高速公路出口匝道平面交叉口自适应信号控制策略研究

杨 勇，钱公斌

（1.江苏省高速公路管理局，江苏 南京 210004；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014）

高速公路出口匝道平面交叉口自适应信号控制策略研究

杨 勇1，钱公斌2

（1.江苏省高速公路管理局，江苏 南京 210004；2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210014）

针对沪宁高速公路G42马群互通出口匝道拥堵蔓延至高速主线上的问题，提出了基于Aimsun仿真的自适应信号控制策略。通过数据的采集、拥堵原因分析、提出缓堵策略，在关键监测点布设检测器检测速度和占有率，并实现与相连交叉口信号控制器的联动控制，达到对交叉口的自适应控制，基于仿真软件Aimsun对方案实施的效果作了评价研究，结果表明文中提出的自适应信号控制策略，可以有效地降低车辆的延误时间和排队长度，提高道路的通行能力。

交通仿真；自适应信号控制；Aimsun；交叉口优化

1 概述

高速公路出口匝道是连接高速公路与地方道路的重要通道，是道路系统中的重要组成部分。沪宁高速马群互通连接太阳城路出口匝道是一个典型的高速公路连接城市道路区域，该区域以东连接江苏省内流量最大的沪宁高速，以西是南京主城区。作为外地进入南京城区的东大门，马群枢纽区域的交通需求十分巨大，在上下午高峰时期，车流在匝道口出现拥堵，并且排队车辆蔓延至高速主路上，严重影响主路上车辆的正常行驶。自适应信号控制策略能够实现车辆运行效率的最大化，提高道路的通行能力，在一定程度上能够缓解交通拥堵，因此对该区域（如图1所示）进行自适应信号控制策略缓解交通拥堵的研究具有重要意义。

交通仿真技术是研究运用现代计算机技术建立一个能够代替现实的交通系统的计算机模型的过程［1］，该模型能够再现实际交通系统的特性，分析交通系统在各种设定条件下的可能行为，通过模型仿真试验的结果，以寻求交通问题的最优解，评价各类设计方案的效果。本文通过提出的自适应信号控制策略来缓解马群区域的交通拥堵，并通过仿真软件Aimsun的输出指标（排队长度和延误时间）对缓堵效果进行评价。

图1 研究区域示意图

2 拥堵成因分析

通过对现场车辆运行情况的观测，发现该区域交通的主要问题集中在沪宁高速马群互通由东向西至太阳城路下匝道出口。现场观测结果显示，高峰时期下匝道拥堵的车辆发生排队回溯并蔓延至主线上，且最大排队长度超过了140辆车，排队长度蔓延至高速公路主路上游450 m以上。通过调查人员的多次踏勘，深入挖掘和分析拥堵产生的原因，总结归纳为3个方面：道路条件、车流组成和信号配时。

2.1 道路条件

根据马群互通所处的地理位置可以发现，在拥堵区域上游（不足50 m处）存在交织区域（宁洛高速公路至沪宁高速公路行驶车辆与沪宁高速主路上的车辆在此交汇），如图2所示。且马群枢纽下匝道几何线性为小半径圆曲线，纵向上坡单车道，车辆经过此匝道区域时，行驶缓慢，造成车辆在匝道出口产生拥堵和排队。

图2 拥堵区域上游交织区示意图

2.2 车流组成

通过观测数据可知，在下匝道车流组成中，货车所占比例较大，高峰时期货车一直保持在一个很高的比例（约18%）。由于大型货车本身体积较大，机动性差，会严重干扰小车的正常行驶，车辆经过此匝道时，造成车流无法正常有序消散。

2.3 信号配时

通过现场采集的信号配时数据可知，由北向南的绿灯信号时长为45 s，由西向北的绿灯信号时长为48 s，较大流量的两个方向目前使用了大部分的绿灯信号时长。但是从现场观测的实际的路口排队情况来看，由北向南的绿灯时长还存在一定的富余，上下午高峰时期由西向北绿灯信号时长严重不足，因此易造成车辆在匝道口拥堵。如图3所示。

图3 拥堵区域信号配时示意图

3 自适应信号控制方案

通过对关键交叉口实施自适应信号控制，增加出口匝道所在相位的绿灯时间，可以改善交叉口的通行能力，起到缓解交通拥堵的作用［2-4］。实施自适应信号控制方案需要分析合理的配时方案选取依据和转换时机，通过设置车辆检测器对交通条件进行检测，并与信号控制机联动，对信号配时进行实时调整。

