專利名稱：一種道路自適應(yīng)入口匝道匯入控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種道路自適應(yīng)入口匝道匯入控制設(shè)備，用于調(diào)節(jié)高 速公路或者城市快速道路的入口匝道匯入流量，或者具有相似交通特點(diǎn)的 支線道路交通控制，屬于智能交通控制技術(shù)領(lǐng)域和自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活質(zhì)量的提高，出行的代步工具汽 車大幅增加，地面交通需求大大增加，為了緩解交通壓力，城市快速道路 應(yīng)運(yùn)而生，它可以實(shí)現(xiàn)大流量、快速的、長(zhǎng)距離的交通量流動(dòng)，改善城市 市區(qū)的交通擁擠問(wèn)題。但是，目前國(guó)內(nèi)大中城市不僅是市區(qū)道路而且快速 道路交通也已經(jīng)相當(dāng)擁擠，通過(guò)增加設(shè)施量來(lái)緩解中心區(qū)交通矛盾的空間 已經(jīng)很小。因此，各大中城市都在尋求城市交通問(wèn)題的解決之道，針對(duì)城 市中心區(qū)道路路網(wǎng)密度大的特點(diǎn)，采用交通控制來(lái)緩解城市中心交通壓力 是其中有效的解決方案之一。高速公路或城市快速路交通控制的最主要手 段就是入口匝道控制，入口匝道控制可以控制進(jìn)入快速道路的交通量，可 以使整個(gè)路網(wǎng)上的交通流量分布合理，充分利用其通行能力。
國(guó)外關(guān)于入口匝道控制的理論在上世紀(jì)60年代己開始著手研究，相 關(guān)理論己經(jīng)相對(duì)成熟，提出了多種匝道控制算法(如定時(shí)控制、需求-容量 差額控制、占有率控制、ALINEA控制算法等)，美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、英 國(guó)、荷蘭等國(guó)都已有成功應(yīng)用。法國(guó)巴黎在A6w上采用ALINEA控制算 法，將算法形式從調(diào)節(jié)率轉(zhuǎn)換為綠燈時(shí)長(zhǎng)，并固定周期為40秒鐘；英國(guó) M6采用ALINEA算法，并結(jié)合了相鄰地面路口的信號(hào)來(lái)控制排隊(duì)；德國(guó) 慕尼黑A94對(duì)ALINEA進(jìn)行改進(jìn)，采用動(dòng)態(tài)預(yù)估關(guān)鍵占有率值的方法。這 些控制方法雖然取得了良好的控制效果，但是對(duì)于我國(guó)城市快速路入口距道大流量的斷續(xù)交通流來(lái)說(shuō)，存在著一定的局限性在信號(hào)配時(shí)方案上國(guó) 外一般采用一車一綠、兩車一綠的方法，這樣可以最大程度上減小對(duì)主線 的沖擊，但是大大增加了車輛停車次數(shù)，而且采用這種方法即使飽和流量
也無(wú)法滿足我國(guó)城市快速路入口匝道的交通需求；我國(guó)的地面道路、快速
道路、高速公路分別屬于不同的道路系統(tǒng)，目前還不可能把地面路口信號(hào)
信息接入快速路或高速公路監(jiān)控系統(tǒng)；A94改進(jìn)后的ALINEA算法中動(dòng)態(tài) 預(yù)估只考慮主線狀態(tài)，忽略了匝道的狀態(tài)；基本ALINEA算法對(duì)交通量突 變的情況處理不夠理想；此外，國(guó)外的入口匝道控制一般只控制匝道匯入 處的信號(hào)燈，而國(guó)內(nèi)只簡(jiǎn)單地控制匝道入口處的車道燈或者只監(jiān)視不控 制；國(guó)內(nèi)專利《一種入口匝道與主干道匯合處的信號(hào)控制方法》提出了一 種入口匝道控制方法，但是該方法立足于減小匝道車輛匯入主線時(shí)的事故 發(fā)生率，給出的信號(hào)為限速信號(hào)，只是起到引導(dǎo)的作用，在國(guó)內(nèi)入口匝道 大流量的情況下局限性較大。