高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法技术

本发明专利技术公开了高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，包括以下步骤：获取高速公路、收费站、入口匝道和交通事故的静态和实时动态数据；根据交通事故场景、主线与入口匝道交通状态，判定是否满足协同控制的实施条件；满足条件下，实施高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制；判定是否满足结束控制条件；满足条件下结束控制，否则下发可变限速控制方案和入口收费站控制方案。本发明专利技术根据事故瓶颈区域的交通状态，周期性调整主线路段限速值和入口收费站控制方案，最大限度地缓解事故引发的交通拥堵状况，为高速公路交通事故下的主线与匝道车辆控制提供了新方法。法。法。

【技术实现步骤摘要】
高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法


[0001]本专利技术涉及高速公路管控
，特别涉及高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法。

技术介绍

[0002]高速公路网络是交通网络的重要组成部分，具有连通性强、交通便捷的特点，在综合交通规划与建设中具有重要地位。社会经济的飞速发展以及人们出行需求的逐渐增加，都促进了高速公路的快速发展。但是，高速公路快速发展的同时，交通拥堵问题接踵而至。在高速公路高交通需求、大交通流量的条件下，瓶颈区域交通拥堵逐渐形成常态。而交通事故的突发，会使得原本就处于高需求状态下的高速公路变得更难以满足出行需求，甚至可能出现多路段拥堵重叠而造成大面积、长时间的交通瘫痪。因此，在高速公路主线交通事故背景下，寻求最佳的交通管理控制方法以缓解高速公路交通拥堵，是高速公路管理与控制中亟待解决的问题。
[0003]针对高速公路主线交通事故的管控研究，首先需要分析事故瓶颈区域拥堵形成的机理，从而构建最优的控制方法。由于上游的高速公路交通需求很大，使得到达事故瓶颈区域内的车辆众多，而事故瓶颈的消散能力却低于上游车辆的交通需求，使得事故瓶颈区域产生排队，并且队列末尾向事故上游传播。如果主线的车流量不断增加，事故瓶颈区域的拥堵将会传播到事故上游路段，影响主线和入口匝道的交通状况，严重时甚至可能造成大面积的交通瘫痪。很多国内外学者在高速公路可变限速控制(Yu M,Fan W.Optimal variable speed limit control at a lane drop bottleneck:Genetic algorithm approach[J].Journal of Computing in Civil Engineering,2018,32(6):1
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17.)、匝道控制(Han Y,Ramezani M,Hegyi A,et al.Hierarchical ramp metering in freeways:An aggregated modeling and control approach[J].Transportation Research Part C:Emerging Technologies,2020,110:1
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19.)、主线与匝道协调控制(Chen X Y,Li T A,Ma Z,et al.Integrated mainline and ramp signal control for expressway on
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ramp bottleneck with unequal lane
‑
setting[J].Journal of Intelligent Transportation Systems,2022,26(1):100
‑
115.)、收费站控制(林培群,梁韫琦.高速公路收费站车道类型设置问题建模与求解[J].交通运输系统工程与信息,2020,20(1):152
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159.)等方面做了很多研究，都取得了一定的研究成果，但仍存在以下的不足：(1)目前高速公路瓶颈区域控制措施主要针对高速公路主线与匝道合流区、车道数减少等固定瓶颈，对于突发的高速公路交通事故等偶发性瓶颈的研究较少；(2)目前匝道控制研究基本都是需要在入口匝道处设置信号控制设备，资金投入大、成本高，不适宜我国高速公路的实际情况；(3)我国高速公路出入口都存在收费站，但通过入口收费站流量控制从而实现匝道流量控制的研究较少，未能充分发挥收费站对高速公路的管控作用；(4)目前主线可变限速与匝道协调控制的研究较多，但匝道控制都是通过设置信号灯进行控制，而不是通过入口收费站实现进入主线的流量控制，主线可变限速控制与入口收费站的协同控制研究较少。

