城市道路分层动态协调控制技术

1引言现代城市交通网络不仅包括普通道路，而且也包括仅供车辆快速通行的快速路，此二类路网通过匝道连接在一起，构成一个复杂的非线性时变大交通网络。

因此城市道路分层动态协调控制技术钱伟，景辉鑫河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454150摘要：为了缓解城市道路车流拥堵问题，提出了一种城市道路分层动态协调控制技术。

首先将城市道路按纵向分为三层：匝道层、普通道路层和快速路主线层；然后采用BP神经网络预测下游动态临界车辆占有率，根据匝道相对排队长度和下游动态临界车辆占有率，匝道层设计了一种用于匝道子区划分的函数，将匝道层横向分为主匝道子区和从匝道子区；其次根据相邻路口关联度将普通道路层划分为不同控制子区，利用动态交通流数据修正周期公式，考虑十字交叉口驶向匝道车流量对绿信比进行调整；快速路主线层无十字交叉口不做横向分层。

最后根据该分层方法确定动态协调控制算法。

仿真结果表明：该分层动态协调控制方法能够有效提高城市道路协调控制范围和车辆行车速度。

关键词：匝道层；普通道路层；快速路主线层；控制子区；主匝道；从匝道文献标志码：A中图分类号：TP18doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1709-0468钱伟，景辉鑫.城市道路分层动态协调控制技术.计算机工程与应用，2019，55（2）：240-245.QIAN Wei,JING Huixin.Hierarchical dynamic coordination control technique for urban puter Engineering and Applications,2019,55（2）：240-245.Hierarchical Dynamic Coordination Control Technique for Urban RoadQIAN Wei,JING HuixinSchool of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan454150,ChinaAbstract：In order to release traffic flow of urban road,a new hierarchical dynamic coordination control technique is pro-posed.Firstly,the whole urban road is divided into three hierarchies vertically：ramp hierarchy,ordinary road hierarchy and the mainline of urban expressway hierarchy.Then,BP neural network is used to forecast dynamic critical occupancy rate of downstream,and according to dynamic critical occupancy rate of downstream and the on-ramp queue length,the subarea partition function is designed,by which the ramp hierarchy is divided into the main control subarea and the sec-ondary control subarea horizontally;the ordinary road hierarchy is divided into several control subareas horizontally by calculating correlation of adjacent intersection,and the Webster cycle formula is improved according to the dynamic traf-fic flow data,considering the traffic flow from intersection to ramp,the green ratio is optimized;the mainline of urban expressway hierarchy is not divided horizontally because of the lack of the intersection.Finally,the dynamic coordinated control algorithm is given and simulation shows that the proposed method can effectively improve the coordination con-trol range and the vehicle speed.Key words：ordinary road hierarchy;ramp hierarchy;mainline of urban expressway hierarchy;control subarea;main ramp;secondary ramp基金项目：国家自然科学基金（No.61573130，No.61104119）；河南省科技创新人才计划（No.164100510004）；河南省创新型科技人才队伍建设工程（No.CXTD2016054）；河南理工大学创新型科研团队支持计划（No.T2017-1）。

作者简介：钱伟（1978—），男，博士，教授，硕士研究生导师，主要研究领域为智能控制、时滞系统和随机系统稳定性方面，E-mail：qweihpu@；景辉鑫（1990—），男，硕士研究生，主要研究领域为智能控制及智能交通。

收稿日期：2017-10-09修回日期：2017-12-15文章编号：1002-8331（2019）02-0240-06CNKI网络出版：2018-04-18,/kcms/detail/11.2127.TP.20180417.1707.002.html实现二者的协调控制，对于改善整个城市交通状况具有重大意义。

目前，由于城市道路存在交通网络的复杂性和非线性时变性，因此国内外许多学者对不同类的城市道路分别进行了深入的研究。

针对普通道路：Lee[1]等提出了集散控制方法，实现了对普通道路交叉口群内的车辆模糊协调控制；卢凯[2]等提出了相邻路口关联度概念，实现了对相邻路口之间关联性的定量描述；沈国江[3]等提出了一种城市交通干线动态分段协调控制策略，实现以控制子区为单位对交通干线进行协调控制；张萌萌[4]等提出了基于一维元胞自动机模型模拟控制主干道交通流状况，实现了采用差分方程的形式描述车辆动态行为解除了信号灯等间距布置的限制；钱伟等[5]提出针对干线交通双向绿波协调控制中的相位冲突问题，提出了一种主干道动态协调控制方法；冯远静[6]等提出了一种基于绿波协调控制的二次划分子区算法，实现了划分子区及其信号配时参数优化的同步。

