城市快速路入口匝道控制方案研究
第28卷第4期
Vol128,No14
西华大学学报(自然科学版)
JournalofXihuaUniversity・NaturalScience
2009年7月
Jul.2009
文章编号:16732159X(2009)0420033205
城市快速路入口匝道控制方案研究
胡兴华,杨继明
1
2
(1.重庆市综合交通运输研究所,重庆400067;2.云南省大理州公安局交通警察支队,云南大理671000)
摘 要:入口匝道控制是缓解城市快速路交通拥挤最有效的方法之一,系统构建快速路入口匝道控制体系是城市发展的必然要求。文章在分析城市快速路入口匝道控制原理及特点的基础上,设计了城市快速路入口匝道控制系统架构,并重点针对控制模块进行了定义和功能分析,采取“快速路主线容量为主,兼顾入口匝道排队长度”的控制策略进行了控制方案设计,并针对实例进行了仿真分析。
关键词:城市快速路;交通流;入口匝道;控制 中图分类号:U491.54
文献标识码:A
StudyontheSchemeofon2rampControlforHUXing2hua,YJi21
2
(1.ChongqingInstituteofTrafficand2.TrafficPoliceDetachmentofDaliBDali671000China)
Abstract:Theon2rampcontrolthewaystorelieveurbanexpresswaytrafficcongestion.Buildingon2rampcontrolsystemisandevelopment.Basedontheanalysisofurbanexpresswayon2rampcontrolprinciplesandthedesigntheurbanexpresswayon2rampcontrolsystemframe.Aimingatcontrolmodule,thefunctionalanalysisonaremade,inwhichacontrolstrategyof"givingprioritytourbanexpresswaymainlinecapacity,tak2ingintoaccounttheRamplengthofthequeue"istakenintotheconsiderationofthedesigncontrolscheme.Finally,simula2tionanalysisisconductedwithanexample.
Keywords:urbanexpressway;trafficflow;on2ramp;control
入口匝道的控制调节在世界的许多国家和地区得到了应用,并取得了较为积极的效果。我国城市快速路运营已经有十几年的历史,部分城市地面道路和快速路之间的矛盾日益突出,但到目前为止还尚未有在城市快速路上成功运用匝道调节控制的例子,其系统建设更为滞后。这与包括交通检测、交通诱导和自动控制等相关技术的发展水平有关,更重要的是目前我国各大城市缺乏对城市快速路匝道控制系统的研究。控制模块作为控制系统的核心,对整个系统构建起着决定性作用。基于此,本文在借鉴国内外的相关研究成果和成功实践经验的基础上,结合国内城市快速路运营的相关经验对城市快速路匝道控制策略与方案进行了较为系统的研究,
并对其进行仿真以判断方案的优化程度。
1 城市快速路入口匝道控制分析
111 城市快速路入口匝道控制原理及特点
城市快速路入口匝道控制是一种在快速路入口匝道设置信号灯,调节由匝道汇入主线的交通流量,
改善快速路交通运行状态的控制手段,其基本原理是通过调节进入快速路的交通量,使快速路的交通需求不超过它本身的容量,从而保证快速路依据某一性能指标运行在最佳状态附近。因此期望进入快速路的车辆在允许之前要在入口匝道处排队等待进入主线,若不想在入口匝道上等待,可选择其它替代
[1]
路线实现交通转移。
快速路入口匝道控制是以牺牲部分入口匝道的
