一种快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法与流程

1.本发明属于智能交通领域，涉及一种快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法。


背景技术：

2.由于快速路、高速公路入口匝道汇入主线车辆在合流区一般仅对主线外侧两车道造成干扰，而现有入口匝道控制策略并未考虑这种特殊情况，同时也未与主线分车道管控进行协同，使得入口匝道控制在多车道快速路、高速公路应用效果不佳。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，克服多车道快速路、高速公路入口匝道控制策略中内侧车道利用率不高、合流区变道频繁、驾驶员无法提前获知前方合流区标线施划方式及交通运行状况等问题，提升主线合流区通行能力，降低交通安全风险，提高快速路、高速公路合流区精细化管理水平。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，具体包括以下步骤：
6.s1：分别在主线分车道和入口匝道上安装多个车辆检测器，获取相应检测点的分车道流量、车速和密度等信息；具体包括：
7.主线分车道上，在合流区、匝道合流鼻端上游50m、led信息发布屏安装位置上游0.5km处分别安装车辆检测器ⅰ、车辆检测器ⅱ和车辆检测器ⅲ，以获取主线各车道交通流数据；
8.入口匝道上，在加速车道起点处的入口匝道上设置匝道控制信号灯，在距匝道控制信号灯15m至40m的入口匝道上游设置停车线，同时设置车辆检测器ⅳ；
9.s2：构建主线分车道管控模型，具体包括：利用车辆检测器ⅲ获取的主线上游各车道交通流量和车辆检测器ⅳ获取的匝道交通流量，计算当前控制周期k车辆检测器ⅲ处的交通流量，从而计算出主线上各车道车辆行驶至合流区的车道预计流率比；然后结合交通运行状态等级划分规则得到合流区主线上各车道交通运行状态等级，并根据各车道情况进行等级调整；
10.s3：构建入口匝道控制模型，具体包括：利用合流区主线外侧两车道通行能力减去车辆检测器ⅱ获取的主线外侧两车道交通流量，计算得到当前控制周期k入口匝道调节率，并与车辆检测器ⅳ获取的匝道交通流量进行比较判断，得到匝道控制信号灯保持绿灯的时长。
11.s4：判断合流区主线外侧两车道平均速度是否不大于主线自由流速度乘以折减系数，或者上游到来的主线外侧两车道交通流量与匝道交通流量之和是否不大于合流区主线外侧两车道通行能力乘以折减系数；若是，启动入口匝道控制模型计算；否则启动主线分车道管控模型计算。
12.进一步，步骤s1中，在主线上游距合流区0.5km至1.5km的范围之间，通过安装led信息发布屏发布合流区分车道交通状态，以提醒假设驾驶员提前选择行驶车道。
13.进一步，步骤s1中，主线分车道上，内侧两车道与外侧两车道之间的车道线施划为实线，以避免匝道合流对内侧两车道的干扰。
14.进一步，步骤s1中，led信息发布屏显示的内容包括：
15.(1)合流区各车道线和边缘线的施划方式，以及属于实线、虚线、虚实线的哪一种，以供驾驶员判断合流区各车道是否允许变道，以及是允许向左变道，还是向右变道；led信息发布屏显示车道线和边缘线的施划方式，需与前方合流区的实际施划方式保持一致；
16.(2)合流区各车道交通状态，通过车道状态显示颜色条进行显示；驾驶员结合led信息发布屏显示合流区标线施划方式和路面车道编号标记，根据各车道状态显示颜色条显示的颜色便可判断合流区各车道交通状态，从而作为驾驶员提前选择车道的判断信息条件；
17.(3)图形辅以文字显示方式。
18.进一步，步骤s2中，合流区的车道预计流率比的计算公式为：
[0019][0020][0021][0022][0023]
其中，pi(k)为合流区控制周期k中车道i预计流率比；i∈{1,2,3,4}分别表示主线车道1、车道2、车道3和车道4；为车辆检测器ⅲ获取的控制周期k中车道i上的交通流量，pcu/h；为车辆检测器ⅳ获取的控制周期k匝道交通流量，pcu/h；c0为主线单车道通行能力，pcu/h；λ3为匝道汇入流量对主线车道3的影响比例，0≤λ3＜0.5；λ4为匝道汇入流量对主线车道4的影响比例，0.5＜λ4≤1.0，λ3+λ4＝1。
[0024]
进一步，步骤s2中，根据各车道情况进行等级调整，具体包括：若车道1和车道2的运行状态等级不小于车道3和车道4，将车道1和车道2的运行状态等级调整为车道3和车道4运行状态等级的低一级；其中，以行车方向为准，从左往右将主线各车道分别编号为车道1、车道2、车道3和车道4。
[0025]
进一步，步骤s3中，计算当前控制周期k入口匝道调节率，表达式为：
[0026][0027]
