高速公路瓶頸通行效率的可變溫差控制研究

高速公路瓶頸通行效率的可變溫差控制研究

近年來，科學家們開發(fā)出了一系列可替代的速度控制算法，以提高道路擁堵的效率。據模擬實驗，可減少車輛總行駛時間的10%30%。大多數研究將復雜自動控制算法植入仿真模型中,根據仿真交通流狀態(tài)進行算法實時最優(yōu)化求解,得出可變限速提高瓶頸區(qū)通行效率的控制策略及效果。但此類控制算法較復雜,本身包含較多無現(xiàn)實意義的參數,無法直觀地對控制算法進行調節(jié),最優(yōu)控制算法通用性不強。文獻提出了基于反饋控制的可變限速算法,有效簡化了控制復雜度,提高了適用性,但沒有對通行能力下降幅度進行標定,導致仿真結果與真實情況存在一定差異。本文闡明了高速公路常發(fā)瓶頸區(qū)域通行能力下降現(xiàn)象是導致車輛行駛延誤的關鍵因素,提出了一套旨在阻止瓶頸區(qū)通行能力下降,從而提高車輛通行效率的可變限速控制策略,針對不同瓶頸類型討論了可變限速控制的應用方法與理論效果,并通過實例分析驗證了該控制策略的有效性。研究結果可為高速公路可變限速控制技術工程實際應用提供參考。1車輛累積數與通行能力高速公路常發(fā)瓶頸的通行能力小于普通路段,當需求大于瓶頸通行能力時,瓶頸位置產生排隊且向上游傳播。瓶頸區(qū)域排隊車輛消散過程中,消散流率通常低于瓶頸區(qū)通行能力,即“通行能力下降”(Capacitydrop)現(xiàn)象。研究證實,瓶頸區(qū)擁堵產生后排隊車輛消散流率通常低于瓶頸通行能力約10%～30%。圖1繪制了通過瓶頸的車輛累積數隨時間的變化,線段斜率表示車輛通行流率。通行需求曲線和實際車輛消散曲線圍成的封閉面積表示車輛通行延誤總和。tdelay為通行能力下降后車輛n行駛延誤,Tdelay為無通行能力下降情況下車輛n行駛延誤,車輛n的行駛延誤tdelay>Tdelay。通行能力下降后車輛總通行延誤大于無通行能力下降的總通行延誤。圖1表明,給定交通需求條件下路段內車輛通行延誤僅與瓶頸區(qū)車輛消散流率有關,瓶頸區(qū)通行能力下降是導致通行效率降低的關鍵因素。瓶頸位置沒有排隊并不代表整體通行延誤減少,以消除瓶頸區(qū)域排隊為目標的可變限速控制策略可能過度限制流入瓶頸的流量。增加瓶頸區(qū)車輛通過流率是提高瓶頸區(qū)通行效率的唯一途徑?？勺兿匏倏刂萍夹g能夠挽回由于瓶頸通行能力下降導致的通行延誤。2必然條件二:交通流體系內助力設計可變限速控制核心思想為通過人為降低上游路段限速值,生成一個低流量、高密度區(qū)域,從而控制流入下游瓶頸區(qū)域的車輛流率,消除瓶頸區(qū)車輛排隊現(xiàn)象,并將車輛通過流率控制在通行能力狀態(tài)附近,阻止通行能力下降現(xiàn)象。如圖2交通流基本圖所示,瓶頸流量隨占有率(或密度)增加而突然下降表示通行能力下降現(xiàn)象產生。通行能力下降產生前交通流狀態(tài)具有一定規(guī)律,交通流占有率(或密度)達到一定閾值后產生通行能力下降現(xiàn)象。因此,交通流占有率(或密度)可作為通行能力是否下降的指示變量。當瓶頸區(qū)交通流狀態(tài)達到閾值時,即通行能力下降現(xiàn)象產生時,啟動可變限速控制系統(tǒng)。建立可變限速控制策略如圖3所示:①依據歷史交通流數據標定瓶頸通行能力下降幅度和下降前交通流閾值;②實時監(jiān)測瓶頸位置交通流運行狀態(tài),判斷是否達到通行能力下降閾值;③如無通行能力下降,則進入下一周期繼續(xù)檢測交通流狀態(tài);如發(fā)生通行能力下降,則啟動位于上游位置的可變限速控制;④降低上游路段限速值以減少流入瓶頸的車輛流率,消除瓶頸區(qū)車輛排隊;⑤排隊消散后,調整限速值維持流入下游瓶頸的車輛流率在瓶頸通行能力附近;⑥當交通需求變小、路段擁堵狀態(tài)完全消散后,恢復默認限速值。3控制策略與期望效果高速公路上不同類型交通瓶頸附近交通流運行特征存在差異。本文分析了3類單獨瓶頸和1類交錯瓶頸的可變限速控制策略與期望效果。單獨瓶頸指瓶頸區(qū)車輛消散流率不受下游交通流狀態(tài)影響;交錯瓶頸指瓶頸車輛消散流率受下游其他瓶頸影響。四類交通瓶頸如圖4所示。3.1可變速率控制試驗如圖4(a)所示,該類瓶頸是高速公路最基本的交通瓶頸。由車道關閉、施工區(qū)、橋梁、隧道等導致的瓶頸亦可歸于此類。通過監(jiān)測車道變少位置交通流狀態(tài),判斷是否啟動可變限速控制?？勺兿匏倏刂坡范蔚能囕v通過流率應滿足:Qd<qVSL(v)≤QC(1)Qd<qVSL(v)≤QC(1)式中:qVSL(v)為限速值為v時車輛通過流率;QC為通行能力下降前瓶頸通行能力;Qd為通行能力下降后瓶頸車輛消散流率?？勺兿匏倏刂铺岣咂款i區(qū)域車輛消散流率為qVSL(v)-QdqVSL(v)?Qd3.2可變速率控制路段該類瓶頸如圖4(b)所示,當主線與匝道交通需求大于交織區(qū)通行能力時,車輛在右側車道排隊并蔓延到其他車道,產生通行能力下降。可變限速控制路段內車輛通過流率應為Qd<qVSL(v)+qon≤QC(2)Qd<qVSL(v)+qon≤QC(2)式中:qon為入口匝道流量?？勺兿匏倏刂坡范蔚南匏僦涤善款i位置通行能力及匝道流量共同決定。由于匝道上交通流量實時變化,可能導致可變限速控制路段限速值變化過于頻繁。因此,此類瓶頸條件下,將可變限速控制與匝道控制相結合,可以起到穩(wěn)定匝道流量及穩(wěn)定可變限速值,從而穩(wěn)定主線交通流的作用。3.3可變速率控制計算該類瓶頸如圖4(c)所示,當離開高速公路的交通需求大于出口匝道通行能力時,車輛在右側車道排隊并蔓延到其他車道。如提高主線及出口匝道通過車輛流率之和(系統(tǒng)消散流率),則該類瓶頸的通行效率可得到提高。令R為主線車輛中離開高速公路的比例,qoff表示離開的車輛流率,Qoff表示出口匝道通行能力,假設排隊產生后主線通過的車輛流率降低至qd。為了阻止出口匝道位置車輛排隊,可變限速控制區(qū)域通過車輛流率應滿足:qVSL(v)=Qoff/R(3)由于主線車輛中離開的百分比R在實際中難以觀測,導致主線中可變限速值難以確定。此外,即使可變限速控制阻止了出口匝道位置車輛排隊,但同樣阻止了主線車輛的通過,因此降低了主線車輛的通行效率。當出口匝道排隊導致上游排隊車輛為先入-先出系統(tǒng)時,上游主線流率則被出口匝道通行能力控制:qm=Qoff/R(4)此情況下可變限速控制并沒有提高整個系統(tǒng)的消散流率,而是僅將出口匝道位置車輛排隊轉移到了可變限速控制路段。因此,可變限速控制不能提高出口匝道導致的交通瓶頸通行效率。3.4各類高速車輛不確定性強多個瓶頸交錯時交通流運行情況更為復雜。