城市快速路入口匝道交通信号控制方法研究

郝弗非 ，谢 刚 ，董 欢 ，张 凡 ，赵 华

（1.天津市公安局交通警察总队，天津 300000；2.天津易华录信息技术有限公司，天津 300000）

1 概述

城市快速路作为城市快速干道，用于保证车辆畅通连续地行驶，提高城市内部的交通运输效率。近年来，随着城市人民群众物质生活水平不断提高和出行机动化进程加快，汽车保有量不断攀升，快速路的管控水平已经滞后于城市发展。快速路交通安全事故与拥堵时常发生，严重影响快速路的通行效率和人民群众的出行体验。因此，基于当下城市快速路交通现状，通过智能管控提高快速路系统运行效率，成为现代城市交通管理的重要研究课题。快速路入口匝道区域易发生车流交织，成为快速路车流运行的瓶颈。而通过合理控制入口匝道汇入主线的流量，是提升快速路运行效率的一种有效方法。

2 国内外对于城市快速路的理论研究

从20世纪以来的研究综合分析，匝道控制大多以缓解快速路主路拥堵为主为目标，综合考虑快速路周边辅路交通运行状态，进行协同控制。

BIN HAN等以减少匝道排队延迟和降低匝道排队长度为目标对匝道调节率进行了研究，并通过模拟测试验证了该方法的有效性[1]。陈学文以快速路系统车辆总消耗时间为控制目标，建立快速路系统拥堵疏散控制模型，实现了快速路网络整体优化控制[2]。邹祥莉提出拥堵条件下的出口匝道交叉口与下游交叉口协同控制方法和基于宏观基本图的路网交通拥堵甄别方法，构建了多匝道协同控制模型[3]。项乔君、禹奥业等发明了一种基于排队长度的城市快速路入口匝道控制系统及控制方法，通过迭代计算得到最终合理的绿信比[4]。唐立、罗霞等发明了一种基于密度的快速路多车道匝道控制方法，以期在主线交通流量最大的同时解决匝道排队长度过长和排队延误过大的问题[5]。

本文的研究中，以天津市快速路环线路网为例，将基于增强学习的自适应控制算法应用于入口匝道交通信号控制系统，根据实时快速路环线主路、辅路及匝道的车辆流量、平均速度、密度等数据训练深度学习神经网络模型，以减少拥堵为目标对快速路环线多个入口匝道进行信号灯调节控制，同时不断在线学习并修正自动控制模型。

3 天津快速路智慧交通管控系统设计与实践

3.1 天津市快速路概况

天津市快速路是天津市重点工程，是天津市路网系统的重要组成部分。其功能为分流核心区内过境交通，减少跨区域出行对核心区的影响，缓解核心区的交通拥堵，完成核心区和外围组团的快速连接，提升城市整体道路服务水平。天津市快速路以高架道路和地面道路结合的方式，地面道路两侧一般有配套辅道，初始设计车速：主路60～80km/h，匝道 40～50km/h，环形匝道 30～35km/h。

图1 天津市快速路交通管控系统设计图

近些年随着天津市车辆逐年增多，交通出行量迅速增长，交通拥堵与交通事故频发。当前快速路环线部分路段呈周期性拥堵特征，严重拥堵时速低于20km/h，进出口道与现状路网接驳配合不佳，限制了快速路长距离交通运输功能，快速路交通拥堵问题日益突出。西北半环顺时针方向早高峰拥堵严重，从复康桥向青云桥蔓延，且早晚高峰差异明显，东南半环多处拥堵并发，拥堵压力最大，白天主路车速一般低于50km/h，车速低于30km/h的时长超过4h。

3.2 系统设计原理

根据天津市快速路网的总体设计，综合考虑快速路环线交通运行现状和拥堵特点，根据匝道周边交通需求、路网分流条件，与相邻出、入口匝道的间距及交织路段交通运行、交通事故情况，匝道的几何线型、蓄车能力等条件，天津市交通管理局对天津市快速路主要拥堵路段进行了控制系统设计，如图1所示。

系统设计在主要拥堵路段入口匝道处安装车道指示信号灯、信息提示屏和电子警察违法抓拍系统。车道指示信号灯用于控制匝道开启和封闭，同时配备信息提示屏提示。当快速路入口长期允许通行时，提示快速路入口开放及安全驶入；当快速路入口短时间封闭禁行时，提示快速路入口关闭及绕行信息；当快速路入口实行周期信号控制时，提示快速路入口实行信号控制及请遵守交通规则。同时快速路入口附近车道线为虚实线，机动车在实线的一侧不得越过实线变道，机动车在虚线的一侧则可以越过虚线变道。

管控系统以入口控制为主，通过匝道控制快速路车流驶入，可以使快速路主要交通可控，根据快速路环线内部交通出行特征及周围路网交通特征合理设置快速路匝道交通信号控制方案，可以达到缓解快速路拥堵瓶颈，均衡路网交通压力，提高快速路与周围路网整体交通运输效率。管控平台接入各类流量、速度、密度、拥堵指数等数据并进行融合处理，以融合后数据为依据进行快速路的车辆出行分布、潮汐流规律等的分析，并根据分析结果生成匝道及出入口信号控制系统的控制策略并向该系统发布，同时向交通信息提示系统发布相关快速路入口车道的开启及关闭状态信息。

在控制策略方面，根据控制方式分为匝道关闭和匝道调节。匝道关闭需在满足特定条件时启用。应用于匝道自动调节的模型主要遵循以下步骤。

步骤一：将天津快速路环线按照匝道情况、车道数情况等划分为一定数量的元胞路段，观测各元胞路段的长度、车速、流量等数据，并作为模型输入数据，观测变量间隔时长为5分钟。

步骤二：计算k时刻的快速路环线交通运行指数Ck。

采用GB/T33171-2016中基于行程时间比的方法计算交通运行指数。

（1）计算各评价元胞路段在k-1时间间隔内行程时间比TTIi，k-1

TTIi，k-1表示评价元胞i在k-1时间间隔内行程时间比表示评价元胞i在k-1时间间隔内所使用的平均行程时间；ti，k-1表示评价元胞i在k-1时间间隔内自由流行程时间表示评价元胞i在k-1时间间隔内所使用的平均行程速度；vi，k-1表示评价元胞i在k-1时间间隔内自由流行速度；当路段平均行程时间小于自由流行程时间时，设定TTIi-1=1。

（2）计算各评价元胞权重 γi，k-1

采用GB/T 29107-2012的算法计算各评价元胞权重。

首先，计算各评价元胞路段在k-1时间间隔内车公里数VKTi

VKTi，k-1=fi，k-1*Li

VKTi，k-1表示评价元胞i在k-1时间间隔内车公里数；fi，k-1表示评价元胞i在k-1时间间隔内交通流量；Li表示评价元胞i长度。

然后，计算得到所有评价元胞快速路的车公里数VKTk-1

VKTk-1=ΣVKTi，k-1

最后，计算各评价元胞权重γi，k-1

（3）计算评价元胞段总行程时间比TTIk-1

（4）基于下表换算评价元胞路段总交通运行指数Ck

?

步骤三：计算对k-1时间间隔内控制策略执行的Reward Rk，并存储。

步骤四：判断K时间间隔开始时刻拥堵开始情况，存储该步骤生成的控制策略。

如果 Ck≥1.9，Ck-1≥1.9，Ck-2<1.9，Ck-3<1.9 则表示拥堵开始，跳转至第五步；否则下发控制策略：未来5分钟内外场所有信号控制点位灯态为绿灯。令k=k+1，返回第一步。

步骤五：判断k时间间隔开始时刻拥堵消散情况，存储该步骤生成的控制策略。

如果 Ck<1.9，Ck-1<1.9，Ck-2≥1.9，Ck-2≥1.9 则表示拥堵消散，下发控制策略：未来5分钟内外场所有信号控制点位灯态为绿灯，跳转至第六步；否则下发控制策略：k时间间隔内子周期时长和绿信比，返回第一步。

步骤六：自适应控制器神经网络权重参数学习调整。

在每一次拥堵形成到拥堵消散的缓堵周期，系统要根据各时间间隔k的Rk值、各时间间隔k的环境观测量、各时间间隔k的控制策略，计算神经网络损失值，用于指导神经网络权重参数学习调整。

对于匝道关闭控制，只有发生以下情况时启用：一是入口匝道合流点下游的主线长时间严重拥堵时；二是主线、匝道或其关联区域发生交通事故、施工等特殊事件，需要临时关闭入口匝道时；三是主线、匝道或其交织区几何条件不满足车辆正常通行要求，存在安全隐患时。在匝道关闭控制策略实施时上匝道口交通流需有分流路径，入口匝道处应设置相应交通标志，与匝道相衔接的地面交叉口宜同时设置交通指示标志。

3.3 管控效果

目前，天津市快速路智慧交通管控平台已经开始对部分匝道入口控制功能进行测试，运行结果显示出较好的控制效果。

测试选取了快速路主路较拥堵的某处点位，选取某早高峰时段启用入口匝道信号灯调节由辅道进入主路的流量。并对测试入口下游500m主路路段速度数据进行分析。速度方面，开启控制当日在早高峰灯控时段，该下游主路路段平均速度为47.36公里/小时，较上周同期速度44.22公里/小时提升7.09%；流量方面，开启控制当日，该下游主路路段每五分钟平均车流量为540，较上周同一时段每五分钟车流量460提升17.29%。

4 结束语

综上所述，本文首先对城市快速路入口匝道区域交通特性及通行能力的研究现状进行分析梳理，其次介绍天津市对快速路交通现状、交通信号控制的系统设计、自动控制模型，并对试点控制效果进行分析。但是在实际复杂的交通环境中大范围落地应用的效果，还需要逐步验证和优化完善。基于强化学习的快速路匝道信号自动控制系统，用模型自学习优化替代以往的专家经验，是一个值得继续深化研究的方向。