快速道路交通控制系統14.1高速公路的交通特性及存在問題

高速公路定義：4車道以上、雙向分隔行駛、完全控制出入口、全部采用立體交叉的公路。

14.1.1高速公路概述

山區高速公路

平原高速公路

我國交通部“公路工程技術標準”規定，高速公路是指“能適應年平均晝夜小客車交通量為25000輛以上，專供汽車分道高速行駛并全部控制出入的公路”。一般能適應120公里/小時或者更高的速度，要求路線順暢，縱坡平緩，路面有4個以上車道的寬度。中間設置分隔帶，采用瀝青混凝土或水泥混凝土高級路面，為保證行車安全設有齊全的標志、標線、信號及照明裝置；禁止行人和非機動車在路上行走，與其他線路采用立體交叉、行人跨線橋或地道通過。發展趨勢：高速公路的網絡化全國高速公路線路14.1.2高速公路的交通問題高速公路主要存在交通擁擠和交通安全問題。

1.交通擁擠問題交通擁擠，是指交通需求（一定時間內想要通過道路的車輛數）超過道路的交通容量時，超過部分的交通滯留在道路上的交通現象。

交通擁擠

交通擁擠

1.交通需求超過容量（圖15-1）2.不受限制的入口匝道3.出口匝道排隊4.收費站收費交通擁擠的因素

運行因素

幾何因素

1.車道減少2.交織路段短3.道路橫斷面窄4.標志短缺5.視線不良6.互通式立交不合標準

1.事件和交通事故2.不利的氣候條件3.作業區市區高速公路最常見的偶發性問題

常發性交通擁擠偶發性交通擁擠駕駛員的判斷錯誤公路的幾何特征交通量增大車輛故障交通流的相互作用險惡的氣候條件駕駛員不熟悉高速公路駕駛方法2.交通安全問題安全問題安全問題14.1.3解決高速公路交通問題的方法有兩種方案可供選擇：1、新建高速公路或在原有線路上附加支線，但成本很高。2、對高速公路上的交通情況進行控制，成本僅占公路全部投資的5%～10%。高速公路的交通控制，就是對一些主要交通參數，如交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞度以及交通狀況、路面狀況和氣象參數等進行實時觀察和測量，根據交通參數及交通條件的歷史數據或實時采集的數據，按照某種預定的性能準則來調節高速公路上的交通參數，從而使公路自動地保持最佳的運行狀態。

常發性交通問題的控制策略高速公路的交通控制策略偶發性交通問題的控制策略偶發性交通問題控制策略：消除或防止引起事件的原因，管理好事件鄰近地段的交通需求，并使高速公路盡快恢復到正常服務水平。監視系統事件服務系統駕駛員信息系統控制交通需求控制通過幾何改善來提高通行能力管理旅行需求主要技術：1、入口匝道控制2、高速公路干道控制3、優先通行權控制4、通道控制常發性交通問題的控制策略14.2高速公路交通控制的基本概念與參數1、道路通行能力（1）基本概念

在一定的道路、交通狀態和環境下，單位時間內（良好天氣情況下），一條車行道或道路的某一段面上能夠通過的最大車輛數量，也稱為道路（交通）容量，簡稱容量。單位是veh/h

車輛多指小客車，當有其他車輛混入時，均采用等效通行能力的當量小客車為單位。（2）平均交通量

某一時間段內交通量的平均值作為該時間段的代表交通量。一般包括年平均日交通量、月平均日交通量和周平均日交通量。（3）高峰小時交通量（PHT）在觀察時段內交通量最大的那個小時，稱為高峰小時，該小時的交通量稱為高峰小時交通量。一般高峰小時都按整點計算。（4）設計小時交通量

第30位最高小時交通量是最合適的。

（5）車頭時距

同一地點相鄰兩車輛經過的時間間距稱為車頭時距。

（6）車頭間距

同一時間相鄰兩車車頭之間的距離稱為車頭間距。

2、速度速度是單位時間內車輛行駛的距離。車速分地點車速、行駛車速、區間車速、時間平均車速和空間平均車速等。85%位車速15%位車速速度是用來表示交通通暢程度的量，當交通量的實際速度比較高時，認為交通比較通暢，而當實際速度接近于0時，認為交通出現嚴重擁擠或堵塞。3、占有率和密度占有率有空間占有率和時間占有率之分。在觀測路段長度內，行駛車輛總長度占該路段長度的比例稱為空間占有率。在一定時段內，全部車輛通過某一斷面所需時間的累計值占該時段的比例稱為時間占有率。4、服務水平該標準通常以行駛的通暢程度，行駛的自由度、連續性、方便性、舒適性和安全性等來表征。

