一种高速公路车道动态管控方法

1.本发明属于车道管控技术领域，具体涉及一种高速公路车道动态管控方法。


背景技术：

2.我国高速公路客货混合通行问题突出，客车与货车在不同时间段流量差别较大、车速差别较大，容易引发堵塞与安全问题，增加了高速公路运营管理难度。而目前高速公路采取的客货车辆分道行驶静态管控方案，大多依靠经验值进行分析判断，实时性与准确性得不到提升。因此，基于高速公路交通流的时变性进行车道动态管控技术，逐渐成为管理高速公路客货混行交通的发展趋势。
3.车道动态管控能够通过先进的路侧检测设备，实时感知道路交通流信息，根据交通流信息更改车道限行措施，提升货运车辆的总体运输效率，减少客车频繁变速等不稳定状态，降低驾驶人的操作强度与出行时间成本，最终实现延误降低、通行能力提升以及出行者满意度的提高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种高速公路车道动态管控方法。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种高速公路车道动态管控方法，包括：
7.根据分车道车型与车流量，计算各类车道行驶车辆折算为标准小汽车的交通量；
8.基于标准小汽车的交通量，计算不同车道类型的道路行程时间；
9.以实现道路行程时间最低构建带有约束控制的目标函数；
10.求出目标函数最优解，生成客货车道最佳分配方案，按照最佳车道分配方案动态调整车道标识。
11.进一步地，所述各类车道行驶车辆折算为标准小汽车的交通量包括客车专用道的标准小汽车流量：
[0012][0013]
其中，x为客车专用道数量，z为混合车道数量，qk为检测到的高速公路客车流量总数，γ为采集的客车流量与转化为标准小汽车流量的客货车流量总数的比值，γz为混合车道中客车拥有的路权，(x+γz)为客车拥有的总路权。
[0014]
进一步地，所述各类车道行驶车辆折算为标准小汽车的交通量包括货车专用道的标准小汽车流量：
[0015][0016]
其中，y为货车专用道数量，z为混合车道数量，qh为检测到的高速公路货车流量总数，ρ为货车向客车的转化系数，δ为采集货车流量与转化为标准小汽车流量的客货车流量
总数的比值，δz为混合车道中货车拥有的路权，(y+δz)为货车拥有的总路权。
[0017]
进一步地，所述各类车道行驶车辆折算为标准小汽车的交通量包括客货混合车道的标准小汽车流量：
[0018][0019]
其中，xv1为转换为标准小汽车流量的客车流量，yv2为转换为标准小汽车流量的货车流量，qk+ρqh为转换为标准小汽车的总流量，z为混合车道数量。
[0020]
进一步地，所述不同车道类型的道路行程时间的计算公式为：
[0021][0022]
其中，t为不同车道类型的道路行程时间，t0为不同车道类型上自由流状态下的道路行程时间，v为路段标准小汽车的交通量，c为路段通行能力，α和β为待定参数。
[0023]
进一步地，所述带有约束控制的目标函数为：
[0024]
mint＝xt1+yt2+zt3[0025]
其中，x表示客车专用道数量，y表示货车专用道数量，z表示混合车道数量，t1、t2、t3分别表示在客车专用道、货车专用道与混合车道上的道路行程时间。
[0026]
更进一步地，所述约束包括：x+y+z＝n、0≤x＜n、0≤y＜n、0≤z≤n、x+z≥2和y+z≥2，其中n表示高速公路总车道数。
[0027]
进一步地，所述求出目标函数最优解，具体过程为：
[0028]
步骤(1)，设定模拟退火算法初始温度t、结束温度t'、温度下降速率v以及metropolis准则链长l；
[0029]
步骤(2)，随机产生目标函数的初始解i，并求出不同车道类型的道路行程时间f(i)；
[0030]
步骤(3)，设置迭代次数k＝0；
[0031]
步骤(4)，随机产生解i*，并求出不同类型车道上的道路行程时间f(i*)；
[0032]
步骤(5)，计算δ＝f(i*)-f(i)；
[0033]
步骤(6)，如果δ＜0，则接受解i*与f(i*)；如果δ＞0，则按照metropolis准则生成新的解；
[0034]
步骤(7)，按照metropolis准则，更新k＝k+1，判断迭代次数k与链长l的大小关系；
[0035]
步骤(8)，如果k＞l，则转到步骤(4)；如果迭代次数k≤l，则转到步骤(9)；
[0036]
步骤(9)，更新模拟退火算法温度t＝t*v，判断是否达到终止温度；
[0037]
步骤(10)，如果没有达到终止温度，则转到步骤(4)；如果达到终止温度，则迭代结束输出最优解。
[0038]
本发明的有益效果为：
[0039]