针对匝道：Papageorgiou[7]等提出在单匝道控制中具有代表性的ALINEA算法与动态最优控制的离散化宏观交通流模型，实现了单匝道动态调节快速路主线；Ozbay[8]等使用快速路主线上一系列位置处的测量数据来计算每个匝道的调节率，实现了以匝道调节率控制整个快速路主线；Kotsialos[9]等研究大规模快速路系统匝道联动控制，提出了系统最优集成控制算法；Hadiuzzaman[10]等研究主线合流区车辆堵塞和入口匝道排队溢出问题，实现了车流饱和情况下的入口匝道主线合流区的定量描述；王正武[11]等通过研究宏观交通流理论和多agent技术，分析高速路主线限速、匝道融合的交通特性，建立了主线-匝道融合交通流模型；张皓东等[12]在经典元胞传输模型的基础上，采用上下匝道无控制策略构建快速路元胞传输模型；涂辉招[13]等通过分析入口匝道与快速路主线拥堵问题，提出入口匝道控制是解决快速路瓶颈路段拥挤的有效办法；吕智林[14]等提出了基于粒子群算法设计了在交通事件影响下匝道控制与线路线诱导相结合的完全集成控制模型的求解算法，实现了缓解交通事故下的交通拥堵；侯忠生[15]等提出了一种带有迭代学习前馈的快速路无模型自适应入口匝道控制算法，通过控制入口匝道有效地缓解快速路拥堵。

然而现有缓解城市道路拥堵方法一般仅单独研究其中之一，并未将二者综合考虑。

单一研究普通道路，忽略了城市快速路快速通行能力；单一研究匝道，则忽略了普通道路的路径优化能力。

基于以上分析，为了缓解城市交通拥堵，本文提出了一种新的城市道路分层协调控制方法。

首先，设计了一种用于匝道子区划分的函数将匝道层横向分为主匝道子区和从匝道子区；根据关联度公式将普通道路划分为不同控制子区间；考虑到快速路层无十字交叉口，并且匝道出入口车流量决定快速路主线的车流状态，因此将快速路主线层并入匝道层处理，只研究匝道层，不对快速路主线横向分层。

其中采用BP神经网络简单快速预测下游动态临界车辆占有率。

然后，以控制子区为单位对各层的交通流进行协调。

最后通过仿真说明本文提出的方法能够明显提升协调控制范围和车辆平均车速。

2系统结构考虑现有研究处理城市道路仅从局部缓解城市交通拥堵，未从城市道路整体考虑，因此本文设计一种新的城市道路分层技术，将整个城市道路按纵向划分包括普通道路层、匝道层和快速路主线层；再将各个层按横向划分不同子区间。

其中快速路主线层不存在十字交叉口，不对快速路主线层分区，具体结构如图1。

普通道路层是由地面普通道路组成的；匝道层是连接地面普通道路和城市快速路的匝道组成的；快速路主线层是由快速路主线组成的；匝道层和快速路主线层组成快速路层。

3匝道层的协调控制城市快速路主线的交通流受匝道控制，因此为了缓解匝道拥堵问题本文将匝道划分为不同的控制子区。

首先，根据入口匝道占有率和入口匝道排队长度，在文献[16]基础上改进设计了一种用于划分主匝道子区和从匝道子区的函数，将匝道协调控制层划为不同子区协调控制，其子区划分函数E L如下：E L=ìíîïïïïïïïïE L1=E N(k c)+E O(k c)+A(k c-1)=N i(k c)N max i+O i(k c)O i(k c)+A(k c-1)E L2=N i(k c)+N i+1(k c)+⋯+N i+u(k c)N max i+N max i+1+⋯+N max i+u+A(k c-1)（1）式中，E N(k c)为第k c控制周期内匝道i的相对排队长度，E O(k c)为第k c控制周期内入口匝道i下游的占有率与临界占有率的比值，E L1为两者值之和；A(k c-1)为修正参数，其值主要受上一周期匝道滞留车辆的影响；E L2为匝道i+u当前排队长度之和与最大排队长度之和的比值，N i(k c)为第k c控制周期内，匝道i的排队长度预测值，N maxi为匝道i允许的最大排队长度；O i(k c)是第k c控制周期匝道i下游动态临界车辆的时间占有率；O i(k c)为第k c控制周期内，匝道i下游的实测占有率。