高速公路改扩建分离式立交左入导改匝道及速度控制方法

技术领域

本发明属于智能交通领域，涉及一种高速公路改扩建分离式立交左入导改匝道及速度控制方法。

背景技术

互通式立体交叉的出入口除主线分岔和合流外，应设置在主线行车道的右侧，即出入口匝道一般采用右出、右入，不采用左出、左入。但高速公路改扩建期间，因两侧新建等改扩建模式的影响，导致出现老路与被交公路形成互通式立体交叉，而新路与被交公路形成分离式立体交叉，即新路与被交公路互不连通，存在高速公路改扩建分离式立交导改点。在新路建设阶段和运营阶段，入口匝道正常右入汇入老路。

而在老路改造阶段，入口匝道车流通过S型切换导改点左入汇入新路，属于入口匝道直接汇入主线内侧快车道，相对于以往的右入汇入(入口匝道汇入主线外侧慢车道)，存在严重的安全隐患。入口匝道汇入主线车流因加速条件及车辆变道等影响，一般难以迅速达到快车道行驶速度，同时还有大货车等加速性能较差的车辆，若采用左入汇入方式，则存在主线内侧快速行驶车辆与入口匝道汇入慢速车辆相互交织合流变道，极易引发碰撞等交通事故。特别是改扩建S型切换导改点左入汇入，改扩建期间交通导改点设置S型切换线形条件较差，车辆行驶轨迹为两个反向连接的圆曲线，再加上老路与新路存在高差，道路环境极为复杂，驾驶员难以迅速加速到规定的行驶速度以便汇入主线，存在一定的安全隐患。

为此，针对关注高速公路改扩建分离式立交左入导改点，亟需一种高速公路改扩建分离式立交左入导改匝道及速度控制方法，确保改扩建期分离式立交左入导改点的车辆行车安全，以减少人民群众的生命财产损失。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高速公路改扩建分离式立交左入导改匝道及速度控制方法，克服两侧新建模式下高速公路枢纽互通改扩建期间形成的匝道左入导改点，存在的合流区车辆速度离散程度高、匝道车辆左入汇入主线风险隐患突出、S型切换车辆加速条件受限等问题，确保在左入汇入合流区处匝道上车辆行驶速度与主线内侧车道上车辆接近，提升匝道左入汇入行车安全水平，实现高速公路改扩建分离式立交左入导改点精细化管控。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高速公路改扩建分离式立交左入导改匝道及速度控制方法，具体包括以下步骤：

S1：匝道控制，用于动态调整入口匝道汇入车流量；

按照时间顺序将控制周期编号为1,2,…,k，控制算法利用周期k-1中检测器获取的交通数据确定周期k的控制参数，具体包括以下步骤：

S11：分别基于主线平均速度、主线可允许放行流量、匝道可容许排队长度计算3种初定匝道调节率；然后根据3种初定匝道调节率关系，确定实际匝道调节率；

S12：计算匝道信号灯绿灯时长及红灯时长；

S13：将匝道信号灯绿灯时长及红灯时长平均分为N份，分别按照时间顺序编号为n∈{1,2,…,N}；采用n＝1绿灯、n＝1红灯、n＝2绿灯、n＝2红灯、…、n＝N绿灯、n＝N红灯的间断放行方式，把结果输入匝道控制设施，执行匝道控制策略；此处未采用绿灯全部结束后才显示红灯的方式，原因在于匝道控制需均衡流量以确保匝道车辆具备规定速度的行驶条件。

S14：在每份绿灯显示将要结束时，利用设置在老路入口匝道上的检测器Ⅲ获取入口匝道紧接到来车辆的车型；

S15：若放行绿灯时间超过最大值g

S16：若当前周期中匝道信号灯已显示绿灯时长与红灯时长之和超过控制周期时长，则结束本周期控制；

S17：判断是否结束匝道控制，若是，关闭匝道控制；若否，则转入步骤S11；

S2：速度引导，用于调整入口匝道车辆行驶速度，保证车辆安全顺畅行驶；

根据设置在老路入口匝道上的多组速度引导设施Ⅰ和设置在匝道S型切换处的多组速度引导设施Ⅱ的控制算法实现速度引导；其中，速度引导设施Ⅰ的控制算法是根据信号灯状态及车辆排队长度调整限速值，确保驾驶员能够安全减速停车；速度引导设施Ⅱ的控制算法是根据主线内侧快车道车辆行驶速度，逐级建议驾驶员加速，确保匝道车辆在左入汇入主线时，匝道车辆速度与主线车辆速度保持接近；