高速公路運輸的服務水平包含了行程速度、交通流量、交通密度等指標。A級B級C級D級美國將高速公路基本路段的服務水平劃分為6級。E級F級<8輛小客車/km/車道車流密度自由流<12輛小客車/km/車道車流密度低密穩定流<19輛小客車/km/車道車流密度中密穩定流<26輛小客車/km/車道車流密度高密穩定流<42輛小客車/km/車道車流密度接近飽和狀態>42輛小客車/km/車道車流密度過飽和狀態5、其它(1)服務流量

在通常道路條件、交通條件和管制條件下，在給定的時間周期內保持規定的服務水平，合理地期望車輛通過一條車道或道路某一斷面的最大小時流量。(2)通行能力與服務水平計算

理想最大通行能力是通過對各種類型道路進行觀測，取得大量實測資料，繪制車速—流量關系曲線圖進行標定估計，其曲線峰值為理想最大通行能力。

當確定了道路理想最大通行能力后，可求出相應的交通量與通行通力比值（q/Ca）。根據實際道路條件、交通條件和管制條件確定各種影響因素校正系數。將理想最大通行能力乘以（q/Ca）得到道路最大服務流量，再乘以各種影響校正系數，即可求得現在道路對應的某一服務水平。14.3高速公路匝道控制

14.3.1入口匝道控制概述入口匝道控制的基本原理就是限制進入高速公路的車輛數目以保證高速公路自身的交通需求不超過其交通容量。

高速公路出/入口增加高速公路實際通行能力（增加匝道整體的駛入量）減少高速公路主線上行駛車輛總的行程時間減少通道內全部行駛車輛的行程時間在高速公路主線和入口匝道上，消除或減少車輛中的沖突和事故改善交通流的平穩性，減少車輛的不舒適感和環境干擾1、入口匝道控制的目標

入口匝道控制的目標是上述的一個或全部在通道區域內必須有可供使用的附加容量（即可替換的路線、時段或其他運輸方式）

在入口匝道上應有足夠的停車空間可供等待匝道交通信號的車輛使用

交通模式必須合適在高速公路下游出口處必須有可能利用的容量匝道與主線有足夠的交織區且視距良好2、入口匝道控制的條件匝道調節

在匝道上使用交通信號燈對進入車輛實行計量控制，也可通過收費站的收費車道開放數來調節進入高速公路的車輛數。匝道關閉

匝道關閉可通過自動路欄、交通標志、人工設置隔離墩把某些入口匝道關閉。

3、入口匝道控制方法入口匝道控制入口匝道調節方法：A

定時控制感應（動態）調節B

匯合控制D

整體定時控制C

14.3.2入口匝道定時控制

1、入口匝道關閉匝道關閉就是對所有交通都實行關閉，不允許車輛進入高速公路，維持高速公路不擁擠。匝道關閉分：永久性關閉；在高峰期以及偶發性擁擠期短期關閉。永久性關閉主要用在立交非常接近、交織問題十分嚴重的地方，永久性關閉方法一般缺點多于優點。只在下述幾種情況下可以考慮使用匝道關閉：1、由于大霧、大雪等異常天氣，導致高速公路失去通行能力。2、入口匝道上游的高速公路的交通需求已達到下游道路容量，而可替換道路上還有足夠的容量可供使用。3、潛在進入高速公路的車輛很少。4、在入口匝道上沒有足夠的停車空間。

匝道關閉方法自動路欄關閉

設立關閉標志

人工設置路欄

在關閉匝道控制中，要解決的關鍵問題是關閉時機的選擇，需要采集高速公路上的交通流量數據及氣象數據，以經驗數據為參考，綜合判斷匝道關閉的時機。2、入口匝道定時控制定時控制是指根據歷史情況的調查掌握交通流的統計情況，把一天劃分為若干時段。假定每個時段內，交通流狀況基本不變，以此作為依據來確定每個時段內一組不變的入口調節率，使某項性能指標最優。路面標記

