快速路入口匝道控制模式及放行方式适应性的研究.doc

快速路入口匝道控制模式及放行方式适应性的研究 同济大学交通运输工程学院 硕士学位论文 快速路入口匝道控制模式及放行方式适应性研究 姓名：江南 申请学位级别：硕士 专业：交通信息工程及控制 指导教师：杨晓光 20090301 摘要 摘要 现在许多大城市如北京、上海已建成自己的快速路系统，许多其他城市也 正在建设或筹划建设快速路的过程中。但是已建成的快速路系统在运行过程中 经常存在匝道车辆无法进入主线或由于匝道车辆的汇入导致主线拥堵、匝道与 主线汇合区安全事故频发等现象。导致这些现象的原因主要是入口匝道是否应 该实行控制、应该采取何种放行方式和是否可以对主线进行控制等问题没有得 到解决。而解决这些问题是保证匝道控制在实施后能达到预期效果的重要前提。 因此，本文在自然科学基金重点项目的支持下，对解答这些问题进行了一定的探 索。 针对是否应该采取入口匝道控制的问题，本文对入口匝道有、无控制两种 模式的适应性进行了分析。利用仿真对比研究了快速路系统在两种控制模式下 的运行状况及系统运行效益指标 主要包括快速路车辆平均出行时间、主线车 辆延误、匝道车辆延误等 ，得出了入口匝道有、无信号控制两种控制模式各自 适应的交通条件，如主线流量水平，匝道流量等。研究结果为在什么情况下应 该采取入口匝道控制提供了依据。 针对采取何种放行方式的问题，本文对三种放行方式 单车道单车放行， 单车道双车放行和双车道放行 分别在三种控制模式 入口匝道无控制、入口 匝道采取ALINEA控制和对入口匝道与主线均控制 下对系统运行效益指标的 影响进行了研究，得出了三种放行方式在不同控制模式下的适应性，为放行方 式的选择提供了参考依据。 针对是否可以对主线进行控制的问题，本文基于ALINEA入口匝道控制算 法，设计了一种新的对主线和匝道均进行信号控制的控制策略。该策略弥补了 大多数匝道控制算法由于完全优先主线而导致主线富余通行能力无谓浪费的缺 陷。通过对比分析新的控制策略与仅对入口匝道实施ALINEA控制策略下的快速 路系统运行效益指标，发现新的控制策略虽然导致主线车辆的延误有少量增加， 但却降低了所有快速路车辆的平均出行时间并显著提高了匝道车辆的运行效 益，从而验证了所提控制策略的可行性与先进性。 本研究主要在以下几方面有所创新： 摘要 1通过分析不同入口匝道控制模式适应性，回答了什么条件下应该实施入 口匝道控制的问题，解决了快速路建设过程中盲目实施入口匝道控制的 问题； 2回答了何种情况下应该选择何种放行方式的问题，解决了入口匝道车道 设计和实施控制后放行方式选择的问题； 3提出了一种新的同时控制主线和匝道的控制算法，证明了控制主线的可 行性，并探讨了其适用性。 关键词：匝道控制，ALINEA，适应性，仿真实验 ABSTRACT cities Now,many inChinahasbuilt big including Beijing，Shanghai freeways and other many citiesare to going buildHowever,phenomenon includingramp vehiclescan not in often merge inbottleneckareaand mainline，congestionhappens traffic accidentin areacan beobserved merging oftenThereasonofthese problems isthatthereisnoclear answerforwhetherone shouldbe onramp controlled，which kindofflowcontrol methodshouldbechosen andwhethermainline vehiclescanbe these isan controlled?Solving for problemsimportant precondition guaranteeing controlS ramp the of NaturalScience effectivenessSo，supportedby KeyProject researchwenta Fund，this forward these step solvingproblems the For