左小莉，王景升

（中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038）

引言

針對(duì)駛?cè)肟焖俾啡肟谠训赖能囕v需減速、停車或排隊(duì)后才能匯入主流的典型問題，匝道控制是緩解快速路交通擁堵的有效方法之一，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者中頗受青睞。城市快速路入口匝道控制于20 世紀(jì)60 年代第一次被應(yīng)用于芝加哥，之后多國(guó)實(shí)驗(yàn)性地應(yīng)用了入口匝道控制策略。PAPAGEORGIO［1］提出了設(shè)置匝道控制要考慮的交通和社會(huì)的可行性以及實(shí)行中的收益問題。KERNER 和李新剛［2-3］根據(jù)1995—2001 年高速公路上的擁堵交通數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在孤立的瓶頸處有兩種模式：同步和堵塞共存的模式（General Pattern，GP）和同步模式（Synchronized Pattern，SP）。LEE 等［4］通過對(duì)韓國(guó)某路段匝道處的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)了交通擁堵的三種模式：振蕩且延伸,均勻且延伸,均勻但不延伸。

目前上海、北京都已對(duì)快速路匝道管理系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并且取得了比較好的效果。陳學(xué)文和田傲霜［5］用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，控制并仿真了城市快速路入口匝道的調(diào)節(jié)率，發(fā)現(xiàn)在城市快速路入口匝道控制中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制效果很好。高萬寶等［6］考慮快速路和入口匝道上的實(shí)時(shí)密度設(shè)計(jì)了匝道控制優(yōu)化算法，該算法的目的在于在控制快速路密度接近其最優(yōu)值的同時(shí)減少匝道上的排隊(duì)數(shù)，證明了實(shí)時(shí)密度控制算法的有效性。慈玉生等［7］表明可利用神經(jīng)模糊原理，對(duì)快速路入口匝道駛?cè)脒M(jìn)行控制能夠有效提高匝道立案階段的利用效率，同時(shí)可減少交通事故。王世明和徐建閩［8］利用模糊控制算法和支持向量機(jī)算法，提出了一種新的標(biāo)定方法，對(duì)于實(shí)時(shí)交通狀況能夠給出不同的控制策略，且呈現(xiàn)出良好的控制效果。姜紫峰和韓錫令［9］提出了單點(diǎn)匝道控制和聯(lián)合匝道控制，說明了兩種方法都能減少主線車流的總行程時(shí)間，同時(shí)證實(shí)了聯(lián)合匝道控制方法比單點(diǎn)匝道控制方法更為有效。賀敬凱和徐建閩［10］運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)入口匝道控制核心系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能更好地對(duì)實(shí)時(shí)交通流狀態(tài)做出反應(yīng)。

1 快速路系統(tǒng)控制理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)

1.1 快速路系統(tǒng)交通特性

城市快速路能夠提供非間斷交通流的道路，具有出入控制特性。從駕駛?cè)私嵌葋砜?，快速路是連續(xù)的設(shè)施。然而，當(dāng)一段或多段快速路路段發(fā)生擁堵時(shí)，需要將快速路看作一個(gè)整體進(jìn)行系統(tǒng)的分析，同時(shí)考慮系統(tǒng)中所有相關(guān)的運(yùn)行路段，需要考慮從“瓶頸”處排隊(duì)的蔓延和消散，并考慮對(duì)相鄰路段的影響。

1.2 城市快速路入口匝道定時(shí)控制

定時(shí)限流控制是最簡(jiǎn)單的控制形式，具有與城市交叉口信號(hào)相同的精確性。定時(shí)限流控制包括定周期定長(zhǎng)和定周期不定長(zhǎng)，兩者都是定時(shí)信號(hào)控制的一種實(shí)現(xiàn)形式。

1.2.1 定周期定長(zhǎng)

指固定配時(shí)的同周期同綠燈時(shí)間，通過對(duì)入口設(shè)置同周期同等綠燈時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行控制，依據(jù)歷史交通數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整。開環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)依賴于線性規(guī)劃的方式，簡(jiǎn)單方便，但沒有反饋，故無法根據(jù)快速路主路的交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)變化。

1.2.2 定周期不定長(zhǎng)

指固定配時(shí)的同周期不同綠燈時(shí)間，通過對(duì)入口設(shè)置同周期但綠燈時(shí)間不同進(jìn)行控制，依據(jù)歷史交通數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整，采用線性規(guī)劃的方式來計(jì)算入口匝道處的信號(hào)燈配時(shí)參數(shù)，同樣也是開環(huán)控制，但考慮了不同入口匝道的排隊(duì)長(zhǎng)度不同從而設(shè)置不同的紅燈時(shí)間，避免出現(xiàn)排隊(duì)長(zhǎng)度超過匝道長(zhǎng)度從而引起整個(gè)快速路系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞，但因其也是開環(huán)控制沒有控制效益反饋，故無法根據(jù)快速路主路的交通運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)變化。

1.3 城市快速路入口匝道自適應(yīng)控制算法

1.3.1 入口匝道自適應(yīng)控制算法

在入口匝道感應(yīng)控制中ALINEA 控制算法應(yīng)用最為廣泛［11］。該算法的輸入變量為下游主路占有率（或密度）和匝道排隊(duì)長(zhǎng)度，控制目標(biāo)為主路的交通量最大化、匝道排隊(duì)長(zhǎng)度最小，以此為依據(jù)對(duì)匝道的進(jìn)入流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而建立起一個(gè)閉環(huán)控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)入口匝道交通狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制［12］。

匝道調(diào)節(jié)率方程［13］：

式中：r（k）—第k周期的匝道調(diào)節(jié)率；r（k-1）—第（k-1）周期的匝道調(diào)節(jié)率；Kr—待標(biāo)定參數(shù)；— 主線下游期望占有率；Oout（k-1）—周期（k-1）內(nèi)主線下游的實(shí)際占有率。

匝道調(diào)節(jié)率取值范圍：

匝道排隊(duì)控制方程：

式中：d（k-1）—匝道（k-1）周期內(nèi)的到達(dá)流率；Lmax—匝道最大排隊(duì)長(zhǎng)度，m；l（k）—第k周期匝道實(shí)際排隊(duì)長(zhǎng)度，m；T—周期時(shí)長(zhǎng)，s。

1.3.2 入口匝道自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)

可視化VAP 的控制原理是在每個(gè)仿真秒內(nèi)，按照設(shè)置的控制頻率VAP_FREQUENCY 調(diào)用編寫的VAP 控制程序，控制頻率VAP_FREQUENCY 是仿真秒的整數(shù)倍，如果設(shè)置仿真精度為10，即0.1 步長(zhǎng)/仿真秒，則控制頻率VAP_FREQUENCY 取2。

選擇一個(gè)主控周期，每個(gè)周期對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)的占有率、流量、速度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)一次，在信號(hào)周期結(jié)束時(shí)調(diào)用VAP 程序，以上一個(gè)周期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為依據(jù)計(jì)算出下一個(gè)周期的控制參數(shù)，當(dāng)閾值低于下游檢測(cè)器占有率時(shí)，則開啟入口匝道控制程序，按照條件設(shè)定的循環(huán)執(zhí)行程序，直至仿真結(jié)束，主要應(yīng)用的算法見公式（4）。

2 快速路系統(tǒng)交通流特性分析

交通流參數(shù)特性主要包括時(shí)變特性和交通流參數(shù)之間的相互關(guān)系特性。選擇研究對(duì)象為月壇北橋-阜成門橋北路段作為快速路交通流分析對(duì)象。

2.1 流量-密度關(guān)系

2015 年10 月12 日（星期一）阜成門橋-阜成門橋北467 m 路段和月壇北橋至阜城門橋處檢測(cè)器的時(shí)間占有率隨流量的變化曲線見圖1。

當(dāng)?shù)缆飞系能囕v增多時(shí)，其密度增大，車輛間距就會(huì)變小，車輛間的相互影響使得駕駛?cè)私档蛙囁伲虼怂俣入S著密度的增加而減小。這一現(xiàn)象主要是由于出入口匝道車輛的駛?cè)牒婉傠x造成了主線上交通流呈現(xiàn)出了波動(dòng)性傳播的特性，對(duì)這一特性的深入分析將有利于進(jìn)行匝道優(yōu)化控制。

圖 1 阜城門橋北檢測(cè)器的流量-密度關(guān)系

2.2 速度-占有率關(guān)系

目前關(guān)于突發(fā)事件或匝道控制的研究中通過比對(duì)占有率和速度的變化特征的算法廣為流行，阜城門橋至阜城門橋北467 m 處HI7064c 檢測(cè)器速度-時(shí)間占有率關(guān)系見圖2。

圖 2 阜城門橋北檢測(cè)器的速度-占有率關(guān)系

可以看出，當(dāng)時(shí)間占有率達(dá)到0.4 左右時(shí)，車輛速度會(huì)有明顯下降，從0.3 時(shí)的30 km/h 快速下降到15 km/h，通過對(duì)比分析可以為下一步快速路入口匝道控制提供控制參數(shù)依據(jù)。

3 快速路系統(tǒng)入口控制實(shí)例仿真及分析

3.1 仿真模型標(biāo)定

表 1 仿真模型車輛行程時(shí)間檢測(cè)器設(shè)置

城市快速路入口處的交通系統(tǒng)主要包括入口段和相連主路段，在主路和入口斷面安裝車輛行程時(shí)間檢測(cè)器可獲取車輛的行程時(shí)間，進(jìn)而對(duì)其交通狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。行程時(shí)間檢測(cè)器設(shè)置見表1。

3.2 占有率和速度均值對(duì)比

不同控制方式占有率均值對(duì)比見表2。

表2 同控制方式占有率均值對(duì)比（仿真時(shí)間3 600 s）

通過表2 比較，對(duì)快速路入口匝道交通系統(tǒng)采用無控制、定時(shí)同周期同時(shí)長(zhǎng)信號(hào)控制、定時(shí)同周期不同時(shí)長(zhǎng)信號(hào)控制和自適應(yīng)控制的占有率均值結(jié)果分析可得，采用自適應(yīng)控制后，延誤有明顯的下降，自適應(yīng)控制方式對(duì)于匝道匯入主路上游外側(cè)道路的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)所獲的車輛平均速度為47.29 km/h,相對(duì)于無信號(hào)控制的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)平均速度32.84 km/h，提升了44.00%，同樣占有率下降11.11%，說明對(duì)入口匝道進(jìn)行自適應(yīng)控制后，由入口匝道到達(dá)主路上游的車輛無序狀態(tài)得以改善，提升了主路車輛的運(yùn)行速度。

3.3 平均延誤和停車次數(shù)均值對(duì)比

平均延誤和停車次數(shù)均值對(duì)比見表3。

表3 不同控制方式平均延誤與停車次數(shù)均值（仿真時(shí)間3 600 s）

通過表3 可知，通過定周期定時(shí)控制之后，主路車輛的延誤增加了19.27%，通過定周期不定長(zhǎng)控制之后延誤降低了8.67%，自適應(yīng)控制之后增加了11.84%，自適應(yīng)控制的平均停車延誤增加，主要是交通系統(tǒng)整體的停車次數(shù)增加，當(dāng)阜成門橋北467 m處的檢測(cè)器的占有率超過0.4 后，開始自適應(yīng)控制，信號(hào)周期短，導(dǎo)致平均停車延誤增加。

3.4 行程時(shí)間與車輛數(shù)均值對(duì)比

不同控制方式車輛數(shù)均值及行程時(shí)間均值對(duì)比見表4、表5。

表4 不同控制方式車輛數(shù)均值（仿真時(shí)間3 600 s）

表5 不同控制方式行程時(shí)間均值對(duì)比（仿真時(shí)間3 600s）

通過表4、表5 可以看出，對(duì)快速路入口匝道交通系統(tǒng)采用定時(shí)同周期同時(shí)長(zhǎng)信號(hào)控制、定時(shí)同周期不同時(shí)長(zhǎng)信號(hào)控制和自適應(yīng)控制后，城市快速路主路流量分別可增加2.38%、3.23%、5.37%，行程時(shí)間分別可降低11.94%、11.37%、16.78%，自適應(yīng)控制的控制優(yōu)勢(shì)突出。

4 結(jié)語(yǔ)

基于國(guó)內(nèi)外關(guān)于匝道控制方法的研究現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)城市快速路的特點(diǎn)、交通流特性以及關(guān)于匝道控制的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用現(xiàn)狀，研究了符合北京市二環(huán)快速路實(shí)際情況的匝道控制方法。（1）通過分析北京市西二環(huán)月壇北橋、阜成門橋北467 m 處檢測(cè)器2015 年的數(shù)據(jù)，得出當(dāng)時(shí)間占有率達(dá)到0.4 左右時(shí)，車輛速度會(huì)有明顯下降，從占有率為0.3 的30 km/h 左右快速下降到15 km/h，為快速路入口匝道控制提供控制參數(shù)依據(jù)。（2）利用Vissim 交通仿真軟件的VisVAP 程序語(yǔ)言對(duì)入口匝道自適應(yīng)控制效果進(jìn)行了仿真，并得出了相比入口無控制、定時(shí)控制方式，自適應(yīng)控制能夠更好地調(diào)節(jié)入口匝道車流，提升快速路主路車速和交通量。