维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷第４期 ２００６年１２月 长沙交通学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＡＮＧＳＨＡ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖ０１．２２ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ． ２０Ｏ６ 文章编号：１０００—９７７９【２００６）０４—００５６—０５ 高速公路监控系统中限速控制策略的研究 刘慧英，薛春峰，宁 飞 （西北工业大学自动化学院，陕西西安７１００７２） 摘要：阐述了高速公路运行中存在的主要问题，分析了可变限速控制在高速公路监控系统 中所起到的作用。给出了主线可变限速控制的原理和控制策略，并建立了相应的数学模型。 针对高速公路交通流的特点，采用多层分散控制的策略，实现对主线行车速度的控制。仿真 结果表明了模型和控制策略的有效性。 关键词：高速公路；监控系统；可变限速控制；多层分散控制 中图分类号：Ｕ４１２．３６ ６ 文献标识码：Ａ 社会经济的发展导致了交通量的急剧增长并加剧了交通拥挤与阻塞的严重程度，交通系统的复杂 性及传统控制方法的局限性，迫使人们应用现代化的技术来解决交通控制问题。计算机技术、网络技 术、通信技术、电子技术和智能控制技术的飞速发展，给交通控制带来了一次新的。另一方面，由于 地理空间的和建设费用的昂贵，通过扩建道路来提高高速公路的通行能力不易被采纳。因此，采用 有效的交通控制方法对交通流进行科学的组织与管理，充分发挥现有交通网络的通行潜力，最大程度地 使交通流进行有序流动成为解决交通拥挤的主要办法。 高速公路运行的主要问题是拥挤和事故。引发拥挤和事故的主要原因是速度的不均匀性，这种不 均匀主要表现在两方面：①是某一路段上速度分布的不均匀；②是相邻路段的平均速度差较大…。由 于上述两个原因就会导致超车和刹车的比例增大，从而发生事故的可能性也随之增大。主线限速控制 正是基于此方面考虑，调整速度使各路段维持一定的均衡车速。通过对速度进行控制，不但可以降低单 个路段内高速车的比例，改善其速度的不均匀性；而且可根据相邻两路段限速值的配合，减小速度差，从 而实现均衡的车速分布，平滑交通流，减缓和消除交通阻塞的发生。 在高速公路监控系统中，通过前端设备将高速公路上的交通信息采集到监控系统之后，如何分析这 些数据，用什么方法改善交通流的状况就成为监控系统的一个关键任务。针对高速公路上阻塞发生的 不同性质以及周边相邻接的集散道路的不同分布情况，在高速公路管理中，通常采用主线可变限速控 制、匝道控制、通道控制等控制策略，这些控制方式在实际应用中根据使用条件的不同，效果各异，既可 以单独使用，也可以混合使用。因此，在选择控制方法时，应结合具体道路的特点。当附近无可选择的 替换道路时，主线可变限速控制显得尤为重要Ｌ２ 。 １限速控制的作用 可变限速控制是在高速公路主线上设置可变限速标志来行车速度，使主线上交通流的速度能 随车流密度的变化而变化，以保证交通流的均匀、稳定。