一種同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法。在快速道路瓶頸路段及其上下游設(shè)置可變限速指示牌和交通流檢測(cè)器，通過多目標(biāo)可變限速控制策略消除瓶頸位置通行能力下降現(xiàn)象，采用關(guān)鍵可變限速指示牌消除交通擁堵及通行能力下降現(xiàn)象，采用從屬可變限速指示牌緩解交通流速度波動(dòng)，通過限速值變化幅度控制可變限速值時(shí)空上的大幅波動(dòng)，基于多目標(biāo)遺傳算法挖掘具有最優(yōu)控制效果的核心控制參數(shù)取值。本發(fā)明專利技術(shù)彌補(bǔ)了之前可變限速控制往往針對(duì)單一控制目標(biāo)展開的不足，同時(shí)改善通行效率和提高交通安全，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)可變限速效益的最大化。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于交通控制和智能交通
，具體涉及一種同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法。
技術(shù)介紹
可變限速控制作為一種越來越被廣泛用于改善快速道路交通環(huán)境的交通控制策略，其控制效果與可變限速值確定及發(fā)布中采用的算法密切相關(guān)。基于實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)觸發(fā)多目標(biāo)可變限速控制，通過有效阻止瓶頸通行能力下降現(xiàn)象的發(fā)生減少路段內(nèi)系統(tǒng)通行時(shí)間，通過平滑可變限速值時(shí)空上的波動(dòng)性降低道路事故風(fēng)險(xiǎn)，通過多目標(biāo)遺傳算法對(duì)可變限速控制核心控制參數(shù)取值進(jìn)行優(yōu)化。因此，基于多目標(biāo)遺傳算法的帕累托解集優(yōu)化可變限速核心控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)可變限速控制方法對(duì)通行效率和交通安全的雙重提升。目前的可變限速控制策略只能圍繞單一控制目標(biāo)開展，很難對(duì)兩者重要程度進(jìn)行判別并給出各目標(biāo)在優(yōu)化控制中的權(quán)重，對(duì)于可變限速控制的核心控制參數(shù)取值缺乏客觀有效的優(yōu)化過程，對(duì)于連續(xù)的可變限速指示牌缺乏對(duì)多個(gè)可變限速進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，導(dǎo)致可變限速值在時(shí)空上的大幅波動(dòng)，對(duì)交通流系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，缺乏對(duì)快速道路瓶頸通行能力下降現(xiàn)象的考慮。本專利技術(shù)提出同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法，相比于以往的可變限速控制方法，本專利技術(shù)提出的多目標(biāo)可變限速控制方法同時(shí)考慮了交通安全和通行效率兩個(gè)目標(biāo)，有效阻止瓶頸位置通行能力下降現(xiàn)象的發(fā)生，大幅降低瓶頸及其上游路段的事故風(fēng)險(xiǎn)，有效改善了快速道路的交通環(huán)境。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的問題是：以往的可變限速控制策略主要針對(duì)單一控制目標(biāo)進(jìn)行，但是實(shí)際交通控制中需要同時(shí)考慮多個(gè)因素，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)各目標(biāo)重要程度的判定及權(quán)重確定，以往可變限速控制缺乏對(duì)通行能力下降現(xiàn)象的判斷和消除，由于缺乏對(duì)多個(gè)可變限速值的協(xié)調(diào)考慮易導(dǎo)致限速值的時(shí)空波動(dòng)，最終導(dǎo)致可變限速控制的結(jié)果存在誤差。本專利技術(shù)提出一種同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)多目標(biāo)可變限速核心控制參數(shù)的取值進(jìn)行優(yōu)化，基于實(shí)測(cè)交通流數(shù)據(jù)判斷瓶頸路段通行能力下降現(xiàn)象，采用比例-積分控制器計(jì)算限速值，通過平滑路段上可變限速值的時(shí)空波動(dòng)性降低道路事故風(fēng)險(xiǎn)。克服之前可變限速控制目標(biāo)單一且路段內(nèi)可變限速值時(shí)空波動(dòng)性大的缺點(diǎn)。本專利技術(shù)技術(shù)方案為：本專利技術(shù)提出一種同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法，同時(shí)考慮交通安全和通行效率兩個(gè)控制目標(biāo)，基于實(shí)測(cè)交通流數(shù)據(jù)判斷通行能力下
