Ｖｏｌ． ５０ Ｎｏ． ２ Ａｐｒ． ２０１５
高 速 公 路 瓶 颈 区 域 可 变 限 速 阶 梯 控 制 方 法
（ 林 大 学 汽 车 动 态 模 拟 国 家 重 点 实 验 室 ，吉 林 长 春 林 大 学 交 通 学 院 ，吉 林 长 春 １． 吉 １３００２２ ； ２． 吉 １３００２２ ）
南 交 通 大 学 学 报 西 第 ５０ 卷 第 ２期 ２０１５ 年 ４月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ：０２５８２７２４（ 文 ２０１５ ） ０２０３５４０７ ＤＯＩ： １０． ３９６９ ／ ｊ． ｉｓｓｎ． ０２５８２７２４． ２０１５． ０２． ０２３ 章 编 号
要 ：针 对 高 流 量 条 件 下 高 速 公 路 主 线 瓶 颈 路 段 交 通 流 运 行 态 势 恶 劣 导 致 通 行 效 率 降 低 的 问 题 ， 从 高 速 公 路 摘 瓶 颈 路 段 交 通 流 时 空 特 性 出 发 ， 对 元 胞 传 输 模 型 进 行 扩 展 ， 使 其 能 够 对 瓶 颈 路 段 和 可 变 限 速 条 件 下 交 通 流 运 行 情 况 进 行 描 述 ； 在 此 基 础 上 ， 构 建 可 变 限 速 控 制 模 型 ， 并 采 用 阶 梯 限 速 控 制 方 法 对 主 线 交 通 流 进 行 控 制 ， 防 止 限 ．算 速 路 段 车 辆 排 队 上 溯 影 响 上 游 匝 道 车 辆 的 正 常 通 行 例 仿 真 结 果 表 明 ： 本 文 提 出 的 瓶 颈 区 域 可 变 限 速 阶 梯 控 制 方 法 能 够 有 效 缩 短 车 辆 行 程 时 间 ， 在 可 变 限 速 条 件 下 ， 与 无 控 制 和 仅 单 路 段 主 线 控 制 相 比 ， 车 均 延 误 分 别 减 少 １３． ７８ ％ 和 １． ６０ ％ ． 了 ：高 速 公 路 ； 瓶 颈 区 域 ； 可 变 限 速 控 制 ； 元 胞 传 输 模 型 ； 优 化 控 制 模 型 关 键 词 ：Ｕ４９１ 文 ：Ａ 中 图 分 类 号 献 标 志 码
：２０１４０６０２ 收 稿 日 期 ：国 家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 （ ； 山 东 省 省 管 企 业 科 技 创 新 项 目 （ 基 金 项 目 ２０１４ＢＡＧ０３Ｂ０３ ） ２０１２２１５０２５１５ ） ：杨 庆 芳 （ ， 女 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 研 究 方 向 为 智 能 交 通 运 输 系 统 ， 作 者 简 介 １９６６ － ） Ｅｍａｉｌ： ｙａｎｇｑｆ＠ ｊｌｕ． ｅｄｕ． ｃｎ ：杨 庆 芳 ， 马 明 辉 ， 梁 士 栋 速 公 路 瓶 颈 区 域 可 变 限 速 阶 梯 控 制 方 法 研 究 ［ 南 交 通 大 学 学 报 ， ：３５４３６０． 引 文 格 式 ． 高 Ｊ］ ． 西 ２０１５ ， ５０ （ ２）