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提出一種道路自適應(yīng)入口匝道匯入控制設(shè)備， 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外在入口匝道大流量的斷續(xù)交通流的控制方面的不足和實(shí) 際需要而開發(fā)的，該控制設(shè)備與方法，真有計(jì)算簡(jiǎn)便、可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí) 性好優(yōu)點(diǎn)，控制方法不僅可以用于交通控制，還能用于具有相同物流特點(diǎn) 的工業(yè)控制。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是由設(shè)備布設(shè)、 EXPAlinea控制算法和信號(hào)配時(shí)方案三部分組成，由核心設(shè)備匝道匯入控 制器采集控制范圍內(nèi)交通參數(shù)檢測(cè)器檢測(cè)到的交通參數(shù)，通過(guò)EXPAlinea 算法計(jì)算，自動(dòng)控制匝道匯入信號(hào)燈交替變化達(dá)到控制流量的目的，還可 控制匝道匯入倒計(jì)時(shí)器、匝道口通行燈和情報(bào)板等輔助設(shè)備使得整套設(shè)備 更加人性化。設(shè)備布設(shè)包括匝道匯入控制器、交通參數(shù)檢測(cè)器、匝道匯入信號(hào)燈^ 以及可選設(shè)備匝道匯入倒計(jì)時(shí)器、匝道口通行燈和情報(bào)板。
其工作按下述流程進(jìn)行匝道匯入控制器通過(guò)交通參數(shù)檢測(cè)器采集到
實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)，其控制系統(tǒng)軟件調(diào)用EXPAlinea控制算法模塊，根據(jù) EXPAlinea控制算法模塊返回的結(jié)果所對(duì)應(yīng)的信號(hào)配時(shí)方案，控制本地設(shè) 備包括匝道匯入信號(hào)燈、匝道匯入倒計(jì)時(shí)器(可選)、匝道口通行燈(可 選)及情報(bào)板(可選)。
交通參數(shù)檢測(cè)器的布設(shè)，至少包括對(duì)入口匝道上游主線斷面、下游主 線斷面的流量、速度、占有率的檢測(cè)，以及匝道檢出斷面、檢入斷面(同 時(shí)作為排隊(duì)斷面)和排隊(duì)末端斷面的流量、占有率的檢測(cè)。EXPAlinea控 制算法的計(jì)算和判斷根據(jù)上述各檢測(cè)斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行，先通過(guò)采用動(dòng)態(tài)目 標(biāo)占有率的基本算法得到初步調(diào)節(jié)率，再根據(jù)上一周期的調(diào)節(jié)率進(jìn)行平滑 或根據(jù)主線上下游和匝道情況采用排隊(duì)優(yōu)先策略。信號(hào)配時(shí)是EXPAlinea 控制算法得到的調(diào)節(jié)率的表現(xiàn)形式，以交通信號(hào)燈顯示；同樣的調(diào)節(jié)率值， 匝道排隊(duì)長(zhǎng)度的不同，采用不同的信號(hào)周期和綠信比。
本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型的控制設(shè)備，其EXPAlinea控制 算法通過(guò)平滑處理克服了 ALINEA對(duì)于交通量突變情況處理不夠理想的 缺點(diǎn)；通過(guò)排隊(duì)約束和動(dòng)態(tài)目標(biāo)占有率設(shè)置在一定程度上預(yù)防了匝道排隊(duì) 溢出；通過(guò)動(dòng)態(tài)目標(biāo)占有率設(shè)置和排隊(duì)優(yōu)先策略調(diào)節(jié)了主線與匝道的優(yōu)先 權(quán)重，避免了盲目提高主線優(yōu)先權(quán)而忽視匝道利益的缺點(diǎn)；本實(shí)用新型方 法的信號(hào)配時(shí)方案根據(jù)匝道排隊(duì)、最大停車次數(shù)和最大紅燈忍耐時(shí)長(zhǎng)而得 到，均衡了匝道停車可能帶來(lái)的事故與匝道流量對(duì)主線帶來(lái)的沖擊。