高速公路分车道可变限速控制方法、设备及介质

1.本发明涉及智慧高速和交通管理技术领域，尤其涉及一种高速公路分车道可变限速控制方法、设备及介质。


背景技术：

2.高速公路主线可变限速控制是目前解决高速公路拥堵的重要管控手段之一，已有研究表明可变限速控制能够有效缓解高速公路拥堵状态，减少交通事故的发生，提高道路通行效率。高速公路主线可变限速控制指在路侧每隔一段距离设置可变限速标志，道路控制中心基于实时的交通数据(流量、道路占有率、天气等)对各路段限速值进行优化调控，实现车速均匀化、交通流平稳化，提高通行能力，降低或避免交通事故的发生。目前国内外学者提出了诸多可变限速控制方法，但其大多仅针对单一的场景，如匝道入口上游等固定瓶颈路段、冰雪雨等不良天气下的可变限速控制方法等，应用于实际工程的方法鲜有。同时所提出的理论可行的方法其假设条件大都无法适应实际交通状况。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种高速公路分车道可变限速控制方法、设备及介质，以解决现有的可变限速控制方案无法适应实际交通状况的问题。
4.第一方面，提供了一种高速公路分车道可变限速控制方法，采用llesc-vsl(variable speed limit control method of lane level expressway with spatiotemporal continuity)可变限速控制方法，包括如下步骤：
5.s1：判断是否到达检测周期；
6.s2：获取各路段流量、速度、密度信息，以及天气信息、道路线形信息；
7.s3：判断各路段是否产生拥堵波；如果产生则进入下一步，如果未产生则返回步骤s1；
8.s4：定位产生拥堵波的路段，并且将连续拥堵的路段合并，视为同一个拥堵波；
9.s5：判断各个拥堵波是否满足消散的约束条件，即判断各个产生拥堵波位置的上游自由流状态的范围是否能够为拥堵波提供足够的可变限速控制范围；如果不能消散则进入步骤s6，如果能够消散则进入步骤s7；
10.s6：定位不可消散拥堵波所在位置，向该拥堵波上游依次寻找可消散拥堵波并进行消散，不可消散拥堵波则等待下个检测周期检测与控制；
11.s7：根据specialist理论，运用流量-密度图与时间-位置图计算各个车道的第一可变限速控制方案，第一可变限速控制方案包括可变限速控制范围、控制时间、控制限速值；其中，specialist理论是一种基于拥堵波(冲击波)理论的能够有效消散拥堵波的算法；
12.s8：计算考虑天气与道路线形条件下的安全限速值进一步优化第一可变限速控制方案；
13.s9：结合优化后的第一可变限速控制方案，运用分车道控制策略，确定第二可变限
速控制方案，第二可变限速控制方案包括各路段的可变限速控制范围与控制时间、各个车道的控制限速值；
14.s10：以控制限速值时空连续性最优为目标建立在线限速值优化模型，对第二可变限速控制方案进行优化，以优化后的第二可变限速控制方案进行分车道可变限速控制，并等待下一次检测周期。
15.根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述步骤s3中判断各路段是否产生拥堵波的过程包括：
16.将各路段平均密度、平均速度与所设阈值进行比较，若平均密度高于对应阈值且平均速度低于对应阈值则认为该路段存在拥堵波；
17.其中，阈值的确定规则如下：利用历史数据绘制可变限速控制区域内各路段流量-密度图，取各车道临界密度与临界速度的平均值或最大值或最小值作为对应阈值。
18.根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述步骤s7中，采用逐倍增加交通需求以计算流量和密度的方法绘制流量-密度图。
19.根据第一方面，在一种可能的实现方式中，绘制流量-密度图时，根据不同车道的车型比例不同，将流量数据转换为当量小车数绘制。
20.根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述运用分车道控制策略，确定第二可变限速控制方案，包括：
21.将得到的优化后每条车道的第一可变限速控制方案进行如下处理：针对控制限速值区分车道，则不进行调整；针对可变限速控制范围和控制时间不区分车道，则进行统一，统一方式如下：以路段为单位进行控制，取所有车道的可变限速控制范围、控制时间的最大值或最小值或平均值进行统一。
