一种基于时间稳定性的高速公路限速控制方法与流程

本发明属于智能交通管理与控制技术领域，尤其涉及一种基于时间稳定性的高速公路限速控制方法。

背景技术：

近年来，随着我国经济的快速发展，人民的生活水平日益提高，机动车保有量也日益增加。根据公安部相关数据显示，截止2018年底，我国机动车保有量达到3.25亿辆，且仍然保持快速增长的态势。剧增的机动车带来了严重的交通拥堵、尾气排放等一系列社会问题，同时也造成了很大的安全影响。根据国家统计局数据，2016年全国交通事故发生数达212846起，交通事故受伤人数总计226430人，交通事故死亡人数总计63093人。在众多的交通事故中，高速公路由于车辆运行速度快的特点，占据了很大的事故比例。如何对高速公路进行有效限速从而改善交通安全，显得至关重要。

已有研究通过动态限速控制的方法，以期实现对高速公路上车辆速度的动态调整，从而降低事故风险，提高交通安全。然而，已有控制方法存在明显的缺陷。已有动态限速控制过程中，只考虑了上下游路段限速值差异性过大，从而导致车辆在运行过程中的骤然减速的行为，但缺乏对限速控制时间稳定性的考虑。限速控制是一个多周期过程，在相邻两个时间周期同一路段限速控制变化过大，同样也会导致车辆运行过程中的速度突变，从而造成严重的安全隐患，已有限速控制缺乏在时间稳定性方面的研究。

技术实现要素：

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种基于时间稳定性的高速公路限速控制方法，通过控制中心-路侧情报板-路段检测器这三者之间的紧密衔接，将时间稳定性约束融合于限速控制过程，克服已有控制方法存在的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种基于时间稳定性的高速公路限速控制方法，包括如下步骤：

s1：将高速公路分段，各路段顺次编号为i＝1,2,…,i，在各路段设置路侧情报板和路段检测器，检测器采集交通数据信息，并传送至控制中心；

s2：将限速控制总时长分为t个周期，t为周期序号，t＝1,2,…,t，在第t＝1个周期，控制中心计算路段i处的限速值vi(1)，并发布于路侧情报板；

s3：在第t＝2,3,…,t个周期，控制中心计算下游第一个路段i＝1处的限速值v1(t)，并发布于路侧情报板；

s4：在第t＝2,3,…,t个周期，对除下游第一个路段以外的其他路段i，计算第j种空间限速函数计算所得的备选限速值mi,j(t)：

其中，fj为限速函数集合中第j种空间限速函数，j＝1,2,…,j，j＝5，mi-1,j(t)为第t个周期与路段i相邻的下游位置i-1处的备选限速值；

五种空间限速函数分别为：

f1[x]＝x+10；

f2[x]＝x+15；

其中，x为空间限速函数输入值，a为路段平均减速参数，li为路段i的长度；

s5：在第t＝2,3,…,t个周期，根据步骤s4中的备选限速值，基于时间稳定性选择最优空间限速函数ft：

其中：vi(t-1)为路段i第t-1个周期的最终限速值，δv为时间稳定性约束参数，其取值根据高速公路历年事故数据进行分析获得；

求解上述优化问题，得到最优解j*对应的最优空间限速函数为ft，即ft＝fj*；

s6：在第t＝2,3,…,t个周期，根据步骤s5中的最优空间限速函数，计算第t个周期除下游第一个路段以外的其他路段i的最终限速值vi(t)，并发布于路侧情报板；

vi(t)＝ft[vi-1(t)],i＝2,3,...,i

其中vi-1(t)为第t个周期与路段i相邻的下游位置i-1处的最终限速值；

s7：判断是否满足t＝t，若t＝t，则结束限速；否则，t＝t+1，转入步骤s3。

进一步的，步骤s2中，在第t＝1个周期，控制中心计算的下游第一个路段i＝1处的限速值v1(1)等于该路段检测器采集所得的该路段平均速度值，其他路段限速值为vi(1)＝f1[vi-1(1)]，i＝2,3,…,i，f1为第一种空间限速函数。