第 杨 庆 芳 ， 等 ： 高 速 公 路 瓶 颈 区 域 可 变 限 速 阶 梯 控 制 方 法 ２期 ３５５ 可 变 限 速 制 作 为 ｋ为 采 样 间 隔 数 （ … ， ＶＳＬ（ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｌｉｍｉｔｓ）控 ｋ ＝ ０， １， Ｋ） ． 经 典 ， 假 设 流 量 与 密 度 符 合 三 角 函 新 兴 的 交 通 控 制 方 法 ， 广 泛 应 用 于 高 速 公 路 主 线 交 在 ＣＴＭ 中 ［ ］ ［ ］ 关 系 ， 如 图 通 控 制， 并 取 得 了 较 好 的 效 果 ．目 前 ， 高 速 数 示 路 段 通 行 ２所 ．图 ２中 Ｑ 为 ｍ的 制 的 相 关 研 究 中 ， 通 常 取 行 能 临 界 密 度 ，ρ 为 阻 塞 密 度 ，斜 线 斜 公 路 瓶 颈 区 域 力 ，ρ 为 ＶＳＬ 控 １的 ｖ， ２的 ｖ， ３的 程 时 间 最 短 或 通 行 交 通 量 最 大 作 为 控 制 目 标 ， 对 瓶 率 为 斜 线 斜 率 为 斜 线 斜 率 为 交 通 ［ ］ 颈 区 域 实 施 单 限 速 路 段 控 制 ．然 而 ， 选 取 行 程 波 传 播 速 度 ｗ ． 时 间 最 短 作 为 控 制 目 标 时 ， 通 常 采 用 减 少 交 通 流 量 方 式 缩 短 行 程 时 间 ， 导 致 道 路 通 行 效 率 降 低 ； 以 通 行 交 通 量 最 大 作 为 控 制 目 标 时 ， 道 路 交 通 流 量 接 近 通 行 能 力 ， 车 辆 运 行 缓 慢 ， 降 低 了 道 路 服 务 水 平 ．同 时 ， 在 单 限 速 路 段 控 制 方 法 研 究 中 ， 主 要 针 对 瓶 颈 区 域 交 通 拥 挤 问 题 对 上 游 路 段 进 行 控 制 ， 而 当 流 量 过 大 时 ， 为 确 保 瓶 颈 区 域 交 通 顺 畅 ， 控 制 区 域 产 生 排 队 上 溯 现 象 ， 影 响 上 游 匝 道 处 交 通 通 行 ， 因 此 ， 单 限 速 路 段 控 制 只 能 实 现 道 路 交 通 的 局 部 最 优 ． 综 上 所 述 ， 本 文 在 分 析 高 速 公 路 瓶 颈 区 域 交 通 图 限 速 路 段 流 量 度 关 系 ２ 无 密 运 行 特 点 的 基 础 上 ， 对 元 胞 传 输 模 型 描 述 范 围 进 行 Ｆｉｇ． ２ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｒａｆｆｉｃ ｆｌｏｗ ａｎｄ 扩 展 ， 以 描 述 瓶 颈 路 段 和 ＶＳＬ 条 件 下 高 速 公 路 基 ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ａ ｃｅｌｌ ｗｉｔｈ ｎｏ ｃｏｎｔｒｏｌ 本 路 段 的 交 通 流 运 行 状 态 ， 并 以 此 为 基 础 ， 以 提 高 流 入 元 胞 流 量 决 于 元 胞 ｉ的 ｑ（ ｋ ）取 ｉ －１ 的 通 行 效 率 、 缩 短 行 程 时 间 及 排 队 长 度 为 控 制 目 标 ， 交 通 供 给 量 和 元 胞 的 交 通 需 求 ｖ （ ｋ） ｋ） ｉ中 ρ （ 构 建 高 速 公 路 可 变 限 速 控 制 模 型 ， 采 用 阶 梯 限 速 控 量 ｗ （ ｋ） Ｑ ， ） 及 道 路 通 行 能 力 ρ －ρ （ 制 策 略 对 瓶 颈 区 域 交 通 流 运 行 进 行 控 制 ． ｑ（ ｋ）＝ ｍｉｎ { ｖ （ ｋ） ｋ） Ｑ ， ， ρ （ 胞 传 输 模 型 展 １ 元 ＣＴＭ 扩 ）} ． Ｑ （ ｋ） ρ －ρ （ （ １） 元 ＣＴＭ（ ｃｅｌｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ） 胞 传 输 模 型 能 ρ －ρ 够 准 确 描 述 无 件 下 的 交 通 状 态 时 空 演 变 过 元 ＶＳＬ 条 胞 车 辆 总 数 于 元 胞 原 ｉ中 ｎ（ ｋ ＋ １ ）等 ｉ中 ［ ］ 程 ．