高速公路施工区信号汇入控制研究

为减少高速公路施工区由于车道封闭而形成的局部瓶颈路段,使得行驶车辆安全平稳通过施工区,在国内外高速公路施工区汇入控制策略研究的基础上,结合交通流理论对信号汇入控制进行分析和优化,并利用交通仿真技术对比分析常规汇入控制和信号汇入控制效果,研究发现信号汇入控制可以显著提高施工区单位时间的交通通过量,降低每辆车的平均延误和平...     

消除高速公路运动波的可变限速控制方法

运动波是高速公路一种常见的交通拥堵，可通过可变限速控制有效消除。近年来，研究中提出了大量消除高速公路运动波的可变限速控制方法，却鲜有方法成功落地应用。可变限速控制方法的成功应用需满足3个基本条件，即模型预测的准确性，优化求解的实时性，以及控制方案的安全性，而当前研究中的方法难以同时满足上述基本条件。因此，为提高高速公路交通效率，保障高速公路交通安全，提出了消除高速公路运动波的可变限速优化控制方法。构建了模拟运动波传播的离散一阶交通流模型，解析了可变限速控制对交通效率及安全的影响机理，建立了提升交通效率、保障交通安全的可变限速优化控制方法。利用数值仿真模拟，测试了轻微拥堵与严重拥堵2种不同场景下限速控制方法的控制效果，评估了控制方法在提升交通效率和安全方面的表现，对比了所提方法与文献经典方法在控制效果上的优劣。结果表明：可变限速优化控制方法在2种场景下降低总行程时间分别为10.1%和10.6%，降低事故风险指标TET分别为72.6%和73.1%，降低事故风险指标TIT分别为92.4%和82.9%。与文献方法相比，在预测模型准确性以及对交通流效率与安全的改善方面均有提升，其中在严重拥堵测试场景下，效果提升更为显著。     

Connected variable speed limits control and car-following control with vehicle-infrastructure communication to resolve stop-and-go waves

The vision of intelligent vehicles traveling in road networks has prompted numerous concepts to control future traffic flow, one of which is the in-vehicle actuation of traffic control commands. The key of this concept is using intelligent vehicles as actuators for traffic control systems. Under this concept, we design and test a control system that connects a traffic controller with in-vehicle controllers via vehicle-to-infrastructure communication. The link-level traffic controller regulates traffic speeds through variable speed limits (VSL) gantries to resolve stop-and-go waves, while intelligent vehicles control accelerations through vehicle propulsion and brake systems to optimize their local situations. It is assumed that each intelligent vehicle receives VSL commands from the traffic controller and uses them as variable parameters for the local vehicle controller. Feasibility and effectiveness of the connected control paradigm are tested with simulation on a two-lane freeway stretch with intelligent vehicles randomly distributed among human-driven vehicles. Simulation shows that the connected VSL and vehicle control system improves traffic efficiency and sustainability; that is, total time spent in the network and average fuel consumption rate are reduced compared to (uncontrolled and controlled) scenarios with 100% human drivers and to uncontrolled scenarios with the same intelligent vehicle penetration rates.     

考虑高速公路运行风险的雨天可变限速方法

为保证雨天环境下高速公路行驶安全，降低道路整体运行风险，结合雨天风险特征，开展考虑运行风险的雨天可变限速研究。首先应用随机森林模型，标定雨天环境下高速公路动静态风险因素的特征重要度，并结合熵值理论，建立高速公路风险模型、计算风险系数、划分风险等级;之后，以空域自适应算法中可变限速推演变化规律为基础，考虑大、小型车的行驶特征，结合预期风险、雨天停车视距、水膜厚度等因素，优化可变限速模型，细化大、小型车辆的初始控制值，进而提出不同降雨强度、不同能见度下的可变限速推荐值；在此基础上，利用驾驶模拟实景仿真系统、心理生理检测设备、微观交通流仿真软件，开展可变限速系统控制值合理性及驾驶人行车适应性与交通流运行状态的实证分析。研究结果表明：随着能见度降低和降雨量增大，在可变限速控制下，驾驶人呈现出交感神经兴奋性减弱、副交感神经兴奋性增强、心理紧张度降低的状态，其平均心率、心率变异性高频值、心率变异性低频值、心率变异性差异值分别由74.13、0.121、0.643、2.37变为78.23、0.192、0.567、2.01，驾驶人对限速方案的适应性良好；同时，可变限速可保证道路整体通行效率，不会造成交通流风险震动，在小型车、大型车限速分别为80、60 km·h^-1和小型车限速60 km·h^-1、大型车禁止驶入场景下，碰撞时间均值、中值大于未限速场景，各车道的行车安全性均能得到保障;提出的雨天可变限速控制方法合理，且具有一定工程适应性，能为异常天气高速公路宏观车流主动防控提供理论支撑。     

包含出入口匝道的高速公路路段行程时间估计方法

针对高速公路路段是否包含出入口匝道的特征,提出了1种行程时间估计改进方法。根据不同类型路段流量变化及影响范围,通过匝道物理位置对传统半距离法中路段行程时间的取值进行优化,获得了适应于匝道引起流量不均衡的行程时间估计方法。以南京机场高速公路为背景,通过Vissim仿真所得地点速度值,结合路段行程时间真实值,检验所提方法的性能。实验结果表明:当路段出入匝道的流量均衡时,所提方法较半距离法的精度提高3.71%,较空间线性插值法精度提高4.59%,当出入匝道的流量相差较大时,所提方法较半距离法的精度提高16.27%,较空间线性插值法精度提高17.29%。结果验证了改进方法较半距离法和空间线性插值法更具优越性。      

高速公路运输量研究

提出了高速公路运输量的统计方法,并以南京—上海高速公路为例,首次统计了中国高速公路的客运量、货运量、客运周转量、货运周转量以及客、货运输密度。研究表明:在南京—上海通道内,高速公路和铁路起着同样的关键作用;货运方面,高速公路和铁路运送货物价值相差很大,两者是互补性的,客运方面,高速公路客运量中个性化出行与铁路是互补性的,而群体性出行与铁路是替代性的。对高速公路上运行的车辆状况进行了分析,指出货运量主要是由四轴的半挂列车和两轴的单车完成的。客运中个性化出行的乘客占40%,车数占88%。     

面向瓶颈多簇运动波消除的拥堵吸收智能驾驶模型

高速公路瓶颈运动波是诱发通行延误与事故风险主要原因.智能网联下精细化感知与精准化控制为消除运动波影响提供了技术环境.在构建一种在线、主动消除广域运动波的拥堵吸收智能驾驶模型的基础上,解析车头间距与运动波传播关联机制,确定运动波完全消除设计实施条件,提出消除单个运动波最佳驾驶策略;面向多簇运动波形成时间[位置[规模等特性...     

面向新型混合交通流的快速路合流区通行能力建模

面向人类驾驶和具备协同自适应巡航功能的网联自动驾驶组成的新型混合交通流,考虑道路交通特性、道路结构以及匝道汇入前主线交通状态等因素的交互作用机理,基于概率统计理论解析网联自动驾驶渗透率和编队长度间的耦合关系,进一步基于间隙接受理论分析匝道汇入交通对合流区通行能力的折减效应,建立快速路合流区通行能力模型,定量描述不同道路条件下合流区通行能力如何随网联自动驾驶渗透率和编队长度变化。模型中的道路交通特性、道路结构及匝道汇入前部分交通状态参数根据实际道路交通环境标定,提升了模型的通用性与可迁移性。搭建内嵌车辆动力学模块的Vissim仿真平台进行模型评估,结果表明,模型精度在80%以上,且在不同网联自动驾驶渗透率和编队长度条件下皆表现良好。      

干道交通瓶颈交叉口的红波双向协调控制模型

针对当前城市干道瓶颈交叉口交通拥堵状况,从信号控制角度提出了1种红波双向协调控制模型,对于缓解此类问题具有现实意义.模型是在流量均分思想和绿波协调控制时距图分析方法基础上建立的1种双向协调控制模型,能够针对干道瓶颈交叉口上下游交通流不同的交通控制需求分别实施红波协调控制和绿波协调控制,并通过引入红波控制参数,可以满足不同的交通控制策略需求.以佛山市顺德区南国西路为案例,通过对Vissim仿真评价数据进行协调前后对比分析,结果表明模型能够有效减小瓶颈交叉口排队长度39.48%,缩短行程时间22.01%,验证说明了模型的有效性.      