S3：碰撞预警，具体包括以下步骤：

S31：利用设置在新路合流区的检测器Ⅵ获取左入汇入处合流区匝道车辆及内侧快车道前后车辆的位置、速度等交通数据；

S32：若满足所有碰撞预警不启用条件，则不启用碰撞预警，否则启用碰撞预警；

S33：将碰撞预警指令输入设置在在新路左入合流鼻端处匝道上的信息发布设施Ⅱ，执行碰撞预警策略。

进一步，步骤S11中，基于主线平均速度计算初定匝道调节率，具体包括以下步骤：

S1101：利用入口匝道S型切换处的历史交通流数据，建立流量-密度-速度的三参数关系函数，见式(1)，由此根据可接受的行驶速度确定允许放行流量；流量-密度-速度三参数关系函数可采用式(2)～(4)的函数形式；

r′

r′

r′

其中，r′

S1102：利用设置在新路主线上游的检测器Ⅴ获取主线内侧快车道的平均速度，将其输入式(1)计算初定匝道调节率r′

进一步，步骤S11中，基于主线可允许放行流量计算初定匝道调节率，具体包括以下步骤：

S1111：利用主线合流区的历史交通流数据，建立流量-密度-速度的三参数关系函数，从而确定主线合流区通行能力；

S1112：利用设置在新路主线上游的检测器Ⅴ获取合流区上游主线流量，根据主线合流区通行能力计算入口匝道可允许驶入流量，即初定匝道调节率，见式(5)；

r″

其中，r″

进一步，步骤S11中，基于匝道可容许排队长度计算初定匝道调节率，具体包括：利用设置在老路入口匝道上的检测器Ⅲ获取入口匝道车辆排队长度和流量，根据入口匝道可容许排队长度计算初定匝道调节率，见式(6)；

其中，r″′

进一步，步骤S11中，确定实际匝道调节率的公式为：

r

其中，r

进一步，步骤S12中，计算匝道信号灯绿灯时长及红灯时长，见式(8)、(9)；

γ

其中，s

进一步，步骤S14具体包括：若为大货车等加速性能较差的车辆，可延长匝道信号灯绿灯时长g

其中，g

进一步，步骤S2中，速度引导设施Ⅰ的控制算法具体包括以下步骤：

S201：在老路入口匝道未形成排队且匝道信号灯未启用时，各子速度引导设施限速值取为相应位置的设计速度；

S202：在老路入口匝道形成排队时，将上游距排队队尾最近的子速度引导设施限速值利用如下公式(11)确定，并采用逐级减速方式，以确保上游到来车辆行驶至排队队尾能够安全减速停车；

其中，S

S203：当匝道信号灯为绿灯时，信号灯至排队队头的子速度引导设施限速值取为相应位置的设计速度；当匝道信号灯为红灯时，信号灯至排队队头的子速度引导设施限速值依然采用步骤S202方式确定。

进一步，步骤S2中，速度引导设施Ⅱ的控制算法具体包括：将多组速度引导设施Ⅱ分别编号为1,2,…,j

进一步，步骤S32具体包括：若满足下列所有碰撞预警不启用条件，则不启用碰撞预警，否则启用碰撞预警；

υ≤δv

(|υ

(|υ

y

y

其中，υ为检测器Ⅵ获取单个车辆行驶速度/(m/s)；v

本发明的有益效果在于：本发明可应用于高速公路、普通公路、城市道路的改扩建期分离式立交左入导改点，用于高速公路改扩建期分离式立交左入导改点精细化智能管控，通过入口匝道控制、速度引导、碰撞预警等主动控制策略与交通导改组织方案相结合，确保在左入汇入合流区处匝道上车辆行驶速度与主线内侧车道上车辆接近，有利于保障行车秩序、降低合流区速度离散性、提升交通安全水平。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明公路改扩建分离式立交左入导改匝道及速度控制方法的设施布设图；