收稿日期:2008211212 作者简介:胡兴华(1981-),男,河北石家庄人,工学硕士,主要研究方向为城市交通系统优化。
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延误以及转移部分交通到其它替代路线上,从而实现快速路的交通运行在最佳状态。因此,在交通需求不超过城市道路系统容量的基础上,采用合理的入口匝道控制策略对改善城市快速路和地面道路的交通状况都有益处。采用合理的控制策略对快速路入口匝道进行控制的积极作用可概括为以下几点:
(1)控制汇入快速路主线的交通流量,缓解入口匝道车流集中汇入对主线运行的影响,使主线避免陷入拥挤状态;
(2)将从入口匝道汇入主线的不均匀交通流调节成均匀交通流,减少或消除快速路入口匝道处主线交通拥挤的发生,保证快速路和城市地面道路之间实现高效的交通转移;
(3)有效降低快速路匝道入口处及周边地区的交通事故率,提高交通安全;
(4)减少城市快速路总的出行时间,提高道路系统的服务水平;
(5)对快速路的容量进行高效利用,改善城市整个交通系统的运行状态。
城市快速路与高速公路都有大容量、高效、和快速等特点,但从设计标准、现出很大的差异下特点:
(1),数目多,匝道间的相互干扰大,匝道间的协调控制难度比高速公路大;
(2)城市快速路匝道周边路网发达,可替代路径多,使得快速匝道控制中严格控制主线流量,采用关闭匝道或者设置静止排队区域等方式强制分流成为可接受的管理方式;
(3)城市快速路匝道与地面交叉口的间距小,排队空间远小于高速公路,在进行匝道调节控制时,车辆在匝道处的排队容易干扰到地面交通的正常运行,制约了匝道调节控制的灵活性;
(4)城市快速路匝道交通流的强制分流有时是
[2]
必要的控制方式。在某些情况下,为保证快速路主线道路功能的正常发挥,必须限制入口匝道流量。当匝道交通需求大于调节率时,车辆在匝道处的排队容易干扰到地面交通的正常运行,此时有必要对车流进行分流管理。112 城市快速路入口匝道控制的条件及存在的问题分析
城市快速路入口匝道控制所获得的运行效率是
以加剧其它替代道路交通问题为代价获得的,在前者获得的利益大于后者的代价时,快速路入口匝道的控制才是值得的。因此实施快速路入口匝道控制应该满足以下的条件:
(1)通道上有可供使用的容量(有可替代的路径或存在多种运输方式),即替代路径上不仅能容纳原有的正常交通量,也能容纳从快速路上转移过来的交通量;
(2)入口匝道上应有足够的停车空间或有强制的分流措施,使在实施入口匝道控制时匝道上的排队车辆不致延伸到相邻的地面道路上,影响地面道路的交通运行。
目前我国大多数快速路长时间处于高需求的状态,加上有限的匝道排队空间,使人们对快速路入口匝道控制后对地面道路的干扰有所顾虑。主要的顾虑有以下几点:
(1)我国许多城,快速路对用,而快速路入口匝道紧邻,车辆的排队空间小,如果实,排队溢出车辆很容易对邻近道路或交叉口造成影响。
排队溢出问题可以通过引导车辆使用地面道路或进行强制分流来避免排队车辆对相邻道路的干扰。在地面道路无额外容量时可以实施非限制性调节,使匝道调节率大于车流到达率,以此来达到降低
[3]
排队长度的目的。
(2)实施匝道控制后交通转移问题。我国城市快速路和地面道路在高峰时段都处于饱和或较饱和的运行状态,如果实施匝道控制使部分车辆分流到地面道路上,改善了快速路的同时也加剧了地面道
[3]
路交通的恶化。
在实施匝道控制调节后,改善了快速路交通运行状态的同时也提高了服务能力,所以从总体上看也有利于降低地面道路的负荷,同样起到了改善地面交通的效果,因此这方面的顾虑是多余的。
2 城市快速路入口匝道控制系统架构
设计
城市快速路匝道间的距离短,与地面道路组成紧密联系的道路网。绝大部分入口匝道都有替代路径,采取匝道调节或关闭等控制措施将交通流分流到地面道路是一种可行的策略。针对城市快速路入口匝道有替代路径这一特点,对城市快速路入口匝
