杜鵬程

上海城市交通設(shè)計(jì)院有限公司

0 引 言

城市快速路是城市路網(wǎng)中的骨架道路，承擔(dān)著城市內(nèi)部中長距離的交通需求以及大部分的城市交通壓力。隨著機(jī)動車保有量的逐年增加，各地城市快速路都呈現(xiàn)出不同程度的擁堵現(xiàn)象，特別是出入口匝道與輔路銜接區(qū)域，成為常發(fā)性堵點(diǎn)。緩解出口匝道“出不去”現(xiàn)象，充分發(fā)揮快速路系統(tǒng)運(yùn)行效能，是當(dāng)前城市交通排堵保暢、提質(zhì)增效亟待解決的問題。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者、交通管理部門對于出口匝道管控方法都進(jìn)行了一系列的研究和實(shí)踐。美國佛羅里達(dá)州交通管理部門為此提出了一系列控制方案，包括主線可變限速控制、匝道駛?cè)腭偝隽靠刂?、交叉口信號配時(shí)優(yōu)化等，并形成一套管理手冊[1]，指導(dǎo)管理部門制定實(shí)施交通管控。Lim等[2]基于線性規(guī)劃技術(shù)，以出口匝道與地面輔路區(qū)域整體延誤最小為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)時(shí)優(yōu)化銜接地面交叉口信號配時(shí)方案，以達(dá)到區(qū)域控制最優(yōu)。徐建閩等[3]建立了擁堵條件下由兩個(gè)子模型組成的快速路出口匝道交叉口與下游交叉口協(xié)同控制模型，分別以目標(biāo)交叉口通行能力最大化及下游交叉口車輛疏散最大化為優(yōu)化目標(biāo)。

大部分國內(nèi)外研究多從理論層面開展[4-8]，算法相對復(fù)雜，工程應(yīng)用難度大，且缺乏與其他交通管理系統(tǒng)間的協(xié)同。本文從工程應(yīng)用角度，利用交通信息數(shù)字化技術(shù)，提出快速路出口匝道與銜接輔路區(qū)域協(xié)同管控方法。

1 控制方法

1.1 總體架構(gòu)

若快速路出口匝道車輛由于超長排隊(duì)溢出至快速路主線，則會導(dǎo)致上游快速路主線擁堵，因此“快出”對于保證快速路系統(tǒng)交通運(yùn)行的穩(wěn)定性是十分必要的。出口匝道是快速路和輔路連接的紐帶，其擁堵是出口匝道流出交通需求、銜接輔路下游交叉口車輛疏散能力、銜接輔路上游交通流量等綜合作用下的結(jié)果，運(yùn)用分層遞階控制思想[9-10]，通過感知快速路匝道、輔路、銜接交叉口各方向交通參數(shù)，動態(tài)調(diào)節(jié)主輔路交通流的相對時(shí)空優(yōu)先權(quán)，優(yōu)化銜接交叉口信號配時(shí)方案以更加適配交通流，并聯(lián)動交通信息發(fā)布系統(tǒng)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)出口匝道與銜接輔路區(qū)域的交通流調(diào)節(jié)，協(xié)同管控方法邏輯架構(gòu)圖見圖1。

圖1 控制方法架構(gòu)圖

出口匝道區(qū)域協(xié)同控制系統(tǒng)采用“端-邊-云”架構(gòu)（見圖2）。端側(cè)為外場設(shè)施系統(tǒng)，一是感知設(shè)備，用于采集實(shí)時(shí)交通流參數(shù)，采用視頻+雷達(dá)融合模式，可融入道路數(shù)字化建設(shè)。其中，匝道布設(shè)在其與輔路銜接點(diǎn)處，輔路布設(shè)在其停車線前25 m處，銜接路口結(jié)合各進(jìn)口道電子警察桿件布設(shè)。二是輔路信號控制系統(tǒng)，含輔路信號燈及智能信號控制機(jī)，布設(shè)在輔路與出口匝道合流點(diǎn)，并在輔路上劃設(shè)停車線。三是可變情報(bào)板，可復(fù)用快速路區(qū)域誘導(dǎo)板，用于發(fā)布交通誘導(dǎo)信息等。邊側(cè)為邊緣計(jì)算單元，用于出口匝道協(xié)同管控區(qū)域的信息處理、計(jì)算，可結(jié)合輔路信號控制機(jī)布設(shè)。云側(cè)為上級交通監(jiān)控中心，用于交通信息的存儲、非及時(shí)性信息的計(jì)算等。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 管控策略

