《交通管理与控制》第14章-快速道路交通控制系统...ppt

14.1 14.1 高速公路的交通特性及存在问题高速公路的交通特性及存在问题 v高速公路定义：高速公路定义：4 4车道以上、双向分隔行驶、完车道以上、双向分隔行驶、完全控制出入口、全部采用立体交叉的公路。全控制出入口、全部采用立体交叉的公路。 v 14.1.1 14.1.1 高速公路概述高速公路概述 山区高速公路山区高速公路 平原高速公路平原高速公路 我国交通部我国交通部“公路工程技术标准公路工程技术标准”规定，规定，高速公路是指高速公路是指“能适应年平均昼夜小客车交通能适应年平均昼夜小客车交通量为量为25000辆以上，专供汽车辆以上，专供汽车分道高速行驶分道高速行驶并并全部控制出入全部控制出入的公路的公路”。 一般能适应一般能适应120公里公里/小时或者更高的速度，要小时或者更高的速度，要求路线顺畅，纵坡平缓，路面有求路线顺畅，纵坡平缓，路面有4个以上车道的宽个以上车道的宽度。中间设置度。中间设置分隔带分隔带，采用沥青混凝土或水泥混凝，采用沥青混凝土或水泥混凝土高级路面，为保证行车安全设有齐全的标志、标土高级路面，为保证行车安全设有齐全的标志、标线、信号及照明装置；禁止行人和非机动车在路上线、信号及照明装置；禁止行人和非机动车在路上行走，与其他线路采用行走，与其他线路采用立体交叉立体交叉、行人跨线桥或地、行人跨线桥或地道通过。道通过。发展趋势：高速公路的网络化发展趋势：高速公路的网络化全国高速公路线路全国高速公路线路14.1.2 14.1.2 高速公路的交通问题高速公路的交通问题高速公路主要存在高速公路主要存在交通拥挤交通拥挤和和交通安全交通安全问题。问题。 1.1.交通拥挤问题交通拥挤问题 交通拥挤，是指交通需求（一定时间交通拥挤，是指交通需求（一定时间内想要通过道路的车辆数）超过道路的内想要通过道路的车辆数）超过道路的交通容量时，超过部分的交通滞留在道交通容量时，超过部分的交通滞留在道路上的交通现象。路上的交通现象。 交通拥挤交通拥挤 交通拥挤交通拥挤 1.1.交通需求超过容量交通需求超过容量 （图（图15-115-1） 2.2.不受限制的入口匝道不受限制的入口匝道 3.3.出口匝道排队出口匝道排队 4.4.收费站收费收费站收费交通拥挤的因素交通拥挤的因素 运行因素运行因素 几何因素几何因素 1.1.车道减少车道减少2.2.交织路段交织路段短短3.3.道路横断面窄道路横断面窄4.4.标标志短缺志短缺5.5.视线不良视线不良6.6.互互通式立交不合标准通式立交不合标准 1.1.事件和交通事故事件和交通事故 2.2.不利的气候条件不利的气候条件 3.3.作业区作业区市区高速公路最常市区高速公路最常见的偶发性问题见的偶发性问题 常发性交通拥挤常发性交通拥挤偶发性交通拥挤偶发性交通拥挤驾驶员的驾驶员的 判断错误判断错误公路的公路的 几何特征几何特征交通量交通量 增大增大 车辆故障车辆故障交通流的交通流的 相互作用相互作用险恶的险恶的 气候条件气候条件驾驶员不熟驾驶员不熟 悉高速公路悉高速公路 驾驶方法驾驶方法2.2.交通安全问题交通安全问题安全问题安全问题安全问题安全问题14.1.3 14.1.3 解决高速公路交通问题的方法解决高速公路交通问题的方法有两种方案可供选择：有两种方案可供选择： 1 1、新建高速公路或在原有线路上附加支线，但、新建高速公路或在原有线路上附加支线，但成本很高。成本很高。 2 2、对高速公路上的交通情况进行控制，成本仅、对高速公路上的交通情况进行控制，成本仅占公路全部投资的占公路全部投资的5%5%10%10%。 高速公路的交通控制，就是对一些主要高速公路的交通控制，就是对一些主要交通参数交通参数，如交通量、交通密度、速度、占有，如交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞度以及率、堵塞度以及交通状况交通状况、路面状况路面状况和和气象参气象参数数等进行实时观察和测量，根据交通参数及交等进行实时观察和测量，根据交通参数及交通条件的历史数据或实时采集的数据，按照某通条件的历史数据或实时采集的数据，按照某种种预定的性能准则预定的性能准则来调节高速公路上的交通参来调节高速公路上的交通参数，从而使公路自动地保持数，从而使公路自动地保持最佳的运行状态最佳的运行状态。 