22.根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述在线限速值优化模型表示如下：
[0023][0024][0025][0026]vi，j
(k)≤vw(k)
[0027]
|v
i，j
(k)-v
i，j
(k-1)|≤δv
[0028]
|v
i，j
(k)-v
i-1，j
(k)|≤δv
[0029]
|v
i，j
(k-1)-v
i-1，j
(k)|≤δv
[0030]vi，j
(k)≤v
i，j+1
(k)
[0031]
其中，v
ctrl
(k)为决策变量，表示第k个检测周期各个车道各个路段的控制限速值；表示第k个检测周期第i个路段第j个车道的控制限速值；表示第k个检测周期第i个路段第j个车道的理想限速值；α与β为权重系数；δv表示限速值变化幅度；v
i，j
(k)表示第k个检测周期第i个路段第j个车道的检测到的速度值；表示基于当前道路线形信息计算得到的安全限速值；vw(k)表示基于当前天气信息计算得到的安全限速值；j表示车道总数；n表示路段总数。
[0032]
根据第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括：
[0033]
s01：根据高速公路信息构建可变限速控制仿真实验场景；
[0034]
s02：考虑交通需求随机性与驾驶员遵从度随机性，以specialist理论中消散状态参数为决策变量，消散状态参数包括specialist理论中状态4和状态5的流量和密度，以高速公路主线总行程延误与高速公路主线交通事故发生次数为双目标评价指标，构建高速公路主线可变限速控制离线优化模型；
[0035]
s03：获取高速公路历史交通数据代入到可变限速控制仿真实验场景进行仿真，仿真过程中，采用llesc-vsl可变限速控制方法进行分车道可变限速控制，并收集仿真评价数据，往复循环直至拥堵波消散或达到检测周期次数上限；
[0036]
s04：基于收集的所有仿真评价数据，求解高速公路主线可变限速控制离线优化模型，得到最优消散状态参数，将得到的最优消散状态参数应用至llesc-vsl可变限速控制方法的步骤s7中。
[0037]
根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述高速公路主线可变限速控制离线优化模型表示如下：
[0038][0039][0040][0041]
d4＞d5[0042][0043][0044]
q5＞q1[0045]
d5＞d1[0046]
其中，x为决策变量，x＝{d4，d5，q4，q5}，d4、q4分别表示specialist理论中状态4的密度、流量；d5、q5分别表示specialist理论中状态5的密度、流量；dr指相对指标总行程延误，cr指相对指标交通事故发生次数；与分别表示交通需求随机性扰动系数与驾驶员遵从度扰动系数；ω表示决策变量x取值空间；e(
·
)表示期望取值；φ(
·
)表示仿真评价，
→
表示输出；llesc-vsl(
·
)表示采用llesc-vsl可变限速控制方法得到的可变限速控制方案；v
ideal
表示各检测周期的交通状态下的理想限速值合集；v
ctrl
表示各检测周期的交通状
态下的控制限速值合集；u表示各检测周期可变限速控制范围合集；t表示各检测周期可变限速控制时间合集；v
free
表示自由流速度；d1、q1分别表示specialist理论中状态1的密度、流量。
[0047]
第二方面，提供了一种电子设备，包括：
[0048]
存储器，其存储有计算机程序；
[0049]
处理器，调用并执行所述计算机程序时实现如上所述的高速公路分车道可变限速控制方法。
[0050]
第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的高速公路分车道可变限速控制方法。
[0051]
本发明提出了一种高速公路分车道可变限速控制方法、设备及介质，以specialist理论为理论基础构建llesc-vsl可变限速控制方法，综合考虑了不良天气条件与不良道路线形条件下安全限速值，同时考虑了限速值时空连续性，是一种车道级的可变限速控制方案，能够同时消散多个拥堵波，能够适用于实际交通状况。另外，还提出了以specialist理论中拥堵波变化过程中的两个状态为决策变量，以高速公路可变限速控制范围内总行程延误与交通事故发生总次数最小为双目标，建立了交通需求不确定和驾驶员遵从程度不确定情况下的双目标高速公路主线可变限速控制离线优化模型，利用离线仿真及优化技术得到最优状态消散参数，然后应用至llesc-vsl可变限速控制方法，得到最优可变限速控制方案，能够对抗环境扰动，提高鲁棒性。本发明可以克服以往仅考虑单一影响因素的已有可变限速控制的缺陷，减少道路交通事故的同时有效提高道路交通运行效率，具有实际工程运用价值。
