一种高速公路入口匝道、收费站与衔接交叉口联动控制系统及方法

1.一种高速公路入口匝道、收费站与衔接交叉口联动控制系统，其特征在于，该系统包括入口匝道控制模块、收费站放流控制模块和信号交叉口控制模块；所述入口匝道控制模块设置在高速公路合流区入口匝道处，根据合流区数量设置两处；将两个合流区分别编号为Ⅰ和Ⅱ，并分别配套设置：在加速车道起点设置匝道信号灯，距匝道信号灯上游一定距离的入口匝道上施划匝道停车线，并设置匝道车辆检测器（k1、k2），在合流区主线上游设置主线车辆检测器（m1、m2）；所述收费站放流控制模块设置在收费站，用于控制收费站各种类型收费车道的启用数量；将靠近高速公路一侧的收费广场称为内广场，另一侧称为外广场；在收费站出口方向内广场、外广场分别安装检测器k4和检测器k6；在收费站入口方向内广场、外广场分别安装检测器k3和检测器k5，用以获取收费站内外广场交通数据；所述信号交叉口控制模块设置在收费站衔接交叉口处，用于控制交叉口各转向车辆放行；以收费站衔接的交叉口进口道为起点，逆时针分别将各进口道分别编号为东、北、西和南进口，并分别对应设置检测器k7、检测器k8、检测器k9和检测器k10，用以获取交叉口各进口道交通数据；该系统的联动控制方法包括车辆下高速控制算法、车辆上高速控制算法和交叉口信号控制算法；所述车辆下高速控制算法联动收费站放流控制模块，通过调整收费站出口方向各种类型收费车道启用数量，具体包括以下步骤：S11：利用检测器k4获取的收费站出口方向内广场流量和排队长度，分ETC和MTC两种收费类型分别计算在排队长度约束下的收费站出口方向最小调节率，如公式(1)~(3)所示；转入S12； (1) (2) (3)式中： 为 周期内在排队长度约束下收费站方向 收费类型 的最小调节率； 为 周期内收费站方向 选择收费类型 的比例； 为 周期内收费站方向 的交通流量； 为 周期内收费站方向 的控制周期长度； 为 周期内收费站方向 收费类型 的排队长度； 为收费站方向 收费类型 的排队长度阈值； 为收费站方向 可容纳的最大排队车辆数； 为收费站方向 可接受的排队长度折减系数， ； 为收费站方向， 分别表示出口、入口； 为收费类型， 分别表示ETC、MTC；S12：综合考虑收费站的运营成本和司乘人员的时间成本，在最大可启用的收费车道数量和最小调节率的约束下，确定收费站出口方向各种收费车道的实际调节率，如公式(4)所示；实际调节率值越大，收费站运营成本越高；实际调节率值越小，司乘人员时间成本越高；转入S13； (4)式中： 为 周期内收费站方向 收费类型 的实际调节率； 为收费站方向 收费类型 的单车道服务率； 为收费站方向 收费类型 设置的最大收费车道数；S13：在满足通行能力大于实际调节率的前提下，确定收费站出口方向各种收费类型需启用的最小收费车道数量；转入交叉口信号控制算法； (5)式中： 为 周期内收费站方向 收费类型 启用的收费车道数。 2.根据权利要求1所述的联动控制系统，其特征在于，所述车辆上高速控制算法联动入口匝道控制模块和收费站放流控制模块；入口匝道控制模块根据合流区剩余通行能力和匝道可接受排队长度的约束，调整匝道车辆汇入主线的时机和数量，以避免合流区交通拥堵；若入口匝道排队长度超过可接受的排队长度时，通过收费站入口方向放流控制，减少从收费站上高速的交通流量；在收费站入口方向，收费站放流控制模块通过调整收费站入口方向各种类型收费车道启用数量，以使上高速的交通流量和收费站入口方向外广场的排队长度满足要求，避免入口匝道排队拥堵至收费站或收费站入口方向外广场排队拥堵至衔接交叉口；所述交叉口信号控制算法联动收费站放流控制模块和信号交叉口控制模块；在非拥堵状态下，以交叉口车均延误最小为目标进行信号配时；同时要满足如下约束：东进口通行能力必须保证东进口拥堵排队不至于延伸到收费站；交叉口各转向允许驶入东进口出口侧车道的流量必须保证不会使收费站入口方向外广场拥堵排队至衔接交叉口；若上述交叉口信号配时优化模型不存在最优解，说明交叉口处于拥堵状态，故采用以交叉口通过车辆数最大为目标进行信号配时，同时也需要满足上述约束条件。 3.