以匝道“快出”為目標(biāo)，綜合考慮輔路及銜接交叉口交通流狀況，通過設(shè)置輔路信號燈給予出口匝道車輛一定的時(shí)空優(yōu)先權(quán)，同時(shí)也可起到減少交織區(qū)車流沖突，提高道路通行能力的作用。

當(dāng)匝道處于擁堵狀態(tài)，在輔路最大排隊(duì)長度、銜接交叉口最小綠燈約束及最大排隊(duì)長度約束下，通過優(yōu)化調(diào)整輔路和銜接交叉口的信號配時(shí)方案，聯(lián)動發(fā)布相關(guān)誘導(dǎo)信息，使得快速路駛出車輛在交織區(qū)及交叉口進(jìn)口道區(qū)域，獲得更高優(yōu)先權(quán)，達(dá)到快速疏散出口匝道擁堵車輛的目的。本地邊緣計(jì)算設(shè)備根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的交通狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，以確定執(zhí)行的控制策略（見圖3）。銜接交叉口關(guān)鍵相位為出口匝道對應(yīng)進(jìn)口道方向的直行相位和左轉(zhuǎn)相位。

圖3 自適應(yīng)控制策略示意圖

策略一，若出口匝道交通流狀態(tài)未達(dá)到擁堵狀態(tài)，且輔路排隊(duì)長度小于閾值，則采取輔路及銜接交叉口執(zhí)行當(dāng)前設(shè)定信號配時(shí)方案的控制策略。

策略二，若出口匝道交通流狀態(tài)未達(dá)到擁堵狀態(tài)，且輔路排隊(duì)長度大于閾值，則采取輔路綠燈延長或綠燈提前激活、銜接交叉口執(zhí)行當(dāng)前設(shè)定信號配時(shí)方案不變的控制策略。

策略三，若出口匝道交通流狀態(tài)達(dá)到擁堵狀態(tài)，且輔路排隊(duì)長度小于閾值，則采取輔路綠燈早斷或綠燈延遲啟亮、銜接交叉口關(guān)鍵相位綠燈延長或綠燈提前激活的信號控制策略。

策略四，若出口匝道交通流狀態(tài)達(dá)到擁堵狀態(tài)，且輔路排隊(duì)長度大于閾值，則采取聯(lián)動主線上游VMS可變信息板，顯示擁堵信息誘導(dǎo)主線車輛通過下一出口駛出快速路，同時(shí)銜接交叉口關(guān)鍵相位執(zhí)行綠燈延長或綠燈提前激活的控制策略。

（1）出口匝道交通流擁堵狀態(tài)判別

若滿足條件：

則出口匝道為擁堵狀態(tài)；否則為非擁堵狀態(tài)。

式中：Vout為出口匝道速度；Oout為出口匝道占有率；ramp為出口匝道自由流狀態(tài)下的理想速度；ramp為出口匝道流量等于道路設(shè)計(jì)通行能力時(shí)的理想占有率；α、β分別為出口匝道擁堵閾值。

（2）輔路交通流擁堵狀態(tài)判別

若滿足條件：

則輔路發(fā)生超長排隊(duì)；否則為未發(fā)生超長排隊(duì)。

式中：d'為輔路交通擁擠判別參數(shù)；dside為當(dāng)前時(shí)段輔路排隊(duì)長度；lside為輔路允許最大排隊(duì)長度，由輔路停車線至上游交叉口距離確定；γ為輔路擁堵閾值。

1.3 控制算法

1.3.1 輔路信號配時(shí)方案

隨著交通流量的增加，當(dāng)接近道路設(shè)計(jì)通行能力時(shí)極易引發(fā)交通擁堵。因此，協(xié)同管控方案的關(guān)鍵約束條件為：輔路和匝道流量之和不超過銜接交叉口進(jìn)口道的通行能力，即可有效降低區(qū)域擁堵發(fā)生的概率。將輔路信號燈和銜接交叉口按照同一信號控制子區(qū)來考慮，則輔路信號周期取銜接交叉口周期時(shí)長C或C/2。

