高速公路多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)研究

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064)

0 引言

高速公路是交通運輸主要道路，與其他道路相比，具有快捷、高效運輸優(yōu)勢。我國高速公路運營管理水平與建設(shè)水平暫不相符，其運營管理應(yīng)當(dāng)保證道路能夠進(jìn)行基礎(chǔ)通行服務(wù)功能，提高道路運行安全，減少道路交通擁堵問題出現(xiàn)次數(shù)，做好突發(fā)性事件救援準(zhǔn)備工作[1]。一旦高速公路上發(fā)生交通事故，那么整個交通就會被阻塞，其負(fù)荷越大，道路產(chǎn)生擁堵影響所造成后果就會越嚴(yán)重。由于高速公路行車環(huán)境較為特殊，與一般公路相比，如果發(fā)生交通事故，救援難度較大，容易引發(fā)二次交通事故，影響極為惡劣[2]。交通管理部門一直都在高度關(guān)注高速公路交通安全問題，并致力于研究提高高速公路交通運行效率，構(gòu)建快速安全救援機(jī)制，減少事故給社會和人們造成的影響。多匝道控制是一種緩解高速公路擁堵的重要方式，隨著運輸業(yè)持續(xù)發(fā)展，人們意識到高速公路給人們生活帶來的便利，但同時高速公路逐漸跟不上人們需求增長速度，因此利用多匝道控制方法能夠?qū)⑿枨笙拗圃诟咚俟吠ㄐ心芰Ψ秶鷥?nèi)，有效提高通行效率[3]。

傳統(tǒng)多匝道控制方法大多是使用線圈進(jìn)行參數(shù)采集，以此為基礎(chǔ)計算交通調(diào)節(jié)率，根據(jù)調(diào)節(jié)率控制車輛通行數(shù)量。然而受到線圈自身限制，難以對實際高速公路交通情況準(zhǔn)確認(rèn)識，有可能出現(xiàn)錯誤放行，造成合流區(qū)沖突，影響通行效率。而協(xié)同控制計數(shù)的提出為多匝道控制提供了全新視角，將協(xié)同技術(shù)應(yīng)用到多匝道控制中，可準(zhǔn)確計算交通調(diào)節(jié)率，實時掌握影響區(qū)域內(nèi)的交通狀況，以全面視角對多匝道區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行優(yōu)化控制。

1 高速公路協(xié)同環(huán)境組成

高速公路協(xié)同環(huán)境是由車載單元、路側(cè)單元和通信網(wǎng)絡(luò)組成的，對車輛間通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，可分為3個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，分別是車內(nèi)域、自組網(wǎng)域和基礎(chǔ)設(shè)施域。其中車內(nèi)域負(fù)責(zé)連接車輛內(nèi)部各個設(shè)備控制單元之間通信，現(xiàn)代車輛控制方式已經(jīng)從傳統(tǒng)機(jī)械信號傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘杺鬟f方式，車輛內(nèi)部集成各種控制系統(tǒng)，其中包括防抱死系統(tǒng)、動力分配系統(tǒng)和電子穩(wěn)定系統(tǒng)，這些電控系統(tǒng)都是由傳感器、控制單元和執(zhí)行器組成的，保證人們能夠有效控制車輛，為駕駛者提供舒適駕駛環(huán)境，提高行車安全性；自組網(wǎng)域指的是車載單元與與路側(cè)單元之間的通信，隨著移動通信技術(shù)不斷發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)被直接應(yīng)用到車路協(xié)同環(huán)境之中；基礎(chǔ)設(shè)施域負(fù)責(zé)對路側(cè)單元進(jìn)行通信，借助網(wǎng)絡(luò)或熱點直接訪問互聯(lián)網(wǎng)。

為了更好應(yīng)對電信號在各個內(nèi)部控制單元的傳遞，應(yīng)當(dāng)在車輛內(nèi)部構(gòu)建相應(yīng)本地通信網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可包括3種，分別是基于時間觸發(fā)、基于事件觸發(fā)、混合觸發(fā)通信協(xié)議，為了保證多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)研究可靠性，應(yīng)遵循上述協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)分析[4]。

