基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法，该控制方法以多出入口匝道、主线、与其它高速交汇的互通立交桥、能见度检测设备、广域雷达、视频采集等组成的一条高速公路系统为应用对象，依据高速公路的技术特点，建立各路段雾天CAM，确定各路段不同能见度下的最大限速值和最大容许流量，在具体实施时依据气象和交通流检测感知系统所采集的信息，确定各路段最大限速值和各入口匝道最佳放车量，使高速公路保证交通安全的前提下，实施精细化融合管控措施，满足准全天候高速公路通行的要求，提高高速公路车流量、减少不必要的匝道排队时间。要的匝道排队时间。要的匝道排队时间。

【技术实现步骤摘要】
基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法


[0001]本专利技术涉及交通管理控制
，特别涉及一种基于元胞自动机模型的雾天高速公路主线和匝道融合智能协调控制方法。

技术介绍

[0002]雾天能见度较低极易造成交通事故，特别是速度较快的高速公路。传统上，高速公路管理部门在低能见度天气下采取各种措施，如能见度低于30m时关闭高速等方式来进行交通管制；但这种交通管控措施是粗线条的，存在以下问题：一是较多采用限速、封路等手段，部分将流量限制(分流引导)加入；二是虽然这些措施大体合理，但无法依据各路段几何线形、交通流特性、大数据样本，采用雾天交通流模型确定出更加精细化的工程技术标准进行智能化管控；三是分段协调控制较少，且采用同一标准的路段距离较长。
[0003]由于高速公路雾天时不同路段的能见度可能存在差别，使得采用相同的管理控制措施不能达到预想的目的，采用不同的管控措施又涉及到各个路段的协调问题。从安全角度，高速公路管理部门采用相对保守的控制措施，过大范围的高速封闭或过低的限速和流量限制等，在能见度稍大时，使高速公路交通量不必要的减少，大容量优势不能充分发挥；过低的限速使得车辆在高速行驶时间加长，增加了事故发生的风险；不必要的封路或过低的限流，使很多车辆在入口匝道长时间排队等待或转移到低级别道路上，造成这些本来已经拥挤的道路更加拥堵，事故率加大；另外，高速公路流量降低使得收费收入也大幅度下降，造成高速公路运营企业不必要的经济损失，以上这些在雾持续时间较长如2小时以上甚至6小时、10小时时尤为突出。因此，针对不同路段不同的能见度，采用不同的精细化融合管控措施，在保证交通安全前提下，实施准全天候高速公路通行，最大限度的提高其实际通行能力，已成为政府相关部门、高速公路管理部门和出行者迫切需要解决的技术问题之一。
[0004]现有关于雾天高速公路通行的研究技术主要分以下三个方面。
[0005]1)雾天高速公路最佳速度限制值或最优速度诱导方面
[0006]李长城(李长城.不良天气下的高速公路交通流特性及引导控制研究[D].北京：北京工业大学，2015.)提出一种不良天气下适合限速值的两步确定方法，首先确定气象与交通、道路因素下自由流速度，基于观测资料和通行能力速度-流量曲线，通过插值法确定新的速度-流量曲线，再通过查表确定特定流量下速度，作为实时推荐限速值；在此基础上提出跨区域跨部门路网协同联动机制，但不涉及具体控制模型与优化计算。王敏(王敏.高速公路常态性雾区行车智能诱导策略研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.)分析高速公路雾区车辆运行与事故特征，以交通流理论为基础建立高速公路雾区速度、车距控制自适应神经网络模型，得到雾区行车智能诱导策略。张存保等(张存保，吕昌平，张珊，等.面向智能网联汽车的雾天环境下高速公路安全车速引导系统和方法:中国,106251666[P].2016-12-21.)提供一种面向智能网联汽车的雾天环境下高速公路安全车速引导系统，通过广域无线通信技术实现路侧设备和车载设备交互，将取得的实时能见度和本车状态信息发送给路侧设备，通过相关模块计算得到最佳车速。上述这种采用速度限制和速度诱导的方法存在的
不足是：仅限于车辆主线速度的控制和诱导，不涉及入口匝道流量控制，也不涉及由多路段不同道路几何线形组成的高速公路在不同能见度下控制策略的协调问题。
[0007]2)雾天高速公路速度限制和流量控制一体化协调研究方面
[0008]龚玲艳等(龚玲艳，王可可，毛学军，等.雾天环境下高速公路交通控制方法[J].交通科学与工程，2017，31(1)：85-90.)在交通流模型METANET基础上建立改进雾天高速公路交通流模型，构建以主线运行效率、匝道排队长度约束及行车安全性三者协调为目标的高速公路主线与匝道协调预测控制模型；其不足是不涉及“多路段不同道路几何线形及不同能见度”问题，由于采用宏观交通流模型，对于具体路段微观交通流行为无法映射，预测控制需建立在精确预测基础上，因此具有一定的局限性。徐锨锨等(徐锨锨，刘攀，王炜等.一种雾天状态下减少交通事故的车辆调控方法:中国,103198712[P].2013-07-10.)提出一种雾天减少交通事故的车辆调控方法，在获取事故路段信息、采集雾天下的事故样本基础上，建立初始雾天状况下的交通事故判别函数，依据该函数值判别是否出现交通事故，并进行速度限制和匝道调节；不足是仅适用于雾天出现事故后的控制问题，不适用于事故前控制。
[0009]3)基于元胞自动机模型(cellular automaton model,CAM)的雾天高速公路管理控制
[0010]庞明宝和郑莎莎(Pang Ming-bao,Zheng Sha-sha,Cai Zhang-hui.Simulation of three lanes one-way freeway in low visibility weather by possible traffic accidents[J].PhysicaA,2015,433:161-170；郑莎莎.基于CAM的雾雨天气下高速公路控制信号施加策略研究[D].天津：河北工业大学，2015.10.)考虑到CAM在“克服跟驶模型局限性、描述交通流的非线性行为”等方面的优势，结合高速公路交通流和雾天驾驶员心理行为特性分析，建立雾天可能发生事故的一段1km的单向三车道直线高速公路CAM，以能见度为主要参数，通过调整交通需求(上游主线流量)和可变速度限制(Variable Speed Limits,VSL)值进行实验，得到协调控制信号施加策略。不足是研究对象仅限于一段1km的直线高速公路，未考虑到弯道、山区上下纵坡等高速路段、未考虑到单向2车道和4车道等情况；上游主线流量作为该路段的控制变量不符合实际(实际上只能通过上游单个或多个入口匝道才能调节控制变量)，不涉及多入口匝道间协调问题，不涉及不同路段即使2个入口匝道间的不同路段间的协调问题。