根據(jù)前述約束條件：

得到輔路綠燈時(shí)長為：

式中：qside為輔路交通量（veh/h）；gside為輔路綠燈時(shí)長；qramp為匝道交通量（veh/h）；C為銜接交叉口周期時(shí)長；Qpass為銜接交叉口關(guān)鍵相位在有效綠燈時(shí)間內(nèi)通過的交通量（veh/h）；Qwait為銜接交叉口排隊(duì)等待車輛數(shù)（veh/h）；nR、nT、nL分別為銜接交叉口出口匝道對應(yīng)進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車道數(shù)、直行車道數(shù)、左轉(zhuǎn)車道數(shù)；QR、QT、QL分別為銜接交叉口出口匝道對應(yīng)進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車道通行能力、直行車道通行能力、左轉(zhuǎn)車道通行能力；gT、gL分別為銜接交叉口關(guān)鍵相位中直行綠燈時(shí)長和左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長；Lmax為關(guān)鍵相位對應(yīng)進(jìn)口道紅燈期間允許的最大排隊(duì)長度，由關(guān)鍵相位進(jìn)口道停車線至匝道與輔路合流點(diǎn)距離確定；h?為平均車頭間距。

1.3.2 信號配時(shí)約束條件

（1）最大紅燈時(shí)長約束

對于銜接交叉口的信號配時(shí)優(yōu)化，當(dāng)考慮出口匝道車輛優(yōu)先放行需求時(shí)，也要兼顧到非關(guān)鍵相位的最大排隊(duì)長度約束，防止排隊(duì)車輛溢出至上游交叉口，引發(fā)更大范圍的區(qū)域交通擁堵，則非關(guān)鍵相位最大紅燈時(shí)長需滿足如下條件：

式中：Qi為銜接交叉口非關(guān)鍵相位i方向交通到達(dá)率（veh/h）；?i為相位i方向高峰小時(shí)交通量修正系數(shù)；rimax為非關(guān)鍵相位i方向最大紅燈時(shí)長（s）；limax為非關(guān)鍵相位i對應(yīng)進(jìn)口道紅燈期間允許的最大排隊(duì)長度，由進(jìn)口道停車線至上游交叉口距離確定。

（2）最小綠燈時(shí)長約束

根據(jù)實(shí)際交叉口交通工程設(shè)計(jì)參數(shù)，以滿足行人過街需求為出發(fā)點(diǎn)，則最小綠燈時(shí)長需滿足如下條件：

式中：gmin為最小綠燈時(shí)長（s）；Dp為人行道長度（m）；Vp為步行速度（m/s）；?g為綠燈時(shí)間間隔（s）。

1.3.3 信號協(xié)同優(yōu)化方案

由管控策略可知，通過調(diào)節(jié)輔路、銜接交叉口信號配時(shí)以及誘導(dǎo)信息發(fā)布手段，以給予出口匝道車輛在協(xié)同管控區(qū)域內(nèi)更高的時(shí)空優(yōu)先權(quán)，實(shí)現(xiàn)出口匝道“快出”的目標(biāo)。

（1）輔路信號優(yōu)化方案

在出口匝道協(xié)同管控區(qū)域內(nèi)，通過設(shè)置輔路信號燈的方式，可給予出口匝道車流一定的優(yōu)先權(quán)，但當(dāng)出口匝道發(fā)生擁堵時(shí)，輔路信號配時(shí)優(yōu)化思路是在保證輔路不至發(fā)生上游交叉口溢出的情況下，盡可能縮短綠燈時(shí)長，以給予出口匝道車流在協(xié)同管控區(qū)域內(nèi)更高等級的時(shí)空優(yōu)先權(quán)。系統(tǒng)根據(jù)路側(cè)感知設(shè)備檢測到的出口匝道、輔路交通參數(shù)，根據(jù)前述公式（1）、（2）判斷出口匝道及輔路交通狀態(tài)，自動執(zhí)行相應(yīng)的協(xié)同控制策略（見圖4）。

圖4 輔路信號優(yōu)化方案流程圖

①當(dāng)出口匝道達(dá)到擁堵狀態(tài)時(shí)：若輔路無超長排隊(duì)，則執(zhí)行協(xié)同控制策略三。當(dāng)前輔路信號燈若為綠燈相位，則執(zhí)行綠燈早斷，起到及時(shí)切斷輔路車輛進(jìn)入到協(xié)同管控區(qū)域的作用。當(dāng)前輔路信號燈若為紅燈相位，則執(zhí)行綠燈延遲啟動。若輔路也發(fā)生了超長排隊(duì)，則執(zhí)行協(xié)同控制策略四。輔路信號燈方案不變，啟動主線上游VMS信息板，誘導(dǎo)主線車輛通過下游出口駛出快速路主線。