图2为本发明公路改扩建分离式立交左入导改匝道及速度控制方法的匝道控制流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，针对改扩建分离式立交左入导改点存在的问题，本发明提供了一种匝道控制、速度引导、碰撞预警相结合的管控方法，外侧设施布设如图1所示。

由图1(a)可知，新路建设阶段：在老路右入合流鼻端处设置停车线及信号灯，用于入口匝道信号控制；同时在老路右入合流鼻端处设置信息发布设施1，发布“按信号灯指示通行”、“注意合流”等内容，提醒驾驶员注意信号灯指示信息，提升匝道控制的安全性；在老路主线上游设置检测器1，在老路合流区设置检测器2，在入口匝道上设置检测器3，用于获取相应位置车道级流量、密度、速度、占有率、车辆排队等交通流数据及车辆级速度、位置、行驶轨迹、车型等行车数据；在入口匝道上设置多组速度引导设施1，用于控制入口匝道车辆行驶速度，确保车辆看到红灯能够安全减速停车。

由图1(b)可知，老路改造阶段：在新路左入合流鼻端处匝道上设置信息发布设施2、主线上设置信息发布设施3，发布“碰撞预警”、“注意侧方来车”、“注意左入合流”等内容，提升匝道车辆左入汇入主线的安全性；在新路主线上游设置检测器5，在新路合流区设置检测器6，在匝道S型切换处设置检测器4，用于获取相应位置车道级流量、密度、速度、占有率等交通流数据及车辆级速度、位置、行驶轨迹等行车数据；在匝道S型切换处设置多组速度引导设施2，用于引导匝道车辆行驶速度，确保以合适的行车速度汇入主线。复用信号灯、停车线、信息发布设施1、检测器3、速度引导设施1等，以避免设施重复建设，造成资源浪费。信号控制设施依然选择布设在老路合流鼻端，原因在于新路左入汇入需确保匝道车辆以高速驶入主线，若将信号控制设施布设在新路合流鼻端，受S型切换线形条件限制，信号灯前车辆减速停车及信号灯后车辆加速左入汇入主线均可能来不及，容易存在S型切换急弯陡坡路段发生急减速、急加速等危险驾驶行为，存在一定安全隐患。

由图1(c)可知，改扩建工程完成后运营阶段，复用信号灯、停车线、信息发布设施1、信息发布设施3、检测器1、检测器2、检测器3、检测器5、速度引导设施1等，大部分设施在施工期及运营期均可使用，符合“永临结合”的绿色设计理念。

在新路建设阶段及运营阶段的控制策略较为简单，本实施例重点关注老路改造阶段的控制策略，如下：

(1)匝道控制，用于动态调整入口匝道汇入车流量。在主线流量较大时，降低匝道汇入流量，以避免主线合流区拥堵瘫痪。在主线流量较小时，主线内侧快车道车辆行驶速度较高，通过降低匝道汇入流量以提升匝道车辆行驶速度，确保主线合流区车辆汇入安全。考虑到大货车加速性能较差，在匝道信号灯绿灯末期若检测到来车辆为大货车，可适当延长绿灯时长，减少大货车停车次数。

(2)速度引导，用于调整入口匝道车辆行驶速度，保证车辆安全顺畅行驶。速度引导设施1根据信号灯状态及车辆排队长度调整限速值，确保驾驶员能够安全减速停车。速度引导设施2根据主线内侧快车道车辆行驶速度，逐级建议驾驶员加速，确保匝道车辆在左入汇入主线时，匝道车辆速度与主线车辆速度保持接近。

(3)碰撞预警，通过智能道钉、外侧广播、可变信息标志等声光色形信息发布设施，提醒左入汇入处主线及匝道车辆驾驶员可能会发生碰撞冲突，应提高驾驶注意力，降低车辆汇入的事故风险。

