高速公路施工区的出入口匝道交通流管控方法

1.本技术涉及交通管控技术领域，特别是涉及一种高速公路施工区的出入口匝道交通流管控方法。


背景技术：

2.在交通强国的政策导向与实际道路扩容的现实需求下，对已有高速公路的拓宽改建显得十分必要且未来高速公路改扩建是主流工况。如何科学、安全、有效的制定针对在不中断交通情况下，改扩建高速公路拥堵事件下的管理控制策略并科学地实施，是当下高速公路交通管理部门的技术难题与业务痛点。
3.现阶段针对高速公路主线瓶颈区域交通拥挤问题，解决方案主要包括主线限速控制、匝道控制以及主线和匝道协调控制方法。改扩建情况下，单一的主线限速控制方法对出入口匝道较近路段效果一般，且频繁的速度变化在改扩建路段并不具备此现实条件；匝道控制方法因改扩建路段封锁，特定入口匝道上游主线交通流量较大时，该控制方法失效；同时仅用单一的入口匝道管控，而缺少出口匝道分流，使得交通管控效果不佳。
4.故现阶段的高速公路管模型很少有针对改扩建条件下的综合协同管控模型，故亟需结合高速公路改扩建交通流特点，采用出入口匝道综合协调控制方法，以此有效解决现阶段缺少针对改扩建条件下的高速公路控制方案的不足。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在高速公路改扩建期间提高交通管控的准确度和及时性的施工区的出入口匝道交通流管控方法。
6.具体地，一种高速公路施工区的出入口匝道交通流管控方法，所述方法包括：
7.s1、利用施工区检测器获取高速公路主线的道路流量数据；
8.s2、根据道路基础物理环境构建路网结构图；
9.s3、路网基础信息分析：基于路网结构图，获取并划分改扩建主线高速公路网内的车辆相对通行路径集合l、路段及路网拥堵信息，并对改扩建高速公路主线各收费站通道数量进行识别；
10.s4、交通流管控时机判别：根据所述流量数据进行分析，通过高速公路的路段拥挤度、路网拥挤度与拥堵里程等指标建立路网诱导分流决策树，在道路拥堵情况达到临界值时，判定进行分流管控；
11.s5、出入口匝道交通流管控：根据改扩建高速公路主线流量及路段拥挤度控制指标，采用诱导分流与收费站管控两种手段对主线流量进行管控至路段拥挤度恢复正常值。
12.具体地，所述构建路网结构图的过程包括以下步骤：
13.s21、获取连接改扩建高速公路的普通国省干线与高速公路；
14.s22、去除低等级支路，该低等级支路包括低等级农村公路和大型车辆不可通行的含桥隧路段；
15.s23、以互通立交作为节点，普通国省干线与高速公路作为边，构建路网结构图。
16.具体地，所述路网基础信息分析的过程包括以下步骤：
17.通过获取改扩建主线高速公路的车辆相对通行路径集合l，其组成可达路径的集合为：l＝{l1,l2,
…
ln}，其中li为第i条可达路径；路段及路网拥堵信息包括路段流量、路网拥挤度路段拥挤度以及拥堵里程；对改扩建高速公路网内的各收费站通道数量进行识别，得到各管控节点on，其中on表改扩建高速公路主线上的第n个收费站管控节点。
18.具体地，所述交通流管控时机判别的过程包括以下步骤：
19.s41、对路网条件进行基础定性分析，判别是否具有分流的物理条件；
20.s42、拥有具备分流的物理条件后，计算所述高速公路的路段拥挤度与路网拥挤度指标，并读取道路拥堵里程数据；
21.s43、通过计算得出的指标对照高速公路大流量路段拥堵预警级别表、高速公路大流量路网拥堵预警级别表确定分流决策树；
22.当交通拥堵预警发生，实时监测到交通拥堵出现时，对路网的拥挤度进行监控；
23.当路网拥挤度超过5％时，考虑扩大管控范围或其他方法，不启动；
24.当路网拥挤度小于5％时，此时考虑施工路段的拥挤度；
25.当施工路段拥挤度小于0.75时，考虑该路段的排队长度；
26.当施工路段拥挤度大于0.75时，考虑平行路段的拥挤度；
27.当施工路段的排队长度小于到上游路段的入口匝道距离时，不启动出入口匝道管控策略，当施工路段的排队长度大于到上游路段的入口匝道距离时，考虑平行路段的拥挤度：
28.当平行路段拥挤度大于等于0.75时，不启动策略；
29.当平行路段拥挤度小于0.75时，启动出入口匝道管控策略。
30.具体地，所述出入口匝道交通流管控的过程包括以下步骤：
31.通过对改扩建高速公路主线流量及路段拥挤度进行控制，采用诱导分流与收费站管控缓解主线高速公路交通拥堵；
32.诱导分流指的是对进入收费站前的车流进行“0-1”开关选择诱导，通过进入收费站节点n的总交通量qn(k)，乘上在交通节点n处设置“0-1”开关的分流率进行控制收费站出入口匝道节点桥接外来流量或分离部分流量；
33.收费站管控指的是通过调整改扩建高速公路上各收费站节点的开放数目λ
o,c
来调节收费站通行的能力；
