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專業(yè)課課程論文題 目高速道路入口匝道控制方法 學(xué) 院機(jī)械交通學(xué)院 專 業(yè)交通工程 班級(jí) 交工071 姓 名米爾吾也提.瑪依塔烏 學(xué)號(hào)073734117 指導(dǎo)教師 李鑫 職稱 講 師 2011年 04 月 05 日高速道路入口匝道控制方法作者 米爾吾也提.瑪依塔烏 指導(dǎo)老師 李鑫摘要: 目前高速公路上周期性、非周期性的交通擁擠降低了高速公路的運(yùn)行效率, 增加了能源消耗和環(huán)境污染, 采用合理的交通控制可有效地改善這一狀況。而入口匝道控制是高速公路應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。關(guān)鍵詞: 入口匝道控制; 定時(shí)控制; 算法分類前言（引言）：高速公路交通量的增加使得交通擁擠日趨嚴(yán)重, 高速公路的運(yùn)行效率和安全性也因此大為降低, 擁擠的產(chǎn)生加劇了環(huán)境的污染和能源的消耗。改善高速公路交通擁擠的方法有很多, 入口匝道控制是目前應(yīng)用最為廣泛的一種方法。它通過(guò)控制進(jìn)入高速公路的車輛數(shù)目使高速公路交通流運(yùn)行在最佳狀態(tài), 從而提高高速公路的運(yùn)行效率, 避免阻塞的產(chǎn)生 1, 2。正文：1 入口匝道控制的算法分類入口匝道控制有多種分類方法(見(jiàn)圖1)。如圖1所示, 匝道控制按照受控匝道數(shù)目可分為單匝道控制和匝道整體控制; 按照調(diào)節(jié)率相對(duì)于時(shí)鐘是否固定可分為入口匝道定時(shí)調(diào)節(jié)和入口匝道動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié);按照調(diào)節(jié)目的可分為入口匝道匯合控制和用于消除擁擠的入口匝道控制。本文主要介紹用于消除擁擠的入口匝道控制算法。按照控制匝 單匝道控制道數(shù)目分類 匝道整體控制 按照調(diào)節(jié)率相對(duì)于 入口匝道定時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)鐘是否固定分類 入口匝道動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)按照調(diào)節(jié)目的分類 入口匝道匯合控制用于消除擁擠的入口匝道控制圖1 入口匝道控制的分類1.1 單入口匝道控制1.1.1 單入口匝道定時(shí)控制定時(shí)控制是指調(diào)節(jié)率預(yù)先給定的, 在某一段時(shí)間的運(yùn)行是固定不變的, 這種控制方式是根據(jù)歷史情況的調(diào)查, 掌握交通流的統(tǒng)計(jì)情況, 把一天分為若干個(gè)時(shí)段, 假定每個(gè)時(shí)段內(nèi)交通流狀況近似不變,以此作為依據(jù)來(lái)確定每個(gè)時(shí)段內(nèi)單個(gè)匝道不變的入口調(diào)節(jié)率, 這種方式不能適應(yīng)交通流的隨機(jī)變化3。1.1.2 單入口匝道交通響應(yīng)型控制交通響應(yīng)型匝道控制是根據(jù)實(shí)時(shí)車流檢測(cè)信息調(diào)節(jié)匝道入口流量, 使主線上的交通狀態(tài)保持在最優(yōu)設(shè)定點(diǎn)的領(lǐng)域內(nèi), 具體又分為以下幾種:1.1.2.1 需求-容量差額控制4在實(shí)時(shí)比較匝道上游交通量和下游交通量的基礎(chǔ)上選擇匝道調(diào)節(jié)率, 其目標(biāo)是很好地利用有效道路容量, 這種方法在北美比較常用(參見(jiàn)圖2)。高速公里qU qaut （OCUT） P r圖2高速公路路段由圖2可得 qcap- qu( k- 1) Oout( k)Ocrr( k) = （1） rmin Oout( k) Oc式中: qcap 匝道下游高速公路路段的飽和容量;qu 匝道上游的路段流量;Oout 匝道下游的車輛占有率;Ocr 臨界占有率, 即一個(gè)控制閾值, 在達(dá)到臨界占有率情況下, 交通流達(dá)到最大;rmin 預(yù)設(shè)的匝道最小流入量。以上是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制方法, 其抗干擾能力較差。1.1.2.2 需求-容量差額和占有率控制4, 5通過(guò)測(cè)量占有率值, 用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算下游剩余的通行能力qcap, 如果匝道下游檢測(cè)器處的占有率比臨界占有率 Ocr小, 則qcap為正, 否則qcap為負(fù)。