[发明专利]一种快速道路孤立瓶颈路段的可变限速控制策略优化方法

摘要

一种快速道路孤立瓶颈路段的可变限速控制策略优化方法。在快速道路孤立瓶颈路段上下游设置检测器和可变限速指示牌，采集实时交通流数据和发布可变限速控制策略，基于遗传算法挖掘控制效果最优的可变限速控制参数值，依据事故预测模型计算各路段内实时追尾事故风险，当路段事故风险超过启动阈值时启动可变限速控制，逐步调整限速值至目标值，同时用相邻路段最大限速差值控制限速值的空间波动幅度；当事故风险小于阈值时，可变限速值逐步恢复到默认值。本发明弥补了可变限速控制中核心参数取值的随意性，使可变限速控制的限速值逐步连续变化，降低了限速值在时空上的大幅波动，缓和驾驶员的速度变化，有效降低限速值突变导致的交通流波动与紊乱。

主权项

一种快速道路孤立瓶颈路段的可变限速控制策略优化方法，其特征是包括以下步骤：1)确定孤立瓶颈路段范围及交通流检测器设置合理间距，在快速道路路段内合理位置配套设置交通流检测器和可变限速控制指示牌。通过交通流检测器周期性检测孤立瓶颈区域及其上下游交通流数据；2)基于事故预测模型及瓶颈处交通流检测器检测到的交通流数据，计算实时追尾事故风险，具体步骤包括：201)计算追尾事故风险指数RCRI，计算公式如下：$RCRI=\frac{\[{\stackrel{\‾}{V}}_U(t-\mathrm{\Δ}T,t)-{\stackrel{\‾}{V}}_D(t-\mathrm{\Δ}T,t)\]\·{\stackrel{\‾}{O}}_U(t-\mathrm{\Δ}T,t)}{1-{\stackrel{\‾}{O}}_U(t-\mathrm{\Δ}T,t)}$其中，为时间Δt内上游检测器位置平均速度，为时间Δt内下游检测器位置平均速度，为时间Δt内上游检测器位置平均占有率，和分别为第j个时间Δt内上下游检测器位置车道m平均速度和上游检测器位置车道m的平均占有率；J为一个时间段内集计交通流数据个数(J＝ΔT/Δt,Δt＝30s)；M为路段断面车道数；202)计算瓶颈所处路段i内当前时刻t的实时追尾事故风险R_i(t)，计算公式如下：$R_i\left(t\right)=P(Y=1)=\frac{\exp (-3.095+0.191\·RCRI+0.178\·\mathrm{\σ}(O_U)+0.172\·\mathrm{\σ}(O_D\left)\right)}{1+\exp (-3.095+0.191\·RCRI+0.178\·\mathrm{\σ}(O_U)+0.172\·\mathrm{\σ}(O_D\left)\right)}$其中，P(Y＝1)为追尾事故发生概率；σ(O_U)为上游检测器占有率标准差，σ(O_D)为下游检测器占有率标准差，3)判断是否启动可变限速控制策略并计算当前时刻各位置可变限速控制指示牌显示的限速值，具体步骤包括：301)比较步骤2)中计算得到的当前时刻t瓶颈所处路段i的事故风险值R_i(t)和可变限速控制启动阈值R_TH，若该路段事故风险超过启动阈值则启动瓶颈处上游可变限速标志的可变限速控制，逐步将限速值调整至目标安全限速值；反之，若该路段事故风险小于启动阈值，则可变限速值逐步恢复到默认值。具体公式如下：$V_{SL}(x_i,t+\mathrm{\Δ}t)=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{SL}\left(default\right)-{\mathrm{\ΔV}}_{SL}(x_i,t),& if{R}_i\left(t\right)\>R_{TH}\\ \min \{V_{SL}\left(default\right),V_{SL}(x_i,t)+{\mathrm{\ΔV}}_{SL}(x_i,t)\},& allothercases\end{array}\right.$302)依据下式计算可变限速控制启动后位置x_i的可变限速标志在t时刻的变化步长值：${\mathrm{\ΔV}}_{SL}\left(x_i,t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}-\mathrm{\Δ}V,& if& T_{VSL}\left(x_i,t+\mathrm{\Δ}t\right)\<V_{SL}\left(x_i,t\right)-\mathrm{\Δ}V\\ 0,& if& V_{SL}\left(x_i,t\right)-\mathrm{\Δ}V\≤T_{VSL}\left(x_i,t+\mathrm{\Δ}t\right)\≤V_{SL}\left(x_i,t\right)+\mathrm{\Δ}V\\ \mathrm{\Δ}V,& if& T_{VSL}\left(x_i,t+\mathrm{\Δ}t\right)\>V_{SL}\left(x_i,t\right)+\mathrm{\Δ}V\end{array}\right.$其中，ΔV为路段限速值变化步长；T_VSL为目标安全限速值；303)将步骤302)中计算得到的位置x_i的可变限速标志在t时刻的变化步长值带入可变限速控制限速值的计算公式，计算得到路段i内位置x_i的可变限速标志在t时刻的可变限速控制状态计算其在t+Δt时刻的限速值，计算公式如下：$V_{SL}(x_i,t+\mathrm{\Δ}t)=\left\{\begin{array}{c}{V}_{SL}\left(default\right)+{\mathrm{\ΔV}}_{SL}(x_i,t),if{R}_i\left(t\right)\>R_{TH}\\ \min \{V_{SL}\left(default\right),V_{SL}(x_i,t)+{\mathrm{\ΔV}}_{SL}(x_i,t)\},allothercases\end{array}\right.$其中，R_TH为可变限速控制启动阈值；R_i(t)为当前时刻t瓶颈所处路段i的事故风险值；V_SL(x_i,t+Δt)为路段i内位置x_i的可变限速标志在t+Δt时刻的限速值；V_SL(default)为路段默认限速值；ΔV_SL(x_i,t)为位置x_i的可变限速标志在t时刻的变化步长；4)在步骤3)中确定了各路段内限速值后，计算位置x_i的可变限速标志与相邻上游可变限速标志的限速值差，若差值大于预设的相邻路段最大允许限速值差，则启动相邻上游可变限速标志的可变限速控制，依据下式计算限速值改变步长并更新发布相邻上游可变限速标志的限速值：${\mathrm{\ΔV}}_{SL}(x_i,t)=\left\{\begin{array}{cc}-{\mathrm{\ΔV}}^{\′},& if{T}_{VSL}(x_i,t+\mathrm{\Δ}t)\≤T_{VSL}(x_{i+1},t+\mathrm{\Δ}t)+{\mathrm{\ΔV}}^{\′}\\ 0,& allothercases\end{array}\right.$其中，ΔV′为相邻路段最大限速值差；5)确定可变限速控制策略中的四个关键参数的取值范围及遗传算法中的优化目标函数，具体步骤包括：501)可变限速控制策略包含的四个核心控制参数分别为启动可变限速的事故风险阈值R_TH、目标安全限速值R_TH、限速值改变步长ΔV和相邻路段最大限速值差ΔV′，启动可变限速控制的事故风险阈值的取值范围为最大事故风险的10％‑30％，以5％的步长递进；目标安全限速值的取值范围从拥堵中交通流速度25mph到50mph，以5mph的步长递进；限速值改变步长从每2分钟改变5mph到每30秒改变15mph；相邻路段最大限速值差为从5mph到25mph；502)遗传算法中的优化目标函数的计算公式如下：$Fitness=-\[\mathrm{\α}\·\left(\frac{R_{VSL}-R_{No}}{R_{No}}\right)+(1-\mathrm{\α})\·\left(\frac{T_{VSL}-T_{No}}{T_{No}}\right)\]$其中，Fitness为适应度；a为权重系数，其目的为在事故风险下降和出行时间增加之间进行权衡，缺省取值为0.5；R_VSL和R_NO分别为可变限速控制下和无控制下事故风险；T_VSL和T_NO分别为可变限速控制下和无控制下总通行时间；6)基于遗传算法和交通流仿真模型对步骤5)中的四个关键参数在其取值范围内对其取值进行优化；在单目标遗传算法中四个关键参数的取值如下：种群大小M为20,、最大代数T为100、交叉概率Pc为0.9、变异概率Pm为0.1；初始化设置进化代数计数器为t＝0，设置最大进化代数T，设置遗传算法中交叉概率Pc和变异概率Pm；随机生成M个个体作为初始群体P(0)，第m个个体中包含各可变限速控制参数取值信息编码m(x₁,x₂,x₃,x₄)；将群体P(t)中的个体参数值输入交通流仿真模型，依据仿真输出结果计算每个个体的适应度；从群体中选择优胜的个体，个体被选择的概率为个体适应度在整个群体适应度综合中所占比例，被选择后的个体随机组成交配对；以一定概率在个体串中随机设定一个交叉点，实行交叉时该点前或后的两个个体部分结构进行互换，并生成两个新个体；按照变异概率选取群体中部分个体改动其部分参数值；群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后，得到下一代群体P(t+1)；当迭代次数达到最大代数T时，遗传算法终止；否则，重复初始化以后的各步骤直至终止条件满足；将具有最大适应度的个体对应的最优解(x₁,x₂,x₃,x₄)翻译成可变限速控制的四个核心参数的取值；7)将步骤6)中得到的事故风险阈值R_TH、目标安全限速值R_TH、限速值改变步长ΔV和相邻路段最大限速值差ΔV′的优化取值带入步骤3)和步骤4)中作为各关键参数的推荐取值，然后依据步骤1)到步骤4)的控制策略对快速道路鼓励瓶颈路段进行可变限速控制。