交叉口排队溢流主动控制理论与优化方法研究

交叉口排队溢流因动态随机交通流、静态设施和交通管控策略等的不匹配而形成，是诱发网络交通阻塞的关键性因素。传统研究多专注于溢流后的实时控制，缺乏预见性，响应滞后、缓慢且缺乏定时控制下溢流对策的考虑。本课题面向定时与实时控制需求，从溢流影响因素分析入手，解析溢流形成机理，建立"排队溢流风险度"模型以准确刻画溢流可能性和严重程度，并给出面向溢流控制的检测器布局优化方法。然后基于"防患于未然"的主动控制思想，设计框架方案与实时方案互动反馈的主动控制机制，面向单点和协调控制,建立结构性变量（转向禁止、车道功能、相位、相序）和非结构性变量（周期、绿信比、相位差）的组合优化模型与实时调整规则，并基于"软件在环"实现检测器布局、溢流风险辨识、溢流控制策略的集成仿真优化，构筑溢流预防与高风险状态快速响应的主动控制理论与方法体系。成果将揭示排队溢流规律，为网络交通阻塞预防、拥挤控制管理提供理论基础和技术支撑。

交叉口是城市道路网络的咽喉，其运行状态对于整个道路网络的服务效率有关键性影响。在动态随机交通流、静态设施和交通管控策略之间复杂的相互作用下，交叉口常发生排队溢流；一旦溢流控制失效，则发生干线和网络交通拥挤的风险大大增加。传统研究多专注于溢流后的实时控制，缺乏预见性，响应滞后，缺乏对定时控制的考虑，对通过时空资源协同优化和挖掘应对溢流的重视不足。本研究面向定时与实时控制需求，从溢流的成因出发，分析多模式交通流（行人、非机动车、机动车和公共交通等）在交叉口范围的相互影响，解析交叉口空间特征、管控方式等对通行能力和排队长度及其演化规律的作用，揭示了机动车排队溢流的主要影响因素并解析其产生机理，构建了排队长度及溢流风险概率计算模型。在此基础上，面向单点和协调控制，考虑交通网络时空资源的相互作用，针对机动车、公交车、行人和自行车等不同交通流的特征、控制需求和相互影响，开发了结构性变量（转向禁止、车道功能、相位、相序）和非结构性变量（周期、绿信比、相位差）的集成优化模型，构建了机动车通行能力挖掘和多模式交通协同优化两个层次的排队溢流主动控制理论和方法体系。同时，还结合车路协同技术的发展，探索了同时考虑节约油耗、降低排放和减少延误的多模式交通流多目标优化方法。为了验证模型的有效性和先进性，研究过程中构建了多个仿真分析模型，进行了大量的数值算例，设计并完成了控制方案、检测手段和交通需求等多因素组合仿真分析和实验验证，证明了模型的效果和推广应用价值。本研究成果是交通管控和优化理论的拓展，是交通网络时空资源协同优化的新探索，成果可为网络交通阻塞预防、拥挤控制管理和交通设计优化提供理论基础和技术支撑。