34.具体地，所述高速公路的路段拥挤度、路网拥挤度、道路拥堵里程指标的计算过程包括以下步骤：
35.所述路段拥挤度、路网拥挤度与拥堵里程的计算限定公式为：
36.f＝v/c
ꢀꢀꢀ
(1)
37.式中f为施工区路段拥挤度，v为当前道路实际检测车流量，c为当前道路最大车流量；
[0038][0039]
式中fn为路网拥挤度，l为路网总里程，m为处于拥堵等级的路段数量，di为处于拥
堵状态道路i的拥堵里程。
[0040]
ln≤lmꢀꢀꢀ
(3)
[0041]
式中ln指拥堵里程，lm指瓶颈区至上游匝道口的距离。
[0042]
具体地，所述入口匝道交通流管控模型计算包括以下步骤：
[0043]
所述的“0-1”开关的分流率其具体计算公式为：
[0044][0045]
式中，为该点最后的分流比例，表示该点的自由分流比例，x表示驾驶员诱导信息的服从率，pn表示n节点处的诱导开关，只能取0或1，分别表示该点不实施诱导和实施诱导。
[0046]
所述的入口匝道交通流管控模型，集成收费站开放数目λ
o,c
与分流率对收费站排队的影响，并取收费站通行能力与节点交通需求之间取最小值对车道流量进行控制，其具计算公式为：
[0047][0048]
式中，qo(k)表示在节点o主线高速公路管控后的车流量，q
i,j
(k)表示在k时段内起点i处驶往终点j处的车流量，do(k)表示在k时段内到达节点o的车辆数，qc表示该节点o一个收费口的通行能力，λ
o,c
则表示在k时刻o点处的收费站开放的收费站匝道口数目，该值需小于该收费站总收费匝道口数以及道路进入需求数；d
jam
为阻塞密度，d
s,1(k)
表示的是与起点相邻的下游路段第一段的密度。
[0049]
当新的施工路段拥挤度f’＝qo(k)/c≤0.75时，诱导分流与收费站管控停止，否则再次进行入口匝道交通流管控。
[0050]
本发明的有益效果是：
[0051]
本发明根据高速公路改扩建交通运行特征，通过获取路网运行数据，对高速公路改扩建拥堵拥堵管控时机进行了量化判别；本发明分别从诱导分流与收费站管控两个方面对改扩建主线高速公路的车辆进行控制，提出了更为综合与新颖的计算方法。解决了现阶段缺少针对改扩建条件下的高速公路综合管控方案的不足，提高了交通管控的准确度和及时性，以此缓解在常发性与偶发性交通拥堵条件下，改扩建高速公路主线上的交通压力，减少车辆积压同时减少交通事故的发生。
附图说明
[0052]
图1为本发明实施例中高速公路施工区的出入口匝道交通流管控方法的流程示意图；
[0053]
图2为本发明实施例中京沪高速改扩建诱导分流路段的路网结构图；
[0054]
图3为本发明实施例中出入口匝道管控策略启动判断决策树示意图；
[0055]
图4为本发明实施例中收费站管控开放通道数随时间变化图；
[0056]
图5为本发明实施例中诱导分流管控诱导开关随时间变化示意图；
具体实施方式
[0057]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0058]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种高速公路施工区的出入口匝道交通流管控方法，以该方法应用于京沪改扩建工程沂淮江段为例进行说明，包括以下步骤：
[0059]
s1、利用施工区检测器获取高速公路主线的道路流量数据。
[0060]
s2、根据道路基础物理环境构建路网结构图；。
[0061]
s3、基于路网结构图，获取改扩建主线高速公路网内的车辆相对通行路径集合l、路段及路网拥堵信息，并对改扩建高速公路主线各收费站通道数量进行识别；
[0062]
s4、根据所述流量数据进行分析，通过高速公路的路段拥挤度、路网拥挤度与拥堵里程等指标建立路网诱导分流决策树，在道路拥堵情况达到临界值时，判定进行分流管控。
[0063]
s5、根据改扩建高速公路主线流量及路段拥挤度控制指标，采用诱导分流与收费站管控两种手段对主线流量进行管控至主线拥堵缓解。
[0064]
本实例的研究对象为京沪高速公路江苏沂淮淮江段的改扩建施工工程，选取从段宅枢纽至王兴枢纽路段作为研究路段，根据道路基础物理环境构建路网结构简图，划分改扩建主线高速公路的车辆相对通行路径l1,l2,l3；选取新沂东互通收费站节点o1,o2与京沪高速与山深线的连接线上的收费站节点o1,o2为入口匝道管控节点，三条分流路线具体路径如图2所示。
[0065]
k1：自京沪高速段宅枢纽s49出口离开至新扬高速(s49),沿新扬高速行驶至宿迁南枢纽，从g2513出口转向淮徐高速(g2513)，沿淮徐高速行驶至淮安西枢纽，从南京/盐城出口上长深高速(g25)，沿长深高速行驶至王兴枢纽，从g2出口上京沪高速，全程160公里。
[0066]