本发明根据采集的分车道车型与车流量数据，计算各类车道行驶车辆折算为标准小汽车的交通量，分别计算出不同车道类型(包括客车专用道、货车专用道以及混合车道)的道路行程时间，以实现道路行程时间最低构建带有约束控制的目标函数，求出目标函数最优解，生成客货车道最佳分配方案；本发明通过实时采集的分车道车型与车流量对车道
进行合理分配，保障车道交通行驶均衡，提高道路的利用率，避免造成道路资源浪费；将动态高速公路车道限行措施这一实际问题转化为道路行程时间最低的最优化求解问题，实现与可变情报板的无缝对接，提升用户出行效率与满意度。
附图说明
[0040]
图1为本发明所述高速公路车道动态管控方法流程图；
[0041]
图2为本发明使用模拟退火算法对带有约束条件的高速公路车道动态管控目标函数的最优化求解流程图；
[0042]
图3为本发明所述沪武高速沙溪枢纽至董浜枢纽路段车道实例图；
[0043]
图4为使用本发明所述模拟退火算法求解车道动态管控目标函数的变化曲线图；
[0044]
图5为本发明使用仿真技术验证不同车道方案平均车速变化的对比图；
[0045]
图6为本发明使用仿真技术验证不同车道方案空间占有率的对比图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0047]
如图1所示，本发明一种高速公路车道动态管控方法，具体包括以下步骤：
[0048]
步骤(1)，通过路侧感知设备采集分车道动态交通流数据，包括：车辆速度、车辆位置、车辆加速度、车型、车牌号等微观数据以及车流量、平均速度等宏观数据；
[0049]
步骤(2)，根据步骤(1)采集的分车道车型与车流量数据，计算各类车道行驶车辆折算为标准小汽车的交通量；具体为：
[0050]
每条客车专用道的标准小汽车流量计算公式为：
[0051][0052]
其中，x为客车专用道数量，也表示客车专用道中客车拥有的路权；z为混合车道数量；qk为检测到的高速公路客车流量总数；γ为采集的客车流量与转化为标准小汽车流量的客货车流量总数的比值；γz为混合车道中客车拥有的路权；(x+γz)为客车拥有的总路权。
[0053]
每条货车专用道的标准小汽车流量计算公式为：
[0054][0055]
其中，y为货车专用道数量，也表示货车专用道中货车拥有的路权；z为混合车道数量；qh为检测到的高速公路货车流量总数；ρ为货车向客车的转化系数；δ为采集货车流量与转化为标准小汽车流量的客货车流量总数的比值；δz为混合车道中货车拥有的路权；(y+δz)为货车拥有的总路权。
[0056]
每条客货混合车道的标准小汽车流量计算公式为：
[0057]
[0058]
其中，xv1为转换为标准小汽车流量的客车流量；yv2为转换为标准小汽车流量的货车流量；qk+ρqh为转换为标准小汽车的总流量。
[0059]
步骤(3)，基于道路行驶阻抗函数，分别计算出不同车道类型(包括客车专用道、货车专用道以及混合车道)的道路行程时间；
[0060]
道路行驶阻抗函数如下：
[0061][0062]
其中，t为不同车道类型的道路行程时间；t0为不同车道类型上自由流状态下的道路行程时间；v为路段标准小汽车的交通量；c为路段通行能力；α和β为待定参数，需根据实际交通调查来标定。
[0063]
步骤(4)，以实现道路行程时间最低构建带有约束控制的目标函数，将车道总数、行驶路权、保证超车条件进行约束控制；
[0064]
目标函数为：
[0065]
mint＝xt1+yt2+zt3ꢀꢀ
(5)
[0066]
其中，x表示客车专用道数量，y表示货车专用道数量，z表示混合车道数量，t1、t2与t3分别代表在客车专用道、货车专用道与混合车道上的道路行程时间。
[0067]
约束条件为：
[0068]
x+y+z＝n
ꢀꢀ
(6)
[0069]
n表示高速公路总车道数；
[0070]
且：
[0071]
0≤x＜n，x为整数
ꢀꢀ
(7)
[0072]
0≤y＜n，y为整数
ꢀꢀ
(8)
[0073]
0≤z≤n，z为整数
ꢀꢀ
(9)
[0074]
该约束条件保证客货车无论流量大小都能在高速上拥有路权；
[0075]
且：
[0076]
x+z≥2
ꢀꢀ
(10)
[0077]
y+z≥2
ꢀꢀ
(11)
[0078]
该约束条件保证客货车能够超车。
[0079]
步骤(5)，基于模拟退火算法求出目标函数最优解，生成客货车道最佳分配方案；如图2所示，具体求解步骤如下：
[0080]
步骤(5.1)，设定模拟退火算法初始温度t、结束温度t'、温度下降速率v以及metropolis准则链长l；
[0081]
步骤(5.2)，随机产生客货分道行驶动态管控目标优化函数的初始解i，并求出各类车道上的道路行程时间f(i)；
[0082]
步骤(5.3)，设置迭代次数k＝0；
[0083]
步骤(5.4)，随机产生新的客货车道分配方案的新的解i*，并求出不同类型车道上的道路行程时间f(i*)；
[0084]