定時控制系統包含

信號燈

控制器

檢測器

在定時控制系統中，匝道信號以固定的周期運行，周期中紅黃綠信號的配時取決于所使用的調節形式是單車調節還是車隊調節。（1）單車調節匝道調節信號配時規定在每個綠燈時段只允許放一輛車進入高速公路。（2）車隊調節當要求調節率大于900veh/h時，必須采用每周期允許兩輛或兩輛以上的車輛進入高速公路，稱這種方式為車隊調節方式。

周期內各燈色間隔時間還要取決于所使用的車隊調節類型，即串行的或雙列的。串行調節：在這種方式下，車輛是一輛接一輛放行的，因此要有足夠長的綠燈加黃燈時間，以便允許每個周期內要求放行的車輛均能通過。雙列調節：在這種方式下，每個周期并列放行兩輛車。雙列調節可以達到的最大調節率約為1100veh/h。

入口匝道調節率主要依據匝道上游需求、下游容量、匝道需求以及調節率的上下約束條件、道路條件等因素來確定，主要用于預防高速公路上的常發性擁擠。

匝道調節率r(veh/h)的計算公式為

r=qc-qd

(15-1)

qc(veh/h)為匝道下游容量;qd(veh/h)為匝道上游交通需求。匝道調節周期長度C(s)為(15-2)

n為每個調節周期允許進入的車輛數，n=1，2，3。(15-3)

匝道調節率r還要受下列條件約束：d(veh/h)--匝道到達率T（h）--時段長度PMAX--匝道上允許的最大排隊車輛數P0--匝道上初始排隊車輛數Rmin--調節率下限值，一般取180veh/hRmax--調節率上限值，單車調節900veh/h，車隊調節為1100veh/h。

15.3.3入口匝道感應控制

以交通量實時檢測數據為依據來確定匝道調節率，因而能響應交通流的隨機變化。感應調節系統構成如圖15-3所示。

為了實時反映車輛構成、氣候條件等因素對交通流的影響，增加感應調節系統的適應性，可在系統中安裝用來確定交通組成和氣候條件的檢測器。實時比較匝道上游交通量和下游容量的基礎上選擇匝道調節率，其目標是更好地利用有效道路容量。交通需求-通行能力控制對匝道的上游或下游的占有率進行實時測量來估算下游剩余容量Δqc，再來確定入口匝道的調節率。

占有率控制反饋控制入口匝道感應控制的方法有14.3.4匯合控制

匯合控制是一種微觀控制方法，以安全為控制原則。匯合控制的基本目標是通過使入口匝道車輛最準確利用高速公路間隙來完成合流，改善高速公路交通流的分布及運行。

匯合控制方法是當檢測到外側車道車流間隙長度不小于可插車間隙時，才允許匝道車輛進入高速公路，這樣能保證匝道車輛及時安全匯入高速公路車流中。匯合控制系統實現的入口匝道調節率完全取決于檢測到的主線車流間隙數目。檢測高速公路上的可插間隙估計這個可插間隙到達入口匝道匯合點的時間引導匝道車輛進入這個可插間隙匯合控制運行的工作過程匯合控制系統可插間隙匯合控制系統移動匯合控制系統1、可插間隙匯合控制構成如圖15-4。某個綠燈時間允許通過的車輛數取決于可插間隙的大小。最小可插間隙是指兩個相隨的車輛的車頭間隙時間足夠一個入口匝道車輛匯合進入的最小車頭間隔時間。天氣條件高速公路和入口匝道的幾何形狀車輛加速特性駕駛員水平交通條件影響最小可插間隙的因素停在匝道信號燈前的車輛到達匯合點預計行駛時間可插間隙移動速度放行時間的計算依據

匯合地點到間隙/速度檢測器之間的距離2、移動匯合控制

利用匝道左側面帶有綠色光帶的顯示器，向匝道車輛提示高速公路外側車道的可插間隙移動情況。車輛跟隨光帶的移動，則有助于掌握加速度和速度，有利于順利匯合。移動匯合控制模式移動模式適合于高速公路流量較小的情況停車的可插間隙模式隨著高速公路交通量的增加，速度下降到某值時，此時控制系統換用停車的可插間隙狀態定時調節模式當高速公路流量繼續增加，超過某一標準，該系統轉為定時調節方式3、可插間隙和需求—容量控制匝道調節率按照交通需求—容量差額原理來確定，但以此調節率放行的匝道車輛要與可利用的可插間隙相符合。4、匯合控制系統的評價匯合控制系統與交通需求—容量差額感應調節系統比較如下:

