一种基于SUMO的高速公路多匝道协同感控一体化方法

本发明涉及高速公路匝道管控，尤其是一种基于sumo的高速公路多匝道协同感控一体化方法。

背景技术：

1、高速公路作为客货运输的重要交通通道，随着近年国家经济活动复苏，其在我国产业建设、文化交流中承担着愈发重要的作用。出入口匝道是高速公路重要的组成部分，负责交通流的合流与分流，对交通组织的运行状态影响很大，对匝道车流量实时管控有利于及时调整公路车流运行态势、优化用户出行体验。

2、目前针对道路多匝道协同管控流量算法metalinea在城市多匝道道路场景下展现出优秀的性能，但发现其更适用于城市快速路中交通组成较单一的情况，对于高速公路上客货车交织、交通组织复杂的状况metalinea的管控策略则具有局限性；此外，目前大多数匝道管控方案的感知与控制两环节是分离的，使得管控方案具有一定滞后性，该问题亟待解决。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于sumo的高速公路多匝道协同感控一体化方法，基于改进的高速公路多匝道管控算法，通过输入检测器感知系统收集到所需的数据获得实时的管控方案，在上匝道入口处对车流量进行控制以提升乘客出行效率，并在sumo仿真环境中实现多匝道协同感控一体化并验证改进后算法的控制效果。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于sumo的高速公路多匝道协同感控一体化方法，包括如下步骤：

3、步骤1、构建仿真路网；

4、步骤2、构建所需仿真环境；

5、步骤3、利用收集的交通流数据作为下一时段的匝道管控依据，结合改进的考虑交通组成影响的多匝道控制算法metalinea进行实时反馈管控，以实现多匝道协同感控一体化；

6、步骤4、通过仿真过程中生成的数据，对使用改进的metalinea算法进行匝道管控的情况与未使用的基础情况针对延误进行对比，分析结果。

7、优选的，步骤1中，构建仿真路网，从开源地图平台openstreetmap上导出目标真实路网osm文件后转化为.net.xml文件或者在sumo内置的路网编辑器netedit中自行编制路网。

8、优选的，步骤2中，构建所需仿真环境具体包括如下步骤：

9、步骤21、在步骤1中构建的路网中添加检测器以搭建仿真全时段感知系统，使其布设在匝道出入口以及高速公路基本路段，生成相关外部设置文件.add.xml，并在仿真配置文件.sumocfg中实现调用；

10、步骤22、配置交通流.rou.xml文件，其中交通组成及车辆相关几何参数根据实际路况进行编写，初始仿真流量通过查找相关道路实际情况拟定，后续时间步的流量会根据管控策略改变。

11、优选的，步骤21中，检测器的类型包括：瞬时感应环路检测器和多车道区域检测器，前者用于上匝道路段检测匝道车流交通组成比例，后者用于匝道下游路段和高速公路基本路段检测不同时间步的空间占有率。

12、优选的，步骤3中，实现多匝道协同感控一体化具体包括如下步骤：

13、步骤31、根据实际路况，以15min为单位时间间隔δt在仿真中进行一轮管控，即控制15min为一仿真步，在匝道入口控制下一仿真步的交通量；

14、步骤32、利用检测器收集入口匝道交通组成比例，即中型车、大型车、超大型车这三种类型机动车在交通流中的占比p1，p2，p3；此外收集各个匝道入口位置当前k时刻的空间占有率高速公路测量的当前k时刻空间占有率高速公路测量的上一时刻k-1的空间占有率其中，的矩阵，第i个元素表示第i个上匝道入口位置当前k时刻的空间占有率，i∈{1,m}；是一个n×1的矩阵，第i个元素表示高速公路第i段位置当前k时刻的空间占有率，i∈{1,n}；是一个n×1的矩阵，第i个元素表示高速公路第i段位置前一时刻即k-1时刻的空间占有率，i∈{1,n}；