常发性交通问题常发性交通问题的控制策略的控制策略高速公路的高速公路的 交通控制策略交通控制策略偶发性交通问题偶发性交通问题 的控制策略的控制策略控制交通需求控制控制交通需求控制通过几何改善来提高通行能力通过几何改善来提高通行能力管理旅行需求管理旅行需求主要技术：主要技术： 1 1、入口匝道控制、入口匝道控制 2 2、高速公路干道控制、高速公路干道控制 3 3、优先通行权控制、优先通行权控制 4 4、通道控制、通道控制常发性交通问题的控制策略常发性交通问题的控制策略14.2 14.2 高速公路交通控制的基本概念与参数高速公路交通控制的基本概念与参数1 1、道路通行能力、道路通行能力 （1 1）基本概念基本概念 在一定的道路、交通状态和环境下，单位时间内在一定的道路、交通状态和环境下，单位时间内（良好天气情况下），一条车行道或道路的某一段面（良好天气情况下），一条车行道或道路的某一段面上能够通过的最大车辆数量，也称为道路（交通）容上能够通过的最大车辆数量，也称为道路（交通）容量，简称容量。单位是量，简称容量。单位是veh/hveh/h 车辆多指小客车，当有其他车辆混入时，均采用等车辆多指小客车，当有其他车辆混入时，均采用等效通行能力的效通行能力的当量小客车当量小客车为单位。为单位。（2 2）平均交通量平均交通量 某一时间段内交通量的平均值作为该时间段的代某一时间段内交通量的平均值作为该时间段的代表交通量。一般包括年平均日交通量、月平均日交通表交通量。一般包括年平均日交通量、月平均日交通量和周平均日交通量。量和周平均日交通量。（3 3）高峰小时交通量（高峰小时交通量（PHTPHT） 在观察时段内交通量最大的那个小时，称在观察时段内交通量最大的那个小时，称为高峰小时，该小时的交通量称为高峰小时交为高峰小时，该小时的交通量称为高峰小时交通量。一般高峰小时都按整点计算。通量。一般高峰小时都按整点计算。（4 4）设计小时交通量设计小时交通量 第第3030位最高小时交通量是最合适的。位最高小时交通量是最合适的。 （5 5）车头时距车头时距 同一地点相邻两车辆经过的时间间距称为车头时距。同一地点相邻两车辆经过的时间间距称为车头时距。 （6 6）车头间距车头间距 同一时间相邻两车车头之间的距离称为车头间距。同一时间相邻两车车头之间的距离称为车头间距。 2 2、速度、速度 速度是单位时间内车辆行驶的距离。车速分地速度是单位时间内车辆行驶的距离。车速分地点车速、行驶车速、区间车速、时间平均车速和点车速、行驶车速、区间车速、时间平均车速和空间平均车速等。空间平均车速等。 85%85%位车速位车速 15%15%位车速位车速 速度是用来表示交通速度是用来表示交通通畅通畅程度的量，当交通程度的量，当交通 量的实际速度比较高时，认为交通比较通畅，而量的实际速度比较高时，认为交通比较通畅，而 当实际速度接近于当实际速度接近于0 0时，认为交通出现严重拥挤或时，认为交通出现严重拥挤或 堵塞。堵塞。3 3、占有率和密度、占有率和密度 占有率有占有率有空间占有率空间占有率和和时间占有率时间占有率之分。之分。 在观测路段长度内，行驶车辆总长度占该路在观测路段长度内，行驶车辆总长度占该路段长度的比例称为空间占有率。段长度的比例称为空间占有率。 在一定时段内，全部车辆通过某一断面所需在一定时段内，全部车辆通过某一断面所需时间的累计值占该时段的比例称为时间占有率。时间的累计值占该时段的比例称为时间占有率。4 4、服务水平、服务水平 该标准通常以行驶的通畅程度，行驶的自该标准通常以行驶的通畅程度，行驶的自由度、连续性、方便性、舒适性和安全性等来由度、连续性、方便性、舒适性和安全性等来表征表征。 高速公路运输的服务水平包含了高速公路运输的服务水平包含了行程速度行程速度、交通流量交通流量、交通密度交通密度等指标。等指标。A A级级B B级级 C C级级 D D级级 美国将高速公路基本路段的服务水平划分为美国将高速公路基本路段的服务水平划分为6 6级。级。E E级级 F F级级 88辆小客车辆小客车/km/km/车道车道 车流密度车流密度自由流自由流1212辆小客车辆小客车/km/km/车道车道 车流密度车流密度低密稳低密稳 定流定流 1919辆小客车辆小客车/km/km/车道车道 车流密度车流密度中密稳中密稳 定流定流 2626辆小客车辆小客车/km/km/车道车道 车流密度车流密度高密稳高密稳 定流定流 424242辆小客车辆小客车/km/km/车道车道 车流密度车流密度过饱和过饱和 状态状态 5 5、其它、其它 (1)(1)服务流量服务流量 在通常道路条件、交通条件和管制条件下，在通常道路条件、交通条件和管制条件下，在给定的时间周期内保持规定的服务水平，合理在给定的时间周期内保持规定的服务水平，合理地期望车辆通过一条车道或道路某一断面的最大地期望车辆通过一条车道或道路某一断面的最大小时流量。