上海城市快速路匝道处交通分析与控制方案设计

分析了上海市城市快速路交通运行的特点和主要症结,对关键瓶颈位置实施单点匝道控制方案.以洛川路入口匝道为切入点,分析了洛川路主线、匝道的交通状况和相关地面交通状况,针对洛川路入口匝道的具体情况设计匝道控制方案,具体研究了工程控制阈值和匝道调节方案的适用条件.最后对实施的方案效果进行评估,可改变现有拥挤、瘫痪的交通状态,提高快速路的使用效率.     

交通瓶颈下相序设置对路口交通状况影响分析

针对路段发生交通瓶颈时上游路段可能出现的溢流现象,在分析不同相序设置下进入交通瓶颈路段车流构成的基础上,应用车流波动理论,从进入交通瓶颈路段的车流与交通瓶颈通行能力间关系出发,分别就不同相序相同车流量以及相同相序不同车流量时交通瓶颈上游车流的集散波进行分析对比,将周期内不同的相序设置及车流量对交通瓶颈上游溢流情况的影响进行了研究,针对各种情况,得到通过改变相序避免溢流情况发生需要满足的条件。研究结果表明,在某些条件下,相序的变化对避免溢流现象发生的影响不大,而当满足一定条件时,通过改变相序设置可以有效的避免溢流情况的发生。     

基于模糊逻辑的高速公路入口匝道控制方法

为提高高速公路入口匝道的控制能力,以达到增进车流平稳性的目的,对传统闭环控制器ALINEA进行了扩展,并结合模糊逻辑理论,给出一种新的入口匝道控制器。该模糊控制器加入了流量变化的因素,以交通流量为控制目标,实际流量与设定期望值的偏差及流量变化量作为输入,根据所设定的模糊规则给出匝道控制率的调节量。最后通过实例对控制器进行了评价。仿真试验表明:该模糊控制器能够快速地将交通流调整到期望状态,可以适应主干道交通流以及匝道需求的大幅变化,有效抑制波动的产生;同传统的ALINEA策略相比,模糊匝道控制器具有更加稳定的控制效果。     

考虑拥堵空间排队与溢出的道路网静态交通流分配

为刻画拥堵空间排队与溢出现象对交通流分配的影响，提出考虑拥堵空间排队与溢出的道路网静态交通流分配问题，并构建相关的求解算法，用于描述交通需求在起讫点移动过程中路网整体的宏观运行状态。首先，丰富和完善考虑拥堵空间排队与溢出的静态交通流分配的相关假设，提出次生瓶颈、拥堵干扰与渗透和分段化路段阻抗等基本概念和理论，来刻画拥堵交通瓶颈、拥堵空间排队等交通现象；其次，建立网络瓶颈识别算法和空间排队回溯算法，基于此构建考虑拥堵空间排队和溢出的增量分配算法，用于求解交通流分配的结果；最后，通过使用一个具有说明型的算例进行对比分析。研究结果表明：建立的瓶颈识别、排队回溯和增量分配算法可以识别路网中的瓶颈位置及其拥堵排队区域，并可计算得到各路段上的分段分配流量；与点排队只影响瓶颈路段的运行状况和均一的路段分配结果相比，可有效描述路网整体的宏观运行状态以及由于拥堵空间排队所导致的拥堵干扰与渗透现象；不同于“时间片”的伪动态交通流分配模型，新建算法的分配结果是“全时段”与“整体性”的路网宏观运行状态，包含了拥堵瓶颈的具体位置和空间排队的干扰与渗透情况；一般拥堵点排队模型和基于“时间片”的拥堵空间排队模型难以刻画拥堵干扰与渗透现象以及路网整体的宏观运行状态，故所建立的分配方法是对传统拥堵交通流分配的丰富和发展。     