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道控制系统组成及主体控制流程进行研究。城市快速路入口匝道控制系统结构是快速路入
口匝道控制系统结构的一种规格说明,它决定系统如何构成,确定系统的功能模块及允许模块间进行
[4]
通信和协调的协议和接口。
城市快速路入口匝道控制系统由信息采集模块、信息处理模块、通信网络、交通流预测模块、控制模块、执行控制模块和信息发布模块六大功能单元组成。系统构成如图1所示
。
路径一般包含一段地面道路,在对城市快速路入口匝道进行调节控制时,如果只考虑快速路主线交通运行状况,则在高峰时段可能会导致局部地面交通
[6]
严重恶化。因此本系统控制模块设计采用“以快速路主线容量为主,兼顾入口匝道排队长度”的控制策略。详细描述为:通过对下游占有率的实时测量来估计匝道下游的剩余容量,再根据下游占有率变化情况和排队长度来适当增加或减小调节率。调节率计算公式如下:
r(k-1)+K(Oc-Oc)K1 Oc≥Ok
(1)r(k)()()rk-1+KOc-OcK2 Oc
式中:
T
r(k)=[r1(k),r2(k)],K1=[arctan(Q1(k)-r1(k-1)),arctan(Q2(k)-r2(k-1)],
T
图1 城市快速路入口匝道控制系统结构
””,
[5]
。通过系,有效预防常发性交通拥挤的发生。系统的主要功能如下:
(1)准确及时采集交通流、交通环境及交通运行状态的各种信息,并对采集的各种信息进行处理;
(2)根据检测到的各种交通信息(包括交通事件信息),快速生成入口匝道的优化控制方案并立即执行;
(3)通过使用可变情报板、可变图形显示和路侧广播等媒介及时、准确向用户提供动态交通信息,方便用户出行。
ππ
-arctan(Q1(k-r1(k-1)),-22
arctan(Q2)-r2(-1,为参数值,Q1(k)为k,Q2(k)为第,Oc为下游占有kk时段匝道下游的占有率值,r1为,r2为第二个入口匝道调节
K2=[
率。
根据以上的控制策略和调节率计算模型,本文设计的城市快速路入口匝道控制系统的控制流程如图2所示。
3 城市快速路入口匝道控制方案设计
311 控制模块功能定义
图2 城市快速路入口匝道控制流程
控制模块是城市快速路入口匝道控制系统的核心模块。控制模块功能的正常发挥直接关系到整个系统的控制效果及稳定性。控制模块的主要功能是按系统预定的控制策略和控制流程计算各入口匝道的调节率,并根据计算得到的调节率和预定的信号灯设计方法设计出信号灯控制方案。
312 控制策略、调节率算法模型及调节流程设计
313 信号灯控制方案设计
通过调节率模型计算得到的调节率是指单位时
段内通过调节允许进入主线的车辆数。如果调节时段时长为T秒时,调节率的单位为辆/T秒。计算得到调节率后将其转化成单位为辆/小时的形式。设转化后的调节率为r。
(1)如果调节率r小于900辆/小时,则采用单车队单车进入,一组信号灯,每次放行一辆车的调节方式进行调节。信号灯周期时长通过以下式子计算:
在城市快速路交通系统中,快速路用户的出行
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Cr
(秒/辆)(2)红灯时间为:-3)秒r
信号配时方案为:
周期为:秒
r
4 实例分析
在对城市快速路入口匝道交通流特性、匝道短期交通流预测和匝道控制策略及控制系统设计的基础上,用vissim软件对匝道控制系统进行仿真试验,以检验控制策略及控制系统的可操作性和准确性。
选择上海南北高架东线延东入口匝道和威海入口匝道作为仿真对象,延东入口和威海入口之间的距离为432m,两个匝道上游主线单向有两个车道,两个匝道间和下游主线单向有四个车道,车道宽度为3175m。
为了能更好地检验本文提出的控制策略及调节算法的可靠性和稳定性,分别对延东入口匝道和威时调节控制策略仿真,、主线延、匝道延误等评价。
绿灯时间为:2秒
黄灯时间为:1秒
红灯时间为:-3)秒
r
(2)如果调节率r大于900辆/小时,则采用车