2 多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)研究

高速公路多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)研究的是管理系統(tǒng)性。信息交流交互性和服務(wù)廣泛性，隨著高速公路車輛擁有量不斷增加，尤其是在各種復(fù)雜天氣下，一天內(nèi)車流量高峰時段擁有一個良好交通流量控制方案，不僅有效提供道路利用效率，還可保證各個路段車輛平均延誤時間縮短[5]。該技術(shù)一般是對系統(tǒng)車輛監(jiān)測器、交通指示信號燈和相關(guān)指標(biāo)線進(jìn)行研究，匝道控制如圖1所示。

圖1 匝道控制示意圖

圖1中：車輛監(jiān)測器可接收來自感應(yīng)線圈、超聲波、紅外線、雷達(dá)傳來的信息，是獲取交通流信息最直接設(shè)備；交通指示信號燈可為匝道入口車輛通行提供標(biāo)識，信號燈位置和高速選取要適當(dāng)，匝道處信號燈位置應(yīng)與主線保持一定距離，保證車輛入主線時匝道空間是空閑的；相關(guān)指標(biāo)線的設(shè)立了引導(dǎo)車輛有序通過交通信息監(jiān)測各個路段交通情況，提高警示能力[6]。

2.1 多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制原理

根據(jù)上述匝道控制結(jié)構(gòu)，對其控制原理進(jìn)行分析。多匝道是高速公路交通控制主要部分，在入口匝道處設(shè)置交通信號，可調(diào)節(jié)交通流，減少基本消除高速公路主干道的交通堵塞。多匝道控制基本原理是利用匝道信號燈調(diào)節(jié)車輛進(jìn)入公路主線車流率，保證高速公路自身交通需求不超過最大容量，使高速公路依據(jù)某一性能指標(biāo)處于最佳運輸狀態(tài)[7]。在高速公路上運行的車輛可在匝道處等待，減少高速公路擁塞情形，增進(jìn)匝道車輛并入主線的安全。依據(jù)控制單位，可將多匝道控制可分為兩種，分別是單點控制和協(xié)調(diào)控制，依據(jù)對實時信息響應(yīng)不同，可將其分為靜態(tài)控制和動態(tài)控制。

高速公路控制入口匝道目的在于限制主線交通，使其不超過主線車輛交通通行能力，維持高速公路主線交通流秩序，多匝道控制是以限制主線交通流量為目的，保證高速公路交通處于良好運行狀態(tài)，優(yōu)先保證高速公路主線運行，減少車輛延誤轉(zhuǎn)移到匝道現(xiàn)象發(fā)生[8]。

2.2 車路遠(yuǎn)程協(xié)同環(huán)境下路徑規(guī)劃和誘導(dǎo)

根據(jù)上述控制原理，對高速公路路徑規(guī)劃和誘導(dǎo)進(jìn)行分析。協(xié)同環(huán)境下對高速公路路徑進(jìn)行規(guī)劃和誘導(dǎo)是控制技術(shù)研究的核心，對于路徑規(guī)劃可用于計算周期性各個起點之間通行成本，選出最優(yōu)路徑主循環(huán)[9]。車輛進(jìn)入路網(wǎng)后，符合誘導(dǎo)條件，此時觸發(fā)誘導(dǎo)子循環(huán)，各個路徑通行成本指的是各個路徑距離和預(yù)測時間成本函數(shù)，某條路徑通行成本公式可記為：

X=nT+mS+∑inPn

(1)

公式(1)中：n表示通行時間成本系數(shù)；m表示通行距離成本系數(shù)；in表示第n項參數(shù)系數(shù)；Pn表示第n項參數(shù)，按照一定規(guī)則將通行時間轉(zhuǎn)換。其中設(shè)置n值為1，而m值要根據(jù)實際路況進(jìn)行微調(diào)，獲取最優(yōu)值。當(dāng)in為0時，通行成本最低路徑為最優(yōu)路徑，此時為多匝道控制最優(yōu)路徑規(guī)劃結(jié)果。

1)主循環(huán)執(zhí)行流程：以交通自由流狀態(tài)下通行時間為標(biāo)準(zhǔn)，對每個需要執(zhí)行路徑預(yù)設(shè)幾條相對較短路徑；讀取高速公路路網(wǎng)交通參數(shù)，預(yù)測各個線路通行成本，并從每個網(wǎng)點中選擇出當(dāng)前成本最低路徑；根據(jù)計時器判斷可否進(jìn)入下一個周期。

2)誘導(dǎo)執(zhí)行流程：當(dāng)車輛駛?cè)朐训婪险T導(dǎo)條件時，觸發(fā)路徑誘導(dǎo)；通過誘導(dǎo)可讀取當(dāng)前路徑信息；開始執(zhí)行誘導(dǎo)，更新參數(shù)，并返回到主循環(huán)。

具體路徑規(guī)劃和誘導(dǎo)流程如圖2所示。

圖2 具體路徑規(guī)劃和誘導(dǎo)流程

由圖2可看出，采用的控制模式是具有周期性的網(wǎng)絡(luò)模式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息獲取最優(yōu)路徑，一旦車輛駛?cè)朐训佬畔⑴c執(zhí)行誘導(dǎo)信息相匹配，那么需根據(jù)當(dāng)前控制周期開始尋優(yōu)。充分考慮車輛駛?cè)朐训赖牟淮_定性，控制某個特定周期內(nèi)的全部車輛，如果等待一個控制周期結(jié)束時，該周期內(nèi)的所有駛?cè)朐训儡囕v同時進(jìn)行最優(yōu)路徑誘導(dǎo)，可有效縮短控制周期。

2.3 控制技術(shù)的實現(xiàn)

根據(jù)車路遠(yuǎn)程協(xié)同環(huán)境下路徑規(guī)劃和誘導(dǎo)分析，充分考慮車輛總通行時間、總通過數(shù)量和入口匝道總流量約束條件，通過最優(yōu)化目標(biāo)求解各個匝道調(diào)節(jié)率，根據(jù)該調(diào)節(jié)率，使用模糊邏輯算法計算控制周期內(nèi)的控制率，從而實現(xiàn)多匝道控制目的。

2.3.1 調(diào)節(jié)率計算

對匝道控制調(diào)節(jié)率進(jìn)行計算，可消除高速公路上的阻塞，改變匯流安全性，提高高速公路利用效率。為了消除高速公路阻塞，必須使需求小于通行能力，因此在匝道上計算調(diào)節(jié)率。根據(jù)交通需求和通行能力，在匝道上計算高速公路交通量，具體調(diào)節(jié)率計算公式如下所示：

調(diào)節(jié)率=交通下游通行能力-上游交通需求

(2)

為了防止交通阻塞，應(yīng)計算交通上游需求和匝道需求總和，保障高速公路安全，避免追尾事故發(fā)生，使匝道與高速公路車流間隙車輛都能進(jìn)入車群，防止車道變換相撞。

2.3.2 模糊邏輯算法

采用模糊邏輯算法是多匝道控制算法成為高速公路車流控制的重要手段，充分考慮駕駛員對匝道控制響應(yīng)，及時分配多匝道需求時間和空間，在現(xiàn)有單匝道控制條件基礎(chǔ)上，研究多匝道控制交通狀態(tài)。在匝道控制過程中，不斷結(jié)合其它交通控制手段，使各種控制手段有機(jī)結(jié)合在一起，更好控制交通流。

模糊邏輯算法主要目標(biāo)是使車輛總行程距離變得最大化，減小車輛延誤最小化，需在單個匝道上的調(diào)節(jié)率和匯流調(diào)節(jié)率之間進(jìn)行選擇。

該算法應(yīng)用如圖3所示。

圖3 模糊邏輯算法在控制技術(shù)中的應(yīng)用

由圖3可知：具體應(yīng)用中需要輸入3個變量，分別是上游交通量、下游交通量和匯合處交通量。將這3個變量分為3個不同值：小、中、大，通過公式(2)確定調(diào)節(jié)率。

將高速公路流量看作控制常量，使匝道控制率為控制變量，通過反饋思路控制匝道進(jìn)入高速公路主線交通流量，保證主線下游交通流量不超過匯合處車輛通行效率，避免高速公路出現(xiàn)交通堵塞問題。將時間離散成固定周期時間段，在每個時間段內(nèi)，計算匝道控制率：

p(h)=g(h-1)+ha(Ac-Aout(h))