附图说明
[0052]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053]
图1是本发明实施例提供的llesc-vsl可变限速控制方法流程图；
[0054]
图2是本发明实施例提供的拥堵波示意图；
[0055]
图3是本发明实施例提供的高速公路分车道可变限速控制方法框架图；
[0056]
图4是本发明实施例提供的可变限速控制仿真实验场景中数据交互示意图。
具体实施方式
[0057]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0058]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或顺序。
[0059]
本发明实施例提供了一种高速公路分车道可变限速控制方法，采用llesc-vsl
(variable speed limit control method of lane level expressway with spatiotemporal continuity)可变限速控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0060]
s1：判断是否到达检测周期。本实施例中检测周期取为120s，其他实施例中，检测周期也可以根据实际需求选择30s、60s、5min等。
[0061]
s2：从检测器获取各路段流量、速度、密度信息，每个路段均设置有检测器用于获取对应路段的上述交通数据信息；并采集天气信息、道路线形信息。
[0062]
s3：判断各路段是否产生拥堵波；如果产生则进入下一步，如果未产生则返回步骤s1。
[0063]
具体地，判断各路段是否产生拥堵波的过程包括：
[0064]
将各路段平均密度、平均速度与所设阈值进行比较，若平均密度高于对应阈值且平均速度低于对应阈值则认为该路段存在拥堵波。
[0065]
其中，阈值的确定规则如下：利用历史数据绘制可变限速控制区域内各路段流量-密度图，取各车道临界密度与临界速度的平均值作为对应阈值。当然，其他实施例中，也可以取各车道临界密度与临界速度的最大值或最小值作为对应阈值。阈值越小，说明该路段越容易被认定为存在拥堵波，将启动可变限速控制；反之，可变限速控制不易启动。
[0066]
s4：定位产生拥堵波的路段，并且将连续拥堵的路段合并，视为同一个拥堵波。
[0067]
s5：判断各个拥堵波是否满足消散的约束条件，即判断各个产生拥堵波位置的上游自由流状态的范围是否能够为拥堵波提供足够的可变限速控制范围；如果不能消散则进入步骤s6，如果能够消散则进入步骤s7。
[0068]
其中，判断各个拥堵波位置的上游自由流状态的范围是否能够为拥堵波提供足够的可变限速控制范围的方法为，所需要的控制范围，依据specialist理论中的时间-位置基本图计算得到。
[0069]
s6：定位不可消散拥堵波所在位置，向该拥堵波上游依次寻找可消散拥堵波并进行消散，不可消散拥堵波则等待下个检测周期检测与控制。
[0070]
其中多个拥堵波处理方式：可消散拥堵波按照原方式布设消散即可；当遇到不可消散拥堵波，则以不可消散拥堵波为起点向上游顺次寻找可消散拥堵波，通过消散此不可消散拥堵波的上游可消散拥堵波，减少拥堵程度(拥堵波向上游传播的速度和拥堵范围)并等待下次消散机会。
[0071]
如图2所示，其中两个拥堵波的情况，路段6与路段8同时产生拥堵波，若计算得路段8消散需要的上游自由流区域长度大于路段7，则在当前条件下路段8的拥堵波无法消散。因此，从路段8向上游顺次查看可消散拥堵波，对路段6的可消散拥堵波先进行消散控制，路段6拥堵波的消散一定程度上能够缓解其下游路段的拥堵情况。
[0072]
s7：根据specialist理论，运用流量-密度图与时间-位置图计算各个车道的第一可变限速控制方案，第一可变限速控制方案包括可变限速控制范围、控制时间、控制限速值。
[0073]
其中，基本图中流量-密度图绘制方式，本实施例采用逐倍增加交通需求以计算流量和密度的方法绘制流量-密图。另外，在绘制流量-密度图时，根据不同车道的车型比例不同，将流量数据转换为当量小车数绘制。
