鲁棒优化思想下高速公路可变限速标志布设及动态交通控制方法研究

The multiple and random freeway bottleneck problems have serious negative influence on regular traffic operation of freeway, especially in the circumstance of the growing traffic demand. Therefore, the dynamic speed limit signs layout model and the freeway network traffic control are necessary to cope with the randomness and variety of freeway bottleneck. In the project, the traffic character of freeway bottleneck is analyzed based on multi-source and multi-dimensional traffic data, to build the model of activate anticipation of threshold in the bottleneck providing support for the active control with threshold and implement. Considering spatial randomness of the bottleneck locations, establish probability distribution model of the bottleneck regions, and build robust optimization of dynamic speed limit signs layout model, balancing the benefit and cost bring by variable speed limit signs, providing support for the traffic control with implement. Using the main control means of variable speed limit, considering network correlation factor, with the right of way equilibrium principle, to different kinds of isolate bottlenecks, propose variable speed limit control model with coordination of upstream and downstream, and coordination model of ramp and variable speed limit control separately. To the correlation bottlenecks in freeway network, a bi-level multi-objective robust optimization control model is established to improve the traffic stable operation of freeway network. The research has important theoretical and practical significance in terms of enriching intelligent control system.

目前，我国高速公路交通瓶颈区域呈现多样性和随机性演化趋势，严重影响路网交通有序运行，尤其是在交通需求不断增长情况下，这一现象日益突出。因此，有必要针对上述问题设计高速公路瓶颈区域交通设施布设和路网交通控制方法。本项目以多源多维交通数据为基础，统计分析瓶颈区域特征和类别属性，建立瓶颈区域激活临界点判定模型，为主动控制确定启动条件；考虑瓶颈区域的空间随机性，建立瓶颈区域发生概率空间分布模型，以可变限速标志布设控制效益和成本均衡为目标，构建可变限速标志布设鲁棒优化模型，为交通控制提供实施保障；以可变限速控制为主要手段，考虑路径关联度因素，采用通行权均衡分配原则，针对孤立瓶颈，分类提出上下游可变限速协同控制模型和可变限速与匝道协同控制模型，针对路网关联瓶颈，建立双层多目标鲁棒优化控制模型，着力为改善高速公路路网交通稳定性提供可靠的方法支撑。项目研究成果对丰富智能交通控制体系具有理论指导和现实意义。

本项目从交通数据质量评价入手，在分析采集数据的关联特性基础上，建立了交通异常数据识别与修复方法，并考虑交通控制的预见性需求，以自校正预测二维权值分配为主要思想，构建短时交通流融合预测模型，进而依托瓶颈区域特性分析建立高速公路瓶颈区域激活界点确定方法；结合可变限速标志对交通运行影响分析，明确瓶颈区域限速标志动态需求特征，设计可变长度元胞移位模型，继而考虑限定元胞无法较好避免拥挤上溯影响情况，建立了双动态可变信息标志移位方法，设计了可变限速标志布设优化策略；针对不同类型瓶颈特点，分别根据瓶颈区域对交通影响范围情况设计交通优化控制方案，针对孤立瓶颈，提出以动态控制周期来强化控制方法的灵活性和适应性的思想，分别针对主线瓶颈和主线与匝道合流瓶颈提出可变限速与匝道控制组合优化控制方案，再者，针对强关联瓶颈，考虑路网负荷及道路分担率，设计双层优化控制方法。最后，采用实测数据、模拟仿真等手段校验了本项目设计的相关方法具有可行性和有效性。项目研究成果可为高速公路智能化交通控制体系建设提供方法和技术支持。