thatwhether question shouldbe research rampmetering applied,this of analyzed twocontrol with adaptabilities andwithout modes，onramp contr01 thesis Usingmicrosimulation，this and analyzed comparedfreeway system，s and evaluationindexes performance including travel freeway time， vehiclesaverage mainline and a vehiclesdelayon-ramp result，trafficeonditions vehiclesdelayAs thattwocontrol andwithout were modes with result rampcontr01 adaptgivenThe ofthis research partS basisfor whento provides deciding controlforan applyramp on。ramp the Then，for of which question flowcontrol choosing thesis method,this researchedthe influenceofthreeflow control lane methods，oneonevehicle per lanetwovehicles green，one andtwolanesone pergreen vehicle foreach pergreen lane011 underthree freewaysystemperformance control modes，nocontrol， ramp with controland ramp controlboth and flow onrampmainlineThen，threecontrol underdifferent methodsadaptabilitiescontrolmodeswere a given，which lays foundationfor bestflow choosing controlmethod the of whethermainlineCanbe Finally,forquestion on controlled，basingramp research meteringalgorithmALINEA，this anewcontrol of proposed strategy boththe and controlling mainlineThis with onramp mostof strategy,compared Abstract former useofexcess of ramp strategy,takes metering good capacitymainlineBy whenthis is andwhen comparingsystemperformance algorithmapplied only ALINEAis isfoundthat new the increasesmainline applied,it although strategy vehicleS reduces traveltimeofallvehiclesinthe delayslightly,itaverage freeway vehicleson andon validatedthisnew system includingramp mainline ，which and strategySfeasibility reasonability To researchisinnovativein three sum，this followingaspects： the ofdifferentcontrol the 1Throughanalyzingadaptability ramp modes，answered thatunderwhatconditionshouldcontrolis avoid question ramp applied,which decision