其作用主要表现在： １）保证交通安全的前提下提高了道路的通行能力； ２）在交通需求小于通行能力的情况下，当高速公路主线上的车辆数变化而引起交通密度变化时， 可通过速度调节改善交通流的稳定性，避免冲击波的产生，并有助于保证达到最大交通量； 收稿日期：２００６—０２—１４ 作者简介：刘慧英（１９５６一），女，西北工业大学教授，博土 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 刘慧英，薛眷峰，宁飞：高速公路监控系统中限速控制策略的研究 ５７ ３）当交通需求大于通行能力时，可变限速控制能够延缓交通拥挤的出现，但不能完全避免拥挤（避 免拥挤需要用匝道控制或通道控制等策略）； ４）当发生交通拥挤时，可变限速控制通过改善高速公路上交通速度的均匀性并在高峰时刻充分地 降低行车速度，从而平滑交通流，减少尾撞事故； ５）减少交通事故频率及降低事故的严重程度，降低车辆因交通拥挤或堵塞而加、减速造成的能源 消耗及尾气排放带来的环境污染； ６）在非高峰交通期间作为一种提前报警系统来防止事故发生，另外，在雨、雪、雾等特殊气候条件 下，给出能保证安全行驶的行车速度。 ２ 限速控制原理和控制模型 限速控制是依据道路、交通、气候等条件对高速公路主线交通流安全高效运行的要求和路段交 通流的流量、速度、密度关系，根据实时检测到的路段上交通流量以及当前的路面状况、气象条件等，确 定能够允许最大交通量下的最佳速度和最佳密度，并据此采用可变限速标志等方法对高速公路主线交 通流进行速度控制。 高速公路限速控制的目标主要是速度指标。最佳速度的确定有两种方法：①经验统计法。它根据 使用可变限速控制的高速公路上交通流状态的历史统计数据来确定。②数学模型法。通常来讲，交通 流状态控制变量速度是交通流流量、密度或占有率的函数，再加上道路状况、气象条件等对交通流运行 安全和效率的约束条件，建立交通流限速控制的数学模型。实际应用中可依据交通流状态和道路、气候 等条件，通过修正数学模型参数来获得不同交通环境条件下的最佳速度控制目标值，本研究采用后者。 通过分析，可以建立相应的限速控制模型：设某段高速公路分为Ⅳ小段，每小段包含一个可变限速 标志及一组（或多组）可检测密度（占有率）和流量等的检测器。第ｉ小段的密度和流量分别为ｋ （／７，）和 ｑ （／７，），ｉ减少的方向为行车方向，那么第ｆ个限速标志的限速值 （／７，）为： 口 （／７，）＝｛４Ｏ，５Ｏ，６Ｏ，７Ｏ，８Ｏ，９０，１００，１１０｝， ＝１，２，３，…，Ⅳ （１） 口Ｉｉｍｉ（ｎ）≤ ，ｉ＝１，２，３，…，Ⅳ （２） ｉ （ｎ）＝ （ｎ）＋吾・Ｆｖ￣（Ｉｉ｝ （凡））一 （ｎ）］＋ ・ ｝ ・ （ｎ）× （ｙ／ｔＴ）ｉ￣１（ｎ）ｖ。（ｎ）一 （ｎ））一Ｍ （ｎ）， ＝１，２，３，…，Ⅳ （３） ｋ （ｎ）＝ｋ （ｎ一１）＋ ［ｑＨ（ｎ一１）一ｑ。（ｎ一１）＋ｒ （ｎ一１）一ｓ （ｎ一１）］， ｉ＝１，２，３，…，Ⅳ （４） ｑｆ（１７，）＝ｏｔｋ‘（ｎ）ｖｉ（１７，）＋（１一 ）［ｋｆ＋１（ｎ）ｖｆ＋１（１７，）一 ＋１（１７，）］一ｓ （１７，）， ｉ＝１，２，３，…，Ⅳ （５） （Ｉｉ｝ （ｎ））： 『‘ 、１一（ ｊａｍ ｎ ，ｚ＞０，ｍ＞ｌ （６） Ｐ（ｎ）＝Ｕ （ｎ）Ｐ（ｎ） （７） Ｕ （／７，）＝［Ｍ１（／７，）Ｍ２（／７，）…ＭⅣ（／７，）］ ’ （８） Ｐ（ｎ）＝［ｅ１ｅ２…ｅⅣ］Ｔ （９） 口ｌｉ （ ）一口ｌｉｍｌ（／７，一１）≤Ｗ‘（／７，），ｉ＝１，２，３，…，Ⅳ （１０） 式（１）表示限速值只能取根据实际情况规定的几个离散值；式（２）表示限速值应小于或等于由气候 条件、道路几何条件及事故条件所规定的最大限速值 ，此值由监控中心的管理员通过控制台人工设 置；式（３）计算车辆在区段 的期望行车速度， 为采样周期（Ｔ＜Ｚ．