应用车辆探测技术，在关键出口匝道安装车辆检测器，并实现与相连交叉口信号控制器的联动控制，在检测到出口匝道交通拥堵严重的情况下（即当排队车辆延伸至主线上时），对该交叉口的信号相位进行自适应控制，优先排放出口匝道上的车流。拥堵监测点（速度和占有率检测）和实施交通信号自适应控制的交叉口（交叉口1）位置如图4所示。

图4 方案实施的关键节点

交叉口1的信号相位如图5所示。从控制目的而言，该交叉口的关键相位为相位3，而对于其他两个相位，根据交通流量，相位1为重要相位（对应交通流量较大），相位2为一般相位（对应交通流量较小）。

图5 交叉口1信号相位

以检测器检测到的速度和占有率表征出口匝道拥堵情况，当出口匝道拥堵严重时，对交叉口1进行自适应控制。具体方案为交叉口周期长度不变，适当增加相位3的绿灯时间，压缩相位1和相位2的绿灯时间。

设交叉口2的周期长度为C，相位1的绿灯时间为t1，定时控制时的绿灯时间为t'1，相位2的绿灯时间为t2，定时控制时的绿灯时间为t'2，相位3的绿灯时间为t3，定时控制时的绿灯时间为t'3，设置最小绿灯时间为tmin，最大绿灯时间为tmax。

v（T）为T时段检测器采集到的速度数据，o（T）为T时段检测器采集到的占有率数据，当v（T）＜α1vf，且o（T）＜β1of时，匝道严重拥堵，激活信号配时方案A；而当v（T）＜α2vf，且o（T）＜β2of时，交通恢复到可接受范围，激活信号配时方案B，为了避免信号配时过于频繁波动，对于除此之外的其他情况，维持与上一周期相同的信号配时方案。其中vf和of分别表示平峰时期的速度平均值和占有率平均值，系数α1、β1、α2、β2可以通过在仿真中采取参数回归的方式获取，实际应用中也可以根据工程经验适当调整。配时方案A和配时方案B的设置情况如表1所示。

表1 地点1高峰时期信号相位和配时

表1中，∆t表示绿灯增加时长，可预先设置不同的∆t，通过仿真观察其实施效果，∆t设置时需满足的限制条件为t'3+∆t≤tmax。

自适应控制流程图如图6所示：

图6 交叉口1信号控制方案流

4 微观交通仿真

微观交通仿真建模分析能够为交通分析人员提供交通系统的现状，同时，它还可以为各种交通产品的设计开发和性能优化提供直接的技术支持，为说服交通管理决策层采纳新的交通理念提供帮助。

本文基于Aimsun仿真软件进行微观交通仿真主要分为以下几个步骤［5］：首先是通过搭建路网，交通流特性的输入及交通规则、信号控制方案的设置进行仿真建模，其次是对仿真模型进行校准、验证及测试，最后是对自适应信号控制方案在校正后的模型中进行实现，并评价方案实施的效果。

4.1 仿真建模

对于交通流的仿真研究而言，模型是仿真的基础,仿真是模型的实现［6］。通过现场观测马群枢纽地区的道路条件和几何线性，参照百度地图的实景图进行原始路网的搭建。同时工作人员于2015-11-12～2015-11-16在马群枢纽处进行了为期一周的交通调查。在上下午高峰时期对该区域的交通数据进行采集（包括交通量、信号配时等），将采集到的原始数据进行清洗和处理后录入到仿真平台中，马群的测试平台如图7所示。

图7 马群的测试平台示意图

4.2 模型校准

仿真平台的校验是确保仿真有效性、可靠性的关键。仿真平台校准是根据实地交通运行状况，对仿真平台进行调整，使模型能够准确模拟仿真对象的交通运行特征及过程。主要分为建模检查和仿真动画检查。

（1）建模检查

通过采集到的交通流量数据，对整个仿真模型的各个节点输出交通流量进行核对，确保仿真路网各个区域的流量和运行情况与实际路网基本吻合。出口匝道北向南直行实际车流量和仿真车流量的对比结果如图8所示。

图8 出口匝道北向南直行流量对比图

（2）动画检查

通过现场实际观测确定两个特征区域如下：仙林大街由东向南往太阳城路方向车辆，高峰时期车辆排队现象明显；沪宁高速由东向西下匝道往太阳城路方向，车辆在下匝道出现较长排队，特征比较明显，作为校对区域。仿真结果如图9所示。由图可知仿真动画与实际观测情况基本吻合，可作为方案实施的平台。