其中，r(k)为控制周期k的匝道调节率，pcu/h；c
34
为合流区主线外侧两车道通行能力，pcu/h；为车辆检测器ⅱ获取的控制周期k主线外侧两车道交通流量，pcu/h。
[0028]
进一步，步骤s3中，将当前控制周期k入口匝道调节率与车辆检测器ⅳ获取的匝道
交通流量进行比较判断，若匝道调节率r(k)不小于车辆检测器ⅳ获取的匝道交通流量则匝道控制信号灯保持常绿；否则计算匝道控制信号灯放行绿灯时长；
[0029][0030]
其中，t(k)为控制周期k的周期时长，s；g(k)为控制周期k的匝道控制信号灯放行绿灯时长，s；sr为匝道饱和流率，pcu/h。
[0031]
本发明的有益效果在于：本发明可应用于快速路、高速公路合流区、普通公路合流区及城市道路合流区，用于合流区精细化智能管控，通过在主线合流区上游设置led信息发布屏显示前方合流区分车道交通状态及匝道车辆汇入情况提前诱导驾驶员选择内侧车道行驶以平衡合流区各车道交通流量，降低主线外侧两车道交通流量，提高内侧车道使用率，增大匝道汇入主线交通流量，提升合流区通行能力，同时降低了合流区车辆变道次数，保障合流区交通高效、安全、畅通运行。
[0032]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0034]
图1为本发明快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制系统示意图；
[0035]
图2为本发明快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法的流程图；
[0036]
图3为led信息发布屏显示示意图。
具体实施方式
[0037]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0038]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0039]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或
暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0040]
请参阅图1～图3，本发明提供一种快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制系统，包括：
[0041]
1、协同控制系统包括主线分车道管控模块和入口匝道控制模块。
[0042]
主线分车道管控模块设置在主线上游距合流区0.5km至1.5km的范围之间，通过led信息发布屏发布合流区分车道交通状态，以提醒假设驾驶员提前选择行驶车道；以行车方向为准，从左往右将主线各车道分别编号为车道1、车道2、车道3和车道4，在led信息发布屏安装位置将主线各车道根据其编号分别施划路面标记“车道1”、“车道2”、“车道3”和“车道4”；将匝道合流鼻端至下游450m范围内的外侧两车道作为合流区，此范围内车道2和车道3之间的车道线施划为实线，以避免匝道合流对内侧两车道的干扰；在合流影响区、匝道合流鼻端上游50m、led信息发布屏安装位置上游0.5km处分别安装车辆检测器1、车辆检测器2和车辆检测器3，以获取主线各车道交通流数据。
[0043]
入口匝道控制模块设置在合流区的入口匝道上，通过调整匝道汇入流量以避免对主线造成严重干扰；在加速车道起点处的入口匝道上设置匝道控制信号灯，在距匝道控制信号灯15m至40m的入口匝道上游设置停车线，同时设置车辆检测器4。
[0044]
2、主线分车道管控模块中led信息发布屏显示内容包括：
[0045]
1)合流区各车道线和边缘线的施划方式，以及是属于实线、虚线、虚实线的哪一种，以供驾驶员判断合流区各车道是否允许变道，以及是允许向左变道，还是向右变道。led信息发布屏显示车道线和边缘线的施划方式，需与前方合流区的实际施划方式保持一致。
[0046]
2)合流区各车道交通状态，通过车道状态显示颜色条进行显示，显示颜色及对应的交通状态如表1所示。驾驶员结合led信息发布屏显示合流区标线施划方式和路面车道编号标记，根据各车道状态显示颜色条显示的颜色便可判断合流区各车道交通状态，从而作为驾驶员提前选择车道的判断信息条件。
[0047]
表1交通运行状态显示颜色方案rgb值
[0048]
状态等级畅通基本畅通轻度拥堵中度拥堵严重拥堵颜色方案12345r0153255255255g1282042551530b00000
[0049]
3)由于前两项显示内容均为图形，为提高led信息发布屏显示内容的可识别性，辅以文字提示信息“注意合流区各车道状态，请提前选择行驶车道”。
[0050]
3、采用主线分车道管控模块和入口匝道控制模块之间的协同联动发布控制策略。
[0051]
步骤1：利用各车辆检测器分别获取相应检测点的分车道流量、车速和密度等信息。并转至步骤2，同时判断合流区主线外侧两车道车辆平均速度是否不大于主线自由流速度乘以折减系数，或者上游到来的主线外侧两车道交通流量与匝道交通流量之和是否不大于合流区主线外侧两车道通行能力乘以折减系数，若是，转至步骤3。判断条件如下：
[0052][0053][0054]
其中，为车辆检测器1获取的控制周期k主线外侧两车道车辆平均速度，km/h；υf为主线自由流速度，km/h；δ
υ
为速度判断条件折减系数，0≤δ
υ
≤1；为车辆检测器2获取的控制周期k主线外侧两车道交通流量，pcu/h；为车辆检测器4获取的控制周期k匝道交通流量，pcu/h；c
34
为合流区主线外侧两车道通行能力，pcu/h；δq为流量判断条件折减系数，0≤δq≤1。
[0055]
步骤2：启动主线分车道管控模块。
[0056]
步骤2.1：利用车辆检测器3获取的主线上游各车道交通流量和车辆检测器4获取的匝道交通流量，计算当前控制周期k车辆检测器3处交通流量，若行驶至合流区预计形成的各车道流率比，计算公式如式(3)～(6)所示。结合表2给出合流区各车道交通运行状态。
[0057][0058][0059][0060][0061]
其中，pi(k)为合流区控制周期k中车道i预计流率比；i∈{1,2,3,4}分别表示车道1、车道2、车道3和车道4；为车辆检测器3获取的控制周期k中车道i上的交通流量，pcu/h；c0为主线单车道通行能力，pcu/h；λ3为匝道汇入流量对主线车道3的影响比例，0≤λ3＜0.5；λ4为匝道汇入流量对主线车道4的影响比例，0.5＜λ4≤1.0，λ3+λ4＝1。
[0062]
表2交通运行状态等级划分表
[0063]
等级编号12345状态等级畅通基本畅通轻度拥堵中度拥堵严重拥堵取值范围[0,γ1](γ1,γ2](γ2,γ3](γ3,γ4](γ4,1]颜色方案12345
[0064]
注：表2中，γj为运行状态等级划分阈值，j∈{1,2,3,4}。
[0065]
步骤2.2：若车道1和车道2的运行状态等级不小于车道3和车道4，将车道1和车道2的运行状态等级调整为车道3和车道4运行状态等级的低一级。
[0066]
步骤2.3：将上述计算结果输入主线分车道管控模块，利用led信息发布屏发布前方合流区分车道交通运行状态，提醒驾驶员提前选择合适车道行驶。转至3.4。
[0067]
步骤3：启动入口匝道控制模块。
[0068]
步骤3.1：利用合流区主线外侧两车道通行能力减去车辆检测器2获取的主线外侧
两车道交通流量，计算得到入口匝道调节率。如下
[0069][0070]
其中，r(k)为控制周期k的匝道调节率，pcu/h。
[0071]
步骤3.2：若上述计算的匝道调节率不小于车辆检测器4获取的匝道交通流量，则匝道控制信号灯保持常绿，否则利用公式(9)计算匝道控制信号灯放行绿灯时长。
[0072][0073]
其中，t(k)为控制周期k的周期时长，s；g(k)为控制周期k的匝道控制信号灯放行绿灯时长，s；sr为匝道饱和流率，pcu/h。
[0074]
步骤3.3：启用匝道控制信号灯，将上述计算结果输入匝道控制信号灯，执行入口匝道控制策略。转至步骤4。
[0075]
步骤4：每一个控制周期结束时，判断是否结束主线分车道管控与入口匝道协同控制。若是，结束控制；若否，转至步骤1，同时判断连续n个周期内，检测器获取的交通数据是否均不满足公式(1)和公式(2)，若是，关闭入口匝道控制模块，若否，转至步骤3.1。
[0076]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：s1：分别在主线分车道和入口匝道上安装多个车辆检测器，获取相应检测点的分车道流量、车速和密度；具体包括：主线分车道上，在合流区、匝道合流鼻端上游、led信息发布屏安装位置上游分别安装车辆检测器ⅰ、车辆检测器ⅱ和车辆检测器ⅲ；入口匝道上，在加速车道起点处的入口匝道上设置匝道控制信号灯，在入口匝道上游设置停车线，同时设置车辆检测器ⅳ；s2：构建主线分车道管控模型，具体包括：利用车辆检测器ⅲ获取的主线上游各车道交通流量和车辆检测器ⅳ获取的匝道交通流量，计算当前控制周期k车辆检测器ⅲ处的交通流量，从而计算出主线上各车道车辆行驶至合流区的车道预计流率比；然后结合交通运行状态等级划分规则得到合流区主线上各车道交通运行状态等级，并根据各车道情况进行等级调整；s3：构建入口匝道控制模型，具体包括：利用合流区主线外侧两车道通行能力减去车辆检测器ⅱ获取的主线外侧两车道交通流量，计算得到当前控制周期k入口匝道调节率，并与车辆检测器ⅳ获取的匝道交通流量进行比较判断，得到匝道控制信号灯保持绿灯的时长；s4：判断合流区主线外侧两车道平均速度是否不大于主线自由流速度乘以折减系数，或者上游到来的主线外侧两车道交通流量与匝道交通流量之和是否不大于合流区主线外侧两车道通行能力乘以折减系数；若是，启动入口匝道控制模型计算；否则启动主线分车道管控模型计算。