消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法

1.一种消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采集收费站下游主线入口位置实时交通流数据，来判断当前时刻交通流运行状态；
通过设置在下游主线入口出的第一检测器以及设在下游主线的下游的第二检测器，采集收费站下游主线入口位置实时交通流数据，判断当前时刻交通流运行状态；所述第一检测器和第二检测器检测各个车道上每30秒的交通流速度、流量、占有率数据，并自动将检测到的数据上传至服务器；
(2)根据历史交通流数据来判断维持下游主线交通流运行状态在通行能力时的占有率阈值；
(3)根据下游主线入口位置实时交通流数据，采用积分控制算法自动计算当前每个收费口最优车辆通过率；
(4)计算单个收费口起落杆最优控制周期，根据步骤(3)计算出的单个收费口最优车辆通过率，计算起落杆最优控制周期；
(5)完成当前起落杆控制周期内收费口车辆通过率最优化控制之后，进入下一个周期之内，重复步骤(3)至步骤(4)的过程检测下一周期内交通流占有率阈值，由积分控制算法自动计算下一周期内各收费口最优车辆通过率，并计算单个收费口起落杆最优控制周期，从而完成下一个周期的收费口车辆通过率的最优化控制。
2.如权利要求1所述的消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据历史交通流数据绘制重采样的斜累计车辆数随时间变化图，以及第一检测器和第二检测器位置处占有率随时间变化图；将所述斜累计车辆数随时间变化图中的拐点确定为通行能力下降的时刻，占有率随时间变化图中将通行能力下降时刻的占有率值作为占有率阈值，之后占有率大幅提升，表示交通拥堵生成，排队现象出现。
3.如权利要求1所述的消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述积分控制算法为：
其中ri(t)为t时刻收费口i的车辆通过率，ri(t-Δt)为t-Δt时刻收费口i的车辆 通过率，Δt为数据检测周期，α为自动控制参数， 为最优占有率阈值，o(t)为t时刻占有率值，N为收费口数量；
为保持控制系统的稳定，对于车辆通过率ri(t)的有效取值范围进行设定，即[r最小值，r最大值]，r最小值设置为0，r最大值设置为收费口最大车辆通过率；考虑取值范围的收费口车辆通过率为：
所述步骤(4)中，采用以下公式计算起落杆最优控制周期：
其中Ti(t)为t时刻的i收费口起落杆最优控制周期；
实际中每辆车通过收费口需要一定时间，标记为Ti(k)，需要协调考虑每辆车通过收费口的需要的时间和最优控制周期；当车辆完成收费、通过收费口产生的时间大于起落杆最优控制周期时，按照实际产生时间来控制起落杆；当车辆完成收费时间小于起落杆最优控制周期时，按照起落杆最优控制周期来控制起落杆，即：

消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，根据当前交通流运行状态自动控制主线收费口车辆通过率，属于交通管理与智能交通技术领域。\n背景技术\n[0002] 近二十年来，我国高速公路建设得到飞速发展，2011年底我国高速公路总里程达到8.5万公里，稳居世界第二位。随着社会经济的发展和居民收入的增加，我国机动化水平发展迅猛，机动车保有量迅速增加，截止2011年底，全国机动车保有量为2.25亿辆，其中汽车1.06亿辆；全国机动车驾驶人达2.36亿人。随着高速公路发展与机动车数量增长，高速公路交通需求迅速增加，高速公路不再是“高速、安全”的代名词。高速公路交通需求大于通行能力时，导致高速公路交通拥堵频发，不仅降低了高速公路通行效率，而且增加了车辆之间冲突与摩擦。因此，如何采用智能交通技术来缓解我国高速公路潜在交通瓶颈附近交通拥堵，预防交通拥堵生成与传播，成为我国高速公路交通管理实践中亟待解决的重要问题。\n[0003] 我国高速公路主线上普遍设有收费站，上游到达车辆可以根据具体情况来选择通行的收费口，缴费后车辆汇入高速公路下游主线继续通行。由于交通需求较大，当收费口通过的车辆率大于下游主线通行能力时，导致车辆在进入高速公路下游主线位置时与其他车辆间冲突与摩擦加剧，导致交通拥堵及排队现象生成，且排队车辆的消散率低于正常非拥堵时候通行能力。