如图2所示，老路改造阶段的控制策略具体为：

(1)匝道控制

按照时间顺序将控制周期编号为1,2,…,k，控制算法利用周期k-1中检测器获取的交通数据确定周期k的控制参数。具体控制流程如下：

步骤1：基于主线平均速度计算初定匝道调节率。

步骤1.1：利用入口匝道S型切换处的历史交通流数据，建立流量-密度-速度的三参数关系函数，见式(1)，由此根据可接受的行驶速度确定允许放行流量。流量-密度-速度三参数关系函数可采用式(2)～(4)的函数形式。

r′

r′

r′

其中，r′

步骤1.2：利用检测器5获取主线内侧快车道的平均速度，将其输入式(1)计算初定匝道调节率。为确保左入汇入安全，入口匝道车辆在主线合流区汇入速度应尽可能与主线内侧快车道速度相同，若入口匝道流量过大，车辆没办法在S型切换处加速至规定车速，故需控制入口匝道放行流量，以保障匝道车辆的加速条件。

步骤2：基于主线可允许放行流量计算初定匝道调节率。

步骤2.1：利用主线合流区的历史交通流数据，建立流量-密度-速度的三参数关系函数，从而确定主线合流区通行能力。

步骤2.2：利用检测器5获取合流区上游主线流量，根据主线合流区通行能力计算入口匝道可允许驶入流量，即初定匝道调节率，见式(5)。

r″

式中：r″

步骤3：基于匝道可容许排队长度计算初定匝道调节率。

利用检测器3获取入口匝道车辆排队长度和流量，根据入口匝道可容许排队长度计算初定匝道调节率，见式(6)。

其中，r″′

步骤4：综合3种初定匝道调节率关系，确定实际匝道调节率，见式(7)。

r

其中，r

步骤5：计算匝道信号灯绿灯时长及红灯时长，见式(8)、(9)。

γ

其中，s

步骤6：将匝道信号灯绿灯时长及红灯时长平均分为N份，分别按照时间顺序编号为n∈{1,2,…,N}。采用n＝1绿灯、n＝1红灯、n＝2绿灯、n＝2红灯、…、n＝N绿灯、n＝N红灯的间断放行方式，把结果输入匝道控制设施，执行匝道控制策略。此处未采用绿灯全部结束后才显示红灯的方式，原因在于匝道控制需均衡流量以确保匝道车辆具备规定速度的行驶条件。

步骤7：在每份绿灯显示将要结束时，利用检测器3获取入口匝道紧接到来车辆的车型。若为大货车等加速性能较差的车辆，可延长匝道信号灯绿灯时长g

其中，g

步骤8：若放行绿灯时间超过最大值g

步骤9：若当前周期中匝道信号灯已显示绿灯时长与红灯时长之和超过控制周期时长，则结束本周期控制。

步骤10：判断是否结束匝道控制，若是，关闭匝道控制；若否，则转入步骤1。

(2)速度引导

从下游往上游将多组速度引导设施1分别编号为1,2,…,j

①速度引导设施1控制

步骤1：在入口匝道未形成排队且匝道信号灯未启用时，各子设施限速值取为相应位置的设计速度。

步骤2：在入口匝道形成排队时，将上游距排队队尾最近的子设施限速值利用如下公式(11)确定，并采用逐级减速方式，以确保上游到来车辆行驶至排队队尾能够安全减速停车；

步骤3：当匝道信号灯为绿灯时，信号灯至排队队头的子设施限速值取为相应位置的设计速度；当匝道信号灯为红灯时，信号灯至排队队头的子设施限速值依然采用步骤2方式确定。

其中，S

②速度引导设施2控制

各子设施发布建议速度，子设施j

(3)碰撞预警

碰撞预警是通过声光色形等信息发布方式，提醒驾驶员前方汇入存在碰撞风险，需提高注意力。具体控制流程如下：

步骤1：利用检测器6获取左入汇入处合流区匝道车辆及内侧快车道前后车辆的位置、速度等交通数据。

步骤2：若满足下列所有碰撞预警不启用条件，则不启用碰撞预警，否则启用碰撞预警。

υ≤δv

(|υ

(|υ

y

y

其中，υ为检测器6获取单个车辆行驶速度/(m/s)；v

步骤3：将碰撞预警指令输入信息发布设施2，执行碰撞预警策略。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。