ｉ．／ｖｙ）， 为滞后时间，厶为第 路段 的长度，引入 避免ｋ 值很小的情况速度呈现太大值（这不符合实际情况）， （１７，）是引入的控制变量， 利用式（７）计算其值；式（４），（５）为约束条件；式（６）为等价速度，反映了 一ｋ 的关系，ｚ，ｍ根据实测交 通数据得出；式（７）中Ｐ（／７，），Ｐ（／７，）由式（３）一（５）和离散系统的稳定性条件得到 ；式（１Ｏ）中的Ｗ （／７，） 维普资讯 http://www.cqvip.com ５８ 长 沙 交通学 院学报 第２２卷 为上游路段的限速值与下游路段限速值之差，应小于ｔｌ， （ｎ），ｔｌ， （ｎ）的选择基于过去的经验和道路网络 特征来确定，一般取１０或２０ ｋｍ／ｈ。这样，在拥挤或事故发生的情况下，仍能平滑交通流、延缓拥挤、减 少首尾碰撞事故。各个可变限速标志的实际限速值应为： ＇／）ｌｉａｒ／（ｎ）＝ｒａｉｎ｛ ，／＇３ｌｉａｒ／（ｎ），ｔＩ （ｎ一１）＋ ｉ（ｎ）｝ 由此可知，上游路段的限速值ｔＩ （ｎ）与下游路段的交通状况及下游路段的限速值Ｖｌｉｍ／（ｎ一１）有 关。因此，计算应从最下游路段开始，设与高速公路最下游路段相连接路段的限速值为 皿 （Ｏ），且为已 知，则由上式可依次计算出 （ｎ）（ １，２，３，…，Ⅳ）。 ３限速控制的实现 限速控制主要通过对主线上交通流在空间上和时问上的分布进行控制，以保证交通流的均匀、稳 定，或实现将交通流从不稳定状态、拥挤状态到稳定状态。实现此算法有集中式控制系统和分散式 控制系统两种。在集中式控制系统中，所有检测器的信息都送到控制中心。经中心计算机优化处理，得 到最优限速值，然后向各限速标志发出控制命令。但是由于高速公路限速控制的非线性、不确定性和耦 合性强等特点，容易出现维数灾的问题。而且如果集中控制系统中心计算机一旦发生故障就会造成全 线限速的失灵，使可靠性不高，因此采用多层分散控制系统。多层分散控制系统就是根据分解和协调的 原则将被控的复杂大系统分成阶次较低的子系统，以一定的条件解除 彼此间耦合关系，使之相互，这样能够很好地解决维数灾问题和 可靠性问题；对子系统设计出局部最优的控制器，考虑到各子系统之 间的相互作用，需要协调各个局部控制器工作，在纵向设计优化层，如 有必要还有自适应层、自组织层，最终得到局部最优全局次优的控制 器 】。对于高速公路限速控制系统，一个路段的密度、速度只与前后 系 统 参 数 和 系 统 响 应 相邻路段的状态、控制变量有关，所以对系统分解时，把连续三个路段 作为一个子系统。显然，相邻的两个子系统必然存在着交叠，但这种 交叠式结构降低了阶次，提高了系统的可靠性而且不损失全局信息。图１主线可变限速控制系统结构 主线限速控制系统组织结构 见图１。 直接控制层的控制器（局部控制器）面向的是各个可变限速标志，它接收各子系统内检测器的数据 （交通流量状态、路面性能评价状态和气象评价状态），并对这些数据进行实时处理，并接收来自优化层 的期望轨迹数据，依靠这些数据计算动态反馈控制规律，对路段内可变限速标志进行控制。其控制变量 为高速公路路段的车辆行驶速度值ｔ，，ｔＩ的取值范围为４０—１１０ ｋｍ。控制器的状态变量有３个，分 别为交通流状态、路面性能评价状态和气象评价状态。交通流状态变量由超声波检测器或环形线圈检 测器等实时测出。路面性能评价状态和气象评价状态变量根据路面状况、道路所处的地理环境和当前 的气象条件确定。