技术实现思路

[0004]为至少解决现有技术中存在的问题之一，本专利技术提供一种高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，根据事故发生位置详细分析不同的交通事故场景，综合考虑高速公路主线和入口收费站的交通效率，建立可变限速与入口收费站协同控制方法，为高速公路主线交通事故管理与控制措施的选择提供建议，对缓解高速公路的拥堵有重要意义。
[0005]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1.获取高速公路、收费站、入口匝道和交通事故的静态和实时动态数据；
[0008]S2.根据事故与上游入口匝道的位置关系，对交通事故场景进行判别；
[0009]S3.根据主线交通流量、入口匝道流量和事故瓶颈通行能力，对主线与入口匝道交通状态进行判别；
[0010]S4.根据交通事故场景、主线与入口匝道交通状态，判定是否满足协同控制的实施条件；
[0011]S5.满足协同控制的实施条件时，实施高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制；
[0012]S6.判定是否满足结束控制条件；
[0013]S7.不满足结束控制条件下，下发可变限速控制方案和入口收费站控制方案，实施主线限速和入口收费站控制。
[0014]进一步地，步骤S1所述静态数据包括高速公路路网结构，匝道及收费站路网结构，高速公路各路段通行能力和限行速度，匝道能容纳的最大车辆数，收费站能容纳的最大车辆数；所述实时动态信息包括交通事故位置信息，事故瓶颈通行能力，高速公路、收费站、入口匝道和事故瓶颈处的交通流量、交通密度和行驶速度，匝道排队长度，收费站排队长度和交通需求。
[0015]进一步地，步骤S2所述交通事故场景判别可根据事故与上游入口匝道的位置关系，对交通事故场景进行判别，分为以下三种场景：
[0016]1)交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区，或合流区下游且与合流区距离特别近，可将事故瓶颈与合流区作为一个综合瓶颈考虑，此场景判别为综合事故场景。
[0017]2)交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区下游，且与合流区距离较近，事故引起的拥堵会逐步蔓延至合流区，导致合流瓶颈触发，此场景判别为匝道下游事故场景。
[0018]3)交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区下游，且与合流区距离较远，事故引起的拥堵不会影响上游入口匝道的交通状况，此场景判别为匝道上游事故场景。
[0019]进一步地，步骤S3所述主线与入口匝道交通状态判别可根据主线交通流量、入口匝道流量和事故瓶颈通行能力，对主线与入口匝道交通状态进行判别，分为以下三种状态：
[0020]1)事故上游主线的交通流量与入口匝道流量之和小于事故瓶颈通行能力，不会发生事故拥堵；
[0021]2)事故上游主线的交通流量与入口匝道流量之和大于事故瓶颈通行能力，且事故上游主线的交通流量小于事故瓶颈通行能力时，事故瓶颈区域可能会因为入口匝道汇入主
线的车流量较大而产生交通拥堵；
[0022]3)事故上游主线的交通流量与入口匝道流量之和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.获取高速公路、收费站、入口匝道和交通事故的静态和实时动态数据；S2.根据事故与上游入口匝道的位置关系，对交通事故场景进行判别；S3.根据主线交通流量、入口匝道流量和事故瓶颈通行能力，对主线与入口匝道交通状态进行判别；S4.根据交通事故场景、主线与入口匝道交通状态，判定是否满足协同控制的实施条件；S5.满足协同控制的实施条件时，实施高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制；S6.判定是否满足结束控制条件；S7.不满足结束控制条件下，下发可变限速控制方案和入口收费站控制方案，实施主线限速和入口收费站控制。2.根据权利要求1所述的高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，其特征在于，步骤S1所述静态数据包括高速公路路网结构，匝道及收费站路网结构，高速公路各路段通行能力和限行速度，匝道能容纳的最大车辆数，收费站能容纳的最大车辆数；所述实时动态信息包括交通事故位置信息，事故瓶颈通行能力，高速公路、收费站、入口匝道和事故瓶颈处的交通流量、交通密度和行驶速度，匝道排队长度，收费站排队长度和交通需求。3.根据权利要求1所述的高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，其特征在于，步骤S2中，根据事故与上游入口匝道的位置关系，对交通事故场景进行判别，分为以下三种场景：1)交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区，或合流区下游且与合流区距离特别近，将事故瓶颈与合流区作为一个综合瓶颈考虑，将此场景判别为综合事故场景；2)交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区下游，且与合流区距离较近，事故引起的拥堵会逐步蔓延至合流区，导致合流瓶颈触发，将此场景判别为匝道下游事故场景；3)交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区下游，且与合流区距离较远，事故引起的拥堵不会影响上游入口匝道的交通状况，将此场景判别为匝道上游事故场景。