qcap為負(fù)說(shuō)明該段高速公路的交通量超過(guò)了通行能力, 應(yīng)采用最小調(diào)節(jié)率。否則采用美國(guó)安全研究所提供的公式( 2)估算qcap, 并按公式(3)調(diào)節(jié)匝道調(diào)節(jié)率。qcap( 1-Oout( k- 1)2 ,Oout( k- 1)Ocrqcap= Ocr (2) qcap( 1-Oout( k- 1)2 ,Oout( k- 1)Ocr Ocr2. 入口匝道整體控制2.2.1 入口匝道定時(shí)整體控制2入口匝道定時(shí)整體控制算法將一天分為若干個(gè)時(shí)段, 將高速公路分為若干個(gè)路段, 在每個(gè)時(shí)段每個(gè)路段的交通流近似穩(wěn)定均勻時(shí), 建立一個(gè)描述交通流狀態(tài)只隨道路空間變化的穩(wěn)態(tài)模型, 根據(jù)歷史資料確定的交通需求、道路容量和交通模型, 按照某項(xiàng)性能指標(biāo), 并考慮一定的約束條件, 求解一組最優(yōu)的入口匝道調(diào)節(jié)率?；镜目刂颇Ｐ褪且匀朐颜{(diào)節(jié)率r為控制變量, 以系統(tǒng)旅行總路程、總旅行時(shí)間和系統(tǒng)總?cè)朐蚜康淖畲蠡蜃钚』鳛樵O(shè)計(jì)目標(biāo), 以通行能力和匝道調(diào)節(jié)能力為主要約束, 采用線性規(guī)劃或二次規(guī)劃方法予以解決。2.2.2 入口匝道動(dòng)態(tài)整體控制2,6,7高速公路定時(shí)段入口匝道控制不能消除由于意外事件而引起的偶發(fā)性交通擁擠, 要解決這一問(wèn)題需要實(shí)行動(dòng)態(tài)控制, 即實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)交通狀態(tài)信息, 并調(diào)節(jié)入口匝道控制量。3 入口匝道控制算法的展望入口匝道控制早期是依靠歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)控制的定時(shí)控制方法, 后來(lái)發(fā)展了交通響應(yīng)型控制方法以及啟發(fā)式算法、試錯(cuò)法, 基于自動(dòng)控制理論的嚴(yán)格的系統(tǒng)方法。這些算法可對(duì)交通狀況做出及時(shí)反應(yīng), 控制效果也比定時(shí)算法有了改進(jìn), 但學(xué)習(xí)的魯棒性還有所不足。同時(shí)傳統(tǒng)的匝道控制器設(shè)計(jì)方法多要求將高速公路流的非線性偏微分方程模型簡(jiǎn)化成一個(gè)線性差分方程模型, 這種簡(jiǎn)化會(huì)影響控制的性能, 因此某些研究者轉(zhuǎn)而考慮設(shè)計(jì)智能控制器利用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)進(jìn)行控制。在控制結(jié)構(gòu)上, 當(dāng)高速公路上發(fā)生異常事件時(shí), 原來(lái)用于控制的交通模型往往不能再適應(yīng)這種情況, 只有及時(shí)檢測(cè)到事件的發(fā)生并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整模型才能讓控制具有自適應(yīng)能力, 同時(shí)需要提高控制的可靠性, 因此又產(chǎn)生了高速公路交通多層分散控制系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見(jiàn), 未來(lái)具有發(fā)展前景的控制方法研究領(lǐng)域是設(shè)計(jì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)控制, 能對(duì)短期的交通需求進(jìn)行預(yù)測(cè)并能計(jì)算出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的入口匝道協(xié)調(diào)控制值, 并能實(shí)時(shí)反饋控制以后的狀態(tài)信息, 對(duì)決策及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能, 可以進(jìn)行在線學(xué)習(xí), 所以在高速公路的交通多層分散控制系統(tǒng)中, 引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或預(yù)測(cè)可能會(huì)有比較好的效果。