曹文斌+劉兵+徐鵬

摘 要：由于現(xiàn)今城市主干道難以拓寬、與主干道相連的支路缺乏合理的交通控制方法，導(dǎo)致出現(xiàn)了主干道擁堵問題。針對此問題，文章通過對城市主干道交通組織的分析，提出一種基于改進ALINEA算法的主干道支路控制模型，以達到緩解主干道交通擁堵的目的。為了驗證模型的正確性，文章利用C#編程語言，對vissim仿真軟件進行了二次開發(fā)，利用開發(fā)出來的基于改進ALINEA算法主干道支路控制仿真應(yīng)用外掛程序?qū)λ{(diào)查的實例數(shù)據(jù)進行仿真分析。結(jié)果表明，該控制模型能有效緩解主干道交通擁堵，驗證了理論模型的正確性。在文章的最后，闡述了該模型在城市交通和未來開放小區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：城市主干道；改進ALINEA算法；支路；vissim二次開發(fā)；開放小區(qū)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的增長，機動車數(shù)量也迅速增加，城市中現(xiàn)有的主干道無法擴寬以適應(yīng)巨大的交通需求，并且與主干道相連的支路缺乏合理的車流控制，導(dǎo)致了城市主干道出現(xiàn)嚴(yán)重的系統(tǒng)性擁堵問題，其支路也無法發(fā)揮應(yīng)有的集散交通流的作用。為解決此問題，本文提出了一種控制主干道支路車流量的模型算法，以期達到緩解主干道的擁堵和改變?nèi)藗兂鲂薪煌ǚ绞降哪康?。通過對由于沒有合理的支路控制方法而造成擁堵的重慶市江北區(qū)新溉大道這一案例的調(diào)查分析，我們運用本文提出的模型對交通調(diào)查數(shù)據(jù)進行仿真，驗證了模型算法的正確性。

2 控制策略

假設(shè)不考慮主干道以及匯入主干道的支路對周圍路網(wǎng)交通的影響，本文只取城市主干道中兩相鄰紅綠燈交叉口之間的路段進行研究，將交叉口視為節(jié)點，對主干道支路控制方法建立模型。

2.1 瓶頸的判斷

對匯入主干道的交通量采用何種控制策略，首先必須對主干道下游是否存在瓶頸進行判斷，包括物理瓶頸和虛擬瓶頸[1]。

主干道某一路段示意圖如圖1所示，令該路段的初始流量為Q0，從主干道進入各條支路i的交通量為qi，各支路匯入主干道的車流量記為？駐Qi（i=1，2，3，...，n），路段下游的通行能力為C，路段下游的交通量為Qm，若滿足式：

則認(rèn)定主干道下游存在瓶頸，否則不存在瓶頸。

2.2 策略具體實施

2.2.1 路段交通行為分析

車輛在兩信號控制的交叉口1、2之間的行駛特性一般包括以下幾種情況，現(xiàn)結(jié)合圖1進行說明：

（1）由于匯入交叉口2的車流量較大，導(dǎo)致交叉口2處出現(xiàn)長排隊現(xiàn)象。若在有效綠燈時間內(nèi)得不到疏散，則會導(dǎo)致路段擁堵，后續(xù)上游到達的車流的速度受前面車流的影響，其值較低，會導(dǎo)致整個路段的實際占有率超過其期望占有率oc。

（2）在交叉口2出現(xiàn)綠燈時，雖然接近于交叉口處的排隊車輛的消散，會導(dǎo)致臨近交叉口路段的占有率在瞬間呈現(xiàn)降低的效果，但隨著后續(xù)車輛的跟馳匯入，也會導(dǎo)致其下游占有率oout過大，其交通流呈現(xiàn)擁堵的狀況。

（3）在交叉口2的進口道處的車輛存在一定長度的排隊，但隨著交叉口信號的控制，排隊長度呈現(xiàn)消散狀態(tài)。如果此時交叉口1流入的交通流量Q0不大，下游占有率oout在相鄰時期有減小的趨勢，則下游仍存有一定的剩余通行能力，可供支路車流的匯入。

（4）從交叉口1流入的交通量Q0可能會在兩交叉口之間進入支路，導(dǎo)致進入交叉口2的車流量較小。若通過支路i離開主干道的車流量較大，這會出現(xiàn)下游占有率oout小于上游占有率o1的情況。

根據(jù)以上情況分析可知，對交叉口1、2之間支路i匯入流量進行控制，需要將主干道開口處上下游在檢測周期k內(nèi)的路段占有率與前幾個時期進行比較，以得出在該路段行駛的車流的變化趨勢，最終得出其具體的控制手段。其控制邏輯如圖2所示。

2.2.2 調(diào)節(jié)率的計算

為了確定在各個控制邏輯中具體相位控制時長，采用以下算法。

（1）若主干道下游不存在瓶頸，則采用局部控制算法，即運用改進后的ALINEA控制算法，實時計算出綠信比r（k），通過紅綠燈控制匯入主干道的交通量[2]。

式中：r（k）為第k個控制周期計算的開口處的綠信比；r（k-1）為第k-1個控制周期內(nèi)主干道開口處的綠信比；kr為可調(diào)整變量，其值大于零，調(diào)整回饋控制中固定的外部擾動；oc為主干道開口處下游的期望占有率；oout（k-1）為第k-1個控制周期內(nèi)主干道開口處下游的實測占有率。

（2）若主干道下游存在瓶頸，則采用協(xié)調(diào)控制算法。由于瓶頸的存在，下游實際通行能力小于上游，其差值？駐U由下式?jīng)Q定：

當(dāng)？駐U>0時，控制算法啟用，路段需要控制的總量U=？駐U；當(dāng)？駐U<0時，控制算法不啟用。

為了將控制總量U分配到各條支路，需要確定各支路i對下游路段的交通分擔(dān)率？琢i（i=1，2，3，...，n），■？琢i=1可根據(jù)實際調(diào)查的各支路交通需求量獲得。因此分配到支路i的交通控制量Wi（i=1，2，3，...，n）為：

此時支路i允許釋放匯入主線的交通量Ri（i=1，2，3，...，n）的大小為：

為了減輕這種控制策略對支路交通的影響，則其最終調(diào)節(jié)率？姿i 取通過局部控制與協(xié)調(diào)控制取得的調(diào)節(jié)率中的最大值。即：

3 實例仿真分析

為了驗證本文所提出的控制策略的可行性，本研究利用C#編程語言對vissim交通仿真軟件進行二次開發(fā)，并做出一套主干道交通控制仿真高級應(yīng)用軟件。利用軟件對主干道支路控制模型進行了仿真分析，同時建立起城市主干道支路控制模擬系統(tǒng)。

3.1 交通數(shù)據(jù)調(diào)查

本文選定由于沒有對支路進行控制而經(jīng)常造成系統(tǒng)性擁堵的重慶市江北區(qū)新溉大道魯能星城段作為仿真實例，如圖3所示。交通調(diào)查時間為早上8點到9點，這一時間段處于上班高峰，數(shù)據(jù)可靠性較高。調(diào)查方式為人工調(diào)查，每五分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集，包括主干道車流量，支路匯入車流量和支路流出車流量。

3.2 仿真驗證

運用vissim二次開發(fā)后的應(yīng)用軟件對實例進行仿真，來得到實施本文所提出的控制策略后的城市主干道的交通評價參數(shù)。通過與未實施控制策略的情況進行對比，得出驗證結(jié)論。（圖4）

圖5為實施控制策略前后主干道行程時間和延誤時間對比圖?？梢悦黠@看到，實施控制策略后的行程時間明顯低于未實施控制時的行程時間，此時總耗時106.53h，相較于未采取控制情況下的170.43h縮短了37.5%。主干道上每輛車平均總延誤時間由原來的111.2s降低到82.1s，降低了26.17%。

如圖6為實施控制前后主干道平均排隊長度對比圖，可以看出實施控制后主干道平均排隊長度由未控制狀態(tài)的427m減小到333m，減小了22%。

仿真結(jié)果表明，采用本研究所提出的控制策略后，主干道的行程時間和排隊長度將大幅減小，通行能力得到了大幅提升。

4 應(yīng)用前景

本文在對高速公路匝道控制理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合對城市主干道交通的實地調(diào)查，創(chuàng)新性地將ALINEA控制算法運用到主干道的匯入交通流的控制，擴大了ALINEA算法的應(yīng)用范圍。并且結(jié)合城市主干道與高速公路的區(qū)別之處，提出了有針對性的控制策略，建立起了完備的理論基礎(chǔ)。最后通過對Vissim軟件的二次開發(fā)和對實例的仿真，驗證了理論的正確性。

城市交通擁堵已成為了阻礙社會經(jīng)濟發(fā)展的一大重要因素，同時也給人們的生活帶來了極大的不便。本文針對城市主干道擁堵問題創(chuàng)造性地提出的改進ALINEA算法在未來將會有以下的應(yīng)用前景：

（1）緩解城市主干道擁堵。本文所提出的控制模型能很好地應(yīng)用到現(xiàn)今的城市主干道支路交通流控制，最大程度地保證城市主干道通暢，尤其是保證上下班高峰時期主干道的暢通。

（2）改變了人們交通出行方式。采用該控制方法后，在極大限度保證主干道通暢的基礎(chǔ)上，也不可避免地將擁堵“轉(zhuǎn)移”到了與主干道相連的支路上，這能夠讓人們提前發(fā)現(xiàn)交通情況，減少私家車的出行，更多地選擇公共交通出行方式，緩解城市交通壓力，減少空氣污染。

（3）為未來開放式小區(qū)建設(shè)提供了理論支持。該控制方法不僅僅可以使用在主干道相連的支路上，同樣適用于未來開放式小區(qū)的進出口，避免小區(qū)內(nèi)不合理的車流匯入導(dǎo)致主干道的擁堵。

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