＋１λｍ＋１ρｃ，ｍ＋１．（７）式中：鐖为模型参数，λｍ＋１－λｍ＋２为车道减少数量，ρｃ，ｍ＋１为路段ｍ＋１的通行能力．３协调控制策略及优化控制模型３．１协调控制策略为了缓解高速公路瓶颈区域交通拥挤现象，采用主线可变限速和入口匝道协调控制方法，根据瓶颈区域上游主线路段和入口匝道的排队情况，对两者的通行权进行合理分配．图２瓶颈区域的上游区域Ｆｉｇ．２Ｕｐｓｔｒｅａｍｓｅｃｔｉｏｎｏｆｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｚｏｎｅ将瓶颈区域上游区域划分为４部分，分别为区域１、区域２、区域３及区域４．其中，区域４为主线与匝道合流区，区域３为可变限速控制区，区域２为可变限速控制辅助区，区域１为限速控制时瓶颈区域上游主线车辆排队产生区域．当仅设置限速区域３，且限速区域３的限速值与区域１的交通速度相差较大时，区域１内车辆到达限速区域３将产生紧急制动，引起交通扰动．因此，必须设置辅助区域２以提升区域１内车辆对区域３限速值的适应性，确保可变限速控制的有效实施．通常区域２的动态限速值为区域３限速值与区域１入口处交通速度的平均值．解决高速公路主线瓶颈区域交通拥挤问题的关键在于有效控制瓶颈区域上游的释放交通流量，确保交通流量ｑｉｎ，ｍ＋１（ｋ）≤ｑｃ，ｍ＋２．结合图２，汇入瓶颈区域交通流量由上游主线路段ｍ和入口匝道ｒｍ流出流量２部分组成：ｑｉｎ，ｍ＋１
【作者单位】：吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室;吉林大学交通学院;吉林大学吉林省道路交通重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51308248) 山东省省管企业科技创新项目(20122150251-5)
【分类号】：U491

【参考文献】