另外從交通工程實(shí)踐來(lái)看, 入口匝道控制是改善高速公路交通擁擠的有效方法, 美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等均開(kāi)展了入口匝道控制的實(shí)踐。美國(guó)早在60年代就開(kāi)始在芝加哥CongressStreet (現(xiàn)Eisenho-wer )快速干道上實(shí)施了入口匝道控制, 而我國(guó)的匝道控制研究起步較晚, 目前我國(guó)高速公路建設(shè)中設(shè)計(jì)通行能力很多大于目前的交通需求, 系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)能力較強(qiáng), 因此可根據(jù)實(shí)際情況采用定時(shí)控制方案。但隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展, 交通量將日趨增大, 如上海外環(huán)線部分路段晝夜交通量已超過(guò)8萬(wàn)輛, 一些大城市的高速道路和地區(qū)間的高速公路,例如北京、上海的環(huán)城高速公路已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)程度不一的堵塞情況, 因此我國(guó)研究和實(shí)施匝道控制的重要性也凸顯出來(lái)。隨著高速公路信息化的發(fā)展,公路建設(shè)的附屬工程中一般都完成了通信、收費(fèi)、監(jiān)控三大系統(tǒng)的施工, 埋設(shè)了檢測(cè)線圈等交通檢測(cè)設(shè)備, 為完成交通自動(dòng)控制系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的硬件條件。上海、廣州、北京等城市的部分高架道路、環(huán)城高速公路都在實(shí)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)了一定的匝控制。4.環(huán)形放射式路網(wǎng)的實(shí)際使用范圍研究環(huán)形放射式路網(wǎng)的實(shí)際使用范圍時(shí), 必須考慮放射干道對(duì)市中心造成的交通壓力, 因此不可無(wú)限接近市中心, 只允許其通到某一確定的最小范圍 最內(nèi)環(huán)上。一般的操作方法就是繼續(xù)保持市中心區(qū)的繁華, 在市中心區(qū)外圍開(kāi)始設(shè)置城市干道網(wǎng)的最內(nèi)環(huán)。理論方面, 據(jù)相關(guān)研究1, 環(huán)形放射式系統(tǒng)中最內(nèi)層的環(huán)以到市中心區(qū)的半徑不小于0.2R(R為外環(huán)干道的半徑)為宜。在這種條件下, 城市整體路網(wǎng)按環(huán)形放射式布置, 其中心區(qū)按棋盤(pán)式布置比較合理。這種組合既能減輕市中心區(qū)的交通壓力, 又能發(fā)揮環(huán)形放射式路網(wǎng)交通聯(lián)系便捷的優(yōu)點(diǎn)。5 結(jié)語(yǔ)研究城市快速路布局方法, 旨在使規(guī)劃路網(wǎng)具有較高的交通效率且能盡量避免快速路所造成的對(duì)城市空間分割的負(fù)面影響并能節(jié)省投資。本文在構(gòu)建路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)的基礎(chǔ)上, 提出了基于仿生學(xué)原理的快速路線網(wǎng)布局的蛛網(wǎng)理論, 即在覆蓋面積和路網(wǎng)密度相等的條件下, 類似蛛網(wǎng)的環(huán)形放射式路網(wǎng)結(jié)構(gòu)是交通效率最高的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)型式。同時(shí),本文對(duì)此理論給予了證明, 探討了應(yīng)用蛛網(wǎng)理論進(jìn)行快速路線網(wǎng)布局時(shí)環(huán)線間隔及射線條數(shù)的組合分布問(wèn)題, 最后指出了蛛網(wǎng)理論應(yīng)用于包括快速路在內(nèi)的干道網(wǎng)布局時(shí)應(yīng)注意的幾點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)于如何根據(jù)快速路所能提供的流量要求及上快速路的時(shí)間要求來(lái)具體確定快速路的最內(nèi)環(huán)半徑是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)：1 蘇.M.C費(fèi)舍里松(著) , 任福田, 等(譯) . 城市交通M. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1984.2 李旭宏. 道路交通規(guī)劃M. 南京: