基于仿真的快速路入口匝道控制实验设计

王艳丽, 王 玲, 吴 兵, 李林波

(同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室, 上海 201804)

快速路是城市交通的骨干和大动脉,以5%～10%的城市道路网里程承担着30%～50%的市域机动车出行。为了确保快速路的通行效率、充分发挥其效用,对快速路实行合理的交通管控是极为必要的,因而也成为高校“交通管理与控制”等交通工程类课程的重点内容。

快速路系统比较复杂,除快速路主路本身外,还涉及汇入、汇出的匝道以及相关联的道路,交通管控策略较难制定,而目前比较有效的方法是进行仿真实验。随着计算机及人工智能等技术的发展,各种基于计算机技术的交通仿真软件应运而生。运用这些软件来解决复杂的交通问题成为交通科技人员的必要技能和交通管理人才培养的新要求[1-2]。在高校交通工程类课程中,结合新的交通科学技术的实验课程越来越受到重视,并成为交通工程学科教学环节的重要组成部分[3-4],其中基于虚拟仿真的快速路系统控制方法实验项目设计就显得极为重要。考虑到快速路交通管控最常用、也最有效的是入口匝道的控制,所以选取微观仿真软件VISSIM对快速路入口匝道进行控制方案设计和仿真分析,以此作为快速路控制的典型实验进行研究[5]。

1 实验设计目的

通过运用“交通管理与控制”理论知识,借助于交通仿真软件,对快速路系统进行控制方案设计和仿真分析。该实验可以加强对学生理论联系实际的应用能力的培养,也是培养交通管理人才的有效途径和方法[6-7]。从实验室的角度来说,该实验可以充分利用现有大型实验设备的使用效能,丰富实验课内容；从社会发展来说,该实验结合当前城市交通管理的实际需求；从交通类本科学生角度来说,该实验有利于拓展专业视野、增强专业修养、提高实践动手能力。

2 实验内容

快速路入口匝道的交通管理和控制,涵盖交通秩序管理、交通运行管理、交通系统管理、交通信号控制等多方面内容,是“交通管理与控制”课程的核心内容之一,也是学生较难掌握的知识点[8]。

在实际城市路网中,快速路入口常常是交通拥堵的节点,因此,快速路入口匝道控制是快速路的主要交通控制措施。采用合理的入口匝道控制策略、限制入口匝道汇入主线的车流量,不仅可以缓解主线交通拥挤,而且有利于改善普通道路的交通状况；而不合理的入口匝道控制策略则可能会对交通系统产生负面影响。所以,将快速路入口匝道的交通管理和控制选为交通管理与控制实验的主题。

单个入口匝道的管理和控制是交通管理与控制实验的基础,在此基础上才能进行更深层次的干线以及区域群交叉口的管理和控制。单个入口匝道的控制方法按照是否响应实时的交通状况分为定时和感应控制两类。定时控制是根据历史数据确定固定的匝道汇入率；而感应控制则是根据检测到的匝道附近交通参数实时确定匝道汇入率。其中,感应控制根据控制参量的不同又分为交通量-通行能力差额控制(也叫需求-容量控制)、占有率控制、可插间隔控制等[8-9]。

综上,开发了“快速路入口匝道不同信号控制方法设计与比较”仿真实验,实验内容设定为:根据交通流量调查,对单个快速路入口匝道进行交通渠化改善设计,分别采用定时信号控制和感应信号控制两种方式进行交通控制,并对控制效果进行比较分析,探索不同控制方式的适用性。

3 实验原理

3.1 定时控制方法

定时控制方法是根据一天内高峰时段或者各时段的变化而预先设定固定或变化的调节率,该控制方法的关键是调节率的计算。通常,按上游交通需求qin,下游通行能力Qcap及匝道到达流量qramp之间的关系确定调节率。当qin+qramp≤Qcap时不需调节；当qin>Qcap时调节无效，封闭匝道,或者采用最小调节率；当qinQcap时需调节,调节率r=Qcap-qin。该方法控制简单,无需设置检测器,不需要实时交通信息,但不能根据交通状况变化而实时调节。

具体的调节方式则分为单车调节和车队调节(包括单列调节、双列调节)。单车调节是每次绿灯只允许放行1辆车,而每周期绿灯取3 s,其余为红灯,不设黄灯,周期c=3 600/r(单位：s)。车队调节适用于计算调节率r大于900 辆/h或15辆/min的情况,即每周期允许2辆或2辆以上的车辆进入快速路。周期c=3600n/r(单位:s),其中n为单列车队中的车辆数,辆/周期。

3.2 交通量-通行能力差额控制

调节的原理与定时控制方法类似,同样是根据上游的交通需求、匝道的交通需求以及下游的通行能力来确定调节率。但不同的是:该流量和调节率是实时计算和变化的,所以需要在主线的上下游设置检测器。如果k时刻下游检测器占有率Oout不超过预设临界值OCR则该时刻调节率为r(k)=Qcap-qin(k)；如果下游检测器占有率Oout超过了预设临界值OCR,则认为主线拥堵则采用最小调节率rmin[9]。该控制方法是一个开环扰动抑制策略,但需要预设临界值OCR。

3.3 占有率控制

占有率控制方法是通过实时检测下游占有率,调整匝道调节率以保持下游占有率为某一定值,使得快速路主线通行能力最大化。这是一种基于经典闭环反馈控制的策略,有较多计算方法。最常用的算法为ALINEA算法[10],其调节率计算公式为:

r(k)=r(k-1)+KR[Od-Oout(k-1)]

其中r(k)为第k周期入口匝道的调节率(辆/h),KR为调节参数(辆/h),Od为下游期望占有率,Oout(k-1)为第k周期的上一周期下游占有率。

该方法的实现相对简单,控制平缓,只需在下游设置检测器即可,但需要确定为调节参数KR和下游期望占有率Od,可根据实际检测到的占有率流量曲线获得。

3.4 路肩车道间隔控制

路肩车道间隔控制仅以路肩车道测得的流量为基础,在匝道相邻的主线路肩车道上下游设置检测器,根据两个检测器交通量的比较确定是否有未交汇车辆利用的间隔来确定调节率。

3.5 可插间隔控制

可插间隔控制无需计算调节率,但需要设置检测器以确定是否存在可插间隙[8]。在路肩车道上游设置1～2个检测器,检查是否有可插车间隔。该间隔参数为根据交通条件确定的控制参数,这种控制方法还需要把从匝道信号前启动车辆的行程时间与到交汇区的可插车间隔的移动时间相匹配。

4 实验方法和步骤

采用人工设计与计算机仿真相结合的实验办法。

首先根据快速路及匝道交通数据资料进行道路和控制方案设计；然后利用仿真软件进行建模和仿真；最后对仿真结果进行处理和比较分析。根据快速路的特点和对仿真软件的要求,交通仿真软件VISSIM涵盖路网、车流、交通控制等子系统,可以设置检测器输出行程时间、排队长度等数据，较适宜进行快速路交通控制仿真实验,可以可视化直观展现控制措施的效果[11-12],故选用微观交通仿真软件VISSIM进行仿真。

实验时,借助于VISSIM实验平台,首先通过设置道路条件、交通流状况来展示无控制的入口匝道的实际情况；然后通过对软件参数的设置与调整,实现自行设计的定时限流方案、感应控制方案,直观展示不同管理和控制方案的影响效果。具体包括以下几个步骤:

(1) 根据快速路及匝道交通数据资料,进行基本参数标定；

(2) 进行交通网络建模；

(3) 进行无控制方式下的交通运行仿真；

(4) 进行定时控制信号配时方案设计；

(5) 根据定时控制配时方案进行计算机仿真分析；

(6) 进行感应控制信号配时方案设计；

(7) 根据感应控制配时方案进行仿真分析；

(8) 根据仿真结果对多种控制方法进行比较。

通过实验,学生不仅可以掌握快速路入口匝道控制的理论和实现方法,对各控制方法的效果和适用性有更直观的感受,而且可以掌握仿真实验方法,为后续的其他实验和交通仿真实验打下基础,为将来实际参与交通管理与控制工作奠定坚实的专业基础。

采用“效果展示、统一指导、典范引导、独立完成实验”的实验教学方法。首先由实验教师展示不同道路入口匝道控制方案的应用效果,提高学生的学习兴趣、学习的主动性与积极性；然后进行实验原理和方法的集中指导,通过讲授与实验相结合的方式进行典型示范,然后由学生根据实验指导书进行自主设计。教师在实验过程中注重实验过程设计,提高“设计性”含量,给予学生必要的指导,实验由学生独立完成。

5 实验设计案例

5.1 实验准备

本实验宜安排4～6课时。实验前需要编写实验指导书,除了明确实验目的、实验要求外,还需指出实验报告的要求,让学生对实验结果进行分析,并提出自己的看法。为激发学生的进一步思考,还可附加思考题。实验前需准备好基础数据,包括快速路主路和入口匝道的几何数据、交通流数据等。建议提供的交通流数据为分时段的动态数据(如表1所示)。此外,还需要将VISSIM 7.0仿真软件的学习资料发放给学生,以提前熟悉实验平台。

表1 交通流数据

5.2 实验过程

实验教学需先简要讲解实验内容和VISSIM 7.0仿真软件的使用,然后重点介绍实验步骤。对于一个信号方案的主要实验流程如图1所示。

对不同的控制方案,需分别进行信号控制设定,然后重新运行以得到结果；选取行程时间、速度、延误、排队长度等指标进行分析评价和对比分析。具体指标的获取需要进行仿真评估配置,并对应设置行程时间检测段、数据采集点、延误测量定义、排队计数器等。

不同信号控制方案下检测器的设置也不同,检测器的布设见图2。交通量-通行能力差额控制利用的检测器编号是1—8；占有率控制需布设编号1—4检测器；路肩车道间隔控制需布设4号和8号两个检测器；可插间隔控制采用8号检测器。其中,1—4号检测器为下游检测器,设在距离入口匝道40～500 m之间,可取70 m[10];5—6号检测器为上游检测器,距入口匝道的距离通常为100～150 m,这里取100 m[13]。9号和10号检测器检测匝道的流入和流出量。匝道信号停车线与主线的距离需考虑加速距离以及与上游检测穿越间隔的检测器位置,可取30～50 m。

图2 检测器布设示意图

在感应控制中涉及到一些关键参数,可以引导学生查阅文献获取,尝试不同参数下控制结果的差异。

例如交通量-通行能力差额控制中,有文献提到最小调节率rmin可取300,预设临界值OCR可取0.26[13]；占有率控制中调节参数KR越大,调节速度越快,波动也越大,反之波动小,有文献认为取70辆/h可以得到最佳控制效果[9-10]；对于下游期望占有率Od,根据主线流量占有率关系,一般取关键占有率的90%,也有文献建议取0.23[14]；周期多在60 s以内,过短不利于及时检测拥挤,过长会导致匝道延误和排队,有文献建议选30 s[13]。

5.3 实验结果分析

让学生对不同信号控制方案的仿真评价结果进行分析,通过对各控制方式仿真结果的行程时间、延误、排队长度的比较,了解快速路入口匝道不同控制方法的特点和适用条件。例如,在无控制方式、主路交通流小的情况下,车均延误较小；而随着流量增加车均延误会增加。而对于占有率控制等,其他方式控制对于拥挤状态下车均延误会减少,有利于减少主路的交通拥挤,但会适当地增加入口匝道车辆的行程时间和排队长度。再如,对于占有率控制而言,随着主路占有率阈值取值增大，会更接近无控制的运行状态。

结合表1案例数据,给出无控制、定时和感应控制等控制方案的部分仿真结果(见图3)。其中定时控制是在无控制方案基础上在1 800～2 700 s时段需要增加信号灯进行定时控制。但从结果来看,定时控制的效果并不明显,而交通流量大时感应控制效果较好。

图3 部分控制方案仿真结果比较

除了对仿真结果进行分析、探讨各类控制方法的适用性外,该实验还可以引导学生对现有控制方法和算法进行改进。例如在占有率控制方法中引进交通安全因子和主导控制策略进行完善等[14]；探讨快速路入口匝道控制与平面交叉口的信号控制的不同,将入口匝道控制和衔接的平面交叉口控制进行联动。

总之,通过对快速路入口匝道进行定时和感应信号控制仿真实验,使学生学会使用VISSIM仿真软件进行感应控制和方案评价,深入了解不同控制方法的优缺点、实现方法以及适用情况,加深对交通信号控制影响交通运行状况的理解,进而进行探索性实验研究。

6 实验应用效果

基于仿真的快速路入口匝道控制实验将先进的交通仿真软件作为实验教学工具,将入口匝道控制理论完全融合到实验中,使实验教学与课堂理论教学紧密结合,锻炼了学生用实验方法解决实际问题的能力,体现了理论和实践相结合的教学目标,在实际教学中取得了良好的效果。