本實(shí) 用新型控制設(shè)備與方法在上海市快速道路上實(shí)施應(yīng)用，有效提高了道路服 務(wù)水平，取得了良好的社會(huì)效益，具有廣闊的經(jīng)濟(jì)效益前景。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖l為本實(shí)用新型的控制設(shè)備布設(shè)示意圖2為本實(shí)用新型的控制方法工作過(guò)程示意圖3為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用區(qū)域示意圖4為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果流量對(duì)比圖5為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果速度對(duì)比圖。
具體實(shí)施方式

參照?qǐng)Dl，這是本實(shí)用新型的控制設(shè)備布設(shè)示意圖。
如圖所示，在距入口匝道和主線匯合點(diǎn)一定距離的主線上游布設(shè)交通 參數(shù)檢測(cè)器組1;在距入口匝道和主線匯合點(diǎn)一定距離的主線下游布設(shè)交 通參數(shù)檢測(cè)器組2;在匝道停車線與匯合點(diǎn)之間布設(shè)匝道檢出交通參數(shù)檢 測(cè)器組3;在距匝道口較近的匝道上布設(shè)匝道檢入(同時(shí)作為匝道排隊(duì)) 交通參數(shù)檢測(cè)器組4;在距匝道口一定距離的輔助道路上布設(shè)排隊(duì)末端交 通參數(shù)檢測(cè)器組5;在距入口匝道和主線匯合點(diǎn)一定距離的匝道上劃停車 線標(biāo)線6;在停車線標(biāo)線前方可視范圍內(nèi)設(shè)置匝道匯入信號(hào)燈9和匝道匯 入倒計(jì)時(shí)器IO (可選)；在匝道入口處設(shè)置通行燈11 (可選)和情報(bào)板
12 (可選)。
此外，當(dāng)匝道檢出與匝道檢入斷面之間距離較大，可在匝道上每隔一 段距離布設(shè)一些排隊(duì)交通參數(shù)檢測(cè)器組(可選)。
不同位置的檢測(cè)器組的線纜接入交通參數(shù)檢測(cè)器7 (可為多臺(tái))，由
交通參數(shù)檢測(cè)器以一定的周期統(tǒng)計(jì)各車道的交通參數(shù)(流量、速度、占有
率等)；匝道匯入控制器8以一定的周期從交通參數(shù)檢測(cè)器7讀取交通參 數(shù)、調(diào)用EXPAlinea控制算法得到信號(hào)配時(shí)方案，然后按照信號(hào)配時(shí)方案 控制本地設(shè)備匝道匯入信號(hào)燈9、匝道匯入倒計(jì)時(shí)器10 (可選)、匝道口 通行燈ll (可選)和情報(bào)板12 (可選)。參照?qǐng)D2，這是本實(shí)用新型的控制方法工作過(guò)程示意圖。 如圖所示，匝道匯入控制器通過(guò)交通參數(shù)檢測(cè)器采集到實(shí)時(shí)交通流數(shù) 據(jù)，其控制系統(tǒng)軟件調(diào)用EXPAlinea控制算法模塊，根據(jù)EXPAlinea控制 算法模塊返回的結(jié)果所對(duì)應(yīng)的信號(hào)配時(shí)方案，控制本地設(shè)備包括匝道匯入 信號(hào)燈、匝道匯入倒計(jì)時(shí)器(可選)、匝道口通行燈(可選)及情報(bào)板(可 選)。