交通事故导致的高速公路拥堵状态判别方法

为量化分析不同交通事故条件下的高速公路路段拥堵情况,研究路段偶发性拥堵规律,本文构建了1个基于行程时间可靠性指标的高速公路路段拥堵判别方法。建立基于美国《公路通行能力手册》中行程时间可靠性分析方法的路段行程时间可靠性模型,并采用西南某高速公路路段实际数据校准模型。利用蒙特卡洛模拟方法生成交通事故场景,将交通事故解构为交通事故发生位置、交通事故严重程度、交通事故持续时间、交通事故发生频率4个特征,并以行程时间指数为路段拥堵量化指标,研究不同交通事故特征水平下的高速公路路段拥堵规律,并判别路段拥堵程度。研究结果表明:美国《公路通行能力手册》的行程时间可靠性分析方法具有可移植性,校准后可应用于国内高速公路路段;交通量接近饱和时,交通事故发生在出口匝道段的拥堵程度高于基本路段与入口匝道段,单车道关闭场景下的交通事故影响远高于路肩关闭场景下的交通事故;交通量接近自由流状态时,拥堵程度对严重程度不敏感;任何交通量水平下,单车道关闭场景下的交通事故持续时间一旦超过15 min,路段拥堵程度极有可能剧增。本文构建的路段拥堵判别方法,可以在精细化探究偶发性交通事故拥堵规律的同时划分路段拥堵等级,为相关部门的事故管理提供理论支撑。      

Collaborative merging strategy for freeway ramp operations in a connected and autonomous vehicles environment

In a connected vehicle environment, vehicles are able to communicate and exchange detailed information such as speed, acceleration, and position in real time. Such information exchange is important for improving traffic safety and mobility. This allows vehicles to collaborate with each other, which can significantly improve traffic operations particularly at intersections and freeway ramps. To assess the potential safety and mobility benefits of collaborative driving enabled by connected vehicle technologies, this study developed an optimization-based ramp control strategy and a simulation evaluation platform using VISSIM, MATLAB, and the Car2X module in VISSIM. The ramp control strategy is formulated as a constrained nonlinear optimization problem and solved by the MATLAB optimization toolbox. The optimization model provides individual vehicles with step-by-step control instructions in the ramp merging area. In addition to the optimization-based ramp control strategy, an empirical gradual speed limit control strategy is also formulated. These strategies are evaluated using the developed simulation platform in terms of average speed, average delay time, and throughput and are compared with a benchmark case with no control. The study results indicate that the proposed optimal control strategy can effectively coordinate merging vehicles at freeway on-ramps and substantially improve safety and mobility, especially when the freeway traffic is not oversaturated. The ramp control strategy can be further extended to improve traffic operations at bottlenecks caused by incidents, which cause approximately 25% of traffic congestion in the United States.     

A framework for travel time variability analysis using urban traffic incident data

This study aims to develop a framework to estimate travel time variability caused by traffic incidents using integrated traffic, road geometry, incident, and weather data. We develop a series of robust regression models based on the data from a stretch in California's highway system during a two-year period. The models estimate highway clearance time and percent changes in speed for both downstream and upstream sections of the incident bottleneck. The results indicate that highway shoulder and lane width factor adversely impact downstream highway clearance time. Next, travel time variability is estimated based on the proposed speed change models. The results of the split-sample validation show the effectiveness of the proposed models in estimating the travel time variability. Application of the model is examined using a micro-simulation, which demonstrates that equipping travelers with the estimated travel time variability in case of an incident can improve the total travel time by almost 60%. The contribution of this research is to bring several datasets together, which can be advantageous to Traffic Incident Management.     