小时流量。 (2)(2)通行能力与服务水平计算通行能力与服务水平计算 理想最大通行能力是通过对各种类型道路进理想最大通行能力是通过对各种类型道路进行观测，取得大量实测资料，绘制车速行观测，取得大量实测资料，绘制车速流量关流量关系曲线图进行标定估计，其曲线峰值为理想最大系曲线图进行标定估计，其曲线峰值为理想最大通行能力。通行能力。 当确定了道路理想最大通行能力后，可求出相应的当确定了道路理想最大通行能力后，可求出相应的 交通量与通行通力比值交通量与通行通力比值（q/Cq/Ca a）。根据实际道路条件、）。根据实际道路条件、 交通条件和管制条件确定各种影响因素交通条件和管制条件确定各种影响因素校正系数校正系数。将理。将理 想最大通行能力乘以（想最大通行能力乘以（ q/Ca q/Ca ）得到道路最大服务流）得到道路最大服务流 量，再乘以各种影响校正系数，即可求得现在道路对应量，再乘以各种影响校正系数，即可求得现在道路对应 的某一服务水平。的某一服务水平。 14.3 14.3 高速公路匝道控制高速公路匝道控制 14.3.1 14.3.1 入口匝道控制概述入口匝道控制概述 入口匝道控制的基本原理就是限制进入高速入口匝道控制的基本原理就是限制进入高速 公路的车辆数目以保证高速公路自身的交通需求公路的车辆数目以保证高速公路自身的交通需求 不超过其交通容量。不超过其交通容量。 高速公路出高速公路出/ /入口入口增加高速公路实际通行能力（增加匝道整体的驶入量）增加高速公路实际通行能力（增加匝道整体的驶入量）减少高速公路主线上行驶车辆总的行程时间减少高速公路主线上行驶车辆总的行程时间减少通道内全部行驶车辆的行程时间减少通道内全部行驶车辆的行程时间在高速公路主线和入口匝道上，消除或减少车辆中的冲突和事故在高速公路主线和入口匝道上，消除或减少车辆中的冲突和事故改善交通流的平稳性，减少车辆的不舒适感和环境干扰改善交通流的平稳性，减少车辆的不舒适感和环境干扰1 1、入口匝道控制的目标、入口匝道控制的目标 入口匝道控制的目标是上述的一个或全部入口匝道控制的目标是上述的一个或全部在通道区域内必须有可供使用的附加容量在通道区域内必须有可供使用的附加容量 （即可替换的路线、时段或其他运输方式）（即可替换的路线、时段或其他运输方式） 在入口匝道上应有足够的停车空间在入口匝道上应有足够的停车空间 可供等待匝道交通信号的车辆使用可供等待匝道交通信号的车辆使用 交通模式必须合适交通模式必须合适 在高速公路下游出口处必须有可能利用的容量在高速公路下游出口处必须有可能利用的容量 匝道与主线有足够的交织区且视距良好匝道与主线有足够的交织区且视距良好 2 2、入口匝道控制的条件、入口匝道控制的条件 匝道调节匝道调节 在匝道上使用交在匝道上使用交通信号灯对进入车辆通信号灯对进入车辆实行计量控制，也可实行计量控制，也可通过收费站的收费车通过收费站的收费车道开放数来调节进入道开放数来调节进入高速公路的车辆数高速公路的车辆数 。匝道关闭匝道关闭 匝道关闭可通匝道关闭可通过自动路栏、交通过自动路栏、交通标志、人工设置隔标志、人工设置隔离墩把某些入口匝离墩把某些入口匝道关闭。道关闭。 3 3、入口匝道控制方法入口匝道控制方法入口匝道控制入口匝道控制入口匝道调节方法：入口匝道调节方法：A 定时控制定时控制感应（动态）感应（动态） 调节调节B 汇合控制汇合控制D 整体定时整体定时 控制控制C 14.3.2 14.3.2 入口匝道定时控制入口匝道定时控制 1 1、入口匝道关闭、入口匝道关闭 匝道关闭就是对所有交通都实行关闭，不允许车匝道关闭就是对所有交通都实行关闭，不允许车辆进入高速公路，维持高速公路不拥挤。辆进入高速公路，维持高速公路不拥挤。 匝道关闭分：永久性关闭；在高峰期以及偶发性匝道关闭分：永久性关闭；在高峰期以及偶发性拥挤期短期关闭。拥挤期短期关闭。 永久性关闭主要用在立交非常接近、交织问题十永久性关闭主要用在立交非常接近、交织问题十分严重的地方，永久性关闭方法一般缺点多于优点。分严重的地方，永久性关闭方法一般缺点多于优点。只在下述几种情况下可以考虑使用匝道关闭：只在下述几种情况下可以考虑使用匝道关闭： 1、由于大雾、大雪等异常天气，导致高速公路、由于大雾、大雪等异常天气，导致高速公路失去通行能力。