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面向常发拥堵点的交通信号协调控制方法.docx
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面向常发拥堵点的交通信号协调控制方法.docx
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0. 引言
交通拥堵是城市出行高峰期的普遍问题,交通信号控制是治理交通拥堵的重要手段
[1]
。拥堵状态下的信号控制方法可分为 2 类,分别为针对拥堵点进行信号控制优化和考虑
拥堵点及周边关联交叉口的协调控制优化。由于拥堵点与上下游交叉口的关联程度较大,
单独针对拥堵点进行信号控制优化容易导致交通拥堵的转移。因此,考虑拥堵点与周边关
联交叉口的协调控制能达到更好的优化效果,主要包括路网内部交通负荷均衡调控及边界
交叉口主动限流控制。
在路网内部交通负荷均衡调控方面,Lertworawanich 等
[2]
基于元胞传输模型建立了过
饱和路网的多目标信号控制优化模型。Aboudolas 等
[3-4]
为了实现大范围路网交通拥堵的实
时信号控制优化,基于储存-转发模型(store-and-forward model, SFM)描述路网,并采用
模型预测控制方法。罗一尧
[5]
为提高信号控制优化模型的计算效率,在模型预测控制过程
中以寻找可行解的方式对模型进行求解,提出了分级拥堵控制方法。刘树青
[6]
通过在轻微
拥堵时实施限流与泄流控制策略,实现了交通拥堵的主动防控。上述方法基于全局优化思
想进行信号协调控制,优化模型随着变量的增多而出现计算量较大的困难,并且全局优化
难以保证拥堵路段车流的优先疏导
[7]
。部分学者通过干道协调控制解决交通拥堵问题,Xin
等
[8]
引入拥堵严重程度指数并提出分级自适应信号控制方法,通过红波协调控制算法实现
路段车辆排队管理。吴佳浩
[9]
将控制区域划分为过渡区、阻塞区以及消散区,并分别提出
对应的干道绿波协调与红波协调控制算法。Wu 等
[10]
提出了交通服务能力的概念和分布式
加权均衡信号控制方法,赋予干道与瓶颈路段较高的权重,保障拥堵车流的优先疏导。张
梁
[11]
使用组合预测模型实现交通需求的预测,基于短时预测的交通流量对常发性拥堵区域
进行信号控制优化。郜轶敏等
[12]
提出了考虑可变导向车道的干线协调控制方法,能够缓解
出行高峰期包含可变导向车道干线的交通拥堵。随着交通信息采集技术的进步,能够获取
拥堵车流出行路径,基于关键路径疏导拥堵车流的方法逐渐成为研究热点。李岩等
[13]
在交
叉口群信号控制结构中加入了关键路径协调控制层,建立了基于关键路径的过饱和区域信
号控制优化模型。王辉
[14]
以关键路径通过车辆数最大和各个交叉口延误最小为目标,基于
双层规划建立了信号控制优化模型。王福建等
[15]
通过对拥堵交通流溯源确定关键路径,并
且均衡拥堵路段及其上游路段的交通需求分布。
路网内部交通负荷均衡调控方法能够改善拥堵区域的运行状态,但未考虑路网内部车
辆数对信号协调控制的影响,限制了信号控制优化效果
[16]
。对此,部分学者根据能够反映
路网内部车辆数与运行状态关系的宏观基本图(macroscopic fundamental diagram, MFD)提
出边界交叉口主动限流控制方法。Keyvan-Ekbatani 等
[17-18]
基于 MFD 提出了拥堵区域的门
控反馈控制方法,设计了 PI 控制器提高闸门控制的鲁棒性。丁恒等
[19]
提出了基于 MFD 的
边界最优控制方法,以边界交叉口饱和度快速降低为优化目标分配流入路网的交通量。Ji-
Yang 等
[20]