技术实现思路

[0011]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种基于元胞自动机模型的雾天高速公路主线和匝道融合智能协调控制方法，在保证交通安全的基础上，实现准全天候高速公路通行，最大限度的提高高速公路的实际通行能力。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案如下。
[0013]基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法，主要包括以下步骤：
[0014]A.建立本高速公路基础信息数据库；
[0015]B.建立不同能见度下的雾天管控样本库；
[0016]C.对高速公路进行路段划分，建立每一路段的管控知识库，所述管理控制知识库中包含雾天不同能见度下主线的最大容许流量Q
max
和速度限制上限v
max
；
[0017]D.对本高速公路未来几天即将出现的雾天能见度进行预测，制定管控预案，并提
前发布交通诱导信息；
[0018]E.对高速公路具体出现的雾天，确定各路段速度限制上限v
max...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：A.建立本高速公路基础信息数据库；B.建立不同能见度下的雾天管控样本库；C.对高速公路进行路段划分，建立每一路段的管控知识库，所述管理控制知识库中包含雾天不同能见度下主线的最大容许流量Q
max
和速度限制上限v
max
；D.对本高速公路未来几天即将出现的雾天能见度进行预测，制定管控预案，并提前发布交通诱导信息；E.对高速公路具体出现的雾天，确定各路段速度限制上限v
max
和各入口匝道的实际放车量r，并进行在线实时控制；F.形成新的雾天管控样本，返回步骤B和C，修正雾天管控样本库和相应路段的管控知识库。2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法，其特征在于，步骤A中所述的基础信息数据库中包含道路几何线形在内的GIS信息、交通流历史数据库、气象数据库以及信息采集装置实时采集的环境气象信息和道路交通状态信息。3.根据权利要求1所述的基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法，其特征在于，步骤C中对高速公路进行路段划分的具体方法为：将高速公路划分为若干子系统，若两个相邻上下游入口匝道间高速公路不含与其它高速交汇的互通立交桥，划分为一个子系统，若两个相邻上下游入口匝道间高速公路包含与其它高速交汇的互通立交桥，则以与其它高速交汇的互通立交桥为分界点，划分为两个子系统；最后将每个子系统依据道路几何线形，划分为若干路段。4.根据权利要求3述的基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法，其特征在于，步骤C中所述的管控知识库的建立方法为：C1.根据路段车道数、几何线形，建立该路段的交通流CAM模型；C2.对该路段通过仿真实验、驾驶模拟实验以及实际统计数据进行比较分析，对交通流CAM模型进行校验，并修正模型中的相关参数；C3.采用修正后的交通流CAM模型，通过实验确定该路段不同能见度下的最大容许流量Q
max
和速度限制上限v
max
；然后输入该路段各能见度下不同的上游流量和不同限速值进行模型仿真，得到不同条件下的道路流量和事故概率，综合分析评价，得到该路段各能见度下能保证安全通行前提下的最佳Q
max
和v
max
；C4.遍历该路段的各能见度，形成该路段的管控知识库。5.根据权利要求4述的基于元胞自动机模型的雾天高速公路协调控制方法，其特征在于，步骤C1的建模方法为：C11.路段元胞划分路段每个车道长度L米被分为若干个元胞；元胞i为空或者由速度是v的车辆据有，定义v
max
表示车辆在道路上所允许的最大速度值，v
max1
和v
max2
分别表示小车和大车的最大速度值；第一辆车标记为1，其后的车分别被标记为2,3,
…
,i；x(i,t)与v(i,t)分别表示第i辆车在时间t的位置和速度；d(i,t)为第i辆车在第t时刻与第i-1辆车间空的元胞数；其中d(i,t)
front
是第i辆车在
第t时刻与旁车道上的前车间的空元胞数；d(i,t)
back
是第i辆车在第t时刻与旁车道上的后车之间的空元胞数，a1加速度，a2减速度，p1为路段换道概率，p随机慢化概率最小安全距S
safe
由安全距离S0、司机反应时间T0内的行驶距离S1和制动距离S2三部分组成；C12.制定车辆行驶基本规则；C13.制定雾天行驶规则；C14.制定追尾判断规则；C15.制定纵坡...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯凤江，程新平，刘会杨，木立生，牛蕾，蔡保海，郝宁，朱青彬，董广玉，张丹，王俊松，
申请(专利权)人：河北上元智能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：