[0074]
s8：计算考虑天气与道路线形条件下的安全限速值对第一可变限速控制方案进行
优化。
[0075]
其中，不良天气下的安全限速值vw(k)主要考虑不良气象条件下的能见度，参考公路工程技术标准(jtg b01-2014)中给定的安全限速值(如表1所示)，当天气良好时取最大法定限速值120km/h。
[0076]
表1
[0077][0078]
不良道路线形条件下安全限速值计算主要考虑道路的横向力系数和超高横坡度，当道路线形良好时该限速值取最大法定限速值120km/h，计算公式如下：
[0079][0080][0081]
式中，ri表示曲线半径，θi表示横向力系数，表示第k个检测周期第i个路段最外侧车道车辆运行的平均速度，为超高横坡度。
[0082]
s9：结合优化后的第一可变限速控制方案，运用分车道控制策略，确定第二可变限速控制方案，第二可变限速控制方案包括各路段的可变限速控制范围与控制时间、各个车道的限速值。
[0083]
本实施例中分车道控制主要体现在两个方面：一方面，根据不同车道的车型比例(不同车型选择不同车道的概率不同)不同，根据当量小车折算系数将将流量数据转换为当量小车数绘制绘制各个车道流量-密度图；另一方面，将得到的优化后每条车道的第一可变限速控制方案(可变限速控制范围、控制时间、控制限速值)进行如下处理：针对控制限速值区分车道，则不进行调整；针对可变限速控制范围和控制时间不区分车道，则进行统一，统一方法为：以路段为单位进行控制，取所有车道的可变限速控制范围、控制时间的最大值或最小值或平均值进行统一，取值越大可变限速控制影响范围(时间与空间)越广。
[0084]
如表2和表3(保留两位有效数字)所示，分别展示了一种不同车型的当量小车折算系数和不同车型选择不同车道的概率统计示例。
[0085]
表2
[0086][0087]
表3
[0088][0089]
s10：以控制限速值时空连续性最优(指控制限速值在时间上的变化最小和在空间上的变化量最小)为目标建立在线限速值优化模型，对第二可变限速控制方案进行优化，以优化后的第二可变限速控制方案进行分车道可变限速控制，并等待下一次检测周期。
[0090]
优化指标的设定是为提高控制限速值的时间连续性与空间连续性，从而减少驾驶行为中的加减速行为，一方面能够提高车辆行驶速度的均质性以减少交通事故发生的概率，另一方面从工程实际应用来说可以提高驾驶员对限速及限速变化的接受程度，以提高可变限速控制方案的实效性。本实施例中，所述在线限速值优化模型表示如下：
[0091][0092][0093][0094]vi，j
(k)≤vw(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-4)
[0095]
|v
i，j
(k)-v
i，j
(k-1)|≤δv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-5)
[0096]
|v
i，j
(k)-v
i-1，j
(k)|≤δv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-6)
[0097]
|v
i，j
(k-1)-v
i-1，j
(k)|≤δv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-7)
al.specialist：a dynamic speed limit control algorithm based on shock wave theory[c]//200811th international ieee conference on intelligent transportation systems.ieee，2008：827-832.”，在此不进行赘述。
[0102]
上述实施例提供的高速公路分车道可变限速控制方法，以specialist理论为理论基础构建llesc-vsl可变限速控制方法，综合考虑了不良天气条件与不良道路线形条件下安全限速值，同时考虑了限速值时空连续性，是一种车道级的可变限速控制方案，能够同时消散多个拥堵波，能够适用于实际交通状况。
[0103]