基于 MFD 进行主动限流控制时,根据边界交叉口的交通需求与通行能力对流入
交通量进行分配。刘澜等
[21]
为了避免截流导致边界交叉口上游路段发生排队溢出,控制过
程中动态调整堵塞区边界,提出了基于 MFD 的路网可扩展边界控制策略。张卫华等
[22-23]
在
基于 MFD 的边界交叉口信号控制模型中考虑了机动车燃油消耗,并提出基于交叉口重要
度的边界交叉口筛选方法,降低边界交叉口的数量与限流流量分配的复杂性。廖南楠
[24]
以
路网总行程时间最小为目标,采用模型预测控制方法构建了基于 MFD 的边界交叉口信号
控制优化模型。Zhang 等
[25]
利用元胞传输模型和 MFD 对路网进行组合建模,用于反映交通
流冲击波现象,并指出该建模方法能够提高计算效率与优化效果。Xue 等
[26]
利用 MFD 和元
胞传输模型研究交通建模方法对拥堵状态下交通信号控制优化的影响,结果表明能再现道
路阻塞现象的交通流模型是获得良好信号控制优化效果的重要因素。刘小明等
[27]
利用 MFD
和路段交通流模型进行交通建模,建立包含边界闸门控制与内部均衡控制的双层规划模
型。
常发拥堵点发生拥堵时,交通拥堵会随着交通需求的不断增加通过路段传播,导致关
键路径上的交叉口发生拥堵,随后影响关键路径邻近的交叉口,最后在区域内蔓延形成区
域交通拥堵。当前的交通信息采集技术能够识别拥堵车流集中的关键路径,并且现有的基
于关键路径的交通信号控制方法能够有针对性地疏导拥堵车流。但考虑到交通需求具有动
态变化性,当交通需求过大时,应主动限制进入拥堵区域和关键路径的交通流。然而目前
基于关键路径的信号控制优化方法控制策略较为单一,未能根据交通需求变化动态改变信
号控制策略,使常发拥堵点关联区域以及关键路径在高峰期间被动接受流入交通量,导致
进入的车辆数过大,限制了基于关键路径的交通信号控制方法疏导拥堵车流的效率与效
果。
基于此,对于常发拥堵点,优先疏导关键路径上的拥堵车流,并且通过交通需求的主
动控制避免严重区域交通拥堵的发生。在确定常发拥堵点信号协调控制范围并识别出关键
路径基础上,利用宏观基本图构建主动限流控制模型。同时,利用元胞传输模型描述路网
内部交叉口与路段的运行状态,建立均衡内部交通负荷的信号控制优化模型。
1. 面向常发拥堵点的交通信号协调控制策略
1.1 基本思路
常发拥堵点及周边关联交叉口的交通运行状态是动态变化的,因此,交通信号协调控
制策略应根据交通运行状态的变化进行动态决策,见图 1。
图 1 交通信号协调控制策略动态决策流程
Figure 1. Dynamic decision process of traffic signal coordination control strategy
下载: 全尺寸图片 幻灯片
当常发拥堵点发生拥堵时,需要确定常发拥堵点的协调控制范围,识别协调控制范围
内的关键路径,并且监测拥堵点关联区域的流入交通量及内部车辆数。根据宏观基本图理
论可知,路网存在使运行性能最优的理想内部车辆数
[17]
。当路网内的车辆数小于理想内部
车辆数时,仅实施内部交叉口的交通负荷均衡调控策略。当路网内的车辆数超过理想内部
车辆数时,实施基于 MFD 的边界交叉口主动限流控制策略,并且内部交叉口实施交通负
荷均衡调控策略。
1.2 协调控制范围确定方法
常发拥堵点的交通流与上下游交叉口以及路段的交通流具有较强的关联性,将关联交
叉口与路段进行协调控制能够取得更好的控制效果。通过对常发拥堵点的交通流进行追踪
与溯源,找出拥堵车流来源与去向,将路段关联程度大于预设关联阈值 α
0
的路段纳入协调
控制范围,与关联路段相连接的交叉口即为与常发拥堵点关联的交叉口,见图 2。
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