程可

摘 要：本文基于快速道路傳統(tǒng)控制方法，以城市快速路段為研究對(duì)象，對(duì)匝道控制與可變限速控制協(xié)同應(yīng)用進(jìn)行研究，提出一種新的城市快速路控制策略，仿真結(jié)果表明該策略能夠有效改善控制路段交通流運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：城市快速路;交通瓶頸;協(xié)同控制;匝道控制;可變限速控制

中圖分類號(hào)：U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 研究基礎(chǔ)

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1.1 匝道控制

匝道控制按照控制范圍劃分，可分為單點(diǎn)控制與協(xié)同控制;按照控制方式劃分，可分為定時(shí)控制與感應(yīng)控制。根據(jù)選取控制參數(shù)的不同，感應(yīng)控制又可以分為需求-容量控制、占有率控制以及可接受間隙控制。

國(guó)外研究主要集中在以下方面，Wattleworth等提出一種定時(shí)控制方法，以流入流量最大為目標(biāo)函數(shù)，道路通行能力為約束控制入口匝道的調(diào)節(jié)率。由于定時(shí)控制是一種靜態(tài)控制手段，匝道調(diào)節(jié)率根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)定，面對(duì)交通狀況快速變化時(shí)控制效果較差。Papageorgiou等基于經(jīng)典自動(dòng)控制理論，提出一種以占有率為控制變量的匝道單點(diǎn)反饋控制算法ALINEA。

國(guó)內(nèi)學(xué)者中，楊曉光等[1]較早開(kāi)展關(guān)于城市快速路交通控制的相關(guān)研究，以線性規(guī)劃方法為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮進(jìn)出口匝道排隊(duì)約束、主線通行能力約束以及行駛速度約束，提出了城市快速路流入交通的動(dòng)態(tài)控制手法。鄭建湖等[2]對(duì)不同的匝道控制策略分類比較，分析了不同類別策略的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍。鄭飛等[3]考慮城市快速路與高速公路之間的差異，基于ALINEA進(jìn)行擴(kuò)展，引入匝道交通狀態(tài)控制閾值和匝道排隊(duì)分段約束，提出一種入口匝道單點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制策略。

1.1.2 可變限速控制

可變限速（Variable Speed Limit， VSL）控制方法最初應(yīng)用于高速公路，屬于一種主線控制的手段，通過(guò)改變道路限速值調(diào)節(jié)道路交通流狀態(tài)，使車輛速度盡量保持一致以便交通流能夠穩(wěn)定運(yùn)行，減少走走停?，F(xiàn)象，提高道路安全性與道路吞吐量。

Alessandri等基于反饋控制提出一種改進(jìn)的可變限速控制策略，利用仿真驗(yàn)證該策略可以預(yù)防和減少擁堵的作用;Lin等提出兩種VSL算法，分別通過(guò)降低上游排隊(duì)長(zhǎng)度來(lái)減少延誤，提高VSL控制區(qū)總吞吐量來(lái)減少總時(shí)間花費(fèi)改善交通狀況。Juan等將高速公路擁堵劃分為需求驅(qū)動(dòng)、供給驅(qū)動(dòng)兩類，并利用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證實(shí)施VSL對(duì)這兩類擁堵的改善情況;陳大山等[4]對(duì)METANET模型進(jìn)行擴(kuò)展，增加速度引導(dǎo)作為控制變量，建立快速路速度引導(dǎo)預(yù)測(cè)模型。

1.2 研究現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)匝道控制方法通過(guò)調(diào)節(jié)匝道控制律控制進(jìn)入快速路主線的車輛數(shù)，容易導(dǎo)致匝道排隊(duì)溢出?？勺兿匏倏刂萍夹g(shù)能夠調(diào)節(jié)道路交通流運(yùn)行狀態(tài)，但道路流量接近飽和時(shí)，可變限速控制的調(diào)節(jié)效果有限。匝道控制、可變限速控制在單獨(dú)實(shí)施的情況下效果有限，但前者能夠有效控制進(jìn)入快速路的流量，而后者在一定限度內(nèi)對(duì)交通流運(yùn)行有良好的調(diào)節(jié)效果。協(xié)調(diào)匝道控制和可變限速控制能夠使兩者技術(shù)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到更好的控制效果，由此筆者提出將上述兩種控制方法結(jié)合的快速路協(xié)同控制模型。

2 快速路協(xié)同控制模型

2.1 工作機(jī)理

道路交通流密度較小時(shí)，不必對(duì)交通流進(jìn)行管控也能維持良好運(yùn)行;而當(dāng)?shù)缆烦?fù)荷供給時(shí)，需要進(jìn)行入口匝道控制，對(duì)進(jìn)入快速路的流量進(jìn)行限制，防止快速路交通狀況進(jìn)一步惡化?？勺兿匏倏刂苹诟兄窙r變更路段限速值，使車流速度趨于一致，以保證路段交通流穩(wěn)定運(yùn)行。

本文構(gòu)建了快速路控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由路況感知系統(tǒng)、匝道控制系統(tǒng)以及可變限速控制系統(tǒng)組成。在快速路瓶頸路段上下游以及入口匝道處分別設(shè)置交通流檢測(cè)器;通過(guò)各組交通流檢測(cè)器判斷快速路瓶頸處交通狀況，根據(jù)道路交通擁堵情況實(shí)施控制措施，疏解擁堵，穩(wěn)定交通流。VSL控制區(qū)上游設(shè)置可變信息板，發(fā)布道路限速提示以及智能匝道可用性信息，對(duì)駕駛員的交通行為進(jìn)行引導(dǎo)。

2.2 模型建立

2.2.1 路段模型

由于METANET模型能夠較好描述復(fù)雜交通現(xiàn)象且在實(shí)踐中驗(yàn)證了模型的魯棒性，本文采用該模型描述道路交通狀態(tài)?？焖俾肪W(wǎng)由有向圖表示，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)表示交叉口、道路幾何形狀發(fā)生明顯變化的位置以及匝道和匝道的延伸;有向弧表示快速路網(wǎng)中一段連續(xù)的、幾何形狀相似且無(wú)道路分岔或匯聚路段;每個(gè)路段等分長(zhǎng)度為、車道數(shù)為的個(gè)子段，子段的交通狀態(tài)由路段密度、交通流量以及平均速度表征，相關(guān)參數(shù)的計(jì)算如下：

（1）

（2）

——時(shí)段路段子區(qū)段的交通密度;

——時(shí)段路段子區(qū)段的平均速度;

——時(shí)段路段子區(qū)段的流量;

——時(shí)段路段的穩(wěn)態(tài)速度;

——離散時(shí)間步長(zhǎng)，通常取10 s。

2.2.2 起點(diǎn)模型

起始節(jié)點(diǎn)接收交通需求，流量由此進(jìn)路快速道路，考慮快速路主線流量與入口匝道的不同性質(zhì)，加入流量約束進(jìn)行建模。起點(diǎn)路段可表示為路段的第1個(gè)子段。

（3）

式中，——時(shí)段起始節(jié)點(diǎn)處的流入流量;

——時(shí)段起始節(jié)點(diǎn)處的交通需求;

——時(shí)段路段第1個(gè)子區(qū)段速度決定的最大流入流量（veh/h）。

進(jìn)行協(xié)同控制時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮駕駛員對(duì)于動(dòng)態(tài)限速信息的接收與執(zhí)行過(guò)程。當(dāng)變更后限速值與路段當(dāng)前交通流速度差距過(guò)大時(shí)，將導(dǎo)致路段車輛之間速度差進(jìn)一步加大，引發(fā)交通安全事故。

因此，模型的目標(biāo)函數(shù)由成本項(xiàng)與懲罰項(xiàng)這兩部分組成。成本項(xiàng)是道路網(wǎng)絡(luò)中車輛的總旅行時(shí)間TTT;懲罰項(xiàng)的作用是抑制可變限速信號(hào)發(fā)生突變，使控制信號(hào)盡量平滑，防止產(chǎn)生沖擊波使交通狀況惡化，保障快速路段的交通安全。目標(biāo)函數(shù)中成本項(xiàng)與懲罰項(xiàng)的重要性由各項(xiàng)的相對(duì)權(quán)重表示。

（4）

式中，——恒定參數(shù);

——路段的可變限速值與路段自由流速度之比。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)前述模型優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行仿真分析。本文選取成都市三環(huán)快速路進(jìn)行研究。對(duì)交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后所得結(jié)果如下表所示。

利用VISSIM對(duì)高峰時(shí)段道路交通狀況進(jìn)行3 600秒仿真后得到的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表2所示。

3 結(jié)論

對(duì)比實(shí)施協(xié)同控制前后的行程時(shí)間與流量情況，采取協(xié)同控制后快速路主線行程時(shí)間明顯縮短，但輔路行程時(shí)間有所增加;但主線流量、輔路流量均減少。從仿真評(píng)價(jià)結(jié)果中可以看出，采取協(xié)同控制后，快速路段主線的延誤、停車次數(shù)、平均排隊(duì)長(zhǎng)度均有明顯下降;最大排隊(duì)長(zhǎng)度有所減少。

究其原因，采取協(xié)同控制后，由于匝道控制的限制，進(jìn)入快速路主線的流量減少，協(xié)同實(shí)施可變限速后促進(jìn)快速路主線車輛實(shí)現(xiàn)車速均質(zhì)化，進(jìn)一步改善了路段交通流狀態(tài)，因此主線行程時(shí)間、延誤、停車次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度等指標(biāo)均有明顯下降。另一方面，限制進(jìn)入主線的流量對(duì)快速路輔路造成了更多的交通壓力，使輔路擁堵程度上升，導(dǎo)致輔路行程時(shí)間增加，流量有所減少。

綜合來(lái)看，協(xié)同控制策略對(duì)快速路主線交通流優(yōu)化效果較好。不足之處在于實(shí)施匝道控制容易導(dǎo)致匝道排隊(duì)溢出而影響輔路的通行能力，未能充分考慮對(duì)于輔路用戶的公平性及其滿意度，未來(lái)將進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊曉光.考慮進(jìn)出口匝道排隊(duì)約束的城市快速道路交通系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制方法[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（2）：22-28.

[2]鄭建湖，董德存，陳洪.城市快速路入口匝道控制策略比較分析[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006（2）：196-199.

[3]鄭飛.杜豫川，孫立軍.基于ALINEA算法快速路入口匝道單點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（6）：766-771.

[4]陳大山，孫劍，李克平.城市快速路速度引導(dǎo)預(yù)測(cè)控制模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2012（1）：102.