失去通行能力。 2、入口匝道上游的高速公路的交通需求已达到、入口匝道上游的高速公路的交通需求已达到下游道路容量，而可替换道路上还有足够的容量下游道路容量，而可替换道路上还有足够的容量可供使用。可供使用。 3、潜在进入高速公路的车辆很少。、潜在进入高速公路的车辆很少。 4、在入口匝道上没有足够的停车空间。、在入口匝道上没有足够的停车空间。 匝道关闭方法匝道关闭方法自动路栏关闭自动路栏关闭 设立关闭标志设立关闭标志 人工设置路栏人工设置路栏 在关闭匝道控制中，要解决的关键问题是在关闭匝道控制中，要解决的关键问题是 关闭时机的选择关闭时机的选择，需要采集高速公路上的交通，需要采集高速公路上的交通 流量数据及气象数据，以经验数据为参考，综流量数据及气象数据，以经验数据为参考，综 合判断匝道关闭的时机。合判断匝道关闭的时机。2 2、入口匝道定时控制、入口匝道定时控制 定时控制是指根据历史情况的调查掌握交通定时控制是指根据历史情况的调查掌握交通 流的统计情况，把一天划分为若干时段。假定每流的统计情况，把一天划分为若干时段。假定每 个时段内，交通流状况基本不变，以此作为依据个时段内，交通流状况基本不变，以此作为依据 来确定每个时段内一组不变的入口调节率，使某来确定每个时段内一组不变的入口调节率，使某 项性能指标最优。项性能指标最优。 路面标记路面标记 定时控制系统包含定时控制系统包含 信号灯信号灯 控制器控制器 检测器检测器 在定时控制系统中，匝道信号以固定的在定时控制系统中，匝道信号以固定的 周期运行，周期中红黄绿信号的配时取决于周期运行，周期中红黄绿信号的配时取决于 所使用的调节形式是所使用的调节形式是单车调节单车调节还是还是车队调节车队调节。（1 1）单车调节）单车调节 匝道调节信号配时规定在每个绿灯时段只允匝道调节信号配时规定在每个绿灯时段只允许放一辆车进入高速公路。许放一辆车进入高速公路。 （2 2）车队调节）车队调节 当要求调节率大于当要求调节率大于900veh/h900veh/h时，必须采用每时，必须采用每周期允许两辆或两辆以上的车辆进入高速公路，称周期允许两辆或两辆以上的车辆进入高速公路，称这种方式为车队调节方式。这种方式为车队调节方式。 周期内各灯色间隔时间还要取决于所使用的周期内各灯色间隔时间还要取决于所使用的车队调节类型，即串行的或双列的。车队调节类型，即串行的或双列的。 串行调节：在这种方式下，车辆是一辆接串行调节：在这种方式下，车辆是一辆接一辆放行的，因此要有足够长的绿灯加黄灯时间，一辆放行的，因此要有足够长的绿灯加黄灯时间，以便允许每个周期内要求放行的车辆均能通过。以便允许每个周期内要求放行的车辆均能通过。 双列调节：在这种方式下，每个周期并列双列调节：在这种方式下，每个周期并列放行两辆车。双列调节可以达到的最大调节率约放行两辆车。双列调节可以达到的最大调节率约为为1100veh/h1100veh/h。 入口匝道调节率主要依据匝道上游需求、入口匝道调节率主要依据匝道上游需求、 下游容量、匝道需求以及调节率的上下约束条下游容量、匝道需求以及调节率的上下约束条 件、道路条件等因素来确定，主要用于预防高件、道路条件等因素来确定，主要用于预防高 速公路上的常发性拥挤。速公路上的常发性拥挤。 匝道匝道调节率调节率r(veh/h)r(veh/h)的计算公式为的计算公式为 r = qr = qc c - q - qd d (15-1)(15-1) q qc c (veh/h) (veh/h)为匝道下游容量为匝道下游容量; ; q qd d (veh/h) (veh/h)为匝道上游交通需求。为匝道上游交通需求。匝道调节匝道调节周期长度周期长度C(s)C(s)为为r3600nC (15-2)(15-2) n n为每个调节周期允许进入的车辆数，为每个调节周期允许进入的车辆数， n=1n=1，2 2，3 3。TpdrTppd00max(15-3)(15-3) 匝道调节率匝道调节率r r还要受下列条件约束：还要受下列条件约束：maxminrrrd(veh/h)-d(veh/h)-匝道到达率匝道到达率 T T（h h）-时段长度时段长度 P PMAXMAX-匝道上允许的最大排队车辆数匝道上允许的最大排队车辆数 P P0 0-匝道上初始排队车辆数匝道上初始排队车辆数 R Rminmin-调节率下限值，一般取调节率下限值，一般取180veh/h 180veh/h R Rmaxmax-调节率上限值，单车调节调节率上限值，单车调节900veh/h900veh/h， 车队调节为车队调节为1100veh/h1100veh/h。 