②當(dāng)出口匝道未達(dá)到擁堵狀態(tài)：若輔路無超長排隊(duì)，則執(zhí)行協(xié)同控制策略一，輔路信號繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前配時(shí)方案。若輔路出現(xiàn)超長排隊(duì)，則執(zhí)行協(xié)同控制策略二。當(dāng)前輔路信號燈若為綠燈相位，則執(zhí)行綠燈延長；否則執(zhí)行綠燈提前啟動。

（2）銜接交叉口信號優(yōu)化方案

由于快速路輔路通常也是城市的主要交通干道，多采用線控或者面控的信號配時(shí)方案，因此本次銜接交叉口信號配時(shí)優(yōu)化對原有交叉口信號周期時(shí)長和相序不做調(diào)整，以減少對鄰近交叉口的交通影響（見圖5）。

圖5 銜接交叉口信號優(yōu)化方案流程圖

①當(dāng)出口匝道達(dá)到擁堵狀態(tài)時(shí)：根據(jù)輔路交通狀態(tài)執(zhí)行協(xié)同控制策略三或協(xié)同控制策略四，對于銜接交叉口信號配時(shí)均執(zhí)行同一優(yōu)化調(diào)整方案。若當(dāng)前相位為關(guān)鍵相位，則執(zhí)行綠燈延長，同時(shí)考慮其他非關(guān)鍵相位的最大紅燈時(shí)長和最小綠燈時(shí)長約束。若當(dāng)前相位為非關(guān)鍵相位，則當(dāng)期執(zhí)行完最小綠燈時(shí)長后跳轉(zhuǎn)至下一相位，以達(dá)到關(guān)鍵相位綠燈提前啟動的效果。

②當(dāng)出口匝道未達(dá)到擁堵狀態(tài)：根據(jù)輔路交通狀態(tài)執(zhí)行協(xié)同控制策略一或協(xié)同控制策略二，銜接交叉口信號配時(shí)方案均執(zhí)行當(dāng)前配時(shí)方案不變。

2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的協(xié)同控制模型的可行性及應(yīng)用效果，選取徐州市三環(huán)東路快速路郭莊路出口匝道區(qū)域作為典型應(yīng)用案例，運(yùn)用PTV VISSIM 11.0 建立區(qū)域交通仿真模型，對實(shí)施本協(xié)同管控方案前后的交通指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)對現(xiàn)場交通工程與交通流運(yùn)行情況的實(shí)際調(diào)查，銜接交叉口及出口匝道區(qū)域交通設(shè)計(jì)見圖6，流量見表1，現(xiàn)狀交叉口信號周期時(shí)長為115 s，配時(shí)方案為四相位，南北直行綠燈時(shí)長為37 s，南北左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長為16 s，東西直行綠燈時(shí)長為32 s，東西左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)長為18 s。輔路與出口匝道銜接處未設(shè)置輔路信號燈。為了更加充分驗(yàn)證本文提出的協(xié)同管控方法，通過構(gòu)建不同交通運(yùn)行狀態(tài)的場景，以進(jìn)行多場景應(yīng)用效果評價(jià)。

表1 三環(huán)東路/郭莊路路口交通流量

圖6 模擬協(xié)控區(qū)域的路網(wǎng)示意圖

2.2 仿真方案

本次仿真時(shí)長設(shè)定為4 200 s，其中前600 s用于仿真程序的預(yù)熱時(shí)間，600～4 200 s為仿真數(shù)據(jù)采集時(shí)段。相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)定如下：快速路主線小汽車期望速度為50～60 km/h，輔路小汽車期望速度為35～45 km/h，公交車期望速度為30～40 km/h。參照圖2系統(tǒng)架構(gòu)圖中感知設(shè)備的設(shè)置位置，添加各車道的數(shù)據(jù)采集器和排隊(duì)計(jì)數(shù)器，模擬協(xié)同控制方案中的交通狀態(tài)參數(shù)采集，包括各車道流量、占有率、延誤及排隊(duì)長度等。輔路信號燈初始配時(shí)基于前述1.3.1提出的輔路信號配時(shí)方案計(jì)算得到，出口匝道擁堵閾值α取0.5、β取1.5，輔路擁堵閾值γ取0.6。

場景一：出口匝道駛出高需求場景。分2次進(jìn)行模擬仿真，第1次對無協(xié)同管控的運(yùn)行情況仿真，基于現(xiàn)狀調(diào)查的主線、出口匝道、銜接交叉口的交通流量、配時(shí)方案等設(shè)定參數(shù)；第2次對運(yùn)用本文提出的協(xié)同管控方法后的運(yùn)行情況仿真，初始參數(shù)不變，執(zhí)行協(xié)同管控策略及交叉口、輔路信號優(yōu)化方案。兩次仿真得到相關(guān)交通參數(shù)數(shù)據(jù)（見表2）。