交通參數(shù)檢測(cè)器的布設(shè)，至少包括對(duì)入口匝道上游主線斷面、下游 主線斷面的流量、速度、占有率的檢測(cè)，以及匝道檢出斷面、檢入斷面(同 時(shí)作為排隊(duì)斷面)和排隊(duì)末端斷面的流量、占有率的檢測(cè)。EXPAlinea控 制算法的計(jì)算和判斷根據(jù)上述各檢測(cè)斷面的數(shù)據(jù)進(jìn)行，先通過(guò)采用動(dòng)態(tài)目 標(biāo)占有率的基本算法得到初步調(diào)節(jié)率，再根據(jù)上一周期的調(diào)節(jié)率進(jìn)行平滑 或根據(jù)主線上下游和匝道情況采用排隊(duì)優(yōu)先策略。信號(hào)配時(shí)是EXPAlinea 控制算法得到的調(diào)節(jié)率的表現(xiàn)形式，以交通信號(hào)燈顯示；同樣的調(diào)節(jié)率值， 匝道排隊(duì)長(zhǎng)度的不同，采用不同的信號(hào)周期和綠信比。 關(guān)于EXPAlinea控制算法
在本實(shí)用新型的方法中，EXPAlinea控制算法以軟件形式植入匝道匯 入控制器內(nèi)，是本實(shí)用新型方法的核心部分。EXPAlinea控制算法可以分 為以下幾個(gè)步驟
(1) ALINEA基本算法 ALINEA算法是在國(guó)外已有成功應(yīng)用的算法，數(shù)學(xué)描述為 K" = K" 1) + & [Ocr — 0。ut —1)]
其中0 是期望的目標(biāo)占有率；0。ut是實(shí)測(cè)到的主線下游占有率；Kr是 反饋增益；r表示匝道調(diào)節(jié)率；(k)、 (k-l)表示第k、 k-l個(gè)計(jì)算周期。0 可由圖1中檢測(cè)斷面2的流量-占有率散點(diǎn)圖的拐點(diǎn)得到(略小于拐點(diǎn)的占 有率值)，對(duì)于特定的匝道該值一般不變；0。ut是檢測(cè)到的該檢測(cè)斷面2 的占有率，實(shí)時(shí)變化。(2) 動(dòng)態(tài)目標(biāo)占有率設(shè)置
將Oe,設(shè)置為根據(jù)匝道排隊(duì)長(zhǎng)度可變，匝道排隊(duì)較長(zhǎng)時(shí)，Oer較大，可 根據(jù)匝道長(zhǎng)度而設(shè)置2個(gè)甚至多個(gè)預(yù)設(shè)目標(biāo)占有率，例如(設(shè)置2個(gè)目標(biāo)
占有率)
《r =化h 當(dāng)m附p — gwewe < gwew^
其中0^是根據(jù)檢測(cè)斷面2的流量-占有率散點(diǎn)圖得到的值；—^"e是 當(dāng)前匝道排隊(duì)數(shù)，,"&的取值考慮地面路口信號(hào)周期對(duì)入口匝道的影響； Ow為大于^的值，應(yīng)用中可取兩者差值為2 10。
(3) 實(shí)測(cè)占有率平滑處理
考慮實(shí)際交通運(yùn)行中，車流的變化不會(huì)在短周期內(nèi)變化太大，在算法
中應(yīng)用平滑的思想對(duì)占有率進(jìn)行一次平滑處理，以保證數(shù)據(jù)和算法分析的
連續(xù)性
O加(*) = q * 0。 , (A; — 1) + (1 — Cl) * 0'。a( W
其中o'。w表示交通參數(shù)檢測(cè)器檢測(cè)到的主線下游占有率(檢測(cè)器組2)， 0。u,為經(jīng)過(guò)平滑以后的主線下游占有率，d為占有率平滑系數(shù)，取0.15 0.35。 將0 和0。 ,值代入步驟(1)中的公式，得到初步的調(diào)節(jié)率。
(4) 排隊(duì)約束
將經(jīng)過(guò)步驟(1) 、 (2) 、 (3)計(jì)算后得到的調(diào)節(jié)率進(jìn)行排隊(duì)約束 調(diào)節(jié)。通常，ALINEA算法不需要設(shè)置最大調(diào)節(jié)率和最小調(diào)節(jié)率。考慮到 駕駛員和乘客排隊(duì)等待的忍耐范圍，應(yīng)設(shè)置最大紅燈時(shí)長(zhǎng)，因而EXPAlinea 設(shè)置了最小調(diào)節(jié)率。針對(duì)城市快速路入口匝道與相鄰地面交叉口之間距離 很近、匝道排隊(duì)空間十分有限的情況，進(jìn)一步根據(jù)匝道排隊(duì)調(diào)節(jié)最小調(diào)節(jié) 率