15.3.3 15.3.3 入口匝道感应控制入口匝道感应控制 以交通量以交通量实时检测数据实时检测数据为依据来确定匝为依据来确定匝道道 调节率，因而能响应交通流的随机变化。调节率，因而能响应交通流的随机变化。 感应调节系统构成如图感应调节系统构成如图15-315-3所示。所示。 为了实时反映车辆构成、气候条件等因素对交通为了实时反映车辆构成、气候条件等因素对交通 流的影响，增加感应调节系统的适应性，可在系统中流的影响，增加感应调节系统的适应性，可在系统中 安装用来确定安装用来确定交通组成交通组成和和气候条件气候条件的检测器。的检测器。 实时比较匝实时比较匝道上游交通量和道上游交通量和下游容量的基础下游容量的基础上选择匝道调节上选择匝道调节率，其目标是更率，其目标是更好地利用有效道好地利用有效道路容量。路容量。 交通需求交通需求- - 通行能力控制通行能力控制对匝道的上游或对匝道的上游或下游的占有率进下游的占有率进行实时测量来估行实时测量来估算下游剩余容量算下游剩余容量qqc c，再来确定，再来确定入口匝道的调节入口匝道的调节率。率。 占有率控制占有率控制 反馈控制反馈控制 入口匝道感应控制的方法有入口匝道感应控制的方法有14.3.4 14.3.4 汇合控制汇合控制 汇合控制是一种微观控制方法，以汇合控制是一种微观控制方法，以安全安全为控制原则。为控制原则。 汇合控制的汇合控制的基本目标基本目标是通过使入口匝道车辆最是通过使入口匝道车辆最 准确利用高速公路间隙来完成合流，改善高速公准确利用高速公路间隙来完成合流，改善高速公 路交通流的分布及运行。路交通流的分布及运行。 汇合控制汇合控制方法方法是当检测到外侧车道车流间隙长是当检测到外侧车道车流间隙长 度不小于可插车间隙时，才允许匝道车辆进入高度不小于可插车间隙时，才允许匝道车辆进入高 速公路，这样能保证匝道车辆及时安全汇入高速速公路，这样能保证匝道车辆及时安全汇入高速 公路车流中。公路车流中。 汇合控制系统实现的入口匝道调节率完全取决汇合控制系统实现的入口匝道调节率完全取决 于检测到的于检测到的主线车流间隙数目主线车流间隙数目。 检测高速检测高速公路上的公路上的可插间隙可插间隙 估计这个可估计这个可插间隙到达插间隙到达入口匝道汇入口匝道汇合点的时间合点的时间 引导匝道引导匝道车辆进入车辆进入这个可插这个可插间隙间隙 汇合控制运行的工作过程汇合控制运行的工作过程汇合控制系统汇合控制系统可插间隙汇可插间隙汇 合控制系统合控制系统移动汇合移动汇合 控制系统控制系统1 1、可插间隙汇合控制构成如图、可插间隙汇合控制构成如图15-415-4。 某个绿灯时间允许通过的车辆数取决于某个绿灯时间允许通过的车辆数取决于可插可插 间隙间隙的大小。的大小。 最小可插间隙是指两个相随的车辆的车头间最小可插间隙是指两个相随的车辆的车头间 隙时间足够一个入口匝道车辆汇合进入的最小车隙时间足够一个入口匝道车辆汇合进入的最小车 头间隔时间。头间隔时间。天气条件天气条件高速公路和高速公路和 入口匝道的入口匝道的 几何形状几何形状车辆车辆 加速特性加速特性驾驶员驾驶员 水平水平交通条件交通条件影响最小影响最小 可插间隙的因素可插间隙的因素停在匝道信号灯前的车辆停在匝道信号灯前的车辆 到达汇合点预计行驶时间到达汇合点预计行驶时间可插间隙移动速度可插间隙移动速度放行时间的放行时间的 计算依据计算依据 汇合地点到间隙汇合地点到间隙/ /速度速度 检测器之间的距离检测器之间的距离2 2、移动汇合控制、移动汇合控制 利用匝道左侧面带有绿色光带的显示器，向利用匝道左侧面带有绿色光带的显示器，向 匝道车辆提示高速公路外侧车道的可插间隙移动匝道车辆提示高速公路外侧车道的可插间隙移动 情况。车辆跟随光带的移动，则有助于掌握加速情况。车辆跟随光带的移动，则有助于掌握加速 度和速度，有利于顺利汇合。度和速度，有利于顺利汇合。 移动汇合控制模式移动汇合控制模式移动模式移动模式适合于高适合于高 速公路流速公路流 量较小的量较小的 情况情况停车的可插停车的可插 间隙模式间隙模式随着高速公随着高速公 路交通量的路交通量的 增加，速度增加，速度 下降到某值下降到某值 时，此时控时，此时控 制系统换用制系统换用 停车的可插停车的可插 间隙状态间隙状态定时调节模式定时调节模式当高速公路当高速公路 流量继续增流量继续增 加，超过某加，超过某 一标准，该一标准，该 系统转为定系统转为定 时调节方式时调节方式3 3、可插间隙和需求、可插间隙和需求容量控制容量控制 匝道调节率按照交通需求匝道调节率按照交通需求容量差额原理来容量差额原理来 确定，但以此调节率放行的匝道车辆要与可利用确定，但以此调节率放行的匝道车辆要与可利用 的可插间隙相符合。