降現(xiàn)象，采用關(guān)鍵可變限速和從屬可變限速相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制，通過可變限速值變化幅度和相鄰路段最大限速值差控制可變限速值在時(shí)空上的波動(dòng)性，基于多目標(biāo)遺傳算法獲取多目標(biāo)可變限速控制核心參數(shù)的最優(yōu)取值，有助于決策者依據(jù)自身控制目標(biāo)選擇合適的可變限速控制策略。本方法對(duì)實(shí)際中通過多目標(biāo)可變限速控制策略提高快速道路通行效率和交通安全具有重要意義。實(shí)例顯示，本專利技術(shù)提出的多目標(biāo)可變限速控制方法有很好的效果，優(yōu)化后的策略能有效降低快速道路路段內(nèi)總通行時(shí)間和提升交通安全。附圖說明圖1為多目標(biāo)可變限速控制方法的流程圖。圖2為多目標(biāo)可變限速控制原理示意圖。圖3為多目標(biāo)遺傳算法流程圖。圖4為案例路段與可變限速指示牌布設(shè)示意圖。圖5為多目標(biāo)可變限速控制的帕累托解集分布圖。具體實(shí)施方式本專利技術(shù)是基于多目標(biāo)遺傳算法和可變限速控制策略的基本流程提出一種同時(shí)改善通行效率和交通安全的可變限速控制方法，通過對(duì)瓶頸路段通行能力下降現(xiàn)象的識(shí)別即時(shí)觸發(fā)多目標(biāo)可變限速控制，計(jì)算關(guān)鍵可變限速標(biāo)志位置的限速值，基于實(shí)時(shí)追尾事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)計(jì)算從屬可變限速標(biāo)志的限速值，同時(shí)控制相鄰路段限速值差保證可變限速控制時(shí)空的平滑波動(dòng)，基于多目標(biāo)遺傳算法的帕累托解集確定可變限速核心控制參數(shù)取值。同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法的流程圖如圖1所示。第一步是確定可變限速控制路段及瓶頸位置，在瓶頸位置上游處設(shè)置關(guān)鍵可變限速指示牌，在瓶頸上游路段設(shè)置從屬可變限速指示牌，在瓶頸位置上下游設(shè)置交通流檢測(cè)器。可變限速指示牌用于發(fā)布限速值，需要注意的是可變限速值統(tǒng)一要求為5mph的倍數(shù)，因此限速值的更新值四舍五入至5mph的整數(shù)倍值進(jìn)行發(fā)布。可變限速控制周期可在30秒至2分鐘范圍內(nèi)依據(jù)控制效果選擇最終可變限速控制周期T。以30秒為周期通過交通流檢測(cè)器實(shí)時(shí)獲取可變限速控制路段各位置處交通流數(shù)據(jù)，包括占有率、交通流量和平均交通流速度。多目標(biāo)可變限速控制原理示意圖如圖2所示。第二步是基于路段歷史交通流數(shù)據(jù)，對(duì)瓶頸通行能力下降幅度及通行能力下降現(xiàn)象發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵占有率進(jìn)行確定。從瓶頸路段的歷史交通流數(shù)據(jù)中挑選出瓶頸位置下游的第一個(gè)交通流檢測(cè)器以及瓶頸位置上游的第一個(gè)交通流檢測(cè)器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算兩個(gè)檢測(cè)器的斜累計(jì)流量并分別繪制斜累計(jì)流量-時(shí)間關(guān)系圖，同時(shí)繪制兩個(gè)檢測(cè)器
的速度-時(shí)間關(guān)系圖和占有率-時(shí)間關(guān)系圖。以斜累計(jì)流量發(fā)生突變的時(shí)刻作為初始拐點(diǎn)，以初始拐點(diǎn)為交點(diǎn)繪制初始拐點(diǎn)時(shí)刻前、后3分鐘內(nèi)兩條斜累計(jì)流量擬合直線，變換拐點(diǎn)時(shí)刻使兩直線偏離斜累積流量曲線的總方差和最小，則當(dāng)前拐點(diǎn)即為斜累計(jì)流量曲線的最終拐點(diǎn)位置。斜累計(jì)流量曲線最終拐點(diǎn)前后交通流量之差為通行能力下降幅度的標(biāo)定值，拐點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的占有率值為通行能力下降現(xiàn)象發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的占有率閾值的標(biāo)定值。第三步是確定關(guān)鍵可變限速值，其作用是對(duì)進(jìn)入瓶頸位置的交通流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而消除瓶頸交通擁堵及避免瓶頸交通流出現(xiàn)通行能力下降。