[发明专利]一种城市快速路入口匝道控制方法

摘要

本发明提出了一种城市快速路入口匝道控制方法。首先，通过ESN预测车流状态不确定下的入口匝道下游动态临界占有率；然后，设计用于划分主、从匝道的函数，以此动态确定需要协调匝道的个数，扩大协调控制范围；其中，考虑到该函数是随时间动态变化的，并且道路通行事故、天气等也会对其值造成影响，因此在设计此函数时，使用BP神经网络进行训练以提高其精确性。本发明算法以入口匝道下游动态临界占有率为基础设计匝道调节率，并通过设计的函数动态确定协调控制范围，以适应快速路主线实际车流状态的变化，克服了Bottleneck、Linked‑control和Swarm等算法的缺陷，明显减少了城市快速路主线车流运行时拥堵持续时间和高密度持续时间。

主权项

一种城市快速路入口匝道控制方法，其特征在于：当EL小于激活阈值ENOS或ENHS时，采用局部控制；当EL大于激活阈值ENOS或ENHS时，采用协调控制；其中，EL为根据入口匝道占有率和入口匝道排队长度划分主、从匝道的函数，用于在城市快速路出现瓶颈时，确定需要协调控制匝道的位置和数量，其表达式为：EL=EL1=EN+EO+A(k-1)=Nj(k)Njmax+Pj(k)P^j(k)+A(k-1)EL2=Σu=0uNj+u(k)Σu=0uΣj+umax+A(k-1)---(1)]]>其中：EN为匝道j的相对排队长度，EO为入口匝道j下游的占有率与临界占有率的比值，A(k‑1)为修正参数，其值主要受上一周期匝道滞留车辆的影响，为EN、EO和A(k‑1)三者的数值之和；为匝道j+u当前排队长度之和与最大排队长度之和的比值；设ENOS为激活阈值，ENHS为激活阈值，当时，匝道j其上游相邻匝道为从匝道，匝道i为主匝道；当时，匝道j+u其上游相邻匝道为从匝道，匝道j+u为主匝道；其中，引入修正参数A(k‑1)，扩大激活阈值范围，从而增加匝道控制子区的范围；匝道j,j+u等满足式(1)构成主匝道，设匝道j,j+u它们之间匝道未满足式(1)，它们之间为从匝道，主匝道及其相邻上游从匝道构成一个协调匝道组；所述控制方法的具体计算步骤如下：Step1.首先，通过ESN确定入口匝道的动态临界占有率然后，计算匝道局部调节率R(j,k)，其计算方法为：q^jr(k)=q^jr(k-1)+K[P^j(k)-Pj(k)]---(2)]]>qjw(k)=1T[Njmax-Nj(k)]+djpred(k-1)---(3)]]>R(j,k)=max{q^jr(k),qjw(k)}---(4)]]>式中：R(j,k)为匝道i的最终局部调节量；为第kc控制周期内入口匝道允许通过的最大调节交通量；为匝道j第k控制周期内，匝道j采用最大排队控制的调节量；Nj(k)为第k控制周期内，匝道j的排队长度预测值，为匝道j允许的最大排队长度；是第k控制周期匝道j下游动态临界占有率；Pj(k)为第kc控制周期内，匝道j下游的实测占有率；Step2.协调控制首先判断发生交通瓶颈的位置，然后，通过计算匝道最终调节率Rend调节城市快速路主线的交通流，缓解交通瓶颈，计算方法如下：Step2.1.确定交通瓶颈若路段i下游占有率P(i,k‑1)超过阈值Pc(i)或匝道排队长度Nj(k)超过匝道排队最大长度出现交通瓶颈，即P(i,k‑1)≥Pc(i)     (5)Nj(k)≥Njmax---(6)]]>Qup(i,k‑1)+Qon(i,k‑1)≥Qoff(i,k‑1)+Qdown(i,k‑1)    (7)式中，P(i,k‑1)为周期k‑1内路段i的下游占有率；Pc(i)为路段i下游占有率阈值；Qup(i,k‑1)，Qdown(i,k‑1)分别为周期k‑1内路段i的上、下游流进交通量；Qon(i,k‑1)、Qoff(i,k‑1)分别为周期k‑1路段i内的入、出口匝道流出交通量；Step2.2.计算协调调节率针对瓶颈路段i，计算其相邻上游入口匝道调节率的降低总量，并按照经验权重将降低总量分配至相邻入口匝道；权重系数根据上游入口匝道到路段i的距离设定；由于各瓶颈路段的影响区域可能发生重叠，导致入口匝道i常会处于多个相邻瓶颈路段的影响区域中；因此，需要选取瓶颈路段i的入口匝道流量降低值中的最大值，作为各个匝道的协调调节率，即Qreduction(i,k)＝[Qup(i,k‑1)+Qon(i,k‑1)]‑[Qoff(i,k‑1)+Qdown(i,k‑1)]     (8)Rreduction(j,i,k)=Qreduction(i,k)WjiΣj=1uWji---(9)]]>r(j,k)＝Qon(j,k‑1)‑maxi[Rreduction(j,i,k)]      (10)式中，Qreduction(i,k)为周期k内路段i上游关联入口匝道流入的降低流量；Rreduction(j,i,k)为周期k内路段i上游关联入口匝道j流入的降低流量；u为需要协调的匝道数；Wji为路段i上游关联入口匝道j的权重系数；Qon(j,k‑1)为周期k‑1内匝道j的实际流入量；r(j,k)为周期内匝道j的协调调节率；通过设计的函数EL，确定需要协调控制入口匝道的位置与数量，将确定的u值带入到式(9)中，计算出周期k内路段i上游关联入口匝道j流入的降低流量Rreduction(j,i,k)；再将式(9)代入到式(10)中，计算出协调匝道调节率r(j,k)；Step3.计算出匝道最终调节率Rend，其具体算法如下：将局部层面和协调层面上匝道j的调节率R(j,k)和r(j,k)进行比较，取最小值作为匝道j的最终调节率Rend，即Rend＝min[R(j,k),r(j,k)]     (11)。