的可插间隙相符合。4 4、汇合控制系统的评价、汇合控制系统的评价汇合控制系统与交通需求汇合控制系统与交通需求容量差额感应调节系统比较如下容量差额感应调节系统比较如下: 汇合控制可得到比较平滑的汇合控制可得到比较平滑的交汇运行，车辆由匝道调节信号交汇运行，车辆由匝道调节信号处到达交汇区所需时间短处到达交汇区所需时间短 汇合控制的匝道车辆汇合控制的匝道车辆放行是根据检测到的可插放行是根据检测到的可插间隙来确定的，因而控制间隙来确定的，因而控制运行方式没有规律，排队运行方式没有规律，排队等待时间较长（调节率约等待时间较长（调节率约为为4 45veh/min5veh/min），违章），违章车辆率较高车辆率较高 需求需求容量差额感应容量差额感应调节可得到较高的调节率调节可得到较高的调节率和较大的入口匝道容量和较大的入口匝道容量 当驶入匝道具有良好的当驶入匝道具有良好的加速车道等几何形状时，采加速车道等几何形状时，采用定时调节、需求用定时调节、需求容量差容量差额感应调节，可获得良好的额感应调节，可获得良好的经济效果，无需采用汇合控经济效果，无需采用汇合控制系统制系统 对于因视距不良、加速对于因视距不良、加速车道、坡度缺陷等造成的交车道、坡度缺陷等造成的交汇困难的高速公路，采用汇汇困难的高速公路，采用汇合控制是有利的合控制是有利的 汇合控制需增加汇合控制需增加较多设备，系统成本较多设备，系统成本昂贵昂贵14.4 14.4 入口匝道整体定时控制入口匝道整体定时控制 入口匝道定时整体控制是指每个入口匝道定入口匝道定时整体控制是指每个入口匝道定 时调节时必须对其上、下游匝道运行的相互依赖时调节时必须对其上、下游匝道运行的相互依赖 性给予考虑。这时，各个匝道的调节率是根据整性给予考虑。这时，各个匝道的调节率是根据整 个系统的交通需求个系统的交通需求容量差额来计算的。容量差额来计算的。14.4.1 14.4.1 性能指标和调节率的算法性能指标和调节率的算法 入口匝道整体定时的控制是基于交通流每日变入口匝道整体定时的控制是基于交通流每日变 化大体一致，因而可以把一天划分为若干时段（大化大体一致，因而可以把一天划分为若干时段（大 约每段为约每段为15min15min或更长），在一个时段内交通流近或更长），在一个时段内交通流近 似于均匀，可以认为是稳态，进而根据实际情况把似于均匀，可以认为是稳态，进而根据实际情况把 高速公路分成若干段，每段内交通流近似认为稳定高速公路分成若干段，每段内交通流近似认为稳定 均匀。均匀。 建立一个描述交通流状态只随道路空间变化建立一个描述交通流状态只随道路空间变化 的稳态模型，然后根据主线和各入口匝道的交通的稳态模型，然后根据主线和各入口匝道的交通 需求和每个入口匝道下游的容量，按照某种性能需求和每个入口匝道下游的容量，按照某种性能 指标，在每时段确定一组最佳调节率（常数），指标，在每时段确定一组最佳调节率（常数）， 使各路段交通状况总体最优。使各路段交通状况总体最优。1 1、性能指标、性能指标 要达到系统总行程时间最小，既需要要达到系统总行程时间最小，既需要车速尽车速尽 量高量高，又要求在匝道处排队，又要求在匝道处排队等待时间尽量小等待时间尽量小。 14.4.2 14.4.2 控制算法的建模与求解控制算法的建模与求解 总行程时间总行程时间 = = 道路行驶时间道路行驶时间 + + 匝道排队等待时间匝道排队等待时间 在稳态入口调节系统中，总行程时间最小等价于在稳态入口调节系统中，总行程时间最小等价于总总驶入量最大驶入量最大。Njjiiijjra11max舒适性舒适性 21021TdttaT也可采用总服务流量最大也可采用总服务流量最大2 2、约束条件、约束条件约束条件约束条件3 3、建模、建模 其性能指标和约束函数一般均为线性，可表其性能指标和约束函数一般均为线性，可表述为一线性规划问题。述为一线性规划问题。 