如圖4(d)所示,當上游瓶頸通行能力小于下游瓶頸時,車輛消散流率受到下游瓶頸限制。如制定可變限速控制策略時便忽略了下游瓶頸的存在,則旨在消除上游瓶頸位置通行能力下降的控制策略無法提高整體路段的通行效率,因為下游瓶頸位置的通行能力下降仍然存在?？勺兿匏倏刂茮]有提高整體系統(tǒng)的車輛消散流率,通行效率沒有提高。制定可變限速控制策略時需系統(tǒng)檢查整個道路交通系統(tǒng)的交通流特征,仔細鑒別制約整個高速公路交通車輛通行流率的關鍵瓶頸。旨在提高通行效率的可變限速控制策略必須針對關鍵瓶頸來實施,否則即使消除了某瓶頸的車輛排隊,可變限速仍無法提高關鍵瓶頸的車輛通過流率,無法提高整體高速公路系統(tǒng)的通行效率。4仿真模型參數標定以高速公路入口匝道交通瓶頸為例,采用仿真技術對本文提出的可變限速控制策略的效果進行分析。采用細胞傳輸模型(Celltransmissionmodel)建立可變限速控制仿真路段,如圖5所示。仿真路段總長10km,包含11個主線細胞和2個匝道細胞,細胞M5、M6為入口匝道瓶頸區(qū)域,細胞M3為可變限速控制路段,細胞M4為車輛加速路段,仿真時長共3h。仿真測試前,需對細胞傳輸模型參數標定,特別是針對通行能力下降幅度和閾值標定,保證仿真結果符合實際。本文采用美國加利福尼亞州I-5高速公路上某入口匝道瓶頸附近真實交通流數據對仿真模型進行參數標定,相關交通流參數如表1所示。圖6(a)描述了瓶頸區(qū)車輛消散流率隨時間的變化。無控制時,瓶頸通行能力下降導致車輛消散流率較低,可變限速控制有效消除了通行能力下降,使瓶頸區(qū)車輛通過流率保持在通行能力附近。圖6(b)描述了消散車輛累積數隨時間的變化,可變限速控制有效提高了單位時間通過瓶頸區(qū)的車輛數,減少了車輛行駛延誤。高速公路瓶頸路段車輛排隊與消散過程受到瓶頸車輛消散流率影響。因此,可變限速控制對于改善瓶頸路段交通流擁堵狀況具有一定效果,如表2所示。由表2可見,本文提出的可變限速控制策略可有效改善高速公路常發(fā)瓶頸區(qū)域交通擁堵狀況,減少車輛行駛延誤并提高通行效率。本文仿真實驗中入口匝道交通需求較穩(wěn)定,而實際情況中入口匝道交通流量實時變化,可能導致可變限速值實時變化,無法滿足實際高速公路運行管理需求。因此,需要將可變限速控制技術與匝道控制技術相結合,從而使可變限速控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效。將可變限速控制技術與匝道控制技術相結合的高速公路常發(fā)瓶頸交通流管理與控制策略將在未來研究中深入探索。5訴訟路徑下可變速率控制策略仿真與分析針對可變限速控制提高高速公路常發(fā)瓶頸區(qū)域通行效率的控制策略和效果進行了研究,闡述了瓶頸區(qū)通行能力下降現(xiàn)象與通行效率的關系,提出了一套可變限速控制策略,監(jiān)視瓶頸區(qū)交通流運行狀態(tài),判斷通行能力下降是否產生,通過調整上游路段限速值限制進入瓶頸路段的車輛流率,從而消除通行能力下降,將瓶頸區(qū)車輛通過流率保持在通行能力附近,減少車輛行駛延誤。分析了不同交通瓶頸類型下可變限速控制方法與效果。通過仿真實驗驗證了本文提出的控制策略的有效性,結果表明,該控制策略可以顯著減少瓶頸區(qū)車輛行駛延誤56.1%,減少總通行時間