基于分布式强化学习的高速公路控制模型

针对公路交通流非线性、不确定性和模糊性特点,提出了面向控制的交通网络宏观动态离散模型,并且引入分布式强化学习来解决交通网络的控制与诱导问题。以传统网络交通流模型Metanet为基础,对其作了改进,引入起讫点的因素到模型中,提出基于OD的网络交通流动态模型Metanet-OD。根据交通网络的特点,将分布式强化学习DRL引入到交通网络中,进行匝道控制和可变显示牌的诱导控制,设定了强化学习的动作空间,并给出了DRL算法。在仿真试验中对控制效果进行了验证。     

高密度瓶颈交通流主动-回应汇入行为定义与建模

汇入行为是导致高速公路、快速路汇入区瓶颈失效的根本原因,也是引发车辆冲突、交通事故的重要诱因。基于上海虹许路汇入区高精度轨迹数据,在经典的3类汇入行为(自由、协作、压迫)分类基础上发现并定义了一类新的汇入行为:主动-回应汇入,即在目标车道插车间隙不足的条件下,汇入车辆通过横向偏移主动表达汇入意图,引发后车合作让行,从而实现汇入。由于传统的换道类型划分方法已不适用于描述瓶颈区汇入过程的复杂交互现象,因此根据汇入车辆的横向位置将汇入过程划分为4个时段,以目标车道后车让行的时段不同对4类汇入行为进行了重新划分。基于此对虹许路汇入区轨迹数据中的汇入行为进行分类,并比较主动-回应汇入行为与经典的3类汇入在汇入位置与汇入间隙变化分布的差异。进一步,采用风险空间理论判断目标车道间隙的可汇入程度,并结合混合高斯-隐马尔可夫模型实现对后车的让行意图识别,建立了主动-回应汇入模型。最后构建了瓶颈交通流仿真原型系统以验证模型有效性。结果表明:在宏观交通流层面,主动-回应汇入行为在汇入位置、速度和间隙的分布上与实证数据一致,均值没有显著差异;在个体行为层面,也能再现定义描述的"主动试探-两车博弈-回应让行"的过程。该研究成果对解析瓶颈交通流早发性失效机理、揭示汇入风险变化过程以及设计符合人类驾驶人交互特征的自动驾驶汇入策略均具有重要的指导意义。     

雾天环境下高速公路可变限速控制方法研究

针对雾天环境下高速公路能见度下降导致交通安全和效率降低的问题,提出了一套雾天环境下高速公路的可变限速(VSL)控制方法,包括系统布置、工作流程和可变限速控制策略等,可以根据检测到的实时道路能见度和交通流数据,考虑最大安全车速、交通流运行状态和驾驶员遵从度等因素的条件下,综合确定目标路段的限速值.利用G4高速公路实测数据,在Vissim软件中进行了2组对比仿真实验,结果表明,与无可变限速控制相比,实施可变限速控制的1组,最低车速在平流雾(团雾)环境下提高了27.24%(28.54%),同一控制周期下相邻路段的最大车速差减少了26.42%(41.91%).提出的可变限速控制方法在雾天环境下能更有效地保障高速公路行车的安全和效率.      

高速公路作业区智能车道汇合控制系统研究

在道路的养护维修期间,高速公路作业区由于经常需要关闭车道而形成道路通行的瓶颈,影响着高速公路运行的平稳性和安全性。为降低车道关闭带来的影响,结合ITS技术设计了高速公路作业区的智能车道汇合控制系统的流程,并建立了信息采集子系统、信息处理及决策子系统和信息发布子系统。该系统通过分析交通检测器采集到的实时数据对交通状态进行判别,根据道路的拥挤状况动态选择车道汇合控制方案。最后,通过模拟的方法对系统的性能进行了比较分析,结果表明:智能汇合控制相比于静态汇合控制、动态提前汇合控制和动态延迟汇合控制,性能更为优越,特别是在改善高速公路作业区的安全性和通行能力方面。