图9 排队车辆示意图

4.3 方案实现

应用搭建好的仿真路网进行自适应交通控制策略研究，包括在监测路段布设检测器，设计自动化信号控制配时，并实现监测点和控制点关联。监测和控制关系如图10所示。

图10 自适应信号控制策略仿真实施示意图

信号配时的调整采用由西向北方向绿灯信号分别增加5 s、10 s、15 s的时间且其他方向绿灯时长相应减少，保持整个信号相位的周期不变，以此观测车流的行驶状态，筛选出效果最优的方案，方案实施细则如表2、图11所示。

4.4 仿真输出与评价

选取同一时刻（2015-11-16T8：45），对实施方案2前后的车辆运行状态进行仿真动画可视化对比，以此来观测所提方案的缓堵效果，缓解拥堵效果如图12所示。

车辆在交叉口的延误时间和排队长度是评价拥堵程度的两个重要参数［7］，本文通过选取排队长度和延误时间作为仿真的输出指标。排队长度为单车道一个信号周期内（2 min）最大排队车辆数，延误时间是指车辆由于正常行驶受阻所损失的时间，输出指标为十次仿真随机种子的平均值。选取2015-11-16上午高峰时期的数据进行仿真，仿真输出指标如表3所示。

表2 自适应信号控制策略方案实施

图11 相位示意图

图12 方案实施后缓堵效果对比

表3 信号控制策略输出指标汇总

通过输出结果可知，在车流行驶高峰时期，地点1下匝道出口处平均延误时间为164 s，排队长度为54辆车，实施策略后，排队长度和延误时间都有明显的减少，排队长度和延误时间平均减少了35%。由此可知所提方案对缓解该地区的交通拥堵是有效的。

同时对方案实施的经济效益进行了定量评估，按照高峰时期90 min内该下匝道经过1 500辆车计算，每天约3 000辆车在此发生拥堵，并产生时间延误。由国家统计局2015年上半年发布的人均GDP的产值，以通过实施自适应信号控制策略后每辆车平均减少30 s的延误时间计算，带来的年经济效益约为32万元。

5 结论

本文通过对南京马群枢纽处高速公路出口匝道拥堵原因进行分析，应用Aimsun仿真软件再现现场实际路况，仿真运行道路条件、交通流量和信号配时输入与实际情况相符，验证了自适应信号控制策略的有效性，目标是辅助交通管理策略的实施，为交通管理部门的决策提供了参考和依据。

本文从交通信号控制的角度提出了拥堵缓解方案并通过仿真验证了其在短期内的有效性。但是从本质来看，造成马群枢纽出口匝道交通拥堵的最主要原因是地区经济的快速发展以及道路供给的严重不足。 因此，下一步将结合相关的交通规划政策等，研究如何借助仿真手段实施新增互通等长远发展策略，从根本上解决马群枢纽处的交通拥堵问题。

［1］裴玉龙，张亚平.道路交通系统仿真［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］周雅玲.城市交通信号控制方法综述［J］.东南大学学报(哲学社会科学版). 2015（S1）：61-64.

［3］宋志洪，尹少东，于海洋，等.基于微波检测器的道路交叉口信号自适应控制方法研究［J］.现代工业经济和信息化，2014，（12）：15-18.

［4］刘畅.基于VISSIM的城市道路交叉口自适应信号控制仿真技术研究［D］.南昌：华东交通大学，2015.

［5］AIMSUN 6.1 User Manual，TSS，2011.3

［6］申丽君.基于AIMSUN的城市交通流的仿真研究［D］.西安：长安大学，2007.

［7］Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 2000［R］. Washington D.C：Transportation Research Board publications，2000.

Study on Expressway Off-ramp Adaptive Signal Control

Yang Yong1, Qian Gongbin2
（1. Jiangsu Province Expressway Administration, Nanjing 210004, China; 2. Jiangsu Provincial Communications Planning and Design and Institute Co., Ltd., Nanjing 210014, China）

To relieve the off-ramp spillover queue problem at Maqun interchange on Nanjing-Shanghai Expressway , this paper developed an adaptive traffic signal control strategy based on Aimsun traffic simulator. The queuing and congestion problem had been analyzed upon the traffic data collected at the interchange. The adaptive signal control strategy was developed with consideration of real-time spillover queue detection. The strategy was evaluated on a calibrated test-bed built with Aimsun traffic simulation. The evaluation results indicated the effectiveness of the proposed strategy in reducing delay time and queue length, reflecting the safety and efficiency improvement on the traffic operations.

traffic simulation; adaptive signal control; Aimsun; intersection optimization

U491.2+32

A

1672-9889（2016）06-0080-05

2016-02-24）

杨勇（1980-），男，湖北宜都人，工程师，主要从事高速公路管理工作。