近年来，随着高速公路智能收费系统(ETC)的普及，单个收费口车辆通行率明显提高；节假日高速公路免费通行的交通政策发布后，单个收费口车辆通过率大幅提高，进一步加剧了收费站下游高速公路主线的交通拥堵。交通拥堵生成后产生一系列负面效果，使得高速公路并没有充分发挥其通行能力，降低了高速公路基础设施的使用水平。本发明提出了旨在消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，可根据交通流运行状态自动控制收费站最优通过车辆数，避免交通拥堵生成，充分发挥高速公路通行能力。\n发明内容\n[0004] 发明目的：通过自动检测高速公路交通流运行状态，自动调节高速公路主线收费口车辆通过率维持在最优水平，从而避免下游主线位置交通拥堵生成及通行能力下降，提高高速公路车辆通行效率。克服现有高速公路主线收费口车辆通过率无法自动调控从而导致交通拥堵的缺陷。本发明提供一种消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法。\n[0005] 技术方案：一种消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，包括如下步骤：\n[0006] (1)采集收费站下游主线入口位置实时交通流数据，来判断当前时刻交通流运行状态。\n[0007] (2)根据历史交通流数据来判断维持下游主线交通流运行状态在通行能力时的占有率阈值。\n[0008] (3)根据下游主线入口位置实时交通流数据，采用积分控制算法自动计算当前每个收费口最优车辆通过率。\n[0009] (4)计算单个收费口起落杆最优控制周期，根据步骤(3)计算出的单个收费口最优车辆通过率，计算起落杆最优控制周期。\n[0010] (5)完成当前起落杆控制周期内收费口车辆通过率最优化控制之后，进入下一个周期之内，重复步骤(3)至步骤(4)的过程检测下一周期内交通流占有率阈值，由积分控制算法自动计算下一周期内各收费口最优车辆通过率，并计算单个收费口起落杆最优控制周期，从而完成下一个周期的收费口车辆通过率的最优化控制。该控制方法随着时间的推移而不断调节车辆通过率，可以使主线下游入口位置交通保持畅通，避免交通拥堵出现，防止通行能力下降。\n[0011] 所述步骤1中，通过设置在下游主线入口出的第一检测器以及设在下游主线的下游的第二检测器，采集收费站下游主线入口位置实时交通流数据，判断当前时刻交通流运行状态；所述第一检测器和第二检测器检测各个车道上每30秒的交通流速度、流量、占有率数据，并自动将检测到的数据上传至服务器。\n[0012] 所述步骤2中，根据历史交通流数据绘制重采样的斜累计车辆数随时间变化图，以及第一检测器和第二检测器位置处占有率随时间变化图。为了确保当前拥堵生成位置为收费站下游主线入口，需要确保第一检测器位置处占有率大幅提升同时第二检测器位置处占有率保持现状。斜累计车辆数随时间变化图中的拐点即表明通行能力下降产生，确定为通行能力下降的时刻。占有率随时间变化图中可以鉴别通行能力下降时刻的占有率值作为占有率阈值，之后占有率大幅提升，表示交通拥堵生成，排队现象出现。根据历史交通流数据，如果要维持主线交通流处于最大通过能力水平，需要维持占有率在阈值附近，将该占有率阈值作为收费口最优车辆通过率的计算根据。\n[0013] 所述步骤3中，所述积分控制算法为：\n[0014] \n[0015] 其中ri(t)为t时刻收费口i的车辆通过率(辆/小时)，ri(t-Δt)为t-Δt时刻收费口i的车辆通过率，Δt为数据检测周期(30秒)，a为自动控制参数，为最优占有率阈值，o(t)为t时刻占有率值，N为收费口数量；\n[0016] 为保持控制系统的稳定，对于车辆通过率ri(t)的有效取值范围进行设定，即[r最小值，r最大值]，r最小值设置为0，r最大值设置为收费口最大车辆通过率；考虑取值范围的收费口车辆通过率为：\n[0017] \n[0018] 所述步骤4中，采用以下公式计算起落杆最优控制周期：\n[0019] \n[0020] 其中Ti(t)为t时刻的i收费口起落杆最优控制周期；\n[0021] 公式(3)中计算的起落杆最优控制周期的目的在于避免过多车辆同时通过收费口，导致下游主线位置生成交通拥堵且通行能力下降。