基于双层规划模型的城市快速路匝道优化设置研究

匝道设置是城市快速路设置的关键问题之一.本文通过对匝道设置问题的分析,对城市快速路周边道路网络设计问题进行深入的研究,并采用双层规划模型描述问题.其中上层规划模型是从交通规划者的角度出发,在各种约束的前提下,设计合理的匝道布局,使得交通出行达到系统最优:而下层从用户的角度出发,采用变需求的用户平衡模型来描述用户的出行规...     

城市高架道路连续入口匝道通行能力研究

匝道在城市路网中承担的主要功能是实现城市高速公路和地面路网之间的交通转换,匝道的通行能力是整个路网效率的重要指标。上海内环高架大柏树上匝道和逸仙高架合流连接主线形成了连续式入口匝道。基于FIFO模型,对这种入口匝道的通行能力进行了研究,并通过采集高峰期间的流量调查结果,标定了论文中的理论模型参数。     

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在实际的快速路交通流系统中,入口匝道的流量和快速路主路的速度都是受限的,因此在对快速路交通流进行控制时考虑这些限制十分必要. 基于迭代学习控制的快速路入口匝道控制是近年来快速路控制领域的一个研究热点,然而,至今为止还没有在输入和状态同时受限情况下的相关收敛性分析. 本文首先介绍了快速路交通流模型,并将交通密度控制转化为输出跟踪问题;然后通过严格的数学分析证明了在入口匝道流量受限和主路速度受限的情况下,基于迭代学习控制的入口匝道控制仍然能保证交通流密度收敛于期望密度;最后通过仿真研究验证了该方法在受限情况下能达到很好的控制效果.     

城市快速交通网络运行管理策略研究

将网络交通流模型、匝道控制模型、基于可变信息标志(variable message sign,VMS)的路径选择模型等整合为一体,建立了网络交通整合控制模型.与各种边界条件相结合,测试了匝道控制和路径诱导的控制效果.结果表明,无路径诱导有匝道控制策略的路网总时间消耗(total time spent,TTS)减少仅3%;有路径诱导无匝道控制策略的路网TTS减少20%,但入口匝道排队长度很不均衡,最大达300辆;有匝道控制有路径诱导策略的路网TTS减少20%,入口匝道排队长度比较均衡.     

快速路入口匝道瓶颈宏观交通流模型

基于入口匝道汇入方式与基本图形态, 提出了一种调整型元胞传输模型; 增加了入口匝道状态变量以追踪入口匝道交通状态, 定义了新的入口匝道汇入规则; 将双通行能力基本图引入到调整型元胞传输模型中, 以适应不同交通状态下通行能力的变化; 将单纯形法与遗传算法相结合, 提出了混合多目标参数优化方法; 建立了3个仿真场景, 评价调整型元胞传输模型与混合多目标参数优化方法的效果。仿真结果表明: 在预测入口匝道上游主线拥堵发生与结束时间方面, 与经典元胞传输模型相比, 调整型元胞传输模型将时间预测准确性分别提升了22.3、10.8 min; 在模拟入口匝道汇入段主线拥堵传播与消散方面, 调整型元胞传输模型模拟结果更加符合实际的传播与消散规律; 在模拟试验路段早发性失效交通特性方面, 调整型元胞传输模型对于拥堵前最大流量与拥堵后消散流量的拟合误差在4%以内, 小于经典元胞传输模型; 在模型仿真精度方面, 调整型元胞传输模型各项评价指标均优于经典元胞传输模型, 前者的仿真速度误差为10.42 km·h-1, 较后者降低了25.4%;与传统的遗传算法相比, 混合多目标参数优化方法的总计算次数更少, 参数标定过程总耗时缩短了29.3%。      

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高速公路匝道控制是一种通过限制进入高速公路车辆数来有效改善高速公路拥堵的交通控制方法。本文通过微观交通仿真对无匝道控制、定时控制及三种广泛应用的匝道控制算法（ALINEA、FLOW、Stratified Zone）进行比较评价。仿真采用AIMSUN NG软件，以澳大利亚昆士兰州太平洋快速路的仿真模型为基础测试模型。研究结果表明，基本的匝道控制可使路网能力比无控制时提高40%。就路网和高速公路主要线路能力而言，在正常的和高的交通需求条件下，ALINEA算法优于其他算法，Stratified Zone在提高入口匝道能力方面最优。就匝道入口能力而言，ALINEA算法的匝道入口能力最低，FLOW算法比Stratified Zone算法略优。本文用基尼系数（Gini coefficient）评价不同算法的道路使用者效用。结论还表明，匝道控制可使高速公路路网和入口匝道能力达到平衡。     

基于模型预测的城市快速路匝道流量协调控制

为保证城市快速路处于最大通行能力状态,提出了城市快速路交通流量的一种非线性模型预测方法,在此基础上,对快速路各入口匝道流量进行协调控制.以城市快速路某一拥挤路段为例进行了仿真研究,结果表明,该方法不仅能够有效地消除交通拥挤,维持主线车流稳定,而且匝道调节率平稳,同时该控制方法能保证各入口匝道交通需求的公平性.     

结合部区域入口匝道协调控制模型

针对进出城市的高速公路与关联城市快速路（简称结合部区域）交通拥堵日益恶化的现象,以结合部区域为研究对象,从结合部区域的匝道控制影响因素分析入手,建立了一种适用于结合部区域的单点入口控制模型和多入口匝道协调控制模型,以京津塘高速公路与北京市三环、四环的结合部区域为例,以实地调研及交通流检测数据为基础,通过仿真验证其有效性,为匝道协调控制实际应用提供理论方法.     

匝道连接处交通流动力学的理论、模型及其应用

通过对交通流参数的微分分析，建立了匝道连接处交通流的运动微分方程和欧拉方程．采用特征线法对运动微分方程组进行分析求解，在高速低密度区和低速高密度区分别得到了两组特征线和对应的特征关系式．积分后，得到了匝道单车道流量与匝道连接处速度、密度和流量的理论关系模型．结合匝道的特点，给出了出入口匝道连接处交通流参数之间关系的理论模型以及出入口匝道的通行能力计算模型．将连接处参数之间的关系模型整理成汇入率（驶出率）、上游外侧车道流量和密度之间的关系．利用实测数据对关系模型进行标定，与美国道路通行能力手册（HCM2000）的经验公式和算例进行了比较，两者能够吻合．     

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本文基于对城市快速路入口匝道控制问题的分析，用微观交通仿真软件PARAMICS建立入口匝道控制仿真模型，对三种入口匝道控制算法（ALINEA，NEW-CONTROL和MIXED-CONTROL）进行仿真对比研究。结果表明三种算法都能一定程度上改善快速路的交通拥挤。同时给出三种算法的差异性描述，从交通流特征和算法特点分析产生差异的原因。最后指出MIXED-CONTROL在优化主线交通流的同时减少了入口匝道的车辆排队长度，其在高需求时的总体性能优于其它两种算法，是比较适合于实际应用的匝道感应控制算法。     

基于模糊理论的高速公路入口匝道控制研究

入口匝道控制是缓解高速公路交通拥挤的主要控制方式之一。在分析高速公路交通流运行特性的前提下,选择交通流平均速度、入口匝道排队长度作为模糊控制的输入量,入口匝道调节率作为模糊控制的输出量;然后,借鉴入口匝道控制的原理和模糊控制系统的设计步骤,运用MATLAB仿真软件确定了相应的隶属函数、模糊控制规则、模糊推理以及反模糊化的方法;最后,从交通流平均速度、入口匝道排队长度以及入口匝道调节率这三者之间的输入/输出特性曲面,可以明显地看出该模糊控制系统更符合匝道控制的实际情况,并且在行程时间和总服务流量上均优于定时控制。     

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在高架道路匝道设计中,路网性能及设计悖论的出现与否都受匝道位置的影响,本文对同时优化匝道位置和通行能力的匝道设计问题进行了研究.通过分析设计中可能出现的悖论问题总结了导致其出现的原因.鉴于匝道位置的重要性,建立了考虑匝道位置的走廊通道高架道路匝道设计双层规划模型.模型的决策变量为匝道布设位置、通行能力以及类型(上/下高架),上层目标为最小化网络的总出行时间,下层为交通分配问题.最后,通过计算示例来验证所提出模型的优点,算例结果表明,考虑匝道位置的优化设计模型能获得较好的效果.     

基于地面路网MFD 的快速路出口匝道流量分配模型

过于集中的流量分配易导致出口匝道和与之相衔接的地面道路过饱和,进而影响快速路和地面路网的通行效率.为提高路网中车辆通过快速路到达目的地的通行效率,基于地面路网宏观基本图（Macroscopic Fundamental Diagram,MFD）,以出口匝道通行能力和与之相衔接的地面路网承载能力为约束条件,以整个路网的车辆总行程时间最短为优化目标,建立快速路出口匝道流量分配模型.根据宏观网络车流平衡方程,采用改进的遗传算法对模型进行求解.最后,通过实际路网验证了模型的有效性.结果表明,该模型可有效提高车辆通过快速路到达目的地的通行效率,同时降低出行成本.     