通过对高速公路控制路段晴、阴、雨、雾等气象条件的采集，结合路面状况、路面等级 信息，可获取在当前气象条件下受控路段的路面性能评价状态和气象状态变量值。优化层的任务是确 定状态和控制的期望轨迹，下传给直接控制层，供后者用于在线实时控制限速标志。自适应层是根据检 测到的实时交通信息，为优化层提供符合实时交通状况的模型参数和约束条件。当道路交通特性发生 改变或出现较大扰动时（出现了偶发性拥挤或事故等情况），自适应控制层及时地对模型参数、约束条 件进行适当调整，使模型更符合实际情况。同时下传给优化控制层，使之重新计算出新的期望轨迹，再 下传给直接控制层。自适应层及优化层计算由设置在监控中心的微型机实现，系统控制结构见图２。 实验结果表明，主线交通阻塞之前，交通流的速度分布已经扩大，因而可以用反映速度分布变化扩 大程度的速度分布标准差作为在交通流接近拥挤和紊流状态时的早期预警准则。调查也表明，在各种 情况下，平均速度下降之前标准差会超过某一阈值，因而可用检测速度标准差的方法作为早期报警策 略。监控中心将监测到的交通状况、路面条件及气象条件等各种组合所确定的最佳速度分布标准差目 标值和实际检测出的主线上车流速度分布标准差值进行比较，判断当前车流运行状态是否符合控制目 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 刘慧英，薛春峰，宁飞：高速公路监控系统中限速控制策略的研究 ５９ 标。若不符合，则将目标速度值自动显示在可变限速标志上，从而实现对主线行车速度的控制。 直接 图２高速公路限速多层分散控制系统 同时，实现限速控制还必须建立完善的电子通讯系统，监控中心能够通过电子通讯系统获得有关路 面状况的信息等；另一方面，监控中心能够通过电子通讯系统调节有关路段的限速显示标志。 ４模型和算法有效性评价 一般来说，限速控制技术只有出现拥挤或发生事故的时候才有明显的效果 引，然而进行这种实地 试验是不安全的。本研究采用交通流波动理论对某一高 速公路运行状况进行仿真来评价限速控制的作用及有效 性。 设有一条高速公路，每隔２ ｋｍ设置一块可变限速标 志，单向双车道，每条车道的通行能力为１ ８００辆／ｈ，在某 时刻，一条车道因事故而阻塞（假设为图２中ＯＦ段，车流 方向由Ａ向ｃ），事故位置（图２中Ｅ点）距离上游可变标 志（图３中Ｄ点）１ ８００ ｍ。发现和处理事故的时间ｔ ，ｔ 分别为５ ａｒｉｎ和４ ａｒｉｎ，事故发生时高速公路单方向交通 量为２ ０００辆／ｈ。对于使用和不使用限速控制两种情况 下交通状况的差别可以通过对排队长度及沿线速度分布 情况来分析。 路段／ｋｍ 图３ 高速公路限速控制仿真图 假定此高速公路速度和密度基本符合线性关系，即 ＝ （１一 Ｉｌ｝ ）。式中：ｖ／为自由流速度，取为 １２０ ｋｍ／ｈ；Ｊ｝ 为最大阻塞密度，取为１４４￣ｔ］／ｋｍ。对于单方向两车道高速公路，当其中一车道阻塞时， 剩余通行能力为ｌ ３５０辆／ｋｍ，此值采用了高速公路施工时只有一条车道开放的通行能力Ｉ７】。 当不采用可变限速控制时，事故清除后的排队长度为： ２ｌ＝（ｑｌ—ｑ２）×（ｔ１＋ｔ２）／（Ｊ｝ｉ 一Ｊ｝１）＝６５０×９／６０／（１２９—２５）＝０．９４ ｋｍ 式中：ｇ ，ｑ 分别为阻塞时的交通量和阻塞路段的通行能力；Ｊ｝。，Ｊ｝ 分别为正常和阻塞时的交通流密度。 发现事故时，事故上游的车流速度为８３ ｋｍ／ｈ，事故处的车流速度为１１ ｋｍ／ｈ。