k2：自京沪高速新沂枢纽出口进入连霍高速(g30)，沿连霍高速行驶至锦屏枢纽，从g30出口上沈海高速(g15)，沿沈海高速行驶至灌云北枢纽，从淮安出口进入长深高速，沿长深高速行驶至王兴枢纽，从g2出口进入京沪高速，全程260公里。
[0067]
k3：车辆从京沪高速新沂东互通双塘/s323出口下高速至新沂东互通连接线，沿此连接线一直行驶，行驶至山深线(g205)，之后一直沿着山深线(g205)向南行驶，行驶至潼阳互通连接线，沿此连接线通过潼阳收费站后，重新驶入京沪高速，总行程43公里。
[0068]
通过计算所述所选取高速公路的路段拥挤度与路网拥挤度指标，并读取道路拥堵里程数据，计算公式如下：
[0069]
所述路段拥挤度、路网拥挤度与拥堵里程的计算限定公式为：
[0070]
f＝v/c
ꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
式中f为施工区路段拥挤度，v为当前道路实际检测车流量，c为当前道路最大车流量；
[0072][0073]
式中fn为路网拥挤度，l为路网总里程，m为处于拥堵等级的路段数量，di为处于拥堵状态道路i的拥堵里程。
[0074]
ln≤lmꢀꢀꢀ
(3)
[0075]
式中ln指拥堵里程，lm指瓶颈区至上游匝道口的距离。
[0076]
由实际拥堵数据带入可得，fn＝4.37，f
施工
＝0.85,f
平行
＝0.61；
[0077]
对照高速公路大流量路段拥堵预警级别表、高速公路大流量路网拥堵预警级别表确定分流决策树，需启动管控策略，决策树示意图如图3所示；
[0078]
表1高速公路大流量路段拥堵预警级别表
[0079][0080]
表2高速公路大流量路网拥堵预警级别表
[0081][0082]
当交通拥堵预警发生，实时监测到交通拥堵出现时，对路网的拥挤度进行监控；
[0083]
当路网拥挤度超过5％时，考虑扩大管控范围或其他方法，不启动；
[0084]
当路网拥挤度小于5％时，此时考虑施工路段的拥挤度；
[0085]
当施工路段拥挤度小于0.75时，考虑该路段的排队长度；
[0086]
当施工路段拥挤度大于0.75时，考虑平行路段的拥挤度；
[0087]
当施工路段的排队长度小于到上游路段的入口匝道距离时，不启动出入口匝道管控策略，当施工路段的排队长度大于到上游路段的入口匝道距离时，考虑平行路段的拥挤度：
[0088]
当平行路段拥挤度大于等于0.75时，不启动策略；
[0089]
当平行路段拥挤度小于0.75时，启动出入口匝道管控策略。
[0090]
通过对改扩建高速公路主线流量及路段拥挤度进行控制，采用诱导分流与收费站管控缓解主线高速公路交通拥堵；
[0091]
利用“0-1”开关的分流率其具体计算公式为：
[0092][0093]
式中，为该点最后的分流比例，表示该点的自由分流比例，x表示驾驶员诱导信息的服从率，pn表示n节点处的诱导开关，只能取0或1，分别表示该点不实施诱导和实施诱导。
[0094]
所述的入口匝道交通流管控模型，集成收费站开放数目λ
o,c
与分流率对收费站排队的影响，并取收费站通行能力与节点交通需求之间取最小值对车道流量进行控制，其具计算公式为：
[0095][0096]
式中，qo(k)表示在节点o主线高速公路管控后的车流量，q
i,j
(k)表示在k时段内起点i处驶往终点j处的车流量，do(k)表示在k时段内到达节点o的车辆数，qc表示该节点o一个收费口的通行能力，λ
o,c
则表示在k时刻o点处的收费站开放的收费站匝道口数目，该值需小于该收费站总收费匝道口数以及道路进入需求数；d
jam
为阻塞密度，d
s,1(k)
表示的是与起点相邻的下游路段第一段的密度。
[0097]
将相关交通流数据带入可得参数标定结果如下，d
jam
＝100veh/km/lan，d
cr,s
＝33.5veh/km/lan，x＝0.7，q1＝1500veh/h，q4＝1000veh/h，q2＝q3＝1500veh/h。
[0098]
整个仿真计算持续三个小时，每个仿真步长10s，每个分流点的主次路径分流率为
[0099]
通过仿真计算，可对整体道路的运行状况之间的变化进行研究观测，以收费站o2节点的通道数量变化为例，根据管控效果随时间变化如图4所示。
[0100]
与此同时，相应的分流节点诱导开关的执行随时间变化，如图5所示。
[0101]
当新的施工路段拥挤度f’＝qo(k)/c≤0.75时，诱导分流与收费站管控停止，否则再次进行入口匝道交通流管控。
[0102]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
[0103]
以上所述实施例仅表达了本技术的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。