NiirMaxz1NiTldTlldNirrrdrNjCratsiiiiiijijiij, 2, 2 , 1, 2 , 1. .00maxmaxmin111(15-5) (15-5) T T: :时段长度；时段长度； l li0i0: :本时段本初始时刻匝道本时段本初始时刻匝道i i排队长度；排队长度； l lmaxmax: :匝道匝道i i最大允许排队长度；最大允许排队长度； r rminmin, ,r rmaxmax: :分别表示第分别表示第i i路段内入口匝道调节率的最路段内入口匝道调节率的最 大值和最小值；大值和最小值； a aijij: :从入口从入口i i进入的车辆到达路段进入的车辆到达路段j j的百分比；的百分比； C Cj j: :路段路段j j的道路容量；的道路容量； d di i: :路段路段i i内入口匝道的交通需求；第一路段无匝内入口匝道的交通需求；第一路段无匝 道入口道入口, ,主线始端流量被视为第一匝道口主线始端流量被视为第一匝道口r ri i调调 节率；节率； 4 4、实例、实例 有一段有一段5 5个入口匝道组成的高速公路，主线入口的交通需求个入口匝道组成的高速公路，主线入口的交通需求量为量为D D1 1=4000veh/h,=4000veh/h,其余各入口匝道的需求为其余各入口匝道的需求为D D2 2=D=D4 4=800veh/h=800veh/h，D D3 3=D=D5 5=600veh/h=600veh/h，起始到达矩阵位：，起始到达矩阵位：00. 1000090. 000. 100085. 090. 000. 10060. 070. 075. 01085. 090. 095. 011A 各路段容量为：各路段容量为：C1=5400veh/hC1=5400veh/h，C2=4800veh/hC2=4800veh/h，C3=C4 C3=C4 =5200veh/h=5200veh/h，匝道最小调节率为，匝道最小调节率为240veh/h240veh/h，最大调节率为，最大调节率为960veh/h960veh/h，若采用系统总行程时间最小指标，求个匝道的最，若采用系统总行程时间最小指标，求个匝道的最优调节率。优调节率。 对上述问题建立对上述问题建立LPLP模型如下：模型如下：5432151rrrrrrMaxzii5 , 4 , 3 , 2960240600800600800400052009 . 085. 06 . 085. 052009 . 07 . 09 . 0480075. 095. 054005400. .54321543214321321211irrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrtsi将将r r1 1=4000=4000 5432rrrrMaxz5 , 4 , 3 , 29602406008006008003600020181712160001097400043. .5432543243232irrrrrrrrrrrrrrtsi令令x xi i = r= ri i - 240- 240（保证（保证x xi i 0 0）化为标准型：）化为标准型：5432xxxxMaxz122, 0360560360560199202018171297601097232043. .12511410392854327432632ixxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxtsi应用单纯形法解得：应用单纯形法解得：128,440,160,5605432xxxx即：即：360,680,400,8005432rrrr 故各匝道允许进入高速公路的交通量故各匝道允许进入高速公路的交通量 总和为总和为2248veh/h2248veh/h。5 5、基本算法流程、基本算法流程 在实际应用中，需要整体考虑的匝道数在实际应用中，需要整体考虑的匝道数量不多时，也可采用量不多时，也可采用需求需求- -容量差额容量差额控制计算控制计算方法，按照方法，按照“就近调节就近调节”的原则，从上游到的原则，从上游到下游逐一确定各匝道的下游逐一确定各匝道的调解率调解率，也可达到，也可达到整整体最优体最优的效果。其流程如图的效果。其流程如图15-615-6。 14.5 14.5 高速公路主线控制高速公路主线控制 14.5.1 14.5.1 主线控制概述主线控制概述 主线控制的对象是高速公路本身即路段上的主线控制的对象是高速公路本身即路段上的交交 通流通流，通过对高速公路主线的交通进行，通过对高速公路主线的交通进行调节调节、诱导诱导 和和警告警告，达到优化交通流状态的目的。