K" ^ max— 1) — (Zmax -/(*))/7>曲] 調(diào)節(jié)率的最小值考慮預(yù)防出現(xiàn)匝道排隊(duì)溢出。(5)調(diào)節(jié)率平滑處理
將經(jīng)過(guò)步驟(4)排隊(duì)約束后的調(diào)節(jié)率進(jìn)行平滑處理，防止調(diào)節(jié)率的
突變:
<formula>formula see original document page 9</formula>
順 "
式中單位均為pcu/h。其中^為較大調(diào)節(jié)率值，^為較小調(diào)節(jié)率值。上 式意為當(dāng)上一周期調(diào)節(jié)率不小于^時(shí)，本周期調(diào)節(jié)率增幅上限為 ，降 幅上限為 ；當(dāng)上一周期調(diào)節(jié)率不大于 時(shí)，本周期調(diào)節(jié)率增幅上限為 ， 降幅上限為。,。具體的 需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試得到。 (6)排隊(duì)優(yōu)先
將經(jīng)過(guò)步驟(5)調(diào)節(jié)率平滑處理得到的調(diào)節(jié)率采用排隊(duì)優(yōu)先策略。 排隊(duì)優(yōu)先策略主要考慮當(dāng)主線上游流量大幅減小、速度大幅提高、主線下
游仍為擁擠、匝道仍有相當(dāng)排隊(duì)時(shí)的控制策略
當(dāng)
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式中， 分別為實(shí)時(shí)檢測(cè)到的主線上
游速度、占有率、流量和主線下游速度、占有率；
分別為排隊(duì)優(yōu)先策略的主線 上游速度閾值、占有率閾值、流量閾值，匝道排隊(duì)閾值，主線下游速度閾值l、占有率閾值l、速度閾值2、占有率閾值2，預(yù)設(shè)排隊(duì)優(yōu)先調(diào)節(jié)率值 1和預(yù)設(shè)排隊(duì)優(yōu)先調(diào)節(jié)率值2。當(dāng)符合排隊(duì)優(yōu)先的條件時(shí)，控制算法將不 采用由ALINEA計(jì)算得到的調(diào)節(jié)率值，而是直接返回預(yù)設(shè)的排隊(duì)優(yōu)先調(diào)節(jié) 率值。這里預(yù)設(shè)了兩組值，針對(duì)主線下游的不同狀態(tài)。
經(jīng)過(guò)上述(1) ~ (6)步驟后得到的調(diào)節(jié)率即為最終實(shí)施、轉(zhuǎn)換為信號(hào) 配時(shí)方案的調(diào)節(jié)率。
關(guān)于信號(hào)配時(shí)方案
信號(hào)配時(shí)方案是EXPAlinea控制算法的表現(xiàn)形式，可表示為
其中z;W為第k個(gè)周期時(shí)與KW相對(duì)應(yīng)的周期時(shí)長(zhǎng)(單位秒)，^為綠 燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi)可以放行的匝道車輛數(shù)，e"e為匝道排隊(duì)車輛數(shù)，^為允許的最大 停車次數(shù)(一般不變)。按此公式，對(duì)于匝道排隊(duì)的計(jì)算精度要求比較高， 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將匝道排隊(duì)車輛數(shù)分幾個(gè)范圍較為合適。