specialist理论中，拥堵波的时空演化主要包括6个状态，其中状态1为拥堵波下游的自由流状态，状态2为拥堵状态，状态3为对拥堵状态的交通流进行可变限速控制后密度不变、速度和流量较低的状态，状态4为交通流适应可变限速控制后的状态，状态5为解除可变限速控制后交通流加速行驶的状态，状态6为拥堵波产生位置上游的自由流状态。在步骤s7，根据specialist理论，运用流量-密度图与时间-位置图计算各个车道的第一可变限速控制方案的过程中，本实施例是对消散状态参数(状态4的密度d4、状态5的密度d5、状态4的流量q4状态5的流量q5)的取值进行固定，然后用于计算第一可变限速控制方案。但是，考虑到不同的时间段高速公路的交通状况不同，如工作日与节假日时高速公路的交通状况区别较大，一天内不同时段(如白天和晚上)高速公路的交通状况也存在明显区别，如果不同的时间段上述状态量均取同样的固定值，同时也没有考虑交通需求不确定性和驾驶员遵从度不确定性，也会影响控制精度。
[0104]
基于上述情况，本发明另一实施例提供了一种高速公路分车道可变限速控制方法，其与前述实施例的区别在于，引入了离线仿真技术，用于得到更适应于不同时间段的最优消散状态参数，然后应用于llesc-vsl可变限速控制方法，得到最优的可变限速控制方案。具体地，该方法包括：
[0105]
s01：构建高速公路信息构建可变限速控制仿真实验场景。
[0106]
具体地，基于车道数及匝道设置情况，结合openstreetmap开源城市地图在微观交通仿真软件sumo中建立基本路网模型，根据历史数据得到的真实od(出行交通量)数据等对路网模型进行设置，构建可变限速控制仿真实验场景。本实例中微观仿真软件使用sumo(simulation of urban mobility)，将实验场景道路等间距分段，每个区段长度为2km，各路段编号为i＝1，2，...，n。同时在各个路段等距布设检测器，各检测器编号与路段编号一致。进一步的，通过仿真软件sumo接口工具traci搭建仿真场景与仿真优化算法之间的数据交互通道，具体的数据交互如图4所示。
[0107]
s02：考虑交通需求随机性与驾驶员遵从度随机性，以specialist理论中消散状态参数为决策变量，消散状态参数包括specialist理论中状态4和状态5的流量和密度，以高速公路主线总行程延误与高速公路主线交通事故发生次数为双目标评价指标，构建高速公路主线可变限速控制离线优化模型。
[0108]
其中，所述高速公路主线可变限速控制离线优化模型表示如下：
[0109][0110][0111]
[0112]
d4＞d5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-4)
[0113][0114][0115]qs
＞q1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-7)
[0116]
d5＞d1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-8)
[0117]
公式(3-1)中，x为决策变量，x＝{d4，d5，q4，q5}，d4、q4分别表示specialist理论中状态4的密度、流量，d5、q5分别表示specialist理论中状态5的密度、流量，密度的单位为veh/km，流率的单位为veh/h/lane；dr指相对指标总行程延误，cr指相对指标交通事故发生次数，本可变限速控制离线优化模型以二者为双目标；ω表示决策变量x取值空间；e(
·
)表示期望取值。表示交通需求随机性扰动系数，交通需求随机性服从正态分布该随机性扰动表示高速公路出行交通量变化情况，其含义为交通需求变化量是各个od对交通量odm与其对应随机性扰动系数的乘积，通过该扰动使得每个od对的交通量以95％的可能性位于[odm×
0.8，odm×
1.2]内，其中m表示od对的个数，odm表示第m个od对的值。表示驾驶员遵从度扰动系数，用表示，该公式表示当给定驾驶员i限速值后，驾驶员个体意愿行驶的速度与限速值的偏差程度，用表示，其值越大表示驾驶员i对限速值的遵从度越低；其中，v
veh
表示车辆实际行驶速度，v
ctrl
表示限速标志上显示的速度；其中均值为0，置信区间(-0.1，0.1)的置信度为95％。置信区间的设置表明驾驶员最大可能出现的执行偏差为10％，并且所有驾驶员中有95％的驾驶员的遵从度在10％内，即驾驶员的驾驶速度有95％的可能性位于[v
ctrl
×
0.9，v
ctrl
×
1.1]内，在给定v
ctrl
时驾驶员的速度实际驾驶速度为
[0118]
公式(3-2)中，φ(