由 于 经 典 法 描 述 可 变 限 速 控 制 条 有 ＣＴＭ 无 车 辆 数 与 流 入 元 胞 辆 数 之 和 ， 减 ｎ（ ｋ） ｉ车 ｙ（ ｋ） 件 下 的 交 通 运 行 情 况 ， 因 此 ， 本 文 将 对 述 范 去 ＣＴＭ 描 流 出 元 胞 车 辆 数 ， 则 有 ： ｉ的 ｙ （ ｋ） 围 进 行 扩 展 ， 以 实 现 对 可 变 限 速 控 制 条 件 下 交 通 流 ｎ（ ｋ ＋ １ ）＝ ｎ （ ｋ）＋ ｙ （ ｋ）－ ｙ （ ｋ） ２） ， （ 运 行 状 态 的 描 述 ． 式 中 ：ｙ （ 为 车 辆 数 ，ｙ （ ）Δｔ， ｋ） ｋ）＝ （ ｑ（ ｋ）＋ ｒ（ ｋ） 根 据 道 路 线 形 不 同 ， 将 高 速 公 路 主 线 路 段 划 分 ｒ（ 为 上 匝 道 流 量 ｋ） ． 为 基 本 路 段 ， 并 以 路 段 例 描 述 经 典 Ｍ个 ｍ为 ＣＴＭ 元 胞 车 辆 数 也 可 表 示 为 ｉ内 的 运 行 机 理 ， 见 图 １． （ ｎ（ ｋ）＝ ρ （ ｋ） Ｌ． ３） 整 合 式 （ 和 式 （ 可 得 ： ２） ３） ｋ ＋ １ ）＝ ρ （ ｋ）＋ ρ（ Δｔ （ ） ， （ ｑ（ ｋ）－ ｑ （ ｋ）＋ ｒ（ ｋ）－ ｓ（ ｋ） ４） Ｌ 式 中 ：ｓ（ 为 下 匝 道 流 量 ｋ） ． １ 高 图 速 公 路 主 线 基 本 路 段 示 意 图 由 式 （ 和 式 （ 可 递 推 得 到 路 段 上 任 一 元 胞 １） ４） Ｆｉｇ． １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｆｒｅｅｗａｙ ｍａｉｎｌｉｎｅ 内 交 通 密 度 及 流 量 据 图 每 个 元 胞 内 速 度 都 ．根 ２， 关 于 密 度 的 函 数 ， 当 元 胞 密 度 小 于 临 界 密 度 时 ， 以 长 度 自 由 流 速 度 ） 为 单 位 ， 是 Ｌ（ Ｌ ＝ ｖ Δｔ，ｖ 为 胞 内 车 辆 以 自 由 流 速 度 运 行 ； 当 元 胞 密 度 大 于 临 将 路 段 ｍ划 Ｉ个 ｉ（ ｉ ＝ １， ２， Ｉ ）内 元 分 为 元 胞 ， 元 胞 … ， 、 速 度 、 驶 入 界 ｋ） ｖ（ ｋ） 的 交 通 参 数 包 含 ： 交 通 密 度 ．故 密 度 时 ， 交 通 处 于 拥 挤 状 态 元 胞 内 车 辆 运 行 ρ（ （ 出 ） 元 胞 流 量 （ ） 时 间 间 隔 ， 速 ｉ的 ｑ（ ｋ） ｑ （ ｋ） ． Δｔ 为 ２中 度 可 根 据 图 各 参 数 对 应 关 系 计 算 得 出 ， 则 元
，
，
Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ
２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １
， Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２， Ｃｈｉｎａ； ）
，， 杨 庆 芳 明 辉 ， 士 栋 ， 志 林 马 梁 李
１ ２ ２ ２ ２
ＳｔａｉｒＬｉｋｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｌｉｍｉｔ ｆｏｒ Ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ Ｒｅｇｉｏｎｓ ｏｎ Ｆｒｅｅｗａｙ