实际中每辆车通过收费口需要一定时间，标记为Ti(k)，需要协调考虑每辆车通过收费口的需要的时间和最优控制时间。当车辆完成收费、通过收费口产生的时间大于起落杆最优控制周期时，按照实际产生时间来控制起落杆；当车辆完成收费时间小于起落杆最优控制周期时，按照起落杆最优控制周期来控制起落杆，即：\n[0022] \n[0023] 有益效果：本发明提出的消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，利用高速公路交通流参数自动检测设备获取实时交通流数据，根据交通流数据判断交通流运行状态是否达到目标状态，通过自动控制算法来计算当前收费口最优车辆通过率，避免交通拥堵的生成。实例显示，本发明提出的控制方法有很好的效果，优于无控制情况下高速公路通行效率。\n附图说明\n[0024] 图1为本发明实施例的方法流程图；\n[0025] 图2为本发明实施例的高速公路主线收费站设置示意图；\n[0026] 图3为本发明实施例中基于交通流数据的瓶颈通行能力下降及占有率阈值设置；\n[0027] 图4为无控制和采用收费口通过车辆率控制后交通流运行示意图；\n[0028] 图5为无控制和采用收费口通过车辆率控制后下游主线交通流量和占有率情况；\n其中(a)为无控制情况下检测器1位置交通流量及占有率情况；(b)为最优流量控制下检测器1位置交通流量及占有率情况。\n具体实施方式\n[0029] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。\n[0030] 消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，利用高速公路收费站下游主线入口位置的交通流参数自动检测设备获取实时交通流数据，根据占有率数据来判断交通流运行状态是否达到目标状态(即通行能力状态)，根据积分控制算法自动计算当前每个收费口最优车辆通过率，并自动计算每个收费口起落杆起降周期，自动调节收费口车辆的通行率，从而使下游主线交通流运行保持畅通，充分发挥高速公路通行能力。收费站通过流量的控制方法流程可参考图1。\n[0031] 第一步是采集收费站下游主线入口位置实时交通流数据，来判断当前时刻交通流运行状态。本发明主要目的是为了消除收费站下游主线的车辆拥堵，避免产生通行能力下降现象，从而将下游主线的车辆通行效率维持在最大化。因此，用于判断交通流状态的检测器必须设置在下游主线入口附近，如图2中检测器1所示，即当需求大于主线通行能力时拥堵最先生成的位置，以便有效识别拥堵的生成与消散。为了确保当前交通拥堵产生于下游主线入口处，而并非更下游位置的主线拥堵传播到入口处，需要在主线下游设置交通流检测器，如图2中检测器2所示。交通流检测器必须能够自动检测各个车道上每30秒的交通流速度、流量、占有率数据，并自动将数据进行上传至服务器。\n[0032] 第二步根据历史交通流数据来判断维持下游主线交通流运行状态在通行能力时的占有率阈值。根据历史交通流数据绘制重采样的斜累计车辆数随时间变化图，以及两个检测器(1、2)位置占有率随时间变化图。为了确保当前拥堵生成位置为收费站下游主线入口，需要确保检测器1位置占有率大幅提升同时检测器2位置占有率保持现状。斜累计车辆数随时间变化图中的拐点即表明通行能力下降产生，确定通行能力下降的时刻。占有率随时间变化图中可以鉴别通行能力下降时的占有率值作为控制阈值，之后占有率大幅提升，表示交通拥堵生成，排队现象出现。根据历史交通流数据，如果要维持主线交通流处于最大通过能力水平，需要维持占有率在阈值附近，将该占有率阈值作为收费口最优车辆通过率的计算根据。\n[0033] 第三步根据检测器1检测到的实时交通流数据，采用积分控制算法自动计算当前每个收费口最优车辆通过率。该控制算法为：\n[0034] \n[0035] 其中ri(t)为t时刻收费口i的车辆通过率(辆/小时)，ri(t-Δt)为t-Δt时刻收费口i的车辆通过率，Δt为数据检测周期(30秒)，a为自动控制参数， 为最优占有率阈值，o(t)为t时刻占有率值，N为收费口数量；\n[0036] 为保持控制系统的稳定，对于车辆通过率ri(t)的有效取值范围进行设定，即[r最小值，r最大值]，r最小值设置为0，r最大值设置为收费口最大车辆通过率。