这样大的速度差很容易 引起二次事故。 当采用可变限速控制时，发现事故时的排队长度为： ｆ２＝（ｑｌ—ｑ２）×ｔｌ／（Ｊ｝ｉ 一Ｊ｝１）＝６５０×５／６０／（１２９—２５）＝０．５２ ｋｍ Ａｔ＝３ ６００（（１．４—２２）／４０一（１．４—２２）／８３）＝４１ ｓ 发现事故后，根据控制算法，事故上游第一块可变限速标志（图３中Ｄ点）的车速值由原来的８３ 维普资讯 http://www.cqvip.com 长沙 交通学 院学报 第２２卷 ｋｍ／ｈ降低为４０ ｋｍ／ｈ，这时驾驶员到达事故地点的时间比限速值不变时要延长。这相当于事故的处理 时间减少了４１ Ｓ，也就减轻了拥挤程度。 此外，根据控制算法，除事故上游第一块限速标志外，上游其他几块限速标志也将改变限速值，见图 ２。这样，相对于事故发生路段，其上游密度相对较高，车速在原有基础上进行调整，做小幅降低，因而减 缓了从上游流入高密度区的车辆数，从而使高密度区段能够提高行车速度，同时降低了车流密度。这样 交通流从高速区到事故处的低速区经过一定距离的减速、缓冲，减少了二次事故发生的可能性，降低了 事故的影响程度。 ５结语 本研究针对高速公路运行中出现的主要问题，给出了高速公路监控系统中主线可变限速控制模型 和控制策略。仿真结果表明，在高速公路监控系统中利用此限速控制模型和控制策略能够很好地平滑 交通流、延缓拥挤、减少事故。 监控系统中可变限速控制的作用最终还要取决于驾驶员的服从情况，实施效果取决于可变限速显 示标志在高速公路沿线分布情况（也即如何确定可变限速标志的最优分布地点以及限速标志的间距， 使其发挥最大的效用） 以及检测器的性能。其次，还应避免限速值的变化过于频繁。具体进行可变 限速控制时，要是能把信息投影到挡风玻璃的限速识别装置上，同时提供一些辅助信息以使驾驶员了解 交通状况，就能够提高驾驶的安全性及增强驾驶员的服从性 Ｊ。 参考文献： ［１］史忠科，曲仕茹，黄辉先，等．交通控制系统导论［Ｍ］．北京；科学出版杜，２００３． ［２］方旭华，方健华．高速公路监控系统现状及发展趋势［Ｊ］．浙江交通职业技术学院学报，２００３，４（４）：１—４． ［３］王青，曲仕茹，史忠科．高速公路交通流密度控制器设计［Ｊ］．西北工业大学学报，２００１，１９（３）：４５１—４５５． （４］赵祥模，勒引利，张洋．高速公路监控系统理论及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社。２００３． ［５］ＰａｐａｇｅｏｒｇｉＯＵ Ｍ．Ａ ＭｅｒａｒｃＭｅ￣ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｆｒｅｅｗａｙ ｔｒｌ￣Ｃ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９８３，１７Ｂ：２５１—２５６ ［６］陈建阳．高速公路可变限速标志的作用及控制［Ｊ］．同济大学学报，１９９３，２１（３）；３８７—３９１． ［７］ 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ｓｐｅｅｄ—ｌｉｍｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｕｈｉｌａｙｅｒ ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎｔｒｏｌ
