基于仿真评价的城市快速路网集成控制研究
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摘 要
交通运输作为推动城市经济发展的重要因素，直接影响城市健康、有序发
展。快速路网作为城市交通系统的重要组成部分，肩负着为城市内大中量快速
交通服务的任务。随着经济的快速发展,机动车辆急剧增多，快速路交通拥堵日
趋严重,交通事故不断增加，对城市快速路网的控制和管理提出了更高的要求。
城市快速路网是一个动态变化的非线性系统, 这就决定了对其进行控制的
复杂性。当前，为了提高快速路网的利用效率，充分发挥智能交通系统（ITS）
先进技术的作用，已经有越来越多的研究人员对集成控制策略——一种能够协
调多种控制手段（如匝道控制、路径诱导）的先进控制策略，投入极大的关
注；同时，集成控制的相关研究已经成为ITS的研究热点和前沿领域。本文从理
论联系实际的角度，对集成控制进行初步探索，主要工作如下所述：
本论文在借鉴国内外集成控制策略理论研究成果的基础上，从实际应用的
角度，提出一种应用反馈控制原理，同时协调入口匝道控制和基于可变信息标
志(VMS)的路径诱导的集成控制策略，旨在充分发挥两种控制策略的控制效果。
其次，针对算例路网，在利用经典的宏观动态网络交通流模型METANET描述
快速路网交通流演化过程的基础上，利用交通仿真技术对不控制、单独利用
入口匝道控制、单独利用路径诱导和集成控制策略这四种控制情形，进行模
拟实际控制条件的仿真评价工作，通过比较上述控制情形的控制效果，印证集
成控制策略在快速路网控制管理过程中的稳定性和有效性；
最后，对实际应用中集成控制策略的关键参数优化工作进行了初步探索。
针对算例路网，通过调试不同方案，确定入口匝道信号灯周期和路径诱导策略
重要参数的取值，为集成控制策略的具体实施提出一种可行的思路和方法，为
集成控制策略在我国快速路网的应用打下初步基础，同时为交通管理部门制定
策略提供参考依据。
关键字：集成控制，反馈控制，入口匝道控制，路径诱导,可变信息
标志（VMS），宏观网络交通流模型 METANET，入口匝道信
号灯控制周期，信息更新周期
Abstract
Transportation system is most important to urban economy; it influences the
healthy and orderly development of the city. The urban freeway network as an
important part of the urban transportation system, it accommodates a large amount of
urban traffic. But the rapid development of economy and increase of the motor
vehicles lead to severer traffic jam phenomenon. The freeway network cannot play
its role superiorly, which calls for more efficient control and management of urban
freeway network.
As the urban freeway network is a dynamic non-linear system, it is very
difficult to control it. Nowadays, in order to improve the utilization efficiency of the
freeway network, and fully exert its advanced function of ITS, there have already
more and more researchers putting great attention to Integrated Control for Freeway
Network which can coordinate various means of control (such as on-ramp control,
routing control). At the same time, the integrated control has been the hotspots and
frontiers of the ITS research. From the perspective of bridging theory and practice,
this paper makes preliminary exploration of integrated control, and its works is as
follows:
Firstly, this paper reviews theoretical studies for integrated control and proposes
a method which integrates two control methods, on-ramp control and information
induction on feedback control theory, based on feedback control concept.
Secondly, through an example network, this paper uses dynamic macro scopic
network traffic flow model METANET to simulate the urban expressway traffic
flow, simulates the four cases: no control, “on-ramp control”, “routing control” and
“integrated control”, and evaluates the effect of each control strategy, validates the
superiority of the integrated control;.
Lastly, this paper deals with optimization of the cycle of the on-ramp light and
updating interval of routing control for VMS through simulation. This propose of
this paper is to bridge the theory and proactive for the integrated control of urban
freeway network of our country, and provide important technical support and guide
for application.
Key words: Integrated Control，feedback control, on-ramp control ,
routing control, Variable Message Signs (VMS),
dynamic macro scopic network traffic flow model
(METANET), the cycle of the on-ramp light, the
interval of routing control for VMS
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 ........................................................ 1
§1.1 研究背景 ........................................................................................................ 1
§1.1.1 城市快速路的含义及分类.................................................................... 1
§1.1.2 我国快速路发展背景............................................................................ 1
§1.1.3 城市快速路在城市交通中的作用........................................................ 2
§1.2 城市快速路网控制管理现状 ........................................................................ 2
§1.3 集成控制策略及其研究意义 ........................................................................ 3
§1.4 本文研究内容 ................................................................................................ 4
§1.5 本文研究意义及研究特色 ............................................................................ 5
§1.6 本文章节设置 .................................................................................................6
第二章 快速路网集成控制策略综述 .................................... 7
§2.1 快速路网集成控制研究内容回顾 ................................................................ 7
§2.2 匝道控制和路径诱导策略的相关介绍 ........................................................ 8
§2.2.1 匝道控制策略........................................................................................ 9
§2.2.2 路径诱导策略....................................................................................... 10
2.3 本章小节 .......................................................................................................... 11
第三章 快速路集成控制策略的设计过程 ............................... 13
§3.1 集成控制策略的设计理念 .......................................................................... 13
§3.2 集成控制策略的具体实施过程 .................................................................. 14
§3.2.1 入口匝道控制策略.............................................................................. 14
§3.2.2 路径诱导策略...................................................................................... 16
§3.3 本章小结 ...................................................................................................... 18
第四章 快速路网集成控制仿真评价 ................................... 19
§4.1 交通流模型简介 .......................................................................................... 19
§4.2 快速路网集成控制仿真研究基本说明 .......................................................20
§4.2.1 METANET 模型说明............................................................................... 20
§4.2.2 路网拓扑结构图.................................................................................. 23
§4.2.3 快速路网控制策略实施过程.............................................................. 24
§4.3 快速路网集成控制仿真实例研究 .............................................................. 26
§4.3.1 参数取值说明...................................................................................... 26
§4.3.2 集成控制策略仿真案例分析............................................................... 27
§4.4 快速路网集成控制策略效果评价 .............................................................. 36
§4.4.1 主要评价指标介绍............................................................................... 36
§4.4.2 控制策略控制效果评价...................................................................... 37
§4.4.3 ALINEA 算法与需求-容量法控制效果的比较................................... 37
§4.5 集成控制关键参数优化的初步探索 ...........................................................39
§4.5.1 入口匝道信号灯周期的设置.............................................................. 40
§4.5.2 路径诱导策略相关参数的设置.......................................................... 41
§4.6 本章小结 ...................................................................................................... 43
第五章 结语与展望 ................................................. 45
§5.1 论文主要研究成果 ...................................................................................... 45
§5.2 展望 .............................................................................................................. 46
参考文献 .......................................................... 47
附 录 .......................................................... 51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目 .............................. 52
谢 辞 .......................................................... 53
图表目录
图 1 本文技术路线图 ............................................. 5
图 2 入口匝道控制装置示意图 ..................................... 9
图 3 路径信息诱导装置 .......................................... 11
图 4 集成控制实施过程 .......................................... 14
图 5 路径诱导控制示意图 ........................................ 17
图 6 路段示意图 .................................. 18
图 7 VMS 信息板发布形式 ........................... 18
图 8 城市快速路网络拓扑结构图 .................................. 24
图 9 需求曲线 .................................................. 27
图 10 流量-密度关系曲线图 ....................................... 28
图 11 无控制下主路径密度曲线图 ............................ 29
图 12 无控制下主路径流量曲线图 ............................ 29
图 13 高峰时期快速路网某时刻的全局路况 .......................... 29
图 14 无控制下路段 L2密度曲线图 .......................... 30
图 15 无控制下路段 L2流量曲线图 .......................... 30
图 16 无控制下主次路径行程时间曲线图 ............................ 30
图 17 ALINEA 控制下主路径密度曲线图 ............................. 31
图 18 ALINEA 控制下主路径流量曲线图 ............................. 31
图 19 ALINEA 控制下主路径密度效果图 ............................. 31
图 20 ALINEA 控制下主路径流量效果图 ............................. 32
图 21 ALINEA 控制下主次路径行程时间曲线图 ....................... 32
图 22 路径诱导下主路径密度曲线图 ............................. 33
图 23 路径诱导下主路径流量曲线图 ............................. 33
图 24 主路径分流比例曲线图 ..................................... 33
图 25 路径诱导下主路径密度效果图 ............................... 34
图 26 路径诱导下主路径流量效果图 ............................... 34
图 27 路径诱导下主次路径行程时间曲线图 ......................... 34
图 28 集成控制下主路径密度曲线图 ............................ 35
图 29 集成控制下主路径流量曲线图 ............................ 35
图 30 集成控制下主路径密度效果图 ............................... 36
图 31 集成控制下主路径流量效果图 ................................ 36
图 32 集成控制下主次路径行程时间曲线图 ......................... 36
图 33 需求-容量法主路径密度曲线图 ......................... 38
图 34 两种策略的排队比较图 ................................ 38
图 35 需求-容量法主路径密度效果图 .............................. 38
图 36 需求-容量法主路径流量效果图 .............................. 39
摘要：
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摘要交通运输作为推动城市经济发展的重要因素，直接影响城市健康、有序发展。快速路网作为城市交通系统的重要组成部分，肩负着为城市内大中量快速交通服务的任务。随着经济的快速发展,机动车辆急剧增多，快速路交通拥堵日趋严重,交通事故不断增加，对城市快速路网的控制和管理提出了更高的要求。城市快速路网是一个动态变化的非线性系统,这就决定了对其进行控制的复杂性。当前，为了提高快速路网的利用效率，充分发挥智能交通系统（ITS）先进技术的作用，已经有越来越多的研究人员对集成控制策略——一种能够协调多种控制手段（如匝道控制、路径诱导）的先进控制策略，投入极大的关注；同时，集成控制的相关研究已经成为ITS的研究热点和...
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