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车联网条件下高速公路车道变窄路段缓堵控制方法

张春波  
【摘要】:高速公路以其快速、安全、舒适等特点和优势,在现代综合交通运输体系中发挥着重要的作用。高速公路保持畅通,才能有效发挥其社会效益,促进区域间联系。区域间联系加强促使高速公路交通需求逐渐增加,高速公路交通拥堵时有发生。高速公路交通拥堵常从瓶颈处产生,逐渐向上游蔓延,甚至使整条高速公路或周边路网瘫痪,导致交通运行效率降低、安全水平下降、空气污染加重。因此,提升高速公路瓶颈处交通运行效率、缓解交通拥堵至关重要。车联网技术的发展为高速公路管理与控制提供了新的思路,论文以由于道路设计、施工与养护、交通事件等因素导致的高速公路车道变窄路段为研究对象,分析其交通拥堵问题,提出车联网条件下的缓堵控制方法。论文分析了车联网条件下高速公路交通运行特征。分析了车联网环境及其控制方式;梳理了车联网与自动驾驶技术的区别与联系。分析了车联网条件下人工驾驶车辆、自动驾驶车辆及多种车辆类型混合行驶情况对应的高速公路通行能力,明确了车联网条件交通拥堵状态下高速公路车道变窄路段通行能力下降问题。为高速公路短时交通状态预测研究奠定了基础。论文提出了高速公路短时交通状态预测方法。建立了高速公路交通状态卡尔曼滤波预测模型,采用交通仿真数据对其预测精度进行评价。由于高速公路交通状态是随时间发生变化的,其可以看作时间序列数据,建立了高速公路交通状态时间序列预测模型,结合苏嘉杭高速公路实测数据,具体建立了交通状态GARCH预测模型。鉴于卡尔曼滤波和时间序列预测模型都能够有效预测交通状态,进而提出了高速公路交通状态卡尔曼滤波和时间序列模型组合预测方法,并利用苏嘉杭高速公路实测数据进行了实例分析,为分析车联网条件下交通拥堵机理及制定车联网条件不同交通需求下的限速与换道控制措施奠定了基础。论文揭示了车联网条件下高速公路车道变窄路段交通拥堵机理,提出了缓堵控制策略。分析了车联网条件下车道变窄路段交通机理,包括交通拥堵产生机理、通行能力下降机理、交通拥堵蔓延机理和交通拥堵消散机理,采用算例具体分析了车联网条件下高速公路车道变窄路段交通拥堵产生、蔓延和消散过程,并提出了车联网条件下高速公路车道变窄路段缓堵控制策略:信息获取、信息分析及处理、信息反馈与实施。论文建立了车联网条件下高速公路车道变窄路段可变限速模型。借助交通仿真软件AIMSUN建立了可变限速微观模型。为实现可变限速的最优控制,确立了相应控制目标和约束条件,采用改进的遗传算法进行求解。采用实测数据对微观模型进行了标定与验证,分析了不同交通需求条件下的可变限速效果,结果表明可变限速能够有效提升车道变窄路段交通运行效率。为从多方面、多角度论证可变限速效果,建立了可变限速宏观模型,且宏观模型结果交叉验证了微观模型的结论。并对车联网条件下可变限速的具体设置形式进行了说明。论文提出了车联网条件下高速公路车道变窄路段换道控制方法。提出了换道控制策略。为实现换道的最优控制,确立了控制目标和约束条件,设计了基于学习的超启发式求解算法。建立了相应的换道控制模型,分析了不同交通需求下的控制效果,结果表明所提方法能够有效降低总出行时间、提升瓶颈处交通量。对不同联网车辆比例的情况进行了分析,结果表明,当联网车辆比例低于10%时,换道控制基本不起作用;当联网车辆比例在20%-40%之间时,交通运行效率迅速提升;联网车辆比例大于50%时,效率提升非常缓慢。


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