城市高速公路收费站与衔接路段协同控制优化研究

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在我国城市地区,高速公路收费站是连接高速公路与城市道路的重要节点。受流量水平以及收费站空间结构等多方面影响,高峰时期的车流会对收费站带来较大压力,极易出现交通拥堵,形成交通瓶颈。随着我国ETC(电子不停车收费)车道的普及与ETC车辆比例的增加,收费站的通行能力有了极大提高,因此当收费站出口处衔接的一般城市道路路段、交叉口或上游高速公路匝道、主线出现拥堵时,如何通过合理利用收费站的通行能力,挖掘收费站调控车流功能,达到优化区域交通流、减少交通拥堵的目的,是新形势下高速公路系统控制一项重要的研究内容。本文通过挖掘收费站调控车流的功能,分别对城市地区高速公路收费站与下游城市道路、上游高速公路主线的协同优化控制进行研究。主要研究内容如下:第一,介绍了高速公路拥堵的常见类型及对应的优化方法,从原理上剖析引发拥堵的根源,并分析了常见交通流优化参数指标,以此作为评价交通改善程度的依据。第二,针对收费站出口与衔接城市道路及交叉口的协同控制,以优化系统排队长度、延误、平均停车次数为目标,提出调控收费站通行能力的策略,并引入收费站与衔接交叉口协同控制的方法,建立协同控制模型。对模型进行实例仿真,结果验证了模型可以对系统交通流起到明显的改善作用。第三,为了对高速公路收费站流入量进行控制,提出了一种基于需求-容量差额控制的收费站入口车道调节算法,以总行程时间为路网的运行效率评价指标,对需求-容量差额约束下的最佳匝道调节率及收费站车道数进行计算,并通过动态交通流验证该算法在降低路网总行程时间方面的效果。仿真案例体现了该算法的合理性与有效性,并在路网交通量波动时具有较好的鲁棒性。第四,针对收费站入口与衔接高速公路主线的协同控制,结合高速公路主线可变限速控制理论,建立了收费站通道调节与可变限速协同优化控制的模型,通过决策动态时刻的收费站开放车道数与主线限速值,实现系统最优的交通流状态。最后通过对实际路网的仿真分析验证了该协同控制模型的可行性与优越性。
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