城市快速路入口匝道控制方法研究綜述

王智

摘 要：針對(duì)城市快速路擁堵問題，對(duì)城市快速路入口匝道控制方法進(jìn)行研究。對(duì)快速路入口匝道單點(diǎn)控制方法與協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行總結(jié)，對(duì)快速路匝道常見的控制算法ALINEA算法及其改進(jìn)算法、METALINEA算法、SWARM算法、HELPER算法以及未來發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)介紹。

關(guān)鍵詞：快速路;控制方法;ALINEA算法

中圖分類號(hào)：U491.54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

城市快速路為城市內(nèi)部交通運(yùn)行的主動(dòng)脈，其通行能力、行駛速度、服務(wù)水平等均高于城市內(nèi)其它普通道路;但隨著汽車保有量的不斷增多，城市快速路擁堵狀況時(shí)有發(fā)生。城市快速路擁堵多發(fā)生于其出、入口匝道，進(jìn)出快速路車輛與快速路主線車輛相互交織，使得快速路主線行駛速度下降，通行能力降低。

1 城市快速路控制方法

城市快速路與其它道路通過匝道相連接，對(duì)城市快速路匝道進(jìn)行控制是緩解城市快速路交通擁堵的重要方法。城市快速路匝道控制按照控制匝道數(shù)目進(jìn)行分類可以分為匝道單點(diǎn)控制和匝道協(xié)調(diào)控制。

1.1 城市快速路單點(diǎn)控制

單點(diǎn)控制是對(duì)城市快速路單一的入口匝道進(jìn)行控制，主要應(yīng)用實(shí)際的交通流數(shù)據(jù)通過入口匝道信號(hào)燈對(duì)進(jìn)入匝道的車流量進(jìn)行控制。單點(diǎn)控制方法可以分為定時(shí)控制、感應(yīng)控制與智能控制。

定時(shí)控制是最簡(jiǎn)單的控制方法，是根據(jù)歷史交通流數(shù)據(jù)確定固定的信號(hào)周期和相位，按時(shí)允許一定量的車輛駛?cè)朐训?，適用于交通流穩(wěn)定的情況，缺少對(duì)交通流變化的適應(yīng)性。感應(yīng)控制是在快速路與快速路匝道上設(shè)有地磁、雷達(dá)、線圈等交通檢測(cè)器來獲得道路實(shí)時(shí)交通運(yùn)行信息，通過控制算法對(duì)快速路入口匝道進(jìn)行控制，單點(diǎn)控制算法主要包括ALINEA算法、ZONE算法等。匝道智能控制是通過智能交通系統(tǒng)對(duì)入口匝道進(jìn)行控制的方法，智能控制方法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、支持向量機(jī)控制、無模型自適應(yīng)控制等。

1.2 城市快速路協(xié)調(diào)控制

協(xié)調(diào)控制是對(duì)快速路控制系統(tǒng)內(nèi)所有或者部分相關(guān)聯(lián)的入口匝道同時(shí)進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)各個(gè)入口匝道的匝道調(diào)節(jié)率，使得主線的交通流運(yùn)行處于最佳和最穩(wěn)定的狀態(tài)。協(xié)調(diào)控制可以分為合作型控制、競(jìng)爭(zhēng)型控制以及一體化型協(xié)調(diào)控制。

合作型匝道控制是先對(duì)每個(gè)匝道進(jìn)行單點(diǎn)控制，得出每個(gè)匝道的最佳匝道調(diào)節(jié)率，在此基礎(chǔ)上考慮快速路主線瓶頸路段的交通堵塞和關(guān)鍵匝道的排隊(duì)溢出，進(jìn)一步對(duì)每個(gè)匝道的調(diào)節(jié)率進(jìn)行合理調(diào)整，達(dá)到快速路系統(tǒng)整體通行效率最優(yōu)的控制方法。匝道合作型控制是一種改進(jìn)的單點(diǎn)控制策略，能夠在一定程度上改善交通運(yùn)行狀態(tài)，合作型匝道控制算法主要包括HELPER算法和LINK-RAMP控制算法。競(jìng)爭(zhēng)型控制是選定兩組匝道，分析兩組匝道的單個(gè)匝道交通狀況以及全局的交通狀況，將兩組匝道中限制更嚴(yán)格的匝道作為調(diào)節(jié)率計(jì)算的基礎(chǔ)。競(jìng)爭(zhēng)型匝道控制是犧牲交通運(yùn)行狀況較好匝道通行能力來滿足關(guān)鍵匝道的控制方法，競(jìng)爭(zhēng)型匝道控制算法主要包括瓶頸路段控制算法COMPASS控制算法、以及SWARM控制算法。一體化協(xié)調(diào)控制是先設(shè)立系統(tǒng)控制目標(biāo)，考慮系統(tǒng)約束條件，通過一定的控制策略來求解各個(gè)快速路匝道的調(diào)節(jié)率。通常以系統(tǒng)總行程時(shí)間最小，快速路主線通過量最大或各入口匝道總流入量最大等作為目標(biāo)，以快速路主線運(yùn)行速度、入口匝道通行能力等為約束條件進(jìn)行求解。一體化協(xié)調(diào)控制方法主要包括模糊邏輯控制算法、線性規(guī)劃控制算法、SPER22RY控制算法、BALL AEROSPSCE/FHWA控制算法以及動(dòng)態(tài)匝道控制算法。

2 匝道控制的典型算法

2.1 ALINEA算法及其改進(jìn)算法

ALINEA算法由Papageotgiou與1991年提出，是最為經(jīng)典的匝道控制方法。它通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)匝道下游主線占有率，與期望占有率進(jìn)行比較，根據(jù)兩者之差確定入口匝道的匯入率，保證下游主線通行能力最大。ALINEA算法是基于PID的控制模型，PID的一般形式以及傳遞函數(shù)如式（2-1）所示。

ALINEA是一種循序漸進(jìn)改變控制率的控制方法，能夠較好的緩解交通擁堵，所以很多學(xué)者在ALINEA算法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)算法，比如AD-ALINEA算法、FL-ALINEA算法等。

2.2 METALINEA算法

ALINEA算法及其改進(jìn)是單點(diǎn)控制算法，Papageorgiou等于2001年在ALINEA的基礎(chǔ)上提出了多匝道協(xié)調(diào)控制的METALINEA算法。METALINEA算法通過將多個(gè)入口匝道下游主線檢測(cè)到的占有率建立控制矩陣，綜合計(jì)算各個(gè)匝道的調(diào)節(jié)率，以達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化。其調(diào)節(jié)公式如（2-2）所示：

METALINE算法在計(jì)算時(shí)較為復(fù)雜，且實(shí)際運(yùn)用效果與K的取值關(guān)系較大，所以對(duì)算法運(yùn)用者的水平提出了更高的需求。在法國巴黎、荷蘭阿姆斯特丹等地對(duì)METALINEA算法進(jìn)行過實(shí)地測(cè)試及應(yīng)用，均表現(xiàn)出比獨(dú)立ALINEA算法更為優(yōu)越的控制效果。

2.3 SWARM算法

SWARM是全系統(tǒng)自適應(yīng)匝道控制系統(tǒng)，基于預(yù)測(cè)交通流密度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。SWARM算法在快速路匝道協(xié)調(diào)層和單點(diǎn)層計(jì)算出各自調(diào)節(jié)率，以其中最小調(diào)節(jié)率對(duì)匝道進(jìn)行控制，目的是保證道路上每個(gè)路段的交通流密度都低于飽和交通流密度。因SWARM依賴于預(yù)測(cè)交通密度進(jìn)行交通控制，交通預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)模型影響巨大。

2.4 HELPER算法

HELPER算法在進(jìn)行協(xié)調(diào)控制時(shí)設(shè)立單點(diǎn)控制層與協(xié)調(diào)控制層。單點(diǎn)控制層對(duì)每個(gè)匝道設(shè)置6個(gè)控制級(jí)別，在運(yùn)行時(shí)根據(jù)上游車道占有率選擇一個(gè)控制級(jí)別，當(dāng)匝道排隊(duì)過長(zhǎng)則提升一個(gè)控制級(jí)別。當(dāng)某條匝道連續(xù)三個(gè)周期處于最大級(jí)別則視其為關(guān)鍵匝道并進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)控制層，降低上游匝道控制級(jí)別將關(guān)鍵匝道交通量分配給上游匝道，減輕關(guān)鍵匝道交通壓力。

3 結(jié)論與展望

快速路入口匝道控制是緩解城市快速路擁堵的重要手段，專家學(xué)者已在單點(diǎn)控制方法、協(xié)調(diào)控制方法上有了較多研究，能夠更大程度發(fā)揮城市快速路的交通通道職能。然而由于控制過程復(fù)雜，交通流變化難以全時(shí)掌握，在實(shí)際應(yīng)用上仍有所欠缺。交通大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)與城市快速路匝道控制方法相結(jié)合能夠更好的解決城市快速路擁堵問題，這些方面可以進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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