·
)表示仿真评价，
→
表示仿真输出，即在给定决策变量与扰动后，每次仿真可以输出决策变量对应的双目标函数值；公式(3-3)中，llesc-vsl(
·
)表示采用llesc-vsl可变限速控制方法得到的可变限速控制方案，
→
表示可变限速控制方案关键参数输出，llesc-vsl是本发明提出的控制方法，此处通过仿真输出得到各检测周期内的各个路段各车道的交通状况从而判断是否产生拥堵，同时基于拥堵波消散原理、上一检测周期的可变限速控制方案、离线优化部分的消散状态参数结合在线限速值优化模型，计算得到各波消散所需要控制范围、控制时间、限速值；v
ideal
表示各检测周期的交通状态下的理想限速值合集，v
ideal
＝{v
ideal
(1)，...，v
ideal
(k)，...，v
ideal
(k)}，v
ctrl
表示各检测周期的交通状态下的控制限速值合集，v
ctrl
＝{v
ctrl
(1)，...，v
ctrl
(k)，...，v
ctrl
(k)}，u表示各检测周期可变限速控制范围合集，u＝{u(1)，...，u(k)，...，u(k)}；t表示各检测周
期可变限速控制时间合集，t＝{t(1)，...，t(k)，...，t(k)}，k表示检测周期总数；公式(3-4)-(3-8)为拥堵波消散的约束条件；v
free
表示自由流速度；d1、q1分别表示specialist理论中状态1的密度、流量。
[0119]
s03：获取高速公路历史相应时间段交通数据代入到可变限速控制仿真实验场景进行仿真，仿真过程中，采用llesc-vsl可变限速控制方法进行分车道可变限速控制，并收集仿真评价数据，往复循环直至拥堵波消散或达到检测周期次数上限；不断更新消散状态参数，然后重新进行仿真，采用llesc-vsl可变限速控制方法进行分车道可变限速控制，直至拥堵波消散或达到检测周期次数上限；如此采集多组仿真评价数据。
[0120]
s04：基于收集的所有仿真评价数据，求解高速公路主线可变限速控制离线优化模型，得到最优消散状态参数。求解高速公路主线可变限速控制离线优化模型时，可采用运用融合代理建模技术、塌缩球滤噪技术、潜力区搜索技术的双目标随机仿真优化算法(bospas)进行求解。
[0121]
s05：将得到的最优消散状态参数应用至llesc-vsl可变限速控制方法中(具体应用至步骤s7中)，对相应时间段的高速公路进行在线分车道可变限速控制。
[0122]
与以往仅考虑单一的固定拥堵路段、移动拥堵波、不良天气条件下的拥堵场景不同，本实施例提出了一种考虑交通需求随机性、驾驶人遵从度随机性、限速值时空连续性的车道级高速公路可变限速控制方法，同时考虑了不良天气与不同道路线形条件下的可变限速控制，是一种离线优化与在线控制相结合的控制方法。本发明克服以往仅考虑单一影响因素的已有可变限速控制的缺陷，减少道路交通事故的同时有效提高道路交通运行效率，具有实际工程运用价值。具体地，以拥堵波变化过程中的两个状态(状态4和状态5的流量和密度)为决策变量，以高速公路可变限速控制范围内总行程延误与交通事故发生总次数最小为双目标，建立了交通需求不确定和驾驶员遵从度不确定情况下的双目标高速公路主线可变限速控制离线优化模型。同时运用融合代理建模技术、塌缩球滤噪技术、潜力区搜索技术的双目标随机仿真优化算法(bospas)对问题进行求解。与已有的可变限速控制方法不同的是，本发明从以下方面进行了创新与改进：1)是一种考虑限速值时空连续性的控制方法；2)是一种考虑驾驶人遵从度与交通需求随机性的仿真优化方法，能够对抗环境扰动，提高方法的鲁棒性；3)是一种车道级的可变限速控制方法；4)是综合考虑不良天气条件与不良道路线形条件下安全限速的可变限速控制方法；5)是能够同时消散多个拥堵波的方法；6)是一种离线优化与在线控制相结合的可变限速控制方法。因此，本实施例提供的是一种全面考虑、可操作性强、效果明显的可变限速控制方法。
[0123]
本发明实施例还提供了一种考虑限速值时空连续性的高速公路分车道可变限速控制仿真平台，如图4所示，包括python主控引擎与高速公路主线可变限速控制sumo交通仿真模型；python主控引擎作为信息交互桥梁，负责仿真优化控制算法、仿真控制方案、sumo交通仿真模型、仿真数据文件之间的数据交换；高速公路主线可变限速控制sumo交通仿真模型根据实验场景进行搭建，主要包括实验场景路网文件、路由文件、附加文件、配置文件等，主要用于描述实验场景的路网情况与交通需求情况。其中，所述微观交通仿真软件亦可采用vissim、paramics等，控制平台可采用c#、java等其他编程语言实现，本发明不对具体的种类进行限制。