，达到优化交通流状态的目的。 通过主线控制可以改善高速公路运行的通过主线控制可以改善高速公路运行的 安全和效率，缓解主线上的交通拥挤和交通安全和效率，缓解主线上的交通拥挤和交通 瓶颈对交通的影响。这种控制对常发性和偶瓶颈对交通的影响。这种控制对常发性和偶 发性交通拥挤都是有效的。发性交通拥挤都是有效的。 1 1、主线、主线控制的主要目的控制的主要目的保持交通流均匀性和稳定性，增加舒适程度，提高利用率、预防拥挤保持交通流均匀性和稳定性，增加舒适程度，提高利用率、预防拥挤使瓶颈路段达到最大通行能力使瓶颈路段达到最大通行能力改进交通运行，防止冲撞事故改进交通运行，防止冲撞事故保证特殊气候条件下高速公路的运行安全保证特殊气候条件下高速公路的运行安全当出现交通事故或因维修而使主线通行能力下降时，要提高道路的使用效率当出现交通事故或因维修而使主线通行能力下降时，要提高道路的使用效率改变高速公路不同方向上的通行能力改变高速公路不同方向上的通行能力将驾驶员诱导到交通状况较好的道路上将驾驶员诱导到交通状况较好的道路上2 2、主线控制涉及到的几个方面主线控制涉及到的几个方面车道使用控制车道使用控制警告和诱导警告和诱导优先控制优先控制3 3、主线控制实现目标的基本方法、主线控制实现目标的基本方法依据交通流模型判依据交通流模型判断交通流运行状态断交通流运行状态 确定高速公路主线交通确定高速公路主线交通流控制的目标状态值及相应流控制的目标状态值及相应的控制方法，使交通流趋于的控制方法，使交通流趋于目标状态目标状态 从过去的统计资料从过去的统计资料中或采用交通感应方法中或采用交通感应方法获得当前高速公路上交获得当前高速公路上交通流状态变量值通流状态变量值 主线控制方式可以是主线控制方式可以是定时控制定时控制，也可以采用，也可以采用交通感应式控制交通感应式控制。 控制配时和等控制配时和等级根据一天时间内级根据一天时间内的交通流变化规律的交通流变化规律预先确定预先确定定时主线控制定时主线控制 控制变量值是控制变量值是基于实时测量到的基于实时测量到的现时交通条件下的现时交通条件下的交通参量交通参量感应主线控制感应主线控制主线控主线控 制方法制方法4 4、主线控制方法主线控制方法驾驶员信息系统驾驶员信息系统公共汽车、公共汽车、 合用车优先控制合用车优先控制可变速度控制可变速度控制可逆车道控制可逆车道控制主线调节主线调节车道关闭车道关闭14.5.2 14.5.2 可变速度控制可变速度控制 可变速度控制是在高速公路主线上设置可变速度控制是在高速公路主线上设置可变限可变限 速标志速标志来限制行车速度，从而使主线上的交通流的来限制行车速度，从而使主线上的交通流的 速度能随车流密度的改变而变化，以保证交通流的速度能随车流密度的改变而变化，以保证交通流的 均匀、稳定，同时还能提高道路通行能力。均匀、稳定，同时还能提高道路通行能力。可变速度控制的主要作用表现在以下几个方面：可变速度控制的主要作用表现在以下几个方面：增加交通量增加交通量减少追减少追 尾事故尾事故一种提前一种提前 报警系统报警系统延缓拥延缓拥 挤的出现挤的出现 改善交通流改善交通流的的稳定性，稳定性，有助于保有助于保证达到最证达到最大交通量大交通量 可变速度控制的基本原理是依据可变速度控制的基本原理是依据道路道路、交通交通、气候等条件气候等条件对高速公路主线交通流安全高效运行对高速公路主线交通流安全高效运行的限制要求和路段的限制要求和路段交通流交通流的流量、速度、密度的的流量、速度、密度的关系，确定能够允许的最大交通量下的关系，确定能够允许的最大交通量下的最佳速度最佳速度和和最佳密度最佳密度，并据此采用，并据此采用可变限速标志可变限速标志等方法对等方法对高速公路主线交通流进行速度控制。高速公路主线交通流进行速度控制。1 1、可变速度控制的目标速度、可变速度控制的目标速度最佳目标速度的确定方法有两种：最佳目标速度的确定方法有两种： 经验统计法经验统计法；数据模型法数据模型法。可变速度控制的目标主要是可变速度控制的目标主要是速度指标速度指标。2 2、可变速度控制策略和方法可变速度控制策略和方法 主线可变速度控制主要通过主线上交通流主线可变速度控制主要通过主线上交通流的的速度速度在在空间空间和和时间时间上的分布进行控制，以保上的分布进行控制，以保证交通流的证交通流的稳定稳定、均匀均匀，或实现将交通流，或实现将交通流从不从不稳定状态、拥挤状态调控到稳定状态。稳定状态、拥挤状态调控到稳定状态。 可变速度控制的可变速度控