高速公路入口匝道控制器设计

（ ｋ＋１ ｆ［ （ ）Ｄ（ ） 。 ）＝ Ｘ ｋ ， ｋ ］
式中， 状态变量Ｘ ｋ ＝ Ｐ ｋ ， ｋ ］， （） ［（）ｒ ） Ｔ扰动变量Ｄ ｋ ＝ ｇ （）ｒ ｋ ，（ ）Ｔ （ （） ［ ｋ ， （）ｓ ｋ ］。 ｄ
依据上述状态方程绘制交通流模型结构图如图 ２ 所示。
２ 匝道 控 制 器 设 计
模 型 进行 分析 ， 出 了一 种利 用模 糊 ＰＤ控 制 匝道 的方 法 。该 方 法 依 据 密度 偏 差 及 偏 差 变化 提 Ｉ
实时修 正匝道控制参数 ， 调节进入 高速公路的车辆数 ， 从而使 高速公路 的主线车流密度处于理 想状态。结果表明， 该控制器较具有较好的动 态性能， 可以使 高速公路 交通流密度处于期望密
第２ ７卷
十
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图 １ 路 段 模 型
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ｒ。 ｉ∞ ＋ ＋ ∞
（ ｋ ）
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个 理想密 度 。
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根据 以上公式可以推出， 要提升高速公路 的总体车辆 的服务质量 ， 则应将主线交通流密度维持在一 将上述匝道控制方程写成状态方程 ：
度 ， 高道路 使 用效率 。 提
［ 关 键 词］ 高速公路 ； 交通流 ； 模糊 ＰＤ 匝道调 节率 Ｉ； 【 中图分类 号 ］ Ｕ ９ ４１ ［ 文献标 识码 ］ Ａ
高速公路能为出行者提供快速 、 高效、 舒适、 安全的行驶环境 ， 但是随着高速公路上机动车辆急剧增 多和交通需求持续增加 ， 致使高速公路在部分时段内需求超过交通供 给， 造成高速公路拥堵。缓解高速 公路拥挤方法有很多 ， 如人 口匝道控制、 限速控制 、 向车道等。高速公路人 口匝道控制通过限制进入 变
在 路段 ｉ 用 车辆 守恒 定律 得 应
Ｎ（ ｉ后＋１ ）＝Ｎ （ ）＋ ・ Ａ・ （ ）一Ａ・ ｉ ｉｋ ［ ｇ １后 一 ｇ（ （ ）一ｓ ］ ）＋ ｌ ）。 （ 根据路段密度定义 ， 对上式两边分别除以 Ａ・ 得到密度关系式 。 车辆 的流出率与密度关系为 ： 【 ７
对系统的操作和控制经验 ， 模仿人脑的逻辑推理和决策过程 ， 能够较好地处理语 言信息和数据信息 ， 因而适用于含有模糊性 、 复杂性和不确定性因素的交通系统 。 Ｊ 文中采用了模糊 ＰＤ对高速公路人 口匝道控制进行研究 ， Ｉ 根据高速公路主线 交通流密度的约束关 系设计模糊控制规则 ， 模糊 ＰＤ控制器 的输 出调节进入高速公路车辆数 目， Ｉ 从而保证主线交通流密度处 于理想状态 ， 即利用模糊推理的定性知识研究人 口匝道的高效控制算法 。
收稿 日期 ：０ １ ０ ２ １ － ２—２ ４ 基 金项 目： 陕西理 工学院科 研基 金项 目（ Ｌ ０ ３ ） Ｓ Ｇ７ ８ 。
作者简介 ： 马帅旗 （９７ ） 男 ， １７一 ， 陕西省乾县人 ， 陕西理工学院讲师 ， 士 ， 硕 主要研究方 向为智能控制及 图像处理 。
陕西理工学院学报 （ 自然科学版 ）
高速公路 的车辆数 目使得高速公路网上的交通流量趋近合理状态 ， 因而匝道控制是缓解高速公路拥挤 的有效途径 ［ 】 １ 。国内外研究者提出许多匝道控制算法 ， － ２ 定时控制方式根据统计数据预先设定各时段
入 口匝道调节率 ， 系统成本低 ， 但不考虑实际交通流状态 ， 适应性能差。 占有率控制方式通过测量 占有
Ｖｏ． ７ Ｎｏ ２ 】２ ．
第 ２ 卷第 ２ ７ 期
［ 文章编号］６ ３ ２ ４ （０ １０ － ０９— ７ １７ — ９ ４ ２ １ ）２ ０２ ０
高 速公路人 口匝道控制器设 计
马 帅旗
（ 陕西理 工学院 电气工程系 ， 陕西 汉 中 ７ ３ ０ ） ２０ ３
［ 摘
要 】 为 了缓 解 高速 公路 交 通拥 堵 问题 ， 强 非线 性 、 对 随机 性 和 不 确 定 性 高 速公 路 数 学
图 ２给 出 了模糊 ＰＤ匝道 控制 系统 结构 图 ， 系统 采用 ＰＤ控 制 器为 主控 制器 ， 用模糊控 制器 修 Ｉ 该 Ｉ 利
正 ＰＤ参数 。在系统设计时 ， Ｉ 首先利用 Ｚｅｌ —ｉ ｏ 法设定 ＰＤ控制器参数 ， ， Ｋ。然后由期 ｉ ｅ Ｎｃ ｌ ｇｒ ｈｓ Ｉ 和 ； 望交通流密度与输 出的交通流密度 比较得到偏差 Ｅ及偏差变化率 Ｅ ， 。模糊控制器根据 Ｅ Ｅ 和模糊关 、。 系 Ｒ进行模糊决策 ， 得到 ＰＤ参数修正量 △ ，Ｋ ， ； Ｉ ａ， △ 最后利用公式 Ｋ ＝ ＋ ， ＝ ＋ ， ｅ Ｋ， △ Ｋ， △
１ 高速公路交通流控 制模 型
设采样时间为 ， 路段长度为 ， 路段内车辆总数为 Ⅳ ， ｉ 第 段主线流人率为 ｑ （ ）主线流出率为 ｜， ｌ ｝
ｑ（ ） 入 口匝道流人率为 ｒ 居 ， ｉ｜ ， ｊ ｝ ｉ ） 出口匝道流出率为 ｓ 后 ， （ ｉ ） 匝道人 口排队长度 ， （ 主线期望密度为Ｐ ， 车 道数为 Ａ 文中取 Ａ＝ ， ， １路段 ｉ 见图 １ 所示 。
２１ ０ １年 ６月
陕西理 工学院学报 （ 自然科学版 ）
Ｊｕｎ ｆ ｈａ ｘ Ｕ ｉｅ ｉ ｏ ｅｌ ｏｙ（ ａ ｒ ｃ ｎ ｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒｆ ｏ ａｎｉ ｎｖｍ￣ ｆ ｅ ｌ Ｓ Ｔ ｍｄ ｇ Ｎ ｔ ｆ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｕｌ ｅ ｉ
Ｊｎ ．０ １ ｕ ｅ ２ １
率， 根据经验公式估算通行能力 ， 这种方式属于前馈控制方式 ， 仅通过前馈方式不能完全判断交通状态 处于拥堵还是 自由流状态 。需求—容量差额控制方式依据主线通行能力和匝道上游主线交通量控制匝 道放行车辆 ， 该方式需要知道高速公路 系统模型。高速公路匝道控制系统具有很强的非线性、 随机性和 不确定性 ， 致使传统的控制系统方法往往无法适从 。模糊控制器不依据系统具体数学模型， 仅依据专家