[0124]
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：
[0125]
存储器，其存储有计算机程序；
[0126]
处理器，调用并执行所述计算机程序时实现上述实施例所述的高速公路分车道可变限速控制方法。
[0127]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的高速公路分车道可变限速控制方法。
[0128]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0129]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0130]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0131]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0132]
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
[0133]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，采用llesc-vsl可变限速控制方法，包括如下步骤：s1：判断是否到达检测周期；s2：获取各路段流量、速度、密度信息，以及天气信息、道路线形信息；s3：判断各路段是否产生拥堵波；如果产生则进入下一步，如果未产生则返回步骤s1；s4：定位产生拥堵波的路段；s5：判断各个拥堵波是否满足消散的约束条件，如果不能消散则进入步骤s6，如果能够消散则进入步骤s7；s6：定位不可消散拥堵波所在位置，向该拥堵波上游依次寻找可消散拥堵波并进行消散，不可消散拥堵波则等待下个检测周期检测与控制；s7：根据specialist理论，运用流量-密度图与时间-位置图计算各个车道的第一可变限速控制方案，第一可变限速控制方案包括可变限速控制范围、控制时间、控制限速值；s8：计算考虑天气与道路线形条件下的安全限速值进一步优化第一可变限速控制方案；s9：结合优化后的第一可变限速控制方案，运用分车道控制策略，确定第二可变限速控制方案，第二可变限速控制方案包括各路段的可变限速控制范围与控制时间、各个车道的控制限速值；s10：以控制限速值时空连续性最优为目标建立在线限速值优化模型，对第二可变限速控制方案进行优化，以优化后的第二可变限速控制方案进行分车道可变限速控制，并等待下一次检测周期。2.根据权利要求1所述的高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，所述步骤s3中判断各路段是否产生拥堵波的过程包括：将各路段平均密度、平均速度与所设阈值进行比较，若平均密度高于对应阈值且平均速度低于对应阈值则认为该路段存在拥堵波；其中，阈值的确定规则如下：利用历史数据绘制可变限速控制区域内各路段流量-密度图，取各车道临界密度与临界速度的平均值或最大值或最小值作为对应阈值。3.根据权利要求1所述的高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，所述步骤s7中，采用逐倍增加交通需求以计算流量和密度的方法绘制流量-密度图。4.根据权利要求1所述的高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，绘制流量-密度图时，根据不同车道的车型比例不同，将流量数据转换为当量小车数绘制。5.根据权利要求1所述的高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，所述运用分车道控制策略，确定第二可变限速控制方案，包括：将得到的优化后每条车道的第一可变限速控制方案进行如下处理：针对控制限速值区分车道，则不进行调整；针对可变限速控制范围和控制时间不区分车道，则进行统一，统一方法为：以路段为单位进行控制，取所有车道的可变限速控制范围、控制时间的最大值或最小值或平均值进行统一。6.根据权利要求1所述的高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，所述在线限速值优化模型表示如下：