blindly duringimplementation 2Answeredthe that whenshouldwhichflowcontrolmethodWaschosen problem which for thenumberof and offlow guidance provide deciding onrampway contr01 anew whichcontrolboth 3Proposedstrategy the and onrampmainline，which the of mainlineThe ofthisnew provedfeasibility controlling adaptability wasalso strategy discussed KeyWords：ramp test control，ALINEA，adaptability,simulation IV 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 硒卅沛卜申鸥 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 1肿日 第1章绪论 第1章绪论 11研究背景 城市内或城际间快速路曾经被认为能为道路使用者提供几乎无限的可达 性。但是，持续飞速增长的机动车拥有量已经导致了世界各地每天都会出现长 达数千米的重现或非重现性交通拥挤。而且嘲讽的是，每天重现的交通拥挤大 大地降低了快速路设施在高峰时期的通行能力，而这段时间又正是通行能力被 大量需求的时候。结果，延误产生、环境污染增加、交通安全降低。类似的现 象同样可以在随处可见的由于事故、施工等所导致的非重现交通拥挤中观察到。 现在，越来越多的人意识到由于经济、环境、在大城市甚至仅仅因为空间有限 的原因，仅靠基础设施的增加是不能完全解决上述这些交通问题的。 在许多城市快速路的入口匝道处，我们经常可以观察到两类现象【l】，一种现 象是：当快速路主线流量过大时匝道车辆很难汇入主线，迫使匝道车辆强行汇 入，导致主线车辆速度下降形成排队，同时匝道的排队蔓延。如图11 a 和 d 所示， a 是上海市内环高架武宁路入口匝道在2005年5月10日下午14：00 时的交通流运行状况； d 是上海市内环高架宛平南路入口匝道在2005年5月 lO日下午1428时的交通流运行状况。图11 b 是上海市延安高架番禺路入 口匝道在2005年5月10日15：06时的交通流状况，从该图片可以看出，此时 快速路主线的交通流已经非常拥堵，尽管入口匝道上的车辆不多，但此时主线 上的交通流异常敏感，入口匝道上的汇入车辆对主线交通流的运行很容易造成 扰动。而且还可以看出由于汇入车辆在合流区找不到合适的汇入机会，就在合 流区的末端强行汇入主线，结果导致该处交通流紊乱。 另一种现象是：快速路主线的通行能力有较大剩余，但是匝道上却无车辆， 导致高速道路主线的时空资源的严重浪费。如图11 c 所示，该图是在2005 年5月10日14-40在上海市内环高架金沙江路入口匝道处拍摄。从该图可以 看出：此时快速路主线的车辆很少，而金沙江入口匝道由于金沙江一中山西路 交叉口的信号控制却无车辆进入。 蚺1啦绪论 c 金沙蹄入n匝道 d 宛平南路入u匝逆 幽1lLJ匝道拥堵图 上述这衅快速路上常见的交通状况很像城市蹄嘲在引入信号灯之前的变通 状况：堵塞的路段、混乱的交义u和极低的安令性。现在，一些交通部fJ和道 路使_L 】青还在自日追求快速路无限的z达性这“万灵药”，但事实上，现在 真-急需的是实现和维持刘快速路通行能力的允分利用，同时有序、甲衡的满 足高峰时州、事件情抛F山鼬的变通需求。显然，H有片j以所有用户的利益为 目标的、合适的控制措施代替现在这种“自发的”使Hj快速路的做法A能使现 在混乱的交通状态变为优化的状态。而在这点上，爪道控制是最有效的于段， 第l章绪论 即通过匝道和快速路与快速路间交叉口 立交 上车辆的较少延误来保证快速 路主线上接近其通行能力的流量，从而大大减少所有道路使用者的出行时间。 现在随着我国大城市快速路建设和机动车增长步伐的加快，对现有和待建 的快速路系统实施控制是充分利用快速路设施的通行能力、避免快速路系统拥 挤和交通状况混乱的首要途径。而在意识到快速路控制的必要性后，最重要的 就是根据具体的交通状况选择科学合理的控制模式、控制策略和放行方式，以 避免对资源的无谓浪费。 