队多列式进入,多组信号灯,每组信号灯每次放行一辆的调节方式。放行时间交替进行。各组信号灯的周期时长相等,其计算公式如下:
(3)C=nr
式中,n为调节车队列数,n值的确定以每列车
队调节车辆不大于900辆/小时为依据。
信号配时方案为:
周期为:
秒r
绿灯时间为:2秒黄灯时间为:1秒
指 标定时控制动态控制
行程时间(s)
73.66.74
(54.60.95
(km/h)
49.6151.29
下游车速(km/h)
48.0249.02
车均延误(s)
4.402.30
停车延误(s)
0.000.00
停车次数(次)
0.000.00
表2 延东入口匝道评价指标对比分析表
指 标定时控制
动态控制
行程时间(s)
30.1948.89
平均排队长度(m)
0.304.72
最大排队长度(m)
15.9315.63
车均延误(s)
4.476.80
停车延误(s)
0.070.10
停车次数(次)
0.040.18
表3 威海入口匝道评价指标对比分析表
指 标定时控制
动态控制
行程时间(s)
26.9150.22
平均排队长度(m)
0.275.07
最大排队长度(m)
8.7314.30
车均延误(s)
5.029.78
停车延误(s)
0.080.69
停车次数(次)
0.070.48
从以上仿真统计结果中可以看出,采用本文提出的动态控制方法时,主线行程时间短,匝道上游、匝道之间和匝道下游地点车速均大于定时控制方法,主线交通运行状态明显好于定时控制方法,达到了改善主线交通流运行状态的目的。两个入口匝道的行程时间、匝道排队长度和匝道延误都略大于定时控制方法,但匝道排队长度和延误均处于可接受的范围之内,不会造成周边路网交通恶化,因此控制方法有效。通过上述的分析表明,本文建立的动态调节率计算模型能够根据匝道交通需求和当前调节率的差值大小来实时调节下一时段的调节率,控制
效果明显优于定时控制方法,具有一定的应用价值。
5 结束语
本文结合城市快速路两个近距离入口匝道的交通流特性及短期交通流预测研究,提出一种以主线为主,兼顾匝道交通需求增减量大小的入口匝道控制策略,并根据控制策略对两个近距离入口匝道的协调控制系统的框架、控制流程及控制模块功能进行了设计。虽然本文对处理城市快速路局部入口匝道的交通控制问题提供了一些新的思路和方法,但实际情况是城市快速路入口匝道控制系统由多个匝道构成的多匝道协调控制,而本文仅针对两个近距
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离的入口匝道的协调控制进行研究,研究成果的应用受到一定程度的限制。对于城市快速路匝道控制
系统的协调控制问题将是今后的研究重点。
参 考 文 献
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(编校:张安林)
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人辨识后,主控计算机根据场上信息决定机器人动
作。通信系统将动作号发送给机器人,如图11所示
。
成相应动作。需要注意的是类人机器人用双脚行走易摔倒,机器人在比赛中必须能自动站立否则将成为比赛障碍直接影响比赛。所以在下位机的程序中必须实现机器人自动站立,下位机流程图如图12所示。
[5]
3 结论
图11
控制系统上位机流程图
。FIRA机器人足球世界杯中出色地,获得亚军。实验和比赛结果证明了该设计方法是可行的。由于两足机器人行走时不稳定所带来的视觉系统识别和定位不精确等问题,仍有待改进。开发出高效、稳定的控制系统,实现机器人像人一样踢球是所有机器人爱好者的梦想,也是足球机器人系统的发展趋势。
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图12 控制系统下位机流程图
下位机软件设计采用Robo2Basic语言,下位机
根据所接受动作号设定16个电机的转速和角度完
版社,2003.
(编校:夏书林)