匯合控制可得到比較平滑的交匯運行，車輛由匝道調節信號處到達交匯區所需時間短匯合控制的匝道車輛放行是根據檢測到的可插間隙來確定的，因而控制運行方式沒有規律，排隊等待時間較長（調節率約為4～5veh/min），違章車輛率較高需求—容量差額感應調節可得到較高的調節率和較大的入口匝道容量

當駛入匝道具有良好的加速車道等幾何形狀時，采用定時調節、需求—容量差額感應調節，可獲得良好的經濟效果，無需采用匯合控制系統

對于因視距不良、加速車道、坡度缺陷等造成的交匯困難的高速公路，采用匯合控制是有利的

匯合控制需增加較多設備，系統成本昂貴14.4入口匝道整體定時控制

入口匝道定時整體控制是指每個入口匝道定時調節時必須對其上、下游匝道運行的相互依賴性給予考慮。這時，各個匝道的調節率是根據整個系統的交通需求—容量差額來計算的。14.4.1性能指標和調節率的算法入口匝道整體定時的控制是基于交通流每日變化大體一致，因而可以把一天劃分為若干時段（大約每段為15min或更長），在一個時段內交通流近似于均勻，可以認為是穩態，進而根據實際情況把高速公路分成若干段，每段內交通流近似認為穩定均勻。

建立一個描述交通流狀態只隨道路空間變化的穩態模型，然后根據主線和各入口匝道的交通需求和每個入口匝道下游的容量，按照某種性能指標，在每時段確定一組最佳調節率（常數），使各路段交通狀況總體最優。1、性能指標要達到系統總行程時間最小，既需要車速盡量高，又要求在匝道處排隊等待時間盡量小。14.4.2控制算法的建模與求解

總行程時間=道路行駛時間+匝道排隊等待時間

在穩態入口調節系統中，總行程時間最小等價于總駛入量最大。舒適性也可采用總服務流量最大主線入口流量匝道排隊容量調節率上下限約束2、約束條件路段容量約束條件3、建模其性能指標和約束函數一般均為線性，可表述為一線性規劃問題。

(15-5)T:時段長度；li0:本時段本初始時刻匝道i排隊長度；lmax:匝道i最大允許排隊長度；rmin,rmax:分別表示第i路段內入口匝道調節率的最大值和最小值；aij:從入口i進入的車輛到達路段j的百分比；Cj:路段j的道路容量；di:路段i內入口匝道的交通需求；第一路段無匝道入口,主線始端流量被視為第一匝道口ri調節率；4、實例

有一段5個入口匝道組成的高速公路，主線入口的交通需求量為D1=4000veh/h,其余各入口匝道的需求為D2=D4=800veh/h，D3=D5=600veh/h，起始到達矩陣位：各路段容量為：C1=5400veh/h，C2=4800veh/h，C3=C4=5200veh/h，匝道最小調節率為240veh/h，最大調節率為960veh/h，若采用系統總行程時間最小指標，求個匝道的最優調節率。

對上述問題建立LP模型如下：將r1=4000

令xi=ri-240（保證xi≥0）化為標準型：應用單純形法解得：即：故各匝道允許進入高速公路的交通量總和為2248veh/h。5、基本算法流程在實際應用中，需要整體考慮的匝道數量不多時，也可采用需求-容量差額控制計算方法，按照“就近調節”的原則，從上游到下游逐一確定各匝道的調解率，也可達到整體最優的效果。其流程如圖15-6。14.5高速公路主線控制

14.5.1主線控制概述

主線控制的對象是高速公路本身即路段上的交通流，通過對高速公路主線的交通進行調節、誘導和警告，達到優化交通流狀態的目的。通過主線控制可以改善高速公路運行的安全和效率，緩解主線上的交通擁擠和交通瓶頸對交通的影響。這種控制對常發性和偶發性交通擁擠都是有效的。1、主線控制的主要目的保持交通流均勻性和穩定性，增加舒適程度，提高利用率、預防擁擠使瓶頸路段達到最大通行能力改進