當(dāng)前時(shí)刻為可變限速控制周期整倍數(shù)時(shí)，采用如下式的比例-積分控制器計(jì)算關(guān)鍵可變限速值：VSLC(k)＝VSLC(k-1)+(KP+KI)eo(k)-KPeo(k-1) (1)其中，VSLC(k)為k時(shí)刻關(guān)鍵可變限速值，KP和KI為控制參數(shù)，為瓶頸位置占有率控制誤差，為關(guān)鍵占有率，o(k)為k時(shí)刻瓶頸位置實(shí)測(cè)占有率。第四步是確定從屬可變限速值，其作用為在瓶頸上游路段平滑交通流速度波動(dòng)，避免擁堵傳播過程中由于車輛突然減速導(dǎo)致的追尾事故風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前時(shí)刻為可變限速控制周期整倍數(shù)時(shí)，基于實(shí)測(cè)交通流數(shù)據(jù)計(jì)算各路段內(nèi)交通事故風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)某路段內(nèi)事故風(fēng)險(xiǎn)值大于設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)該路段的可變限速控制，從屬可變限速值計(jì)算公式如下： V S L ( x i , k + 1 ) = V S L ( d e f a u l t 本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法，其特征是包括步驟：1)在瓶頸位置上游臨近位置處設(shè)置關(guān)鍵可變限速指示牌，瓶頸上游路段設(shè)置從屬可變限速指示牌，配套設(shè)置交通流檢測(cè)器，以30秒為周期通過交通流檢測(cè)器實(shí)時(shí)獲取可變限速控制路段各位置處交通流數(shù)據(jù)，包括占有率、交通流量和平均交通流速度。以可變限速控制周期T發(fā)布可變限速值；2)基于瓶頸路段的歷史交通流數(shù)據(jù)，分別計(jì)算瓶頸位置上下游相鄰交通流檢測(cè)器的斜累計(jì)流量，分別繪制斜累計(jì)流量?時(shí)間關(guān)系圖、速度?時(shí)間關(guān)系圖和占有率?時(shí)間關(guān)系圖，斜累計(jì)流量曲線拐點(diǎn)前后交通流量之差為通行能力下降幅度的標(biāo)定值，拐點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的占有率值為通行能力下降現(xiàn)象發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的占有率閾值的標(biāo)定值；3)當(dāng)前時(shí)刻為可變限速控制周期整倍數(shù)時(shí)，采用如下式的比例?積分控制器計(jì)算關(guān)鍵可變限速值：VSLC(k)＝VSLC(k?1)+(KP+KI)eo(k)?KPeo(k?1)其中，VSLC(k)為k時(shí)刻關(guān)鍵可變限速值，KP和KI為控制參數(shù)，為瓶頸位置占有率控制誤差，為關(guān)鍵占有率，o(k)為k時(shí)刻瓶頸位置實(shí)測(cè)占有率；4)當(dāng)前時(shí)刻為可變限速控制周期整倍數(shù)時(shí)，采用如下式計(jì)算從屬可變限速值：VSL(xi,k+1)=VSL(default)-ΔVSL(xi,k),if Ri(k)>RTHmin{VSL(default),VSL(xi,k)+ΔVSL(xi,k)},else]]>其中，VSL(xi,k)為xi位置可變限速標(biāo)志k時(shí)刻的限速值，VSL(default)為路段默認(rèn)限速值，ΔVSL(xi,k)為限速值變化幅度，Ri(k)為k時(shí)刻路段i內(nèi)事故風(fēng)險(xiǎn)，RTH為啟動(dòng)可變限速的事故風(fēng)險(xiǎn)閾值；5)依據(jù)變化步長(zhǎng)逐步調(diào)整可變限速值至步驟3)和步驟4)中計(jì)算得到的目標(biāo)限速值，計(jì)算公式如下：ΔVSL(xi,k)=-ΔV,if TVSL(xi,k+1)<VSL(xi,k)-ΔVΔV,if TVSL(xi,k+1)>VSL(xi,k)-ΔV0,if VSL(xi,k)-ΔV<TVSL(xi,k+1)<VSL(xi,k)+ΔV]]>其中，ΔV為限速值變化幅度，TVSL(xi,k+1)為目標(biāo)限速值；6)當(dāng)相鄰路段限速值差大于最大允許值ΔV'時(shí)，則對(duì)限速值進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算公式如下：ΔVSL(xi,k)＝?ΔV',if?TVSL(xi,k+1)>TVSL(xi?1,k+1)+ΔV'7)確定控制方法的7個(gè)核心控制參數(shù)的取值范圍和變化步長(zhǎng)，所述遺傳算法有兩個(gè)適應(yīng)度函數(shù)，第一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)為：F1=min(RVSL-RNonRNon)]]>R=Σk=1KΣi=1NPi,k]]>其中，RVSL為可變限速控制下總事故風(fēng)險(xiǎn)，RNon為無控制下總事故風(fēng)險(xiǎn)，Pi,k為路段i時(shí)刻k的事故概率，K為仿真時(shí)長(zhǎng)，N為路段個(gè)數(shù)。第二個(gè)適應(yīng)度函數(shù)為：F2=min(TVSL-TNonTNon)]]>T=Σk=1KΣi=1Nni,kgΔt]]>其中，TVSL為可變限速控制下總通行時(shí)間，TNon為無控制下總通行時(shí)間，ni,k為路段i時(shí)刻k的車輛個(gè)數(shù)；8)采用多目標(biāo)遺傳算法(即NSGA?Ⅱ算法)對(duì)步驟3)到步驟6)中多目標(biāo)可變限速控制方法的7個(gè)核心控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，具體為確定多目標(biāo)遺傳算法中的種群個(gè)數(shù)以及最大進(jìn)化代數(shù)，隨機(jī)選擇可變限速控制因子，產(chǎn)生初始個(gè)體以及初始種群；對(duì)可變限速控制下交通流進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算當(dāng)前進(jìn)化代中每個(gè)個(gè)體策略的適應(yīng)度值，采用多目標(biāo)遺傳算法NSGA?II評(píng)價(jià)每個(gè)個(gè)體的總體表現(xiàn)，對(duì)當(dāng)代種群中帕累托解集中個(gè)體信息進(jìn)行更新。之后，選擇父代個(gè)體進(jìn)行交叉和變異操作，對(duì)個(gè)體執(zhí)行精英政策選擇，從而產(chǎn)生具有更高適應(yīng)度的新一代種群。該迭代過程不斷進(jìn)行，直到滿足迭代停止條件后，多目標(biāo)遺傳算法終止，對(duì)帕累托解集以及個(gè)體中控制因子信息進(jìn)行輸出；9)決策者依據(jù)步驟8)中得到的多目標(biāo)優(yōu)化的帕累托解集，確定7個(gè)核心控制參數(shù)的優(yōu)化取值帶入步驟3)到步驟6)中作為控制參數(shù)的推薦取值，然后依據(jù)步驟1)到步驟6)的控制方法對(duì)快速道路瓶頸路段進(jìn)行多目標(biāo)可變限速控制。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種同時(shí)面向通行效率改善與交通安全提升的多目標(biāo)可變限速控制方法，其特征是包括步驟：1)在瓶頸位置上游臨近位置處設(shè)置關(guān)鍵可變限速指示牌，瓶頸上游路段設(shè)置從屬可變限速指示牌，配套設(shè)置交通流檢測(cè)器，以30秒為周期通過交通流檢測(cè)器實(shí)時(shí)獲取可變限速控制路段各位置處交通流數(shù)據(jù)，包括占有率、交通流量和平均交通流速度。以可變限速控制周期T發(fā)布可變限速值；2)基于瓶頸路段的歷史交通流數(shù)據(jù)，分別計(jì)算瓶頸位置上下游相鄰交通流檢測(cè)器的斜累計(jì)流量，分別繪制斜累計(jì)流量-時(shí)間關(guān)系圖、速度-時(shí)間關(guān)系圖和占有率-時(shí)間關(guān)系圖，斜累計(jì)流量曲線拐點(diǎn)前后交通流量之差為通行能力下降幅度的標(biāo)定值，拐點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的占有率值為通行能力下降現(xiàn)象發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的占有率閾值的標(biāo)定值；3)當(dāng)前時(shí)刻為可變限速控制周期整倍數(shù)時(shí)，采用如下式的比例-積分控制器計(jì)算關(guān)鍵可變限速值：VSLC(k)＝VSLC(k-1)+(KP+KI)eo(k)-KPeo(k-1)其中，VSLC(k)為k時(shí)刻關(guān)鍵可變限速值，KP和KI為控制參數(shù)，為瓶頸位置占有率控制誤差，為關(guān)鍵占有率，o(k)為k時(shí)刻瓶頸位置實(shí)測(cè)占有率；4)當(dāng)前時(shí)刻為可變限速控制周期整倍數(shù)時(shí)，采用如下式計(jì)算從屬可變限速值： V S L ( x i , k + 1 ) = V S L ( d e f a u l t ) - ΔV S L ( x i , k ) , ...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李志斌，劉攀，王煒，徐鋮鋮，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32
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