對(duì)于本實(shí)用新型方法的實(shí)施結(jié)果，說(shuō)明書附圖3和附圖4均有顯示， 在本實(shí)用新型方法的作用下，主線上游各檢測(cè)斷面流量明顯提高、速度明 顯上升，道路服務(wù)水平明顯提高。
權(quán)利要求1、一種道路自適應(yīng)入口匝道匯入控制設(shè)備，用于調(diào)節(jié)高速公路或城市快速道路的入口匝道匯入流量緩解道路擁堵，其特征在于該控制設(shè)備包括匝道匯入控制器，交通參數(shù)檢測(cè)器，匝道匯入信號(hào)燈，匝道匯入倒計(jì)時(shí)器，情報(bào)板，通行燈；所述的交通參數(shù)檢測(cè)器組，在道路主線、入口匝道布設(shè)，在距離入口匝道和主線匯合處一定距離的匝道上劃停車線標(biāo)線；在停車線標(biāo)線前方可視范圍內(nèi)設(shè)置匝道匯入信號(hào)燈和匝道匯入倒計(jì)時(shí)器；在匝道入口處設(shè)置通行燈和情報(bào)板；所述的匝道匯入控制器，以一定的周期從交通參數(shù)檢測(cè)器讀取流量、速度、占有率交通參數(shù)，調(diào)用EXPAlinea控制算法得到信號(hào)配時(shí)方案，然后按照信號(hào)配時(shí)方案控制本地設(shè)備匝道匯入信號(hào)燈、匝道匯入倒計(jì)時(shí)器、匝道口通行燈和情報(bào)板。
2、如權(quán)利要求l所述的一種道路自適應(yīng)入口匝道匯入控制設(shè)備，其特征在于所述的交通參數(shù)檢測(cè)器的布設(shè)，其布設(shè)方式為， 一是在距入口匝道和主線匯合點(diǎn)一定距離的主線上游布設(shè)主線上游交通參數(shù)檢測(cè)器組；二是在距入口匝道和主線匯合點(diǎn)一定距離的主線下游布設(shè)主線下游交通參數(shù)檢測(cè)器組；三是在匝道停車線與匯合點(diǎn)之間布設(shè)匝道檢出交通參數(shù)檢測(cè)器.組；在距匝道口較近的匝道上布設(shè)匝道檢入，同時(shí)作為匝道排隊(duì)，交通參數(shù)檢測(cè)器組；在距匝道口一定距離的輔助道路上布設(shè)排隊(duì)末端交通參數(shù)檢測(cè)器組；在匝道上每隔一段距離還可布設(shè)一些排隊(duì)交通參數(shù)檢測(cè)器組。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種道路自適應(yīng)入口匝道匯入控制設(shè)備，用于調(diào)節(jié)高速公路或城市快速道路的入口匝道匯入流量道路交通控制。核心設(shè)備匝道匯入控制器以一定的周期采集控制范圍內(nèi)交通參數(shù)檢測(cè)器檢測(cè)到的流量、速度、占有率等交通參數(shù)，通過(guò)EXPAlinea算法計(jì)算，匝道匯入信號(hào)燈交替變化達(dá)到控制流量的目的，還可控制匝道匯入倒計(jì)時(shí)器、匝道口通行燈和情報(bào)板等輔助設(shè)備使得整套設(shè)備更加人性化。EXPAlinea算法先采用動(dòng)態(tài)目標(biāo)占有率的基本算法得到初步調(diào)節(jié)率，上一周期的調(diào)節(jié)率進(jìn)行平滑或根據(jù)主線上下游和匝道情況采用排隊(duì)優(yōu)先；信號(hào)配時(shí)是EXPAlinea控制算法得到的調(diào)節(jié)率的表現(xiàn)形式，以交通信號(hào)燈顯示；同樣的調(diào)節(jié)率值，匝道排隊(duì)長(zhǎng)度的不同，采用不同的信號(hào)周期和綠信比。
文檔編號(hào)G08G1/07GK201278215SQ200820150208
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者雷 馮, 駿 單, 朱勇勇, 李會(huì)斌, 鴻 虞, 陸小芳, 華 陳 申請(qǐng)人:上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司