[发明专利]一种基于动态交通流的多匝道协调控制方法

权利要求书

1.一种基于动态交通流的多匝道协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对原始交通微波数据进行筛选和统计，筛选得到以若干分钟为周期的快速路主线的流量数据和匝道入口的流量数据；

(2)对步骤(1)得到的流量数据进行预处理；

(3)利用互相关的方法确定上游各匝道与主线流量的趋势相似度，并对相似度、匝道流量及空间距离与下游速度进行灰色关联度分析，确定各属性占比得到匝道与主线路段之间的关联矩阵；其中，采用互相关算法对匝道流量和主线下游流量的相关性进行度量，寻找主线路段与上游各匝道之间的联系；对于时间序列X＝(x₁,x₂,…,x_n)，以及Y＝(y₁,y₂,…,y_n)，互相关方法保持Y静止，使X沿着Y滑动，对于X的每一次滑动s计算他们的内积，如下等式所示：

X＝(x₁,x₂,…,x_n)

其中X和Y表示两条不同的时间序列，x和y表示序列值，s为所有可能的滑动值，n为时间序列的序列数；

计算内积CC(X,Y)，作为两个时间序列X与时间序列Y之间的相似度，等式如下所示：

其中CC(X,Y)为计算的内积值，i为时间序列索引值，s为滑动值，n为时间序列的序列数，x和y表示序列值；

其中采用正则化的互相关系数NCC(X,Y)，将范围控制在[-1,1]，其中1表示两者具有强相关，而-1表示两者完全相反，另外正NCC(X,Y)表示两者同方向，而负NCC(X,Y)表示其中一个序列趋于增加时，另一序列则趋于减少，反之亦然；NCC(X,Y)的定义如下公式：

其中X和Y表示两条不同的时间序列，CC(X,Y)为计算的内积值，s为滑动值；

将互相关系数NCC(X,Y)、归一化后的匝道与瓶颈的物理距离d，以及入口匝道的流量预测值q作为关联矩阵的特征参数；若互相关系数NCC(X,Y)小于0，表示该匝道与拥堵路段的流量时间序列呈负相关，故不考虑动态交通流的影响，使用归一化后的匝道与瓶颈的物理距离d，以及入口匝道的流量预测值q作为关联矩阵的特征参数；具体公式如下：

式中w(i,j)表示第j个匝道对于第i个瓶颈路段所占权重；d(i,j)表示第j个匝道于第i个瓶颈路段之间的归一化距离；q(i)表示第i个入口匝道的归一化流量；μ表示相关性界限，小于该值表示两条时间序列之间的弱相关性，大于该值则表示强相关性，取值一般为中间值，本式中为0.5；α₁、α₂、α₃、β₁、β₂、β₃均表示时序相关系数比重，在弱相关条件下，互相关系数对速度影响较小，而强相关条件下影响较大；

比较下游瓶颈速度曲线与互相关系数、入口匝道的流量值以及距离关系，得到基于灰色关联度分析的相关度GRC(i,j)：

其中GRC(i,j)表示第i个属性与匝道j之间的相关度集合，grc(i,j)表示第i个属性与匝道j之间的相关度；最终的关联矩阵W(i,j)如下所示：

其中m为瓶颈个数，n为匝道个数，w(i,j)为第i个瓶颈与第j个匝道之间的权重，W(i,j)表示整个匝道路段的关联矩阵；

(4)利用启发式控制策略建立多匝道协调控制方法，通过对于优化的关联矩阵的应用获得最优的控制效果；具体如下：

(i)根据匝道下游路段的实时密度ρ(i,k)，判断该路段是否是瓶颈路段：

ρ(i,k)＞ρ_threshold(i)

其中ρ(i,k)为第i个下游路段在k时刻的实时密度，ρ_threshold(i)为第i个路段的密度阈值；

(ii)若检测到多匝道控制区域无瓶颈路段存在时，则对每个入口匝道采用本地调节率r_L(j,k+1)进行调控：

其中r_L(j,k+1)为k+1时刻的本地调节率，K为调节参数，为匝道下游路段的临界密度值，ρ(k)为k时刻下游路段的平均密度；

若路段中有瓶颈路段产生时，需要对产生的每个瓶颈的超额流量进行分配，得到每个匝道的协调调节率r_C(j,k+1)；

r_C(j,k+1)＝r_C(j,k)-m_iax{[q_in(i,k)+q_on(i,k)-q_out(i,k)-q_off(i,k)]·W(i,j)}

其中r_C(j,k+1)为k+1时刻的匝道协调调节率，r_C(j,k)是k时刻的协调调节率，q_in(i,k)表示主线上游流入，q_on(i,k)表示入口匝道进入的流量，q_out(i,k)表示k时刻主线下游流出量，q_off(i,k)表示k时刻出口匝道驶出的流量；W(i,j)表示关联矩阵；

(iii)通过匝道的本地调节率r_L(j,k+1)和协调调节率r_C(j,k+1)得到系统调节率r_S(j,k+1)：

r_S(j,k+1)＝min[r_L(j,k+1),r_C(j,k+1)]

其中r_S(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的系统调节率，r_L(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的本地调节率，r_C(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的协调调节率；

(iv)根据匝道的排队长度，对调节率进行约束，排队约束的匝道调节率r_Q(j,k+1)计算公式如下：

其中r_Q(j,k+1)表示k+1时刻排队约束的匝道调剂率，a(j,k)表示k时刻进入入口匝道的车辆到达率，表示第j个匝道的容量，ω(j,k)是k时刻第j个入口匝道的排队长度，T指一个时间步；

(v)取系统调节率r_S(j,k+1)与排队约束的匝道调节率r_Q(j,k+1)中的较大值得到最终的匝道调节率r(j,k+1)，公式如下：

r(j,k+1)＝max[r_S(j,k+1),r_Q(j,k+1)]

其中r(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的匝道调节率，r_Q(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的排队约束的匝道调节率，r_S(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的系统调节率；

(vi)根据调节率计算绿灯时长g(j,k+1)，下发给各信号机；

其中g(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的绿灯时长；r(j,k+1)表示k+1时刻第j个匝道的匝道调节率，C(j)表示信号周期时长，r_s(j)表示饱和流率；

最后通过结合动态交通流，对多匝道的信号绿灯时长进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态交通流的多匝道协调控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中的预处理包括补齐缺失数据、处理错误数据和数据归一化；其中为了提高数据的利用率，利用交通流的时间相关性，对缺失数据进行处理，采用平均值法修补缺失数据，修补公式如下所示：

其中，x(t)是需要补全的缺失数据，k是相邻数据总数。