基于复杂网络同步城市快速路协调控制研究

基于复杂网络同步,本文研究城市快速路多入口匝道协调控制问题.采用元胞传输模型建立城市快速路节点耦合的复杂网络动力学模型,以同步为目标设计多入口匝道协调控制器并确定控制策略,其中牵制节点对应需施加控制信号的入口匝道,推导出城市快速路网络系统同步的稳定性条件,以此得到牵制节点和反馈增益矩阵.通过具体例子仿真验证了本文协调控制方法的有效性,能以较小的控制范围代价达到抑制交通拥堵从而提高道路通行效率的目的,控制效果优于传统协调控制方式,可进一步推广到大规模城市交通网络系统.     

基于元胞自动机的快速路匝道控制方法

快速路匝道交织区是城市道路网络中的典型瓶颈,快速路匝道流量的控制对改善交通瓶颈具有重要意义。传统的匝道控制方法具有滞后性、参数标定困难等局限。本文改进了匝道合流区的元胞自动机模型,应用元胞自动机模型对匝道绿信比的控制效果进行快速仿真计算,并基于仿真结果优选信号控制方案。仿真结果表明,基于元胞自动机模型的快速路匝道汇入流量控制方法能提高快速路匝道瓶颈的运行效率,具有较好的前瞻性、稳健性和可移植性。     

基于收费站栏杆机控制的高速公路入口匝道控流算法设计

为缓解城市段高速公路的交通拥堵状况,研究了基于收费站栏杆机控制的入口匝道车流控制实用型算法。首先,阐述入口匝道控制原理及常用算法;其次,结合我国高速公路实际情况设计入口匝道分级控流算法:一级状态下,基于需求-容量差额控制理论,建立路段交通流模型、收费站栏杆机起降速度与车流的排队关系模型,通过控制栏杆机的起落速度实现对入口匝道车流的"预防式"调节;二级状态下,建立检测路段的上游各入口拥堵贡献权重模型,通过临时关闭收费站入口或压缩高接高匝道实现"治理式"控制;最后,以广州机场高速公路为例,通过构建交通流模型,针对不同拥堵情况进行匝道控流,验证本算法的有效性。     

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随着城市汽车保有量的不断增加,交通拥堵日益频繁;匝道控制是通过调节入口匝道车辆数,来缓解快速路匝道交汇处拥堵的有效方法.本文同时考虑快速路和入口匝道上的实时密度设计了匝道控制优化算法,该算法旨在控制快速路密度接近其最优值,同时减少匝道上的排队数;通过PARAMICS仿真软件对算法进行验证,并与ALINEA、Demand Capacity算法进行了比较,仿真模拟统计了快速路交通流密度、匝道排队数、总车辆行程时间以及下游流量数据.分析结果显示,实时密度控制算法是有效的,能够维持干线最大流量,保持路网交通条件的动态平衡,并且尽可能地减少排队长度.     

基于双层规划模型的车辆疏散策略研究

针对一类多源单目且每个OD对之间只有一条路径的特殊拓扑结构高速公路疏散网络,为减少在汇流处同时到达流之间产生冲突而造成排队延误,提出兼顾效率和公平的疏散策略。通过引入疏散效率和社会公平的概念,建立一个双层规划模型,在约束条件构成的凸多面体上采用有限生成算法对模型进行优化求解,得出对匝道入口车辆进行控制的最优疏散策略。算例结果表明该方法具有可行性和有效性。     

入口匝道与毗邻交叉口交通流关联度模型

随着城市交通需求的增长,快速路及普通道路系统的拥堵问题日益严重,入口匝道及其毗邻的交叉口群往往形成区域性的拥堵,构成路网中的瓶颈节点.入口匝道作为快速路系统与普通道路系统的连接节点,探究其与毗邻平面交叉口之间的关联性从而筛选出与入口匝道高度相关的交叉口并进行协调控制成为解决拥堵问题的思路之一.在对入口匝道与毗邻平面交叉口交通流关联度的影响因素进行分析的基础上,建立基于出口道路径关联度的入口匝道与毗邻平面交叉口关联度模型,从而实现定量计算入口匝道与其毗邻交叉口之间的关联度,并使用上海SCATS系统数据验证其有效性.所建立的模型能够有效的筛选出与入口匝道交通流高度关联的交叉口,明确入口匝道影响范围边界,并可以作为协同控制策略关键路径筛选的理论依据.     

高速公路交通流优化模型及分析

本文对高速公路进行了两级分段，以车流密度ρ（ｋ）和车流速度υ（ｋ）作状态变量，将入口匝道车流量ｒｉ（ｋ）作控制变量，建立高速公路非线性离散动态交通流数学模型和交通流优化模型，提出了模型中参数辨识的优化算法，分别建立了高峰期两种情况优化目标函数。最后，实际计算了西（安）临（潼）高速公路高峰期和非高峰期的优化状态。