一种高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统及方法，属于智能交通管理与控制领域，该系统包括数据采集模块、数据处理模块、后端服务模块和前端展示模块；本发明专利技术将道路拥堵状态分为未发生拥堵、尚未发生严重拥堵、已发生较严重拥堵三种，并且结合系统检测器获取的交通参数如速度、占有率、交通流量，计算交通拥挤指数；将计算出的数据与特定阈值相比较得到初始的预判结果；为了降低了误判率，实现准确判别，系统将维持检测的持续性并多次进行预判，最终完成一次交通拥堵状态评价；最后采用分级控流的方法对入口匝道进行车辆管控来缓解高速公路主线交通压力。此方法可准确预判高速公路交通拥堵状态，从而更好的实现分级控流。

【技术实现步骤摘要】
一种高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统及方法
本专利技术属于智能交通管理与控制领域，具体涉及一种高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统及方法。
技术介绍
经济的快速发展带动了国民经济的整体提升，近年来我国小汽车的拥有量逐年上升，这种情况带来的正面影响是居民出行效率的普遍提升，但是随之而来造成的负面影响则是逐渐严重的交通拥堵现象，我国的高速公路交通拥堵现象尤为严重，尤其是在节假日、日常的出行高峰期内，这种交通拥堵现象更加严重，已经发展演变为一种常发性交通拥堵现象。如何有效缓解这种已经逐渐成长为常发性的高速公路拥堵已经成为一种难题，目前高速公路入口匝道控制方法是缓解这种拥堵现象的有效手段之一。改善高速公路拥堵的方法有很多种，在过去主要采取新建或扩建道路这种粗放式的思路，但在近几年交通管理与控制优化的手段受到越来越多人的关注。其中，入口匝道控制在国外应用广泛，并取得了积极的效果，它主要利用匝道信号灯调节车辆进入高速公路主线的流率实现。国内对高速公路入口匝道的控制研究起步相对较晚，但是中国众多的研究学者在高速公路匝道单点控制和多匝道协调控制的研究上还是做出了很多努力，为中国的匝道控制做出了巨大的贡献。在高速公路路网与监控系统基本建成以后，国外发达国家都把高速公路运行状况的分析与信息发布作为重点研究和建设的对象。国外高速公路运行状况分析系统可为我国高速公路管理和运营提供很好的借鉴作用。但是，考虑我国高速公路的道路设施条件及收费运营管理的现状，再加上国内城市与国外许多城市道路规划建设大相径庭，现阶段在匝道处直接设置信号灯实现车流的控制不太实际，因而目前我国对于高速公路入口匝道控制的算法大都局限于理论研究，实用性较差，有待进一步提高。总之，现在需要以我国高速公路的现状为基础，结合未来交通行业发展规划，研究适合我国高速公路的运行状况分析评价方法，利用多属性综合评价方法分析交通状态运行的问题。为此本专利技术提出了一种由安装在匝道入口处的栏杆机所控制的高速公路交通流管控系统，基于高速公路路端设备所采集到的交通流信息，通过拥堵程度判别算法对每个路段进行拥堵程度的实时评判，基于交通流模型及入口匝道车辆控制理论，将拥堵程度划分为三个等级，针对不同级别拥堵情况进行研究并实现分级控流。目前，现有相关专利检索及分析结果如下(★表示相似度较高的专利)：★专利1：一种高速公路交通状态判别方法及系统CN201710134402.4本专利技术公开了一种高速公路交通状态判别方法及系统。根据高速公路交通流运行状态的历史参数数据及预设分类数量,采用模糊聚类算法建立交通流参数模糊聚类中心模型；根据该中心模型,确定预设分类数量的交通状态聚类中心；根据实时参数数据和该聚类中心,利用最小距离分类法获得距离实时参数数据最小的交通状态聚类中心；根据该聚类中心,确定实时参数数据所属的交通状态聚类为距离实时参数数据最小的交通状态聚类中心所在的交通状态聚类。该专利技术提高了采用高速公路交通流运行状态数据进行高速公路交通状态判别的可靠性,也改善了交通状态获取的环节,从信息获取环节最大程度的为道路管理者和使用者提供最佳的交通管控措施和出行计划。上述
技术实现思路
侧重在高速公路交通状态判别的研究，而本专利技术将交通状态判别与管控系统相结合，有更大的实际应用意义。另一方面该专利技术仅依靠单指标判别高速公路交通状态，可靠性低容易出现误判情况，而本专利技术是基于路端设备所采集到的多元交通流信息来进行拥堵状态的判别。专利2：高速公路入口匝道异质交通流车速引导系统及引导方法CN202010463827.1本专利技术提供一种高速公路入口匝道异质交通流车速引导系统及引导方法，包括：用于获取智能车车辆信息的智能车车载子系统，智能车车载子系统安装在智能车上，用于获取网联车车辆信息的网联车车载子系统；网联车车载子系统安装在网联车上，用于获取普通车车辆信息的普通车信息采集子系统；普通车信息采集子系统安装在路侧；所述智能车车载子系统、网联车车载子系统、普通车信息采集子系统都无线连接路侧速度决策子系统。本专利技术创造所述的高速公路入口匝道异质交通流车速引导系统提供了可以快速实现高速公路入口匝道车辆引导的引导系统，针对不同车辆利用不同的子系统，有效的解决了匝道入口处容易出现车辆阻塞的情况。两个专利技术虽然都是一种高速公路交通流疏导系统但侧重点不同，上述专利技术是通过对自动驾驶车辆、网联车和普通车辆发送预测引导速度来进行交通流引导的，而本专利技术是通过操控STM32单片机远程控制栏杆机对高速公路交通流进行管控的。而且该专利技术仅依靠引导信息进行车速引导并没有与栏杆机、信号灯等设备向结合，缺少强制性管控，在复杂的路况下引导的有效性难以得到保证。★专利3：车联网环境下的高速公路出入口匝道联合控制系统及方法CN201710135251.4本专利技术公开了一种车联网环境下的出入口匝道联合控制系统及方法,系统由路段层控制系统,匝道节点层控制系统以及车载控制系统构成。路段层控制系统用于获取所辖路段的交通状态信息,并对出入口匝道的放行车辆数进行调节确保匝道及附近区域不发生拥堵。匝道节点层控制系统决定车辆在出入口匝道交汇点的优先级,并对车辆汇入过程进行控制。车载控制系统通过和控制系统及其他车辆的实时通信发送自己的请求并按控制指令行驶。本专利技术包括系统各层的关系架构,匝道控制系统的布设结构和路段层,出入口匝道控制的方法和流程。上述专利技术公开了一种车联网环境下的出入口匝道联合控制系统,主要描述了一种智能交通控制系统包含的内容模块。但仅描述了各个模块的功能、步骤，并未详细介绍实现方法及理论依据，虽然实现交通流管控的方式与我们相似，却并不涉及我们的专利技术中各个模块的实现方法，两个专利技术的思路并不在一个层面上。专利4：城市快速路主线与匝道协同控制方法及系统CN201711372614.2本专利技术涉及一种城市快速路主线与匝道协同控制方法及系统，其特征包括：检测器，检测器用于检测匝道和主线的交通流状态；信号灯，信号灯用于控制匝道和主线车道的开启、关闭和放行；信号机，所述信号机与检测器、信号灯和控制系统连接，信号机用于采集匝道和主线交通流运行状态数据并上传给控制系统，并根据控制系统的控制命令控制信号灯；控制系统，所述控制系统根据触发阈值选择相应的预置方案下发到信号机。本专利技术解决传统断面采集指标不准确、有效性不高的问题，面向不同场景采取主线、匝道信号灯联动控制策略及方案，实现交通组织与信号控制方案的协同，以及匝道的动态响应控制。上述专利技术属于道路交通信号控制
，提供一种城市快速路主线与匝道连通控制的方法及系统，在采取信号灯控制的同时，配套车道渠化、可变限速标识、LED诱导屏等设施，实现交通组织与信号控制方案的协同，但该专利技术没有明确判断交通拥堵的方法，所涉及的系统没有明确前端展示模块以及后端服务模块，无法存储交通数据、为交通管理提供可视化展示。而我们的交通流管控系统在前端为用户提供了设备管理、历史数据查询以及基于实时交通数据的可视化展示，尤其是路段发生拥堵时，将路段拥堵的信息及时发布，避免管理者的一时疏漏。专利5：一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块、后端服务模块和前端展示模块；/n数据采集模块，被配置为用于采集高速公路主干线处的交通流数据及入口匝道处的车辆排队长度信息；/n数据处理模块，被配置为用于进行划分交通拥堵程度、判别拥堵状态以及根据拥堵状态进行控流判别；/n后端服务模块，被配置为用于提供数据接口负责数据交互，实现数据的存储、查询、更新功能；/n前端展示模块，被配置为用于实现不同路段交通状况及设备管理数据进行可视化展示；/n数据采集模块对高速公路主干线处的交通流数据及入口匝道处的车辆排队长度信息进行采集，然后将数据传输至数据处理模块，通过数据处理模块对数据进行处理；然后将处理后的数据传输至后端服务模块，通过后端服务模块将数据处理结果展示到前端展示模块，前端展示模块对数据处理结果进行展示。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块、后端服务模块和前端展示模块；
数据采集模块，被配置为用于采集高速公路主干线处的交通流数据及入口匝道处的车辆排队长度信息；
数据处理模块，被配置为用于进行划分交通拥堵程度、判别拥堵状态以及根据拥堵状态进行控流判别；
后端服务模块，被配置为用于提供数据接口负责数据交互，实现数据的存储、查询、更新功能；
前端展示模块，被配置为用于实现不同路段交通状况及设备管理数据进行可视化展示；
数据采集模块对高速公路主干线处的交通流数据及入口匝道处的车辆排队长度信息进行采集，然后将数据传输至数据处理模块，通过数据处理模块对数据进行处理；然后将处理后的数据传输至后端服务模块，通过后端服务模块将数据处理结果展示到前端展示模块，前端展示模块对数据处理结果进行展示。


2.根据权利要求1所述的高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：数据采集模块，包括传感器、执行器和控制器；
传感器，被配置为用于采集数据；
控制器，被配置为用于对传感器采集的数据进行数据处理；
执行器，被配置为用于根据控流级别执行相应的控制方式；
传感器采集到的数据通过数据线及网络通信传输到控制器中进行数据处理，同时通过4G通信模块将数据传输至前端展示模块中的Web平台服务端。


3.根据权利要求2所述的高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：传感器包括微波雷达、摄像头和地磁检测器；控制器为路侧控制器；执行器包括LED显示屏及栏杆机；
微波雷达，被配置为用于采集包括车流量、车道速度、车道占有率在内的信息；
摄像头，被配置为用于采集车辆排队长度及一些辅助图像信息；
地磁检测器，被配置为用于采集包括车速、车流量、排队长度在内的信息；
LED显示屏，被配置为用于在一二级别的控流中显示道路拥堵状态；
栏杆机，被配置为用于在三级控流级别中通过控制栏杆机的升降，控制进入匝道的车流量。


4.根据权利要求1所述的高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：数据处理模块，包括交通拥堵程度划分子模块、拥堵状态判别子模块和控流判别子模块；
交通拥堵程度划分子模块，被配置为用于选取拥堵速度的阈值，将速度拥堵等级转化为道路运行的状态；
拥堵状态判别子模块，被配置为用于计算拥堵指数并进行拥堵程度评价；
控流判别子模块，被配置为用于进行控流级别的判别并执行与之对应的控制方式。


5.根据权利要求1所述的高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：后端服务模块，包括应用接口、业务处理、数据库三个部分；
应用接口，为前端展示模块和数据采集模块提供数据接口，并负责与数据库进行交互；该层对底层数据的访问提供统一的接口；
业务处理，采用MongooseWeb服务器，将数据处理结果展示到前端界面，同时接受对应的请求，通过提供的API接口实现各部分的数据通信；
数据库，采用MySQL数据库，通过SQL语句实现存取数据以及查询、更新和管理关系数据库系统。


6.根据权利要求1所述的高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：前端展示模块，包括Web平台和实时交通信息显示屏；
管理人员通过Web平台对每个入口匝道处的栏杆机进行实时控制，同时查询到每个路段的历史路况信息，web平台将对不同路段交通状况及设备管理数据进行可视化展示；
实时交通信息显示屏，被配置为用于会向驾驶人员展示管理员发布的前方道路拥堵信息，从而使驾驶员提早做出反应。


7.根据权利要求1所述的高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，其特征在于：设备管理包括传感器管理、升降杆管理和显示屏管理。


8.一种高速公路拥堵状态判别和交通流管控方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的高速公路拥堵状态判别和交通流管控系统，具体包括如下步骤：
步骤1：拥堵速度阈值的选取；
利用现行的高速公路的路段和匝道的服务水平标准，设计车速以120km/h的高速公路为基准的运行评价标准，将速度拥堵分为四个等级，0<v4<v3<v2<v1<120；
v1表示畅通；v2表示基本畅通；v3表示拥挤；v4表示严重拥挤；
步骤2：将速度拥堵等级转化为三种道路运行状态；
将速度拥堵等级转化为未发生拥堵、尚未发生严重拥堵、已发生较严重拥堵三种道路运行状态；
速度拥堵等级为畅通、基本畅通表示道路运行状态是未发生拥堵；
速度拥堵等级为拥挤表示道路运行状态是尚未发生严重拥堵；
速度拥堵等级为严重拥挤表示道路运行状态是已发生较严重拥堵；
步骤3：通过系统数据采集模块中的传感器获取到的包括速度、占有率、交通流量在内的交通参数，对高速公路交通运行进行拥挤程度的实时评判，为接下来的入口匝道分级控流提供依据；具体包括如下步骤：
步骤3.1：根据公式(1)，计算交通拥堵指数；



式中：occp(t)为在地点P的t时刻的道路时间占有率；Qp(t)为在地点P的t时刻的交通流量；vp(t)为在地点P的t时刻的地点速度；
步骤3.2：与特定阈值进行比较；
步骤3.3：预判交通状态；
步骤3.4：保持持续性检测；
步骤3.5：根据公式(2)，计算交通拥堵程度评判值；



式中：为在地点P的t时刻的交通拥挤程度评判值，从1至5分别代指畅通、基本畅通、拥挤、严重拥挤状态；Ip(t)为在地点P的t时刻单次交通状态评判值；g为设定的检测次数；
步骤4：基于交通流模型及入口匝道车流控制理论，按道路运行状态的不同分三级进行控流；
道路运行状态为未发生拥堵时，控流级别为一级，控制方式为预防式；

【专利技术属性】
技术研发人员：卢晓，曹雪玲，刘海青，滕坤敏，王海霞，张治国，盛春阳，宋诗斌，聂君，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37