v
i，j
(k)≤v
w
(k)|v
i，j
(k)-v
i，j
(k-1)|≤δv|v
i，j
(k)-v
i-1，j
(k)|≤δv|v
i，j
(k-1)-v
i-1，j
(k)|≤δvv
i，j
(k)≤v
i，j+1
(k)其中，v
ctrl
(k)为决策变量，表示第k个检测周期各个车道各个路段的控制限速值；表示第k个检测周期第i个路段第j个车道的控制限速值；表示第k个检测周期第i个路段第j个车道的理想限速值；α与β为权重系数；δv表示限速值变化幅度；v
i，j
(k)表示第k个检测周期第i个路段第j个车道的检测到的速度值；表示基于当前道路线形信息计算得到的安全限速值；v
w
(k)表示基于当前天气信息计算得到的安全限速值；j表示车道总数；n表示路段总数。7.根据权利要求1至6任一项所述的高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，还包括：s01：根据高速公路信息构建可变限速控制仿真实验场景；s02：考虑交通需求随机性与驾驶员遵从度随机性，以specialist理论中消散状态参数为决策变量，消散状态参数包括specialist理论中状态4和状态5的流量和密度，以高速公路主线总行程延误与高速公路主线交通事故发生次数为双目标评价指标，构建高速公路主线可变限速控制离线优化模型；s03：获取高速公路历史交通数据代入到可变限速控制仿真实验场景进行仿真，仿真过程中，采用llesc-vsl可变限速控制方法进行分车道可变限速控制，并收集仿真评价数据，往复循环直至拥堵波消散或达到检测周期次数上限；s04：基于收集的所有仿真评价数据，求解高速公路主线可变限速控制离线优化模型，得到最优消散状态参数，将得到的最优消散状态参数应用至llesc-vsl可变限速控制方法的步骤s7中。
8.根据权利要求7所述的高速公路分车道可变限速控制方法，其特征在于，所述高速公路主线可变限速控制离线优化模型表示如下：路主线可变限速控制离线优化模型表示如下：路主线可变限速控制离线优化模型表示如下：d4＞d
55
q5＞q1d5＞d1其中，x为决策变量，x＝{d4，d5，q4，q5}，d4、q4分别表示specialist理论中状态4的密度、流量；d5、q5分别表示specialist理论中状态5的密度、流量；d
r
指相对指标总行程延误，c
r
指相对指标交通事故发生次数；与分别表示交通需求随机性扰动系数与驾驶员遵从度扰动系数；ω表示决策变量x取值空间；e(
·
)表示期望取值；φ(
·
)表示仿真评价，
→
表示输出；llesc-vsl(
·
)表示采用llesc-vsl可变限速控制方法得到的可变限速控制方案；v
ideal
表示各检测周期的交通状态下的理想限速值合集；v
ctrl
表示各检测周期的交通状态下的控制限速值合集；u表示各检测周期可变限速控制范围合集；t表示各检测周期可变限速控制时间合集；v
free
表示自由流速度；d1、q1分别表示specialist理论中状态1的密度、流量。9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，其存储有计算机程序；处理器，调用并执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的高速公路分车道可变限速控制方法。10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的高速公路分车道可变限速控制方法。

技术总结
本发明公开了一种高速公路分车道可变限速控制方法、设备及介质，其中方法包括：获取各路段状态数据，判断是否产生拥堵波并定位；对于可消散拥堵波，根据SPECIALIST理论，运用流量-密度图与时间-位置图计算各车道的第一可变限速控制方案；同时考虑天气与道路线形条件下的安全限速值，运用分车道控制策略，确定第二可变限速控制方案，该方案包括各路段可变限速控制范围与控制时间、各车道控制限速值；最后以时空连续性最优为目标对第二可变限速控制方案进行优化，以优化后的方案进行分车道可变限速控制。本发明是一种综合考虑限速值时空连续性与不良天气、道路线性条件下安全限速值的分车道可变限速控制方法，具有实际工程运用价值。价值。价值。


技术研发人员：郑亮 邹玉琪 魏翔 刘鹏杰 包骥
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/6/26