2.根据权利要求1所述的快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，步骤s1中，在主线上游距合流区0.5km至1.5km的范围之间，通过安装led信息发布屏发布合流区分车道交通状态。3.根据权利要求1所述的快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，步骤s1中，主线分车道上，内侧两车道与外侧两车道之间的车道线施划为实线。4.根据权利要求1所述的快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，步骤s1中，led信息发布屏显示的内容包括：(1)合流区各车道线和边缘线的施划方式，以及属于实线、虚线、虚实线的哪一种，以供驾驶员判断合流区各车道是否允许变道，以及是允许向左变道，还是向右变道；led信息发布屏显示车道线和边缘线的施划方式，需与前方合流区的实际施划方式保持一致；(2)合流区各车道交通状态，通过车道状态显示颜色条进行显示；驾驶员结合led信息发布屏显示合流区标线施划方式和路面车道编号标记，根据各车道状态显示颜色条显示的颜色判断合流区各车道交通状态，从而作为驾驶员提前选择车道的判断信息条件；(3)图形辅以文字显示方式。5.根据权利要求1所述的快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，步骤s2中，合流区的车道预计流率比的计算公式为：
其中，p
i
(k)为合流区控制周期k中车道i预计流率比；i∈{1,2,3,4}分别表示主线车道1、车道2、车道3和车道4；为车辆检测器ⅲ获取的控制周期k中车道i上的交通流量；为车辆检测器ⅳ获取的控制周期k匝道交通流量；c0为主线单车道通行能力；λ3为匝道汇入流量对主线车道3的影响比例，0≤λ3＜0.5；λ4为匝道汇入流量对主线车道4的影响比例，0.5＜λ4≤1.0，λ3+λ4＝1。6.根据权利要求1所述的快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，步骤s2中，根据各车道情况进行等级调整，具体包括：若车道1和车道2的运行状态等级不小于车道3和车道4，将车道1和车道2的运行状态等级调整为车道3和车道4运行状态等级的低一级；其中，以行车方向为准，从左往右将主线各车道分别编号为车道1、车道2、车道3和车道4。7.根据权利要求1所述的快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，步骤s3中，计算当前控制周期k入口匝道调节率，表达式为：其中，r(k)为控制周期k的匝道调节率；c
34
为合流区主线外侧两车道通行能力；为车辆检测器ⅱ获取的控制周期k主线外侧两车道交通流量。8.根据权利要求1所述的快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，其特征在于，步骤s3中，将当前控制周期k入口匝道调节率与车辆检测器ⅳ获取的匝道交通流量进行比较判断，若匝道调节率r(k)不小于车辆检测器ⅳ获取的匝道交通流量则匝道控制信号灯保持常绿；否则计算匝道控制信号灯放行绿灯时长；其中，t(k)为控制周期k的周期时长；g(k)为控制周期k的匝道控制信号灯放行绿灯时长；s
r
为匝道饱和流率。

技术总结
本发明涉及一种快速路主线分车道管控与入口匝道协同控制方法，属于智能交通领域。该方法包括：S1：分别在主线分车道和入口匝道上安装多个车辆检测器，获取相应检测点的分车道流量、车速和密度；S2：构建主线分车道管控模型：计算出主线上各车道车辆行驶至合流区的车道预计流率比，然后结合交通运行状态等级划分规则得到合流区主线上各车道交通运行状态等级，并根据各车道情况进行等级调整；S3：构建入口匝道控制模型：计算当前控制周期入口匝道调节率，并与匝道交通流量进行比较判断，得到匝道控制信号灯保持绿灯时长。本发明能增大匝道汇入主线交通流量，提升合流区通行能力，降低合流区车辆变道次数。合流区车辆变道次数。合流区车辆变道次数。


技术研发人员：宋浪 俞山川 安文娟 马璐 王少飞 朱湧 骆中斌 周欣 谢耀华 李敏 刘馥齐 陈晨 陈齐
受保护的技术使用者：招商局重庆交通科研设计院有限公司
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/6/28