[发明专利]基于密度的快速路多车道匝道控制方法

摘要

本发明公开了一种基于密度的快速路多车道匝道控制方法，属于交通信息技术领域，本发明同时考虑匝道交通和主线交通，将两者的密度参数同时整合在控制目标中，实现主线交通流量最大，同时解决匝道排队长度过长和排队延误过大的问题；二是替代占有率和流量作为控制参数，直接选择密度作为控制参数，从而实现数据采集的方便性和对交通状态描述的唯一性两重目的；三是充分考虑多车道交通流特性的差异和车辆换道行为，从更微观的角度实现对交通状态的准确判断，从而提升匝道控制的控制效果。

主权项

1.一种基于密度的快速路多车道匝道控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立多车道动态密度模型首先假设如下：第一，长度为L的城市快速路被分为N段，每一段快速路的车道数是相同的；第二，对路段i，至多只能有一个入口匝道或出口匝道与其相连；第三，入口匝道的汇入车流只能汇入到主线最外侧车道，主线车辆只能在相邻的车道间进行换道行为，跨车道的换道行为不允许发生；基于上述假设，给出只有两车道情况下的快速路动态密度模型,定义内侧车道为车道1，外侧车道为车道2，当i≠j时，即没有入口匝道或出口匝道与路段相连；当i＝j时，即有一个入口匝道与路段相连，则两车道情况下内外侧车道的动态密度模型可表达为：式中：q(k,i,1)为路段i在时间段[kT,(k+1)T]离开内侧车道流入下游的车辆数与T的比值，n_1，2(k,i)为路段i在时间段[kT,(k+1)T]从内侧车道换道至外侧车道的车辆数与T的比值，u(k,i)为入口匝道的流入流量；定义η_y,l(k,i)为时间段[tT,(t+1)T]内路段i上由第y条车道换道至第l条车道的车辆数与车道y上车辆总数的比例，则上式可以写成：入口匝道的动态密度方程则可以表达为：式中：q_rampin(k)为时间段[kT,(k+1)T]内进入匝道的车辆数与T的比值，w为入口匝道长度；对于多车道情况的动态密度模型，定义X为总车道数量，l为第l条车道，l＝1,2,…X，当l＝1时，表示为最内侧车道，当l＝X时，表示为最外侧车道，则多车道动态密度模型可表示如下；内侧车道：外侧车道：S2.基于多车道动态密度模型建立多车道匝道控制模型为了建立多车道匝道控制的模型，首先要知道针对不同车道的动态密度模型的微分方程，在路段i没有匝道相连的情况下i≠j，密度的变化取决于路段i‑1的流出流量q(k,i‑1,l)和路段i的流出流量q(k,i,l)，定义Δt＝Δk·T，则i≠j情况下，密度的变化可表示为：对上式变形，并且对两边取极限得到：因此，i≠j情况下的密度微分方程可写成:在i＝j情况下，内侧车道1≤l≤X‑1的密度微分方程与i≠j情况下保持一致，对于外侧车道l＝X，密度的变化由路段i‑1的流出流量q(k,i‑1,l)、路段i的流出流量q(k,i,l)和入口匝道的流入流量u(k,i)共同决定，因此，i＝j情况下，车道密度的变化可表示为：同i≠j情况一样对上式变形求极限，得到i＝j情况下的密度微分方程：因此，考虑车辆换道行为的多车道快速路动态密度微分方程可总结如下：入口匝道动态密度微分方程进一步写成：考虑到快速路内外侧车道利用率具有明显不同的特点，在多车道匝道控制策略中引入了误差控制函数J(k)来调整内外侧车道使用率不同的情况，误差控制函数可以使主线密度维持在期望值值附近，同时减少入口匝道的排队长度，误差控制方程定义如下:式中：ρ_c(i,l)为路段i第l条车道的期望密度值，ρ_ramp(k)为入口匝道在时刻kT的密度值，λ(l)为第l条车道的加权函数，λ_ramp为入口匝道的加权函数，且∑λ(l)+λ_ramp＝1；为了使误差控制函数J(k)最小，定义了一阶齐次线性微分方程如下，该方程具有负指数函数的性质，可以实现J(k)的动态减小；则误差控制函数的一阶导数可以写为：综上，得到多车道匝道控制模型如下：。