4.根据权利要求1所述的高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，其特征在于，步骤S3中，根据主线交通流量、入口匝道流量和事故瓶颈通行能力，对主线与入口匝道交通状态进行判别，包括以下三种状态：1)事故上游主线的交通流量与入口匝道流量之和小于事故瓶颈通行能力，不会发生事故拥堵；2)事故上游主线的交通流量与入口匝道流量之和大于事故瓶颈通行能力，且事故上游主线的交通流量小于事故瓶颈通行能力时，事故瓶颈区域可能会因为入口匝道汇入主线的车流量较大而产生交通拥堵；3)事故上游主线的交通流量与入口匝道流量之和高于事故瓶颈通行能力，且事故上游主线的交通流量大于事故瓶颈通行能力时，事故瓶颈区域会产生交通拥堵并逐渐蔓延。5.根据权利要求1所述的高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，
其特征在于，步骤S4所述根据交通事故场景、主线与入口匝道交通状态，判定是否满足协同控制的实施条件，包括以下步骤：1)当交通事故场景为交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区，或合流区下游且与合流区距离特别近，将事故瓶颈与合流区作为一个综合瓶颈考虑，或交通事故发生位置位于主线与入口匝道的合流区下游，且与合流区距离较近，事故引起的拥堵会逐步蔓延至合流区，导致合流瓶颈触发时，且主线与入口匝道交通状态为事故上游主线的交通流量与入口匝道流量之和高于事故瓶颈通行能力并且事故上游主线的交通流量大于事故瓶颈通行能力时，事故瓶颈区域会产生交通拥堵并逐渐蔓延时，满足协同控制的实施条件，实施高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制；2)其他情况下，不满足协同控制的实施条件，返回到步骤S1，继续获取实时动态信息。6.根据权利要求1
‑
5任一所述的高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，其特征在于，步骤S5所述高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制，包括可变限速控制模型和入口收费站控制模型，可变限速控制模型包括VSL核心段位置确定、VSL核心段限速控制以及分级限速控制三个模块，输出VSL区域的可变限速；入口收费站控制模型包括收费站控制率计算模块和收费站通道控制模块，输出收费通道开放数量和栏杆机抬杆频率，从而得到可变限速控制方案和入口收费站控制方案。7.根据权利要求6所述的高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，其特征在于，可变限速控制模型中：确定VSL核心段位置，包括步骤：设事故瓶颈的临界速度为V
cr
，则VSL核心段到事故瓶颈的加速路段数n
+
为：则VSL核心段与事故瓶颈的距离L
+
为：式中，V
min
为路段最低限速值；ΔV为相邻路段限速值之差；L
i
为每段路段的长度；进行VSL核心段限速控制，包括步骤：VSL核心段限速控制速率b(k)为VSL核心段限速值与自由流速度的比值，采用基于反馈的可变限速控制模型进行优化，基于反馈的可变限速控制采用双回路反馈串级控制结构，分为主回路控制和次级回路控制，次级回路利用次级控制器的传递函数计算b(k)的值，主回路控制利用主回路控制器的传递函数对事故瓶颈区域实际占有率与预先设定的占有率进行比较后，将结果实时动态反馈到次级回路控制中，对b(k)进行修正，从而得到最优的VSL核心段限速控制速率b(k)，并计算出最优VSL核心段限速值；采样时间k是离散时间索引，k＝0,1,2...，T为周期步长，在t∈[kT,(k+1)T]时间段内都实施k时刻计算得到的限速值；进行分级限速控制时，分级限速控制是确定分级加速区域和分级减速区域的分级限速值，包括步骤：设路段n为VSL核心段，则路段n的下游至事故瓶颈处为分级加速区域，分级加速区域共有n
+
条加速路段，各路段的限速值是递增的，限速值可根据路段数n
+
、限速值之差ΔV、VSL核心段限速值和事故瓶颈的临界速度V
cr
来确定；路段n的上游为分级减速区域，分级减速区域
共有n
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条减速路段，各路段的限速值是递减的，限速值可根据路段数n
‑
、限速值之差ΔV、VSL核心段限速值和自由流速度来计算。8.根据权利要求6所述的高速公路事故瓶颈下可变限速与入口收费站协同控制方法，其特征在于，入口收费站控制模型中的收费站控制率计算模块的计算步骤包括：进行交通状...

【专利技术属性】
技术研发人员：首艳芳，徐建闽，廖冬梅，
申请(专利权)人：广州通辉交通科技有限责任公司广州现代产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：