考虑取值范围的收费口车辆通过率为：\n[0037] \n[0038] 第四步计算单个收费口起落杆最优控制周期，根据第三步计算出的单个收费口最优车辆通过率，采用以下公式计算起落杆最优控制周期：\n[0039] \n[0040] 其中Ti(t)为t时刻的i收费口起落杆最优控制周期。\n[0041] 公式(3)中计算的起落杆最优控制周期的目的在于避免过多车辆同时通过收费口，导致下游主线位置生成交通拥堵且通行能力下降。实际中每辆车通过收费口需要一定时间，标记为Ti(k)，需要协调考虑每辆车通过收费口的需要的时间和最优控制时间。当车辆完成收费、通过收费口产生的时间大于最优控制周期时，按照实际产生时间来控制起落杆；当车辆完成收费时间小于最优控制周期时，按照最优控制周期来控制起落杆，即：\n[0042] \n[0043] 第五步完成当前控制周期内收费口车辆通过率最优化控制之后，系统进入下一个周期之内，重复第三步至第四步的过程，交通流检测器检测下一周期内交通流占有率数值，上传到服务器内由最优控制算法自动计算下一周期内各收费口车辆通过率，并计算单个收费口起落杆最优控制周期，从而完成下一个周期的收费口车辆通过流率的最优化控制。该控制算法随着时间的推移而不断调节车辆通过率，可以使主线下游入口位置交通保持畅通，避免交通拥堵出现，防止通行能力下降。\n[0044] 下面结合附图对发明的设置方法进行了实例演示：\n[0045] 某高速公路主线收费口及检测器布设情况如图2所示，检测器1位置的交通流占有率数值用于计算最优车辆通过率，检测器2位置的交通流占有率用于确保主线下游无交通拥堵。根据真实交通流数据绘制的斜累计车辆数随时间变化图以及两个检测器位置占有率随时间变化图如图3所示。检测器1位置占有率大幅提升同时检测器2位置占有率保持现状，表明当前拥堵生成位置为收费站下游主线入口。斜累计车辆数的图中的拐点即表明通行能力下降产生，从图3中可以得出通行能力下降前为2160辆/小时/车道，下降后为\n1980辆/小时/车道，通行能力下降的时刻为17:07:30。占有率随时间变化图中可以发现，通行能力下降时，占有率为17，之后占有率大幅提升，表示交通拥堵生成，排队现象出现。因此，根据历史交通流数据表明，如果要维持主线交通流处于最大通过能力水平，需要维持占有率在17附近，将占有率值17作为最优占有率阈值，作为收费口最优车辆通过率的计算根据。\n[0046] 无控制情况下和采用了收费口流量控制情况下的交通流运行情况示意图如图4所示。可以看出，不采用控制的情况下，由于较多车辆通过收费口，导致下游主线入口附近通行需求大于通行能力，车辆之间产生了较严重的干扰和摩擦，交通拥堵产生且排队现象产生，导致下游主线的交通流量较低，即产生通行能力下降现象，影响了整体的通行效率。\n采用收费口流量控制后，如图所示，通过收费口的车辆减少，使得汇合区内车辆行驶间干扰较小，在下游主线入口位置没有产生车辆间行驶冲突及交通拥堵，使得下游主线交通流量维持在通行能力附近，从而有效阻止了交通拥堵生成。\n[0047] 在高速公路主线收费口按照本发明方法实行了车辆通过率控制之前和之后，下游主线入口检测器1位置的交通流量和占有率的对比如图5所示。可以发现，采用控制之后，下游主线的交通流量得到明显提高，而且占有率值较低，表明本发明有效的防止了下游主线入口位置的交通拥堵，预防了排队车辆间相互干扰导致的通行能力下降现象，充分发挥了高速公路的通行能力，提高了车辆通行效率。\n[0048] 本发明符合我国高速公路交通管理的发展需求。近年来，随着高速公路建设的快速发展和车辆拥有水平的迅速提高，高速公路交通拥堵情况频繁发生，导致一系列严重的后果，包括交通效率的降低和交通事故的增加。随着智能收费系统(ETC)的发展以及节假日高速公路免费通行的交通政策发布，未来高速公路主线收费口位置的车辆通过效率将大大提高，如果不采用控制的话，将会导致收费站下游高速公路主线严重交通拥堵，极大降低高速公路的通行效率。本发明提出了旨在消除交通拥堵的高速公路主线收费站通过流量控制方法，可根据交通流运行状态自动控制收费站最优通过车辆数，避免交通拥堵生成，充分发挥高速公路通行能力。因此，本发明在我国高速公路交通管理与控制方面具有重要的使用价值和良好的应用前景。