基于快速路的入口匝道控制研究分析

王兴宇

摘要：随着城市发展与交通流量的不断增多，城市快速路的兴起，匝道已成为解决交通拥堵的重要手段，这又往往使车辆集中在入口匝道领域。入口匝道上车辆拥堵的解决为城市交通的顺畅起着至关重要的作用。入口匝道控制的目的就是根据主线上的交通流量来控制匝道上进入主线的车辆，从而使主线上的交通处于最佳状态。

关键词：匝道控制；ALINEA；交通拥堵

一般情况下，入口匝道控制应该包含以下几个功能：

（1）减少经常性拥堵和非经常性拥堵。

（2）缩短在入口匝道的旅行时间和延误时间。

（3）增加主干道上的交通流量。

（4）优化通行能力。

入口匝道控制：一个简单的匝道模型图例（见图1）。

在高速公路管理者看来，设计一种控制方式实现匝道控制从而保证主干道不会出现流量溢出至关重要。相关的控制策略总体归纳起来有三种：定时控制，局部驱动控制，系统控制。定时控制是基于静态交通模型和历史数据而来，时效性差，不能根据交通现状实时调整。局部驱动控制是根据入口匝道附近的实时交通状况来实现控制。系统控制是根据整个交通系统的每个时间间隔内的实时交通现状来实现匝道控制。

关于局部驱动控制，首先要提到的就是需求容量控制策略和ALINEA控制。

1 需求一容量控制

如上式所示，该控制策略首次用在美国，基于车流量的历史数据，然后比较主线上游的流量q_tn与主线下游的容量c_ap之间的关系来实现测量。然而，单纯的测量车流量并不能判断路口是处于拥堵还是自由流状况下。于是又引入主线下游检测器检测到的占有率O_out，如果O_out小于关键占有率，那再比较主线上游流量和主线下游容量的大小，以此决定匝道的开闭。反之，当占有率O_out大于关键占有率O_or那么设置匝道调节率为γ_min，其中k为周期数，可以为1，2，3……

2 ALINEA控制策略

在单点匝道控制中，主要考虑到的是占有率，速度，流量等，单点匝道控制的基本算法以ALINEA[2]为首要的算法。

ALINEA匝道控制策略同需求容量模型不同的是，ALINEA算法采用的是积分反馈调节器， 输出变量是匝道下游主线占有率 需要标定的是调节器参数KR和理想的匝道下游主线占有率 根据以往的实验数据，发现K_R=70veh/h时，实验效果最好，随着调节参数的增大，用于调节的时间越小。当然这个数据可以根据实际情况进行相关的调整。ALINEA算法的具体结构如下：当在k周期内的主线下游占有率小于期望占有率时，等式右边为正，相应的等式左边的值r（k）相应增加，反之减少。通过设置在匝道下游的交通信号灯来控制r（k），在这里需要说明的就是r（k）是一个有确定范围的值，其中[MinRamp， MaxRamp]其中MaxRamp是允许通过的最小的匝道流量，MaxRamp是匝道的容量，而据Emmanouil and Smaragdis的说法，r（k）符合以下规律：d（k-1）代表上一周期匝道需求流量，L_max是最大的排队长度，l（k）即本周期内初始的排队长度。据Papageorgiou和Kot sialos的思想，当主线上流流量和匝道下游出口流量之和大于主线下游的容量时，匝道控制才有意义，ALINEA在众多的反馈调节算法中具有优势。目前ALINEA控制策略已经在阿姆斯特丹AlO线和英国Glasgow的M8高速路以及巴黎BP大道，以及加利福尼亚州1-405高速公路上的匝道上进行了实验，实验结果证明了ALINEA控制策略对于改善交通条件的有效性，但根据Papamichail的研究，匝道控制具有局限性，当早晚高峰时出现车辆溢出时，匝道控制就失去作用，而且对于匝道而言，其控制策略的作用仅仅是在匝道下游几百米的范围内产生效果与应用。

在此前的文献当中，关于关键时刻占有率的问题，一直存在争议，以英国的Glasgow为例，在一次晚高峰所测得的数据统计中，占有率基本是在26%左右，而且根据论文，在实际情况中的占有率的平均值是和关键占有率 相差无几，但是对于关键时刻占有率的最佳值，一直存在争议，因为每天的车辆道路情况千差万别，所以这个值也不一而足。

3 以往研究与所存在问题

在以往的的研究中，对于匝道存在的问题并没有过多的解释，高速路和城市快速路在匝道控制上有很多的不同之处，而在Emmanouil Smaragdis的文章中，提出了不以占有率为基础的匝道控制，而提出了以流量基础的控制方式，同时提出了不仅仅是用主线下游的交通流量作为依据，而是以主线上有的流量作为一个测量方式。在ESmaradids中，提出了一主线上游的占有率来预估主线下游关键时刻占有率的方法，但前提是主线上游车流量小于主线下游的车流量，具有一定的局限性。

此外，Lily提出了在合流区进行关于匝道控制的方案，为实现匝道控制提出了新的思路。

4 未来展望

匝道作为一个解决城市道路交通的有效手段，在未来的发展中仍然有着非常重要的作用，在北京上海等城市中仍然发挥着非常重要的作用，为缓解主干道交通压力起着重要作用，但当前对于单交叉口的研究已经处于成熟阶段，当前许多人的研究方向在于多匝道的协同控制和绿波带控制等，在Papage orgiou[lo]的研究中，已经提出关于入口匝道的协同控制的概念，后来在。在Ioannis等的文章中，提出来模糊预测层级控制的方法，提出三层理论：预测层，优化层，直接控制层，对于多个入口匝道的控制提出新的方案，比原有的ALINEA简单控制更能减少旅行时间。在Mohamed等的研究中，已经涉及用ALINEA算法和协同控制的方法来减少在高速路上发生碰撞的几率，并得出了在单个入口匝道和多个入口匝道中，信号周期时长对于控制效果的影响，单匝道中，信号周期时长越长，控制效果越好，多匝道入口则相反，在大城市中使用协同控制来解决城市快速路的拥堵，对于减少综合交通成本的支出。

5 结语

匝道控制目前只是作为一种反馈控制，其未来的发展方向如下：一是考虑用户的均衡以及交通预测。二是与别的控制方式相互结合，对主线上交通流量采取综合控制的措施。三是考虑驾驶人行为对于匝道的影响。路段的综合控制对于匝道的顺利通行有着非常重要的意义和作用。总而言之，在城市快速路上进行匝道控制，可以使得城市快速路得到高效运用，增加整个快速路的通行能力，使其承担更多的交通需求，从而使得交通状况得到改善，因此，入口匝道控制有着非常重要的意义。