集成ETC系统的城市快速路常发性交通拥堵管理策略

2016-11-25鄢勇飞车丽彬

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：发性快速路交通量

鄢勇飞，车丽彬，蒋乐，周俊，何丹

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023）

集成ETC系统的城市快速路常发性交通拥堵管理策略

鄢勇飞，车丽彬，蒋乐，周俊，何丹

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023）

分析城市快速路常发性交通拥堵特点，基于ETC（电子不停车收费）系统功能和匝道控制原理，提出了快速路ETC匝道控制和匝道出入口OD流量分析模型。通过判断分析关键匝道出入口及其常发性拥堵的不同原因，提出相应的拥堵管理策略，为快速路的常发拥堵管理及匝道控制提供参考。

ETC；常发性拥堵；匝道控制；关键匝道；快速路

0　引言

随着城市的发展，城市交通拥堵表现出越来越严重的趋势。近些年，城市快速路的建设在一定程度上改善了交通出行条件，缩短了城市时空距离，但也带来了新的交通拥堵问题。有研究数据表明，90%的常发性拥堵发生在快速路入口处[1]，部分出口由于流量过大或衔接问题也经常发生拥堵。由于快速路的相对封闭和单一路径等特点，快速路出入口的点状拥堵很容易蔓延造成主线的线状拥堵，且呈现拥堵次数频繁、持续时间长、影响范围广和难以分流等特点，因此，对城市快速路的交通管理控制势在必行[2]。通过分析快速路常发性交通拥堵原因及特点，本文提出快速路ETC匝道控制系统，为选择更有效的匝道控制对象和匝道控制策略等提供参考。

1　现有快速路匝道控制

现有快速路的控制管理主要通过匝道出入口控制实现，依托在匝道出入口与主线的上下游设置相应的检测设备，通过对车流参数的检测分析，采取相应的控制策略来实现对匝道出入口的开关，从而控制车流进出。

根据不同控制策略，上海主要采用了匝道关闭策略，而欧美普遍采用匝道调节策略[2]。根据控制匝道对象，还可分为单匝道控制和关联多匝道控制[3]。目前，匝道控制大多基于对匝道附近主线上下游交通量和匝道交通量的检测，并根据容量限制、车速或排队长度评估拥堵状态[4,5]，通过匝道开关或红绿灯控制来调节进出主线的交通量[6]，以减少主线交通拥堵。单匝道控制较简单，但随机性和受管理人员主观经验因素影响较大，也忽略了上下游匝道的关联性。虽然关联多匝道控制避免了单匝道控制过于随机的缺点，但其OD推算算法较复杂，难以适应交通控制对时间响应的要求，而且并不是所有关联匝道都会造成对主线的拥堵。这些匝道控制策略通常针对单个匝道出入口，无法反映快速路匝道进出口整体的交通流规律，即使有对关联多匝道的控制方法，但大多是基于OD反推为前提，且相应的算法较复杂，缺少可靠的匝道交通流数据支撑，无法反映实际的匝道出入口交通出行规律，因而难以保证控制效果。

2　ETC系统

智能交通是缓解城市交通拥堵和提高交通管理的重要途径，ETC系统（电子不停车收费系统）是智能交通的主要功能之一。由于ETC系统整合了车辆身份信息，使得它在城市治安侦查、停车诱导等领域[7,8]也能发挥重要作用。

ETC系统由前端系统和后台数据库系统组成，其中前端系统包括ETC车道控制系统、ETC路侧单元（RSU）、ETC车载单元（OBU）。

3　快速路拥堵主要原因分析

快速路为全控制出入口形式，主要通过匝道出入口等实现与其他道路的转换连接。快速路拥堵点主要与匝道出入口相关，主要拥堵原因有以下几种：一是立交形式选择不合理，导致主线与匝道进出交通流交织严重，影响主线车流通行；二是上下桥匝道功能和选址不合理，导致匝道方向与交通流向需求不符合，同时，匝道数量过多，使得主线车流分、合流区域较多，而导致交通流紊乱；三是上下桥匝道与地面道路衔接位置不合理，尤其是在交叉口附近，对匝道车流与路口交通流的相互影响考虑不充分，导致匝道转换车流与地面车流干扰严重。