步骤(5.5)，计算初始解i和新的解i*的目标函数差δ＝f(i*)-f(i)；
[0085]
步骤(5.6)，如果差值小于0，则接受新的解i*与目标函数值f(i*)；如果差值大于0，则按照metropolis准则生成新的解；
[0086]
步骤(5.7)，按照metropolis准则，更新k＝k+1，判断迭代次数与链长l的大小关系；
[0087]
步骤(5.8)，如果迭代次数k小于等于链长l，则转到步骤(5.4)；如果迭代次数k小于等于链长l，则转到步骤(5.9)；
[0088]
步骤(5.9)，更新模拟退火算法温度t＝t*v，判断是否达到终止温度；
[0089]
步骤(5.10)，如果没有达到终止温度，则转到步骤(5.4)；如果达到终止温度，则迭代结束输出最优解。
[0090]
步骤(6)，按照最佳车道分配方案动态调整车道标识，并实时发布在道路两侧可变信息板，提供行驶车辆及时调整车道路线的缓冲区。
[0091]
下面结合具体实例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0092]
图3为沪武高速沙溪枢纽至董浜枢纽路段的一条单向三车道，该高速公路交通组织为内侧1个车道为客车专用车道，外侧2个车道为客货混合车道。在服务区和互通出入口处，内侧行驶的客车需要穿越多个车道进入出入口，客车换道冲突点多。采用本发明提出的高速公路动态车道管控方法对其制定车道管控策略，具体包括以下步骤：
[0093]
步骤(1)，高速公路路侧感知设备能够实现多维公路信息采集，使用雷达拟合技术采集车流量和分车道车型。表1为沙溪枢纽至董浜枢纽路段总长14km的早高峰期间某10分钟统计的车道级交通流信息。
[0094]
表1沙溪枢纽至董浜枢纽路段交通流量采集数据(早高峰期间某10分钟统计)
[0095][0096]
步骤(2)，根据步骤(1)采集的分车道车型与车流量数据，分别计算各类车道的标准小汽车流量，需注意的是，本实例道路不含货车专用道，只需计算客车专用道以及客货混行道的标准小汽车流量，其中，货车向客车的转化系数为2.0；具体结果如下：
[0097][0098][0099]
步骤(3)，根据步骤(2)计算得出的客车专用道与客货混行道的标准小汽车流量，使用道路阻抗函数求出每类车道上的道路行程时间，不同车道类型上自由流状态下的行程时间t0为路段长度与最高限速的比值，在我国高速公路背景下，当设计速度为120km/h时，基本通行能力为2200pcu/h/in，而客车专用道实际通行能力比一般高速公路的实际通行能力提高15％以上，故取客车专用道的基本通行能力为2530pcu/h/in；待定系数α和β在本实例中根据实际交通流调查标定为0.15、4；具体结果如下：
[0100][0101][0102]
步骤(4)，根据步骤(2)和步骤(3)的求解结果，构建本发明提出的以实现道路行程时间最低的高速公路动态车道管控目标函数，x1与x2分别表示本实例中的高速公路客车专用道与客货专用道，具体如下：
[0103]
mint＝7.03x1+8.51x2[0104]
考虑到本实例道路没有设置货车专用道，故只考虑路权和超车两类约束条件，具体的约束条件为：
[0105]
0≤x1＜3，x1为整数
[0106]
0≤x2＜3，x2为整数
[0107]
x1+x2≥2
[0108]
步骤(5)，使用matlab编写模拟退火代码求解车道动态管控目标函数最优解，设置初始温度t为100，结束温度t'为1，最大迭代次数maxgen为1000，温度下降速率v为0.95，metropolis链长为100，最终得出最佳组合为x1＝1.0018、x2＝1.0017，此时最优值t＝15.5672，目标函数变化曲线如图4所示。
[0109]
为了检测模拟退火算法求解的准确性，本发明利用交通仿真技术针对不同车道分配方案依次对车速与空间占有率进行验证，仿真结果见图5、6，将模拟退火算法得出的最优解方案，即1条客车专用道、1条客货混行道以及1条货车专用道与其他两种车道分配方案对比，结果显示模拟退火算法求解出的最佳车道管控方案平均车速为102.85km/h、空间占有率达23％，在三种方案里效果较好，故得出在沙溪枢纽至董浜枢纽路段10分钟内最佳车道管控方案为：1条客车专用道、1条客货混行道以及1条货车专用道。
[0110]
步骤(6)，道路两侧可变信息板实时发布步骤(5)得出的最佳车道管控方案，车道标识牌同步调整，同时设置缓冲区以供行驶车辆及时做出反应。
[0111]
综上所述，经过理论以及实例展示，本发明提出的一种高速公路动态车道管控方法，能够结合分车道车型与车流量对车道进行合理划分，保证车道交通流均衡分布，提高高速公路道路利用率，并且满足车辆的超车需求。
[0112]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。