进一步的，步骤s3中，在第t＝2,3,…,t个周期，控制中心计算的下游第一个路段i＝1处的限速值v1(t)等于该路段检测器采集所得的该路段平均速度值。

进一步的，步骤s5中，时间稳定性约束参数δv取值为5km/h。

进一步的，a取值范围为(120²-115²)/(2li)≤a≤(120²-60²)/(2li)

进一步的，各路段长度为1km-5km。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

本发明方法设计简单，易于计算，针对已有高速公路动态限速控制研究中存在的时间不稳定性问题，将时间稳定性约束融合于限速控制过程，通过控制中心-路侧情报板-路段检测器这三者之间的紧密衔接，能够很好的实现限速控制，通过时间稳定性约束，能够克服已有高速公路动态限速控制的缺陷，减少限速控制的时间不稳定性，有效提高高速公路的交通安全。

基于时间稳定性的高速公路限速控制方法对改善我国高速公路的交通安全现状具有非常重要的工程运用价值。

本发明可以在有效降低车辆运行速度，改善交通安全的同时，解决限速控制时间不稳定的问题，因此具有很强的应用前景。

附图说明

图1为本发明的总体控制流程图；

图2为高速公路限速控制示意图；

其中：1-控制中心，2-路侧情报板，3-路段检测器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明提出的基于时间稳定性的高速公路限速控制方法，由路段检测器3采集交通数据并传输至控制中心1，控制中心1计算备选限速值，基于时间稳定性选择最优空间限速函数，确定最终限速值，并发布于路侧情报板2，具体步骤为：

s1:将高速公路分段，各路段编号为i＝1,2,…,i，在各路段设置路侧情报板和路段检测器，检测器采集交通数据信息，传送至控制中心，分段间隔一般为1km、2km、或者5km；

s2:将限速控制总时长分为t个周期，t为周期序号，t＝1,2,…,t。在第t＝1个周期，控制中心计算路段i处的限速值vi(1)，并发布于路侧情报板；

s3:在第t＝2,3,…,t个周期，控制中心计算下游第一个路段i＝1处的限速值v1(t)，并发布于路侧情报板，一个周期一般为30s或者1min；

s4:在第t＝2,3,…,t个周期，对除下游第一个路段以外的其他路段i，计算第j种空间限速函数计算所得的备选限速值mi,j(t)：

其中fj为限速函数集合中第j种空间限速函数，j＝1,2,…,j，j＝5，mi-1,j(t)为第t个周期与路段i相邻的下游位置i-1处的备选限速值；

五种空间限速函数分别为：

f1[x]＝x+10，

f2[x]＝x+15，

其中，x为空间限速函数输入值(备选限速值)，a为路段平均减速参数，li为路段i的长度。

s5:在第t＝2,3,…,t个周期，根据步骤s4中的备选限速值，基于时间稳定性选择最优空间限速函数ft：

其中：vi(t-1)为路段i第t-1个周期的最终限速值，δv为时间稳定性约束参数；

求解上述优化问题，得到最优解j*对应的最优空间限速函数为ft，即ft＝fj*；

s6:在第t＝2,3,…,t个周期，根据步骤s5中的最优空间限速函数，计算第t个周期除下游第一个路段以外的其他路段i的最终限速值vi(t)，并发布于路测情报板，

vi(t)＝ft[vi-1(t)],i＝2,3,...,i

其中vi-1(t)为第t个周期与路段i相邻的下游位置i-1处的最终限速值；

s6:判断是否满足t＝t，若t＝t，则结束限速；否则，t＝t+1，转入步骤s3。

步骤s2中，在第t＝1个周期，控制中心计算的下游第一个路段i＝1处的限速值v1(1)等于该路段检测器采集所得的该路段平均速度值，其他路段限速值为vi(1)＝f1[vi-1(1)]，i＝2,3,…,i，f1为第一种空间限速函数。