4　快速路常发性交通拥堵特点

在快速路的规划设计阶段，主要是根据远期预测的交通量需求进行方案规划和工程设计，但城市的发展具有较大不确定性和多变性，导致实际需求与预测需求发生偏差，交通出行规律也会相应发生变化，当这种偏差和变化幅度较大时，必然会对快速路的交通运行产生冲击。在快速路建成运行后，实际交通出行需求逐渐稳定，这种冲击就会演变为有规律性的常发性交通拥堵。

常发性交通拥堵根本原因是实际交通需求超出道路设施局部区域或节点最大通行能力，使得常发性交通拥堵具有相对固定性，同时其通常发生在高峰时间段，表现为周期性和规律性拥堵[9]，因而具有相对稳定性和预见性。因此，在相对固定的时间，通过对关键匝道采取针对性的匝道控制策略，是减少常发性交通拥堵的可选途径。

5　集成ETC系统的快速路关键匝道识别

5.1基本思路

由于快速路常发性交通拥堵的时间和区域具有一定规律性和预见性，因此，可将匝道出入口历史流量统计规律作为实时匝道控制的数据依据，避免了对某个匝道盲目控制的弊端。

在每个匝道出入口处设置ETC前端系统和信号灯装置，组成ETC匝道控制系统，利用ETC系统的通信功能可以对进出匝道出入口的车辆信息进行读取和存储，通过后台数据中心对车牌信息的比对分析，可以计算统计出每个匝道出入口的OD流量，并以此统计出每个出口车辆的入口来源流量及其分布规律。将入口匝道和出口匝道按交通量大小排列，依据匝道实际通行能力和常发拥堵匝道状况判断识别快速路的关键入口和出口匝道。

5.2匝道出入口OD流量分析模型

由于快速路上下行的相对独立性，可单独分析一个行车方向，并以环线快速路逆时针方向为例，从而简化分析模型。

模型假设不会有车辆绕圈行驶，并只会在不超过环线半圈出行距离的匝道出入口之间出行，因为如果出行距离超过半圈距离，则会选择反方向的匝道出入口，行驶距离会更短，这与现实车辆出行路径选择基本相符合。

将进入主线的匝道入口作为O点，将离开主线的匝道出口作为D点，并选定某一个匝道为起点，分别依次编号1至i。假设入口和出口数量相等，最大入口个数i=M，则环线上每一次机动车出行均可视为一个OD点对出行。

对于某一个匝道出口i，当其位于所有编号半数以内时，其交通流量Di计算统计公式为：

当其位于所有编号半数以外时，其交通流量计算统计公式为：

6　快速路常发性交通拥堵管理策略

6.1匝道入口常发性拥堵管理策略

单纯的匝道入口常发性拥堵（对由于主线拥堵导致匝道入口拥堵的情形在后面讨论）主要是由于匝道交通量超过了匝道实际通行能力，这种情况下只能通过减少、转移或控制进入匝道的交通量来缓解拥堵。通常，城市快速路入口匝道交通量呈现出明显的周期性、脉冲性和波动性，其明显程度与匝道入口距上游信号灯控路口的距离有关，距离越小越明显[10]。可通过调节上游路口交通信号灯配时方案或者定时匝道控制策略[9]来控制匝道入口交通量，同时结合上游路口的交通信息指标牌，提示分流和绕行等预警信息，也可采用匝道入口与衔接交叉口协调控制策略[11,12]。基于匝道入口的ETC匝道控制系统可以计算统计全天的匝道交通流量特征，为定时匝道控制和动态匝道控制提供可靠的交通数据支撑。

6.2匝道出口常发性拥堵管理

匝道出口常发性拥堵可分为两种情形：第一种情形是单纯的匝道出口拥堵，第二种情形是匝道出口拥堵与主线拥堵并存。

第一种常发拥堵情形，即匝道出口排队车辆还没有反向回溢到快速路主线部分而导致主线车速减慢形成排队拥堵。其主要表现为下游衔接路段或路口通行能力不足，通常是由于匝道出口距下游关联路口过近及路口信号灯方案不合理所导致。可采取优化关联路口信号灯控制的策略[13,14]，基于匝道出口的ETC匝道控制系统可以计算统计全天的匝道交通流量，可与下游关联路口的信号灯联控，实现实时协调控制。

第二种常发拥堵情形，即匝道出口的交通需求量已经远超过匝道和下游关联路口允许的实际通行能力，并已对主线的交通流产生了明显干扰，造成主线交通拥堵排队，此时对该匝道出口和关联路口的控制策略基本失效[4]。

在这种情形下，利用提出的ETC匝道控制系统可获取所有匝道出入口的全天交通量数据。基于本文5.2节中提出的匝道出入口OD流量分析模型，可得到上游的各匝道入口通过该匝道出口的交通组成特征。根据交通流量大小识别出较大的匝道入口作为关键匝道，并将其作为主要匝道控制对象，采取本文6.1节中的相关匝道入口控制策略。尽管这些关键匝道本身可能并不是常发性拥堵匝道，但对于减少第二种情形中下游匝道出口的常发性拥堵起着关键作用。结合ETC系统获取的匝道流量随时间的分布特征，可以在不同的时间段内采取更准确的控制策略。

7　案例分析

武汉市二环线全长48 km，总体建设方案以长距离高架为主，全线设置15处互通式立交、45处上下桥匝道（上桥匝道21处，下桥匝道24处）和12对地面辅路出入口，主线进出口平均间距约1 km。目前交通运行基本稳定，高峰时段常发性拥堵点主要集中在隧道处匝道出入口、互通立交匝道出入口和下桥匝道出口处等。全线调查的常发性交通拥堵点及排队延误观测见表1。

7.1方案实现

匝道ETC设备主要由微波天线、车辆检测器、交通信号灯、信号控制机、抓拍摄像机和高清球机组成。设备布置如图1所示。前端设备可通过网络与ETC后台控制中心、交通管理中心连接，实现数据上传、分析和匝道控制。

7.2方案效益评估

（1）拥堵损失评估。根据对二环线各匝道的高峰交通调查分析，共有18处常发性拥堵位置，如表1所示。根据表1可以计算出平均每个拥堵车辆的直接时间价值损失和汽油消耗损失。按照武汉市2014年平均工资和汽油价格计算,得到上述常发性拥堵位置的平均时间价值损失约3.8万元/拥堵天，平均汽油消耗损失约12.5万元/拥堵天，则全年工作日的直接拥堵损失费用近4 200万元。这还不包括由于拥堵造成的污染排放及事故间接损失等。

表1　二环线常发性拥堵位置排队延误观测值

图1　匝道进口ETC设备布置示意图

（2）匝道ETC控制系统投资评估。根据设备估价，按每个匝道进出口的ETC系统装置60万元估算，则二环线全部匝道进出口系统设备费用约3 500万元，远低于常发性拥堵造成的直接经济损失。该系统建成后，即使按减少30%的常发性拥堵估算，其每年节省的直接拥堵费用近1 300万元，三年即可收回设备投资费用，具有较高的社会经济效益。

8　结论与讨论

通过分析快速路常发性交通拥堵特点，提出快速路ETC匝道控制和匝道出入口OD流量分析模型，并以此给出了快速路匝道出入口常发性交通拥堵管理策略。特别是针对匝道出口拥堵和主线拥堵同时存在的情况，可应用ETC匝道控制系统分析得到关键匝道入口的流量组成特征，采用更准确有效的控制，避免凭主观判断匝道控制对象和控制策略的不足。

ETC匝道控制系统功能挖掘，通过快速路ETC匝道控制系统全覆盖，实现通行车辆车型分类信息的比对，可以对违章通行车辆进行识别筛选，弥补了匝道限高、警告标牌等无法取证的不足。同时，通过与快速路主线上已有交通管理视频监控系统相结合，可扩大快速路上紧急事件的监控管理范围，提高处理反应效率，减少因交通事故等产生的非常规性拥堵。

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