15、步骤33、基于实际情况确定该高速公路路段上第i个匝道汇入主路处的期望空间占有率，i∈{1,m}，将该路段匝道入口处的期望空间占有率设定为常数矩阵；

16、步骤34、使用多匝道联合管控算法metalinea：

17、

18、式(1)中，是一个m×1的矩阵，表示当前k时刻控制后的入口匝道建议流量，第i个元素表示第i个匝道入口在当前k时刻建议流入主路的流量，i∈{1,m}，单位是pcu/h；形式与相同，只是表示的是前一时刻即k-1时刻的建议流量矩阵；是一个m×1的矩阵，第i个元素表示第i个匝道入口的期望占有率，由s3-3预设得出，i∈{1,m}；是增益矩阵，可使占有率测量值转化成与线性相关，通过求解ricati方程可以求得增益矩阵，其取值决定于但增益矩阵对修改的灵敏度低，因此使用相同的增益矩阵；

19、该算法以调控匝道入口的空间占有率逼近期望值、道路段上的占有率波动尽量小为目标，对前一时刻的建议交通量进行修正，输出该时刻的匝道管控建议交通量。该算法提出时间较早，考虑的交通组成较为单一，即城市快速路多为小客车的情形，为使其更适用于高速公路交通组成复杂的情况，对其进行了改进。

20、步骤35、对metalinea进行改进，使其更适用于高速公路复杂的交通组成的实际情况：

21、

22、式(2)中，是一个m×1的矩阵，表示改进后当前k时刻控制的入口匝道流量，单位为pcu/h；α1、α2、α3分别表示中型车、大型车、超大型车相对于标准小客车的影响换算系数；

23、改进后的算法综合考虑了高速公路匝道上每种交通组成对该时刻匝道入口流量的影响，例如大型车的存在会对匝道入口造成比小客车更大的延误，从而影响该匝道的管控策略。这种影响十分重要，而在传统的metalinea算法里面无法体现，改进后的算法通过检测器收集到的交通组成，结合对于的影响换算系数计算该匝道的平均影响换算系数，较为全面地得到了复杂交通组成情形下的管控策略。

24、步骤36、在仿真中实现匝道管控。

25、优选的，步骤35中，车辆影响换算系数α取值如下：

26、

27、

28、表中，高速公路匝道上车辆按照车身长度l分为四类，对于影响换算系数通过查阅文献和实际道路情况勘测，综合考虑了各类车在上匝道入口处汇入主路时整车扫过的面积、各类车速度变化对后车的阻滞影响、路面纵坡度对各类车运行状态的影响等因素得出表中的系数值。

29、优选的，步骤36中，根据改进的metalinea计算得到该时刻的建议入口匝道流量后，将其输入给仿真交通流.rou.xml文件中控制流量的参数vehsperhour，通过traci动态调整车辆流量以实现多匝道协同感控一体化。通过每个时间步持续迭代的数据收集、算法应用、仿真推演，即可实现实时动态管控，使得高速公路各匝道入口处的空间占有率逼近期望占有率、基本路段上的占有率波动尽量减少，保持稳定平衡的运行状态。

30、优选的，步骤4中，使用改进算法与未使用的两种情况对比的特征为：对比二者优劣使用的指标选取可以展现交通运行效率的时空特征：交通流平均速度、延误、空间占有率，在相同初始条件对两种情况进行实验，分析结果。

31、本发明的有益效果为：(1)本发明以多匝道高速公路为研究对象，基于sumo仿真环境中检测器构成的感知系统，结合匝道管控算法给出的管控策略，实现实时的多匝道协同感控一体化；(2)本发明基于已有的多匝道管控算法metalinea，从理论角度给出改进方案，有效克服使用场景受限的缺陷，并通过sumo仿真实验验证算法改进的必要性，使本发明更具科学性；(3)本发明综合考虑不同车型对匝道交通态势的影响，影响因素包括但不限于车辆汇入主路扫过的面积、速度变化对后车的影响、路面纵坡度对不同车型造成的减速等，使得车辆影响换算系数不只是基于几何尺寸的转化，更注重的是整体对路面交通的影响；(4)本发明改进的metalinea算法不仅仅适用于城市快速路，其也适用于交通组成复杂的高速公路路段，可自由根据场景的特征更改算法中的车辆影响换算系数，使得本发明具有较强的灵活性和可操作性。