(3)

公式(3)中,p(h)表示在h周期內(nèi)匝道控制率；ha表示大于零的校正系數(shù)；Aout(h)表示在h周期內(nèi)匝道車輛通行情況；Ac表示交通流量需求值。

通過監(jiān)測每個周期內(nèi)交通流量，獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與匝道限定流量差進(jìn)行比較，可得到一個大于零的變量，并在此變量基礎(chǔ)上加上調(diào)整量，可得到當(dāng)前在固定控制周期內(nèi)的控制率，進(jìn)而實現(xiàn)多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制目的。

3 實驗分析

為了檢驗高速公路多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)的效果，使用高速公路Paramics仿真軟件，通過對加載控制方法進(jìn)行計算機(jī)模擬獲取分析結(jié)果。

3.1 遠(yuǎn)程協(xié)同環(huán)境下交通數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)交通數(shù)據(jù)采集僅僅是對路側(cè)和被動監(jiān)測道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；而遠(yuǎn)程協(xié)同環(huán)境下數(shù)據(jù)采集可轉(zhuǎn)變?yōu)槁穫?cè)設(shè)施需求、車載設(shè)備單元相應(yīng)提供的自身數(shù)據(jù)情況。在這種情況下，遠(yuǎn)程協(xié)同環(huán)境下的交通數(shù)據(jù)采集無論是數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性還是數(shù)據(jù)豐富性，都比磁感線圈為核心技術(shù)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度要高。

由于數(shù)據(jù)是通過車載單元提供，因此為了保證數(shù)據(jù)可靠性，需從海量數(shù)據(jù)條件下，為交通管理人員搜集如下信息：車型、車身長度、尺寸數(shù)據(jù)、車輛通過GPS定位獲取的絕對位置、以道路為基準(zhǔn)相對位置、車輛駛?cè)朐训浪矔r速度、路段流量、平均車速。豐富交通信息可使交通管理者能夠更好掌握高速公路路況，為實驗分析提供有效信息。

3.2 實驗結(jié)果與分析

傳統(tǒng)匝道控制方法主要是通過匝道口信號燈對公路入口匝道車輛放行進(jìn)行控制，以此實現(xiàn)緩解高速公路主線交通壓力，達(dá)到提高高速公路通行目的。但該方法僅僅針對交通量小的情況下，一旦高速公路上車輛增多時，需采用多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)，該技術(shù)能夠保證匝道上下游調(diào)節(jié)率具有準(zhǔn)確計算結(jié)果，有效提高高速公路運行效率。

根據(jù)上述內(nèi)容，分析車輛駛?cè)朐训赖却龝r間和頻數(shù)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 匝道等待時間和頻數(shù)關(guān)系

由圖4可知：當(dāng)匝道等待時間為0～10 min時，頻數(shù)最高為170；當(dāng)匝道等待時間為10～20 min時，頻數(shù)最高為155；當(dāng)匝道等待時間為20～30 min時，頻數(shù)最高為75；當(dāng)匝道等待時間為30～40 min時，頻數(shù)最高為40；當(dāng)匝道等待時間為40～50 min時，頻數(shù)最高為30；當(dāng)匝道等待時間為50～60 min時，頻數(shù)最高為25；當(dāng)匝道等待時間為60～70 min時，頻數(shù)最高為26；當(dāng)匝道等待時間為70～80 min時，頻數(shù)最高為10。采用多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)，隨著匝道等待時間的流逝，出現(xiàn)高速公路交通擁塞頻率大幅度下降。

在該條件下，檢驗數(shù)據(jù)樣本是否與某一概率分布符合，如果符合，則說明樣本數(shù)據(jù)基本分布在理論分布對角線上。根據(jù)變量累計概率對應(yīng)所指令理論分布概率繪制散點圖，分別將傳統(tǒng)技術(shù)與多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種技術(shù)匝道等待時間散點圖

由圖5可知：當(dāng)匝道等待時間為10 min時，傳統(tǒng)技術(shù)理論分布概率在0～0.008范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)理論分布概率在0～0.007范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為0.0025；當(dāng)匝道等待時間為30 min時，傳統(tǒng)技術(shù)理論分布概率在0.019～0.032范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)理論分布概率在0.013～0.015范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為0.014；當(dāng)匝道等待時間為50 min時，傳統(tǒng)技術(shù)理論分布概率在0.027～0.028范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)理論分布概率在0.0225～0.023范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為0.0225；當(dāng)匝道等待時間為70 min時，傳統(tǒng)技術(shù)理論分布概率在0.020～0.024范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)理論分布概率在0.032～0.037范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為0.032；當(dāng)匝道等待時間為90 min時，傳統(tǒng)技術(shù)理論分布概率在0.015～0.019范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)理論分布概率在0.039～0.040范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為0.040。因此，采用多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)對理論分布概率分析結(jié)果較為精準(zhǔn)。

為了進(jìn)一步驗證該結(jié)果的精準(zhǔn)性，采用分布的分位數(shù)進(jìn)行實驗研究，與等待時間散點分析結(jié)果大體相似，如果數(shù)據(jù)點基本分布在圖中對角線附近，則說明結(jié)果較為精準(zhǔn)，分別將兩種技術(shù)正態(tài)分布情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種技術(shù)正態(tài)分布情況

根據(jù)圖6所示對比結(jié)果可知，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)正位數(shù)為-4時，傳統(tǒng)技術(shù)輸入樣本量程在10～18范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)輸入樣本量程為9，與標(biāo)準(zhǔn)值一致；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)正位數(shù)為-3時，傳統(tǒng)技術(shù)輸入樣本量程在26～35范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)輸入樣本量程在16～19范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為18；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)正位數(shù)為-2時，傳統(tǒng)技術(shù)輸入樣本量程在42～49范圍內(nèi)，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)輸入樣本量程在22～28范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為23；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)正位數(shù)為3時，傳統(tǒng)技術(shù)輸入樣本量程為78，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)輸入樣本量程為65，與標(biāo)準(zhǔn)值一致；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)正位數(shù)為4時，傳統(tǒng)技術(shù)輸入樣本量程為78，而多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)輸入樣本量程在69～73范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值為71。因此，采用多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)對輸入樣本量程分析結(jié)果較為精準(zhǔn)。

3.3 實驗結(jié)論

綜上所述：采用多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)對理論分布概率分析結(jié)果與輸入樣本量程分析結(jié)果都比傳統(tǒng)技術(shù)分析結(jié)果精準(zhǔn)度要高。隨著匝道等待時間流逝，理論分布概率與標(biāo)準(zhǔn)值大體相似，最高吻合度可達(dá)到98%；而在標(biāo)準(zhǔn)正位數(shù)下，輸入樣本量程基本與標(biāo)準(zhǔn)值一致，且最高吻合度可達(dá)到99%。

由此可知，高速公路多匝道遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)研究是具有合理性的。

4 結(jié)束語

以高速公路多匝道為研究對象對其遠(yuǎn)程協(xié)同控制技術(shù)展開研究，分析協(xié)同環(huán)境，應(yīng)用模糊邏輯算法實現(xiàn)匝道控制，為以后實施該技術(shù)提供支持。綜合整個研究過程，可得到如下結(jié)論：

1)詳細(xì)分析多匝道控制原理，通過分析高速公路協(xié)同環(huán)境設(shè)計控制方案；

2)根據(jù)高速公路車輛運行情況以及交通流特征，選擇合適高速公路路徑規(guī)劃和誘導(dǎo)渠道，為匝道控制提供最優(yōu)解決方案；

3)采用匝道等待時間散點圖和正態(tài)分布情況對傳統(tǒng)技術(shù)與該技術(shù)的控制精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，由對比結(jié)果可知，該技術(shù)控制精準(zhǔn)度較高。

雖然設(shè)計的遠(yuǎn)程協(xié)同多匝道控制方案具有較高控制精準(zhǔn)度，但是在技術(shù)穩(wěn)定性和安全性方面研究仍然不足，因此，需進(jìn)一步調(diào)查研究實際效果，為高速公路高效運行提供支持。