步骤s3中，在第t＝2,3,…,t个周期，控制中心计算的下游第一个路段i＝1处的限速值v1(t)等于该路段检测器采集所得的该路段平均速度值。

步骤s5中，时间稳定性约束参数δv的取值根据高速公路历年事故数据进行分析获得。

以下将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

图2所示为一条单向三车道(双向六车道)的高速公路，图中标号含义为：1-控制中心，2-路侧情报板，3-路段检测器。采用本发明对该高速公路进行控制。

步骤1，将高速公路分段，共3个路段，各路段编号为i＝1,2,…,i，i＝3，在各路段设置路侧情报板和路段检测器，检测器采集交通数据信息，传送至控制中心，路段长度li都为1km。

步骤2，将限速控制总时长分为t个周期，t为周期序号，t＝1,2,…,t，t＝3。在第t＝1个周期，控制中心计算下游路段i处的限速值vi(1)，并发布于路侧情报板；控制中心计算的下游第一个路段i＝1处的限速值v1(1)等于该路段检测器采集所得的该路段平均速度值，假设为40km/h；其他路段限速值为vi(1)＝f1[vi-1(1)]，i＝2,3，f1为第一种空间限速函数f1[x]＝x+10，则：

v2(1)＝f1[v1(1)]＝40+10＝50km/h

v3(1)＝f1[v2(1)]＝50+10＝60km/h

步骤3，在第2个周期，控制中心计算下游第一个路段i＝1处的限速值v1(2)，并发布于路侧情报板；v1(2)等于该路段检测器采集所得的该路段平均速度值，假设为30km/h。

步骤4，在第2个周期，对除下游第一个路段以外的其他路段i，计算第j种空间限速函数计算所得的备选限速值mi,j(t)，假设j＝1,2,…,j，j＝5，

考虑相邻两个路段的平均速度分别从120km/h减速到115km/h、60km/h(高速公路最低运行速度)，a取值范围为(120²-115²)/(2li)≤a≤(120²-60²)/(2li)，当li等于1km时，计算可以得到a的取值为587.5-5400km/h²。本实施例中，a取1000km/h²，li为路段i的长度1km。

m2,1(2)＝f1[v1(2)]＝30+10＝40km/h

m3,1(2)＝f1[m2,1(2)]＝40+10＝50km/h

m2,2(2)＝f2[v1(2)]＝30+15＝45km/h

m3,2(2)＝f2[m2,2(2)]＝45+15＝60km/h

步骤5，根据步骤4中的备选限速值，基于时间稳定性选择最优空间限速函数ft，δv为时间稳定性约束参数取值为5km/h：

a2,1(2)＝1,|m2,1(2)-v2(1)|＝|40-50|＞5

a3,1(2)＝1,|m3,1(2)-v3(1)|＝|50-60|＞5

a2,2(2)＝0,|m2,2(2)-v2(1)|＝|45-50|≤5

a3,2(2)＝0,|m3,2(2)-v3(1)|＝|60-60|≤5

a2,3(2)＝0,|m2,3(2)-v2(1)|＝|53.85-50|≤5

a3,3(2)＝1,|m3,3(2)-v3(1)|＝|70-60|＞5

a2,4(2)＝1,|m2,4(2)-v2(1)|＝|58.85-50|＞5

a3,4(2)＝1,|m3,4(2)-v3(1)|＝|78.91-60|＞5

a2,5(2)＝1,|m2,5(2)-v2(1)|＝|88.85-50|＞5

a3,5(2)＝1,|m3,5(2)-v3(1)|＝|134.47-60|＞5

j＝1时，

j＝2时，

j＝3时，

j＝4时，

j＝5时，因此，求得最优解j*＝2，即ft＝f2。

步骤6，根据步骤5中的最优空间限速函数f2，计算第2个周期除下游第一个路段以外的其他路段i的最终限速值vi(2)，并发布于路测情报板；

v2(2)＝f2[v1(2)]＝45km/h

v3(2)＝f2[v2(2)]＝60km/h

步骤7，判断是否满足t＝t，2≠3，则t＝t+1＝3，转入步骤3)；

进入周期t＝3，重复步骤3至步骤7进行限速计算，当满足t＝t时，结束限速。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。