12研究目的和意义 121研究目的 本课题的研究目的为确定三种匝道控制模式即入口匝道无控制、入口匝道 有控制和对入口匝道和主线均进行控制与常用的三种入口匝道放行方式即单车 道单车放行、单车道双车放行、双车道放行组合得到的各种入口匝道控制情况 分别适应的交通状况，从而为是否应该对快速路进行入口匝道控制、采取何种 控制模式能更有利于目标效益的最大化提供科学的依据。 122理论意义和实用价值 1理论意义 ? 从入口匝道及合流影响区的通行能力分析入手，解析合流区的交通运行 机理，为入口匝道控制、管理、诱导等方面研究奠定基础； ? 通过对不同入口匝道控制模式适应性的对比分析，对采取不同入口匝道 控制模式以实现目标效益最大化提供理论支持； _ 通过对不同入口匝道车辆放行方式在不同控制模式下适应性的对比分 析，为研究合理的入口匝道车辆放行方式奠定基础。 2实用价值 ? 本研究可作为研究是否应该对某城市快速路进行入口匝道控制的方法 论指导； 3 第1章绪论 - 本研究可为根据实际具体的交通状况和目标效益选择最优入口匝道控 制模式提供研究和分析的依据； ? 有利于实行合理的入口匝道控制，以有效的缓解快速路交通拥堵，最大 程度地利用快速路资源； - 实现快速路在发生异常事件时具有一定的自我调节能力，最大程度减小 局部异常事件对整个快速路系统的负面影响。 13研究内容与技术路线 131研究内容 本文将主要对如下四部分内容进行研究： - 不同控制模式和主线流量水平下的入口匝道通行能力研究。本部分主要 是对入口匝道有和无信号控制两种情况下匝道通行能力进行分析，其中当入 口匝道无控制的时候，考虑了低、中、高三种主线流量水平。本部分研究成 果主要是为后续仿真研究中入口匝道流量变化范围的确定提供理论依据； - 入口匝道控制模式适应性研究。针对是否应该采取入口匝道控制的问 题，对入口匝道有、无控制两种控制模式的适应性进行分析。利用仿真对比 研究快速路系统在两种控制模式下的运行状况及系统运行效益指标 主要包 括快速路车辆平均出行时间、主线车辆延误、匝道车辆延误等 ，得出入口 匝道有、无信号控制两种控制模式各自适应的交通条件，如主线流量水平， 匝道流量等。研究结果为在什么情况下应该采取入口匝道控制提供依据。 ? 入口匝道放行方式适应性研究。针对选择放行方式的问题，对三种放行 方式 单车道单车放行，单车道双车放行和双车道放行 分别在三种控制模 式 入口匝道无控制、入口匝道采取ALINEA控制和对入口匝道与主线均控 制 下对系统运行效益指标的影响进行研究，得出三种放行方式在不同控制 模式下的适应性，为放行方式的选择提供参考依据。 ? 对主线和匝道均进行控制的控制策略研究。针对是否可以对主线进行控 制的问题，基于AMNEA入口匝道控制算法，提出一种新的对主线和匝道均 进行信号控制的控制策略，以弥补了大多数匝道控制算法由于完全优先主线 而导致主线富余通行能力无谓浪费的缺陷。通过对比分析新的控制策略与仅 4 第1章绪论 对入口匝道实施ALINEA控制策略下的快速路系统运行效益指标，验证所提 控制策略的可行性与优越性。 132技术路线 本研究的技术路线如图12所示： 入口匝道控制问题 不同控制模式和 的提出与已有控制 主线流量水平下的 策略的回顾和总结 入口匝道通行能力分析 + 搭建仿真实验平台，利用仿真软件 进行交通运行状态分析 t 、 对入口匝道和主 仅对入口匝道 对主线和匝道 线均不进行控制 进行控制 均进行控制 r孓 + ， 人j i k 厂 l 迭 、 微 单车道单车放行 单车道双车放行 双车道放行 、观 0 对不同主线流量水平和匝道流量大小情况下采取各种控制模 式与放行方式时的系统运行效益进行仿真对比分析 0 得出各种控制模式和放行方式分别适用 的交通条件 图12研究技术路线 研究技术路线与上述研究内容相对应，在提出入口匝道控制问题，并对已 有控制策略进行回顾和展望后，首先对不同控制模式和主线流量水平下的入口 匝道通行能力进行了分析，为后续仿真实验中相关条件的设定提供理论支撑； 然后搭建仿真平台，对中观层面的放行模式和微观层面的放行方式不同的组合 等进行对比分析，通过对比分析给出不同控制模式的适应性以及不同放行方式 在不同控制模式下的适应性。 