根据权利要求2所述的联动控制系统，其特征在于，所述车辆上高速控制算法具体包括以下步骤：S21：入口匝道控制；S211：利用合流区上游主线检测器m1、m2获取的主线流量，基于高速公路合流区剩余通行能力计算入口匝道调节率，如公式(6)所示；转入S212； (6)式中： 为 周期内合流区 的入口匝道调节率； 为合流区 通行能力； 为 周期内合流区 主线上游流量； 为合流区编号， 分别表示合流区1和合流区2；S212：利用检测器k1、k2获取的入口匝道流量与匝道调节率的关系，计算匝道信号灯放行绿灯时长，如公式(7)所示；转入S213； (7)式中： 为 周期内合流区 匝道信号灯放行绿灯时长； 为 周期内合流区 匝道信号灯周期时长； 为合流区 匝道饱和流率； 为 周期内合流区 匝道流量；S213：计算在排队长度约束下各入口匝道的最小调节率，如公式(8)所示；判断是否存在某一入口匝道调节率小于相应的最小调节率；若是，转入S23；若否，转入S22； (8) (9)式中： 为 周期内在排队长度约束下合流区 的入口匝道最小调节率； 为 周期内合流区 的控制周期长度； 为 周期内合流区 的匝道排队长度； 为合流区 入口匝道可容纳的最大排队车辆数； 为合流区 入口匝道可接受的排队长度折减系数， ；S22：收费站入口放流控制；S221：利用检测器k5获取的收费站入口方向外广场流量和排队长度，分ETC、MTC两种收费类型分别计算在排队长度约束下的收费站入口方向最小调节率，如公式(10)~(12)所示；转入S222； (10) (11) (12)S222：判断收费站入口方向是否存在某一收费类型所有收费车道皆启用的情况下通行能力依然小于最小调节率；若是，令收费站入口方向允许调节率等于通行能力，转入S24；若否，转入S223； (13) (14)式中： 为 周期内收费站方向 的允许调节率；S223：综合考虑收费站的运营成本和司乘人员的时间成本，在最大可启用的收费车道数量和最小调节率的约束下，确定收费站入口方向各种收费车道的实际调节率，如公式(15)所示；转入S224； (15)S224：在满足通行能力大于实际调节率的前提下，确定收费站入口方向各种收费类型需启用的最小收费车道数量；转入S24； (16) (17)S23：收费站入口放流控制修正；S231：计算高速公路合流区通行能力不满足主线和匝道汇流需求时，通过收费站入口放流控制允许上高速的最大交通流量；转入S2312； (18)式中： 为 周期内收费站方向 a 允许上高速的最大交通流量； 为 周期内选择合流区 入口匝道行驶的比例；S232：在满足允许上高速的最大交通流量不小于实际调节率的前提下，确定收费站入口方向允许调节率和各种收费类型允许启用的最大收费车道数量；转入S24； (19)S24：利用检测器k5获取的收费站入口方向外广场排队长度，计算在收费站入口方向外广场排队长度约束下允许从衔接交叉口驶入收费站入口方向外广场的交通流量；转入交叉口信号控制算法； (20)式中： 为 k 周期内收费站方向 a 允许从衔接交叉口驶入收费站入口方向外广场的交通流量； 为 周期内收费站方向 的排队长度。 4.根据权利要求3所述的联动控制系统，其特征在于，所述交叉口信号控制算法具体包括以下步骤：S31：确定交叉口东进口放行流量约束；S311：利用检测器k7获取的衔接交叉口东进口排队长度，计算在排队长度约束下的交叉口东进口最小调节率；转入S312； (21)式中： 为 周期内在排队长度约束下交叉口进口 的最小调节率； 为 周期内交叉口的控制周期长度； 为 周期内交叉口进口 的排队长度； 为交叉口进口 可容纳的最大排队车辆数； 为交叉口进口 可接受的排队长度折减系数， ； 为交叉口进口道方向， 分别表示东、北、西和南进口；S312：综合考虑收费站和衔接交叉口司乘人员的行程延误，在最大可放行流量和最小调节率的约束下，确定交叉口东进口的实际调节率，如公式(4)所示；转入S313； (22)式中： 为 周期内交叉口进口 的调节率；S313：计算交叉口东进口各转向流量，并给出通行能力约束；转入S33； (23)式中： 为 周期内进口 转向 交通流量； 为 周期内进口 转向 流量比例； 为 周期内进口 转向 绿信比， ； 为 周期内交叉口信号周期时长； 为进口 转向 行驶车道数； 为进口 转向 单车道饱和流率； 为交叉口转向， 分别表示左转、直行和右转；S32：交叉口各转向驶入东进口的出口车道流量之和应不大于允许从衔接交叉口驶入收费站入口方向外广场的交通流量；转入S33； (24)S33：非拥堵状态下以交叉口车均延误最小为目标，进行交叉口信号配时；采用经典的双环相位结构进行交叉口信号相位方案设计；判断优化模型(25)是否存在最优解，若存在，转入联动控制策略；若不存在，转入S34； (25)式中： 为 周期内进口 转向 车均延误； 为 周期内进口 转向 的相位绿灯时间； 分别为绿灯时长最小值、最大值； 分别为信号周期时长最小值、最大值； 为饱和度上限值； 为绿灯间隔时间；S34：拥堵状态下以交叉口通过车辆数最大为目标，进行交叉口信号配时；转入联动控制策略； (26)式中： 为交叉口流量系数。