表2 場景一仿真評價(jià)指標(biāo)表

場景二：出口匝道駛出低需求場景。方法同場景一，同樣進(jìn)行2次仿真，得到相關(guān)交通參數(shù)數(shù)據(jù)（見表3）。

表3 場景二仿真評價(jià)指標(biāo)表

2.3 仿真評價(jià)

根據(jù)觀察整個(gè)仿真過程，對于場景一，當(dāng)快速路出口匝道駛出流量增大時(shí)，在無管控狀態(tài)下，大量出口匝道車輛和輔路車輛在銜接交叉口前交織段形成瓶頸，且此時(shí)銜接交叉口關(guān)鍵相位仍按照原配時(shí)方案放行，導(dǎo)致進(jìn)口道車輛消散緩慢，從而加劇出口匝道排隊(duì)，形成擁堵；采取本文提出的協(xié)同管控方法后，通過檢測數(shù)據(jù)判別，識別到出口匝道進(jìn)入擁堵狀態(tài)，同時(shí)輔路未達(dá)到超長排隊(duì)，執(zhí)行協(xié)同管控策略三，輔路信號綠燈早斷，銜接交叉口關(guān)鍵相位綠燈延長，同步調(diào)整相關(guān)信號配時(shí)方案，使得出口匝道車輛在協(xié)同管控范圍內(nèi)得到時(shí)空優(yōu)先權(quán)。

對于場景二，當(dāng)快速路出口匝道駛出需求不大，即出口匝道不擁堵的場景下，當(dāng)輔路車流量增大時(shí)，在無管控狀態(tài)下，輔路車流進(jìn)入到銜接交叉口前會與出口匝道車輛形成交織，降低了通行能力，但總體可通過交叉口信號控制有序駛離；采取本文提出的協(xié)同管控方法后，由于設(shè)置了輔路信號燈，隨著輔路車流量的增大，車流在輔路停車線前會形成一定的積壓，當(dāng)檢測到輔路達(dá)到超長排隊(duì)時(shí)，執(zhí)行協(xié)同管控策略二，輔路信號燈綠燈延長，以提高當(dāng)前時(shí)段輔路車輛在協(xié)同管控范圍內(nèi)的時(shí)空優(yōu)先權(quán)，及時(shí)消散輔路超長排隊(duì)。

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)施出口匝道與輔路銜接區(qū)域協(xié)同管控方法后，對于出口匝道駛出高需求的場景，出口匝道車均延誤得到明顯改善，即更快駛離主線，同時(shí)可一定程度提高出口匝道駛出流量，但由此犧牲了部分輔路車輛的權(quán)益，造成輔路車均延誤增加，并小幅減少了輔路流量；對于出口匝道駛出低需求的場景，執(zhí)行協(xié)同管控方案后一旦輔路發(fā)生擁堵，也可通過控制策略的調(diào)整及時(shí)疏散輔路排隊(duì)，達(dá)到基本保持與無管控情況下持平的效果（見表4）。

表4 仿真評價(jià)指標(biāo)對比

3 結(jié) 語

出入口匝道管控是快速路提質(zhì)增效的重要節(jié)點(diǎn)，針對入口匝道控制的研究較多，而出口匝道相對較少。本文將出口匝道、輔路及銜接交叉口作為統(tǒng)一協(xié)同管控區(qū)域，提出針對不同交通狀態(tài)下采取的四種管控策略，并給出交通狀態(tài)判別算法，以及輔路信號燈、銜接交叉口信號燈配時(shí)優(yōu)化方法，從主輔協(xié)同的角度實(shí)現(xiàn)出口匝道的動態(tài)調(diào)節(jié)和“快出”的目標(biāo)。

本文提出的協(xié)同管控方法，系統(tǒng)架構(gòu)較易實(shí)現(xiàn)，具有很好的工程實(shí)用性。在具體工程應(yīng)用中，可結(jié)合實(shí)際區(qū)域交通運(yùn)行情況、交通工程設(shè)計(jì)等條件，對管控方法中的閾值及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)及修正，以更好適應(yīng)本地情況。該協(xié)同管控方法應(yīng)用范圍僅針對單一出口匝道與輔路、銜接交叉口，仍具有一定的局限性，未來可在快速路多出入口匝道、主輔路區(qū)域網(wǎng)絡(luò)層面開展深入研究，以促進(jìn)整體路網(wǎng)運(yùn)行效率的提高。