5 第1章绪论 14章节安排与研究方法 141章节安排 主要研究内容与各章节对应关系如图13所示： 图13主要研究内容与对应章节示意图 具体章节安排如下： 第一章绪论 从现实世界观察到的交通现象入手，提出本研究的背景和目的意义，并对 研究内容和技术路线进行简要介绍。 第二章文献综述 对现实的快速路交通现象如快速路堵塞等进行分析提出快速路实行入口匝 道控制的必要性，然后对国内外相关研究进行整理评述。 第三章不同控制模式与主线流量水平下的入口匝道通行能力分析 6 第1章绪论 主要对有、无信号控制情况和不同主线流量水平下的快速路入口匝道通行 能力进行分析，为后续控制模式及放行方式的研究奠定理论基础。 第四章入口匝道无控制模式适应性分析 论文研究核心内容之一。在本章将对入口匝道无控制模式的情况进行分析。 主要利用仿真对入口匝道无控制模式下分别采用单车道和双车道时系统运行效 益指标进行对比分析。 第五章入口匝道有控制模式适应性分析 论文研究核心内容之二。在本章将对入口匝道有控制模式的情况进行研究。 选择ALINEA作为单点控制策略，然后利用仿真对入口匝道采用该控制策略，分 别采用单车道单车放行、单车道双车放行和双车道放行时的一些系统效益指标 值进行对比分析，从而得出三种放行方式分别在有无控制情况下的适应性。另 外通过对比有控制模式与第四章中无控制模式下的系统运行情况，得出两种控 制模式的适应性情况。 第六章入口匝道与主线均有控制模式适应性分析 论文研究核心内容之三。在本章将对入口匝道和主线均实施控制模式进行 研究。首先设计对主线和入口匝道均进行控制的控制算法，然后利用仿真对入 口匝道和主线均实施控制后的系统效益值与第五章中只进行匝道控制时的相应 值进行对比，以证明对匝道和主线均实施控制的控制策略的优越性及其适应性 情况。 第七章结论与展望 对本研究得出的主要结论、创新点和存在的不足进行总结，提出未来进一 步的研究方向。 142研究方法 进行不同入口匝道控制模式的研究，需要在分析入口匝道通行能力、合流 区交通特性的基础上，进行理论分析与实际应用方面的研究。本文拟采取的研 究方法主要包括： ? 文献查阅：收集并吸收国内外已有的研究成果，在对这些成果作尽量全 面综合的分析与评价之后，作为本研究的基础； - 系统建模：通过运用交通流理论建立入口匝道通行能力计算模型； 7 第1章绪论 _ 算法设计：在入口匝道单点控制算法ALINEA的基础上设计对入口匝道 与主线均进行控制的控制算法； ? 交通仿真对比分析； - 统计分析与理论解析相结合，定性与定量相结合的分析方法。 8 第2章研究综述 第2章研究综述 本章首先将基于简单的数学推理来解释为什么匝道调节能带来快速路交通 状况的显著改善。然后对匝道控制算法，从早期的定时方法到感应调节再到现 在复杂的非线性优化策略进行回顾，然后对现有放行方式方面的研究进行综述。 最后总结一下主要结论。 21为什么要采取匝道控制 要回答这个问题，首先来回顾一个简单的事实。设想如图21所示的任一 个交通网络，在该网络的一些地方有交通需求产生 如快速路网的入口匝道处 ， 一些讫点位置有交通流流出 如快速路网的出口匝道处 。显然，一天内累计的 交通需求将等于流出交通量的总和，因为没有车辆在网络中消失或产生。 需求 流出量 面 七 s； 七 图21任一交通网络 假设这个需求水平及其时空分布与在该网络中采取的任何控制措施均无 关，那么我们必然会想知道究竟需要多长时间才能让所有车辆到达它们的目的 地，即该网络的效率如何?显然，如果因为某原因 如由于缺少适当的控制措 施 导致流出交通量暂时降低，譬如网络中的车辆在去往目的地的路上都被延 误，那么所有驾驶员花费的总时间必然会被延长。 上述分析可以用 21 22 两个简单的数学公式来表达【2】【31。为了本文 研究的需要，交通变量均采用带有离散时间指数k 0，1，2和时间间隔丁的时 某位置的车辆数。 考虑一个如图21所示的交通网络，从该网络的第i 1，2个起点产生交 9 第2章研究综述 网络上采取的任何控制措施无关。从该网络的第f1，2，个终点流出的交通量 为墨 后 ，总流出交通流s 七 墨 尼 +邑 后 +。我们希望能够采取控制措施来最 小化时间段K内所有车辆在网络上花费的总时间五： 五 丁 七 21 其中： 七 是k时刻 更准确的说是七丁， 七+1 明时间段内 网络中的车辆总数。 根据车辆数守恒： N k N k-1 +丁d 七-1 一s k一1 】 一k-I 22 o +丁d 尼 一s 七 】 把 22 式代入到 21 中，可以得到： 瓦 r【